Какие бывают миражи по физике

Какие бывают миражи по физике

Миражи

Древние египтяне верили,

что мираж — это призрак страны,

которой больше нет на свете.

О миражах известно все и ничего. С однойстороны, трудно найти человека, который хоть раз в жизни не видел бы самый простой мираж — голубое озерцо на раскаленном шоссе. С другой — тысячи людей наблюдали в небе буквально висящие города, причудливые замки и даже целые армии, но вот тут у специалистов нет объяснений этому природному феномену. Изучать миражи практически невозможно, ведь они не появляются по заказу.

Мираж — оптическое явление в атмосфере, благодаря которому в зоне видимости появляются изображения предметов, которые при обычных условиях скрыты от наблюдения.

Из большого многообразия миражей выделим несколько видов:

«озерные» миражи, называемые также нижними миражами;
верхние миражи;
двойные и тройные миражи;
миражи сверхдальнего видения.

Так называемые «озерные», или нижние, миражи — самые распространенные и простые. Они возникают над сильно охлажденной поверхностью, например над холодной водой в пустынях и знойных степях. Французский ученый Гаспар Монж, принимавший участие в египетском походе Наполеона, описывает свои впечатления от озерного миража так:

“Когда поверхность земли сильно накалена Солнцем и только-только начинает остывать перед началом сумерек, знакомая местность больше не простирается до горизонта, как днем, а переходит, как кажется, примерно в одном лье в сплошное наводнение.Деревни, расположенные дальше, выглядят, словно острова среди погибшего озера. Под каждой деревней ее опрокинутое изображение, только оно не резкое, мелких деталей не видно, как отражение в воде, колеблемое ветром. Если станешь приближаться к деревне, которая кажется окруженной наводнением, берег мнимой воды все удаляется, водный рукав, отделявший нас от деревни, постепенно суживается, пока не исчезнет совсем, а озеро теперь начинается за этой деревней, отражая в себе селения, расположенные дальше”. Нижние («озерные») миражи возникают над сильно нагретой поверхностью.

Миражи второго класса, лучи которых загибаются за линию горизонта. Их называют верхними (они возникают прямо в небе) или миражами дальнего видения, их наблюдают в северных широтах. Миражи могут быть двойными, когда наблюдаются два изображения: прямое и перевернутое. Эти изображения могут быть разделены полосой воздуха (одно может оказаться над линией горизонта, а другое под ней), но могут непосредственно смыкаться друг с другом, Иногда возникает еще одно — третье изображение. Хорошая фантазия на тему верхнего миража есть у Николая Васильевича Гоголя:

“За Киевом показалось великое чудо! Вдруг стало видимо далеко во все концы света. Вдали засинел Лиман, за Лиманом разливалось Черное море. Бывалые люди узнали и Крым, горою подымавшийся из моря, и болотный Сиваш. По правую руку видна была земля Галицкая.
— А это что такое? — допрашивал собравшийся народ, указывая на далеко мерещившиеся на небе и больше похожие на облака серые и белые верхи... ТоКарпатские горы! — говорили старые люди. ”

Конечно, из Киева никто Крыма и Карпат не видел. Носуществуют удивительные миражи — их относят к третьему классу и зовут миражами сверхдальнего видения. Для них тысячекилометровые расстояния не помеха.

Особенно удивительны миражи сверхдальнего видения. К. Фламмарион в своей книге «Атмосфера» описывает пример подобного миража:

«Опираясь на свидетельства нескольких лиц, заслуживающих доверия, я могу сообщить про мираж, который видели в городе Вервье (Бельгия) в июне 1815 г. Однажды утром жители города увидели в небе войско, и так ясно, что можно было различить костюмы артиллеристов и даже, например, пушку со сломанным колесом, которое вот-вот отвалится. Это было утро сражения при Ватерлоо!»

Описанный мираж изображен в виде цветной акварели одним из очевидцев. Заметим, что расстояние от Вервье до Ватерлоо по прямой линии более 100 км. Известны случаи, когда подобные миражи наблюдались и на существенно больших расстояниях — до 1000 км. «Летучего голландца» следует отнести именно к таким миражам. Вот какой случай описан в книге “Оптические явления в природе” (М., “Просвещение”, 1974):

“В ночь на 27 марта 1898 года среди Тихого океана экипаж бременского судна “Матадор” был напуган видением. Около полуночи экипаж заметил приблизительно в двух милях судно, которое боролось с сильным штормом. Это было тем более удивительно, что кругом стоял штиль. Судно пересекало курс “Матадора”, и были мгновения, когда казалось, что столкновение кораблей неизбежно. Экипаж “Матадора” видел, как во время одного сильного удара волны о неизвестное судно в каюте капитана потух свет, который виднелся все время в двух иллюминаторах. Через некоторое время судно исчезло, унося с собой ветер и волны.
Дело разъяснилось позже. Оказалось, что все это происходило с другим судном, которое во время “видения” находилось от “Матадора” на расстоянии 1700 км”.

Ниже мы объясним физику миражей отмеченных видов. Теперь же рассмотрим земную рефракцию — искривление лучей, идущих к наблюдателю от объектов, находящихся на земной поверхности.

Искривление светового луча в оптически неоднородной среде. Полезно понаблюдать на опытах, как распространяется узкий световой пучок в оптически неоднородной среде.

Данный опыт позволяет заключить: если свет распространяется в среде, показатель преломления которой уменьшается в направлении снизу вверх, то независимо от начального направления луча он всегда будет искривляться так, чтобы его траектория была обращена выпуклостью вверх. Если бы показатель преломления уменьшался в направлении сверху вниз, то тогда выпуклая сторона изогнутого светового луча была бы обращена вниз. Обобщая, можно сформулировать следующее важное правило: в оптически неоднородной среде световой луч изгибается так, что его траектория всегда оказывается обращена выпуклостью в сторону уменьшения показателя преломления среды.

