Цель: изучить загадочные явления природы и загадки человеческого глаза. Совершенствование знаний и умений.
“Мирозданье постигая,
Всё познай, не отбирая:
Что внутри – во внешнем сыщешь,
Что вовне – внутри отыщешь,
Так примите ж без оглядки
Мира внешние загадки.”
И. Гёте
1. Радуга
Как неожиданно и ярко
На влажной неба синеве,
Воздушная воздвиглась арка
В своём минутном торжестве.
Один конец в леса вонзила,
Другим за облака ушла –
Она пол неба обхватила
И в высоте изнемогла.Ф.И. Тютчев
Какое атмосферное оптическое явление природы описано в данном отрывке?
Ответ: радуга.
Первая попытка объяснить радугу как
естественное явление природы была сделана в 1611
году архиепископом Антонио Доминисом.
Его объяснение противоречило библейскому,
поэтому он был отлучён от церкви и приговорён к
смертельной казни. Антонио умер в тюрьме, не
дождавшись казни, но его тело и рукописи были
сожжены.
Научное объяснение радуге дал Рене Декарт в 1637
году, на основании законов преломления и
отражения света в капельках (воды) дождя, однако
цвета радуги он объяснить не смог.
1666 год. Через 30 лет гипотеза Декарта
была дополнена И. Ньютоном на основе теории
дисперсии.
Систему цветов распавшегося солнечного луча
Ньютон назвал спектром – латинским
словом, обозначающим видение, призрак.
По научному – дисперсия света.
Вопрос: Что такое радуга? Наблюдали данное явление?
Ответ: Радуга есть не что иное, как непрерывный спектр солнечного света, образованный разложением света в каплях дождя (претерпевшего по крайней мере одно полное внутреннее отражение).
Из
дождевых капель под разными углами преломления
выходят широкие разноцветные пучки. Глаз
наблюдателя, находящегося вне зоны дождя, видит
над горизонтом радугу в зоне дождя в виде
разноцветной полосы на расстоянии обычно 1–2
километра. (Эта дуга является геометрическим
местом точек выхода световых лучей, попадающих в
глаз наблюдателя из множества капель).
Верхняя полоса радуги – красная находится не
выше 42 градусов над горизонтом, нижняя –
фиолетовая, а между ними располагаются все
остальные участки спектра. В это время Солнце
стоит не высоко над горизонтом за спиной
наблюдателя, а центр радуги – находится над
горизонтом.
Чем выше Солнце, тем меньшую часть радуги мы
видим над горизонтом.
Когда Солнце поднимается выше 43 градусов, радуга
не видна.
Чтобы увидеть всё радужное кольцо, надо
подняться высоко, например, на гору над морем.
Вопрос: Где можно наблюдать радугу?
Ответ: Радугу можно наблюдать при полном солнечном освещении в брызгах водопада, фонтана, при работе поливочной машины, просто в струе из шланга. Удается увидеть радугу и в росе, покрывающей траву – это росная радуга.
2. Миражи
Вопрос: Что такое миражи? Реальность он или плод воображения измученных зноем и жаждой людей?
Вопрос: Можно ли его фотографировать или заснять на пленку?
В переводе с французского мираж – это отражение или обманчивое видение. Оба значения хорошо отражают сущность явления.
Когда узнаешь ты, как странны
В Сицилии фата марганы,
Вопросов этих не задашь.
Так часто в воздухе стеною
Средь бела дня, на зыбком зное
Встаёт обманчивый мираж.
То это всем сплетеньем веток
Висящий над землёю сад,
То город, волн качанья в лад
Качающийся так и этак.И. Гёте Фауст
Редко встречающаяся форма миража, когда на
горизонте появляются сложные и быстро
меняющиеся изображения предметов – фата
моргана.
Мираж представляет собою изображения реально
существующего предмета, часто увеличенное и
сильно искаженное. Его можно зарисовать,
сфотографировать, заснять на плёнку.
Различают несколько видов миражей: верхние,
нижние, боковые, сложные. Наиболее часто
встречаются первые два, и вызваны они резким
уменьшение плотности воздуха (а
следовательно, и показателя преломления) с
высотой.
Нижние миражи возникают, когда у самой
поверхности имеется сравнительно тонкий слой
очень тёплого воздуха (с малым показателем
преломления).
Лучи от наземных предметов на границе с ним
испытывают полное внутреннее отражение. Такой
тёплый слой воздуха играет роль как бы
воздушного зеркала.
Условия, благоприятствующие возникновению
нижних миражей, обычно реализуются в степях и
пустынях, при солнечной и безветренной погоде.
Это состояние крайне неустойчивое, ведь сильно
нагретый, а значит, более легкий воздух,
находится внизу, под слоем более холодного и
тяжёлого.
Верхние миражи возникают, когда
плотность воздуха с высотой быстро уменьшается.
Изображение получается над предметом.
3. Гало, глории, нимбы
Если Солнце или Луна просвечивают через тонкие
перисто-слоистые облака, на небе часто
появляются, так называемые, гало (в
летописях их называют голосами).
