Исследовательская работа на тему: «Оптика. Оптические явления в природе» по физике (стр. 3 )

Еще до нашей эры был установлен закон отражения от зеркальной поверхности: угол падения равен углу отражения (оба угла отсчитываются от вертикали к поверхности). Этому закону подчиняются любые зеркала: металлические и стеклянные, плоские, выпуклые и вогнутые. С помощью этого закона, впервые сформулированного в труде Евклида «Катоптрика» (от греческого слова «катоптрон» — зеркало), ученые научились рассчитывать форму и размер изображений в зеркалах, определять фокус вогнутых зеркал — жаркую точку, где сходятся отраженные таким зеркалом солнечные лучи.

Древнегреческие исследователи природы доказали, что при переходе из менее плотной среды (воздуха) в более плотную (стекло, воду) световой луч отклоняется от вертикали к поверхности раздела двух сред на меньший угол, чем луч падающий. Они понимали, что уловленную ими закономерность можно выразить в виде четко сформулированного простого закона, но сделать это удалось лишь в первой половине XVII века Виллебро - ду, Снеллиусу и Рене Декарту.

Падающий и преломленный лучи лежат в одной плоскости для всех углов падения. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная и равная показателю преломления одной среды по отношению к другой. Например, относительно воздуха вода имеет показатель преломления — 1,33, а кварцевое стекло — 1,52.

Прошло еще полвека, и ученые открыли, что явление преломления света связано с изменением скорости света при переходе из одной среды в другую.

Показатель преломления больше единицы означает, что луч света, попадая в более плотную среду, немного замедляет свой стремительный бег.

Почему уменьшение скорости приводит к изменению направления лучей?

На первый взгляд это не кажется очевидным, и на помощь полезно призвать образное сравнение. Например, с автомобилем, прямолинейный путь которого, как свидетельствует печальный опыт некоторых водителей, заметно искажается при резком торможении на скользкой дороге... Или часто приводимая аналогия с отрядом солдат, идущих по ровной гладкой дороге, после которой (под большим углом к дороге) внезапно начинается рыхлое поле. Солдаты, вступившие на поле, естественно, замедляют ход, и те, кто еще идет по ровной дороге, начинают их догонять. Затем и они вступят на поле, скорость всех снова сравняется, но идти вся колонна будет уже немного отклонившись от первоначального направления. Как говорил в своей речи при получении Нобелевской премии в 1933 году известный физик Э. Шредингер, описывая движение светового луча в среде с переменной плотностью с помощью того же примера с отрядом солдат: «...и поворот фронта осуществится сам собой».

Преломление лучей на границе двух прозрачных сред полностью обратимо: когда луч переходит из более плотной среды, например воды, льда, стекла, в менее плотную, в воздух, то он сильнее отклонится от вертикали, чем первоначальный луч.

Вы догадываетесь, что здесь скрывается одна очень интересная техническая возможность, которую только во второй половине XX века научились по-настоящему использовать. Если луч из стекла в воздух направлять под все большим углом к вертикали, то можно наконец добиться такого положения, что преломленный луч сначала заскользит вдоль поверхности разде­ла, а затем и вовсе останется в стекле, начнет отражаться обратно. То же самое произойдет при переходе луча из стекла с высоким показателем преломления в стекло с низким показателем преломления.

Явление полного отражения лучей от границы двух прозрачных сред сначала воспринималось просто как забавный оптический парадокс. Ведь мы привыкли к тому, что сильно отражать свет могут только хорошо отполированные металлы и блестящие пленки, например, алюминия или серебра. И вдруг, соединив два прозрачных стекла, получаем поверхность, которая не на 89%, как алюминий, и не на 94%, как серебро, а на все 100% отражает солнечные лучи! С этим оптическим явлением можно познакомиться не только в физической лаборатории. Для этого достаточно... нырнуть в морскую или речную воду (лучше в летний солнечный день), открыть под водой глаза и посмотреть из воды наверх — на зыбкую, волнующуюся водную поверхность. Мы увидим серебристые блики, которые на некотором расстоянии от нас сольются в переливающийся блестящий слой, будто к поверхности воды над нами кто-то прислонил серебряное зеркало.

Древнеримский ученый Плиний в своей «Естественной истории», написанной девятнадцать веков тому назад, рассказывает, что ловцы жемчуга, которым мешали серебристые блики, набирали перед погружением в рот оливковое масло и на дне выпускали его изо рта. Пленка масла растекалась по поверхности моря, яркость бликов резко уменьшалась, и ныряльщики гораздо лучше видели все, что лежит на дне моря. Сейчас мы можем объяснить эту интуитивную техническую находку с научной точки зрения: показатель преломления оливкового масла больше показателя преломления воды, а при переходе лучей из менее плотной среды в более плотную полного отражения света не происходит даже при очень больших углах падения света. Обычное же отражение от границы вода — воздух или вода — оливковое масло совсем невелико, не больше 3 — 4%.

