XV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Видимое не всегда соответствует действительному
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Видимое не всегда соответствует действительному.
Н. Коперник
Однажды жарким солнечным днем мы ехали на машине по шоссе. И мне показалось, что впереди виднеются лужи и асфальт мокрый, хотя дождя давно не было. Присмотрелся внимательнее и, правда - впереди лужи, но как ни странно, когда мы к ним подъехали они исчезли. Позже, на уроке физики я узнал, что это природное явление называется мираж, почти такой же, как предстает перед путниками в пустыне. Меня заинтересовало это явление, я решил провести свое исследование.
Актуальность данного исследования состоит в том, что миражи не утратили в современном мире своей таинственности. Ученые из разных стран мира на протяжении значительного периода времени разрабатывали концепции, объясняющие процесс появления этого оптического явления.
Проблема исследования: Что же такое мираж? Откуда он взялся? Как образуется?
Цель исследования: Собрать и проанализировать материал о миражах. Смоделировать мираж на несложном лабораторном оборудовании.
Объект исследования: Миражи.
Предмет исследования: Оптические (физические) явления в атмосфере.
Задачи:-
1. На основе подобранной и изученной литературы сделать выводы: что такое мираж и где он возникает; какие виды миражей существуют, указать причины их образования.
2. Выполнить лабораторное моделирование миражей, провести исследования и дать им обоснование.
3. Показать область применения оптического явления в технике на современном этапе развития науки.
Рабочая гипотеза: Убедиться в криволинейном распространении света в оптически неоднородной среде, полученной неравномерным нагревом воды и воздуха.
Методы исследования:
- сбор, анализ и обобщение информации;
- проведение экспериментов.
Классификация миражей и причины их появления
В словаре Ожегова даётся определение «Мираж – оптическое явление – появление в атмосфере мнимых изображений отдалённых предметов ».
Впервые научное объяснение этого явления было связано с египетским походом Наполеона (1799 г.). На пути в Египет их ожидало суровое испытание — переход через пустыню. Жар, испепеляющее солнце, раскалённый песок, налёты мамлюков, дизентерия, нехватка воды. Однообразие пустыни нарушалось лишь небольшими возвышениями с расположенными на них деревнями. Днем, когда солнце согревало земную поверхность, она начинала казаться затопленной наводнением, а деревни представлялись островками среди безбрежного озера. Иллюзию дополняло отражение небосвода. Один из участников экспедиции, Гаспар Монж, объяснил явление, опираясь на законы преломления и отражения света: слой воздуха у поверхности земли сильно прогревается, плотность воздуха изменяется и получается, что у самой земли воздух пропускает свет иначе, чем на высоте в несколько сантиметров от нее. Тут-то и начинается самое удивительное.
Мираж – это шутка природы, явление, появляющееся при определённых атмосферных условиях.
Миражи бывают, условно говоря, трех видов. Условно - потому что эти атмосферные явления по своей форме и по причинам, вызывающим их, очень разнообразны. Атмосферные миражи делятся на нижние, (видимые под объектом), верхние (видимые над объектом) и боковые. Более сложные виды миражей называется "Фата-Моргана", двойные и тройные, объемные миражи, миражи сверхдальнего видения.
1.1 Нижний мираж
Нижние (озерные) миражи весьма обычны. Наиболее часто они возникают в пустынях, где состояние воздуха, при котором возникают нижние миражи, крайне неустойчивое. Ведь внизу, у земли, лежит сильно нагретый, а значит, более легкий воздух, а выше него — более холодный и тяжелый. Нижние миражи возникают при очень быстром уменьшении температуры с высотою, т. е. при очень больших градиентах температуры > 3,42°С/100 м. Приземный теплый слой воздуха, играет роль зеркала, т.е. именно здесь происходит поворот лучей. Лучи идущие от предмета под некоторым углом, переходя из слоя в слой, преломляются и искривляются выпуклостью в сторону менее плотных слоев, в данном случае вниз. Может наступить такой момент, когда угол отклонения луча достигает 90 градусов. В этом случае искривленный луч дает обратное изображение предметов и участка неба, расположенного за ним.
