Проект по физике

 

Муниципальное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №7 г. Ртищево Саратовской области»

 

 

 

 

 

 

 

ИТОГОВЫЙ ПРОЕКТ ПО ФИЗИКЕ

«Мираж - природное оптическое явление»

 

 

 

 

Выполнили: ученики 8-В класса

 Мешалкин Максим и Ипатов Влад

Руководитель: Громов И.Н.,

учитель физики

 

 

 

 

 

г. Ртищево, 2020г.

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение……………………………………………………………………………………......….3-4

1. Классификация миражей и причина их появления…………………………………………….4

1.1 Нижний мираж…………………………………………………………………………..…4-5

1.2 Верхний мираж………………………………………………………………………….…5-6

1.3 Боковой мираж……………………………………………………………………….………6

1.4 Фата-моргана………………………………………………………………………………....6

2. Моделирование миражей………………………………………………………………………...7

2.1 Эксперименты Роберта Вуда…………………………………………………………….…..…7

2.2 Моделирование миражей в лаборатории………………………………...…………………7

3. Применение эффекта миража…………………………………………………………………....8 

4. Заключение…………………………………………………………………………………..……9

5. Список использованной литературы…………………………………………………….…….10                                                                           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Видимое не всегда соответствует действительному.                                                               

Н. Коперник

ВВЕДЕНИЕ

1. Актуальность -

С самого начала изучения оптики мы знаем, что в оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно. А вот существование оптически неоднородных сред только предполагается, и в курсе обучения никак не доказывается. Объясняется это тем, что соответствующие опыты, если и не сложны, то трудоемки. Чаще всего в них используются твердые прозрачные тела, которые дают заметное рассеяние света. Я же решил хорошо подумать и приготовить жидкую оптически неоднородную среду. Учебные исследования данной среды, привели к наблюдению в ней полного внутреннего отражения. Что позволило узнать в нем природный мираж-явление, которое в повседневной жизни часто становится неузнаваемым и превращается в «неопознанный объект».

 2. Проблема - Возможность создания оптически неоднородной среды с помощью простого лабораторного оборудования и изучения поведения светового луча в этой среде.

 3. Цель – Собрать и проанализировать материал о миражах. Смоделировать мираж на несложном лабораторном оборудовании.

4. Объект -  Миражи.

 5. Предмет -  Оптические явления в атмосфере.

 6. Задачи -

1. На основе подобранной и изученной литературы сделать выводы: что такое мираж и где он возникает; какие виды миражей существуют, указать причины их образования.

2. Выполнить лабораторное моделирование миражей, провести    исследования и дать им обоснование.

3. Показать область применения оптического явления в технике на современном этапе развития науки.

7. Рабочая гипотеза: Убедиться в криволинейном распространении света в оптически неоднородной среде, полученной неравномерным нагревом воды и воздуха.

8. Метод исследования - сбор, анализ и обобщение информации; проведение экспериментов.

 9. Предполагаемая новизна

Оптика неоднородных сред - это достаточно обширная и совсем не простая область физики, которая имеет важное научно- практическое значение и интенсивно развивается. Описание эффектных физических опытов по получению искусственных миражей с использованием жидкостей началось с 1899г. Американский физик Роберт Вуд наблюдал траекторию луча в сосуде, наполненном раствором соли. В 1914г. Л. И. Мандельштам – выдающийся русский физик поставил изящный опыт, показывающий, что при полном отражении свет на небольшую глубину проникает из оптически более плотной в оптически менее плотную среду. Сохраняя идею этих опытов, модернизируя их можно создать другие условия для моделирования миража, предложив нагревать верхний шар воды в высоком цилиндрическом сосуде. Получить искривленный луч лазера на границе холодной и горячей воды.

 10. Этапы работы

1) Воспроизведение опыта Вуда, анализ недостатков и достоинств;

2) Подготовка лабораторного оборудования для проведения эксперимента;

 3) Проведение эксперимента, описание его теоретических основ.

 4) Выводы на основе результатов опыта.

 5) Подготовка презентации по выводам и результатам.

