Задание(теоретическое исследование), страница 176, часть 1 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

Рассмотрите рефракцию света в атмосфере. Исследуйте причины возникновения миражей. Где их можно наблюдать? Результаты наблюдения и исследования оформите в виде реферата.

Рефракция света в атмосфере

Рефракция — это явление изменения направления распространения света при его переходе из одной среды в другую. Атмосфера Земли не является однородной средой: её плотность, температура и давление изменяются с высотой. Вследствие этого показатель преломления воздуха $n$ также не постоянен. В общем случае плотность воздуха, а с ней и показатель преломления, уменьшаются с увеличением высоты. Поэтому световые лучи, проходящие через атмосферу, искривляются. Это явление называется атмосферной рефракцией.

Проходя через слои воздуха с разной плотностью, световой луч от удаленного объекта (например, звезды) постоянно изгибается. В соответствии с законом Снеллиуса ($n_1 \sin \theta_1 = n_2 \sin \theta_2$), при переходе из менее плотной среды в более плотную (например, из космоса в атмосферу или из верхних слоев в нижние), луч отклоняется к перпендикуляру к границе раздела. В результате этого, для земного наблюдателя небесные светила кажутся расположенными выше, чем они находятся на самом деле. Например, из-за рефракции мы видим Солнце еще несколько минут после того, как оно фактически скрылось за горизонтом.

Ответ: Рефракция света в атмосфере — это искривление световых лучей из-за неоднородности атмосферы, в частности, из-за изменения плотности и показателя преломления воздуха с высотой. Это приводит к тому, что наблюдаемое положение астрономических объектов отличается от их истинного положения.

Причины возникновения миражей

Мираж — это оптическое явление, вызванное аномальной рефракцией света в атмосфере, при котором появляются мнимые изображения реально существующих удаленных объектов. Главной причиной возникновения миражей является наличие в атмосфере слоев воздуха с резко различающейся температурой и, как следствие, плотностью и показателем преломления.

Существует несколько типов миражей:

1. Нижний (инфернальный) мираж. Возникает над сильно нагретой поверхностью, например, над раскаленным асфальтом или песком в пустыне. Нижний слой воздуха оказывается очень горячим и менее плотным, чем вышележащие слои. Его показатель преломления $n$ меньше. Лучи света от неба или удаленных объектов, идущие под малым углом к поверхности, изгибаются вверх. Наблюдателю кажется, что эти лучи приходят от мнимого изображения, расположенного ниже объекта, часто создавая иллюзию «водной поверхности» на дороге или в пустыне, которая на самом деле является отражением неба.

2. Верхний (супериорный) мираж. Наблюдается в условиях температурной инверсии, когда холодный слой воздуха находится у поверхности (например, над холодной водой или ледяным покровом), а над ним расположен более теплый слой. В этом случае показатель преломления у поверхности выше. Лучи света от удаленного объекта (например, корабля) изгибаются вниз, следуя кривизне Земли. Это позволяет видеть объекты, находящиеся за линией горизонта. Изображение объекта может казаться висящим в воздухе, иногда в перевернутом виде.

3. Фата-моргана. Это сложный вид миража, состоящий из нескольких верхних и нижних миражей с быстро меняющимися и причудливо искаженными изображениями. Он возникает при наличии множества чередующихся тонких слоев воздуха с разной температурой, которые действуют как сложная система линз.

Ответ: Основная причина возникновения миражей — это искривление световых лучей в неоднородных по температуре и плотности слоях воздуха. Различают нижние миражи (над горячей поверхностью), верхние миражи (над холодной поверхностью при инверсии температуры) и сложные миражи, такие как фата-моргана.

Где их можно наблюдать?

Места наблюдения миражей напрямую связаны с условиями, необходимыми для их возникновения.

Нижние миражи наиболее часто можно наблюдать:

• В пустынях и степях в жаркую погоду, где песок или почва сильно нагреваются солнцем.
• На асфальтированных дорогах в солнечный летний день. Иллюзия «мокрой дороги» впереди — классический пример нижнего миража.
• Над любыми сильно нагретыми ровными поверхностями.

Верхние миражи, как правило, наблюдаются:

• В полярных регионах над обширными ледяными и снежными полями.
• Над поверхностью больших холодных водоемов (морей, озер) ранним утром, когда вода еще холоднее воздуха над ней.
• В открытом море, где они могут создавать иллюзию «парящих в воздухе» кораблей или островов.

Фата-моргана — явление более редкое и наблюдается в тех же регионах, что и верхние миражи, но при более сложных метеорологических условиях. Особенно известны этим явлением пролив Мессина между Италией и Сицилией, а также холодные прибрежные воды Калифорнии.

Ответ: Нижние миражи наблюдаются над горячими поверхностями (пустыни, асфальт). Верхние миражи — над холодными поверхностями (полярные льды, холодные моря). Сложные миражи, как фата-моргана, возникают в районах с подходящими условиями для верхних миражей, но при более сложной структуре атмосферы.