Ответьте на вопросы, страница 138 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Почему в жаркие летние дни водители на разогретом асфальте видят «лужи» воды, которые исчезают при приближении к ним?

2. Почему пловец видит дно водоема под ногами и не видит его на некотором расстоянии?

1. Почему в жаркие летние дни водители на разогретом асфальте видят «лужи» воды, которые исчезают при приближении к ним?

Это явление представляет собой оптическую иллюзию, называемую нижним миражом. Оно возникает из-за преломления света в неоднородных по температуре слоях воздуха.

В жаркий день асфальт сильно нагревается от солнца и, в свою очередь, нагревает прилегающий к нему слой воздуха. Вышерасположенные слои воздуха остаются более холодными. Плотность горячего воздуха меньше плотности холодного, а показатель преломления света ($\text{n}$) напрямую зависит от плотности среды. Чем меньше плотность, тем меньше показатель преломления. Таким образом, над раскаленным асфальтом образуется система слоев воздуха, показатель преломления которых увеличивается с высотой.

Лучи света от неба или далеких объектов, идущие к наблюдателю под малым углом к горизонту, попадают в эти неоднородные слои. Проходя из более плотных (холодных) верхних слоев в менее плотные (горячие) нижние, световые лучи искривляются, изгибаясь вверх. В результате лучи от неба, которые должны были бы уйти в землю, изгибаются и попадают в глаза водителю снизу, как будто они отразились от поверхности дороги.

Человеческий мозг не воспринимает искривление лучей и предполагает, что свет распространяется прямолинейно. Поэтому он интерпретирует пришедшие снизу лучи от голубого неба как его отражение в воде. Так на дороге возникает мнимое изображение неба, которое выглядит как блестящая лужа воды.

При приближении к «луже» угол зрения изменяется. Лучи света, формировавшие мираж на расстоянии, больше не попадают в глаза наблюдателю, и иллюзия исчезает. На ее месте водитель видит обычный сухой асфальт.

Ответ: «Лужи» на горячем асфальте — это оптический обман (мираж), возникающий из-за искривления лучей света от неба в неравномерно нагретых слоях воздуха над дорогой. Мозг воспринимает эти искривленные лучи как отражение неба от водной поверхности.

2. Почему пловец видит дно водоема под ногами и не видит его на некотором расстоянии?

Это явление объясняется законами преломления света и явлением полного внутреннего отражения на границе двух сред — воды и воздуха.

Чтобы пловец мог видеть дно, свет, отраженный от дна, должен пройти через толщу воды, выйти в воздух и попасть в глаза пловцу. Вода является оптически более плотной средой, чем воздух (показатель преломления воды $n_{воды} \approx 1.33$, а воздуха $n_{воздуха} \approx 1.0$).

Когда пловец смотрит прямо под собой, лучи света от дна падают на поверхность воды почти перпендикулярно. В этом случае они почти не преломляются и беспрепятственно выходят из воды в воздух, позволяя видеть дно.

Когда пловец пытается посмотреть на дно на некотором расстоянии от себя, лучи света от дна подходят к границе раздела вода-воздух под все большим углом падения ($\alpha$). При переходе из оптически более плотной среды в менее плотную существует критический угол падения, $\alpha_{кр}$. Если угол падения луча превышает этот критический угол, свет не преломляется и не выходит в воздух, а полностью отражается обратно в воду. Это явление называется полным внутренним отражением. Для границы вода-воздух критический угол рассчитывается по формуле $sin(\alpha_{кр}) = \frac{n_{воздуха}}{n_{воды}}$ и составляет примерно $48.6^\circ$.

Таким образом, лучи от удаленных участков дна падают на поверхность воды под углом, большим критического, и полностью отражаются. Они не достигают глаз пловца, и поэтому эти участки дна становятся невидимыми. Вместо дна пловец видит на поверхности воды отражение подводных объектов или неба.

Ответ: Свет от дна прямо под пловцом выходит из воды и попадает ему в глаза. Свет от удаленных участков дна падает на поверхность воды под слишком большим углом и испытывает полное внутреннее отражение, то есть отражается обратно в воду, не достигая глаз наблюдателя.