Мираж называется нижним, так как изображение предмета помещается под предметом. (Приложение 1)
Изображение неба создает впечатление блестящей водной поверхности, тем более, что цвет неба и водной поверхности очень схожи. При изменении цвета неба (дымка, облака) изменяется и цвет миража. Например, мираж напоминает снег, если небо тусклого, белого цвета. Нижний мираж в некоторых случаях возникает и в умеренных широтах. При движении по раскаленному солнцем асфальтовому шоссе перед наблюдателем открывается водная поверхность. Нижний мираж - это явление довольно однообразное: всегда только один перевернутый, более или менее сплющенный мираж ниже объекта. Благоприятными условиями для возникновения нижних миражей являются однородная, ровная подстилающая поверхность Земли, что имеет место в степях и пустынях, и солнечная безветренная погода. Достаточно небольшого порыва ветра или толчка и произойдет обрушивание, т. е. переворачивание воздушных слоев. Тяжелый воздух устремится вниз, разрушая воздушное зеркало, и мираж исчезнет.
1.2 Верхний мираж
Верхние миражи по своему происхождению не сложнее "озерных", но разнообразнее. В них изображение располагается над предметом. Их принято называть "миражами дальнего видения", потому что известны случаи, когда они наблюдались и на расстояниях – до 1000 км. Они наблюдается над холодной земной поверхностью при инверсионном распределении температуры (температура воздуха растёт с повышением высоты), а плотность воздуха и показатель преломления с высотой быстро уменьшаются. Верхние миражи случаются в целом реже, чем нижние, но чаще всего бывают более стабильными, поскольку холодный воздух не имеет тенденцию двигаться вверх, а теплый - вниз. Воздух нагревается от поверхности Земли, и с высотой его температура падает. Однако если над слоем прохладного воздуха оказывается более тёплый (принесённый, например, южными ветрами) и сильно разреженный 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. Наблюдатель может видеть одновременно сам предмет (если он не за горизонтом) и одно или несколько его изображений над ним — прямых и перевернутых. (Приложение 2)
Верхние миражи являются наиболее распространенными в полярных регионах, особенно на больших ровных льдинах со стабильной низкой температурой. Они также наблюдаются в более умеренных широтах, хотя в этом случаях, они слабее, менее четкие и стабильные. Например, если за горизонтом движется корабль нормальных размеров, то при специфическом состоянии атмосферы его отражение над горизонтом кажется гигантским. Иногда наблюдаются одновременно прямые и обратные изображения предметов. Верхние миражи могут иметь поразительный эффект за счет кривизны Земли. Если изгиб лучей примерно такой же, как кривизна Земли, лучи света могут перемещаться на большие расстояния, в результате чего наблюдатель видит объекты, находящиеся далеко за горизонтом. Верхние миражи отличаются разнообразием. В одних случаях они дают прямое изображение, в других случаях в воздухе появляется перевернутое изображение в зависимости от расстояния до истинного объекта и градиента температуры. Миражи могут быть двойными, а иногда и тройными.
Верхний прямой мираж образуется благодаря изменению показателя преломления воздуха. Этот показатель с высотой быстро уменьшается. Световые лучи вблизи поверхности земли будут изгибаться так, чтобы их траектория была обращена выпуклостью вверх.
Верхний перевёрнутый мираж образуется точно так же, как и верхний прямой. Но есть лишь одно отличие: показатель преломления воздуха с увеличением высоты будет уменьшаться очень резко, намного быстрее. Световые лучи вблизи поверхности земли будут изгибаться так же.
При верхнем двойном мираже может быть два случая. В первом показатель преломления воздуха с высотой сначала уменьшается резко, а затем медленно. Тогда световые лучи в области I будут искривлять сильнее, чем в области II. В результате возникают два изображения. Световые лучи 1, распространяющиеся в пределах воздушной области I, формируют перевёрнутое изображение; лучи 2, распространяющиеся в области II. Искривляются в меньшей степени и формируют прямое изображение.
