XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Миражи
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Учебный предмет проекта: физика
Тип проекта: исследование
Сроки проведения исследования: сентябрь 2019 – февраль 2020 г.
Цель проекта: исследование миражей, как оптического явления.
Задачи проекта:
Узнать, что такое миражи, виды, причины и условия возникновения;
Определить область применения оптического явления в технике на современном этапе развития науки.
Создать миражи в домашних условиях.
Создать фото проведенных опытов, для того чтобы познакомить одноклассников с явлением преломления света в виде миражей.
Предполагаемый продукт: создание методического (фото и видео) материала, который поможет на опыте объяснить явление миража на уроках физики или в рамках внеурочной деятельности.
Этапы работы:
сентябрь-ноябрь 2019 г.:изучение литературы;
октябрь - декабрь 2019 г.: проведение опытов, анализ и полученных результатов;
январь 2020 г.: формулировка выводов по теме работы, набор текста работы;
февраль 2020 г.: составление презентации выступления.
Материальное обеспечение: стеклянная емкость бытового назначения, вода водопроводная, масло растительное, лазерная указка.
ВВЕДЕНИЕ
Раньше мне доводилось читать о загадочных видениях в рассказах путешественников, которым приходилось преодолевать знойные пустыни. Как правило, эти люди видели вдали источники воды, окруженные буйной растительностью. Но как только путники подходили ближе, видение пропадало, и ничего кроме раскаленного песка на их пути не было. В древности такие явления объяснялись вмешательством богов или духов. Эти сведения до сих пор хранятся в различных преданиях.
Меня с детства интересовали загадочные и труднообъяснимые явления, в том числе миражи. Удивительно видеть то, чего нет или находится за сотни километров от наблюдателя.
А что же сегодня наука может поведать о миражах? Имеют ли эти знания практическое применение в жизни человека? Можно ли создать это явление в домашних условиях?
Предлагаемая вниманию читателя проектная работа посвящена интересному оптическому явлению – миражу.
Актуальность выбранной темы связана с отсутствием у меня знаний по данному вопросу и возникающая, в связи с этим, потребность в изучении данного явления. Школьная программа 6 класса не предусматривает изучения миража, как оптического явления, т.к. это курс физики 8-9 класса, а доступная моему возрасту научно-популярная литература практически не затрагивает этой темы. Передо мной встал вопрос: возможно ли смоделировать мираж на несложном лабораторном оборудовании дома или в школе. Для разрешения возникших противоречий мной была сформулирована цель работы: исследование миражей, как оптического явления.
Объект – миражи.
Предмет – преломления света.
Проблема – возможность создания оптически неоднородной среды с помощью простого оборудования в домашних условиях и изучения поведения светового луча в этой среде.
Задачи:
Узнать, что такое миражи, виды, причины и условия возникновения;
Определить область применения оптического явления в технике на современном этапе развития науки.
Создать миражи в домашних условиях.
Создать фото проведенных опытов, для того чтобы познакомить одноклассников с явлением преломления света в виде миражей.
Рабочая гипотеза – свет, преломляясь в оптически неоднородной среде, приводит к появлению миражей.
Методы исследования:
изучение материалов различных информационных источников (литература, сеть Интернет);
сбор, анализ и обобщение информации;
проведение опытов;
анализ практической части;
систематизация;
фотоотчет.
Глава 1. Теоретический анализ проблемы.
1.1. Исторические предпосылки исследования миражей.
Миражи люди видели еще в глубокой древности, объясняя их вмешательством богов. До сих пор подобные сведения упоминаются в различных преданиях. Жители Древнего Египта верили, что мираж - это призрак исчезнувшей много лет назад страны. Согласно легенде, каждое место на земле имеет свою душу. Вот и душа погибшей страны блуждала на просторах египетских пустынь, пытаясь обрести покой.
Не раз миражи доводили путников пустыни, изнывавших от зноя и жажды, до смерти. Путешественники видели в 2-3 километрах от себя блестящую поверхность воды, брели к ней из последних сил, но вода отступала, а потом и вовсе исчезала. Так, в пустыне Северной Африки однажды погиб целый караван из 60 человек и 90 верблюдов, который вел опытный проводник. Люди последовали к миражу, увлекшим их на 60 км в сторону от колодца.
