Оптические явления. В рамках лектория по физике.

Оптические явления в природе
Сегодня мы рассмотрим ,пожалуй, самые яркие оптические явления, происходящие в атмосфере Земли. И начнём с радуги.
Радуга слайд 1 фото радуги
В русских летописях радуга называлась райской дугой, или, сокращённо, рай-дугой. В Древней Греции радугу олицетворяла богиня Ирида (гр. и значит радуга). По представлениям древних греков, радуга соединяла небо и землю, а Ирида была посредником между богами и людьми. В русский язык вошли и другие слова с тем же греческим корнем: ирис, иризация, иридий и др.
Все мы видели радугу – это красивое и загадочное природное явление. А как образуется радуга? Когда и как её можно увидеть? Какова физическая теория этого явления?
Пустой слайд Опыты по преломлению света и полному внутреннему отражению. Описание опытов
Преломление света с полудиском.
Преломление с монетой на дне плошки.
Полное внутреннее отражение с контейнером и лазером.
Световод.
Радугу «делают» водяные капли: в небе – капли дождя, на земле – брызги от водяной струи, водопада, фонтана. Радугу могут сотворить и капли-росинки на траве. Именно в водяной капле происходят оптические явления, из-за которых возникает радуга.
Условия возникновения радуги: наличие капель воды диаметром 0,08–0,20 мм; особое положение наблюдателя – спиной к солнцу, вне дождевой зоны, при высоте солнца над горизонтом не более 42°. Верхняя часть радуги всегда красного цвета, нижняя – фиолетового.
Понимание физической сущности явления появилось не сразу. Общая физическая картина радуги была описана в 1611 году Марком Антонием де Доминисом .На основании опытных наблюдений он пришёл к заключению, что радуга получается в результате отражения от внутренней поверхности капли дождя и двукратного преломления — при входе в каплю и при выходе из неё. Его объяснение радуги противоречило библейскому, поэтому он был отлучён от церкви и казнён, а его рукописи сожжены.
Рене Декарт дал более полное объяснение радуги в 1635 году в своём труде «Метеоры» в главе «О радуге» на основании законов преломления и отражения солнечного света в каплях выпадающего дождя. В XVII веке французский ученый сумел смоделировать и подробно изучить преломление световых лучей внутри водяной капли. В качестве модели он остроумно использовал наполненный водой стеклянный шар. В то время ещё не была открыта дисперсия – разложение белого света в спектр при преломлении, поэтому радуга Декарта была белой.». В частности, он верно объяснил механизм образования вторичной радуги.
Спустя 30 лет Исаак Ньютон, открывший дисперсию
Слайд с призмой, дополнил теорию Декарта и де Доминиса тем, что разъяснил причины возникновения цветов радуги и объяснил противоположный порядок расположения цветов в радугах первого и второго порядков[9]. В радуге при этом И. Ньютон выделял семь цветов: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, синий, индиго и. Американский учёный А.Фрэзер так образно высказался по поводу теории Декарта–Ньютона: «Декарт повесил радугу в нужном месте на небосводе, а Ньютон расцветил её всеми красками спектра».
Видео про капли воды
Хотя многоцветный спектр радуги непрерывен, во многих странах в нём выделяют 7 или 6 (например, в англоязычных странах[10]) цветов. Считают, что первым выбрал число 7 И. Ньютон.
Первоначально Ньютон различал в спектре только пять цветов. Но впоследствии, стремясь создать соответствие между числом цветов спектра и числом тонов музыкальной гаммы, Ньютон добавил ещё два цвета. Так обозначились известные всем семь цветов, которые легко запоминаются по считалке «каждый охотник желает знать, где сидит фазан». Что же касается радуги, то, как указывает Я.И.Перельман, здесь не может быть и речи о семи цветах, обычно мы различаем только три цвета: красный, зелёный, фиолетовый.
Опыт с трёхцветным диском. (когда диск не крутим :Глазом видим синий ( все цвета поглощаются, а синий отражается и т.д. про красный и зелёный ; диск крутим –все цвета в глазу складываются =белый) (аддитивное зрение)
Иногда едва различается жёлтый, в других случаях радуга представляет собой широкую белую полосу. Если же учитывать каждый едва поддающийся различению оттенок цвета, то в спектре, как показали опыты, можно насчитать свыше 150.
