IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Иллюзии, миражи или обман зрения
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Меня с давних пор интересуют иллюзии. Особенно весело, по моему мнению, посмотреть какие-нибудь фокусы, а потом самостоятельно пытаться понять, как же это произошло. Большинство из них мы видим на выступлениях, т.е. их делают люди. Но обманом зрения являются и миражи, а также иллюзии, возникающие в природе. Отсюда вопрос: как же возникают эти иллюзии, и чем это объяснить?
Актуальность работы состоит в том, что многие и не догадываются, из-за чего в природе возникают иллюзии, миражи и другие обманы зрения.
Проблема исследования: отсутствие комплексного объяснения с позиции физики иллюзий, миражей или обманов зрения, возникающих в природес примерами ,в том числе при использовании мультимедийных средств, для обучающихся в современных условиях.
Объект исследования: иллюзии, миражи или обман зрения.
Предмет исследования: физические явления иллюзий, возникающие в природе.
Цель: - исследование иллюзий на примере природных явлений.
Задачи:
исследование иллюзий на примере заката солнца;
изучение физических явлений, объясняющих возникновение миражей;
выяснение причины появления гало;
проведение экспериментов, подтверждающих теоретические выкладки.
Гипотеза:
Существует возможность объяснения зрительных иллюзий, возникающих в природе, различными физическими явлениями, как рассеивание света и рефракция.
Методы:
- наблюдение;
- эксперимент;
- работа с научной литературой;
- анализ результатов исследования.
Для выполнения работы использованы приборы и материалы: аквариум прямоугольной формы, фонарик, вода, молоко, соль, хвойный экстракт.
Обзор используемой литературы: для написания работы использованы работысовременных исследователей, а также более ранние работы. В том числе работа Л.М. Алексеевой «Небесные сполохи, земные заботы», затронувшая тему возникновения гало, ее структуру, виды. Отдельные вопросы возникновения обманов зрения при закате солнца описаны в работе Н. Андрияхиной «Вы это видели?! Обманы зрения и оптические иллюзии», где описаны иллюзии, возникающие при закате солнца, луны. Тема миражей раскрыта в работах В.Л. Булата «Оптические явления в природе», Э. Сикла «Еще больше оптических иллюзий. Галереи I и II». В работе Л.В. Тарасова «Физика в природе. Кн. для учащихся» описаны различные оптические иллюзии, возникавшие в том числе в природе.
Степень изученности темы: очень высока, что подтверждается раскрытием отдельных ее аспектов в различных работах.
Новизна и практическая значимость работы заключается в разработке краткого объяснения для школьников зрительных иллюзий, обмана зрения и миражей, встречающихся в природе, представленного в форме презентации.
1 Физическое объяснение явлений: зрительные иллюзии, миражи и обман зрения
1.1 Закат солнца
Солнце... Уже в древнейшие времена люди понимали, что без солнечных лучей жизнь на Земле была бы невозможна. Они называли солнце «началом жизни», обожествляли его, поклонялись ему (Приложение 1).
Наблюдаемая картина заката солнца зависит всякий раз от состояния атмосферы и в существенной мере определяется типом и формой облаков, подсвечиваемых лучами заходящего солнца [1]. Бросается в глаза красноватый цвет заходящего солнца и такой же цвет неба вблизи него. Посмотрев на заходящее за линию горизонта солнце сквозь темноватое или слегка закопченное стекло, нетрудно заметить, что цвет солнечного диска имеет разные оттенки в разных точках. У самой линии горизонта он краснее, а в верхней части диска переходит постепенно в цвет более светлых тонов. Иногда изменение цвета по поверхности солнечного диска можно видеть и без всяких стекол. Внимательный наблюдатель обратит внимание на некоторую сплюснутость заходящего солнца по вертикали (Приложение 2). Отдельного разговора заслуживает наблюдаемый иногда при закате солнца зеленый луч. Яркий зеленый свет вспыхивает на несколько секунд, когда почти весь солнечный диск уже скрылся за горизонтом. Иногда солнце кажется заходящим не за четко просматриваемую линию горизонта, а за некоторую невидимую линию, находящуюся над горизонтом (Приложение 3). Интересно, что это явление наблюдается в отсутствие какой-либо облачности на горизонте. Если быстро подняться на вершину холма (на верхний этаж здания, на верхнюю палубу большого теплохода), то можно наблюдать еще более странную картину: теперь солнце заходит за линию горизонта, но при этом солнечный диск оказывается как бы перерезанным горизонтальной «слепой полосой». Солнце постепенно опускается все ниже, а положение «слепой полосы» по отношению к линии горизонта сохраняется неизменным (Приложение 4).
