DANE INFORMACYJNE (DO UZUPEŁNIENIA)‏

2. DANE INFORMACYJNE (DO UZUPEŁNIENIA)‏ • Nazwa szkoły: Zespół Szkół Technicznych im inż. Tadeusza Tańskiego • ID grupy: 97/23_mf_g1 Kompetencja: Matematyczno - Fizyczna • Temat projektowy: Zjawiska optyczne w atmosferze • Semestr/rok szkolny: Semestr pierwszy/rok szkolny2009/2010

3. Część Optyczna

4. Zjawiska Optyczne w przyrodzie Przyroda, która stworzyła najpiękniejsze góry świata nie poskąpiła nam też innych doznań, które nie istotne w zwykłej szarej codzienności. Cóż znaczy tęcza, albo zachód słońca nad wieżowcami, kto fascynuje się burzą stojąc w ulicznym korku, lub poranną rosą na osiedlowym trawniku? Na przykład w górach można spotęgować swoje doznania upajając się nie tylko pięknymi widokami, ale także niesamowitymi zjawiskami meteo na ich tle. W ścisłej łącznościz chmurami obserwowane są w atmosferze różne zjawiska optyczne (fotometeory). Zjawiska te nie mają znaczenia praktycznego, jednak dostarczają pewnych wiadomości o charakterze chmur,w których są obserwowane. Są one wywołane odbiciem, załamaniem, ugięciem i interferencją światła słonecznego lub księżycowego w chmurowych kropelkach wody lub kryształkach lodu. Niektóre z nich powtarzają się bardzo często, inne są wielką rzadkością i trzeba mieć dużo szczęścia, aby je zobaczyć.

5. Zjawisko Brockenu • Zjawisko Brockenu jest zjawiskiem świetlnym rzadko występującym w atmosferze ziemskiej. Powstaje w górach, przy niskim położeniu Słońca nad horyzontem, gdy powiększony do nadnaturalnej wielkości cień obserwatora pojawia się na rozpostartych wprost przed nim, albo niżej od niego chmurach warstwowych, zalegających w dolinach (tzw. morze chmur, morze mgieł). Inaczej mówiąc, obiekt znajdujący się pomiędzy Słońcem, a spełniającymi rolę potężnego ekranu chmurami, rzuca cień wnikający głęboko w chmury. Cień często otoczony jest barwną aureolą. Jeżeli w "widowisku" bierze udział kilka osób, to każda z nich widzi jedynie swoją aureolę. Nazwa zjawiska pochodzi od wzniesienia Brocken (1142 m) w górach Harz (Niemcy), gdzie zaobserwowano je po raz pierwszy.

6. Słup Świetlny • Słup słoneczny - zjawisko optyczne w atmosferze polegające na ukazaniu się kolumny świetlnej. Zjawisko powstaje w wyniku odbicia światła nisko położonego Słońca lub innego źródła światła na powierzchni uporządkowanych swobodnym opadaniem kryształów płatkowych lodu. Jeśli powstanie to najłatwiej jest go zaobserwować tuż przed wschodem Słońca lub tuż po jego zachodzie. Przybiera wtedy formę świetlnej kolumny, na ogół zabarwionej czerwonawo, przemieszczającej się wraz z ruchem Słońca pod horyzontem. Gdy Słońce jest ponad horyzontem często mogą towarzyszyć mu także parhelia.

7. Iryzacja • Iryzacja, to tęczowe barwy powstające czasem na powierzchni przezroczystych ciał w wyniku interferencji światła (oświetlenia światłem białym, przez co uzyskuje się wygaszenie pewnych, oraz wzmocnienie innych barw. Obserwuje się je, jako mieniące się, tęczowe plamy barwne na wodzie. Układy barw przeważnie zielonych i różowych, często o odcieniach pastelowych, są obserwowane na chmurach.

