Главная страница «Первого сентября» • Главная страница журнала «Физика» • Содержание №2/2005
Оптические явления в природе

Читинский спецвыпуск

В.Ю.Проклова,
Многопрофильный лицей ЗабГПУ им. Н.Г.Чернышевского, г. Чита

Оптические явления в природе

Сценарий обобщающего заключительного занятия (ролевой игры). 9-й класс

Познавательная цель занятия: обобщить знания учащихся по оптическим явлениям посредством выявления физической сущности природных оптических явлений (радуга, гало, мираж, закат солнца).

Опорные знания: законы отражения, преломления, прямолинейного распространения света; понятие о дисперсии света, спектре, оптической плотности среды; явление полного внутреннего отражения.

Средства, дидактические материалы: плакаты с изображением схем явлений природы, репродукции картин А.К.Саврасова, А.И.Куинджи, И.А.Айвазовского, П.В.Кузнецова и др., изображения радуги, гало, миражей, заката солнца с web-сайтов, источник света, экран, пульверизатор (для демонстрации явления радуги).

Действующие лица:

Группа физиков,
специалисты по фольклору,
поэты,
писатели,
художники,
обыватели,
ведущий.

Подготовка к уроку. За 1–2 недели до урока учащиеся получают роли, задания и список литературы. Они должны подготовить доклады, аккуратно представить их на отдельных листах, чтобы после занятия оформить газету. Учитель проверяет и корректирует доклады, за 1–2 дня до урока вместе с учащимися пишет сценарий и проверяет готовность ребят. Отдельная группа готовит плакаты, подбирает репродукции, занимается другими оформительскими работами.

Сценарий занятия

Ведущий. С незапамятных времён живёт в человеке неистребимая потребность «вскрыть таинства природы». На сегодняшнем занятии и мы с помощью физических знаний попытаемся «раскрыть тайны» ряда оптических природных явлений, таких как радуга, гало, мираж, закат солнца.

Сценка 1. Радуга

Специалист по фольклору. Загадаю загадки, а вы отгадывайте.

Итак, радуга – тема нашей первой беседы. В русских летописях радуга называлась райской дугой, или, сокращённо, рай-дугой. В Древней Греции радугу олицетворяла богиня Ирида (гр. радуга.(греч.) и значит радуга). По представлениям древних греков, радуга соединяла небо и землю, а Ирида была посредником между богами и людьми. В русский язык вошли и другие слова с тем же греческим корнем: ирис, иризация, иридий и др.

Ведущий. Наверное, каждый из нас хотя бы однажды любовался радугой – этим красивым и загадочным природным явлением. Пронаблюдаем радугу (демонстрирует явление радуги с помощью пульверизатора). А как образуется радуга? Когда и как её можно увидеть? Какова физическая теория этого явления?

Физик. Я помогу ответить на эти вопросы. Радугу «делают» водяные капли: в небе – капли дождя, на земле – брызги от водяной струи, водопада, фонтана. Радугу могут сотворить и капли-росинки на траве. Именно в водяной капле происходят оптические явления, из-за которых возникает радуга: преломление света на границе воздух–вода по закону «отношение синуса угла падения к синусу угла отражения равно относительному показателю преломления»; отражение света на границе вода–воздух по закону «угол отражения равен углу падения луча»; дисперсия света, т.е. разложение белого света в спектр.

Условия возникновения радуги: наличие капель воды диаметром 0,08–0,20 мм; особое положение наблюдателя – спиной к солнцу, вне дождевой зоны, при высоте солнца над горизонтом не более 42°. Верхняя часть радуги всегда красного цвета, нижняя – фиолетового.

