במשך זמן רב, תעתועים, דמויות מרצדות באוויר, אנשים מבוהלים ומפוחדים. כיום, מדענים חשפו סודות רבים של הטבע, כולל תופעות אופטיות. הם לא מופתעים מתעלומות טבעיות, שמהותן נחקרה זמן רב. בתיכון כיום מלמדים תופעות אופטיות בפיזיקה בכיתה ח', כך שכל תלמיד יכול להבין את טבען.
מושגים בסיסיים
מדענים מהעת העתיקה האמינו שהעין האנושית רואה על ידי מישוש חפצים בעלי המחושים הדקים ביותר. אופטיקה באותה תקופה הייתה חקר הראייה.
בימי הביניים, אופטיקה חקרה את האור ומהותו.
היום, אופטיקה היא חלק מהפיזיקה החוקרת את התפשטות האור באמצעות מדיות שונות ואת האינטראקציה שלו עם חומרים אחרים. כל הנושאים הקשורים לראייה נלמדים על ידי אופטיקה פיזיולוגית.
תופעות אופטיות הן ביטויים של פעולות מגוונות המבוצעות על ידי קרני אור. הם נחקרים על ידי אופטיקה אטמוספרית.
תהליכים חריגים באווירה
כוכב הלכת מוקף במעטפת גז הנקראת האטמוספרה. עוביו הוא מאות קילומטרים. קרוב יותר לכדור הארץ, האטמוספירה צפופה יותר, בכיווןכלפי מעלה הוא דליל. התכונות הפיזיקליות של מעטפת האטמוספירה משתנות ללא הרף, השכבות מעורבות. שנה טמפרטורות. צפיפות, שינוי שקיפות.
קרני האור עוברות מהשמש ומגופים שמימיים אחרים לעבר כדור הארץ. הם עוברים דרך האטמוספירה של כדור הארץ, המשמשת עבורם מערכת אופטית ספציפית, ומשנה את מאפייניה. קרני האור מחזירות, מתפזרות, עוברות באטמוספירה, מאירות את כדור הארץ. בתנאים מסוימים, נתיב הקרניים כפוף, ולכן מתרחשות תופעות שונות. פיזיקאים מחשיבים את התופעות האופטיות המקוריות ביותר:
- sunshine sunset;
- הופעה של הקשת;
- אורות צפוני;
- mirage;
- halo.
בואו נסתכל עליהם מקרוב.
Halo around the Sun
עצם המילה "הילה" ביוונית פירושה "מעגל". איזו תופעה אופטית עומדת בבסיסה?
הילה הוא תהליך השבירה וההחזרה של קרניים המתרחשים בגבישי עננים גבוהים באטמוספירה. התופעה נראית כמו קרניים זוהרות ליד השמש, מוגבלת במרווח כהה. הילות נוצרות בדרך כלל לפני ציקלונים ועשויות להיות מבשריהן.
טיפות המים קופאות באוויר ומקבלות את הצורה הפריזמטית הנכונה עם שישה צדדים. כולם מכירים את נטיפי הקרח המופיעים בשכבות האטמוספירה התחתונות. בחלק העליון, מחטי קרח כאלה נופלות בחופשיות בכיוון אנכי. גושי קרח גבישיים מסתובבים, יורדים אל הקרקע, בעוד שיש להם סידור מקביל לאורךביחס לכדור הארץ. אדם מכוון את הראייה דרך גבישים, הפועלים כעדשות ושוברים אור.
פריזמות אחרות שטוחות או נראות כמו כוכבים עם שש קרניים. קרני אור הנופלות על גבישים עשויות שלא לעבור שבירה או לחוות מספר תהליכים אחרים. לעתים נדירות קורה שכל התהליכים נראים בבירור, בדרך כלל חלק כזה או אחר של התופעה מופיע בצורה ברורה יותר, בעוד שאחרים מיוצגים בצורה גרועה.
הילה קטנה היא עיגול סביב השמש ברדיוס של כ-22 מעלות. צבע המעגל אדמדם מבפנים, ואז זורם לצהוב, לבן ומתערבב עם השמים הכחולים. האזור הפנימי של המעגל כהה. הוא נוצר כתוצאה משבירה של אור במחטי קרח שעפות באוויר. הקרניים במנסרות מוסטות בזווית של 22 מעלות, כך שאלו שעברו דרך הגבישים נראות למתבונן מוסטות ב-22 מעלות. לכן, הפנים נראה כהה.