Радиус кривизны светового луча.

Насколько резко будет искривляться световой луч в среде с непрерывно изменяющимся показателем преломления? Это зависит от того, насколько быстро изменяется показатель преломления при переходе от одних точек среды к другим.

Характеризует быстроту изменения показателя преломления с расстоянием -градиент показателя преломления. В данном случае речь идет о градиенте показателя преломления в вертикальном направлении (в горизонтальном направлении показатель преломления не меняется, значит, в этом направлении его градиент равен нулю). Чем больше градиент показателя преломления, тем меньшё радиус кривизны пучка R и, следовательно, тем круче изгибается световой пучок.

В предельном случае, когда показатель преломления изменяется не плавно, а скачком, т. е. когда появляется четкая граница между двумя областями с разными значениями показателя преломления о отвечает бесконечно большому градиенту показателя прелом, световой луч испытывает не изгиб, а излом, и на границе двух сред он резко изменяет свое направление, преломляясь и отражаясь или же только отражаясь.

Оьяснение нижнего («озерного») миража. Если воздух у самой поверхности земли сильно нагрет и следовательно, его плотность относительно мала, то показатель преломления у поверхности будет меньше, чем в более высоких воздушных слоях.

В соответствии с установленным выше правилом, световые лучи вблизи поверхности земли будут в данном случае изгибаться так, чтобы их траектория была обращена выпуклостью вниз. Пусть в точке А находится наблюдатель. Световой луч от некоторого участка голубого неба попадет в глаз наблюдателя, испытав указанное искривление. А это означает, что наблюдатель увидит соответствующий участок небосвода не над линией горизонта, а ниже ее. Ему будет казаться, что он видит воду, хотя на самом деле перед ним изображение голубого неба. Представим теперь, что у линии горизонта находятся холмы, пальмы или иные объекты. Благодаря отмеченному выше искривлению лучей наблюдатель увидит их перевернутыми и воспримет как отражения соответствующих объектов в несуществующей воде. Так возникает иллюзия, представляющая собой «озерный» мираж.

Простые верхние миражи . Теперь предположим, что воздух у самой поверхности земли или воды не нагрет, а, напротив, заметно охлажден по сравнению с более высокими воздушными слоями. Световые лучи в рассматриваемом случае изгибаются так, что их траектория обращена выпуклостью вверх. Поэтому теперь наблюдатель может видеть объекты, скрытые от него за горизонтом, причем он будет видеть их вверху, как бы висящими над линией горизонта. Не даром такие миражи называют верхними. Верхний мираж может давать как прямое, так и перевернутое изображение. Прямое изображение возникает, когда показатель преломления воздуха уменьшается с высотой относительно медленно. При быстром уменьшении показателя преломления образуется перевернутое изображение. В этом просто убедиться, если рассмотреть гипотетический случай — показатель преломления воздуха на некоторой высоте, уменьшается скачком. Для простоты кривизна земной поверхности не принимается во внимание. Лучи от объекта, прежде чем попасть к наблюдателю А испытывают полное внутреннее отражение от границы ВС ниже которой в данном случае находится бюлее плотный, а выше — менее плотный воздух. Верхний мираж дает перевернутое изображение объекта. В действиительности, разумеется, нет скачкообразной границы между слоями воздуха; переход совершается постепенно. Однако если он совершается достаточно резко, верхний мираж даст перевернутое изображение.

Двойные и тройные миражи. Допустим, что показатель преломления воздуха уменьшается с высотой сначала быстро, а затем медленно. В этом случае световые лучи в первой области будут искривляться сильнее, чем во второй. В результате возникают два изображения. Световые лучи, распространяющиеся в пределах воздушной области (те самые, которые сильно искривляются), формируют перевернутое изображение объекта. Лучи, распространяющиеся в основном в пределах области 2й, искривляются в меньшей степени и формируют прямое изображение.

Теперь представим себе, что существуют три последовательные воздушные области: первая (у самой поверхности), где показатель преломления уменьшается с высотой медленно, следующая, где показатель преломления уменьшается быстро, и, наконец, третья, где показатель преломления снова уменьшается медленно. В этом случае возможен тройной мираж. На рисунке представлено рассматриваемое изменение показателя преломления с высотой; цифрами 1, 2, 3 обозначены соответствующие воздушные области (начиная от приповерхностной). На рисунке показано, как возникает тройной мираж. Лучи 1 формируют нижнее прямое изображение объекта, они распространяются в пределах воздушной области 1. Лучи 2 формируют перевернутое изображение; попадая в воздушную область 2, эти лучи испытывают достаточно сильное искривление. Наконец, лучи 3 формируют верхнее прямое изображение объекта.

Двойной мираж может возникнуть также в случае, когда у самой поверхности воздух сильно нагрет, выше охлажден, а еще выше снова нагрет. Показатель преломления воздуха с высотой сначала возрастает, а затем начинает уменьшаться. В данном случае ход световых лучей от объекта к наблюдателю может иметь вид, показанный на рисунке (как обычно, через А обозначен наблюдатель). На рисунке выделены две воздушные области: область, где показатель преломления растет с высотой (она окрашена в розовый цвет), и область, где показатель преломления с высотой уменьшается (она окрашена в желтый цвет).