Историк. Понимание физической сущности явления появилось не сразу. Первая попытка объяснить радугу как естественное явление природы была сделана в 1611 г. архиепископом Антонио Доминисом. Его объяснение радуги противоречило библейскому, поэтому он был отлучён от церкви и казнён, а его рукописи сожжены. Научное объяснение радуги впервые дал Рене Декарт в 1637 г. на основании законов преломления и отражения солнечного света в каплях выпадающего дождя. В то время ещё не была открыта дисперсия – разложение белого света в спектр при преломлении, поэтому радуга Декарта была белой. Спустя 30 лет Исаак Ньютон, открывший дисперсию, дополнил теорию Декарта. Американский учёный А.Фрэзер так образно высказался по поводу теории Декарта–Ньютона: «Декарт повесил радугу в нужном месте на небосводе, а Ньютон расцветил её всеми красками спектра».

Обыватель. Я часто наблюдал радугу, и каждый раз одна была непохожа на другую: в ней присутствовали разные цвета. Сколько же цветов в радуге и какие они?

Историк. Ваш вопрос очень интересен. Я могу утверждать, что первоначально Ньютон различал в спектре только пять цветов. Но впоследствии, стремясь создать соответствие между числом цветов спектра и числом тонов музыкальной гаммы, Ньютон добавил ещё два цвета. Так обозначились известные всем семь цветов, которые легко запоминаются по считалке «каждый охотник желает знать, где сидит фазан». Что же касается радуги, то, как указывает Я.И.Перельман, здесь не может быть и речи о семи цветах, обычно мы различаем только три цвета: красный, зелёный, фиолетовый. Иногда едва различается жёлтый, в других случаях радуга представляет собой широкую белую полосу. Если же учитывать каждый едва поддающийся различению оттенок цвета, то в спектре, как показали опыты, можно насчитать свыше 150.

Физик. Хочу дополнить! В природе встречаются и белые радуги. Их называют туманными радугами, т.к. они возникают при освещении солнечными лучами слабого тумана, состоящего из капелек радиусом 0,025 мм и менее. Белую радугу можно увидеть, когда луч прожектора, расположенного сзади вас, освещает слабый туман перед вами. Даже уличный фонарь может создавать белую радугу, видимую на тёмном фоне ночного неба.

Художник. Хочу присоединиться к разговору о радуге и заметить, что это красивое природное явление не оставило равнодушными многих художников мира. Расскажу вам, например, об А.К.Саврасове и А.И.Куинджи (демонстрирует репродукции).
А.К.Саврасов наиболее известен как автор картины «Грачи прилетели». Её ошеломляющий успех на первой выставке передвижников сыграл с художником злую шутку, несправедливо затмив все остальные его работы. Однако картина «Радуга», написанная им в 1875 г., заслуживает сегодня нашего особого внимания.

Художник света – так называют Архипа Ивановича Куинджи, одного из самых необычных мастеров пейзажной живописи второй половины XIX в. Он создал особый тип романтического пейзажа. «...Иллюзия света, – писал Репин, – была его богом, и не было художника, равного ему в достижении этого чуда живописи». Мы можем это увидеть на картине «Радуга». Куинджи писал её 5 лет: с 1900-го по 1905 г.

Поэт. Я прочту вам строки Гёте, где хорошо передано ощущение радости, вызываемое радугой:

К тебе я, солнце, обращусь спиною;
На водопад сверкающий, могучий
Теперь смотрю я с радостью живою, –
Стремится он, дробящийся, гремучий,
На тысячи потоков разливаясь,
Бросая к небу брызги светлой тучей.
И между брызг, так дивно изгибаясь,
Блистает пышной радуга дугою,
То вся видна, то вновь во мгле теряясь,
И всюду брызжет свежею росою!
Всю нашу жизнь она воспроизводит:
Всмотрись в неё – и ты поймёшь душою,
Что жизнь на отблеск красочный походит.

Сценка 2. ГАЛО

Ведущий. Когда речь шла о радуге, не нужно было предварительно объяснять, что это. Вы не раз её видели. Иное дело – гало. Это оптическое явление более редкое, и многие из вас, наверное, не только не видели его, но и не слышали о нём. Между тем, гало и радуга имеют одну и ту же физическую природу.