Чтобы уберечь путников пустыни от риска заблудиться и погибнуть от жажды, составлялись специальные карты с отметкой мест, в которых появлялись миражи. На этих путеводителях указывалось, где могут привидеться колодцы, пальмовые рощи или горные цепи. То есть уже в древности люди стали замечать, что часто миражи появляются в определенных местах, а значит, для их появления необходимы какие-то определенные условия.
Факты появления миражей подтверждаются в многочисленных судовых записях мореплавателей, наблюдениях метеорологов. Но как же развивалось научное наблюдение миражей?
Первым точное объяснение миражам дал французский математик, картограф и геометр Гаспар Монж. В 1799 году он описал это, как явление в атмосфере, благодаря которому при определенных обстоятельствах появляются изображения предметов, действительное местонахождение которых далеко от места их наблюдения зрителем. Также ученый указал, при каких условия возникает этот оптический эффект (наличие слоев воздуха, резко отличных по температуре) и геометрически изобразил возможные варианты преломления лучей света (разновидности миражей) [1, с.230].
Описание эффектных физических опытов по получению искусственных миражей с использованием жидкостей началось с 1899. Американский физик Роберт Вуд наблюдал траекторию луча в сосуде, наполненном раствором соли.
В 1914 году Л.И.Мандельштам – выдающийся русский физик поставил опыт, показывающий, что при полном отражении свет на небольшую глубину проникает из оптически более плотной в оптически менее плотную среду.
Эти исследования помогают понять природу происхождения миража, дать ему определение и различить несколько типов явления.
Итак, слово мираж французского происхождения и имеет два значения: «отражение» и «обманчивое видение». Оба значения хорошо отражают сущность этого понятия [6, с.123].
1.2 Мираж, как физическое явление.
Мираж –это оптическое явление в атмосфере: преломление потоков света на границе между резко различными по плотности и температуре слоями воздуха. Физической причиной всех видов миражей является рефракция - изменение направления луча на границе раздела двух сред, при котором свет переходит во вторую среду. Таким образом, когда луч света проходит через слои теплого и холодного воздуха, он преломляется, тем самым заставляя нас видеть какой-либо объект, который в действительности находится в другом месте [4].
Поскольку обычно температура атмосферного воздуха в разных местах над поверхностью земли неодинакова, показатель преломления света также различен в разных местах. Такие среды называются оптически неоднородными. Если, наоборот, показатель преломления в среде постоянен, она называется оптически однородной. Свет в ней распространяется по прямой. А в оптически неоднородной среде луч искривляется. Как именно, зависит от того, в каком направлении по вертикали — вверх или вниз — уменьшается показатель преломления воздуха.
Если свет распространяется в среде, показатель преломления которой уменьшается в направлении снизу вверх, то, независимо от начального направления луча, он всегда будет искривляться так, чтобы его траектория была обращена выпуклостью вверх. Если показатель преломления уменьшается в направлении сверху вниз, тогда выпуклая сторона изогнутого светового луча обращена вниз. Общее правило состоит в следующем: в оптически неоднородной среде световой луч изгибается так, что его траектория всегда обращена выпуклостью в сторону уменьшения показателя преломления среды [7].
Н асколько сильно будет искривляться световой луч в среде с непрерывно изменяющимся показателем преломления? Это зависит от того, как быстро варьируется показатель преломления с высотой. Скорость его изменения характеризуют специальной величиной — градиентом показателя преломления. Градиент равен изменению величины (показателя преломления) на единичном расстоянии — сантиметре, метре [8].
После того, как появилось множество всевозможных записей о миражах, естественно, их пришлось классифицировать.
1.3 Классификация миражей.