Фата-Моргана . Свое название они получили в честь героини бретонского эпоса Фаты Морганы, в переводе с итальянского «феи Морганы». Говорят, что она, сводная сестра короля Артура, отвергнутая возлюбленная Ланцелота, поселилась от огорчения на дне моря, в хрустальном дворце, и с тех пор обманывает мореплавателей призрачными видениями.

Если, например, следовать теории Фрайзера-Маха, то для возникновения фата-морган необходимо, чтобы зависимость температуры воздуха от высоты была нелинейной. Сначала температура возрастает с высотой, но с некоторого уровня скорость ее роста уменьшается. Подобный температурный профиль, только с более крутым «переломом», ученые называют воздушной линзой. Существование такого эффекта метеорологами обосновано, но утверждать, что именно он является причиной возникновения фатаморган, рано.

По другой же теории — постоянно меняющиеся миражи, называемые Фата-Моргана, своим возникновением обязаны движущимся один над другим воздушным слоям различной плотности.

В Сицилии, у города Реджо-ди-Калабрия, Фата-Моргана появляется обычно на рассвете при отсутствии ветра. Вот одна из картин, которую можно увидеть. Над морем появляются ряды столбов, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга. Вдруг на глазах у наблюдателя они соединяются в арки, похожие на древние акведуки. Иногда на арках образуется карниз, появляются бесчисленные крепостные башни, которые тут же сменяются колоннадой, колоннада-стеной с окнами, стена-хвойным лесом, и, наконец, видение исчезает.

Фата-Моргана особенно ярка и продолжительна в полярных странах. Один из исследователей Севера так описал Фата-Моргану, которую наблюдал с корабля на 80 с.ш.:

«Над горизонтом показались самые причудливые формы, какие только можно себе представить. Они чередовались-колокольни, готические башни, кресты, мечи, горы, покрытые льдом. Принимали вид лесистой равнины, полной различных животных. Медведи, собаки, птицы танцевали в воздухе, иногда отрывались от земной поверхности и уносились высоко в небо. Невозможно описать это величественное зрелище. Видение за видением появлялось словно по мановению волшебной палочки и затем столь же быстро исчезало. Спектакль продолжался большую часть дня, но появившийся потом сильный северный ветер прекратил его».

Мираж

Определение: Мираж: оптическое явление, состоящее главным образом из устойчивых или колеблющихся одиночных или многих, правильных или перевернутых, увеличенных или уменьшенных по вертикали изображений удаленных предметов.

Предметы в мираже иногда отображаются в другом месте над горизонтом по сравнению с их реальным положением. Угловая разница может составлять до 10°. Предметы, расположенные ниже горизонта или скрытые горами, могут стать видимыми («висящими»), а предметы, которые видимы в нормальных условиях, при возникновении миража могут исчезать из вида.

Миражи возникают вследствие рефракции лучей света, проходящих через слои воздуха с изменяющимся из-за разницы в температуре и плотности коэффициентом рефракции. Поэтому они обычно наблюдаются, когда температура поверхности Земли сильно отличается от температуры воздуха над ней.

Миражи могут возникать в виде нижних миражей (низкий мираж) над сильно нагретой поверхностью воды, почвы, пляжа, дороги и т.д. или в виде верхних миражей (высокий мираж) над снеговыми полями, холодной поверхностью моря и т.д.

Чаще всего верхний мираж наблюдается над раскаленной поверхностью дороги или пустыни, создавая иллюзию водоема. Он возникает вследствие рефракции света от чистого неба в направлении наблюдателя. При нижнем мираже изображение отдаленного предмета перемещается вниз (например, свет от неба выглядит как вода на земле). Сильное искажение света может вызвать несколько прямых и перевернутых изображений.

Верхний мираж наблюдается над плоской поверхностью, температура которой намного ниже температуры воздуха над ней. В таких случаях свет от объекта изгибается вниз в сторону наблюдателю, поднимая отдаленные объекты выше их реальной выстоты.

Фата Моргана – это очень сложный верхний мираж, обычно наблюдаемый в полярных регионах и создаваемый необычными сочетаниями плотностей разных слоев воздуха, вызывающими горизонтальные и вертикальные искажения предметов, их переворачивание и подъем выше реальной высоты. Известный пример этого явления не в полярных регионах наблюдается в отдаленных горах Сицилии, когда наблюдатель находится в холодных водах Мессинского пролива.

Миражи астрономических объектов, таких как Солнце или Луна и, в некоторых случаях, планеты, яркие звезды и кометы, могут создавать искаженные или множественные изображения этих объектов. Чаще всего наблюдаются при восходе и закате.

Когда на слой теплого воздуха у поверхности, обычно над морем, сверху опускается слой холодного воздуха, может возникнуть нижний мираж. По мере снижения Солнца к горизонту, мираж (перевернутого) Солнца поднимается. В итоге они встречаются, образуя форму древнегреческой буквы «омега». Это явление также называется «этрусской вазой».

Когда слой теплого воздуха покрывает более холодный воздух у поверхности, при наблюдении сверху можно увидеть ложный мираж. Множественные переворачивания могут создать существенно искаженные изображения Солнца.

Эффект Новой Земли – это преждевременное отображение Солнца в конце полярной зимней ночи. Оно возникает вследствие сильной рефракции солнечного света при существенной инверсии температуры в термоклине (оптический канал). Свет изгибается вдоль изгибы Земли на большие расстояния, и искаженное изображение Солнца в виде квадрата или линии (линий) появляется над горизонтом, когда фактически Солнце все еще находится ниже горизонта.

Текст, который дается в рамках серого цвета, как в этом случае, представляет собой дополнение I к Техническому регламенту (ВМО-№ 49) и имеет правовой статус стандартной практики и процедур.