Чаще всего наблюдается первичная радуга, при которой свет претерпевает одно внутреннее отражение.
Иногда можно увидеть ещё одну, менее яркую радугу вокруг первой. Это вторичная радуга, Слайд с фотографией с дачи которая образована светом, отражённым в каплях два раза. Во вторичной радуге «перевёрнутый» порядок цветов — снаружи находится фиолетовый, а внутри красный. Угловой радиус вторичной радуги 50-53°. Небо между двумя радугами обычно заметно более тёмное, эту область называют полосой Александра.
Появление радуги третьего порядка в естественных условиях случается чрезвычайно редко. Считается[3], что за последние 250 лет было только пять научных сообщений о наблюдении данного феномена. Тем более удивительным представляется появление в 2011 г. сообщения о том, что удалось не только наблюдать радугу четвёртого порядка, но и зарегистрировать её на фотографии[4]. В лабораторных условиях удаётся получать радуги гораздо более высоких порядков. Так, в статье, опубликованной в 1998 г., утверждалось, что авторам, используя лазерное излучение, удалось получить радугу двухсотого порядка[5].
7 удивительных фактов о радуге1. Радугу редко можно увидеть в полдень
Чаще всего радуга возникает утром и вечером. Чтобы радуга смогла сформироваться, солнечный свет должен попасть в дождевую каплю под углом примерно 42 градуса. Это вряд ли произойдет, когда Солнце находится выше, чем под углом 42 градуса в небе.
2. Радуга появляется и ночью
Радугу можно увидеть и после наступления темноты. Такое явление называют лунной радугой. В этом случае лучи света преломляется при отражении от Луны, а не напрямую от Солнца. Как правило, она бывает менее яркой, так как чем ярче свет, тем разноцветнее радуга.
3. Два человека не могут видеть одну и ту же радугу
Свет, отраженный от определенных дождевых капель, отражается от других капель с совершенно разного угла для каждого из нас. Это создает и разный образ радуги. Так как два человека не могут находиться в одном и том же месте, они не могут видеть одну и ту же радугу. Более того, даже каждый наш глаз видит разную радугу.
4. Мы никогда не сможем достичь конца радуги
Когда мы смотрим на радугу, кажется, будто она передвигается вместе с нами. Это происходит потому, что свет, который ее формирует, проделывает это с определенного расстояния и угла для наблюдателя. И это расстояние всегда останется между нами и радугой.
5. Мы не можем видеть все цвета радуги
Многие из нас с детства помнят стишок, который позволяет запомнить 7 классических цветов радуги (Каждый охотник желает знать, где сидит фазан).
Однако на самом деле радуга состоит из более чем миллиона цветов, включая цвета, которые человеческий глаз не может увидеть.
6. Радуга бывает двойной, тройной и даже четверной
Мы можем увидеть больше одной радуги, если свет отражается внутри капли и разделяется на составляющие цвета. Двойная радуга появляется, когда это происходит внутри капли дважды, тройная - когда трижды и так далее.
При четверной радуге, каждый раз, когда отражается луч, свет, а соответственно и радуга становится бледнее и потому последние две радуги видны очень слабо.
7. Вы можете сами заставить радугу исчезнуть
Используя поляризационные солнечные очки можно перестать видеть радугу. Это происходит потому, что они покрыты очень тонким слоем молекул, которые расположены в вертикальные ряды, а свет, отраженный от воды, поляризуется горизонтально. Это явление можно увидеть на видео.
Но почему мы видим , что радуга имеет форму дуги ?
Оказывается , что когда мы смотрим на радугу мы видим лишь её половину . Это связано с тем , что центр радуги находится на одной прямой с нашими глазами  и Солнцем . На самом деле радуга имеет вообще форму круга .  С высоты птичьего полета это действительно так .
А вот с самолёта мы увидим , что радуга…. Слайд с самолёта
В природе встречаются и белые радуги. Их называют туманными радугами, т.к. они возникают при освещении солнечными лучами слабого тумана, состоящего из капелек радиусом 0,025 мм и менее. Белую радугу можно увидеть, когда луч прожектора, расположенного сзади вас, освещает слабый туман перед вами. Даже уличный фонарь может создавать белую радугу, видимую на тёмном фоне ночного неба.