8. Wieniec • . Wieniec. • Wieniec jest to jedna lub kilka (rzadko więcej niż trzy) serii barw pierścieni o stosunkowo małym promieniu, otaczających bezpośrednio tarczę ciała niebieskiego (lub sztucznego źródła światła). W każdej serii pierścień wewnętrzny jest fioletowy lub niebieski, a pierścień zewnętrzny - czerwony; między nimi mogą występować inne barwy. Najbardziej wewnętrzna seria, mająca promień na ogół nie większy niż 5 stopni i nosząca nazwę aureoli, wykazuje zwykle wyraźny pierścień zewnętrzny o czerwonawej lub kasztanowej barwie.

9. Tęcza • Tęcza jest jednym z efektowniejszych zjawisk optycznych w atmosferze. Jest to układ koncentrycznych łuków o barwach od fioletowej do czerwonej, wywołanych przez światło Słońca lub Księżyca, padające na zespół kropel wody w atmosferze (krople deszczu, mżawki lub mgły).

10. Powstawanietęczy • W tęczy głównej barwa fioletowa występuje po wewnętrznejstronie, a barwa czerwona po zewnętrznej stronie. W tęczy wtórnej, o znacznie mniejszej jasności od tęczy głównej, czerwona barwa jest od wewnątrz, a fioletowa na zewnątrz. Zjawisko powstajena skutek rozszczepienia światła białego i odbicia go wewnątrz kropel deszczu. Łuk pierwszy to wynik jednokrotnego, a drugi dwukrotnego odbicia rozszczepionego światła wewnątrz kropli (stąd odwrócona kolejność barw i mniejsze natężenie światła). Tęczę obserwuje się na tle chmur, z których pada deszcz, znajdujących się po przeciwnej stronie nieba niż Słońce (zjawisko obserwowano również przy świetle Księżyca). Warunki, przy których obserwuje się typową tęczę mają przeważnie miejsce w przypadku chmur kłębiastych deszczowych.

11. Tęcza wtórna Czasami można zaobserwować drugą mniej jasną tęczę, znajdującą się na zewnątrz tęczy właściwej. Tęcza wtórna tworzy łuk o kącie widzenia 50-53° i powstaje w wyniku dwukrotnego odbicia światła wewnątrz kropli wody. Ponieważ odbicie zachodzi dwukrotnie, a różnice w kącie rozproszenia światła w zależności od miejsca padania światła na kroplę są większe, tęcza wtórna jest mniej intensywna i szersza od tęczy pierwotnej.

12. Tęcza zerowa Światło wychodzące z tylnej części kropli powoduje powstawanie efektów świetlnych i zgodnie z numeracją efekty te powinny być nazywane przez fizyków tęczą zerową. Światło wychodząc z tyłu kropli też ulega załamaniu, ale pod mniejszym kątem i nie obserwuje się wyraźnego maksimum natężenia dla wybranej fali w jakimś kierunku. Kolory z różnych kropel ulegają ponownemu połączeniu i obserwator nie jest w stanie dostrzec efektu rozszczepienia.

13. Tęcze wielokrotne Czasami występują przepiękne zjawiska tęczowe składające się z szeregu mniej widocznych łuków znajdujących się wewnątrz tęczy właściwej, a bardzo rzadko również i na zewnątrz łuku tęczy wtórnej. W łukach tych kolory są położone blisko siebie, tak że trudno w nich rozróżnić pełną gamę kolorów tęczy. Tęcze takie noszą nazwę wielokrotnych, a ich występowanie nie jest możliwe do wytłumaczenia przy użyciu optyki geometrycznej układu optycznego jakim jest kropla wody. Tęcze takie tworzą się w wyniku interferencji promieni światła załamanych pod mniejszym kątem, bo padły bliżej środka kropli, oraz promieni z maksimum, które uległy dyfrakcji (teoria Airy'ego). Gdy te dwa promienie po wyjściu z kropli będą w fazie fali, wzajemnie wzmocnią się (powstaną jaśniejsze kręgi), gdy fale będą miały przeciwne fazy, wytłumią się (kręgi ciemniejsze). Warunki fazowe zależą od długości fali, dlatego kręgi są kolorowe.