Это, как правило, радужный круг вокруг Солнца
угловым радиусом 22 градуса, реже концентрический
круг радиусом 46 градусов. Иногда виден круг,
проходящий через солнце параллельно плоскости
горизонта, на пересечении которого с кругами
гало 22 и 46 градусов появляются радужные пятна –
ложные солнца (луны).
Все формы гало являются результатом либо
преломления солнечных (лунных) лучей в ледяных
кристалликах облака, либо их отражения от
боковых граней или оснований кристалликов,
имеющих форму шестигранных столбиков.
Глории представляют собой одно или
несколько ярких радужных концентрических колец
вокруг тени самолёта, отбрасываемой на ниже
лежащее облако.
Слово глория означает сияние,
ореол.
Глории являются дидоракцией солнечного (лунного)
света на ледяных кристалликах или водяных
капельках облака.
Глория может появляться и вокруг тени головы
человека. Такие глории называются – нимбами.
В христианской и буддийской иконографии нимбами
окружены головы святых.
4. Синее небо и красное солнце
Рассеяние света происходит в основном на колебаниях плотности воздуха. Фиолетовые лучи рассеиваются в 16 раз сильнее, чем красные, так что в рассеянном свете их будет в 16 раз больше. Все остальные цвета видимого света войдут в состав рассеянного света в количествах обратно пропорциональных, четвёртой степени длины волны каждого. В результате цвет смеси рассеянных лучей будет голубым. Солнечный свет, теряя за счет рассеяния в основном синие и фиолетовые лучи, приобретает слабый желтоватый оттенок, который усиливается при опускании светила к горизонту.
5. Сумерки
После захода Солнца земная поверхность
освещается рассеянным светом, исходящим от той
части небосвода, которая ещё освещена солнечными
лучами.
По мере погружения Солнца под горизонт
освещенная часть Земли сначала уменьшается
быстро, потом всё медленнее и медленнее, и потом
наступает полная темнота.
Переход от дня к ночи и от ночи ко дню на Земле,
благодаря наличию атмосферы и её способности
рассеивать свет, происходит не мгновенно, а
растягивается на некоторый промежуток времени,
называемый сумерками.
Различают утренние и вечерние сумерки. В южных
широтах, где солнечные лучи падают более отвесно
и проходят через более тонкий слой атмосферы,
сумерек практически нет.
6. Зрение двумя глазами
Если бы оптик принес мне столь несовершенный инструмент, как человеческий глаз, я бы тот час выбросил его за дверь.
Г. Гельмгольц
Вопрос: У человека два глаза. Какое это имеет значение?
Ответ: Ответим опытом.
Закроем один глаз и попытаемся попасть остриём
одного карандаша в остриё другого. Едва ли это
удастся, так же как продеть нитку в ушко иголки.
Зрение одним глазом не позволяет точно
определить, какой предмет ближе к нам, а какой
дальше, все кажутся расположенными в одной
плоскости. Наша способность видеть предметы
объёмно и воспринимать зрительно разность
расстояний называется стереоскопическим
зрением. Этим зрением мы обладаем потому,
что у нас два глаза.
7. Инерция зрения
Зрительное впечатление вызывается световым
раздражением сетчатки глаза.
Прекращением раздражения зрительное
впечатление исчезает не сразу, оно продолжается
приблизительно 0,1 секунды. По этому световые
раздражения с перерывами не более 0,1 секунды дают
сливающееся и единое впечатление.
Опыт: Возьмём рамку, в которой вставлен
лист картона с нарисованной на одной стороне
клеткой, а на другой стороне птичкой.
Будем вращать рамку при помощи центробежной
машины. При быстром вращении мы увидим птичку,
сидящую в клетке.
На этом свойстве глаза основан эффект кино.
8. Адаптация глаза
Удивительная приспосабливаемость зрения
человека к восприятию окружающих предметов при
изменении освещённости в больших пределах
называется адаптацией.
При наступлении ночи протекает темновая
адаптация, при переходе ко дню – световая.
Главным образом изменяется площадь отверстия
зрачка, пропускающего световые потоки.
Если вы попали из темного помещения на яркий
свет, то вы щуритесь, а площадь зрачка
сокращается до минимума.
Главным же фактором, обеспечивающим адаптацию,
является переключение с колбочкового аппарата
на палочковый – при темновой адаптации, из
палочковой на колбочковый – при световой. На
процесс адаптации требуется время. Темновая
адаптация происходит медленнее, чем световая.
9. Зрительные иллюзии
Мы доверяем своему зрению. Но наше суждение о виденном оказывается обманчивым.
Вертикальная линия на левом рисунке кажется длиннее, чем горизонтальная, а длины линий на втором рисунке одинаковыми, хотя это не так.
Эти зрительные иллюзии обусловлены тем, что глазное яблоко при рассматривании предмета делает много мелких движений, и повороты в горизонтальном направлении оказываются проще.