Попробуем дать четкое объяснение этим явлениям. Например, причиной голубого цвета неба и красный оттенок заходящего солнца является рассеяние солнечного света в земной атмосфере. В 1869 г. Дж. Тиндаль выполнил свой знаменитый опыт, который можно объяснить, если предположить, что синий свет рассеивается сильнее, чем красный. В 1871 г. Дж. Стретт (Рэлей) именно так и объяснил результаты опытов Тиндаля. Он построил теорию рассеяния световых волн на частицах, размеры которых много меньше длины световой волны. Наблюдатель воспринимает свет, рассеянный в атмосфере, как голубой цвет неба при более высоких частотах и красный при низких частотах. Чем ближе солнце к линии горизонта, тем более длинный путь проходят в атмосфере световые лучи, поэтому солнце мы видим в красных тонах. Нижняя часть заходящего солнечного диска выглядит более красной, нежели его верхняя часть [3].
В 1899 г. Рэлей выдвинул гипотезу, по которой центрами, рассеивающими свет, являются сами молекулы воздуха. Позднее, уже в первой половине XX столетия, благодаря работам М. Смолуховского, А. Эйнштейна и Л.И. Мандельштама, было установлено, что в действительности важно рассеяние света не на самих молекулах воздуха, а на несколько необычных объектах, возникающих вследствие хаотичного теплового движения молекул, на флуктуациях плотности воздуха, т.е. случайно возникающих микроскопических сгущениях и разрежениях воздуха. Картина распределения молекул воздуха в пространстве проиллюстрирована (Приложение 5). Существенно, что характер этих флуктуации в значительной мере зависит от состояния атмосферы: температуры различных слоев воздуха, характера и силы ветра. Именно поэтому в ясную тихую погоду закат золотистый, а в ветреную — багровый.
Для объяснения многих интересных явлений, наблюдаемых при закате солнца, необходимо учитывать рефракцию света в атмосфере. Под этим термином понимают искривление световых лучей при прохождении в атмосфере, вызванное изменениями плотности воздуха с высотой или при нагревании и охлаждении (Приложение 6).
Сплюснутость заходящего солнечного диска. Когда солнце стоит высоко над горизонтом, его диск имеет форму круга; земной наблюдатель видит этот круг под углом 32'. Заходящий солнечный диск, сплюснут по вертикали; его вертикальный поперечник виден под углом 26', что объясняется рефракцией. Максимальный угол рефракции составляет 35'. Когда мы, любуясь на морском берегу солнечным закатом, видим, как нижний край светила коснулся линии горизонта, мы обычно не сознаем, что в действительности этот край находится на 35' ниже линии горизонта. А значит, и весь солнечный диск уже за горизонтом. Интересно, что верхний край солнечного диска приподнимается вследствие рефракции света меньше, чем нижний, т. е. не на 35', а только на 29'. Ведь рефракция уменьшается по мере уменьшения зенитного расстояния. Именно поэтому заходящее солнце и кажется наблюдателю сплюснутым по вертикали (Приложение 7).
Зеленый луч. Возникновение зеленого луча объясняется изменением показателя преломления светового луча с частотой света. Обычно показатель преломления растет с увеличением частоты. Лучи с более высокой частотой преломляются сильнее. Значит, сине-зеленые лучи претерпевают более сильную рефракцию по сравнению с красными лучами (Приложение 8).
Рефракция света в атмосфере приподнимает над горизонтом зеленый диск в большей степени, чем красный. Поэтому наблюдатель должен был бы видеть заходящее солнце с зеленой каемкой (Приложение 8). Но из-за действия рассеивания зеленой каемки сверху диска мы не увидим, а весь диск будет выглядеть не белым, а красноватым. Если, однако, почти весь солнечный диск ушел за горизонт, остался лишь самый верхний его краешек, и при этом стоит ясная и тихая погода, воздух чист (так что рассеяние света минимально), то в этом случае мы можем увидеть ярко-зеленый край солнца вместе с россыпью ярких зеленых лучей (Приложение 9).
«Слепая полоса» наблюдается, если воздух около земной поверхности оказывается достаточно холодным, а выше имеется слой относительно теплого воздуха (Приложение 3). Переход от нижнего холодного слоя воздуха к лежащему над ним теплому может приводить к довольно резкому спаду показателя преломления. Для простоты примем, что этот спад совершается скачком, поэтому между холодным и теплым слоями существует четко выраженная поверхность раздела, находящаяся на некоторой высоте h0 над земной поверхностью. Упомянутый скачок хорошо виден на рисунке, где через nx обозначен показатель преломления воздуха в холодном слое, а через nT в теплом слое вблизи границы с холодным (Приложение 10).