14. Halo • Halo jest jednym z ciekawszych zjawisk świetlnych (optycznych) na niebie i powstaje na skutek załamania światła w chmurze zawierającej kryształki lodu. Występuje, jako barwny, biały lub w przeważającej części biały, świetlisty pierścień, w którego środku znajduje się tarcza Słońca lub Księżyca. Krąg ten ma zwykle słabo widoczne zabarwienie czerwone od wewnątrz i w rzadkich przypadkach fioletowe na zewnątrz. Część nieba wewnątrz kręgu jest wyraźnie ciemniejsza niż na zewnątrz

15. Miraż pustynny „Fatamorgana ” Miraż, fatamorgana – zjawisko powstania pozornego obrazu odległego przedmiotu w wyniku różnych współczynników załamania światła w warstwach powietrza o różnej temperaturze, a co za tym idzie, gęstości. Początkowo fatamorganą nazywano miraże pojawiające się w Cieśninie Mesyńskiej, gdzie są one najefektowniejsze. W Polsce pojawiają się na Pustyni Błędowskiej oraz na Wyżynie Śląskiej. Miraże dzielą się na 2 rodzaje – miraż dolny i górny.

16. Miraż dolny • Miraż dolny obserwuje się pod horyzontem. Decydującym czynnikiem warunkującym jego powstawanie jest dostatecznie silne nagrzanie dużej powierzchni podłoża (np. piasku na pustyni, asfaltowej szosy, ściany dużego budynku itp.). Promienie świetlne są wówczas zakrzywiane w górę, ku chłodniejszemu, a więc gęstszemu powietrzu. Sytuacja taka ma na przykład miejsce na obszarach pustynnych, gdzie pod wieczór piasek oddaje swe ciepło, ogrzewając warstwę powietrza tuż nad swoją powierzchnią, podczas gdy wyższa warstwa jest już chłodna. Zakrzywione promienie docierają do oka obserwatora pozornie z innego kierunku co wywołuje powstanie obrazu zwierciadlanego.

17. Miraż górny • Miraż górny to zjawisko załamania występujące wielokrotnie w kolejnych warstwach powietrza, powodujące że światło rozchodzi się po linii krzywej. Jeżeli obserwator znajdzie się w miejscu, gdzie dochodzi światło odbite od statku, to na przedłużeniu promieni wpadających do jego oka, zobaczy prosty obraz statku na tle nieba.

18. Powstawanie Mirazu • Potoczną nazwą tego zjawiska jest “fata-morgana” i kojarzy się najczęściej z widocznym na pustyni jeziorem otoczonym palmami. Jak zachodzi to zjawisko ? Podstawą jest różnica temperatur przy powierzchni Ziemi. W dzień piasek na pustyni nagrzewa się bardziej niż powietrz i w efekcie po nadejściu wieczoru ogrzewa on najbliższą warstwę powietrza. Powstaje “warstwowy układ temperatury” – przy Ziemi najcieplej, a kilka metrów wyżej jest już ono dużo chłodniejsze. Promień światła przechodzący nad powierzchnią zostaje zagięty w górę, w kierunku chłodniejszego ( gęstszego ) powietrza.

19. Zorza polarna • Jest ona jednym z najpiękniejszych zjawisk optycznych zachodzących w przyrodzie. W większości przypadków zorze polarne mają odcień zielony lub niebieskozielony. Występują w postaci wstęg (intensywne) lub plam (mniej intensywne) podobnych do obłoków

20. Powstawanie zorzy polarnej Powstawanie zjawiska związane jest z przepływem prądu w jonosferze na wysokości około 100 km ponad powierzchnią Ziemi w obszarze przenikania pasów radiacyjnych i atmosfery ziemskiej. Podczas rozbłysków Słońce emituje protony o energiach do 1 GeV oraz elektrony o kilka rzędów wielkości mniejszej energii, co wynika z mniejszej masy spoczynkowej tych cząstek. Cząstki te są w większości odchylane przez ziemskie pole magnetyczne. Pułapkowane przez ziemską magnetosferę poruszają się po torze helisy wzdłuż linii pola magnetycznego łączących obydwa ziemskie bieguny magnetyczne powodując wzbudzenia atomów w obszarze polarnym, a skutkiem tego świecenie zorzowe. Atmosfera na dużych wysokościach jest zjonizowana i rozrzedzona, co jest przyczyną także emisji linii wzbronionych. Świecenie zorzowe tworzy ponad 270 linii emisyjnych, głównie tlenu i azotu.