Физик. Я расскажу вам о научном понимании гало, а художника попрошу помочь мне: продемонстрировать рисунки гало (художник демонстрирует рисунки). Гало происходит от древнегреческого слова Гало. (От древнегреч. халос)  [халос] – круглая площадка для обмолачивания зерна, ток. [В современном языке – нимб, гало вокруг светил. – Ред.] Гало могут выглядеть весьма разнообразно – светящиеся кольца вокруг Солнца или Луны, кресты, столбы, ложные светила и т.п. Наблюдается гало, если светило просвечивает через тонкие перисто-слоистые облака. Эти облака состоят из ледяных кристалликов в форме правильной шестиугольной призмы. Объяснение этого явления известно очень давно – свечение возникает в результате преломления света в кристалликах и отражения от их граней. Гало бывают белыми и с цветовыми оттенками. Они могут появиться даже в облачных следах за самолётами. Часто на небе фиксируется одновременно несколько форм гало. Например, очень сложное гало наблюдалось в Петербурге 18 июня 1794 г.: одновременно на небе было 12 кругов и дуг, из них 9 цветных. Гало было тщательно зарисовано и описано академиком Ловицем под названием Петербургский феномен. Отмечу, что учёные зафиксировали гало и на других планетах Солнечной системы – в атмосфере Венеры, а также в атмосфере Ио, спутника Юпитера.

Историк. Это удивительное явление в древние времена воспринималось с трепетом, порождало суеверия. Весьма характерен для тех времен эпизод, приведённый в романе В.И.Костылёва «Иван Грозный»: «Дрожащей рукой царь Иван отодвинул занавес. Испуганными глазами посмотрел на небо. Лицо его перекосилось от страха: на небе, в тёмной вышине, крестообразное небесное знамение… Долго молча, в оцепенении, смотрел он на небо и вдруг, зашатавшись от слабости, прошептал: “Вот знамение моей смерти! Вот оно!..”»

Специалист по фольклору. Я, в свою очередь, замечу, что возникновение гало – местный признак погоды. Оно говорит о приближении тёплого воздушного фронта, дождя, обложного снега. Летом прохождение тёплого фронта, сопровождающееся дождями, обычно воспринимается как ухудшение погоды. Отсюда и народная примета: «Кольцо вокруг солнца – к ненастью».

Сценка 3. МИРАЖ

Специалист по фольклору. Я прочту отрывок из французской сказки «Принцесса Дангобер» и задам вам вопрос, ответ на который будет предметом нашей следующей беседы: «Матросы взобрались на реи, а капитан взял подзорную трубу и увидел замок, висящий на золотых цепях между небом и землей». Вопрос: «Какое явление природы описано в этом отрывке?»

Это явление – мираж. Слово мираж французского происхождения и имеет два значения: отражение и обманчивое явление (mirage). Подобно сказке, мираж восхищает людей, влечёт к себе и бесследно исчезает, когда к нему пробуют приблизиться.

Писатель. Хочу добавить, что миражи – это явления, описание которых довольно часто встречается в художественной литературе. Прочту вам два отрывка. Первый – из сказки «Маленький Мук» В.Гауффа: «Бодро шагал он целый день, ведь отправился-то он искать счастья. Заметив блестящий на солнце черепок, он подбирал его, должно быть, в надежде на то, что тот превратится в алмаз. Завидев вдали купол мечети, сияющий, точно зарево, увидев озеро, сверкающее, словно зеркало, он радостно спешил туда, ибо думал, что попал в волшебную страну. Но увы! Те миражи исчезали вблизи, а усталость и голодное бурчание в животе тотчас напоминали ему, что он всё ещё в стране смертных…»