 11. Способы оценки

Сравнение результатов с ранее проведенными опытами.  Опыты показали, что в оптически неоднородной среде луч света всегда изгибается выпуклостью в сторону уменьшения показателя преломления среды. Зная это правило нетрудно понять происхождение миражей. В результате работы появилась возможность дальнейшего моделирования различных типов миражей, поиска новых экзотических миражей и объяснения других оптических иллюзий, связанных с оптической неоднородностью среды. Исследование явления может быть продолжено при изучении и моделировании оптических явлений в атмосфере.

1. Классификация миражей и причины их появления

Миражи бывают, условно говоря, трех видов. Условно - потому что эти атмосферные явления по своей форме и по причинам, вызывающим их, очень разнообразны.          

Атмосферные миражи делятся на нижние, (видимые под объектом), верхние (видимые над объектом) и боковые.      Более сложные виды миражей называется "Фата-Моргана", двойные и тройные, объемные миражи, миражи сверхдальнего видения.

1.1 Нижний мираж

Наиболее часто они возникают в пустынях, где состояние воздуха, при котором возникают нижние миражи, крайне неустойчивое. Ведь внизу, у земли, лежит сильно нагретый, а значит, более легкий воздух, а выше него — более холодный и тяжелый.  Нижние миражи возникают при очень быстром уменьшении температуры с высотою, т. е. при очень больших градиентах температуры > 3,42°С/100 м. Приземный теплый слой воздуха, играет роль зеркала, т.е.  именно здесь   происходит поворот лучей.  Лучи, идущие от предмета под некоторым углом, переходя из слоя в слой, преломляются и искривляются выпуклостью в сторону менее плотных слоев, в данном случае вниз. Может наступить такой момент, когда угол отклонения луча достигает 90 градусов. В этом случае искривленный луч дает обратное изображение предметов и участка неба, расположенного за ним.

Изображение неба создает впечатление блестящей водной поверхности, тем более, что цвет неба и водной поверхности очень схожи.  При изменении цвета неба (дымка, облака) изменяется и цвет миража. Например, мираж напоминает снег, если небо тусклого, белого цвета. Нижний мираж в некоторых случаях возникает и в умеренных широтах. При движении по раскаленному солнцем асфальтовому шоссе перед наблюдателем открывается водная поверхность. Нижний мираж - это явление довольно однообразное: всегда только один перевернутый, более или менее сплющенный мираж ниже объекта. Благоприятными условиями для возникновения нижних миражей являются однородная, ровная подстилающая поверхность Земли, что имеет место в степях и пустынях, и солнечная безветренная погода.  Достаточно небольшого порыва ветра или толчка и произойдет обрушивание, т. е. переворачивание воздушных слоев. Тяжелый воздух устремится вниз, разрушая воздушное зеркало, и мираж исчезнет.

1.2 Верхний мираж

Верхние миражи по своему происхождению не сложнее "озерных", но разнообразнее. В них изображение располагается над предметом.  Их принято называть "миражами дальнего видения", потому что известны случаи, когда они наблюдались и на расстояниях – до 1000 км. Они наблюдается над холодной земной поверхностью при инверсионном распределении температуры (температура воздуха растёт с повышением высоты), а плотность воздуха и показатель преломления с высотой быстро уменьшаются.  Верхние миражи случаются в целом реже, чем нижние, но чаще всего бывают более стабильными, поскольку холодный воздух не имеет тенденцию двигаться вверх, а теплый - вниз. Воздух нагревается от поверхности Земли, и с высотой его температура падает. Однако если над слоем прохладного воздуха оказывается более тёплый (принесённый, например, южными ветрами) и сильно разреженный воздушный слой, а переход между ними довольно резок, то рефракция значительно усиливается. Лучи света, идущие от предметов на Земле, описывают подобие дуги и возвращаются вниз, иногда за десятки, даже сотни километров от своего источника. Наблюдатель может видеть одновременно сам предмет (если он не за горизонтом) и одно или несколько его изображений над ним — прямых и перевернутых.

