Pitkän aikaa mirageja, välkkyviä hahmoja ilmassa, huolestuneita ja kauhuissaan ihmisiä. Nykyään tiedemiehet ovat paljastaneet monia luonnon salaisuuksia, mukaan lukien optiset ilmiöt. He eivät ole yllättyneitä luonnonmysteereistä, joiden olemusta on tutkittu pitkään. Nykypäivän lukiossa optisia ilmiöitä opetetaan fysiikassa 8. luokalla, joten jokainen oppilas voi ymmärtää niiden luonteen.
Peruskäsitteet
Antiikin tutkijat uskoivat, että ihmissilmä näkee tuntemalla esineitä, joiden lonkerot ovat ohuimmat. Optiikka oli siihen aikaan näön tutkimista.
Keskiajalla optiikka tutki valoa ja sen olemusta.
Nykyään optiikka on osa fysiikkaa, joka tutkii valon etenemistä eri välineiden läpi ja sen vuorovaikutusta muiden aineiden kanssa. Fysiologinen optiikka tutkii kaikkia näköön liittyviä kysymyksiä.
Optiset ilmiöt ovat ilmentymiä erilaisista valonsäteiden suorittamista toimista. Niitä tutkii ilmakehän optiikka.
Epätavallisia prosesseja ilmakehässä
Planeetta Maata ympäröi ilmakehäksi kutsuttu kaasukuori. Sen paksuus on satoja kilometrejä. Maata lähempänä ilmakehä on tiheämpi, suunnassaylöspäin on harvaa. Ilmakehän kuoren fysikaaliset ominaisuudet muuttuvat jatkuvasti, kerrokset sekoittuvat. Muuta lämpötiloja. Tiheys, läpinäkyvyyden muutos.
Valosäteet lähtevät Auringosta ja muista taivaankappaleista Maata kohti. Ne kulkevat Maan ilmakehän läpi, joka toimii heille erityisenä optisena järjestelmänä ja muuttaa sen ominaisuuksia. Valosäteet heijastavat, sirottavat, kulkevat ilmakehän läpi, valaisevat maan. Tietyissä olosuhteissa säteiden reitti on taipunut, joten tapahtuu erilaisia ilmiöitä. Fyysikot pitävät omaperäisimpiä optisia ilmiöitä:
- auringonpaiste auringonlasku;
- sateenkaaren ulkonäkö;
- revontulet;
- mirage;
- halo.
Katsotaanpa niitä tarkemmin.
Halo auringon ympäri
Juuri sana "halo" kreikaksi tarkoittaa "ympyrää". Mikä optinen ilmiö sen taustalla on?
Halo on säteiden taittuminen ja heijastusprosessi, joka tapahtuu pilvikiteissä korkealla ilmakehässä. Ilmiö näyttää valosäteiltä lähellä aurinkoa, joita rajoittaa tumma väli. Halot muodostuvat yleensä ennen sykloneja ja voivat olla niiden esiasteita.
Vesipisarat jäätyvät ilmaan ja saavat oikean prismamuodon kuudella sivulla. Kaikki tuntevat ilmakehän alemmissa kerroksissa esiintyvät jääpuikot. Yläosassa tällaiset jääneulat putoavat vapaasti pystysuunnassa. Kiteiset jäälautat pyörivät, laskeutuvat maahan, samalla kun niillä on yhdensuuntainen järjestelysuhteessa maahan. Ihminen ohjaa näköä kiteiden kautta, jotka toimivat linsseinä ja taittavat valoa.
Muut prismat ovat litteitä tai näyttävät tähdiltä, joissa on kuusi sädettä. Kiteille putoavat valonsäteet eivät välttämättä taitu tai kokea monia muita prosesseja. Harvoin tapahtuu, että kaikki prosessit ovat selvästi näkyvissä, yleensä yksi tai toinen osa ilmiöstä näkyy selvemmin, kun taas toiset ovat huonosti edustettuina.
Pieni halo on ympyrä auringon ympäri, jonka säde on noin 22 astetta. Ympyrän väri on sisäpuolelta punertava, sitten muuttuu keltaiseksi, valkoiseksi ja sekoittuu sinisen taivaan kanssa. Ympyrän sisäalue on tumma. Se muodostuu valon taittumisen seurauksena ilmassa lentävissä jääneuloissa. Prismoissa olevat säteet taipuvat 22 asteen kulmaan, joten kiteiden läpi kulkeneet säteet näyttävät havainnoijalle 22 asteen taipuneena. Siksi sisäpuoli näyttää tumm alta.
