Главная страница

Почему небо голубое?

Печать PDF

"Почему небо голубое?" и "Почему небо синего цвета?» - это одни из самых распространенных физических вопросов. Но не смотря на это, многие затрудняются на них ответить. А кто отвечает, те бормочут что-то о рассеивании света, о длине волны, о молекулах воздуха и завершают свой унылый рассказ громкой констатацией факта, что «именно поэтому небо голубого цвета».

Пора положить этому конец!

Так почему небо голубое?

Сейчас мы дадим ответ на этот вопрос, причем не абстрактно, используя какие-то общие понятия, а конкретно, основываясь на формулах и физических законах.

Главная причина, почему небо голубое, кроется в зависимости интенсивности рассеянного света от частоты. Все объясняет "Рэлеевский закон синего неба". Оказывается, что синий свет рассеивается каждым атомом гораздо сильнее, чем например, красный. 

Я уже предчувствую ваше недоумение: «Но ведь не всегда нобо синее! А почему небо на закате красное?»

Отвечу. Красный цвет неба на закате объясняется тем, что проходя через большую толщу воздуха, синий цвет очень сильно поглащается и остается только красный. А когда солнце высоко - поглащение мало, и небо голубое.  

Мои слова легко проверить на опыте. Возьмите стеклянную банку с водой и лампу. Добавьте в воду несколько капель молока и перемешайте. Направьте пучок света от лампы через воду так, чтобы видеть пучок либо в рассеянном на молекулах молока свете (наблюдение под углом), либо глядя прямо на пучок через воду. Обратите внимание на синюю окраску рассеянного света (при наблюдении под углом) и на красноватый оттенок при наблюдении источника света по прямой линии через банку.

Чувствуете, мы уже приближаемся к ответу на вопрос "почему небо голубое"! Чтобы получить полную картину явления, надо слегка повозиться с формулами. Кому лень или кто не силен в физике, можно сразу перейти к последнему абзацу. Но тогда полного понимания процессов и законов не будет и почему небо синее - останется загадкой.

Рассмотрим электрон в «молекуле молока», находящийся в установившемся состоянии колебаний, под действием электрического поля бегущей электромагнитной волны, созданной источником света. Если пучок света от диполя направлен вдоль одной оси (например, z), то электрическое поле в бегущей волне имеет только x- и y-компоненты. Будем рассматривать только x-компоненту (y-компонента дает тот же результат). Далее, будем рассматривать заданный «цвет», то есть определенную частоту. x-компонента электрического поля в месте нахождения молекулы молока равна:

Как Вы помните, это самое обычное уравнение бегущей волны.
Представим связь электрона с ядром в молекуле молока как пружину с коэффициентом жесткости, выражаемым формулой:

Пренебрежем резонансным взаимодействием, то есть будем считать, что частота внешнего воздействия далека от резонансной частоты.
Физикам нетрудно вспомнить (а если трудно, не расстраивайтесь - значит вы просто нормальный человек), что в этом случае уравнение движения электрона имеет вид:


В установившемся состоянии x(t) является гармоническим колебанием с определенной частотой. Поэтому:





Излучение, происходящее при гармоническом колебании заряда, представляет собой излучение диполя.
Поэтому полная мощность излучения определяется известным равенством:



Так как собственная частота колебаний велика по сравнению с частотами видимого цвета. Поэтому в последнем уравнении можно преобразовать знаменатель - разделить на частоту и пренебречь единицей - малой величиной. Тогда получим, что интенсивность рассеянного света будет пропорциональна четвертой степени частоты внешнего воздействия или обратно пропорциональна четвертой степени длины волны.



Все, мы почти ответили на вопрос «Почему небо синего цвета?». Потерпите, осталоь совсем немного.

Полученная зависимость интенсивности рассеянного света от длины волны - это «рэлеевский закон синего неба». Отношение длины волны красного света (6500 А) к длине волны синего света (4500 А) равно 65/45 = 1,44. Четвертая степень этого отношения равна 4,3. Таким образом, согласно «релеевскому закону синего неба», интенсивность рассеиваемого синего света примерно в четыре раза больше, чем интенсивность рассеиваемого красного. 

Таким образом: небо синее, так как длина волны синего света самая короткая. Из-за этого он рассеивается сильнее других.

Ура, победа! Мы полностью, без всяких недомолвок, дали ответ на вопрос «Почему небо голубое?». Теперь Вы с уверенностью можете сказать, что знаете причину, по которой небо синего цвета.





Физика. Лекция 4

Печать PDF

8. Геометрическая оптика

Световой луч – линия, вдоль которой распространяется поток световой энергии.
Понятие светового луча имеет смысл в геометрической оптике, когда длина волны много меньше диаметра луча.

Область применения геометрической оптики - длина волны много меньше диаметра луча.

Если длина волны и диаметр луча сравнимы, то из-за дифракции получается не узкий луч, а расширяющийся.

Законы геометрической оптики:

1. В однородной среде световые лучи являются прямыми
2. Световые лучи не возмущают друг друга при пересечении
3. Закон преломления: при падении луча на границу раздела сред произведение синуса на коэффициент отражения остается постоянным.
4. Закон отражения: угол падения равен углу отражения.

Принцип Ферма: свет движется между точками по такой линии которой соответствует наименьшее время.