На сегодняшний день не существует общепринятой классификации миражей. Условно выделяют три основных вида этого оптического явления: нижние миражи (видимые под объектом), верхние миражи (видимые над объектом) и боковые миражи (видимые рядом с объектом). Также описываются и более сложные виды миражей (двойные, тройные, объемные, «Фата – Моргана», миражи дальнего видения), но они, как правило, являются сложным симбиозом основных видов миражей.
Нижние (озерные) миражи. Иногда на улице в жаркий летний день нам кажется, что где-то вдали мы видим то, чего на самом деле в этом месте не существует. Самый распространенный пример – проекция воды на раскаленном от солнца шоссе. На самом деле это мнимое изображение неба создает при этом иллюзию блестящей поверхности воды (озера) на поверхности, тем более, что цвет неба и водной поверхности очень схожи. При изменении цвета неба (облачность, дымка) изменяется и цвет миража.
Нижние миражи наблюдаются над перегретой ровной поверхностью (раскаленным песком или асфальтированной дорогой). Наиболее часто они возникают пустынях, где состояние воздуха крайне неустойчивое. Внизу у земли лежит сильно нагретый и легкий воздух, а выше него – более холодный и тяжелый. Нижние миражи возникают при очень быстром уменьшении температуры с высотою. Приземный теплый слой воздуха играет роль зеркала, то есть именно здесь происходит преломление лучей. Лучи, идущие от предмета под некоторым углом, переходя из слоя в слой, поворачиваются и искривляются в сторону менее плотных слоев, в данном случае вниз. Испытав такое искривление, световой луч от некоторого участка голубого неба попадает в глаз наблюдателя. А это означает, что наблюдатель увидит соответствующий участок небосвода не над линией горизонта, а ниже ее. Так как мнимое изображение предмета помещается под самим реальным предметом, его называют нижним. При этом наблюдателю будет казаться, что он видит воду (озеро). Поэтому этот вид миража еще называют озерным.
Нижний мираж – явление довольно однообразное: всегда только один перевернутый мираж ниже самого объекта. Благоприятными условиями для возникновения нижних миражей являются однородная, ровная прогретая поверхность Земли и солнечная безветренная погода. Достаточно небольшого порыва ветра или толчка и произойдет переворачивание воздушных слоев. Тяжелый воздух устремится вниз, разрушая воздушное зеркало, и мираж исчезнет [5].
Верхние миражи. Верхние миражи наблюдаются над холодной земной поверхностью. Случаются они реже, чем нижние миражи, но бывают более стабильными. Распространены в полярных регионах, особенно на больших ровных льдинах со стабильно низкой температурой (Гренландия, Исландия) и там, где происходят резкие перепады температур (над более холодным слоем воздуха находится теплый слой). Верхние миражи также наблюдаются в умеренных широтах, но тогда они слабее, менее четкие и стабильные.
Известно, что температура воздуха растет с повышением высоты. Однако если над слоем прохладного воздуха оказывается более тёплый воздушный слой, а переход между ними довольно резок, то рефракция значительно усиливается. Лучи света, идущие от предметов на Земле, описывают подобие дуги и возвращаются вниз, иногда за десятки, даже сотни километров от своего источника. Тогда наблюдается "поднятие горизонта"(появляется как бы второй горизонт, более темный, располагающийся параллельно «истинному» и выше его), или верхний мираж.
Наблюдатель может видеть одновременно сам предмет, расположенный на удалении в несколько десятков километров от наблюдателя и невидимый в обычных условиях (если он за горизонтом), и одну или несколько его проекций над ним – прямых или перевернутых [2,5].
Боковые миражи появляются, когда воздушные слои одной плотности находятся не в горизонтальном положении, а под углом или вертикально. Их обычно можно увидеть возле скал на берегу моря или озера сразу после того, как взошло солнце или, когда оно стоит высоко, но ни водная стихия, ни воздух над ней еще не прогрелись.
Природа этого миража точно такая же, как у озерного. Конечно, лучи света отражаются не от стены, а от примыкающей к ней более горячей прослойки воздуха.
Примером бокового миража может быть видение реально приближающейся к побережью лодки, а рядом с ней – ее фантомную копию, но удаляющуюся от побережья. Боковой мираж может появиться у каменной стены дома, нагретой солнцем, и даже сбоку от нагретой печи [3, с.145].