По мере увеличения зенитного расстояния к наблюдателю не будут попадать лучи, которые войдут в холодный слой в точках, угловая высота которых над горизонтом меньше, чем угловая высота точки В1. Слепая полоса существует как над линией горизонта, так и под линией горизонта. Убедиться в существовании слепой полосы под линией горизонта наблюдатель может, поднявшись на холм [5].
Кажущееся увеличение размеров заходящего солнца же не объясняется законами физики. То, что у горизонта солнечный диск смотрится более крупным, нежели в зените, является оптической иллюзией, которая может быть объяснена тем, что «небесный свод» представляется нам куполом, приплюснутым к земной поверхности. Либо психологией нашего восприятия размеров объектов, наблюдаемых в далекой перспективе.
1.2 Миражи
Когда мы говорим о чем-то неуловимом, нереальном, пригрезившемся, мы используем слово «мираж». Многие не раз наблюдали «озерный» мираж, когда глядели на убегающую вдаль асфальтовую или бетонную дорогу, сильно нагретую летним солнцем. В давние времена миражи порождали многие суеверия; их считали проделками злых духов. Из средних веков дошла до нас легенда о «Летучем голландце» — корабле-призраке, встреча с которым в океане якобы предвещала несчастье. Эту легенду породил суеверный страх, охватывавший матросов, когда в тихую штилевую погоду перед ними вдруг возникало таинственное видение — бесшумно несущийся на всех парусах корабль. Существовали легенды о злых духах, специально вызывавших сказочные видения для того, чтобы обмануть путников, заставить их свернуть с дороги. Коварная фея Моргана любила охотиться за человеческими душами, подстерегать в пустыне караваны, очаровывать караванщиков прекрасными призрачными видениями — сверкающими дворцами, пышными садами, роскошными фонтанами. Усталые путники невольно устремлялись к этим садам и дворцам, сбивались с дороги и в конечном счете погибали в песках. «Фата- Моргана» — так называют особый вид миражей, когда над песчаной равниной или над поверхностью моря вдруг возникают призрачные сады и луга, одна картина быстро и неуловимо сменяется другой (Приложение 11).
Существуют разные виды миражей: «озерные» миражи, называемые также нижними миражами, верхние миражи, двойные и тройные миражи, миражи сверхдальнего видения. Нижние («озерные») миражи возникают над сильно нагретой поверхностью (Приложение 12). Верхние миражи возникают, наоборот, над сильно охлажденной поверхностью, например над холодной водой (Приложение 13). Если нижние миражи наблюдают, как правило, в пустынях и знойных степях, то верхние наблюдают в северных широтах. Например, жители города Ломоносова иногда отчетливо видят в воздухе здания и улицы Ленинграда, мосты через Неву [5]. Это типичный пример верхнего миража. Заметим, что от Ломоносова до Ленинграда 40 км, так что о прямой видимости здесь не может быть и речи. Верхние миражи отличаются разнообразием. В одних случаях они дают прямое изображение объекта, в других случаях в воздухе появляется перевернутое изображение. Миражи могут быть двойными, когда наблюдаются два изображения: прямое и перевернутое. Эти изображения могут быть разделены полосой воздуха (одно может оказаться над линией горизонта, а другое под ней), но могут непосредственно смыкаться друг с другом. Иногда возникает еще одно — третье изображение. (Приложение 14). Особенно удивительны миражи сверхдальнего видения. Известны случаи, когда подобные миражи наблюдались на расстояниях до 1000 км. «Летучего голландца» следует отнести именно к таким миражам.
При распространении светового луча в оптически неоднородной среде (жидкости или газе) показатель преломления непрерывно меняется от точки к точке. При этом его траектория всегда оказывается обращена выпуклостью в сторону уменьшения показателя преломления среды (Приложение 15). Радиус кривизны светового луча зависит от того, насколько быстро изменяется показатель преломления при переходе от одних точек среды к другим. В предельном случае, когда показатель преломления изменяется не плавно, а скачком, т.е. когда имеется четкая граница между двумя областями с разными значениями показателя преломления (это отвечает бесконечно большому градиенту показателя преломления), световой луч испытывает не изгиб, а излом, и на границе двух сред он резко изменяет свое направление, преломляясь и отражаясь или же только отражаясь.
