Dane INFORMACYJNE Zespół Szkół Ogólnokształcących nr 3 Nazwa szkoły: III Liceum Ogólnokształcące im. św. J. Kantego w Poznaniu ID grupy: 97/69_MF_G2 Kompetencja: Matematyczno-fizyczna Temat projektowy: Zjawiska optyczne w przyrodzie. Semestr/rok szkolny: II semestr 2009/2010

Zjawiska optyczne w przyrodzie

Definicja zjawiska Zjawisko optyczne - to każde zjawisko dotyczące oddziaływania światła z materią.

Widmo 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). Innymi słowy, obiekt znajdujący się pomiędzy Słońcem, a spełniającymi rolę potężnego ekranu chmurami, rzuca cień wnikający głęboko w chmury. Cień zazwyczej 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.

Słup światła W górnych piętrach chmur zbudowanych z kryształków lodowych, zwłaszcza w chmurach warstwowo-pierzastych, powstają zjawiska, nazwane halo. Nazywamy tak głównie jasne pierścienie (kręgi) o środkach, położonych centralnie w Słońcu lub Księżycu. Poza pierścieniami, które są podstawowymi postaciami zjawisk halo występują także pionowe słupy świetlne, które przechodzą przez tarczę Słońca lub Księżyca i są obserwowane powyżej i poniżej tych ciał niebieskich, oraz bezbarwny poziomy krąg przysłoneczny, który leży na tej samej wysokości kątowej co Słońce. Słup światła występuje przy chmurach typu Cirrus i Altocumulus.

Iryzacja Iryzacja, to tęczowe barwy które powstają 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 zazwyczaj zielonych i różowych, często o odcieniach pastelowych, można zaobserwować na chmurach. Barwy te bywają czasami pomieszane, niekiedy zaś w postaci smug prawie równoległych do brzegów chmur. Barwy iryzacji są zwykle błyszczące i naśladują kolor masy perłowej. Zjawisko iryzacji chmur generalnie jest tego samego pochodzenia co wieńce i powstaje przy chmurach kłębiastych Cirrocumulus, Altocumulus i Stratocumulus.

Wieniec Wieniec jest to jedna lub kilka 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, której promień generalnie jest nie większy niż 5 stopni i nosi nazwę aureoli, wykazuje zazwyczaj wyraźny pierścień zewnętrzny o czerwonawej lub kasztanowej barwie. Wieńce które wywołuje ugięcie światła w znajdujących się przed tarczą Słońca lub Księżyca cienkich chmurach, które zbudowane są z drobnych, jednorodnych kropelek wody, zazwyczaj są to chmury średnie kłębiaste - Cirrocumulus, Altocumulus i Stratocumulus.

Gloria Gloria powstaje w wyniku dyfrakcji światła na kroplach wody lub kryształkach lodu. Jest to zjawisko optyczne polegające na wystąpieniu barwnych pierścieni dookoła cienia obserwatora widocznego na tle chmur lub mgły, przy czym niebieski pierścień ma mniejszą średnicę od czerwonego. Zjawisko to występuje na chmurach, leżących na wprost przed obserwatorem, albo niżej od niego, tj. w górach lub przy obserwacjach z samolotu. Na te same chmury pada cień obserwatora i wtedy wydaje się, że gloria otacza cień jego głowy. Gloria powstaje w wyniku ugięcia się światła, wcześniej odbitego od kropelek chmur, w taki sposób, że powraca ono od chmur w tym samym kierunku, w jakim na nie padało.