הצבע האדום נשבר פחות, מראה את הסטייה הכי פחות מהשמש. הבא הוא צהוב. שאר הקרניים מתערבבות ונראות לבנות.
יש הילה של 46 מעלות סביב הילה של 22 מעלות. גם האזור הפנימי שלו אדמדם מכיוון שאור נשבר במחטי קרח בגובה 90 מעלות מול השמש.
הילה של 90 מעלות ידועה גם היא, היא זוהרת חלשה, כמעט ואין לה צבע או שהיא בצבע אדום מבחוץ. מדענים עדיין לא חקרו לגמרי את המגוון הזה.
הילה מסביב לירחומינים אחרים
תופעה אופטית זו נראית לעתים קרובות כאשר יש עננים קלים והרבה גושי קרח מיניאטוריים בשמים. כל גביש כזה הוא סוג של פריזמה. בעיקרון, צורתם היא משושים מוארכים. האור נכנס לאזור הגבישי הקדמי וביציאה מהחלק הנגדי, נשבר ב-22 מעלות.
בחורף ניתן לראות הילה באוויר הקר ליד פנסי הרחוב. זה נראה מאור פנס.
הילה סביב השמש יכולה להיווצר גם באוויר מושלג כפור. פתיתי שלג באוויר, אור עובר דרך העננים. בשקיעה בערב, האור הזה הופך לאדום. במאות האחרונות אנשים בעלי אמונות טפלות נחרדו מתופעות כאלה.
הילה עשויה להיראות כמו עיגול בצבע קשת סביב השמש. זה נראה אם יש הרבה גבישים עם שישה פנים באטמוספירה, אבל הם לא משקפים, אלא שוברים את קרני השמש. רוב הקרניים מפוזרות, לא מגיעות לעינינו. שאר הקרניים מגיעות לעין האנושית, ואנו מבחינים במעגל ססגוני סביב השמש. הרדיוס שלו הוא בערך 22 מעלות או 46 מעלות.
שמש כוזבת
מדענים ציינו שעיגול ההילה תמיד בהיר יותר בצדדים. זה מוסבר על ידי העובדה שהילות אנכיות ואופקיות נפגשים כאן. שמשות שווא עשויות להופיע בצמתים שלהן. זה קורה לעתים קרובות במיוחד כאשר השמש קרובה לאופק, אז אנחנו כבר לא יכולים לראות חלק מהמעגל האנכי.
שמש השקר היא גם תופעה אופטית, מעין הילה. זה מופיע בגללגבישי קרח עם שישה פנים, בצורת מסמרים. גבישים כאלה מרחפים באטמוספירה בכיוון אנכי, האור נשבר בפניהם הצדדיים.
"שמש" שלישית יכולה להיווצר גם אם רק חלק פני השטח של מעגל ההילה נראה מעל השמש האמיתית. זה יכול להיות קטע של קשת או נקודה זוהרת של צורה לא מובנת. לפעמים שמשות שווא כל כך בהירות עד שלא ניתן להבחין ביניהן מהשמש האמיתית.
Rainbow
זוהי תופעה אופטית אטמוספרית בצורת עיגול לא שלם עם צבעים שונים.
דתות העת העתיקה החשיבו את הקשת כגשר משמים לארץ. אריסטו האמין שהקשת מופיעה בשל השתקפותן של טיפות אור השמש. איזו תופעה אופטית עדיין יכולה לרצות אדם כמו קשת בענן?
במאה ה-17, דקארט חקר את טבעה של הקשת. מאוחר יותר, ניוטון התנסה באור והשלים את התיאוריה של דקארט, אך לא הצליח להבין את היווצרותן של כמה קשתות בענן, את היעדר גווני צבע בודדים בהן.
התיאוריה השלמה של הקשת הוצגה במאה ה-19 על ידי אסטרונום מאנגליה, D. Erie. הוא זה שהצליח לחשוף את כל תהליכי הקשת בענן. התיאוריה שפיתח מקובלת עד היום.
קשת מופיעה כאשר אור השמש פוגע בווילון של מי גשמים באזור השמים שממול לשמש. מרכז הקשת ממוקם בנקודה בצד הרחוק של השמש, כלומר, הוא אינו נראה לעין האנושית. קשת הקשת היא החלק של המעגל שמסביב לנקודה מרכזית זו.
