Номер 5.17, страница 29 - гдз по физике 9 класс задачник Артеменков, Ломаченков

V. Геометрическая оптика - номер 5.17, страница 29.

Условие.

5.17 Очень часто люди, находясь в пустыне, видят несуществующие водоёмы или, находясь за рулём автомобиля, видят несуществующие лужи, так называемые миражи. Объясните, как образуются миражи, какую роль здесь играет явление преломления света. Имеется ли противоречие с законом прямолинейного распространения света? Ответ поясните.

Решение.

Объясните, как образуются миражи, какую роль здесь играет явление преломления света.

Миражи, такие как иллюзия водоёма в пустыне или лужи на горячем асфальте, являются оптическим явлением, в основе которого лежит преломление света в неоднородной среде. Этот тип миража называется нижним миражом и образуется следующим образом:

1. В жаркий солнечный день поверхность земли или асфальта сильно нагревается. От неё нагреваются и самые нижние слои воздуха. Верхние слои остаются значительно холоднее.

2. Горячий воздух имеет меньшую плотность, чем холодный. Показатель преломления света $n$ в воздухе напрямую зависит от его плотности: чем меньше плотность, тем меньше и показатель преломления. Таким образом, у самой поверхности земли образуется слой воздуха с наименьшим показателем преломления, который плавно возрастает с высотой.

3. Световые лучи от удалённых объектов (например, от голубого неба), идущие к наблюдателю под малым углом к горизонту, проходят через эти слои воздуха. При переходе из более плотного оптического слоя (холодного) в менее плотный (горячий) свет преломляется. Поскольку показатель преломления меняется плавно, траектория луча не ломается, а плавно изгибается, поворачивая вверх. При определённых углах может произойти явление полного внутреннего отражения.

4. Изогнутый таким образом луч света попадает в глаз наблюдателя. Наш мозг устроен так, что он воспринимает пришедшие лучи света как распространявшиеся по прямой. Он мысленно продолжает траекторию луча по касательной в обратном направлении и формирует мнимое изображение объекта (неба) ниже его реального положения — на поверхности земли. Голубое небо, "отражённое" от земли, создаёт полную иллюзию воды.

Следовательно, явление преломления света в оптически неоднородной среде (неравномерно нагретом воздухе) играет ключевую, основополагающую роль в формировании миражей.

Ответ: Миражи образуются из-за искривления световых лучей при их прохождении через слои воздуха с разной температурой и, как следствие, разным показателем преломления. Главную роль в этом процессе играет явление преломления света. Мозг воспринимает изогнутые лучи как прямые, что приводит к возникновению мнимого изображения объекта (например, неба на земле), которое выглядит как водная гладь.

Имеется ли противоречие с законом прямолинейного распространения света? Ответ поясните.

Противоречия с законом прямолинейного распространения света здесь нет. Этот фундаментальный закон оптики справедлив для оптически однородной среды, то есть для среды, в которой показатель преломления одинаков во всех точках.

В ситуации с миражом воздух является оптически неоднородной средой, так как его показатель преломления меняется от точки к точке из-за разницы температур. В такой среде свет и не должен распространяться прямолинейно. Его траектория искривляется в полном соответствии с более общим законом преломления света (законом Снеллиуса), который описывает поведение света на границе двух сред. Неоднородную среду можно представить как совокупность бесконечного числа тонких слоёв с незначительно отличающимися показателями преломления. На границе каждого такого слоя происходит преломление, и в результате общая траектория луча становится кривой.

Ответ: Противоречия нет, так как закон прямолинейного распространения света применим только к оптически однородным средам. Воздух над нагретой поверхностью является оптически неоднородной средой, поэтому искривление световых лучей в нем является ожидаемым следствием явления преломления света.