Tęcza Tęcza to układ koncentrycznych łuków o barwach od fioletowej do czerwonej, wywołanych przez światło Słońca lub Księżyca, które pada na zespół kropel wody w atmosferze. W tęczy głównej barwa fioletowa występuje po wewnętrznej stronie, a barwa czerwona po zewnętrznej stronie. W tęczy wtórnej, o wiele mniejszej jasności od tęczy głównej, czerwona barwa jest od wewnątrz, a fioletowa na zewnątrz. Zjawisko powstaje w skutek rozszczepienia światła białego i odbicia go wewnątrz kropel deszczu. Łuk pierwszy to wynik jednokrotnego, a drugi dwukrotnego odbicia rozszczepionego światła wewnątrz kropli Tęczę obserwuje się na tle chmur, z których pada deszcz, znajdujących się po przeciwnej stronie nieba niż Słońce.

Efekt Halo Halo jest jednym z ciekawszych zjawisk świetlnych na niebie i powstaje na skutek załamania światła w chmurze zawierającej kryształki lodu. Występuje, jako barwny, biały lub w przeważającej części biały, świetlisty pierścień, w którego środku znajduje się tarcza Słońca lub Księżyca. Krąg ten ma zwykle słabo widoczne zabarwienie czerwone od wewnątrz i w rzadkich przypadkach fioletowe na zewnątrz. Część nieba wewnątrz kręgu jest wyraźnie ciemniejsza niż na zewnątrz. Pierścień o średnicy 22° powstaje przez załamanie na powierzchniach kryształków o kącie łamiącym 60° natomiast o średnicy 46, powstaje podczas załamania światła na krawędziach kryształków wzajemnie do siebie prostopadłych. Zjawisko halo występuje przy chmurach typu Cirrus.

Nasze doświadczenia

Wyznaczanie długości ogniskowej soczewki Do doświadczenie potrzebowaliśmy: Soczewka-proste urządzenie optyczne składające się z jednego lub kilku sklejonych razem bloków przezroczystego materiału (zwykle szkło, ale też różnych tworzyw sztucznych). Istotą soczewki jest to, że przynajmniej jedna z jej powierzchni jest zakrzywiona.

Ekran –zasłona. Świeczka –źródło światła, wykonana jest z paliwa stałego uformowanego w walec, wewnątrz którego przez całą długość umieszczony jest knot. Styropianowa podkładka –podkładka zrobiona z porowatego tworzywa sztucznego otrzymanego poprzez spienienie granulek polistyrenu zawierającej porofor (np. Eter naftowy).

Przebieg doświadczenia: Na jednym końcu styropianowej podkładki umieściliśmy świeczkę, a na drugim ekran. Pomiaru dokonywaliśmy w taki sposób, że każda osoba po kolei, po prostej linii przesuwała soczewkę i określała miejsce, gdzie odbicie na ekranie, jej zdaniem jest najlepiej widoczne. Następnie odległości miedzy soczewką a ekranem, oraz miedzy soczewką a świecą zostawały zmierzone i zapisane. Na końcu nasze pomiary podstawiliśmy do wzorów.

Odległość między ekranem i soczewką(a) Odległość miedzy soczewką i świecą (b) 25 cm 14 cm 23,1 cm 15,9 cm 28 cm 11 cm 21,5 cm 17,5 cm 18,5 cm 20,5 cm 13,4 cm 25,6 cm 15.4 cm 23,6 cm 25,5 cm 13,5 cm (około)21,3 cm (około)17,7 cm

Wzory potrzebne do rozwiązania zadania: Zależność odległości ‘f ’od promieni krzywizny:

Równanie dla soczewek cienkich, zależność odległości a od b: więc b =f

Przekształcenie wzoru :

Nasze obliczenia:

Błędy pomiarowe | x – a | Błąd bezwzględny: a - pomiar x – wartość rzeczywista | x – a | Błąd względny: %

Wyznaczanie długości fali świetlnej z wykorzystaniem siatki dyfrakcyjnej. Do doświadczenia potrzebowaliśmy: siatkę dyfrakcyjną laser miarę ekran Potrzebny wzór: przekształciliśmy go na :