Объяснение нижнего («озерного») миража. Если воздух у самой поверхности земли сильно нагрет и, следовательно, его плотность относительно мала, то показатель преломления у поверхности будет меньше, чем в более высоких воздушных слоях. (Приложение 15). Заметим, что изменение показателя преломления с высотой представлено на рисунке для наглядности более значительным, чем это наблюдается в действительности [2]. В соответствии с установленным выше правилом, световые лучи вблизи поверхности земли будут в данном случае изгибаться так, чтобы их траектория была обращена выпуклостью вниз (Приложение 16, а). Пусть в точке А (Приложение 16, б) находится наблюдатель. Световой луч от некоторого участка голубого неба попадет в глаз наблюдателя, испытав указанное искривление. А это означает, что наблюдатель увидит соответствующий участок небосвода не над линией горизонта, а ниже ее (Приложение 16, в). Ему будет казаться, что он видит воду, хотя на самом деле перед ним изображение голубого неба. Представим теперь, что у линии горизонта находятся холмы, пальмы или иные объекты. Благодаря отмеченному выше искривлению лучей наблюдатель увидит их перевернутыми (Приложение 16, г) и воспримет, как отражения соответствующих объектов в несуществующей воде. Так возникает иллюзия, представляющая собой «озерный» мираж.
Простые верхние миражи. Теперь предположим, что воздух у самой поверхности земли или воды не нагрет, а напротив, заметно охлажден по сравнению с более высокими воздушными слоями (Приложение 17). Световые лучи в рассматриваемом случае изгибаются так, что их траектория обращена выпуклостью вверх. Поэтому теперь наблюдатель может видеть объекты, скрытые от него за горизонтом, причем он будет видеть их вверху, как бы висящими над линией горизонта. Верхний мираж может давать, как прямое, так и перевернутое изображение. Первое возникает, когда показатель преломления воздуха уменьшается с высотой относительно медленно. При быстром уменьшении показателя преломления образуется перевернутое изображение (Приложение 18).
Двойные и тройные миражи. Допустим, что показатель преломления воздуха уменьшается с высотой сначала быстро, а затем медленно (Приложение 19, а). В этом случае световые лучи в области I будут искривляться сильнее, чем в областиII. В результате возникают два изображения (Приложение 19, б). Теперь представим себе, что существуют три последовательные воздушные области: первая (у самой поверхности), где показатель преломления уменьшается с высотой медленно, следующая, где показатель преломления уменьшается быстро, и, наконец, третья, где показатель преломления снова уменьшается медленно. В этом случае возможен тройной мираж (Приложение 20). Двойной мираж может возникнуть также в случае, когда у самой поверхности воздух сильно нагрет, выше охлажден, а еще выше снова нагрет. Показатель преломления воздуха с высотой сначала возрастает, а затем начинает уменьшаться (Приложение 21).
Под влиянием ветра и вертикальных воздушных потоков слой холодного воздуха может искажаться, изменять толщину, перемещаться по высоте. Поэтому как верхнее, так и нижнее изображения будут изменяться со временем, создавая картину сменяющих друг друга видений. Так возникает знаменитая «Фата-Моргана» [5]. Природа этих миражей изучена менее всего. Ясно, что атмосфера должна быть очень прозрачной, свободной от загрязнений и водяных паров. Должен образоваться устойчивый слой охлажденного воздуха на некоторой высоте над поверхностью земли. Ниже и выше этого слоя воздух должен быть более теплым. Возникновение сверхдальних миражей можно объяснить распространением лучей внутри подобных «световодов». Возможно, что при каких-то условиях в атмосфере образуются своеобразные воздушные линзы, а также возникают вторичные миражи (миражи от миражей). Возможно, наконец, что определенную роль играет ионосфера, которая способна отражать световые волны.
1.3 Гало
Наблюдая на небосводе светящиеся кольца (они возникают вокруг солнца или луны), столбы, кресты, да к тому же имеющие подчас красноватый оттенок, люди усматривали в них «знамения свыше», воспринимали их как божественные ореолы, святые кресты, кровавые мечи и т. п. Все эти «знамения» в действительности представляют собой оптическое явление — гало (Приложение 22).
Чаще удается наблюдать довольно скромное гало — в виде одного кольца вокруг солнца (или луны). Как на фото гало, наблюдаемого в Челябинске (Приложение 23). Обычно оно появляется, когда тихая и ясная погода сменяется ветреной, давление воздуха падает, небо делается слегка беловатым, так что солнце светит как бы сквозь матовое стекло. Очертания солнца при этом становятся расплывчатыми, все вокруг кажется освещенным особенным светом. В такие дни и возникает вокруг солнца достаточно яркое кольцо, радиус которого наблюдатель видит под углом 22˚.