Какие бывают миражи по физике

XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Миражи

Павлова Е.А. 1
1 МБОУ Одинцовская СОШ № 12
Сутковенко О.В. 1
1 МБОУ Одинцовская СОШ № 12

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

Учебный предмет проекта: физика

Тип проекта: исследование

Сроки проведения исследования: сентябрь 2019 – февраль 2020 г.

Цель проекта: исследование миражей, как оптического явления.

Задачи проекта:

Узнать, что такое миражи, виды, причины и условия возникновения;

Определить область применения оптического явления в технике на современном этапе развития науки.

Создать миражи в домашних условиях.

Создать фото проведенных опытов, для того чтобы познакомить одноклассников с явлением преломления света в виде миражей.

Предполагаемый продукт: создание методического (фото и видео) материала, который поможет на опыте объяснить явление миража на уроках физики или в рамках внеурочной деятельности.

Этапы работы:

сентябрь-ноябрь 2019 г.:изучение литературы;

октябрь — декабрь 2019 г.: проведение опытов, анализ и полученных результатов;

январь 2020 г.: формулировка выводов по теме работы, набор текста работы;

февраль 2020 г.: составление презентации выступления.

Материальное обеспечение: стеклянная емкость бытового назначения, вода водопроводная, масло растительное, лазерная указка.

Раньше мне доводилось читать о загадочных видениях в рассказах путешественников, которым приходилось преодолевать знойные пустыни. Как правило, эти люди видели вдали источники воды, окруженные буйной растительностью. Но как только путники подходили ближе, видение пропадало, и ничего кроме раскаленного песка на их пути не было. В древности такие явления объяснялись вмешательством богов или духов. Эти сведения до сих пор хранятся в различных преданиях.

Меня с детства интересовали загадочные и труднообъяснимые явления, в том числе миражи. Удивительно видеть то, чего нет или находится за сотни километров от наблюдателя.

А что же сегодня наука может поведать о миражах? Имеют ли эти знания практическое применение в жизни человека? Можно ли создать это явление в домашних условиях?

Предлагаемая вниманию читателя проектная работа посвящена интересному оптическому явлению – миражу.

Актуальность выбранной темы связана с отсутствием у меня знаний по данному вопросу и возникающая, в связи с этим, потребность в изучении данного явления. Школьная программа 6 класса не предусматривает изучения миража, как оптического явления, т.к. это курс физики 8-9 класса, а доступная моему возрасту научно-популярная литература практически не затрагивает этой темы. Передо мной встал вопрос: возможно ли смоделировать мираж на несложном лабораторном оборудовании дома или в школе. Для разрешения возникших противоречий мной была сформулирована цель работы: исследование миражей, как оптического явления.

Объект – миражи.

Предмет – преломления света.

Проблема – возможность создания оптически неоднородной среды с помощью простого оборудования в домашних условиях и изучения поведения светового луча в этой среде.

Узнать, что такое миражи, виды, причины и условия возникновения;

Определить область применения оптического явления в технике на современном этапе развития науки.

Создать миражи в домашних условиях.

Создать фото проведенных опытов, для того чтобы познакомить одноклассников с явлением преломления света в виде миражей.

Рабочая гипотеза – свет, преломляясь в оптически неоднородной среде, приводит к появлению миражей.

Методы исследования:

изучение материалов различных информационных источников (литература, сеть Интернет);

сбор, анализ и обобщение информации;

анализ практической части;

Глава 1. Теоретический анализ проблемы.

1.1. Исторические предпосылки исследования миражей.

Миражи люди видели еще в глубокой древности, объясняя их вмешательством богов. До сих пор подобные сведения упоминаются в различных преданиях. Жители Древнего Египта верили, что мираж — это призрак исчезнувшей много лет назад страны. Согласно легенде, каждое место на земле имеет свою душу. Вот и душа погибшей страны блуждала на просторах египетских пустынь, пытаясь обрести покой.

Не раз миражи доводили путников пустыни, изнывавших от зноя и жажды, до смерти. Путешественники видели в 2-3 километрах от себя блестящую поверхность воды, брели к ней из последних сил, но вода отступала, а потом и вовсе исчезала. Так, в пустыне Северной Африки однажды погиб целый караван из 60 человек и 90 верблюдов, который вел опытный проводник. Люди последовали к миражу, увлекшим их на 60 км в сторону от колодца.

Чтобы уберечь путников пустыни от риска заблудиться и погибнуть от жажды, составлялись специальные карты с отметкой мест, в которых появлялись миражи. На этих путеводителях указывалось, где могут привидеться колодцы, пальмовые рощи или горные цепи. То есть уже в древности люди стали замечать, что часто миражи появляются в определенных местах, а значит, для их появления необходимы какие-то определенные условия.

Факты появления миражей подтверждаются в многочисленных судовых записях мореплавателей, наблюдениях метеорологов. Но как же развивалось научное наблюдение миражей?

Первым точное объяснение миражам дал французский математик, картограф и геометр Гаспар Монж. В 1799 году он описал это, как явление в атмосфере, благодаря которому при определенных обстоятельствах появляются изображения предметов, действительное местонахождение которых далеко от места их наблюдения зрителем. Также ученый указал, при каких условия возникает этот оптический эффект (наличие слоев воздуха, резко отличных по температуре) и геометрически изобразил возможные варианты преломления лучей света (разновидности миражей) [1, с.230].

Описание эффектных физических опытов по получению искусственных миражей с использованием жидкостей началось с 1899. Американский физик Роберт Вуд наблюдал траекторию луча в сосуде, наполненном раствором соли.

