Конкурс научных проектов школьников в рамках краевой научно - практической конференции «Эврика» Малой академии наук учащихся Кубани.
КРИВОЛИНЕЙНОЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА.
РЕФРАКЦИЯ В АТМОСФЕРАХ
ПЛАНЕТ.
Научная работа по астрономии.
Выполнена ученицей
Гончаровой Мариной
МОУ СОШ №5
Каневского района
ст. Стародеревянковская
Научный руководитель
Мурзенко Марина
Анатольевна учитель
физики МОУ СОШ №5
ст. Стародеревянковская
2009-2010 г.
Оглавление.
Краткая аннотация. Аннотация …………………………………………….2
Оглавление ……………………………………………………………………3
Введение. Астрономическая рефракция……………………………………..4
Определение плотности в диффузном слое жидкости……………………...6
Опыты по криволинейному распространению света. . . . . . . . . . . . . . . …....8
Выводы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 12
Список литературы…………………. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
Приложения : 1, 2, диск с презентацией…………………………………...14
КРИВОЛИНЕЙНОЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА.
РЕФРАКЦИЯ В АТМОСФЕРАХ ПЛАНЕТ. Гончарова Марина.
Краснодарский край, Каневской район, ст. Стародеревянковская
МОУ СОШ №5, 10 класс.
Введение. Астрономическая рефракция.
Целью работы является изучение явления астрономической рефракции. Лучи света при прохождении через атмосферу планеты отклоняются и идут не прямолинейно. По этой причине мы видим светило не там, где оно на самом деле находится. Явление преломления световых лучей при прохождении ими земной атмосферы называется астрономической рефракцией.[1]
Видимое положение светила над горизонтом, строго говоря, отличается от вычисленного по формуле. Дело в том, что лучи света от небесного тела, прежде чем попасть в глаз наблюдателя, проходят сквозь атмосферу Земли и преломляются в ней, а так как плотность атмосферы увеличивается к поверхности Земли, то луч света все более и более отклоняется в одну и ту же сторону по кривой линии, так что направление АМ, по которому наблюдатель, находящийся в точке А видит светило, оказывается отклоненным в сторону зенита и не совпадающим с направлением AМ2, по которому он видел бы светило при отсутствии атмосферы. Рефракция как бы приподнимает светило над горизонтом.
Угол М1АМ2 называется углом рефракции или рефракцией на p. Угол ZАM1 называется видимым зенитным расстоянием светилом Z`, а угол ZАM2 – истинным зенитным расстоянием Z. Непосредственно из рисунка следует z – z` = p или z = z` + p
т. е. истинное зенитное расстояние светила больше видимого на величину рефракции p.
Преломление света. На границе двух сред свет меняет направление своего распространения. Часть световой энергии возвращается в первую среду, т. е. происходит отражение света. Если вторая среда прозрачна, то свет частично может пройти через границу сред, также меняя при этом, как правило, направление распространения. Это явление называется преломлением света.[2]
Законы отражения и преломления света можно вывести из одного общего принципа, описывающего поведение волн. Этот принцип впервые был выдвинут современником Ньютона Христианом Гюйгенсом. Согласно принципу Гюйгенса каждая точка среды, до которой дошло возмущение, сама становится источником вторичных волн. Из принципа Гюйгенса не только следует закон преломления, но с помощью этого принципа раскрывается физический смысл показателя преломления. Он равен отношению скоростей света в средах, на границе между которыми происходит преломление n= V1/V2. Если угол преломления β меньше угла падения α, то скорость света во второй среде меньше, чем в первой.
Абсолютный показатель преломления определяется скоростью распространения света в данной среде, которая зависит от физического состояния среды (температуры вещества, его плотности, наличия в нем упругих напряжений). Показатель преломления зависит также от характеристик самого света. Например, для красного он меньше, чем для фиолетового. По законам преломления света луч, падающий и луч преломленный лежат в одной плоскости. Следовательно, траектория луча АBO и направление АМ2 и АМ лежат в одной вертикальной плоскости. Поэтому рефракция не изменяет азимута светила, и, кроме того, равна нулю, если светило находится в зените.
Если светило находится в кульминации, то рефракция изменяет только его склонение и на ту же величину, что и зенитное расстояние, так как в этом случае плоскости его часового и вертикального кругов совпадают. В остальных случаях, когда эти плоскости пересекаются под некоторым углом, рефракция изменяет и склонение, и прямое восхождение светила. Рефракция зависит не только от высоты светила над горизонтом, но и от состояния атмосферы, главным образом от её плотности, которая сама является функцией, в основном температуры и давления. При давлении B мм рт. ст. и температуре tº приближенное значение рефракции: p = 60˝, 25 В/760 * 273°/273 + tº * tg z`. Следовательно, при температуре 0º С и при давлении 760 мм рт. ст. рефракция p = 60˝ ,25 tg z`.