Структура гало в общем случае (Приложении 24). «Гало» происходит от греческого halos – «круг». Предполагаем, что наблюдатель находится на равнинной местности с ровной линией горизонта. Наблюдатель стоит в точке О, являющейся центром плоского круга, ограниченного линией горизонта. Солнце (луну) и все элементы гало наблюдатель видит как бы размещенными на небосводе — сфере, «опирающейся» на линию горизонта. Вокруг солнца видны два светящихся кольца — кольцо 1 с угловым радиусом 22° («малое гало») и кольцо 2 с угловым радиусом 46˚ («большое гало»). Наблюдается также горизонтальный светящийся круг 3 (парелический). Чтобы его увидеть целиком, наблюдатель должен повернуться вокруг своей оси на 360°. На рисунке приложения 24 показаны всевозможные ложные солнца. Через С1 и С2 обозначены два ложных солнца, которые наблюдаются чаще всего. Через С3 и С4 обозначены ложные солнца, отстоящие от настоящего на 120°; их называют парантелиями. На рисунке показаны также дополнительные светящиеся дуги 4, входящие в общую структуру гало (Приложение 24). Само солнце изображено в центре светящегося креста. Парелический круг является белым, тогда как малое и большое гало слегка окрашены. Их внутренние края имеют красноватый оттенок, а наружные — фиолетово-синеватый. Цвет светящегося креста совпадает с цветом солнечного диска; он может казаться красноватым, если солнце находится вблизи линии горизонта [3].
Гало, наблюдаемые в действительности. Полная структура гало в действительности никогда не наблюдается целиком. Всякий раз перед наблюдателем возникают лишь какие-то элементы этой структуры. Так, гало может быть представлено всего лишь кольцом с угловым радиусом 22°. Появление перед наблюдателем тех или иных элементов гало зависит от состояния атмосферы, характера облачности в данном направлении в данный момент. Примеры обычно наблюдаемых гало показаны на рисунках (Приложения 22 и 23). Малое лунное гало (Приложение 23). При солнечном гало, наблюдавшимся в Париже 21 декабря 1910 г., были видны части малого гало, верхняя часть большого гало, касательная дуга и два ложных солнца (Приложение 25).
Общие замечания о физике гало. Гало наблюдаются на фоне перисто-слоистых или других облаков, состоящих из мелких ледяных кристалликов. В морозный день ледяные кристаллики могут находиться и в воздухе, окружающем наблюдателя. Причина возникновения гало – преломление света в ледяных кристалликах и отражение от их граней. Преломление приводит к появлению слегка окрашенных в радужные цвета элементов гало. При отражении образуются белые элементы гало, цвет этих элементов совпадает с цветом солнечного (лунного) диска. Кристаллики в облаках имеют обычно неправильную форму. Для возникновения же гало важно, чтобы большинство кристалликов имело правильную форму, а именно форму шестигранных призм, которые в отдельных случаях могут иметь на торцах шестиугольные пластинки (Приложение 26). Существенную роль может играть упорядоченная ориентация в пространстве осей кристалликов. Те или иные элементы гало возникают в результате преломления и отражения света на ледяных шестигранных призмах. Гало по своей природе родственно радуге. Наблюдатель видит гало под наименьшим углом отклонения луча.
Наименьший угол отклонения луча в призме. Гало возникает благодаря прохождению светового луча определенной длины волны через трехгранную призму с преломляющим углом и показателем преломления (Приложение 27, а). Угол отклонения светового луча при прохождении через призму оказывается наименьшим при симметричном ходе луча (Приложение 27, б).
Объяснение возникновения малого гало. Малое гало или светящееся кольцо с угловым радиусом 22˚ (Приложение 28, б) возникает вследствие показанного в приложении 28,а двукратного преломления луча в шестигранной призме (ледяном кристаллике) [5].
Интенсивность свечения кольца будет одинаковой по всей его окружности лишь при условии, что оси шестигранных ледяных призм ориентированы беспорядочно. Если же есть какая-то преимущественная ориентация (ориентации) осей призм, то в этом случае отдельные участки кольца будут более яркими по сравнению с другими участками, возможно, что наблюдатель увидит не полное кольцо, а только некоторые его части. Например, на рисунке оси шестигранных призм ориентированы преимущественно вертикально, поэтому наблюдаются только боковые части малого гало (Приложение 26).
Большое гало. Возникает вследствие двукратного преломления луча в шестигранной ледяной призме (Приложение 29). Такое же преломление испытывал бы луч в трехгранной призме. В результате наблюдатель будет видеть светящееся кольцо с угловым радиусом в 46˚ . В случае вертикально ориентированных шестигранных ледяных призм для большого гало будет наблюдаться лишь его верхняя часть (нижняя часть обычно оказывается ниже линии горизонта) (Приложение 26).
