Міністерство освітиРФ
Калузький державнийпедагогічний
університет ім. К.Е.Ціолковського
Кафедра фізики
Оптичні явища ватмосфері
Калуга 2009
Введення
Метою даноїкурсової роботи є розгляд оптичних атмосферних явищ і їхфізичної природи. З - за обмеженого обсягу роботи, в ній описується лишедеяка частина подібних явищ, таких як пояснення кольору неба (незачіпаючи час ранкової та вечірньої зорі), веселки, гало, В«помилкових сонцьВ»,міражів і полярних сяйв. Дані явища описані в роботі досить докладно.Менш докладно описані явища виникнення сонячних стовпів, примарБроккі, вінців, вогнів святого Ельма і блукаючих вогників.
У другійчастини роботи містяться методичні аспекти, що стосуються можливостейзастосування використаного матеріалу в середніх загальноосвітніх школах.
Для більшоїнаочності, мною розроблена презентація, що містить рідкісні фотографіїоптичних атмосферних явищ, яка може використовуватися як додаток доіснуючої курсовій роботі, і на додаток до вже містяться в ній наочнимелементам.
Великимплюсом роботи, на мій погляд, є не тільки її наукова спрямованість, алеі явно виражена спрямованість естетична. Сподіваюся, Вам читання курсовоїдоставить не менше задоволення, ніж мені - її складання.
Уявленняпро оптику
Першіуявлення стародавніх учених про світло були вельми наївні. Вважалося, що з очейвиходять особливі тонкі щупальця і ​​зорові враження виникають приобмацуванні ними предметів. Тоді під оптикою розуміли науку про зір. Саметакий точний зміст слова В«оптикаВ». В середні віки оптика поступово з науки прозір перетворилася на науку про світло. Цьому сприяв винахід лінз ікамери-обскури. У сучасний час оптика - це розділ фізики, в якомудосліджується випускання світла, його розповсюдження в різних середовищах івзаємодія з речовиною. Що ж стосується питань, пов'язаних із зором,пристрій і функціонування ока, то вони виділилися в спеціальний науковийнапрям, званий фізіологічною оптикою.
Поняття"Оптика", в сучасній науці, має багатогранне значення. Це іатмосферна оптика, і молекулярна оптика, і електронна оптика, і нейтроннаоптика, і нелінійна оптика, і голографія, і радіооптіка, і Пикосекунднаяоптика, і адаптивна оптика, і багато інших явищ і методи науковихдосліджень, тісно пов'язані з оптичними явищами.
Більшістьз перерахованих видів оптики, як фізичне явище, доступні нашомуспостереженню тільки при використанні спеціальних технічних пристроїв. Цеможуть бути лазерні установки, випромінювачі рентгенівських променів, радіотелескопи,плазмові генератори і багато що інше. Але найбільш доступним і, разом з тим,найбільш барвистим оптичними явищами є атмосферні. Величезні посвоїми масштабами, вони суть - породження взаємодії світла і атмосфери землі.
Земнаатмосфера, як оптична система
Нашапланета оточена газовою оболонкою, яку ми називаємо атмосферою. Володіючинайбільшою щільністю в земної поверхні і поступово розріджене з підняттямвгору, вона досягає товщини більш сотні кілометрів. І це не застигла газоваСереда з однорідними фізичними даними. Навпаки, атмосфера землі знаходиться впостійному русі. Під впливом різних факторів, її шариперемішуються, змінюють щільність, температуру, прозорість, переміщуються навеликі відстані з різною швидкістю.
Дляпроменів світла, що йдуть від сонця або інших небесних світил, земна атмосфераявляє собою своєрідну оптичну систему з постійно мінливимипараметрами. Опиняючись на їх шляху, вона і відображає частину світла, розсіює його,пропускає його крізь всю товщу атмосфери, забезпечуючи освітленість земноїповерхні, в певних умовах, розкладає його на складові івикривляє хід променів, викликаючи, тим самим, різні атмосферні явища.Найбільш незвичайні барвисті з них це сонячний захід, веселка, північнесяйво, міраж, сонячне і місячне гало.