В 1914 году Л.И.Мандельштам – выдающийся русский физик поставил опыт, показывающий, что при полном отражении свет на небольшую глубину проникает из оптически более плотной в оптически менее плотную среду.

Эти исследования помогают понять природу происхождения миража, дать ему определение и различить несколько типов явления.

Итак, слово мираж французского происхождения и имеет два значения: «отражение» и «обманчивое видение». Оба значения хорошо отражают сущность этого понятия [6, с.123].

1.2 Мираж, как физическое явление.

Мираж –это оптическое явление в атмосфере: преломление потоков света на границе между резко различными по плотности и температуре слоями воздуха. Физической причиной всех видов миражей является рефракция — изменение направления луча на границе раздела двух сред, при котором свет переходит во вторую среду. Таким образом, когда луч света проходит через слои теплого и холодного воздуха, он преломляется, тем самым заставляя нас видеть какой-либо объект, который в действительности находится в другом месте [4].

Поскольку обычно температура атмосферного воздуха в разных местах над поверхностью земли неодинакова, показатель преломления света также различен в разных местах. Такие среды называются оптически неоднородными. Если, наоборот, показатель преломления в среде постоянен, она называется оптически однородной. Свет в ней распространяется по прямой. А в оптически неоднородной среде луч искривляется. Как именно, зависит от того, в каком направлении по вертикали — вверх или вниз — уменьшается показатель преломления воздуха.

Если свет распространяется в среде, показатель преломления которой уменьшается в направлении снизу вверх, то, независимо от начального направления луча, он всегда будет искривляться так, чтобы его траектория была обращена выпуклостью вверх. Если показатель преломления уменьшается в направлении сверху вниз, тогда выпуклая сторона изогнутого светового луча обращена вниз. Общее правило состоит в следующем: в оптически неоднородной среде световой луч изгибается так, что его траектория всегда обращена выпуклостью в сторону уменьшения показателя преломления среды [7].

Н асколько сильно будет искривляться световой луч в среде с непрерывно изменяющимся показателем преломления? Это зависит от того, как быстро варьируется показатель преломления с высотой. Скорость его изменения характеризуют специальной величиной — градиентом показателя преломления. Градиент равен изменению величины (показателя преломления) на единичном расстоянии — сантиметре, метре [8].

После того, как появилось множество всевозможных записей о миражах, естественно, их пришлось классифицировать.

1.3 Классификация миражей.

На сегодняшний день не существует общепринятой классификации миражей. Условно выделяют три основных вида этого оптического явления: нижние миражи (видимые под объектом), верхние миражи (видимые над объектом) и боковые миражи (видимые рядом с объектом). Также описываются и более сложные виды миражей (двойные, тройные, объемные, «Фата – Моргана», миражи дальнего видения), но они, как правило, являются сложным симбиозом основных видов миражей.

Нижние (озерные) миражи. Иногда на улице в жаркий летний день нам кажется, что где-то вдали мы видим то, чего на самом деле в этом месте не существует. Самый распространенный пример – проекция воды на раскаленном от солнца шоссе. На самом деле это мнимое изображение неба создает при этом иллюзию блестящей поверхности воды (озера) на поверхности, тем более, что цвет неба и водной поверхности очень схожи. При изменении цвета неба (облачность, дымка) изменяется и цвет миража.

Нижние миражи наблюдаются над перегретой ровной поверхностью (раскаленным песком или асфальтированной дорогой). Наиболее часто они возникают пустынях, где состояние воздуха крайне неустойчивое. Внизу у земли лежит сильно нагретый и легкий воздух, а выше него – более холодный и тяжелый. Нижние миражи возникают при очень быстром уменьшении температуры с высотою. Приземный теплый слой воздуха играет роль зеркала, то есть именно здесь происходит преломление лучей. Лучи, идущие от предмета под некоторым углом, переходя из слоя в слой, поворачиваются и искривляются в сторону менее плотных слоев, в данном случае вниз. Испытав такое искривление, световой луч от некоторого участка голубого неба попадает в глаз наблюдателя. А это означает, что наблюдатель увидит соответствующий участок небосвода не над линией горизонта, а ниже ее. Так как мнимое изображение предмета помещается под самим реальным предметом, его называют нижним. При этом наблюдателю будет казаться, что он видит воду (озеро). Поэтому этот вид миража еще называют озерным.

Нижний мираж – явление довольно однообразное: всегда только один перевернутый мираж ниже самого объекта. Благоприятными условиями для возникновения нижних миражей являются однородная, ровная прогретая поверхность Земли и солнечная безветренная погода. Достаточно небольшого порыва ветра или толчка и произойдет переворачивание воздушных слоев. Тяжелый воздух устремится вниз, разрушая воздушное зеркало, и мираж исчезнет [5].

Верхние миражи. Верхние миражи наблюдаются над холодной земной поверхностью. Случаются они реже, чем нижние миражи, но бывают более стабильными. Распространены в полярных регионах, особенно на больших ровных льдинах со стабильно низкой температурой (Гренландия, Исландия) и там, где происходят резкие перепады температур (над более холодным слоем воздуха находится теплый слой). Верхние миражи также наблюдаются в умеренных широтах, но тогда они слабее, менее четкие и стабильные.

Известно, что температура воздуха растет с повышением высоты. Однако если над слоем прохладного воздуха оказывается более тёплый воздушный слой, а переход между ними довольно резок, то рефракция значительно усиливается. Лучи света, идущие от предметов на Земле, описывают подобие дуги и возвращаются вниз, иногда за десятки, даже сотни километров от своего источника. Тогда наблюдается «поднятие горизонта»(появляется как бы второй горизонт, более темный, располагающийся параллельно «истинному» и выше его), или верхний мираж.