Второй отрывок – из повести И.Ефремова «На краю Ойкумены»: «Ослеплённые глаза почти перестали видеть – в них плавали, струились или быстро вращались пятна и полосы удивительно ярких цветов, сменявшихся в причудливых сочетаниях. Неистовая мощь солнца превратила песок в массу золотой пыли, пропитанной светом. Пандион бредил наяву. В обезумевшем мозгу мелькали видения. В багровых вспышках огня двигались колоссальные статуи Айгюптоса и тонули в волнах фиолетового моря. Море, в свою очередь, расступалось, стада полузверей-полуптиц мчались куда-то, низвергаясь с отвесных обрывов удивительной высоты. И снова выстраивались в боевой порядок и шли на Пандиона гранитные фараоны Чёрной земли. Шатаясь, молодой эллин тёр глаза, бил себя по щекам, стараясь видеть то, что было на самом деле, – пышущие жаром откосы песка, заходящие друг на друга в слепящем золотисто-сером свете. Но снова крутились цветистые огненные вихри, и тяжёлый бред овладевал Пандионом…»

Физик. Позвольте мне дать научное объяснение описанных явлений. Мираж представляет собой изображение реально существующего на земле предмета, часто увеличенное и сильно искажённое. Миражи бывают верхние, нижние и сложные.

Нижние (или озёрные) миражи возникают над сильно нагретой поверхностью. Наблюдают их в пустынях и знойных степях. Воздух около земли сильно нагрет, и его показатель преломления меньше, чем у лежащего более высоко холодного воздуха. Отражение в этом слое аналогично отражению в воде. Роль зеркала играет сам воздух. В этом случае световой луч вблизи земли изгибается так, что его траектория обращена выпуклостью вниз (показывает схему нижнего миража). Поэтому наблюдатель видит объекты (холмы в пустыне и др.) перевёрнутыми, как бы стоящими на берегу озера. Причём иллюзию блестящей поверхности озера создают участки неба, отражаясь в воздушном зеркале. Такие миражи может заметить любой человек. Они возникают в солнечные летние дни над асфальтовыми дорогами. В жаркий день хорошо видны «лужи воды» впереди, хотя в действительности дорога сухая.

Верхние миражи возникают, наоборот, над сильно охлаждённой поверхностью, например, над холодной водой. Они наблюдаются в северных широтах. В случае верхнего миража показатель преломления воздуха выше у поверхности воды и уменьшается с высотой. Световые лучи изгибаются так, что их траектория обращена выпуклостью вверх. Поэтому наблюдатель может видеть объекты, скрытые за горизонтом, причём видеть их вверху, как бы висящими над линией горизонта (показывает схему верхнего миража). Примером верхнего миража может служить ситуация, когда жители города Ломоносова иногда отчётливо видят здания и улицы Санкт-Петербурга. Заметим, что расстояние между этими городами 40 км, так что о прямой видимости речи идти не может. Многие, очевидно, слышали легенду о «летучем голландце». Это был, без сомнения, верхний мираж, т.е. изображение какого-либо обыкновенного парусного судна, которое шло где-то за горизонтом. Миражи сложного вида, или фата-моргана, возникают, когда одновременно есть условия для появления нижнего и верхнего миражей, например, над тёплым морем. Сложные миражи имеют вид призрачных дворцов и замков, лугов и садов, при этом вся картина быстро исчезает и сменяется другой.

Специалист по фольклору. Такое интересное название сложные миражи получили благодаря легенде, согласно которой коварная фея Моргана любила охотиться за человеческими душами, подстерегать в пути караваны. Усталые путники устремлялись к миражам, созданным феей, и погибали, сбиваясь с дороги.

Художник. Отмечу, что природное оптическое явление миража вдохновляло и художников. Известна картина А.И.Куинджи «Фата-моргана близ Оresund перед шведским берегом», а также картина художника начала XX в. П.В.Кузнецова «Мираж в степи» (демонстрирует репродукции).

Сценка 4. ЗАКАТ СОЛНЦА

Ведущий. Мы выяснили физическую сущность явления миража: искривление хода световых лучей в атмосфере. Хочу заметить, что с этой же точки зрения можно объяснить и не менее удивительное и красивое оптическое явление – закат солнца.