ГАЛО
При определённых обстоятельствах можно увидеть двойную, перевёрнутую или даже кольцевую радугу. На самом деле это явления другого процесса — преломления света в кристаллах льда, рассеянного в атмосфере, и относятся к гало[7]. Для появления в небе перевернутой радуги (околозенитной дуги, зенитной дуги — одного из видов гало) необходимы специфические погодные условия, характерные для Северного и Южного полюсов. Перевернутая радуга образуется за счет преломления света, проходящего через льдинки тонкой завесы облаков на высоте 7 — 8 тысяч метров в верхних слоях тропосферы. Цвета в такой радуге располагаются тоже наоборот: фиолетовый вверху, а красный — внизу.
Это оптическое явление более редкое, и многие из вас, наверное, не только не видели его, но и не слышали о нём. Между тем, гало и радуга имеют одну и ту же физическую природу.
Гало происходит от древнегреческого слова   [халос] – круглая площадка для обмолачивания зерна, ток. [В современном языке – нимб, круг вокруг светил. – Ред.] Гало могут выглядеть весьма разнообразно – светящиеся кольца вокруг Солнца или Луны, кресты, столбы, ложные светила и т.п. Наблюдается гало, если светило просвечивает через тонкие перисто-слоистые облака. Эти облака состоят из ледяных кристалликов в форме правильной шестиугольной призмы. Объяснение этого явления известно очень давно – свечение возникает в результате преломления света в кристалликах и отражения от их граней.
Вид гало зависит от формы и расположения кристаллов. Отражённый и преломлённый ледяными кристаллами свет нередко разлагается в спектр, что делает гало похожим на радугу. Наиболее яркими и полноцветными бывают паргелии и зенитная дуга, менее яркими — касательные малого и большого гало. В малом 22-градусном гало различима только часть цветов спектра (от красного до жёлтого), остальная часть выглядит белой из-за многократного смешения преломленных лучей. Паргелический круг и ряд других дуг гало почти всегда белые. Интересна особенность большого 46-градусного гало — оно тусклое и малоцветное, в то время как почти совпадающая с ним при малой высоте Солнца над горизонтом верхняя касательная дуга имеет выраженные радужные цвета[1].Гало бывают белыми и с цветовыми оттенками. Они могут появиться даже в облачных следах за самолётами. Часто на небе фиксируется одновременно несколько форм гало.

Замечательное яркое (на 10 баллов из 10 по шкале яркости) наблюдение гало, фотографии сделал Дмитрия Кузнецов  
Солнечный столб слайд с фото
Световой, или солнечный, столб — это вертикальная полоса света, тянущаяся от Солнца во время заката или восхода. Явление вызывается шестиугольными плоскими либо столбовидными ледяными кристаллами, ориентированными в воздухе более или менее упорядоченно. Плоские кристаллики могут вызывать солнечные столбы, если Солнце находится не выше 6° над горизонтом, а столбовидные — даже при 20°. Вид светового столба (в частности, ширина) зависит от степени упорядоченности ориентации кристаллов.
Это удивительное явление в древние времена воспринималось с трепетом, порождало суеверия.
Возникновение гало – местный признак погоды. Оно говорит о приближении тёплого воздушного фронта, дождя, обложного снега. Летом прохождение тёплого фронта, сопровождающееся дождями, обычно воспринимается как ухудшение погоды. Отсюда и народная примета: «Кольцо вокруг солнца – к ненастью».
Слайд Как отличить гало от радуги?
Радуга Гало
радугу наблюдают стоя спиной к солнцу гало (кроме нескольких редких видов) наблюдается около солнца
радуга полноцветная, в ней есть все цвета спектра (Каждый Охотник Желает Знать Где Сидит Фазан) в большинстве случаев гало слабо окрашено, присутствует только красныи и оранжевый цвета, остальные видны хуже; в редких случаях гало бывает полноцветным
у радуги красный цвет на внешней стороне, ближе к центру фиолетовый у гало ближе к центру (солнцу) красный
Брокенский призрак
Бро́кенский призрак (нем. Brockengespenst), также называемый горным призраком — тень наблюдателя на поверхности облаков (тумана) в направлении, противоположном Солнцу. Эта тень может казаться очень большой и иногда окружена цветными кольцами (так называемая глория)
Гло́рия (лат. gloria — украшение; ореол) — оптическое явление в облаках.