Во втором случае показатель преломления воздуха с высотой сначала возрастает, а затем начинает уменьшаться. Все световые лучи в пределах розовой области обращены выпуклостью вниз, тогда как лучи в жёлтой области обращены выпуклостью вверх (траектория луча всегда обращена выпуклостью в сторону менее плотного воздуха). Наблюдатель увидит два изображения – одно выше линии горизонта, а другое (перевёрнутое) ниже. Первое изображение формируют лучи 1, а второе – лучи 2. Верхний тройной мираж образуется с тремя последовательными воздушными областями: первая, где показатель преломления уменьшается с высотой медленно; следующая, где показатель преломления уменьшается быстро; и третья, где показатель преломления снова уменьшается медленно. Лучи 1 формируют нижнее прямое изображение объекта, лучи 2 формируют перевёрнутое изображение, лучи 3 формируют верхнее прямое изображение объекта.
1.3 Боковой мираж
О существовании бокового миража обычно даже не подозревают. Это — отражение от нагретой отвесной стены. (Приложение 3)
Этот вид миражей может возникнуть в тех случаях, когда слои воздуха одинаковой плотности располагаются в атмосфере не горизонтально, как обычно, а наклонно или даже вертикально. Такие условия создаются летом, утром вскоре после восхода Солнца у скалистых берегов моря или озера, когда берег уже освещен Солнцем, а поверхность воды и воздух над ней еще холодные. Боковой мираж может появиться у каменной стены дома, нагретой Солнцем, и даже сбоку от нагретой печи. В знойные летние дни следовало бы обращать внимание на накалившиеся стены больших зданий и искать, не обнаружатся ли явления миража.
1.4 Фата-моргана
Сложного вида миражи, или фата-моргана, возникают, когда одновременно есть условия для появления как верхнего, так и нижнего миража, например при значительной температурной инверсии на некоторой высоте над относительно теплым морем. Плотность воздуха с высотой сначала увеличивается (температура воздуха понижается), а затем также быстро уменьшается (температура воздуха повышается).
При таком распределении плотности воздуха состояние атмосферы весьма неустойчивое и подвержено внезапным изменениям.
Поэтому вид миража меняется на глазах. Самые обыкновенные скалы и дома вследствие многократных искажений и увеличения на глазах превращаются в чудесные замки феи Морганы. (Приложение 4)
Фата-моргана наблюдается у берегов Италии, Сицилии. Но она может возникнуть и в высоких широтах.
2.Моделирование миражей
2.1 Эксперименты Роберта Вуда
Физик Роберт Вуд - гений физического эксперимента, человек, обладавший необыкновенно оригинальный мышлением. Вуд внес огромный вклад в физическую оптику. Чтобы устроить себе миниатюрный оазис, Роберт Вуд взял четыре плоских железных листа длиной около 4 футов (1,2 метра) и шириной 8 дюймов (0,2 метра). Из этих листов он соорудил длинную плоскую горизонтальную площадку, которую посыпал песком. На дальнем конце площадки было укреплено зеркало, которое отражало изображение неба в окне. Ряд миниатюрных гор и несколько пальм, вырезанных из бумаги и размещенных на песке перед зеркалом, изображали горизонт пустынного ландшафта, который снизу, под железными листами, подогревался рядом маленьких газовых горелок. Вуда интересовало: «Будет ли действовать установка в таком масштабе?» Он зажег горелки и стал наблюдать. Горы и пальмы давали отчетливый силуэт на ярком фоне неба, но вдруг перед ними у самого подножья гор появилась сверкающая поверхность воды. Когда Вуд поднимал глаза на дюйм или два над уровнем песка, «озеро» исчезало и опять появлялось, как только взгляд приближался к поверхности «пустыни». Точно также поведет себя настоящий мираж, если подниматься на холм. По мере нагревания песка «озеро» увеличивалось, и в нем появлялось отражение гор, а когда исследователь опускал глаза еще ниже, подножье гор исчезало в кажущемся озере, как при гигантском наводнении.
2.2 Моделирование миражей в домашних условиях
Опыт № 1 Наблюдение миража в воздухе
При помощи включенной электрической плиты полный мираж не удалось получить, но зато были видны основные его элементы. Если смотреть на окружающие предметы вдоль поверхности плиты, то видно, как дрожат и изгибаются формы. (Приложение 5)
Опыт № 2 Мираж в неравномерно нагретой жидкости (кювет с водой).
