Физика в природе: шаровая молния, радуга и мираж

Полезно понаблюдать на опыте, как распространяется узкий световой пучок в оптически неоднородной среде. Рассмотрим жидкую среду. Чтобы поставить опыт, надо, во-первых, приготовить такую среду, а во-вторых, позаботиться о том, чтобы световой пучок был хорошо виден в ней. Наполним аквариум прямоугольной формы или специально изготовленную плоскопараллельную кювету водой примерно до половины. Затем через воронку со шлангом, конец которого надо опустить до самого дна кюветы, будем медленно наливать насыщенный раствор поваренной соли (300 г соли на литр воды). Раствор соли будет растекаться по дну кюветы и будет постепенно вытеснять вверх воду. В итоге нижняя половина кюветы окажется заполненной более плотной жидкостью (раствором соли), а верхняя - менее плотной (водой). Вследствие взаимной диффузии между жидкостями через некоторое время образуется переходный слой с плавно изменяющейся в вертикальном направлении плотностью, а значит, и показателем преломления. Он будет постепенно возрастать в направлении сверху вниз. Чтобы световой луч был хорошо виден в жидкости, можно предварительно добавить в чистую воду и в солевой раствор щепотку хвойного концентрата, продающегося в аптеке, слабый раствор которого обладает способностью светиться зеленым светом (люминесцировать) под действием обычного (белого) света.

Теперь приступим к самому опыту. Через боковую стенку кюветы направим внутрь жидкости узкий световой луч. Сначала направим луч так, чтобы он шел снизу вверх под некоторым углом а к вертикали (рис. 3.2,а). По мере перехода луча в слои жидкости с более низкими показателями преломления угол луча с вертикалью будет возрастать. Световой луч внутри кюветы будет изгибаться; его направление будет приближаться к горизонтальному. Затем направим луч сверху вниз под углом а к вертикали (рис. 3.2,б). При переходе в слои жидкости с более высокими показателями преломления угол луча с вертикалью будет уменьшаться. А теперь обратимся к более интересному случаю: луч входит в кювету строго горизонтально (рис. 3.3,а). Казалось бы, он должен распространяться внутри кюветы тоже горизонтально. Однако, как показывает опыт, световой луч в жидкости будет все более изгибаться книзу - в сторону слоев оптически более плотных.

Это нетрудно объяснить, если принять во внимание что бесконечно узкий световой луч есть идеализация, а в действительности мы имеем дело со световыми пучками конечной ширины. Пусть световой пучок входит в кювету строго горизонтально (рис. 3.3,а). Штриховые линии изображают сечения волнового фронта пучка в разных точках вдоль оси пучка; стрелками показаны световые лучи. Читателю, не знакомому с понятием волнового фронта, достаточно будет сообщить, что в любой момент времени все точки волнового фронта находятся в одной и той же фазе колебания и что в каждой точке пространства поверхность волнового фронта и световой луч взаимно перпендикулярны. Рассмотрим фронт светового пучка, только что вошедшего в жидкость. Пусть - скорость света в точке , a - в точке В. Напомним, что показатель преломления равен скорости света в вакууме, деленной на скорость света в среде. Поскольку показатель преломления в точке меньше, чем в точке , то, следовательно, . Отсюда следует, что вертикальный, вначале волновой, фронт пучка (фронт ) будет по мере распространения пучка в жидкости все более наклоняться, как это показано на (рис. 3.3,б). Это означает, что пучок будет постепенно загибаться книзу.

Данный опыт позволяет заключить: если свет распространяется в среде, показатель преломления которой уменьшается в направлении снизу вверх, то независимо от начального направления луча он всегда будет искривляться так, чтобы его траектория была обращена выпуклостью вверх (рис. 3.4,а). Если бы показатель преломления уменьшался в направлении сверху вниз, то тогда выпуклая сторона изогнутого светового луча была бы обращена вниз (рис. 3.4,б). Обобщая, можно сформулировать следующее важное правило: в оптически неоднородной среде световой луч изгибается так, что его траектория всегда оказывается обращена выпуклостью в сторону уменьшения показателя преломления среды.

Насколько резко будет искривляться световой луч в среде с непрерывно изменяющимся показателем преломления? Это зависит от того, насколько быстро изменяется показатель преломления при переходе от одних точек среды к другим.