21. Zaćmienie słońca i księżyca.

22. Powstawanie zaćmienia Słońca • Zaćmienia Słońca, zwłaszcza całkowite, są jednymi z najciekawszych zjawisk jakie można obserwować na ziemskim niebie. Dochodzi do nich, gdy Księżyc poruszający się po orbicie wokół Ziemi znajdzie się pomiędzy Słońcem a Ziemią. W zależności od rozmiarów kątowych oraz wzajemnego położenia tarczy Słońca i Księżyca w momencie zaćmienia wyróżnia się zaćmienia częściowe, całkowite i obrączkowe.

23. Powstawanie Zaćmienia Księżyca • Zaćmienia Księżyca również są bardzo efektownymi zjawiskami astronomicznymi. Dochodzi do nich, gdy Ziemia znajdzie się pomiędzy Słońcem a Księżycem przesłaniając promienie słoneczne padające na Księżyc. W zależności od tego jaki fragment tarczy Księżyca znajdzie się w cieniu lub półcieniu Ziemi wyróżnia się zaćmienia częściowe, całkowite i półcieniowe. Zaćmienia Księżyca mogą być częściej obserwowane od zaćmień Słońca, ponieważ widać je z północnej półkuli Ziemi.

24. Zjawisko Cienia i pół cienia Światło rozchodzi się po linii prostej, więc gdy napotka przeszkodę o rozmiarach podobnych z długością fali λ , to z tyłu za nią pojawi się cień. Jeżeli źródło światła jest punktowe to utworzy się cień pełny, a jeżeli źródło światła będzie miało duże rozmiary liniowe, to z tyłu przedmiotu utworzą się obszary cienia i półcienia.

25. Zadanie • Treść:Jeżeli współczynnik załamania szkła względem próżni wynosi 3/2, a wody względem próżni 4/3, to ile wynosi współczynnik załamania wody względem szkła? • Dane: Szukane: Wzory: • nsz = 3/2 nw/sz = ? • nw = 4/3

26. Rozwiązanie zadania • Po podstawieniu danych otrzymujemy: • Współczynnik załamania wody względem szkła wynosi nw/sz=8/9. Zauważ, że współczynnik np dla próżni wynosi 1, stąd współczynnik załamania szkła względem próżni: • Podobnie współczynnik załamania wody względem próżni:

27. Część Fizyczna

28. Jednostka miary • wielkości fizycznej lub umownej – określona miara danej wielkości służąca za miarę podstawową, czyli wzorzec do ilościowego wyrażania innych miar danej wielkości metodą porównania tych miar, za pomocą liczb. Wartość liczbową takiej miary wzorcowej przyjmuje się umownie (w danym układzie jednostek miar), jako równą jedności, stąd jej nazwa – jednostka miary. Konkretne wartości wielkości można przedstawiać zarówno wielokrotnościami, jak i ułamkami jednostek, a same wartości, o ile to możliwe, mogą być zarówno dodatnie, jak i ujemne.

29. Dobór jednostek miary Dzięki pojęciu jednostki miary, można precyzyjnie i jednoznacznie określać proporcje pomiędzy wieloma różnymi wartościami danej wielkości, a przez to równie precyzyjnie i jednoznacznie określać również wszelkie inne relacje pomiędzy tymi wartościami. Jednak aby porównywanie to było nie tylko możliwe, ale również wygodne, to dla jednostki przyjmuje się taką wartość miary, aby w możliwie prosty i obrazowy sposób umożliwiała ona określanie pozostałych wartości danej wielkości, a jednocześnie umożliwiała wykonywanie obliczeń matematycznych w oparciu o najprostsze zapisy liczbowe. I tak, w zależności od charakteru opisywanych wielkości, dąży się do tego, by ilość jednostek dla najbardziej typowych (najczęściej stosowanych) wartości była wyrażana: dla przedziałów nieskończonych – liczbami niezbyt dużymi i niezbyt małymi (np. wielkości fizyczne) dla zbiorów – kolejnymi liczbami naturalnymi dla przedziałów zamkniętych – liczbami od zera do jedności

