Природа миража и других оптических явлений

назад http://www.proza.ru/2016/04/13/2232

Занимательная оптика-2

Природа миража и других оптических явлений

Разберём теперь такую вот задачу для ОГЭ:
1)Ханнанов-2013, тема 23, с.174, № 1:
Примером прямолинейного распространения света служит:
радуга, мираж в пустыне, солнечное затмение, видимость Луны в ночное время.

Конечно, можно ученика тут научить: правильным ответом (в этой вот задаче) является вот этот вариант. А если в аналогичной тут задаче (с таким же точно в ней вопросом) такого варианта вдруг не будет? То что он делать будет в ней?
А тем более, если в задаче данной предусмотрено, что правильными вней будут вариантов несколько ответов? (а такое ведь совсем не исключено)
Тогда нам остаётся лишь одно: разобрать с учеником природу всех физических явлений, которые в задачи упомянуты были.

Так что ж, с чего начнём? Быть может, мы сперва займёмся миражом? Иль радугою всё-тки? Что нам ближе?
А поскольку нет у нас на то ответа, то займёмся мы вопросами порядку.

Радуга

Итак, мы радугу вдруг видим. Какая тут у радуги на то причина, чтобы перед нами показаться? Дисперсии явленье, которое состоит в зависимости показателя преломленья от света частоты:

n=a+b/lambda0^2 = a+b/(c/nu)^2 = a+b*nu^2/c^2,

a, b – константы, зависящие от среды
lambda0 – длина волны света в вакууме
c – скорость света в вакууме
nu – частота света.

Отсюда получается, что при увеличении света частоты увеличиваться будет и показатель преломленья. И это даст нам радугу в итоге, если свет мы белый (который является смесью света всех цветов, а значит, всех частот) пропустим через стеклянную призму, например (или через воздух, насыщенный каплями водяного конденсата. Что после дождя бывает в атмосфере.)

Мираж

Все знают, что мираж мы обыкновенно наблюдаем, например, в пустыне, а именно в очень жаркий день. И заключается он в том, что на горизонте мы видим некие предметы. И, если вдруг желательно нам их оказывается достигнуть (например, оазис), то мы мы утраиваем сразу же все силы, чтоб их достигнуть побыстрей. Но по времени некоторого истеченьи мы тут видим, что нами достигаемый предмет – исчез нечаянно вдруг с горизонта. Какой отсюда вывод здесь у нас? Что тот предмет, который нам показывал мираж – находится очень далеко от нас, а именно за горизонтом точно.

И как же объяснить нам это? А, по-видимому, луч, который нам послал предмет, каким-то образом научился не следовать не по прямой (ведь в таком же случае он бы за горизонтом тут оказался (то есть вне видимости прямой)), а Земли поверхность странным образом огибать.
(то есть от предмета идти сначала вверх, по отношению к прямолинейному луча распространенью
(а значит, над Землей он может сохранять свою тут высоту.(иль хотя б такое тут случится, что снижая даже высоту свою тут над Землею, он не упрется всё-таки в горизонт) Ведь, если он идёт прямолинейно, то он сначала высоту свою теряет.)
А уж потом, когда он горизонт перевалил, идёт он вниз, к наблюдателя глазу.)

Так всё-таки как всё это происходит? И предварительно нам понятно,  что тут всему виной – света преломления явленье.(ведь это же как раз и есть изменение направления луча распростаненья) Но отчего оно тут может возникать?
Давайте Википедию мы откроем, и она нам быстро объяснит, что воздуха абсолютный показатель преломления как, наверное, и для других веществ) становится меньше, чем больше тут температура и чем больше тут давленье:

n-1=(n0-1)*p/760*(1+gamma*p)/(1+alfa*T),

где n – абсолютный показатель преломления газа (-материала газового тела),
n0 - абсолютный показатель преломления газа (-материала газового тела) при условиях нормальных;
p – давление газа (-газового тела) в мм.ртутного столба;
T – температура газа (-газового тела), в градусах Цельсия;
gamma и alfa – парамеры материала газового тела

А по другой теории абсолютный показатель преломления газа

n=1+k*ro,
где k – константа даннного газа
ro - плотность газа
А плотность газа:
Ro=p*mu/(R*T)
Где p  - давление газа,
mu - молярная масса газа;
T - температура газа

Что, в общем-то, с точки зрения математики
(а именно, направления монотонности функции плотности газа от давленья и температуры),
аналогично.
Поэтому что из этих 2-х теорий мы тут получаем?
Что приувеличении высоты температура воздуха снижаться будет, а также и давление его. Поэтому снижение температуры будет плотность воздуха повышать, а понижение давленья – понижать. Поэтому нам в итоге, что-то окончательное нам сказать про показатель преломленья – довольно трудно будет . Ведь всё зависит тут в итоге от того, в какую сторону изменяется плотность газа.
И этот вот вопрос решает то, что с высотою температура воздуха быстрее убывает, чем давленье. Поэтому в норме плотность воздуха с высотою становится меньше.