Punainen väri taittuu vähemmän, mikä osoittaa vähiten taipuneen auringosta. Seuraavaksi keltainen. Muut säteet sekoittuvat ja näyttävät valkoisilta.
22 asteen sädekehän ympärillä on 46 asteen sädekehä. Sen sisäosa on myös punertava, koska valo taittuu jääneuloissa, jotka ovat 90 astetta aurinkoa kohti.
90 asteen halo tunnetaan myös, se hehkuu heikosti, siinä ei ole juuri mitään väriä tai se on ulkopuolelta värjätty punaiseksi. Tiedemiehet eivät ole vielä täysin tutkineet tätä lajiketta.
Halo Kuun ympärilläja muut lajit
Tämä optinen ilmiö nähdään usein, kun taivaalla on kevyitä pilviä ja monia miniatyyrikiteisiä jäälautoja. Jokainen tällainen kristalli on eräänlainen prisma. Pohjimmiltaan niiden muoto on pitkänomainen kuusikulmio. Valo tulee etummaiselle kidealueelle ja poistuessaan vastakkaisesta osasta taittuu 22 astetta.
Talvella katulamppujen lähellä on kylmässä ilmassa halo. Se näkyy lyhdyn valosta.
Auringon ympärille voi muodostua halo myös pakkaslumisessa ilmassa. Lumihiutaleita on ilmassa, valo kulkee pilvien läpi. Ilta-auringonlaskun aikaan tämä valo muuttuu punaiseksi. Menneinä vuosisatoina taikauskoiset ihmiset olivat kauhuissaan sellaisista ilmiöistä.
Halo voi näyttää sateenkaarenväriseltä ympyrältä Auringon ympärillä. Näyttää siltä, että ilmakehässä on monia kuusisivuisia kiteitä, mutta ne eivät heijasta, vaan taittavat auringonsäteet. Suurin osa säteistä on hajallaan, eivätkä pääse silmiimme. Loput säteet saavuttavat ihmissilmän, ja huomaamme irisoivan ympyrän Auringon ympärillä. Sen säde on noin 22 astetta tai 46 astetta.
Väärä aurinko
Tutkijat ovat havainneet, että haloympyrä on aina kirkkaampi sivuilla. Tämä selittyy sillä, että pysty- ja vaakasuora halot kohtaavat täällä. Niiden risteyskohtiin saattaa ilmestyä vääriä aurinkoja. Tämä tapahtuu erityisen usein, kun aurinko on lähellä horisonttia, jolloin emme enää näe osaa pystyympyrästä.
Väärä aurinko on myös optinen ilmiö, eräänlainen halo. Se näkyy johtuenjääkiteitä, joissa on kuusi puolta, naulan muotoisia. Tällaiset kiteet leijuvat ilmakehässä pystysuunnassa, valo taittuu niiden sivupinnoilta.
Kolmas "aurinko" voi myös muodostua, jos vain haloympyrän pintaosa näkyy todellisen auringon yläpuolella. Se voi olla kaaren segmentti tai käsittämättömän muotoinen valopiste. Joskus väärät auringot ovat niin kirkkaita, että niitä ei voi erottaa todellisesta auringosta.
Sateenkaari
Tämä on ilmakehän optinen ilmiö epätäydellisen ympyrän muodossa, jossa on eri värejä.
Antiikin uskonnot pitivät sateenkaarta siltana taivaasta maan päälle. Aristoteles uskoi, että sateenkaari ilmestyy auringonvalon pisaroiden heijastuksen vuoksi. Mikä optinen ilmiö voi silti miellyttää ihmistä yhtä paljon kuin sateenkaari?
1600-luvulla Descartes tutki sateenkaaren luonnetta. Myöhemmin Newton kokeili valoa ja täydensi Descartesin teoriaa, mutta ei ymmärtänyt useiden sateenkaarien muodostumista, yksittäisten värisävyjen puuttumista niissä.
Englannin tähtitieteilijä D. Erie esitti täydellisen sateenkaaren teorian 1800-luvulla. Hän onnistui paljastamaan kaikki sateenkaaren prosessit. Hänen kehittämänsä teoria hyväksytään edelleen.
Sateenkaari ilmestyy, kun auringon valo osuu sadevesiverhoon Aurinkoa vastapäätä olevalla taivaalla. Sateenkaaren keskipiste sijaitsee pisteessä, joka on Auringon toisella puolella, eli se ei näy ihmissilmälle. Sateenkaaren kaari on osa ympyrää tämän keskipisteen ympärillä.