Наблюдатель может видеть одновременно сам предмет, расположенный на удалении в несколько десятков километров от наблюдателя и невидимый в обычных условиях (если он за горизонтом), и одну или несколько его проекций над ним – прямых или перевернутых [2,5].

Боковые миражи появляются, когда воздушные слои одной плотности находятся не в горизонтальном положении, а под углом или вертикально. Их обычно можно увидеть возле скал на берегу моря или озера сразу после того, как взошло солнце или, когда оно стоит высоко, но ни водная стихия, ни воздух над ней еще не прогрелись.

Природа этого миража точно такая же, как у озерного. Конечно, лучи света отражаются не от стены, а от примыкающей к ней более горячей прослойки воздуха.

Примером бокового миража может быть видение реально приближающейся к побережью лодки, а рядом с ней – ее фантомную копию, но удаляющуюся от побережья. Боковой мираж может появиться у каменной стены дома, нагретой солнцем, и даже сбоку от нагретой печи [3, с.145].

«Фата – Моргана». Сложные миражи. Свое название мираж получил в честь сказочной героини Фаты Морганы. Согласно легенде отвергнутая возлюбленная Ланцелота поселилась на дне моря в хрустальном дворце и с тех пор обманывает мореплавателей призрачными видениями.

Этот сложный вид миража возникает, когда в нижних слоях атмосферы образуется несколько чередующихся слоев воздуха различной плотности, способных давать зеркальные отражения. В результате отражения и преломления лучей реально существующие предметы дают на горизонте или над ним по несколько искаженных изображений. Таким образом, одновременно есть условия для появления как верхнего, так и нижнего миража. При сложном распределении слоев атмосферы мираж «Фата – Моргана» очень неустойчив, подвержен изменениям. В течение нескольких секунд образ может трансформироваться. В нем можно увидеть всё, что угодно: корабли-призраки, плавучие города, острова, которые свисают как облака [7].

Практическое применение законов преломления лучей света имеет большое значение для науки и техники. Их применение в разных областях знаний позволяет создавать точные оптические приборы (телескопы, микроскопы, бинокли, фотоаппараты, кинокамеры, очки, контактные линзы и т. п.), исследовать химическую структуру соединений и определять состав химических смесей, получать точные геодезические и астрономические координаты, создавать оптимальные системы связи (оптоволоконная связь) и многое другое.

Иногда специфика передающей среды или источника излучения требует выделить исследования конкретно этой рефракции в особый раздел. Так, рефракцию человеческого глаза изучает офтальмология, в то время как рефракцию звука в воде изучает гидроакустика, рефракцию небесных светил — астрономия и так далее.

Вывод по главе: Мираж – это оптический эффект в атмосфере Земли, который объясняется физическими законами. Свет в пространстве распространяется по прямой линии. Это происходит только до тех пор, пока световой поток не достигнет воздушного слоя, который имеет другую температуру и, соответственно, плотность. Разница в физическом состоянии вызывает преломление световых лучей на границе между слоями. В результате многократного преломления зрители наряду с окружающей обстановкой видят реальную, но расположенную вдалеке, картину.

Мираж не является частым явлением, поскольку для этого необходимы оптимальные для проектирования изображения условия. Это вызывает трудность изучения этого природного явления. Поэтому, на мой взгляд, необходимо создать наглядный материала (отчет) о создании миражей в домашних условиях, для их дальнейшего изучения в классе.

Глава 2. Практическая часть

2.1. Создание миражей в домашних условиях.

Изучив теоретическую часть вопроса, узнали, что мираж – это оптическое явление в атмосфере, основанное на законах преломления лучей света. Попытаемся опытным путем создать условия для его возникновения.

Опыт 1. «Сломанный луч»

Емкость наполнили водопроводной водой. Направили луч лазерной указки на дно. Убедились, что луч света изменил угол падения (Приложение 1). При направлении света из воды в воздух луч не выходит из воды совсем.

Вывод: Луч света преломляется и имеет угол отклонения при переходе из одной оптической среды (воздух) в другую (вода). В разных средах луч света ведет себя по-разному.

Опыт 2. «Отраженный луч»

Емкость наполнили растительным маслом. Направили луч лазерной указки по направлению к границе двух оптически неоднородных сред (масло и воздух). Увидели, что луч света преломился и отразился от границы раздела двух сред.

Вывод: Луч света полностью отражается от границы раздела двух сред, как от зеркала. Это явление называется полным внутренним отражением (Приложение 2). Примерами такого отражения и являются «фата-моргана», «иллюзия мокрой дороги».

Опыт 3. «Всплывающая монетка».

Положили на дно пустой фарфоровой чашки монетку. Поставили чашку на стол и выбрали такой угол зрения, чтобы край чашки скрывал от вас монетку. Аккуратно подливаем в чашку воду. В какой-то момент монетка начинает «всплывать». Заполнив чашку водой, можно увидеть ее целиком (Приложение 3).

Вывод: Лучи, отраженные монеткой, при переходе из воды в воздух преломляются. Попадая в глаза, создают впечатление, что монетка находится выше, чем на самом деле. Таким образом, мы проследили преломление света на границе деления двух сред разной плотности (вода в чашке и воздух).

Опыт 4. «Обманчивая стрелка»

На листке бумаги нарисовали стрелку (указывает направо). Впереди изображения поставили банку с водой. Переводя взгляд фронтально (так, чтобы листок оказался позади банки), замечаем, что изображение стрелки отразилось в воде, но теперь стрелка указывает налево. При изменении угла наблюдения (снизу вверх) можем наблюдать двойное изображение отраженной стрелки. При изменении угла наблюдения сверху вниз обе стрелки сначала исчезают (виден только белый лист бумаги), а потом и листа бумаги тоже не видно (Приложение).

