Zespół Szkół Ponadgimnazjalnych: I Liceum Ogólnokształcące w Goleniowie ID grupy: 97/48_mf_g1 Kompetencja: matematyka i fizyka Temat projektowy: Zjawiska optyczne w atmosferze Semestr/rok szkolny: I semestr, rok szkolny 2009/2010

KILKA SŁÓW O ŚWIETLE Światło, promieniowanie elektromagnetyczne ( fale elektromagnetyczne ) o długości fali zawartej w przedziale 380-780 nm (tzw. światło widzialne). Światło widzialne wywołuje wrażenia barwne (barwa), a światło białe jest mieszaniną świateł o różnej długości fala. Światło w próżni rozchodzi się z jednakową prędkością (c = 300000 km/s) w każdym układzie odniesienia (prędkość światła). Zjawiska związane z rozchodzeniem się światła bada optyka.

ZAŁAMANIE ŚWIATŁA To zjawisko fizyczne polegające na zmianie kierunku rozchodzenia się promieni świetlnych przez dwa ośrodki przezroczyste. Przyczyną takiego zachowania się światła jest to, że światło ma różne prędkości w zależności od tego przez jaki ośrodek przechodzi. Im większa gęstość ośrodka, tym światłu "trudniej jest się przez niego przedrzeć" - czyli ma w nim mniejszą prędkość, niż w ośrodkach o mniejszej gęstości. W opisie tego zjawiska stosujemy następujące oznaczenia: Jeżeli w punkcie, w którym promień świetlny pada na powierzchnię styku dwóch ośrodków, wystawimy prostą n prostopadłą do tej powierzchni, to: Kątem padania (α) - nazywamy kąt pomiędzy promieniem padającym, a prostą n, Kątem załamania (β)- nazywamy kąt pomiędzy promieniem załamanym, a prostą n.

ZAŁAMANIE ŚWIATŁA Wiemy już, że prędkość światła w danym ośrodku zależy od gęstości tego ośrodka. Okazuje się, że również kąta padania i załamania zależą w znacznym stopniu od tej gęstości. Jeżeli promień przechodzi z ośrodka, o mniejszej gęstości, do ośrodka, o większej gęstości, to wówczas kąt załamania jest mniejszy od kąta padania (β < α) Jeżeli promień przechodzi z ośrodka, o mniejszej gęstości, do ośrodka, o większej gęstości, to wówczas kat załamania jest większy od kąta padania (β > α). We wszystkich tych przypadkach - gdy zwiększa się kąt padania to zwiększa się oczywiście kąt załamania światła, ale z zachowaniem między nimi zależności omówionej powyżej. Jeżeli kąt padania jest równy zeru, to promień światła przechodzi z jednego ośrodka do drugiego bez zmiany kierunku.

Prawo załamania światła Stosunek sinusa kata padania α, do sinusa kata załamania β, jest dla danych ośrodków stały i równy: stosunkowi prędkości światła w ośrodku pierwszym V1 do prędkości światła w ośrodku drugim V2: sin α/ sin β= V1/ V2 stosunkowi bezwzględnego współczynnika załamania światła w ośrodku 2, do bezwzględnego współczynnika załamania światła w ośrodku 1.

Prawo załamania światła Pamiętając, że bezwzględny współczynnik załamania światła n, zależy od prędkości światła w ośrodku V i wyraża się wzorem: n=c/V, oraz n1 bezwzględny współczynnik załamania ośrodka 1, n2 - bezwzględny współczynnik załamania ośrodka 2, otrzymujemy kolejną postać prawa załamania światła: sin α/ sin β= n2 / n1 względnemu współczynnikowi załamania światła n12 ośrodka do którego światło wpada względem ośrodka, w którym światło się załamuje. Względny współczynnik n12 (!czytamy - w kolejności od tyłu - ośrodka drugiego względem pierwszego) jest równy: n12=n2/n1. Czyli trzecia forma prawa załamania światła przedstawia się wzorem: sin α/ sin β= n12.