Sateenkaaren värit on asetettu tiettyyn järjestykseen. Hän on jatkuva. Punainen on yläreunassa, violetti alareunassa. Niiden välillä värit menevät tiukassa järjestelyssä. Sateenkaari ei sisällä kaikkia olemassa olevia värejä. Vihreän dominoiminen osoittaa siirtymistä suotuisaan säähän.
Aurora Borealis
Tämä on ilmakehän ylempien magneettisten kerrosten hehku, joka johtuu atomien ja aurinkotuulen elementtien keskinäisestä vaikutuksesta. Revontulet ovat yleensä vihreitä tai sinisiä, ja niissä on vivahteita vaaleanpunaisesta ja punaisesta. Ne voivat olla nauhan tai pisteen muodossa. Niiden purskeisiin liittyy usein meluisia ääniä.
Mirage
Yksinkertaiset mirage-petokset ovat tuttuja kaikille. Esimerkiksi lämmitetyllä asf altilla ajettaessa näkyy vesipinnana mirage. Tämä ei tule kenellekään yllätyksenä. Mikä optinen ilmiö selittää miraasien ilmestymisen? Mietitään tätä asiaa tarkemmin.
Mirage on optinen fyysinen ilmiö ilmakehässä, jonka seurauksena silmä näkee tavallisissa olosuhteissa näkyviltä piilossa olevia esineitä. Tämä johtuu valonsäteen taittumisesta, kun se virtaa ilmakerrosten läpi. Objektit, jotka ovat huomattavan etäisyyden päässä, voivat nousta tai pudota suhteessa todelliseen sijaintiinsa, tai ne voivat vääristyä ja saada outoja muotoja.
Brocken Ghost
Tämä on ilmiö, jossa auringonlaskun tai auringonnousun aikaan korkeudella olevan henkilön varjo saa käsittämättömät mittasuhteet, kun se putoaa lähellä oleviin pilviin. Tämä on selitettyvesipisaroiden valonsäteiden heijastus ja taittuminen sumuisissa olosuhteissa. Ilmiö on nimetty yhden Saksan Harz-vuorten korkeuksista.
St. Elmo's Fire
Nämä ovat sinisiä tai violetteja siveltimiä merialusten mastoissa. Valot voivat näkyä vuoristoisissa korkeuksissa, vaikuttavan korkeissa rakennuksissa. Tämä ilmiö johtuu sähköpurkauksista johtimien päissä, mikä johtuu siitä, että sähköinen jännitys kasvaa.
Nämä ovat optisia ilmiöitä, joita käsitellään 8. luokan tunneilla. Puhutaanpa optisista laitteista.
Optiikan suunnittelu
Optiset laitteet ovat laitteita, jotka muuntavat valosäteilyä. Yleensä nämä laitteet toimivat näkyvässä valossa.
Kaikki optiset laitteet voidaan jakaa kahteen tyyppiin:
- Laitteet, joissa kuva saadaan näytölle. Nämä ovat kameroita, elokuvakameroita, projektiolaitteita.
- Laitteet, jotka ovat vuorovaikutuksessa ihmissilmän kanssa, mutta eivät muodosta kuvia näytölle. Tämä on suurennuslasi, mikroskooppi, kaukoputket. Näitä laitteita pidetään visuaalisina.
Kamera on optomekaaninen laite, jota käytetään ottamaan kuvia kohteesta filmille. Kameran suunnittelu sisältää kameran ja linssit, jotka muodostavat linssin. Linssi luo kohteesta käänteisen pienoiskuvan, joka tallennetaan filmille. Tämä johtuu valon vaikutuksesta.
Kuva on aluksi näkymätön, mutta kehitysratkaisun ansiosta se tulee näkyviin. Tätä kuvaa kutsutaannegatiivinen, siinä kirkkaat paikat näyttävät tummilta ja päinvastoin. Tee negatiivista positiivinen valoherkälle paperille. Kuva suurennetaan käyttämällä valokuvan suurennuslaitetta.
Suurennuslasi on linssi tai linssijärjestelmä, joka on suunniteltu suurentamaan esineitä niitä katsottaessa. Suurennuslasi asetetaan silmän viereen ja valitaan etäisyys, jolta kohde näkyy selvästi. Suurennuslasin käyttö perustuu katselukulman kasvattamiseen, josta kohdetta tarkastellaan.
Käytä mikroskooppia saadaksesi enemmän kulmaa. Tässä laitteessa esineiden suurennus tapahtuu optisen järjestelmän ansiosta, joka koostuu linssistä ja okulaarista. Ensin linssi lisää katselukulmaa ja sitten okulaari.
Olemme siis tarkastelleet pääasiallisia optisia ilmiöitä ja laitteita, niiden lajikkeita ja ominaisuuksia.