Цвет большого и малого гало зависит от преломления лучей с разными длинами волн. Наименьший угол отклонения для красных лучей равен 21˚30' в малом гало и 45˚10' в большом, а для фиолетовых лучей 22˚20' в малом гало и 48˚10` в большом. Поэтому внутренний край кольца гало окрашен в красный цвет.
Горизонтальный (парелический) круг, светящиеся столбы и кресты. Возникает, когда ледяные кристаллики и ледяные пластинки ориентированы так, что их отражающие грани оказываются вертикальными. Возникает светящаяся горизонтальная полоса шириной равной ширине солнечного диска, и на одной высоте с последним. Происходит это не во всех, а только в некоторых направлениях (от наблюдателя). Поэтому горизонтальный круг наблюдается не полностью, а лишь в виде отдельных частей. Если отражающие плоскости ледяных кристалликов ориентированы почти горизонтально, то наблюдается светящийся столб, проходящий через солнечный диск.
Когда в воздухе много ледяных кристалликов имеющих шестигранную форму (Приложение 26), то они падая на землю, ведут себя как своеобразные парашютики; их оси будут ориентированы в основном вертикально. Отражение от поверхностей шестиугольных пластинок на торцах кристалликов обусловит вертикальную светящуюся полосу. В результате наблюдатель увидит светящийся крест, в центре которого будет находиться солнце [1].
Ложные солнца; парантелии. Являются следствием преломлений и отражений света на ориентированных определенным образом в пространстве шестигранных ледяных призмах. Например, ложные солнца С1 и С2 возникают, когда шестигранные ледяные призмы ориентированы вертикально (Приложение 24). Парантелии наблюдаются на парелическом круге на угловых расстояниях 120° от солнца (ложные солнца С3 и С4 (Приложение 23). Парантелии возникают вследствие двукратного отражения лучей от боковых граней сросшихся попарно шестигранных ледяных призм (Приложение 30, а). При этом необходимо, чтобы оси призм были ориентированы вертикально (Приложение 30, б). В итоге наблюдатель увидит парантелии на угловых расстояниях 120° от солнца (Приложение 30, в).
2 Практическая часть
Зрительные иллюзии, миражи, обман зрения сопровождают человека. Встречаются как в природе, так и специально создаются людьми в различных шоу, развлекательных мероприятиях [4]. Для подтверждения вышеприведенных объяснений миражей, зрительных иллюзий и обманов зрения проведен ряд экспериментов.
Эксперимент № 1. Повторение опыта Дж. Тиндаля
Возьмем аквариум прямоугольной формы, наполним его водой и направим на стенку аквариума слабо расходящийся узкий пучок света. Чтобы пучок был достаточно узким, используем кусочек плотной черной бумаги с круглым отверстием в центре диаметром 2-3 мм. Опыт проводился в затемненном помещении. Для усиления рассеяния светового пучка при его прохождении через аквариум добавили в воду немного молока и тщательно размешали жидкость. Содержащиеся в молоке частички жира не растворяются в воде, они находятся во взвешенном состоянии и способствуют рассеянию света. Наблюдается голубоватый оттенок у рассеянного света Свет же, прошедший сквозь аквариум, приобрел красноватый оттенок. Итак, если смотреть на световой пучок в - аквариуме сбоку, он представлялся голубоватым, а с выходного торца красноватым.
Эксперимент № 2. Изучение оценки восприятия «небесного свода».
«На глазок» была разделена пополам воображаемая дуга, соединяющая наивысшую точку «небесного свода» с какой- либо точкой на линии горизонта. Были указаны на упомянутой дуге точки, направление на которую составило с земной поверхностью угол 25° для мамы и 30° для меня.
Эксперимент № 3. Изучение искривления светового луча в оптически неоднородной среде.
Наполнили аквариум прямоугольной формы водой примерно до половины. Затем через воронку со шлангом, конец которого надо опустить до самого дна, будем медленно наливать насыщенный раствор поваренной соли (300 г соли на литр воды). Раствор соли будет растекаться по дну и постепенно вытеснять вверх воду. В итоге нижняя половина аквариума окажется заполненной более плотной жидкостью (раствором соли), а верхняя — менее плотной (водой). Вследствие взаимной диффузии между жидкостями через некоторое время образуется переходный слой с плавно изменяющейся в вертикальном направлении плотностью, а значит, и показателем преломления. Он будет постепенно возрастать в направлении сверху вниз. Чтобы световой луч был хорошо виден в жидкости, можно предварительно добавить в чистую воду и в солевой раствор щепотку хвойного концентрата, продающегося в аптеке, слабый раствор которого обладает способностью светиться зеленым светом (люминесцировать) под действием обычного (белого) света.