32. Pole powierzchni miara, przyporządkowująca danej figurze nieujemną liczbę w pewnym sensie charakteryzującą jej rozmiar. Pokrywamy całą płaszczyznę, na której znajduje się dana figura, siatką przylegających kwadratów o bokach a1. Liczbę kwadratów mających choćby jeden punkt wspólny z figurą, której powierzchnię mierzymy, oznaczamy przez n1. Tworząc rozmaite siatki kwadratów o coraz mniejszych bokach a1>a2>a3

33. Stosowanie funkcji trygonometrycznych Akustyka (analiza harmoniczna) Architektura, mechanika (zastosowanie do elementów Δ) Astronomia, nawigacja, kartografia, oceanografia (trygonometria sferyczna stosowana do powierzchni Ziemi) Chemia i krystalografia (obliczanie odległości pomiędzy atomami w krysztale) Ekonomia (analiza rynków finansowych) probabilistyka, statystyka. meteorologia (analiza harmoniczna szeregów czasowych) Elektryka i elektronika: np. przebiegi sinusoidalne prądu zmiennego. Fizyka: np. ruch harmoniczny, prawo załamania światła. Fonetyka, analiza języka naturalnego: analiza harmoniczna głosek. geodezja, inżynieria lądowa: w szczególności niwelacja.

34. Prawo Snellius’a Prawo Snellius’a (załamania, refrakcji, Snella) – prawo fizyki opisujące zmianę kierunku biegu promienia światła przy przejściu przez granicę między dwoma ośrodkami przeźroczystymi o różnych współczynnikach załamania. Prawo znane jest jako prawo Snella (holenderski astronom i matematyk), który jako pierwszy opublikował poprawne rozumowanie dotyczące zagadnienia w roku 1621.

35. Odbicie fali Zmiana kierunku rozchodzenia się fali na granicy dwóch ośrodków powodująca, że pozostaje ona w ośrodku, w którym się rozchodzi. Odbicie może dawać obraz lustrzany lub być rozmyte, zachowując tylko właściwości fali, ale nie dokładny obraz jej źródła.

36. Kąt padania- to kąt między promieniem padającym a normalną do powierzchni (osią prostopadłą do powierzchni) Kąt odbicia- to kąt między promieniem odbitym a normalną do powierzchni (osią prostopadłą do powierzchni)

37. Prawo odbicia Kąt odbicia jest równy kątowi padania, a promień padający, promień odbity i normalna do powierzchni odbicia leżą w jednej płaszczyźnie. W wyniku odbicia zmienia się tylko kierunek rozchodzenia się fali, nie zmienia się jej długość.

38. Soczewka Proste urządzenie optyczne składające się z jednego lub kilku sklejonych razem bloków przezroczystego materiału (zwykle szkła, ale też różnych tworzyw sztucznych, żeli, minerałów, a nawet parafiny ). Istotą soczewki jest to, że przynajmniej jedna z jej powierzchni roboczych jest zakrzywiona, np. jest wycinkiem sfery, innej obrotowej krzywej stożkowej jak parabola, hiperbola lub elipsa, albo walca.

39. Rodzaje Soczewek sferycznych

40. Soczewki są stosowane w wielu przyrządach optycznych do tworzenia obrazu lub kształtowania wiązki światła: mikroskopach lunetach lornetkach lupach okularach leczniczych soczewkach kontaktowych spektrofotometrach aparatach fotograficznych kamerach filmowych druku soczewkowym świetlnych semaforach kolejowych

41. Istnieją również soczewki cylindryczne… będące wycinkiem walca (np. jako lupy w termometrach oraz do czytania, szkła korygujące wady wzroku) Szczególnym rodzajem soczewki jest soczewka Fresnela. Stosowana jest w reflektorach i latarniach morskich, reflektorach samochodowych, rzutnikach pism oraz w sygnalizatorach kolejowych.