Явления, связанные с отражением света

Предмет и его отражение

То, что отраженный в стоячей воде пейзаж не отличается от реального, а только перевернут “вверх ногами” далеко не так.

Если человек посмотрит поздним вечером, как отражаются в воде светильники или как отражается берег, спускающийся к воде, то отражение покажется ему укороченным и совсем “исчезнет”, если наблюдатель находится высоко над поверхностью воды. Также никогда нельзя увидеть отражение верхушки камня, часть которого погружена в воду.

Пейзаж видится наблюдателю таким, как если бы на него смотрели из точки, находящейся на столько глубже поверхности воды, насколько глаз наблюдателя находится выше поверхности. Разница между пейзажем и его изображением уменьшается по мере приближения глаза к поверхности воды, а так же по мере удаления объекта.

Часто людям кажется, что отражение в пруду кустов и деревьев отличается большей яркостью красок и насыщенностью тонов. Эту особенность также можно заметить, наблюдая отражение предметов в зеркале. Здесь большую роль играет психологическое восприятие, чем физическая сторона явления. Рама зеркала, берега пруда ограничивают небольшой участок пейзажа, ограждая боковое зрение человека от избыточного рассеянного света, поступающего со всего небосвода и ослепляющего наблюдателя, то есть он смотрит на небольшой участок пейзажа как бы через темную узкую трубу. Уменьшение яркости отраженного света по сравнению с прямым облегчает людям наблюдение неба, облаков и других яркоосвещенных предметов, которые при прямом наблюдении оказывается слишком ярким для глаза. Отражают свет любые поверхности, не только гладкие. Именно благодаря этому мы видим все тела. Поверхности, которые отражают большую часть светового потока, выглядят светлыми или белыми. Поверхности, которые поглощают большую часть света, выглядят тёмными или черными. Если пучок параллельных световых лучей падает на шершавую поверхность (даже если шероховатости микроскопически малы, как на поверхности листка бумаги) свет отражается в различных направлениях, то есть отраженные лучи не будут параллельными, поскольку углы падения лучей на неровности поверхности разные. Такое отражение света называют рассеянным или диффузным. Закон отражения выполняется и в этом случае, но на каждом маленьком участке поверхности. Из-за диффузного отражения во всех направлениях обычный предмет можно наблюдать под разными углами. Стоит сдвинуть голову в сторону, как из каждой точки предмета в глаз будет попадать другой пучок отраженных лучей. Но если узкий пучок света падает на зеркало, то вы увидите его только в том случае, если глаз занимает положение, для которого выполняется отражения. Этим и объясняются необычные свойства зеркал. (Используя аналогичные аргументы, Галилей показал, что поверхность Луны должна быть шероховатой, а не зеркально гладкой, как полагали некоторые.)

Все несветящиеся тела, освещаемые каким-нибудь источником, становятся видимыми только благодаря рассеиваемому ими свету. Хорошо отшлифованную поверхность стекла, поверхность спокойной воды трудно увидеть потому, что такие поверхности рассеивают очень мало света. Мы видим в них чёткие изображения окружающих освещенных предметов. Однако стоит только поверхности зеркала покрыться пылью, а поверхности воды зарябить, как они становятся хорошо видимыми.

Солнечный «зайчик»

Известно, что в солнечный день при помощи зеркала можно получить световой «зайчик» на стене, на полу или потолке.

Объясняется это тем, что пучок света, падая на зеркало, отражается от него, то есть изменяет направление. Световой «зайчик» — это след отражённого пучка света на каком-либо экране. Опыт показывает, что свет всегда отражается от границы, разделяющей две среды разной оптической плотности.

Сверкание алмазов и самоцветов

В Кремле существует выставка алмазного фонда России.

В зале свет слегка приглушен. В витринах сверкают творения ювелиров. Здесь можно увидеть такие алмазы, как «Орлов», «Шах», «Мария», «Валентина Терешкова».

Секрет прелестной игры света в алмазах, заключается в том, что этот камень имеет высокий показатель преломления и вызывает разложение белого света на простые цвета. Это явление называется дисперсией.

Кроме того, игра света в алмазе зависит от правильности его огранки. Грани алмаза многократно отражают свет внутри кристалла. Вследствие большой прозрачности алмазов высокого класса свет внутри них почти не теряет своей энергии, а только разлагается на простые цвета, лучи которых затем вырываются наружу в различных, самых неожиданных направлениях. При повороте камня меняются цвета, исходящие из камня, и кажется, что сам он является источником многих ярких разноцветных лучей.

Встречаются алмазы, окрашенные в красный, голубоватый и сиреневый цвета. Сияние алмаза зависит от его огранки. Если смотреть сквозь хорошо ограненный водяно-прозрачный бриллиант на свет, то камень кажется совершенно непрозрачным, а некоторые его грани выглядят просто черными. Это происходит потому, что свет, претерпевая полное внутреннее отражение, выходит в обратном направлении или в стороны.