Przebieg doświadczenia Sprawdzaliśmy długość fali umieszczając siatkę w trzech różnych odległościach. Stworzyliśmy trójkąt prostokątny, w którym jedna przyprostokątna to odległość punktu fali nieugiętej od siatki dyfrakcyjnej, a druga to odległość pomiędzy punktem fali pierwszego rzędu, a punktem fali nieugiętej, tak samo postępowaliśmy z falami drugiego rzędu. Obliczaliśmy przeciwprostokątną w trójkącie z twierdzenia Pitagorasa.

x a α c

ODLEGŁOŚĆ SIATKI OD TABLICY (c) ODLEGŁOŚĆ FALI NIEUGIĘTEJ OD FALI UGIĘTEJ (b) RZĘDU PIERWSZEGO OBLICZENIE x Z TWIERDZENIA PITAGORASA OBLICZENIE λ 246,5 cm 78 cm 258,55 cm 603,36 nm 150 cm 59 cm 161,19 cm 732,05 nm 341 cm 94 cm 347,28 cm 541,34 nm ODLEGŁOŚĆ SIATKI OD TABLICY (c) ODLEGŁOŚĆ FALI NIEUGIĘTEJ OD FALI UGIĘTEJ (b) RZĘDU DRUGIEGO OBLICZENIE x Z TWIERDZENIA PITAGORASA OBLICZENIE λ 246,5 cm 175 cm 302,3 cm 578,89 nm 150 cm 128 cm 197,19 cm 649,12 nm 341 cm 213 cm 402,06 cm 529,77 nm 28

Błędy pomiarowe światło zielone: 490-560 nm uśredniona długość fali zielonej: 525 nm Błąd bezwzględny: Błąd względny:

Wyznaczenie współczynnika załamania Do doświadczenia potrzebowaliśmy: Szklankę obklejoną białym i czarnym matowym papierem Latarkę Linijkę do mierzenia wiązek promieni Korzystaliśmy ze wzoru:

Przebieg doświadczenia Sprawdzaliśmy prawo Snelliusa. Badaną cieczą była woda. Do połowy naczynia nalaliśmy wodę i przepuszczaliśmy światło przez wąską szczelinę w papierze. Początkowo zaznaczyliśmy wiązkę promienia bez załamania (czyli średnice naszej szklanki). Kolejno odchylaliśmy nieco lampkę i zaznaczaliśmy na białym papierze przyłożonym do ścianki naczynia kreskę na tle smugi, następnie znowu przesuwamy nasze światełko i wykonujemy kolejne pomiary.

Wykonaliśmy około 10 pomiarów; zapisaliśmy miary kątów padania i kątów załamania oraz z każdego wyliczyliśmy średnią. Średnią dla kąta załamania jest 4,5(3) cm, a dla kąta załamania 3,15 cm. Następnie wyliczyliśmy współczynnik załamania: 1,44.

Laser Laser Szklanka wody

Wnioski Gdy promień świetlny biegnie z ośrodka optycznie rzadszego do optycznie gęstszego (z powietrza do wody), wówczas ulega on załamaniu i zmniejszeniu. Przyczyna załamania jest zmiana prędkości światła przy przejściu z jednego ośrodka do drugiego.

Błędy pomiarowe Współczynnik załamania: 1,5 Nasz wynik: 1,44 Błąd bezwzględny: Błąd względny:

Uczestnicy projektu: Opiekun: prof. Małgorzata Rożek Lider: Daria Majewska Natalia Paszyn Hubert Kowalski Paulina Bryl Alicja Nowak Kinga Ciereszko Joanna Sikora Marta Mroczkowska Wojtek Babiaczyk

Podziękowania Dla prof. Krzysztofa Kubackiego, naszego nauczyciela od geografii, za udostępnienie zdjęć. Dla prof. Emilii Misch, naszej nauczycielki fizyki, za cenne wskazówki dotyczące doświadczeń wykorzystanych projekcie. Dla prof. Małgorzaty Rożek, naszej opiekunki za anielską cierpliwość i ciągłe mobilizowanie nas do uczestnictwa w projekcie.