Обыватель. Действительно, один закат солнца никогда не бывает похож на другой. Но всегда заходящее солнце становится красным. Как это объяснить?

Физик. Синий цвет неба объясняется [молекулярным рассеянием света на флуктуациях плотности. Коэффициент рассеяния обратно пропорционален длине волны в четвёртой степени. В результате сине-фиолетовые лучи рассеиваются в 16 раз сильнее, чем красные. Отсюда голубой цвет дневного неба. Когда солнце низко, путь лучей через атмосферу значительно длиннее, чем днём, когда солнце стоит высоко. Учитывая, что синие лучи сильнее рассеиваются атмосферой, понятно, что от солнца доходят до глаза преимущественно оранжевые и красно-жёлтые лучи. Поэтому солнце на закате и восходе кажется оранжево-красным. – Ред.]

Художник. Таинственные, умиротворяющие закаты всегда привлекали внимание художников. Каждый по-разному воспринимал и изображал закат. Посмотрим репродукции картин А.И.Куинджи «Закат над сосновым лесом», «Эффект заката» и «Закат в степи на берегу моря». Заслуживает внимания и картина И.А.Айвазовского «Итальянский пейзаж. Вечер» (демонстрирует репродукции).

Ведущий. А сейчас попытайтесь ответить на вопросы.

Как неожиданно и ярко
На влажной неба синеве
Воздушная воздвиглась арка
В своём минутном торжестве!
Один конец в леса вонзила,
Другим за облака ушла –
Она полнеба обхватила
И в высоте изнемогла.

Итак, сегодня наши беседы помогли «раскрыть тайны» четырёх оптических природных явлений: радуги и гало, миража и заката Солнца. Теперь каждый из вас сможет их объяснить.

Задание на дом: напишите сочинение на тему «Оптические явления вокруг нас».

Литература

Белкин И.К. Что такое радуга? – Квант, 1984, № 12.
Гало и лёд. – Квант, 1984, № 11.
Гегузин Я.Е. Кто творит радугу? – Квант, 1988, № 6.
Елькин В.И., Гармаш Л.Д., Браверман Э.М. Физика и астрономия в походе и на природе. Короткие рассказы, вопросы и задания, спектакль под звёздами, миниатюры. – М.: Школа-Пресс, 2003.
Зверева С.В. В мире солнечного света. – М.: Гидрометеоиздат, 1988.
Комиссарова О.В. Слёт специалистов по оптике. – Физика в школе, 2002, № 1.
Митрофанов А. Несколько слов о мираже. – Квант, 1995, № 6.
Перельман Я.И. Знаете ли вы физику? – М.: Наука, 1992.
Тарасов Л.В. Физика в природе. – М.: Вербум-М, 2002.
Тихомирова С.А. Физика в пословицах, загадках и сказках. – М.: Школа-Пресс, 2002.
Web-сайты: www.arfp/intro/.ru; www.km.ru; www.fizika/optika/mirazh; www.edu.ru.

ОТ РЕДАКЦИИ. См. также «Физику» («ПС»):
Бурова С.А. Необычные природные явления. Внеклассное мероприятие. 6–7-й кл. – № 30/03.
Варламов С.Д. Монохроматическая радуга. – № 41/03.
Козлова Н.Д. Атмосферные явления: гало, паргелии и дуги. – № 45/03.
Небесные кресты над храмом. – № 33/03.
Семакова Л.С., Анофрикова С.В. Электромагнитная природа света. Три урока изучения нового материала. 11-й кл. – № 47/03.
Тень в светлом пятне. – № 33, 37/03.

Виктория Юрьевна Проклова

Виктория Юрьевна Проклова – выпускница (2000 г.) ЗабГПУ им. Н.Г.Чернышевского, старший пре-подаватель кафедры физики, теории и методики обучения физике ЗабГПУ, преподаватель физики многопрофильного лицея ЗабГПУ,13-й квалификационный разряд. Хобби:   летом – работа и отдых на даче; круглый год – разведение комнатных цветов.