Верхние миражи являются наиболее распространенными в полярных регионах, особенно на больших ровных льдинах со стабильной низкой температурой. Они также наблюдаются в более умеренных широтах, хотя в этом случаях, они слабее, менее четкие и стабильные. Например, если за горизонтом движется корабль нормальных размеров, то при специфическом состоянии атмосферы его отражение над горизонтом кажется гигантским. Иногда наблюдаются одновременно прямые и обратные изображения предметов. Верхние миражи могут иметь поразительный эффект за счет кривизны Земли. Если изгиб лучей примерно такой же, как кривизна Земли, лучи света могут перемещаться на большие расстояния, в результате чего наблюдатель видит объекты, находящиеся далеко за горизонтом.                                                               Верхние миражи отличаются разнообразием. В одних случаях они дают прямое изображение, в других случаях в воздухе появляется перевернутое изображение в зависимости от расстояния до истинного объекта и градиента температуры. Миражи могут быть двойными, а иногда и тройными.          

1.3 Боковой мираж

О существовании бокового миража обычно даже не подозревают. Это — отражение от нагретой отвесной стены.

Этот вид миражей может возникнуть в тех случаях, когда слои воздуха одинаковой плотности располагаются в атмосфере не горизонтально, как обычно, а наклонно или даже вертикально. Такие условия создаются летом, утром вскоре после восхода Солнца у скалистых берегов моря или озера, когда берег уже освещен Солнцем, а поверхность воды и воздух над ней еще холодные.                                                                                                                         Боковой мираж может появиться у каменной стены дома, нагретой Солнцем, и даже сбоку от нагретой печи.   В знойные летние дни следовало бы обращать внимание на накалившиеся стены больших зданий и искать, не обнаружатся ли явления миража.

1.4 Фата-моргана

Сложного вида миражи, или фата-моргана, возникают, когда одновременно есть условия для появления как верхнего, так и нижнего миража, например, при значительной температурной инверсии на некоторой высоте над относительно теплым морем. Плотность воздуха с высотой сначала увеличивается (температура воздуха понижается), а затем также быстро уменьшается (температура воздуха повышается).

При таком распределении плотности воздуха состояние атмосферы весьма неустойчивое и подвержено внезапным изменениям.

Поэтому вид миража меняется на глазах. Самые обыкновенные скалы и дома вследствие многократных искажений и увеличения на глазах превращаются в чудесные замки феи Морганы.

Фата-моргана наблюдается у берегов Италии, Сицилии. Но она может возникнуть и в высоких широтах.                                

 

2.Моделирование миражей

2.1 Эксперименты Роберта Вуда

Физик Роберт Вуд - гений физического эксперимента, человек, обладавший необыкновенно оригинальный мышлением.         Вуд внес огромный вклад в физическую оптику. Чтобы устроить себе миниатюрный оазис, Роберт Вуд взял четыре плоских железных листа длиной около 4 футов (1,2 метра) и шириной 8 дюймов (0,2 метра). Из этих ли­стов он соорудил длинную плоскую горизонтальную пло­щадку, которую посыпал песком. На дальнем конце площадки было укреплено зеркало, которое отражало изобра­жение неба в окне. Ряд миниатюрных гор и несколько пальм, вырезанных из бумаги и размещенных на песке перед зер­калом, изображали горизонт пустынного ландшафта, кото­рый снизу, под железными листами, подогревался рядом маленьких газовых горелок. Вуда интересовало: «Будет ли действовать установка в таком масштабе?» Он зажег горелки и стал наблюдать. Горы и пальмы давали отчетливый силуэт на ярком фоне неба, но вдруг перед ними у самого подножья гор появилась свер­кающая поверхность воды. Когда Вуд поднимал глаза на дюйм или два над уровнем песка, «озеро» исчезало и опять появлялось, как только взгляд приближался к поверхности «пустыни». Точно также пове­дет себя настоящий мираж, если подниматься на холм. По мере нагревания песка «озеро» увеличивалось, и в нем появлялось отражение гор, а ког­да исследователь опускал глаза еще ниже, подножье гор исчеза­ло в кажущемся озере, как при гигантском наводнении.