Науки, займаються вивченням світлових явищ ватмосфері
В·Метеорологічна оптика - займається вивченням атмосфернихявищ, пов'язаних з погодою (явища кольори неба і його забарвлення, поляризаціянебесного зводу, явища міражу і неправильного заломлення та відбиття світла ватмосфері, мерехтіння зірок, веселка, кола й вінці близько світил).
В·Астрономія - докладно вивчає явище рефракції(Заломлення світла в атмосфері).
В·Атмосферний електрику - займається вивченняматмосферних явищ електричного походження (блискавка, вогні святого Ельма іін.)
В·Атмосферна оптика - вивчає перетвореннясонячної енергії і теплового випромінювання самої атмосфери і підстилаючої поверхні.
Колірнеба
Явище блакитний забарвлення неба вПротягом дня, залежить виключно від розсіювання світла тими дрібними частинками,які постійно знаходяться в більш ніж достатній кількості у зваженомустані не тільки в нижніх, але і в порівняно високих шарах атмосфери.Лордом Рейлеем (Rayleigh) теоретично було доведено, що при досить малихрозмірах такі частинки володіють властивістю відображати виключно тільки променікороткої довжини хвилі, тобто промені блакитні, сині, фіолетові . Для розуміння деякихявищ субатомного світу корисно уявити собі електрони прикріпленими доядрам на жорстких пружинах. Реакція електрона на впливі електричного полясвітлової хвилі залежить від того, як частота хвилі співвідноситься з частотамивласних коливань цієї уявної пружини. Розрахунки показують, що чимкоротше довжина світлової хвилі, тим вище ймовірність її попадання в резонанс звласними частотами збудження електронів і, відповідно, тим частіше електронибудуть поглинати і знову випускати фотони відповідної частоти. Наслідкомцього ж ефекту взаємодії світла з атомами є і розсіювання світла всередовищі. Світло, не вступає у взаємодію з атомами, доходить до насбезпосередньо. Тому, коли ми дивимось не на джерело світла, а на розсіяне світловід цього джерела, ми спостерігаємо в ньому переважання коротких хвиль синьої частиниспектра.
Осьчому небо виглядає синім, а Сонце жовтуватим! Коли ми дивимося на небо встороні від Сонця, ви бачите там розсіяне сонячне світло, де переважаютькороткі хвилі синьої частини спектра. Коли ж ви дивитеся безпосередньо наСонце, ви спостерігає спектр його випромінювання, з якого, шляхом розсіювання наатомах повітря, вилучена частина синіх променів, і спочатку білий спектр Сонцязміщується в жовто-червону область при проходженні через атмосферу
Чим більше частинок вповітрі, тим яскравіше здається нам його блакитне забарвлення; чим далі віддаляємося ми понебесному склепіння від світила, службовця джерелом світла, тим більше,отже, відбитків від частинок зазнає дійшов до нас промінь і тим синєздасться нам небесне склепіння. Навпаки, чим далі віддаляємося ми від земноїповерхні, тим менше зважених часток зустрічають в атмосфері доходять донас промені і тим темніше здається нам небо; при підйомах на дуже високі гори, привисоких польотах на повітряних кулях спостерігачі бачать майже зовсім чорне небо.
Приморозах, коли повітря переповнене плаваючими в ньому крапельками туману, забарвленнянебосхилу є дуже яскравою, - особливо, якщо умови, наприклад. у великихмістах, де повітря містить масу пилу і кіптяви, сприяють появітуману. Явища забарвлення неба в блакитний колір спостерігаються тільки при достатньомалих розмірах відображають промені частинок; як тільки розміри цих останніхперейдуть певний межа, відбивані ними промені будуть містити і промені іншихдовжин хвиль; - блакитне забарвлення неба в цих випадках починає переходити вбілястий; а при достатній кількості порівняно великих часток небоможе прийняти абсолютно білий колір, як це спостерігається, напр., приосвіті обширних скупчень дрібних крижаних кристалів і голочок,спостережуваних нами у вигляді розтягнутих покривів перисто-шаруватих хмар.
...