Пусть световой пучок диаметра входит горизонтально в среду, показатель преломления которой уменьшается в направлении снизу вверх. В точке , отвечающей верхнему краю пучка, он равен , а в точке В, отвечающей нижнему краю, равен (рис. 3.5). Обозначим через радиус кривизны пучка сразу после того, как он вошел в среду. Можно считать, что . Угол на рисунке выбираем достаточно малым, чтобы полагать, что показатель преломления в такой же, как и в . Дугу световой луч проходит за время , а дугу за время .

Эти времена равны:

(3.1).

Так как , , где с - скорость света в вакууме, то равенство (3.1) можно переписать после сокращения общих множителей в следующем виде:

 (3.2)

Раскрывая скобки и пренебрегая слагаемым , как величиной второго порядка малости, получаем:

(3.3).

Отношение характеризует быстроту изменения показателя преломления с расстоянием; его называют градиентом показателя преломления. В данном случае речь идет о градиенте показателя преломления в вертикальном направлении (в горизонтальном направлении показатель преломления не меняется, значит, в этом направлении его градиент равен нулю). Из формулы (3.3) видно, что чем больше градиент показателя преломления , тем меньше радиус кривизны пучка и, следовательно, тем круче изгибается световой пучок. В предельном случае, когда показатель преломления изменяется не плавно, а скачком, т. е. когда имеется четкая граница между двумя областями с разными значениями показателя преломления (это отвечает бесконечно большому градиенту показателя преломления), световой луч испытывает не изгиб, а излом, и на границе двух сред он резко изменяет свое направление, преломляясь и отражаясь или же только отражаясь.

3.3 Нижний («озерный») мираж

Если воздух у самой поверхности земли сильно нагрет и, следовательно, его плотность относительно мала, то показатель преломления у поверхности будет меньше, чем в более высоких воздушных слоях. Изменение показателя преломления воздуха с высотой вблизи земной поверхности для рассматриваемого случая показано на (рис. 3.6,а). Заметим, что изменение показателя преломления с высотой представлено на рисунке для наглядности более значительным, чем это наблюдается в действительности.

В соответствии с установленным выше правилом, световые лучи вблизи поверхности земли будут в данном случае изгибаться так, чтобы их траектория была обращена выпуклостью вниз (рис. 3.6,б). Пусть в точке (рис. 3.6,в) находится наблюдатель.

Световой луч от некоторого участка голубого неба попадет в глаз наблюдателя, испытав искривление. А это означает, что наблюдатель увидит соответствующий участок небосвода не над линией горизонта, а ниже ее (см. штриховую прямую на (рис. 3.6,в). Ему будет казаться, что он видит воду, хотя на самом деле перед ним изображение голубого неба. Представим теперь, что у линии горизонта находятся холмы, пальмы или иные объекты. Благодаря искривлению лучей наблюдатель увидит их перевернутыми (рис. 3.6,г) и воспримет как отражения соответствующих объектов в несуществующей воде. Так возникает иллюзия, представляющая собой «озерный» мираж.

3.4 Простые верхние миражи

Теперь предположим, что воздух у самой поверхности земли или воды не нагрет, а, напротив, заметно охлажден по сравнению с более высокими воздушными слоями; изменение n с высотой h показано качественно на (рис. 3.7,а). Световые лучи в рассматриваемом случае изгибаются так, что их траектория обращена выпуклостью вверх. Поэтому теперь наблюдатель может видеть объекты, скрытые от него за горизонтом, причем он будет видеть их вверху, как бы висящими над линией горизонта (рис. 3.7,б). Недаром такие миражи называют верхними. Верхний мираж может давать как прямое, так и перевернутое изображение. Показанное на (рис. 3.7,б) прямое изображение возникает, когда показатель преломления воздуха уменьшается с высотой относительно медленно. При быстром уменьшении показателя преломления образуется перевернутое изображение.

Рис 3.7,а Рис 3.7,б

В этом просто убедиться, если рассмотреть гипотетический случай - показатель преломления воздуха на некоторой высоте уменьшается скачком (рис. 3.8,а). Для простоты кривизна земной поверхности не принимается во внимание. Лучи от объекта, прежде чем попасть к наблюдателю испытывают полное внутреннее отражение от границы ниже которой в данном случае находится более плотный, а выше - менее плотный воздух. Видно, что верхний мираж дает перевернутое изображение объекта. В действительности, разумеется, нет скачкообразной границы между слоями воздуха; переход совершается постепенно. Однако если он совершается достаточно резко, верхний мираж даст перевернутое изображение (рис. 3.8,б).