Prawo załamania światła Względny współczynnik załamania światła danej substancji decyduje o stopniu skręcenia kierunku światła, gdy opuszcza ono daną substancję i przechodzi do innego ośrodka. Z kolei bezwzględny współczynnik załamania światła umożliwia szybkie obliczenie prędkości światła w danych ośrodku, wg wzoru: V = c/n. Załamanie pod kątem prostym agr. Dzięki współczynnikom załamania światła można również obliczyć tzw. kąt graniczny - czyli kąt padania promieni świetlnych, gwarantujący ich załamanie pod katem prostym: n1 ∙sinagr= n2.

Prawo załamania światła

Przejście światła białego przez pryzmat Światło białe składa się tak naprawdę z kilku barw nałożonych na siebie: czerwonej, pomarańczowej, żółtej, zielonej, niebieskiej i fioletowej. Widmem światła białego nazywamy szeregowe rozłożenie wszystkich jego barw z zachowaniem ciągłości przejścia między kolejnymi kolorami - np. jak wachlarz tęczowych kolorów. Wiemy już, że światło załamuje się przy przejściu przez różne ośrodki. Natomiast wielkość kąta załamania, zależy od kąta padania promienia świetlnego i różnicy gęstości obu ośrodków. W przypadku światła białego, mamy do czynienia z ciekawym przypadkiem załamania światła. Każda jego składowa - barwa rozchodzi się w ciałach przezroczystych (bez próżni) z inną prędkością, a tym samym załamuje się w tych ośrodkach pod różnymi katami. Największą prędkość ma światło czerwone, a najmniejszą fioletowe. Szczególne ciekawe zjawisko możemy zaobserwować w przypadku przejścia światła białego przez pryzmat: zachodzi wtedy nie tylko ogólne odchylenie całego promienia od jego pierwotnego kierunku, ale również jego rozszczepienie na wszystkie barwy widma - jak tęcza.

ZADANIA

Zadanie 1 Prędkość światła w powietrzu wynosi ok Zadanie 1 Prędkość światła w powietrzu wynosi ok. 300 000km/s, a w wodzie 225 000km/s. Jaką wartość ma współczynnik załamania wody względem powietrza?

Dane: v światła w powietrzu = 300 000km/s v światła w wodzie = 225 000km/s Szukane: nwwp = ? Wzory: bezwzględny współczynnik załamania = c/v nwwp= nw/np nwwp = (c/vw)/(c/vp)=vp/vw Legenda: nwwp – współczynnik wody względem powietrza c – prędkość światła w próżni v – prędkość powietrza w ośrodku nw – bezwzględny współczynnik załamania wody np – bezwzględny współczynnik załamania powietrza

ROZWIĄZANIE: nwwp = 300000/225000=1,(3) Odp.: Współczynnik załamania wody względem powietrza wynosi 1,(3)

Zadanie 2 Na płytkę szklaną o współczynniku załamania n=1,54 pada promień świetlny. Jaki jest kąt padania promienia, jeżeli kąt między promieniem odbitym i załamanym wynosi 90o ?

Dane: n1 =1 n2 =1,54 γ=900 Szukane: α=? Wzór: sin α/sin β= n2 / n1

ROZWIĄZANIE: α +β=90o β=90o-α sin α/sin (90o-α)=sinα/cosα=tgα tgα=n2 tgα=1,54 α≈57o Odp.: Kąt padania wynosi ok. 57o .

DOŚWIADCZENIE

W jaki sposób zobaczyć płomień świecy pod wodą W jaki sposób zobaczyć płomień świecy pod wodą? Potrzebne elementy – puste pudełko po płycie CD – świeczka - szklanka wypełniona wodą

Przygotowanie doświadczenia Ustaw szklankę z wodą za pudełkiem po płycie CD. Następnie ustaw świeczkę na przeciwko szklanki, po drugiej stronie pudełka tak, aby była w tej samej odległości od pudełka co szklanka. Zapal świeczkę i zobacz jaki obraz pojawił się w wodzie.