Вывод : Свет, прежде чем попасть на стрелку, проходил сквозь воздух, стекло, воду, снова стекло, а затем обратно. При пересечении каждой преграды свет преломлялся. Вода, налитая в банку, как линза преломляла предметы и дала искаженное изображение стрелок.

2.2 Экономическая и экологическая оценка продукта.

Проведенное исследование и опыты безопасны и экологичны, не смогли бы повлечь за собой изменения в окружающей среде или вызвать нарушения жизнедеятельности человека. Никаких опасных и вредных химических веществ использовано не было. Для проведения опытов потребовались стеклянные емкости бытового применения, водопроводная вода, растительное масло, лазерная указка, монетка. Затраты на покупку лазерной указки составили 50 рублей, остальное оснащение нашлось в домашнем хозяйстве.

Таким образом, проведенная исследовательская работа не нанесла экологического ущерба окружающей среде и не потребовала крупных финансовых затрат.

Вывод: Мираж – это не иллюзия и не обман зрения. Мы действительно видим реально существующий предмет, но вследствие криволинейного распространения света не там, где он расположен и не таким, каков он есть на самом деле.

Проведённые исследования помогли мне объяснить миражи, как физическое явление преломления света на границе раздела оптически однородных сред и в слоисто-неоднородной среде, какой и является земная атмосфера. В результате проведенных опытов, я пришла к выводу, что возможно создать оптически неоднородную среды с помощью простого оборудования в домашних условиях и изучить поведение светового луча в этой среде. Свет, преломляясь в оптически неоднородной среде, приводит к появлению миражей. Моя гипотеза нашла свое подтверждение.

Практическая значимость: мной был создан методический (фото и видео) материал, который поможет на опыте объяснить явление миража на уроках физики или в рамках внеурочной деятельности.

Для достижения эффекта миража разность в плотности сред должна быть настолько высокой, чтобы граница между слоями смогла выполнять функцию зеркала. Лучи света, искажающие свое движение на этой границе, дают возможность одному слою отразиться в другом.

Вайткене Л.Д., Физика, Москва: Издательство АСТ. – 2017. – 256 с.

Как появляется мираж [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://masterok.livejournal.com/4106339.html

Леонович А.А., Физика без формул, Москва: Издательство АСТ. – 2019. – 223 с.

Миражи [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://tainaprirody.ru/atmosfera/mirazh

Оптическое явление мираж и его виды [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://tainaprirody.ru/atmosfera/mirazh

Перельман Я.И., Занимательная физика. – Москва: Издательство АСТ,2017. – 320 с.

Почему мы видим миражи [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.poetomu.ru/publ/zhurnal/mirozdanie/pochemu_my_vidim_mirazhi/1-1-0-285

Схема верхнего и нижнего миража [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://masterok.livejournal.com/4106339.html

Приложение 1

Преломление луча света при переходе из одной оптической среды (воздуха) в другую (воду).

Приложение 2

Преломление и отражение луча света на границе двух оптических сред (растительное масло и воздух) при свете и в темноте.

Приложение 3

Опыт «Всплывающая монетка»

Приложение 4

Опыт «Обманчивая стрелка».

Призрак или оптическое явление: из-за чего возникают миражи

Мираж (от фр. mirage — видимость) — это оптическое явление в атмосфере. Оно вызвано преломлением потока света на границе между разными по температуре слоями воздуха. То есть, когда луч меняет направление, переходя из слоя воздуха одной температуры в слой воздуха другой температуры, мы видим мираж.

Мираж не является иллюзией. Иллюзия — это обман мозга, то есть наши рецепторы неправильно воспринимают увиденное. А мираж — это эффект, который действительно возникает: мы видим реальное изображение, которое возникло за счет хитрого хода луча света.

В мираже не может возникнуть то, чего нет вообще. Объект, который мы наблюдаем в мираже, обязательно где-то есть, но мы видим его не в том месте, не того размера, порой перевернутым или умноженным.

Возможно, самый часто возникающий мираж не раз видели автовладельцы: в жаркую погоду на раскаленной асфальтированной дороге впереди видится лужа с водой. На самом деле это отражение неба на асфальте.

Миражи на Земле случались всегда и продолжают случаться ежедневно. Другой вопрос, что человек далеко не всегда оказывается свидетелем этого явления. Впервые описание миража приводится в трактате Аристотеля «Метеорологика» [1]: жители эллинской колонии на восточном берегу Сицилии в течение нескольких часов видели берег континентальной Италии, хотя до него 150 км. Научное объяснение этому оптическому явлению впервые дал французский физик Гаспар Монж [2] в 1799 году после экспедиции по пустыне Египта. Он объяснил это явление, опираясь на законы преломления и отражения света.

Почему возникает мираж

Миражи возникают там, где есть несколько слоев воздуха разной температуры, поясняет профессор, доктор технических наук, директор центра выставочного проектирования ИТМО Сергей Стафеев. Происходит это потому, что теплый воздух более разреженный, чем холодный, из-за чего свет распространяется в нем быстрее. В физике эту разницу определяет показатель преломления. «Показатель преломления — такая величина, которая характеризует различие скоростей света в двух средах. У теплого воздуха показатель преломления меньше, а холодного — больше», — говорит Стафеев.