2.2 Моделирование миражей в лаборатории

 Опыт №1 Отражение от нагретой воды 

Металлическую банку с черными стенками располагаем в сосуде с белым дном, который заполнен холодной водой. Быстро наполнив банку кипящей водой, получаем снаружи банки градиент температуры. При взгляде сверху можно наблюдать мираж – стенки банки выглядят белыми.

Вывод: показатель преломления воды возрастает с температурой. У горячей поверхности банки температура воды много выше. Вот почему происходит   ис­кривление луча света, как при миражах в пустыне.

   Опыт № 2 Наблюдение миража в воздухе  

При помощи включенного электрического утюга полный мираж не удалось получить, но зато были видны основные его элементы. Если смотреть на окружающие предметы вдоль поверхности утюга, то видно, как дрожат и изгибаются формы. Круглый предмет становится более острым книзу.

 

 

3. Применение эффекта миража в технике

Почему мы так подробно остановились на моделирова­нии миражей? Прежде всею потому, что это явление кра­сивое. Но есть и другая причина. Большинство известных Вам оптических приборов основано на прямолинейном рас­пространении света. Но есть приборы, работа которых основана на криволинейном распространении света в среде с меняющимся показателем преломления.

Область их применения огромна. Через всю террито­рию нашей страны тянутся линии волоконно-оптической связи. Такая линия способна одновременно передавать тысячи телевизионных каналов. При разработке лазерных принтеров также использовалось явление полного внутреннего отражения света.

Сверхмощные лазеры способны разрушить оптическую систему, созданную из стеклянных линз. Такую систему можно заменить «газовыми линзами», то есть газообразной средой с переменным показателем преломления.

Ученые из Университета Далласа в Техасе недавно создали устройство, реализующее на практике сокрытие объектов. В данном случае речь идет об оптическом сокрытии, то есть эффект виден невооруженным глазом.

    В устройстве используется оригинальный принцип — эффект «миража», который проявляется на границе двух сред, имеющих разную плотность (как горячий и холодный воздух, горячая и холодная вода и т.д.). Благодаря теплопроводности нанотрубок это удалось реализовать на практике.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Физическая суть миража заключается в том, что нагретый слой воздуха, прилегающий к раскаленному песку пустыни, поверхности асфальта или морской воды, приобретает зеркальные свойство оттого, что этот слой воздуха имеет меньшую плотность, нежели вышележащие слои. Наклонный луч света от далеко расположенного предмета, достигнув этого воздушного слоя, искривляет в нем свой путь так, что в дальнейшем следовании он вновь удаляется от земли и попадает в глаз наблюдателя, словно отразившись от зеркала под очень большим углом падения. И наблюдателю кажется, что перед ним расстилается в пустыне водная гладь, отражающая прибрежные предметы.

Цель данной работы - изучение миражей: виды и характер, их возникновение, влияние на человека, моделирование и исследование миражей в условиях кабинета физики достигнута.          

Проведённые исследования помогли объяснить миражи, происходящие со светом на границе раздела оптически однородных сред и в слоисто-неоднородной среде, какой и является земная атмосфера.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

1. Булат В.Л. Оптические явления в природе. - М.: Просвещение, 1974.

2.Буховцев Б. Б. Физика 10. - М.: Просвещение, 1987.

3. Вуд Ф. Искусственные миражи // Журнал «Квант». 1971. № 10.

4. Гершензон Е.М., Малов Н.Н., Мансуров А.Н.  Курс общей физики. -  М.: Просвещение, 1987.

5. Глинская Е.А., Титова Б.В. Межпредметные связи в обучении. – Тула. 1980.

6. Королев Ф.А.  Курс физики. -  М., Просвещение 1988.

7. Майер В.В. Полное отражение света в простых опытах. - М.: Наука, 1986.

8. Майер В.В.. Простые опыты по криволинейному распространению света. – М.: Наука, 1984.

9. Майер В.В. Свет в оптически неоднородной среде: Учебные исследования. – М.: Физматлит, 2007.

10. Миннарт  М.Свет и цвет в природе. – М.: Наука, 1969.

 11. Л.Тарасов, Л.В.  Тарасова А.Н.. Беседы о преломлении света. - М.:  Наука, 1982.

Скачано с www.znanio.ru