הצבעים בקשת ממוקמים בסדר מסוים. הוא קבוע.אדום נמצא בקצה העליון, סגול בתחתית. ביניהם, הצבעים הולכים בסידור קפדני. הקשת אינה מכילה את כל הצבעים הקיימים. הדומיננטיות של הירוק מעידה על המעבר למזג אוויר נוח.
Aurora Borealis
זהו זוהר בשכבות המגנטיות העליונות של האטמוספירה עקב ההשפעה ההדדית של אטומים ואלמנטים של רוח השמש. אורורה היא בדרך כלל ירוקה או כחולה עם רמזים של ורוד ואדום. הם עשויים להיות בצורת סרט או כתם. התפרצויות שלהם מלווים לעתים קרובות בצלילים רועשים.
Mirage
הטעיות תעתועים פשוטות מוכרות לכל אדם. לדוגמה, בנסיעה על אספלט מחומם, תעתוע מופיע כמשטח מים. זה לא מפתיע אף אחד. איזו תופעה אופטית מסבירה את הופעתם של מיראז'ים? הבה נתעכב על סוגיה זו ביתר פירוט.
מיראז' היא תופעה פיזיקלית אופטית באטמוספירה, כתוצאה מכך העין רואה עצמים סמויים מהעין בתנאים רגילים. זה נובע משבירה של קרן האור כשהיא זורמת דרך שכבות האוויר. עצמים שנמצאים במרחק ניכר עשויים לעלות או ליפול ביחס למיקומם האמיתי, או להתעוות וללבוש צורות מוזרות.
Brocken Ghost
זוהי תופעה שבה, בשקיעה או בזריחה, צלו של אדם שנמצא בגובה מקבל פרופורציות בלתי מובנות, כשהוא נופל על עננים שנמצאים בקרבת מקום. זה מוסברהשתקפות ושבירה של קרני אור על ידי טיפות מים בתנאי ערפל. התופעה נקראה על שם אחד ממרומי הרי הרץ הגרמניים.
האש של סנט אלמו
אלו מברשות זוהרות בצבע כחול או סגול על התרנים של כלי ים. אורות יכולים להופיע בגבהים הרריים, על מבנים בגובה מרשים. תופעה זו מתרחשת עקב פריקות חשמליות בקצוות המוליכים בשל העובדה שהמתח החשמלי עולה.
אלו הן התופעות האופטיות הנחשבות בשיעורי כיתה ח'. בואו נדבר על מכשירים אופטיים.
עיצובים באופטיקה
מכשירים אופטיים הם מכשירים הממירים קרינת אור. בדרך כלל המכשירים האלה עובדים באור נראה.
ניתן לחלק את כל המכשירים האופטיים לשני סוגים:
- מכשירים שבהם התמונה מתקבלת על המסך. אלו הן מצלמות, מצלמות סרטים, מכשירי הקרנה.
- מכשירים המקיימים אינטראקציה עם העין האנושית, אך אינם יוצרים תמונות על המסך. זוהי זכוכית מגדלת, מיקרוסקופ, טלסקופים. מכשירים אלה נחשבים חזותיים.
מצלמה היא מכשיר אופטו-מכני המשמש להשגת תמונות של אובייקט על סרט. עיצוב המצלמה כולל מצלמה ועדשות היוצרות את העדשה. העדשה יוצרת תמונה מיניאטורית הפוכה של האובייקט שנלכד בסרט. זה נובע מפעולת האור.
תחילה התמונה אינה נראית, אך הודות לפתרון המתפתח היא הופכת לגלויה. תמונה זו נקראתשלילי, בו מקומות בהירים נראים כהים, ולהיפך. הפוך חיובי מהנגטיב על נייר רגיש לאור. באמצעות מגדיל תמונות, התמונה מוגדלת.
זכוכית מגדלת היא עדשה או מערכת עדשות שנועדה להגדיל עצמים תוך כדי התבוננות בהם. זכוכית המגדלת מונחת ליד העין, המרחק ממנו רואים את האובייקט בבירור נבחר. השימוש בזכוכית מגדלת מבוסס על הגדלת זווית הראייה ממנה רואים את האובייקט.
כדי לקבל הגדלה זוויתית יותר, השתמש במיקרוסקופ. במכשיר זה, הגדלה של עצמים מתרחשת עקב המערכת האופטית, המורכבת מעדשה ועינית. ראשית, זווית הראייה מוגברת על ידי העדשה, ולאחר מכן על ידי העינית.
לכן, שקלנו את התופעות וההתקנים האופטיים העיקריים, הזנים והתכונות שלהם.