Как образуется мираж (Фото: Animate Science / YouTube)

Как объясняет ученый, мираж образуется в тот момент, когда свет, искривляя свой путь, как бы отражается от неравномерно нагретых и различных по плотности слоев воздуха. Так, например, лучи от светлого неба, двигаясь к земле, отражаются и под определенным углом попадают в поле зрения человека. Так человек видит отражение неба на земле, которое легко можно принять за воду. «Противоположная ситуация — это когда внизу холодный, а наверху горячий воздух. Такие условия могут привести к обратному искривлению, когда человек видит объекты выше, чем они расположены», — говорит Сергей Стафеев.

Виды миражей

Миражи можно разделить на несколько типов в зависимости от того, в какой температуре и в каком направлении отражаются лучи света.

Нижний мираж

Нижний мираж [3] возникает в условиях, когда внизу расположен более теплый воздух, чем сверху. Это самый распространенный вид миража, который можно увидеть на дороге во время жаркой погоды или в пустыне. Когда путешественнику в пустыне на горизонте видится вода, это означает, что луч света с неба прошел через слои воздуха и человек видит на песке отражение неба, кажущееся водой.

Мираж (зеркальная гладь воды) в Аравийской пустыне. (Фото: wikipedia.org)

Верхний мираж

Верхний мираж случается, когда внизу «лежит» холодный воздух, а наверху — теплый. В таком случае человек может прямо перед собой увидеть корабль, парящий над морем, хотя на самом деле корабль находится на воде за горизонтом. Как поясняет Сергей Стафеев, верхние миражи случаются в высоких широтах — ледяных полях или на холодных водных поверхностях. Случаются они реже, чем нижние миражи. «При этом верхний мираж более стабилен. Если внизу холодный воздух, а наверху теплый, то слои воздуха меньше перемешиваются, а значит мираж остается виден дольше», — говорит он.

Верхний мираж самолета на льду. (Фото: Yoann SALLAZ-DAMAZ / wikipedia.org)

Боковой мираж

Боковой мираж возникает по такому же принципу как нижний, но отражение идет от вертикальной поверхности, например, от нагретой стены. В отражении стены человек, как в зеркале, может увидеть все, что вокруг нее.

Серая неровная стена крепости в боковом мираже стала словно полированной, прозрачной. (Фото: Я. Перельман. Занимательная физика. Книга 1.)

Фата-Моргана

Это самый сложный из миражей. Он возникает, когда чередуются слои теплого и холодного воздуха. Такая многослойность воздуха может приводить к фантастическим эффектам — умножению видимых образов. Так, вместо одного реального объекта человек видит несколько повторяющихся, причем они могут быть перевернуты, увеличены или уменьшены.

Последовательность Фата-Морганы Фараллонских островов, видимая из Сан-Франциско. (Фото: Brocken Inaglory / wikipedia.org)

Брокенский призрак

Он возникает, как правило, в горах, и для его появления необходим туман и солнце за спиной смотрящего. Солнце светит из-за спины, тень человека увеличивается, проходя через туман. Плюс над головой у тени из-за солнца появляется свечение — получается такой большой призрак со светящимся нимбом над головой.

Брокенский призрак. (Фото: wikipedia.org)

Зеленый луч

Это оптическое явление возникает над водой в теплую безоблачную и безветренную погоду. Как поясняет Сергей Стафеев, в момент, когда солнце вот-вот уйдет за горизонт, человек видит его не багрово-красным, а изумрудно-зеленым. «Солнечный свет состоит из разных цветов. Получается так, что красные лучи уходят выше глаза, фиолетовые лучи рассеиваются и уходят ниже, и фактически из всего солнечного спектра остается только зеленый. И вдруг вы видите зеленое солнце», — говорит он.

Солнце в виде зеленого луча в на острове Шри-Ланка.
(Видео: Serge Mayd / YouTube)

Чем опасен мираж

Сам по себе мираж ничем не опасен для человека. Однако если путник увидит мираж, путешествуя по пустыне, это может сбить его с пути и привести к гибели. Есть немало рассказов о том, как в пустынях терялись целые караваны: увидев в мираже оазис, люди меняли маршрут и терялись в песках. Сейчас с этим чуть проще — для путешественников есть карты, где отмечены зоны возникновения миражей и указано, в образе чего именно они могут появиться — горных цепей, пальмовых рощ.

Как понять, что перед вами мираж

Если хорошо приглядеться, мираж можно отличить от реального объекта. «Характерной особенностью миража является его подрагивание. Здесь я могу сослаться на то, что видели все. Вот если вы смотрите куда-то вдаль сквозь воздух, поднимающийся от костра или от спички, то происходит как будто бы мерцание изображения. Это визуализирует теплые потоки воздуха, поднимающиеся наверх. Таким образом, если видимый объект на горизонте подрагивает, скорее всего, это мираж», — говорит Сергей Стафеев.

Где можно увидеть мираж

Нижние миражи можно увидеть, если впереди раскаленная поверхность — асфальтированная дорога, пески пустыни. В Сети, например, есть кадры миражей в пустыне Сахара (Египет) [4], в пустынях Синьцзяна (Китай) [5], в Долине Смерти (США) [6].

Брокенский мираж можно увидеть в горах. В России, например, его видели на Алтае [7]. Фата-Моргана люди нередко видели [8] на Мальте. Верхний мираж над водой был замечен в штате Гоа в Индии [9].

На протяжении четырех часов в мае 2006 года люди видели мираж [10] в районе Пэнлай провинции Шаньдун на востоке Китая. Туман, поднимающийся над берегом Желтого моря, создавал образ современных высотных зданий города. Мираж возник после того, как в городе два дня шли дожди. Тогда эксперты объяснили появление миража тем, что влага в воздухе стала теплее, чем температура морской воды, которая преломляет лучи солнечного света, создавая отражение пейзажа в небе.