Наблюдается на облаках, расположенных прямо напротив источника света. Наблюдатель должен находиться на горе или в воздухе, а источник света (Солнце или Луна) — за его спиной.
Представляет собой цветные кольца света на облаке вокруг тени наблюдателя. Внутри находится голубоватое кольцо, снаружи — красноватое, далее кольца могут повторяться с меньшей интенсивностью. Угловой размер намного меньше, чем у радуги — 5…20°, в зависимости от размера капель в облаке.
Глория объясняется дифракцией света, ранее уже отражённого в капельках облака так, что он возвращается от облака в том же направлении, по которому падал, то есть к наблюдателю.
[1]. Призрак может и шевелиться (иногда совершенно неожиданно) из-за движения облачного слоя и колебания плотности в облаке.
Из ютуба видео
Брокенский призрак появляется, когда Солнце светит из-за альпиниста, смотрящего вниз с хребта или пика в туман. Тень альпиниста идёт сквозь туман, часто принимая причудливые угловатые очертания, вызванные перспективой. Кажущееся увеличение размеров тени — оптическая иллюзия, объясняемая тем, что наблюдатель соизмеряет свою тень, лежащую на относительно близких облаках, с далекими объектами поверхности, видимой сквозь просветы в облаках Кроме того, тени попадают на капли воды, находящиеся на различных расстояниях от глаза, что нарушает восприятие глубины.
Явление можно наблюдать в условиях горного тумана или облачности, или даже из самолёта. Слайд с фото
Но известность оно приобрело благодаря пику Брокен в горах Гарц в Германии, где постоянные туманы и доступность малых высот позволяют наблюдать его особенно часто. Это способствовало возникновению местной легенды, по которой и дали явлению название. Брокенский призрак наблюдался и был описан в 1780 году и с тех пор не раз описывался в литературе о горах Гарц. Это явление можно увидеть в любом горном регионе.
МИРАЖ
Я прочту отрывок из французской сказки и задам вам вопрос, ответ на который будет предметом нашей следующей беседы: «Матросы взобрались на реи, а капитан взял подзорную трубу и увидел замок, висящий на золотых цепях между небом и землей». Вопрос: «Какое явление природы описано в этом отрывке?»
Это явление – мираж. Слово мираж французского происхождения и имеет два значения: отражение и обманчивое явление (mirage). Подобно сказке, мираж восхищает людей, влечёт к себе и бесследно исчезает, когда к нему пробуют приблизиться.
Мираж представляет собой изображение реально существующего на земле предмета, часто увеличенное и сильно искажённое. Миражи бывают верхние, нижние и сложные.
Видео искривление светового луча.
Перед вами кювета, наполненная до половины водой. Слева снизу распространяется лазерный луч, отражается от поверхности воды и уходит вниз. Вода однородна, а свет в однородной среде распространяется прямолинейно. Мы видим, что падающий и отражённый лучи прямолинейны. Мы видим также явление полного внутреннего отражения, происходящего на границе раздела вода-воздух. Вода- более плотная среда, воздух- менее. Угол падения луча больше предельного и поэтому здесь имеет место явление полного внутреннего отражения. Нальём на дно кюветы насыщенныё раствор поваренной соли, она более плотная, чем вода, а сверху дольём осторожно чистую воду и посмотрим, каков будет ход лазерного луча в этом случае. Видно, что в этом случае луч искривился, он ,распространяясь, отражается от чистой воды, при этом наблюдается также полное внутреннее отражение, но постепенно, а не в точке. Именно благодаря полному внутреннему отражению мы видим миражи.
Нижние (или озёрные) миражи возникают над сильно нагретой поверхностью. Наблюдают их в пустынях и знойных степях. Воздух около земли сильно нагрет, и его показатель преломления меньше, чем у лежащего более высоко холодного воздуха. Отражение в этом слое аналогично отражению в воде. Роль зеркала играет сам воздух. В этом случае световой луч вблизи земли изгибается так, что его траектория обращена выпуклостью вниз (показывает схему нижнего миража). Поэтому наблюдатель видит объекты (холмы в пустыне и др.) перевёрнутыми, как бы стоящими на берегу озера. Причём иллюзию блестящей поверхности озера создают участки неба, отражаясь в воздушном зеркале. Такие миражи может заметить любой человек. Они возникают в солнечные летние дни над асфальтовыми дорогами. В жаркий день хорошо видны «лужи воды» впереди, хотя в действительности дорога сухая.