Определение плотности раствора в диффузном слое.
Для подтверждения закономерности данного явления были проведены измерения и проделаны опыты. Так как поставить опыты по рефракции в лабораторных условиях невозможно (газ изменяет свою плотность в атмосфере на протяжении километров), то опыты проводились с жидкостями (их плотность во много раз больше). А значит создать диффузный слой можно, взяв жидкости с разными показателями преломления и пропустив между ними луч света. В качестве жидкостей были применены насыщенные растворы соли и сахара.[3]
Были измерены плотности раствора соли и сахара. Для измерения плотности понадобились весы, мензурка, пластиковый стакан и непосредственно сами растворы воды и соли. Чтобы определить плотность вещества, нужно найти его массу и объем. Перелив содержимое сосуда, в котором находился раствор сахара, в мензурку, нашли объем жидкости, он был равен 100см3. После перелили эту же жидкость, объем которой был уже известен в пластиковый стакан, и поставили на электронные весы, вычтя массу тары, т. е. пластикового стакана. Весы показали 106г. Затем осталось только посчитать, используя формулу ρ = m/V. Итак, плотность раствора сахара равна 1,06 г/см3 или в единицах С. И. – 1060 кг/м3. Аналогично определили плотность раствора соли. Она равна 1080 кг/м3.Плотность воды - 1000кг/м3.Построим графики для того чтобы посмотреть как менялась плотность в диффузном слое.
График зависимости плотности раствора соли от высоты сосуда (в сантиметрах).
График зависимости плотности раствора сахара от высоты сосуда (в сантиметрах).
Плотность раствора
После всех измерений взяли прозрачный сосуд (кювету) и налили сначала раствор сахара, потом аккуратно налили воду, стараясь не смешивать с жидкостью внизу.
Между раствором сахара и водой образовался диффузный слой, плотность которого менялась постепенно, возрастая, приближаясь ко дну сосуда. Тоже проделали и с раствором соли.
Луч света испытывает искривление в слое не более 5 сантиметров между жидкостями. Опыты были проведены в кабинете физики и сняты на цифровой фотоаппарат.
В качестве луча света был использован лазер для лабораторных работ по физике, а также осветитель для опытов по оптике с разными фильтрами. Выбор разных источников света необходим для того чтобы определить является ли данное явление закономерностью для различных длин световых волн.
Для создания диффузного слоя необходимо время. Скорость диффузии зависит от температуры, значит, при создании диффузного слоя нужно выбрать оптимальную температуру, при которой диффузия произойдет достаточно быстро в некотором слое, но не настолько, чтобы плотность раствора не стала одинаковой по всему объему жидкости.
Опыты проводились при температуре 18 градусов Цельсия. Диффузный слой образовался в течение 20 минут. Отклонение луча света можно было наблюдать 40- 50 минут, после чего диффузия продолжалась, и раствор становился все более однородным.
Опыты по криволинейному распространению света.
Рис 1.
Опыт №1
В сосуде находиться вверху вода, снизу насыщенный раствор сахара. Через раствор сахара пропущен луч лазера. Дадим качественное объяснение этому явлению.
В нижней части кюветы находится раствор сахара, имеющий большую оптическую плотность, чем расположенная над ним вода. Поэтому показатель преломления жидкости в образовавшемся за счёт диффузии переходном слое между раствором сахара и водой непрерывно изменяется вдоль вертикальной оси у (рис 1), плавно уменьшаясь ростом значения у. Поскольку абсолютный показатель преломления равен отношению скорости света в вакууме к скорости света в веществе n=c/v, скорость распространения света в верхних слоях жидкости больше чем, в нижних.
Подобный опыт был проведен с широким пучком света (Приложение№1). Луч света изогнулся ко дну сосуда, значит, наблюдаемое явление не зависит от ширины светового луча.
Объяснение явления.
.
Рис 2.
Если на кювету перпендикулярно оси у падает параллельный пучок света от источника света (*), лежащего в бесконечности, то плоская волновая поверхность Z1 внутри жидкости будет поворачиваться, последовательно занимая положения Z2, Z3 и т. д. Это ясно, так как вверху кюветы свет распространяется быстрее, чем внизу (рис 2).