«Фата – Моргана». Сложные миражи. Свое название мираж получил в честь сказочной героини Фаты Морганы. Согласно легенде отвергнутая возлюбленная Ланцелота поселилась на дне моря в хрустальном дворце и с тех пор обманывает мореплавателей призрачными видениями.
Этот сложный вид миража возникает, когда в нижних слоях атмосферы образуется несколько чередующихся слоев воздуха различной плотности, способных давать зеркальные отражения. В результате отражения и преломления лучей реально существующие предметы дают на горизонте или над ним по несколько искаженных изображений. Таким образом, одновременно есть условия для появления как верхнего, так и нижнего миража. При сложном распределении слоев атмосферы мираж «Фата – Моргана» очень неустойчив, подвержен изменениям.В течение нескольких секунд образ может трансформироваться. В нем можно увидеть всё, что угодно: корабли-призраки, плавучие города, острова, которые свисают как облака [7].
Практическое применение законов преломления лучей света имеет большое значение для науки и техники. Их применение в разных областях знаний позволяет создавать точные оптические приборы (телескопы, микроскопы, бинокли, фотоаппараты, кинокамеры, очки, контактные линзы и т. п.), исследовать химическую структуру соединений и определять состав химических смесей, получать точные геодезические и астрономические координаты, создавать оптимальные системы связи (оптоволоконная связь) и многое другое.
Иногда специфика передающей среды или источника излучения требует выделить исследования конкретно этой рефракции в особый раздел. Так, рефракцию человеческого глаза изучает офтальмология, в то время как рефракцию звука в воде изучает гидроакустика, рефракцию небесных светил — астрономия и так далее.
Вывод по главе: Мираж – это оптический эффект в атмосфере Земли, который объясняется физическими законами. Свет в пространстве распространяется по прямой линии. Это происходит только до тех пор, пока световой поток не достигнет воздушного слоя, который имеет другую температуру и, соответственно, плотность. Разница в физическом состоянии вызывает преломление световых лучей на границе между слоями. В результате многократного преломления зрители наряду с окружающей обстановкой видят реальную, но расположенную вдалеке, картину.
Мираж не является частым явлением, поскольку для этого необходимы оптимальные для проектирования изображения условия. Это вызывает трудность изучения этого природного явления. Поэтому, на мой взгляд, необходимо создать наглядный материала (отчет) о создании миражей в домашних условиях, для их дальнейшего изучения в классе.
Глава 2. Практическая часть
2.1. Создание миражей в домашних условиях.
Изучив теоретическую часть вопроса, узнали, что мираж – это оптическое явление в атмосфере, основанное на законах преломления лучей света. Попытаемся опытным путем создать условия для его возникновения.
Опыт 1. «Сломанный луч»
Емкость наполнили водопроводной водой. Направили луч лазерной указки на дно. Убедились, что луч света изменил угол падения (Приложение 1). При направлении света из воды в воздух луч не выходит из воды совсем.
Вывод: Луч света преломляется и имеет угол отклонения при переходе из одной оптической среды (воздух) в другую (вода). В разных средах луч света ведет себя по-разному.
Опыт 2. «Отраженный луч»
Емкость наполнили растительным маслом. Направили луч лазерной указки по направлению к границе двух оптически неоднородных сред (масло и воздух). Увидели, что луч света преломился и отразился от границы раздела двух сред.
Вывод: Луч света полностью отражается от границы раздела двух сред, как от зеркала. Это явление называется полным внутренним отражением (Приложение 2). Примерами такого отражения и являются «фата-моргана», «иллюзия мокрой дороги».
Опыт 3. «Всплывающая монетка».
Положили на дно пустой фарфоровой чашки монетку. Поставили чашку на стол и выбрали такой угол зрения, чтобы край чашки скрывал от вас монетку. Аккуратно подливаем в чашку воду. В какой-то момент монетка начинает «всплывать». Заполнив чашку водой, можно увидеть ее целиком (Приложение 3).