.
Рисунок. Схема нижний мираж. Наблюдатель видит мираж (в направлении пунктирной линией) и прямое изображение объекта (белая линия). Рисование Хуан Карлос Касадо.
Верхние миражи.
Верхние миражи возникают, наоборот, над сильно охлаждённой поверхностью, например, над холодной водой. Они наблюдаются в северных широтах. В случае верхнего миража показатель преломления воздуха выше у поверхности воды и уменьшается с высотой. Световые лучи изгибаются так, что их траектория обращена выпуклостью вверх. Поэтому наблюдатель может видеть объекты, скрытые за горизонтом, причём видеть их вверху, как бы висящими над линией горизонта (показывает схему верхнего миража,) Примером верхнего миража может служить ситуация, когда жители города Ломоносова иногда отчётливо видят здания и улицы Санкт-Петербурга. Заметим, что расстояние между этими городами 40 км, так что о прямой видимости речи идти не может. Многие, очевидно, слышали легенду о «летучем голландце». Это был, без сомнения, верхний мираж, т.е. изображение какого-либо обыкновенного парусного судна, которое шло где-то за горизонтом.
Миражи сложного вида, или фата-моргана, возникают, когда одновременно есть условия для появления нижнего и верхнего миражей, например, над тёплым морем. Сложные миражи имеют вид призрачных дворцов и замков, лугов и садов, при этом вся картина быстро исчезает и сменяется другой.
Такое интересное название сложные миражи получили благодаря легенде, согласно которой коварная фея Моргана любила охотиться за человеческими душами, подстерегать в пути караваны. Усталые путники устремлялись к миражам, созданным феей, и погибали, сбиваясь с дороги.
Когда-то миражи «Летучий голландец» и «Фата Моргана» наводили ужас на моряков. В ночь на 27 марта 1898 года, среди Тихого океана экипаж судна «Матадор» был напуган видением, когда в штиль в полночь увидел в 2милях (3,2 км) судно, которое боролось с сильным штормом. Все эти события на самом деле происходили на расстоянии 1700км.Видео миражи с Дидюлей .Сегодня все, кто знает законы физики, а точнее ее раздела оптика, могут объяснить все эти загадочные явления.
Полярные сияния.Одним из красивейших оптических явлений природы является полярное сияние. Невозможно передать словами красоту полярных сияний, переливающихся, мерцающих, пламенеющих на фоне темного ночного неба в полярных широтах.В большинстве случаев полярные сияния имеют зеленый или сине-зеленый оттенок с изредка появляющимися пятнами или каймой розового или красного цвета.
Полярные сияния наблюдают в двух основных формах – в виде лент и в виде облакоподобных пятен. Когда сияние интенсивно, оно приобретает форму лент. Теряя интенсивность, оно превращается в пятна. Однако многие ленты исчезают, не успев разбиться на пятна. Ленты как бы висят в темном пространстве неба, напоминая гигантский занавес или драпировку, протянувшуюся обычно с востока на запад на тысячи километров. Высота занавеса составляет несколько сотен километров, толщина не превышает несколько сотен метров, причем он так нежен и прозрачен, что сквозь него видны звезды. Нижний край занавеса довольно отчетливо и резко очерчен и часто подкрашен в красный или розоватый цвет, напоминающий кайму занавеса, верхний – постепенно теряется в высоте и это создает особенно эффектное впечатление глубины пространства.1. Увеличение прозрачности.
Как влияет на тень вода, ведь она прозрачная? Ставим в аквариум вазу, в вазу предмет. Освещаем. Видим тень от предмета, контуры аквариума и вазы. Наливаем воду вазу и видим только вазу, а ведь вода прозрачная! Добавим воду в аквариум. Наверное, всё будет тёмное? Появляется тень от предмета, но воду доливаем не до края воды.
Просто пустые аквариум и ваза – свет проникает сквозь стекло аквариума, сквозь воздух = видим тень. Если воду наливаем в вазу , она превращается в сферическую линзу и свет, попадая в неё полностью рассеивается и мы видим только силуэт вазы. Если воду наливаем в аквариум, всё становится единым для света, а стенки аквариума параллельны и свет он не рассеивает.