С целью устранения искажения, вызванные цилиндрической формой оптически неоднородной среды в химическом стакане с водой, применим цилиндрический стеклянный кювет с металлической перегородкой.
Для детального исследования миража, в качестве объекта наблюдения использован хорошо освещённый круг диаметром около 40 мм, расположенный на тёмном фоне. Оптимальные расстояния от него до кюветы с неравномерно нагретой водой и от кюветы до глаза подобраны экспериментально.
Наблюдая за белым кругом через кювету с водой, включаем кипятильник. Начинаем исследовать появление миража возле горизонтальной перегородки. Постепенно вода закипает, появившийся мираж опускается вниз и отрывается от перегородки. Вслед за этим появляется второй мираж. При дальнейшем кипении воды в верхней части кюветы наблюдаем появление третьего миража. Далее он сливается со вторым, а первый мираж начинает сливаться с искажённым изображением предмета. По мере равномерного прогревания воды в нижней части кюветы наблюдается постепенное слияние всех миражей с изображением предмета. ((Приложение 6)
Опыт № 3 Оптически неоднородная вода. В природных условиях миражи возникают, когда свет проходит через слои неравномерно нагретого воздуха. С ростом температуры показатель преломления воздуха уменьшается, и скорость света в нём увеличивается. Поэтому при прохождении света через такую оптически неоднородную среду лучи искривляются, изгибаясь в сторону от меньших к большим значениям показателя преломления. Криволинейное распространение света приводит к тому, что предметы видны не там, где они находятся на самом деле, а это и есть мираж. На электроплитку с закрытой спиралью поставим отобранный стакан, нальем в него прокипячённую или отстоявшуюся воду и включим плитку в сеть. Глядя сквозь стакан, мы увидим, что изображения предметов сильно сжаты в горизонтальном направлении и почти не искажены в вертикальном. Объясняется это, разумеется, тем, что стакан с водой представляет собой цилиндрическую линзу. По мере нагревания воды мы обнаружим непрерывно изменяющиеся небольшие искажения изображений предметов, наблюдаемых сквозь стакан. (Приложение 7)
Опыт № 4 Моделирование двойного миража с использованием проектора.
Объяснение двойного миража.
Тепло от нагревателя распространяется сверху вниз. Поэтому наибольший перепад температур и соответственно максимальный градиент показателя преломления возникает на границе между горячей и холодной водой. Упрощённо можно считать, что выше этой границы расположена оптически менее плотная среда. Поэтому, если свет падает на границу раздела этих сред снизу из оптически более плотной среды, то наблюдается полное внутреннее отражение. Свет от этой границы отражается, как от обычного плоского зеркала, в результате возникает мнимое перевёрнутое изображение A B′ ′ предмета АВ. Не следует только забывать, что резкой границы все же нет, поэтому хотя свет и отражается от оптически неоднородной среды, но не скачком, а плавно, распространяясь криволинейно (лучи 3 и 4).
Пока граница между горячей и холодной водой не дошла до лучей 1 и 2, идущих от предмета непосредственно в глаз, наблюдается неискажённое изображение предмета в том месте, где он и расположен.
При продолжающейся работе кипятильника граница между горячей и холодной водой опускается всё ниже. Поверх неё вплоть до перегородки оказывается расположенным относительно толстый слой воды, температура которого растёт снизу вверх сравнительно медленно. Градиент показателя преломления в этом слое существенно меньше, поэтому световые лучи искривляются слабее. Важно, что луч 6, идущий выше, искривляется меньше, чем луч 5, идущий в этом слое ниже. Поэтому лучи, вышедшие из различных точек предмета, на пути в глаз не пересекаются и, следовательно, дают прямое мнимое изображение A′′B′′ предмета АВ. (Приложение 8)
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 объяснить миражи, происходящие со светом на границе раздела оптически однородных сред и в слоисто-неоднородной среде, какой и является земная атмосфера.