Через боковую стенку аквариума направим внутрь жидкости узкий световой луч. Сначала направим луч так, чтобы он шел снизу вверх под некоторым углом а к вертикали (Приложение 15, рисунок 1). По мере перехода луча в слои жидкости с более низкими показателями преломления угол луча с вертикалью будет возрастать. Световой луч внутри аквариума будет изгибаться; его направление будет приближаться к горизонтальному. Затем направим луч сверху вниз под углом а к вертикали (Приложение 15, рисунок 2). При переходе в слои жидкости с более высокими показателями преломления угол луча с вертикалью будет уменьшаться.
Далее луч входит в кювету строго горизонтально (Приложение 15, рисунок 3). Как показывает опыт, световой луч в жидкости будет все более изгибаться книзу — в сторону слоев оптически более плотных. Это нетрудно объяснить, если принять во внимание что бесконечно узкий световой луч есть идеализация, а в действительности мы имеем дело со световыми пучками конечной ширины (Приложение 15, рисунок 4).
На основании проведенных экспериментов был сделан вывод, о том, что вышеприведенные теории верны:
Рассеивание отвечает за восприятие солнца красным при закате, а неба голубым.
Неверное восприятие небосклона приводит к зрительной иллюзии, когда солнце на закате воспринимается большим, чем обычно.
Независимо от начального направления световой луч всегда будет искривляться так, чтобы его траектория была обращена выпуклостью вверх.
Выводы
В природе встречается много оптических иллюзий, обманов зрений. Примерами этому могут служить миражи и гало. Но иллюзии можно увидеть и во время простого заката солнца.
Каждое явление имеет свое объяснение с позиции физики. Красный цвет солнца на закате возникает под действием феномена рассеивания солнечных лучей. При этом большее рассеивание дает голубой цвет небу, а меньшее – красный цвет солнцу. Чем ближе солнце к линии горизонта, тем свет меньше рассеивается, а значит, само солнце мы видим более красным снизу. Сплюснутость солнца объясняется рефракцией световых лучей, то есть их искривлением при прохождении в атмосфере, вызванным изменениями плотности воздуха с высотой или при нагревании и охлаждении. Рефракция уменьшается по мере уменьшения зенитного расстояния, заходящее солнце кажется сплюснутым по вертикали. Слепая полоса также объясняется явлением рефракции. Возникает при условии, когда воздух около земной поверхности оказывается достаточно холодным, а выше имеется слой относительно теплого воздуха. Зеленый луч солнца также объясним рефракцией. Лучи с более высокой частотой (сине-зеленые) преломляются сильнее по сравнению с красными лучами. Но из-за воздействия рассеивания виден только красный цвет солнца. В условиях минимального рассеивания возникают зеленые всполохи. Лишь увеличение размеров солнца объясняется только психологией восприятия небосклона или объектов по мере удаления. И не имеет иных причин.
Рефракция позволяет увидеть и миражи. В случаях, когда воздух у самой поверхности земли или воды не нагрет, а напротив, заметно охлажден по сравнению с более высокими воздушными слоями, световые лучи в рассматриваемом случае изгибаются так, что их траектория обращена выпуклостью вверх. Получаются простые верхние миражи, то есть наблюдатель может видеть объекты, скрытые от него за горизонтом, как бы висящими над линией горизонта. Аналогично появляются двойные и тройные миражи, показатель преломления воздуха уменьшается с высотой сначала быстро, а затем медленно Двойной мираж может возникнуть также в случае, когда у самой поверхности воздух сильно нагрет, выше охлажден, а еще выше снова нагрет. Движущиеся, сверхдальние миражи возникают при смещении холодного воздуха.
Причиной возникновения гало является преломление света в ледяных кристалликах шестигранной формы и отражение от их граней. Разные направления отражения дают разную структуру гало. Цвет гало зависит от преломления лучей с разными длинами волн. Поэтому внутренний край кольца гало окрашен в красный цвет, наружный в фиолетовый.
Проведенные эксперименты показали:
1. Рассеивание отвечает за восприятие солнца красным при закате, а неба голубым.
2. Неверное восприятие небосклона приводит к зрительной иллюзии, когда солнце на закате воспринимается большим, чем обычно.
3. Независимо от начального направления световой луч всегда будет искривляться так, чтобы его траектория была обращена выпуклостью вверх.