Dlaczego wydaje się iż świeczka znajduje się w wodzie Dlaczego wydaje się iż świeczka znajduje się w wodzie? Odpowiedz na pytania: – w wodzie znajduje się druga świeczka, można ją zobaczyć jedynie patrząc przez puste pudełko po CD – pudełko po płycie działa jak zwierciadło i tworzy obraz świeczki – zwierciadlany obraz świeczki widoczny jest za pudełkiem – widzimy szklankę z wodą, ponieważ pudełko po CD jest przezroczyste – zwierciadlany obraz świeczki powstaje dokładnie w tym samym miejscu, w którym stoi szklanka z wodą

Obraz przedmiotu znajduje się za powierzchnią zwierciadlaną – na odcinku odpowiadającym odległości przedmiot-lustro. Pudełko jest częściowo przezroczyste i w takim samym stopniu przepuszcza promienie świetlne.

ZJAWISKA OPTYCZNE W ATMOSFERZE Zjawisko Brockenu Halo Iryzacja Wieniec Gloria Tęcza Wiraż Zorza polarna Zaćmienie Słońca i Księżyca Zjawisko cienia i półcienia

Zjawisko załamania światła w atmosferze

Tęcza Tęczę obserwuje się na tle chmur, z których pada deszcz, znajdujących się po przeciwnej stronie nieba niż Słońce (zjawisko obserwowano również przy świetle Księżyca). Warunki, przy których obserwuje się typową tęczę mają przeważnie miejsce w przypadku chmur kłębiastych deszczowych. Natężenie światła, szerokość i barwa tęczy wahają się w szerokim przedziale w zależności od rozmiarów kropel. Tęczę obserwuje się również w bryzgach fal morskich, wodospadów i fontann. Dlaczego widzimy tylko łuk, a nie całą ścianę kolorowych barw? Wynika to z tego, że wszystkie promienie słoneczne “wpadają” do kropli wody równolegle względem siebie i “wpadają” do oka pod określonym kątem w stosunku do kierunku padania promieni słonecznych, 42 lub 52 stopnie.

Tęcza Tęcza jest jednym z efektowniejszych zjawisk optycznych w atmosferze. Jest to układ koncentrycznych łuków o barwach od fioletowej do czerwonej, wywołanych przez światło Słońca lub Księżyca, padające na zespół kropel wody w atmosferze (krople deszczu, mżawki lub mgły). W tęczy głównej barwa fioletowa występuje po wewnętrznej stronie, a barwa czerwona po zewnętrznej stronie. W tęczy wtórnej, o znacznie mniejszej jasności od tęczy głównej, czerwona barwa jest od wewnątrz, a fioletowa na zewnątrz. Zjawisko powstaje na skutek rozszczepienia światła białego i odbicia go wewnątrz kropel deszczu. Łuk pierwszy to wynik jednokrotnego, a drugi dwukrotnego odbicia rozszczepionego światła wewnątrz kropli (stąd odwrócona kolejność barw i mniejsze natężenie światła).

TĘCZA

Miraż   Zakrzywienie promienia w ośrodku o współczynniku załamania zmniejszającym się wraz ze zwiększaniem się wysokości. W ośrodku niejednorodnym światło rozchodzi się nie prostoliniowo. Jeśli wyobrazimy sobie ośrodek, w którym współczynnik załamania zmienia się w miarę zmiany wysokości i w wyobraźni dokonamy jego podziału na cienkie poziome warstwy, to rozpatrując warunki załamania światła przy przejściu z warstwy do warstwy, stwierdzimy, że w takim ośrodku promień światła powinien stopniowo zmieniać swój kierunek. Takiemu skrzywieniu promień świetlny ulega w atmosferze, w której z różnych przyczyn, głównie zaś z powodu jej nierównomiernego nagrzania, współczynnik załamania światła zmienia się w raz z wysokością.

Miraż Powietrze nagrzewa się od powierzchni gleby, intensywnie pochłaniającej energię cieplną promieni słonecznych. I dlatego temperatura powietrza obniża się wraz z wysokością. Wiadomo również, że wraz z wysokością obniża się także gęstość powietrza. Ustalono, że w miarę wzrostu wysokości współczynnik załamania zmniejsza się, dlatego też promienie przechodzące przez atmosferę zakrzywiają się nachylając się ku Ziemi. Zjawisko to otrzymało nazwę normalnej refrakcji atmosferycznej.  W wyniku refrakcji ciała niebieskie wydają się nieco "uniesione" nad horyzontem (znajdują się wyżej niż w rzeczywistości). 