Посмотрим на отрезки АВ и ВС. Трудно поверить,
что точка В делит АС пополам. Причина аналогична:
когда мы смотрим рисунок, то незаметно для себя
переводим глаз, на пример от точки В к точке С, так
как отрезок ВС разветвляется в точке С, то мы не
вольно переводим взгляд на развилку,
направленную по ходу поворота глаз, и на это
затрачивается время.
Что касается отрезка ВА, то мы переводим взгляд
от точки В в точку А вдоль ВА и задерживаем взгляд
в точке А, потому что здесь развилка своими
концами обращена навстречу направлению поворота
глаз.
Следовательно, время обозрения отрезка ВА меньше
времени обозрения отрезка ВС.
– Нижний овал кажется больше внутреннего, хотя они равны.
– Правые черточки кажутся короче, нежели равные им левые.
– Если продолжить обе правые дуги, они встретятся с концами левых дуг, хотя кажется, что они ниже.
Вопросы закрепления по данной теме
Викторина
1. Сможет ли космонавт увидеть зарю на Луне?
Ответ: Нет, так как на Луне нет атмосферы, свет не рассеивается.
2. Почему говорят, что в темноте все кошки серые, а лошади – вороные?
Ответ: В темноте работает палочковое зрение.
3. Почему люди утверждают, что заяц косой?
Ответ: Заяц вовсе не косой, у него нет слепой зоны, и видит он своего преследователя так же хорошо, как все другие предметы, но только одним глазом с каждой стороны.
Эксперимент
Металлическую ложку закоптить на свечке (до
урока), затем опускают в прозрачный сосуд с водой
и в таком виде ставят на демонстративный стол. В
воде ложка блестит, а на воздухе она черная.
Наблюдаемое явление объясняется полным
отражением света от слоя воздуха, облегающего
поверхность ложки, несмачиваемого водой.
Викторина
4. Можно ли видеть зеркало?
Ответ: Хорошее чистое зеркало невидимо, видны отраженные в нем предметы.
5. Где в России самые длинные сутки?
Ответ: Сутки одинаковы во всем мире, так как одинакова угловая скорость вращения всех точек Земли.
6. Продолжите шутливый афоризм Козьмы Пруткова: “Если у тебя спрошено будет: “Что полезнее, солнце или месяц? – ответствуй…””.
Ответ: Месяц. Ибо солнце светит днем, когда и без того светло, а месяц ночью.
7. Назовите слова, в которых содержится “скоп”?
Ответ: Стробоскоп, фильмоскоп, спектроскоп, эпидиаскоп, микроскоп, телескоп, перископ, гироскоп, полярископ, радиоспектроскоп, фосфороскоп.
8. Какого цвета кажется бумага при синем свете?
Ответ: Черного, так как красная бумага может отражать только красный свет и поглощает весь синий свет, попадающий на нее.
9. Как в полной темноте написать слово, которое могли бы прочитать присутствующие?
Ответ: Надо взять лучину с тлеющим концом (фонарик и т.д.) и писать его в воздухе, глаз наблюдателя будет видеть целиком написанное слово, благодаря способности сохранять зрительные ощущения в течение некоторого времени.
10. Мог бы “человек-невидимка” видеть окружающие его предметы?
Ответ: Нет. У “человека-невидимки” все ткани должны быть прозрачными, их оптическая плотность должна равняться оптической плотности воздуха. При этих условиях хрусталик глаза уже не будет выполнять своей роли – преломлять лучи света.
11. Кому яркие звезды кажутся крупнее: человеку с нормальным зрением или близорукому? Почему?
Ответ: Близорукому, так как четкое изображение у него формируется не на сетчатке, а перед ней. На сетчатку попадает расходящийся пучок лучей.
О Солнце!... Там где тень
От лип густа и ароматна,
Кидаешь ты такие пятна,
Что жалко мне ступать по ним.
Ростан. "Певец зари, ода Солнцу"
12. Как объяснить происхождение световых пятен в тени деревьев?
Ответ: Это световые пучки, пронизывающие сквозь просветы в кроне деревьев.
И лодка чуть колышется,
Одна средь темных вод,
И белый столб от месяца
По зыби к нам идет.Брюсов "В лодке"
13. Как образуется “белый столб” на воде?
Ответ: Дорожка возникает на поверхности вследствие отражения света от мелких волн, которые ориентированы в различных направлениях. При самых различных положениях наблюдателя отраженные лучи попадают ему в глаз.
Я хочу, чтобы ты увидела:
За горой, вдалеке, на краю
Солнце сплющилось, как от удара,
О вечернюю землю мою.
А.Т. Трасолов “Я хочу, чтобы ты увидела”
14. Почему диск Солнца “сплющивается” при закате?
Ответ: Вследствие атмосферной рефракции. Солнечные лучи, пронизывая воздушную толщу никогда не идут прямолинейно, а искривляются.
“Эти рельсы, сведенные далью,
Разбежались и брызнули врозь”.А.Т. Трасолов
15. Почему, кажется, что вдали рельсы сходятся?
Ответ: С увеличением расстояния уменьшается угол зрения на железнодорожное полотно.
Литература: А.П. Муранов “Волшебный и грозный мир природы”, М., Просвещение, 1994.