Список использованных источников и литературы
Алексеева, Л.М. Небесные сполохи, земные заботы / Л.М. Алексеева. – М. Знание, 1985.
Андрияхина, Надежда Вы это видели?! Обманы зрения и оптические иллюзии / Надежда Андрияхина. - М.: "Издательство "Эксмо", 2012. - 200 c.
Булат, В.Л. Оптические явления в природе / В.Л. Булат. – М.: Просвещение, 1974.
Сикл, Э. Еще больше оптических иллюзий. Галереи I и II / Э. Сикл. - М.: АСТ, 2006. - 472 c.
Тарасов, Л.В. Физика в природе. Кн. для учащихся. / Л.В. Тарасов. – М.: Просвещение, 1988. – 351 с.
Приложение 1
Древнеегипетский рельеф, изображающий поклонение фараона Эхнатона солнцу
Рисунок 1 - Древнеегипетский рельеф, изображающий поклонение фараона Эхнатона солнцу
Приложение 2
Сплюснутость заходящего солнца по вертикали
2,5 см
3 см
Рисунок 1 - Сплюснутость заходящего солнца по вертикали
Приложение 3
Слепая полоса на закате солнца
Рисунок 1 – Слепая полоса на закате солнца
Приложение 4
Слепая полоса посередине. Закат солнца. Фотография
Рисунок 1 – Слепая полоса посередине. Закат солнца. Фото
Приложение 5
Схематический рисунок распределения молекул воздуха в пространстве
Рисунок 1 – Распределение молекул воздуха в пространстве
Приложение 6
Кривая линия светового луча
Рисунок 1 – Кривая линия светового луча
Приложение 7
Объяснение иллюзии сплюсности солнца по вертикали
Рисунок 1 – Объяснение иллюзии сплюсности солнца по вертикали
Приложение 8
Объяснение возникновения зеленого луча на закате солнца
Рисунок 1 – Объяснение возникновения зеленого луча на закате солнца
Приложение 9
Фотографии зеленого луча на закате солнца
Рисунок 1 – Фотографии зеленого луча на закате солнца
Приложение 10
Объяснение слепой полосы на закате солнца
Рисунок 1 – Объяснение слепой полосы на закате солнца
Рисунок 2 – Угловая ширина слепой полосы
Рисунок 3 - Зенитное расстояние ψ
Приложение 11
Фотография миража Фата Моргана
Рисунок 1 – Фата Моргана
Приложение 12
Фотография нижнего миража
Рисунок 1 – Нижний мираж
Приложение 13
Фотография верхнего миража
Рисунок 1 – Верхний мираж
Приложение 14
Тройной верхний мираж: фотография и рисунок
Рисунок 1 – Фото тройного верхнего миража
Рисунок 2 – Пример тройного верхнего миража
Приложение 15
Преломление светового луча
4
1
2
3
Рисунок 1 – Преломление светового луча
Приложение 16
Объяснение «озерного» миража
Рисунок 1 – Объяснение «озерного» миража
Приложение 17
Объяснение простых верхних миражей
Рисунок 1 – Объяснение простых верхних миражей
Приложение 18
Объяснение перевернутого верхнего миража
Рисунок 1 – Объяснение перевернутого верхнего миража
Приложение 19
Разные показатели преломления в трех воздушных областях
Рисунок 1 – Разные показатели преломления в трех воздушных областях
Приложение 20
Объяснение возникновения тройного миража
Рисунок 1 – Объяснение возникновения тройного миража
Приложение 21
Формирование миража ниже линии горизонта
Рисунок 1 – Формирование миража ниже линии горизонта
Приложение 22
Фотография гало
Рисунок 1 – Фото пример гало
Приложение 23
Фотографии гало в Челябинске
Рисунок 1 – Фото гало в Челябинске
Рисунок 2– Фото гало в Челябинске
Приложение 24
Общая структура гало
Рисунок 1 – Общая структура гало
Приложение 25
Рисунок гало в Париже
Рисунок 1 – Гало в Париже
Приложение 26
Шестиугольные пластинки
Рисунок 1 – Шестиугольные пластинки
Приложение 27
Угол отклонения лучей в призме
Рисунок 1 – Угол отклонения лучей в призме
Приложение 28
Симметричный ход лучей в призме
Рисунок 1 - Симметричный ход лучей в призме
Приложение 29
Двухкратное преломление луча в шестигранной призме
Рисунок 1 – Двухкратное преломление луча в шестигранной призме
Приложение 30
Возникновение парантелий
Рисунок 1 – Возникновение парантелий