В итоге, с увеличением высоты, уменьшаться будет и показатель преломления воздуха  в атмосфере.
Что это вызовет? В соответствии с законом преломления при переходе света из одной среды в среду другую, для которой показатель преломленья больше, луч света будет после преломленья отклоняться к перпендикуляру к поверхности раздела сред. Поэтому, если луч от объекта наблюденья вертикальную составляющую направления своего имеет (которая направлена вверх), то при движении его вверх угол направления луча относительно вертикали увеличиваться будет. (а при движении его вниз – соответственно уменьшаться будет)

Теперь мы рассуждаем дальше. Поскольку, даже прямолинейное распространенье света вследствие сферичности Земли даёт, при движении от объекта наблюденья к его субъекту, сначала понижение высоты луча тут над Землёю, а после наибольшего приближенья оного к горизонту – увеличение высоты его, то что нам даст в итоге данное явленье? А именно, искривление движения луча сначала при движении его вниз в менее горизонтальное направленье (то есть идёт более отвесно к земле), а потом, при движении его вверх (после преодоления половины расстояния от объекта до наблюдателя) – менее отвесно.

И это нам и даст в итоге что? Всего лишь видение объекта естественного горизонта чуть ближе.
(который, по идее, получается именно тогда, когда луч света совсем не будет преломляться.
Что, теперь понятно нам, при свойствах воздуха таких (также и любого газа) в принципе не может выполняться.)
(и это, получается, даже при нормальном состоянии атмосферы тоже происходит. Но на чуть-чуть всего.)

Ну а теперь представим, что вдруг поверхность тут земли вдруг сильно охлаждена! (такое бывает зимой и особенно над водной гладью) Тогда мы что тут получаем? Что с высотою плотность (атмосферного) воздуха будет убывать еще быстрее, чем в норме. Поэтому воздуха показатель преломленья вблизи Земли тут будет с высотою еще быстрее убывать. А значит, и луч света, имеющий вертикальную составляющую своего движения, направленную вверх, от вертикали будет отклоняться (а при движении вниз – будет отклоняться к ней)
А в итоге, при движении вниз (то есть на 1-ом тут этапе движения его от объекта наблюденья) луч света в сторону Земли тут будет отклоняться, а при движении вверх (то есть на 2-ом этапе) – в сторону неба.

Что это даст в итоге нам? Еше большее отклонение к земле нисходящего луча, чем в норме, то есть явление это усугубляется и горизонт приближается еще больше
(то есть той самой дальней точке на земле, за которую мы не можем заглянуть)
А значит, тут в итоге мы перестанем видеть даже часть объектов, которые находятся ближе (естественного, как бы) горизонта. Ведь луч тут раньше времени вдруг натыкается на Землю!
И именно вот так с «Титаником» случилось. Чего тут в результате впередисмотрящий на этом корабле матрос увидел айсберг лишь на очень малом расстоянии от него, что и закончилось для корабля тут катастрофой.

А ежели Земли поверхность уж очень сильно тут нагрета  (и такое может быть реально жарким летом и особенно в пустыне), то мы тут получаем что? Что с высотою плотность воздуха (в приземном слое) будет не уменьшаться, а увеличиваться. Поэтому и показатель абс.преломления воздуха сначала будет расти. А стало быть, при нисходящем движении луча (вследствие сферичности Земли) он будет отклоняться в более горизонтальном направлении.
Что в итоге? Луч света от объекта наблюденья как бы огибает поверхность Земли.
Поэтому луч от объекта наблюденья может и еще на более дальнем расстояньи наблюдателя застать. Поэтому и получаем тут сверхдальний (как бы) горизонт. То есть в итоге можем мы очень далёкие от нас объекты видеть. Это явленье и называется мираж.

Видимость Луны в ночное время

Но я бы сформулировал здесь вопрос иначе, ведь видимость Луны (а также звёзд и иных астрономических объектов) ночью как раз не требует объясненья. А вот невидимость всех выше упомянутых объектов днём (конечно, кроме Солнца) – вот это надо бы объяснить. В 1-ой я статье из цикла «Занимательная оптика» http://www.proza.ru/2016/04/13/2232 подробно описал природу того явленья, которое мы, как правило, не замечаем –атмосферы световой. Которое заключается в том, что днём на Земле вся атомсфера становится как источником света (но конечно же, вторичным, после Солнца), то есть вся светится она. Вот этого в результате мы и не видим днём астрономические все те объекты, которые мы видим ночью. Так как световая атмосфера намного большую интенсивность света создает, чем все видимые ночью астрономические объекты, кроме Солнца, создают, поэтому она их маскирует.

А вот на поверхности Луны мы если б оказались, то увидели бы мы, что астрономические объекты круглые сутки тут видны. (За исключением, например, того, если б мы переместились на обратную сторону Луны, то нам бы Землю нашу не удалось увидеть. И то же самое Солнце ночью.) И какова тут этого причина? Что световая атмосфера отсутствует на Луне, поскольку газовой атмосферы у неё нет.

Солнечное (и лунное) затменье

И начнём мы с солнечного затменья.
Которого  природа в том, что при определённом расположении относительно друг друга Земли, Луны и Солнца (а именно, когда Луна находится точно между Землей и Солнцем) Луна для нас, землян, на некоторое время (и в определённом месте на Земле) затеняет Солнце (полностью иль частично) То есть тень от Луны точно падает на Землю. Вот тогда мы и увидим солнечное затменье.
Аналогичная природа и у лунного затменья. Отличие лишь в том, что тень от Земли тут падает на Луну.
А тень мы видим почему? Вот именно потому, что света луч в любой среде, которая оптически однородна (и точно вакуум тут подходит), распространяется прямолинейно строго.

вперёд http://www.proza.ru/2016/06/21/2024