Miraż

Inne zjawiska optyczne w atmosferze

ZJAWISKO BROCKENU Zjawisko Brockenu jest zjawiskiem świetlnym rzadko występującym w atmosferze ziemskiej. Powstaje w górach, przy niskim położeniu Słońca nad horyzontem, gdy powiększony do nadnaturalnej wielkości cień obserwatora pojawia się na rozpostartych wprost przed nim, albo niżej od niego chmurach warstwowych, zalegających w dolinach (tzw. morze chmur, morze mgieł). Inaczej mówiąc, obiekt znajdujący się pomiędzy Słońcem, a spełniającymi rolę potężnego ekranu chmurami, rzuca cień wnikający głęboko w chmury. Cień często otoczony jest barwną aureolą. Jeżeli w "widowisku" bierze udział kilka osób, to każda z nich widzi jedynie swoją aureolę. Nazwa zjawiska pochodzi od wzniesienia Brocken (1142 m) w górach Harz (Niemcy), gdzie zaobserwowano je po raz pierwszy.

ZJAWISKO BROCKENU

HALO W chmurach piętra górnego zbudowanych z kryształków lodowych, zwłaszcza w chmurach warstwowo-pierzastych, powstają zjawiska, zwane halo. Tak nazywają się przede wszystkim jasne pierścienie (kręgi) o środkach, położonych centralnie w Słońcu lub Księżycu. Oprócz pierścieni, które są podstawowymi postaciami zjawisk halo występują również pionowe słupy świetlne, przechodzące przez tarczę Słońca lub Księżyca i obserwowane powyżej i poniżej tych ciał niebieskich, oraz bezbarwny poziomy krąg przysłoneczny, położony na tej samej wysokości kątowej co Słońce. Słup światła występuje przy chmurach typu Cirrus i Altocumulus. W bezwietrzny mroźmy poranek można czasami zobaczyć, jak nad Słońcem widać w powietrzu igły połyskujące w jego promieniach oraz słupy świetlne. Słupy świetlne bywają także czasami widoczne podczas bezwietrznej, mroźnej pogody nad latarniami. Pojawienie się tych słupów związane jest z odbiciem promieni od ścian unoszących się w powietrzu kryształków lodu.

HALO Aby można było zaobserwować to zjawisko musi w powietrzu znajdować się obłok kryształków lodu , których ścianki znajdują się w poziomie. Wtedy promienie odbijają się od nich, jednak nie widać słupów. Aby były one widoczne, płytki muszą być lekko odchylone od linii horyzontu. Wtedy następuje załamanie promieni słonecznych. Oko rzutuje je na sklepienie niebieskie i obserwatorowi wydaje się, że pod lub nad słońcem powstają słupy świetlne. Słupy poziome tworzą się poprzez odbicie promieni światła od kryształków, które spadając obracają się wokół swojej osi pionowej. Słupy tworzące się nad latarniami są wywołane odbiciem światła od płatków śniegu, kropel mgły lub cząstkach pyłu unoszącego się w powietrzu.

HALO

IRYZACJA Iryzacja, to tęczowe barwy powstające czasem na powierzchni przezroczystych ciał w wyniku interferencji światła (oświetlenia światłem białym, przez co uzyskuje się wygaszenie pewnych, oraz wzmocnienie innych barw. Obserwuje się je, jako mieniące się, tęczowe plamy barwne na wodzie. Układy barw przeważnie zielonych i różowych, często o odcieniach pastelowych, są obserwowane na chmurach. Barwy te bywają niekiedy pomieszane, niekiedy zaś w postaci smug prawie równoległych do brzegów chmur. Barwy iryzacji są często błyszczące i przypominają kolor masy perłowej. Zjawisko iryzacji chmur w istocie jest tego samego pochodzenia co wieńce i występuje przy chmurach kłębiastych Cirrocumulus, Altocumulus i Stratocumulus.