Рис 3.8,а Рис 3.8,б

Допустим, что показатель преломления воздуха уменьшается с высотой сначала быстро, а затем медленно (рис. 3.9,а). В этом случае световые лучи в области будут искривляться сильнее, чем в области . В результате возникают два изображения (рис. 3.9,б). Световые лучи 1, распространяющиеся в пределах воздушной области (те самые, которые сильно искривляются), формируют перевернутое изображение объекта. Лучи 2, распространяющиеся в основном в пределах области , искривляются в меньшей степени и формируют прямое изображение.

Теперь представим себе, что существуют три последовательные воздушные области: первая (у самой поверхности), где показатель преломления уменьшается с высотой медленно, следующая, где показатель преломления уменьшается быстро, и, наконец, третья, где показатель преломления снова уменьшается медленно. В этом случае возможен тройной мираж.

Рис 3.9,а Рис 3.9,б

На (рис. 3.10,а) представлено рассматриваемое изменение показателя преломления с высотой; цифрами обозначены соответствующие воздушные области (начиная от приповерхностной).

Рис 3.10,а Рис 3.10,б

На (рис. 3.10,б) показано, как возникает тройной мираж. Лучи 1 формируют нижнее прямое изображение объекта, они распространяются в пределах воздушной области . Лучи 2 формируют перевернутое изображение; попадая в воздушную область , эти лучи испытывают достаточно сильное искривление. Наконец, лучи 3 формируют верхнее прямое изображение объекта.

Рис 3.11,а Рис 3.11,б

Двойной мираж может возникнуть также в случае, когда у самой поверхности воздух сильно нагрет, выше охлажден, а еще выше снова нагрет. Показатель преломления воздуха с высотой сначала возрастает, а затем начинает уменьшаться (рис. 3.11,а). В данном случае ход световых лучей от объекта к наблюдателю может иметь вид, показанный на (рис. 3.11,б). На рисунке выделены две воздушные области: область, где показатель преломления растет с высотой (она окрашена в розовый цвет), и область, где показатель преломления с высотой уменьшается (она окрашена в желтый цвет). Обратите внимание: все световые

лучи в пределах розовой области обращены выпуклостью вниз, тогда как лучи в желтой области обращены выпуклостью вверх (напомним, что траектория луча всегда обращена выпуклостью в сторону менее плотного воздуха). Судя по рисунку, наблюдатель увидит два изображения объекта - одно выше линии горизонта, а другое (перевернутое) ниже. Первое изображение формируют лучи 1, а второе - лучи 2.

Под влиянием ветра и вертикальных воздушных потоков слой холодного воздуха может искажаться, изменять толщину, перемещаться по высоте. Поэтому как верхнее, так и нижнее изображения будут изменяться со временем, создавая картину, сменяющих друг друга видений. Так возникает знаменитая «фата-Моргана».

Заключение

1. Акбаев, А.А. Физика и живая природа. // Физика: Прил. К газ. «Первое сентября». - 2004. -№21. - с. 19-23.

2. Билимович, Б.Ф. Физические викторины. - М.: Просвещение, 1997г. - 236с.

3. Булат, В.Л. Оптические явления в природе. - М.: Просвещение, 1974г. - 193с.

4. Варикаш, В.М. Физика в живой природе: Кн. для учащ. - 2-е изд., доп. / В.М. Варикаш. [и др.]. - Минск: Народная асвета, 1984г.-127с.

5. Галузо, И.В. Физич. картина мира, или заметки о формировании естественно-научного мировоззрения школьников // Человек. Общество. Свет. - 2006. - №2. - С. 20-25.

6. Гейзенбер, В. К. К истории физич. объясненения природы // Гейзенберг В. К. У истоков квантовой теории. - М., 2004. - с. 34-35.

7. Дягилев, Ф.М. Из истории физики и жизни ее творцов: Кн. для учащ. - М.: Просвещение, 1986г. - 255с.

8. Квасов, Н.Т. Шаровая молния. - Минск: Университетское, 1989

9. Стаханов, И.П. О физической природе шаровой молнии. - М.: Энергоатомиздат, 1985г. - 128с.

10. Тарвсов, Л.В. Физика в природе: Кн. для учащ. - М.: Просвещение, 1988г. - 351с.: ил.

Размещено на Allbest.ru