Номер 4, страница 156 - гдз по физике 8 класс учебник Исаченкова, Громыко

4. Мираж как оптическое явление.

Мираж — это оптическое явление в атмосфере, при котором из-за аномального преломления света в неоднородных по температуре слоях воздуха возникают мнимые изображения реально существующих удалённых объектов. Мираж не является галлюцинацией, а представляет собой реально наблюдаемое физическое явление.

Принцип возникновения

Основой для возникновения миража служит явление рефракции — преломления света при его прохождении через среды с разной оптической плотностью. В однородной среде, такой как вакуум или воздух с постоянной температурой, свет распространяется прямолинейно. Однако атмосфера Земли неоднородна.

Ключевым фактором является зависимость показателя преломления воздуха ($n$) от его плотности ($\rho$), которая, в свою очередь, сильно зависит от температуры ($T$). Горячий воздух менее плотный, чем холодный, и имеет меньший показатель преломления. Связь между показателем преломления и плотностью для газа можно описать формулой Гладстона-Дейла:

$$ n - 1 \approx k \cdot \rho $$

где $k$ — коэффициент, зависящий от состава газа.

Когда световой луч переходит из одной среды в другую (например, из слоя холодного воздуха в слой тёплого), он изменяет своё направление согласно закону Снеллиуса:

$$ n_1 \sin \alpha_1 = n_2 \sin \alpha_2 $$

где $n_1$ и $n_2$ — показатели преломления сред, а $\alpha_1$ и $\alpha_2$ — угол падения и угол преломления луча относительно нормали к границе раздела сред.

В атмосфере, где температура меняется с высотой плавно, показатель преломления также меняется непрерывно. Это приводит к тому, что световой луч движется не по прямой, а по криволинейной траектории, всегда изгибаясь в сторону более плотного (то есть более холодного) воздуха.

Ответ: Мираж возникает из-за искривления (рефракции) световых лучей в неоднородных слоях атмосферы. Неоднородность создаётся из-за разницы температур, что приводит к изменению плотности и показателя преломления воздуха. Световой луч всегда изгибается в сторону более холодных и плотных слоёв воздуха.

Виды миражей

В зависимости от характера распределения температуры воздуха по высоте (температурного градиента), выделяют несколько основных видов миражей.

Нижний (озёрный) мираж

Это самый распространённый тип миража. Он наблюдается, когда поверхность (асфальт, песок в пустыне) сильно нагрета солнечными лучами, а воздух над ней холоднее. В результате у самой поверхности образуется тонкий слой очень горячего, разреженного воздуха с низким показателем преломления.

Лучи света от удалённого объекта (например, от голубого неба) или от верхушки другого объекта (например, пальмы), идущие вниз под малым углом к горизонту, попадают в этот горячий слой. Проходя через слои воздуха с всё уменьшающимся показателем преломления, лучи плавно изгибаются вверх. Если угол падения луча на условную границу слоя превышает предельный угол полного внутреннего отражения, луч полностью отражается вверх.

Для наблюдателя эти изогнутые лучи воспринимаются как идущие по прямой из точки, расположенной под реальным объектом. В результате он видит прямое изображение объекта и под ним — его перевёрнутое мнимое изображение. Это мнимое изображение неба или светлых объектов создаёт полную иллюзию водной поверхности, отражающей небо. Именно так возникает эффект "мокрой дороги" в жаркий день или "озера" в пустыне.

Ответ: Нижний мираж возникает над сильно нагретой поверхностью, когда воздух у земли теплее, чем наверху. Он создаёт перевёрнутое изображение объекта (часто неба) под его реальным положением, что воспринимается как отражение в воде.

Верхний мираж (мираж дальнего видения)

Этот тип миража возникает в условиях температурной инверсии: когда у поверхности земли находится слой холодного воздуха, а над ним располагается более тёплый слой. Такие условия характерны для больших водных пространств (моря, океаны, крупные озёра) и полярных регионов.

Световые лучи от объекта (например, корабля), идущие вверх, попадают в верхние, более тёплые и менее плотные слои воздуха. При этом траектория лучей изгибается вниз, в сторону более холодного и плотного воздуха. Эти лучи могут достичь наблюдателя, который находится на большом расстоянии. Мозг наблюдателя, проецируя лучи по прямой, видит мнимое изображение объекта, расположенное над его истинным положением.

Изображение может быть как прямым, так и перевёрнутым, в зависимости от кривизны лучей. Важнейшая особенность верхнего миража в том, что он позволяет видеть объекты, которые на самом деле находятся за линией горизонта. Легенды о "летучих голландцах" — кораблях, парящих в небесах, — объясняются именно этим явлением.

Ответ: Верхний мираж наблюдается при температурной инверсии (холодный воздух внизу, тёплый наверху). Он формирует изображение объекта над его реальным положением и может делать видимыми объекты, скрытые за горизонтом.

Фата-моргана

Это редкая и сложная форма верхнего миража, возникающая при наличии в атмосфере нескольких чередующихся слоёв холодного и тёплого воздуха. Такая сложная структура показателя преломления приводит к сильному и причудливому искажению световых лучей.

В результате наблюдатель видит несколько наложенных друг на друга, сильно искажённых и вытянутых по вертикали изображений удалённых объектов. Эти изображения могут быстро меняться, мерцать и принимать фантастические формы, напоминающие сказочные замки, горы или города в небе. Название происходит от имени феи Морганы из кельтских мифов, которая, по преданию, создавала призрачные замки, чтобы заманить моряков.

Ответ: Фата-моргана — это сложный и динамичный мираж, представляющий собой множество искажённых изображений. Он возникает из-за наличия в атмосфере нескольких инверсионных слоёв температуры, что приводит к формированию фантастических, быстро меняющихся картин.