9. Принцип Гюйгенса

Каждая точка фронта волны в какой-то момент времени является точечным источником от которого распространяется возмущение в виде сферической волны. Положение фронта в следующий момент времени может быть получен как огибающая вторичных волн.

Принцип Гюйгенса легко объясняет дифракцию.

Интерференция.

Явление интерференции света – усиление и ослабление светового потока в области пересечения световых потоков – является ярким подтверждением волновой теории света.

1. Сложение колебаний

В каждой точке первый и второй луч являются источниками гармонических колебаний. Возникает задача сложения колебаний.

Амплитуды и фазы могут быть разными, но частоты – очевидно одинаковы.

Векторное сложение колебаний.



Внимание!!!
Это сокращенный вариант лекции. Он предназначен для ознакомления. Здесь нет формул и доказательств.
Полностью скачать лекцию можно здесь: Скачать – Физика - Лекция 4



Физика. Лекция 3

Печать PDF

6. Излучение электромагнитных волн

В вибраторе Герца электромагнитные волны излучают электроны, совершающие колебательные движения. Из теории Максвелла следует, что источником электромагнитных волн являются ускоренные заряды.

Получена соответствующая формула для мощности излучения ускоренной частицы

Синхротронное излучение – при увеличении скорости возрастает излучение.

Излучение диполя. Формула мощности излучения диполя. Диаграмма направленности: на оси излучение отсутствует, максимум – на «экваторе»

7. Электромагнитная природа света

Существуют две гипотезы света: корпускулярная и волновая. Волновая была предложена Гюйгенсом во второй половине семнадцатого века. Корпускулярная – Ньютоном.
Аргументы волновой теории света: не возмущаются пересекающиеся лучи света
Аргументы корпускулярной теории света: отражение, преломление и прямолинейность света. Победила волновая теория света. Главный «козырь» - интерференция.

Энергетическая характеристика – интенсивность света

В световых явлениях важна электрическая составляющая, так как химическое и биологическое действие света основывается именно на ней.

Поляризация света – выделение определенного направления колебаний вектора напряженности.



Внимание!!! Это сокращенный вариант лекции. Он предназначен для ознакомления. Здесь нет формул и доказательств.
Полностью скачать лекцию можно здесь: Скачать – Физика - Лекция 3



Физика. Лекция 2

Печать PDF

3. Электромагнитные волны

Стоячие волны. Уравнение стоячей волны.

Упругие волны делятся на два типа: продольные, где колебания совершаются параллельно распространению волны и поперечные, где колебания перпендикулярны направлению распространения.

Вычисления показывают, что магнитное поле в плоской волне колеблется в фазе с электрическим полем, а их амплитуды связаны определенным законом.

4. Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн. Генрих Герц. 1888 год.

Впервые электромагнитные волны были обнаружены при помощи дипольной антенны.

Эксперимент показывает, что электромагнитные волны передают энергию.

Полуволновой вибратор

Герц наблюдал явление преломления и отражения. Таким образом, было показано существование волн и их свойства.

5. Вектор Умова-Пойнтинга

Модуль вектора Умова-Пойнтинга равен произведению напряженностей магнитного и электрического полей

Вектор Пойнтинга

равен векторному произведению напряженности электрического поля на напряженность магнитного поля.

Нетрудно проверить, что вектор Умова-Пойнтинга (поток энергии) и плотность энергии электромагнитного поля связаны уравнением неразрывности

Электромагнитные волны, которые вначале были получены как формальное решение уравнений Максвелла, представляют собой физическую реальность, которая переносит энергию. Все подчиняется закону сохранения энергии.

Импульс электромагнитной волны равен отношению энергии единицы обьема к скорости света

Давление электромагнитной волны:
Если волна поглощается стенкой, давление равно энергии единицы объема
Если волна отражается от стенки, давление равно удвоенной энергии единицы объема



Внимание!!! Это сокращенный вариант лекции. Он предназначен для ознакомления. Здесь нет формул и доказательств.
Полностью скачать лекцию можно здесь: Скачать – Физика - Лекция 2



Физика. Лекция 1

Печать PDF

ОПТИКА

Электромагнитная природа света

1. Упругие волны



Волновое уравнение в отсутствии источников. Оператор Даламбера

Атомная цепочка

Плоская волна – простейший тип колебаний

Бегущая плоская волна – при возмущении одной точки возмущение вдоль цепочки будет распространяться с некоторой скоростью, зависящей от самой цепочки.

Волновое число. Длина волны – расстояние, на которое «убежит» волна за один период.

Поверхность постоянной фазы – геометрическое место точек, где в данный момент времени колебания частиц среды находится в одной фазе.

Фронт волны – поверхность, которая разделяет область пространства, где колебания уже имеют место и куда они еще не дошли. Для плоской бегущей волны фронт – параллельная поверхность к поверхности постоянной фазы.

Сферические волны – волны, у которых волновые поверхности – концентрические сферы.

2. Энергия упругой волны. Вектор Умова.


Скорость упругой волны

С бегущей плоской волной связано распространение энергии.

Величина, характеризующая поток энергии описывается вектором Умова.

Плотность потока энергии – это количество энергии бегущей волны, которая пересекает единицу площади волновой поверхности за единицу времени.



Внимание!!! Это сокращенный вариант лекции. Он предназначен для ознакомления. Здесь нет формул и доказательств.
Полностью скачать лекцию можно здесь: Скачать – Физика - Лекция 1