А световые лучи всегда перпендикулярны волновым поверхностям, согласно принципу Гюйгенса (Каждая точка среды, до которой дошло возмущение, сама становится источником вторичных волн). Поэтому вместе с поворотом поверхности произойдёт и поворот лучей. Так что образованный ими световой пучок изгибается в сторону от меньшего к большим значениям показателя преломления жидкости. Так как плотность жидкости увеличивается ко дну сосуда, а значит, луч должен отклоняться вниз.
Понятно, что чем резче изменения показателя преломления вдоль у, тем больше и изгиб светлого пучка: когда показатель преломления меняется скачком, наблюдаются обычное или полное внутреннее отражение света, и изгиб пучка выражен наиболее сильно (Приложение 11).
Рис 3.
Опыт №2
Опыт можно усложнить, если пропустить два луча через первую и вторую среду. Этот опыт более наглядно демонстрирует искривление пучка света (рис 3).
Луч белого света идёт практически по прямой линии, т. к. проходит через однородную среду – воду. А луч синего света изгибается в неоднородной среде, подобно лучу лазера в предыдущем опыте.
Из опыта№2 и 3 следует, что искривление красного и синего луча аналогично. А значит, это явление наблюдается для разных длин волн, как красной части спектра, так и синей. Красный луч - луч лазера, значит это явление характерно и для когерентного излучения.
А значит нужно учитывать и рассчитывать угол рефракции, так как она изменяет склонение светила. Это важно при составлении астрономических карт и нахождении светил на небесном своде.
Опыт №3
Сверху налита вода, снизу насыщенный раствор сахара, через жидкости параллельно границе раздела сред пропущен пучок красного света. В обоих случаях мы наблюдаем один и тот же эффект отклонения пучка света вниз при прохождении его через неоднородную (более плотную) среду, независимо от рода вещества и длинны волны пропущенного света (рис 4)
Рис. 4
Интересное явление можно наблюдать, если пропустить пучок параллельных лучей через кювету с водой и раствором сахара.
В данном случае мы наблюдаем три луча. Каждый луч имеет своё отклонение от положения. Это зависит от изменения показания преломления, которое происходит от слоя к слою. Чем больше изменения по вертикали, тем сильнее отклоняется луч.
Подобное явление наблюдается в атмосферах планет. Чем больше изменение плотности атмосферы, тем ярче выражена астрономическая рефракция. Тем сильнее смещение светила.
Выводы.
1. В данной работе проделаны опыты, которые выходят за рамки школьной программы физики и астрономии. Подобное явление наблюдается в атмосферах планет. Чем больше изменение плотности в атмосфере, тем сильнее смещение светила, тем ярче выражена астрономическая рефракция.
2 . Ко всем опытам иметься иллюстративный материал (фотографии).
А также теоретическое объяснение наблюдаемого явления.
3. Опыты проделаны по несколько раз с разными источниками света и растворами. В качестве луча света был использован лазер для лабораторных работ по физике, а также осветитель для опытов по оптике с разными фильтрами. Данное явление является закономерностью для различных длин световых волн и для когерентного излучения.
4.Каждый опыт имеет своё теоретическое обоснование в виде физических законов, где подробно рассматривается изучаемое явление астрономической рефракции.
5.Полученные результаты и теории можно применить в виде элективного курса по астрономии и физике, а так же проделать эти опыты с учащимися в классах с углублённым изучением физики и астрономии, что даст учащимся более полные знания по предмету.
6. Нужно учитывать и рассчитывать угол рефракции, так как она изменяет склонение светила. Это важно при составлении астрономических карт и нахождении светил на небесном своде.
Литература:
1. «Курс общей астрономии» П. И.Бакулин, Э. В. Кононович, В. И. Мороз «Наука» 1993 г
2. «Необыкновенная физика обыкновенных явлений» Кл. Э. Суорц. «Наука» 2007 г.
3. «Простые опыты по распространению света» В. В. Майер. Москва «Наука» 2004 г.
4.«Физика. Оптика и волны» под редакцией А. С. Ахматова. «Наука» 1993 г.
5. www.
6. www. element. ru
[1] «Курс общей астрономии» П. И.Бакулин, Э. В. Кононович, В. И. Мороз «Наука» 1993 г
[2] .«Физика. Оптика и волны» под редакцией А. С. Ахматова. «Наука» 1993 г
[3] . «Простые опыты по распространению света» В. В. Майер. Москва «Наука» 2004 г
Основные порталы (построено редакторами)