Ответьте на вопросы, страница 101 - 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. Его возникновение связано с преломлением света в неоднородно нагретых слоях воздуха.

В жаркий день асфальт сильно нагревается от солнечных лучей и, в свою очередь, нагревает прилегающий к нему слой воздуха. Вышележащие слои воздуха остаются более холодными. Плотность горячего воздуха меньше плотности холодного, а показатель преломления света напрямую зависит от плотности среды: чем меньше плотность, тем меньше показатель преломления. Таким образом, у самой поверхности асфальта образуется слой воздуха с меньшим показателем преломления ($n_{горячий}$) по сравнению с более высокими и холодными слоями ($n_{холодный}$), то есть $n_{горячий} < n_{холодный}$.

Лучи света от удаленных объектов или от неба, идущие к наблюдателю под малым углом к горизонту, проходят через эти слои воздуха. При переходе из более плотного (холодного) слоя в менее плотный (горячий) свет преломляется, изгибая свою траекторию вверх. Когда угол падения луча на границу между слоями превышает некоторый критический угол, происходит явление полного внутреннего отражения. Свет как бы отражается от невидимой границы между слоями воздуха и устремляется вверх, попадая в глаза водителю.

Мозг человека интерпретирует эти пришедшие снизу лучи так, как будто они отразились от зеркальной поверхности, например, от поверхности воды. Поэтому водителю кажется, что он видит на асфальте лужу, в которой отражается небо. При приближении к месту предполагаемой «лужи» угол зрения меняется, и условия для полного внутреннего отражения перестают выполняться, поэтому мираж исчезает.

Ответ: «Лужи» на асфальте — это нижний мираж, возникающий из-за полного внутреннего отражения света от перегретого и менее плотного слоя воздуха у поверхности дороги. Наблюдателю кажется, что он видит отражение неба в воде.

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

Это явление также объясняется преломлением света и полным внутренним отражением на границе двух сред: воды и воздуха.

Когда пловец смотрит прямо под собой, лучи света от дна идут к поверхности воды почти перпендикулярно. Проходя из воды (оптически более плотная среда с показателем преломления $n_{воды} \approx 1,33$) в воздух (оптически менее плотная среда с показателем преломления $n_{воздуха} \approx 1,0$), эти лучи незначительно преломляются и достигают глаз наблюдателя. Поэтому дно под ногами хорошо видно (хотя и кажется ближе, чем на самом деле).

Когда пловец пытается разглядеть дно на некотором расстоянии от себя, лучи света от дна подходят к поверхности воды под всё большим углом падения $\alpha$. Согласно закону преломления света (закону Снеллиуса), $n_{воды} \sin \alpha = n_{воздуха} \sin \beta$, где $\beta$ — угол преломления. Поскольку $n_{воды} > n_{воздуха}$, луч света, выходя в воздух, отклоняется от перпендикуляра к поверхности.

Существует предельный (критический) угол падения $\alpha_{кр}$, при котором угол преломления $\beta$ становится равным $90°$. Для этого угла выполняется соотношение: $\sin \alpha_{кр} = \frac{n_{воздуха}}{n_{воды}}$. Для границы вода-воздух критический угол составляет примерно $48,8°$.

Если луч света от удаленного участка дна падает на поверхность воды под углом, превышающим критический ($\alpha > \alpha_{кр}$), он не выходит в воздух, а полностью отражается обратно в воду. Это явление называется полным внутренним отражением. В результате свет от удаленных участков дна просто не доходит до глаз пловца. Вместо дна он видит зеркальное отражение неба и объектов, находящихся над водой.

Ответ: Пловец не видит дно на расстоянии из-за явления полного внутреннего отражения света на границе вода-воздух. Лучи света от удаленных участков дна падают на поверхность под углом, большим критического, и отражаются обратно в воду, не достигая глаз наблюдателя.