IRYZACJA

WIENIEC Wieniec jest to jedna lub kilka (rzadko więcej niż trzy) serii barw pierścieni o stosunkowo małym promieniu, otaczających bezpośrednio tarczę ciała niebieskiego (lub sztucznego źródła światła). W każdej serii pierścień wewnętrzny jest fioletowy lub niebieski, a pierścień zewnętrzny - czerwony; między nimi mogą występować inne barwy. Najbardziej wewnętrzna seria, mająca promień na ogół nie większy niż 5 stopni i nosząca nazwę aureoli, wykazuje zwykle wyraźny pierścień zewnętrzny o czerwonawej lub kasztanowej barwie. Wieńce wywołane są ugięciem światła w znajdujących się przed tarczą Słońca lub Księżyca cienkich chmurach, zbudowanych z drobnych, jednorodnych kropelek wody, zazwyczaj są to chmury średnie kłębiaste - Cirrocumulus, Altocumulus i Stratocumulus.

WIENIEC

Gloria Gloria powstaje na skutek dyfrakcji światła (ugięcia fal) na kroplach wody lub kryształkach lodu. Jest zjawiskiem optycznym polegającym na wystąpieniu barwnych pierścieni wokół cienia obserwatora widocznego na tle chmur lub mgły, przy czym niebieski pierścień ma mniejszą średnicę od czerwonego. Gloria podobna jest do wieńca, jednak powstaje nie dookoła Słońca lub Księżyca, lecz dookoła punktu, położonego po stronie przeciwnej względem tarczy ciała niebieskiego. Zjawisko to występuje na chmurach, położonych na wprost przed obserwatorem, albo niżej od niego, tj. w górach lub przy obserwacjach z samolotu. Na te same chmury pada cień obserwatora i wówczas wydaje się, że gloria otacza cień jego głowy. Gloria powstaje wskutek ugięcia się światła, uprzednio odbitego od kropelek chmur, tak że powraca ono od chmur w tym samym kierunku, w jakim na nie padało. Uwaga. Jeśli chmura lub mgła są dość blisko obserwatora, jego cień wydaje się bardzo duży; nazywa się to wówczas zjawiskiem Brockenu, niezależnie od tego czy jest otoczony, czy też nie jest otoczony barwną glorią. Najczęściej występuje przy chmurach średnich Altocumulus i Altostratus.

GLORIA

Zorza polarna Jest ona jednym z najpiękniejszych zjawisk optycznych zachodzących w przyrodzie. W większości przypadków zorze polarne mają odcień zielony lub niebieskozielony. Występują w postaci wstęg (intensywne) lub plam (mniej intensywne) podobnych do obłoków. Ziemia można nazwać olbrzymim magnesem. Linie pola magnetycznego Ziemi wychodzą z obszaru przylegającego do północnego bieguna, opasują kulę ziemską i wchodzą w obszarze południowego bieguna magnetycznego. Cząstka naładowana wpadając w pole magnetyczne Ziemi porusza się ruchem spiralnym wokół linii pola.

Zorza polarna Zorza polarna powstaje na zasadzie żarówki jarzeniowej. Tam wzbudzone atomy gazów oddają otrzymaną energię w postaci światła. Podczas zjawiska zorzy polarnej protony i elektrony wpadające w obręb pola magnetycznego Ziemi z wiatru słonecznego (spowodowanego wybuchami na Słońcu) powodują jonizację i wzbudzenie atomów i cząsteczek gazów znajdujących się w atmosferze. Zjawisko to ma najczęściej miejsce w pobliżu biegunów ziemskich, ponieważ tam jest największa koncentracja protonów i elektronów (w obszarach polarnych indukcja pola magnetycznego jest większa niż w pozostałych).Świecenie zielone i czerwone powodują wzbudzone atomy tlenu, podczerwone i fioletowe – zjonizowane cząsteczki azotu. Zorze pojawiają się zazwyczaj dzień lub dwa po wybuchach na Słońcu.

Zorza polarna

BiBLIOGRAFIA: www.astrofotografia.net.pl www.sciaga.pl www.astronomia.pl www.lumisfera.pl www.orion.pta.edu.pl www.kochamyfizyke.net www.postepy.camk.edu.pl www.interklasa.pl www.pogoda.zgora.pl