3. Применение эффекта миража в технике
Почему мы так подробно остановились на моделировании миражей? Прежде всею потому, что это явление красивое. Но есть и другая причина. Большинство известных Вам оптических приборов основано на прямолинейном распространении света. Но есть приборы, работа которых основана на криволинейном распространении света в среде с меняющимся показателем преломления.
Область их применения огромна. Через всю территорию нашей страны тянутся линии волоконно-оптической связи. Такая линия способна одновременно передавать тысячи телевизионных каналов. При разработке лазерных принтеров также использовалось явление полного внутреннего отражения света.
Сверхмощные лазеры способны разрушить оптическую систему, созданную из стеклянных линз. Такую систему можно заменить «газовыми линзами», то есть газообразной средой с переменным показателем преломления.
Ученые из Университета Далласа в Техасе недавно создали устройство, реализующее на практике сокрытие объектов. В данном случае речь идет об оптическом сокрытии, то есть эффект виден невооруженным глазом.
В устройстве используется оригинальный принцип — эффект «миража», который проявляется на границе двух сред, имеющих разную плотность (как горячий и холодный воздух, горячая и холодная вода и т.д.). Благодаря теплопроводности нанотрубок это удалось реализовать на практике.
Заключение
О миражах известно все и ничего. С одной стороны, трудно найти человека, который хоть раз в жизни не видел бы самый простой мираж — голубое озерцо на раскаленном шоссе. Оптики доходчиво, с чертежом и формулами, расскажут об этом явлении. С другой — тысячи людей наблюдали в небе буквально висящие города, причудливые замки и даже целые армии, но вот тут у специалистов нет объяснений этому природному феномену. Изучать миражи практически невозможно, ведь они не появляются по заказу. Их хозяйка, Фата Моргана, всегда оригинальна и непредсказуема.
Я познакомился с загадочным и удивительно красивым природным явлением. Узнал, при каких условиях получается мираж. Смог создать это чудо в домашних условиях. И еще раз убедился, что природные чудеса приносят много пользы в сфере развития техники на благо человека.
Список литературы
1. Булат В.Л. Оптические явления в природе. - М.: Просвещение, 1974.
2.Буховцев Б. Б. Физика 10. - М.: Просвещение, 1987.
3. Вуд Ф. Искусственные миражи // Журнал «Квант». 1971. № 10.
4. Гершензон Е.М., Малов Н.Н., Мансуров А.Н. Курс общей физики. - М.: Просвещение, 1987.
5. Глинская Е.А., Титова Б.В. Межпредметные связи в обучении. – Тула. 1980.
6. Королев Ф.А. Курс физики. - М., Просвещение 1988.
7. Майер В.В. Полное отражение света в простых опытах. - М.: Наука, 1986.
8. Майер В.В.. Простые опыты по криволинейному распространению света. – М.: Наука, 1984.
9. Майер В.В. Свет в оптически неоднородной среде: Учебные исследования. – М.: Физматлит, 2007.
10. Миннарт М.Свет и цвет в природе. – М.: Наука, 1969.
11. Л.Тарасов, Л.В. Тарасова А.Н.. Беседы о преломлении света. - М.: Наука, 1982.
Интернет - ресурсы
http://www.seekcodes.com/images/Funny7/illusion_gray.jpg
http://stat8.blog.ru/lr/092ae36431f67bbbc2136764480a177c
http://megalife.com.ua/uploads/posts/2008-05/1209646336_39.jpg
http://www25.brinkster.com/yinyanh/emails/pics/Great%20Illusion.jpg
Приложение 1
Нижний мираж
Приложение 2
Верхний мираж
Верхний прямой мираж
Верхний перевёрнутый мираж
Верхний двойной мираж – 1 случай
Верхний двойной мираж – 2 случай
Верхний тройной мираж
Приложение 3
Боковой мираж
Приложение 4
Фата – Моргана
Приложение 5
Опыт 1. Наблюдение миража в воздухе
Приложение 6
Опыт 2. Мираж в неравномерно нагретой жидкости (кювет с водой)
Приложение 7
Опыт 3. Оптически неоднородная вода
Приложение 8
Опыт 4. Моделирование двойного миража с использованием проектора