Вывод: Лучи, отраженные монеткой, при переходе из воды в воздух преломляются. Попадая в глаза, создают впечатление, что монетка находится выше, чем на самом деле. Таким образом, мы проследили преломление света на границе деления двух сред разной плотности (вода в чашке и воздух).
Опыт 4. «Обманчивая стрелка»
На листке бумаги нарисовали стрелку (указывает направо). Впереди изображения поставили банку с водой. Переводя взгляд фронтально (так, чтобы листок оказался позади банки), замечаем, что изображение стрелки отразилось в воде, но теперь стрелка указывает налево. При изменении угла наблюдения (снизу вверх) можем наблюдать двойное изображение отраженной стрелки. При изменении угла наблюдения сверху вниз обе стрелки сначала исчезают (виден только белый лист бумаги), а потом и листа бумаги тоже не видно (Приложение).
Вывод: Свет, прежде чем попасть на стрелку, проходил сквозь воздух, стекло, воду, снова стекло, а затем обратно. При пересечении каждой преграды свет преломлялся. Вода, налитая в банку, как линза преломляла предметы и дала искаженное изображение стрелок.
2.2 Экономическая и экологическая оценка продукта.
Проведенное исследование и опыты безопасны и экологичны, не смогли бы повлечь за собой изменения в окружающей среде или вызвать нарушения жизнедеятельности человека. Никаких опасных и вредных химических веществ использовано не было. Для проведения опытов потребовались стеклянные емкости бытового применения, водопроводная вода, растительное масло, лазерная указка, монетка. Затраты на покупку лазерной указки составили 50 рублей, остальное оснащение нашлось в домашнем хозяйстве.
Таким образом, проведенная исследовательская работа не нанесла экологического ущерба окружающей среде и не потребовала крупных финансовых затрат.
Заключение.
Вывод: Мираж – это не иллюзия и не обман зрения. Мы действительно видим реально существующий предмет, но вследствие криволинейного распространения света не там, где он расположен и не таким, каков он есть на самом деле.
Проведённые исследования помогли мне объяснить миражи, как физическое явление преломления света на границе раздела оптически однородных сред и в слоисто-неоднородной среде, какой и является земная атмосфера. В результате проведенных опытов, я пришла к выводу, что возможно создать оптически неоднородную среды с помощью простого оборудования в домашних условиях и изучить поведение светового луча в этой среде. Свет, преломляясь в оптически неоднородной среде, приводит к появлению миражей. Моя гипотеза нашла свое подтверждение.
Практическая значимость: мной был создан методический (фото и видео) материал, который поможет на опыте объяснить явление миража на уроках физики или в рамках внеурочной деятельности.
Для достижения эффекта миража разность в плотности сред должна быть настолько высокой, чтобы граница между слоями смогла выполнять функцию зеркала. Лучи света, искажающие свое движение на этой границе, дают возможность одному слою отразиться в другом.
Библиографический список.
Вайткене Л.Д., Физика, Москва: Издательство АСТ. – 2017. – 256 с.
Как появляется мираж [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://masterok.livejournal.com/4106339.html
Леонович А.А., Физика без формул, Москва: Издательство АСТ. – 2019. – 223 с.
Миражи [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://tainaprirody.ru/atmosfera/mirazh
Оптическое явление мираж и его виды [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://tainaprirody.ru/atmosfera/mirazh
Перельман Я.И., Занимательная физика. – Москва: Издательство АСТ,2017. – 320 с.
Почему мы видим миражи [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.poetomu.ru/publ/zhurnal/mirozdanie/pochemu_my_vidim_mirazhi/1-1-0-285
Схема верхнего и нижнего миража [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://masterok.livejournal.com/4106339.html
Приложения
Приложение 1
Преломление луча света при переходе из одной оптической среды (воздуха) в другую (воду).
Приложение 2
Преломление и отражение луча света на границе двух оптических сред (растительное масло и воздух) при свете и в темноте.
Приложение 3
Опыт «Всплывающая монетка»
Приложение 4
Опыт «Обманчивая стрелка».