Следующий раздел: 2. Электрический злодей и волшебное Выше по контексту: Проект Краткая Энциклопедия Физика (Вопросы Предыдущий раздел: Проект Краткая Энциклопедия Физика (Вопросы   Алфавитный индекс

Разделы

1. Она по всюду является в цвете


1.1 Два солнца на небе

Вопрос: Иногда на небе видно два солнца. Я не знаю, какова закономерность этого явления. Считаю, что это оптический обман. Если да, то в чем он заключается?

Ответ: Эффект двойного Солнца описан в книге М.Миннарта "Свет и цвет в природе", (Москва, 1958), стр. 255, 257. По мнению Миннарта это явление, по-видимому, вызывается местными изменениями яркости светового столба из-за неравномерности распределения облаков. Световой столб возникает обычно при восходе или заходе Солнца, если на луче зрения находится облако ледяных пластинок, которые очень медленно падают, сохраняя свою плоскость параллельной поверхности земли.

(c) Дистанционный консультационный пункт distant@ssl.nsu.ru


1.2 Эффект обратного вращения

Вопрос: Почему создается эффект обратного вращения колеса при быстром движении (например, кареты)?

Ответ: Если речь идет о карете, которую Вы наблюдаете на телеэкране или в кино, то обратное вращение колес возникает, если за время между кадрами колесо повернулось на угол, который, например, меньше чем половина угла между спицами.

Источник: П.В.Маковецкий ``Смотри в корень'', Наука, 1976,стр.182.

(c) Дистанционный консультационный пункт distant@ssl.nsu.ru


1.3 Отражение фотона от поверхности

Вопрос: Когда свет падает на какой-либо предмет, часть света отражается. В этом случае фотон на очень-очень короткое время контактирует с предметом. Становится ли на это очень короткое время скорость фотона равной нулю? Ускоряется ли фотон после этого?

Ответ: Отражение света можно объяснять на двух языках: волновом и корпускулярном.

  • При контакте света с поверхностью предмета падающая электромагнитная волна индуцирует в предмете переменные токи, раскачивая переменным электрическим полем электроны в атомах. Индуцированные токи возникают не только на поверхности предмета, но и в глубине его. Они сами излучают вторичные электромагнитные волны во всех направлениях. Эти волны, интерферируя между собой, создают проходящую и отраженную волны. Видно, что размазанная в пространстве (по крайней мере, на длину волны) электромагнитная волна контактирует с предметом, нигде не локализуясь и не останавливаясь.

  • Фотон, достигший поверхности предмета, проникает внутрь его. Пройдя длину поглощения, фотон поглощается атомом, переводя его в возбужденное состояние. Через некоторое время атом возвращается в основное состояние, испуская фотон. Видно, что когда фотон существует, его скорость равна скорости света, а когда фотон не существует, не имеет смысла понятие ``скорость фотона''.

(c) Дистанционный консультационный пункт distant@ssl.nsu.ru


1.4 Красный цвет светофора

Вопрос: Почему именно красный цвет означает остановку, а не какой-нибудь другой (у светофора)?

Ответ: В световой сигнализации, применяемой на всех видах транспорта, широко используются в качестве условных знаков цветовые сигналы. Наиболее широко используемыми являются цвета: красный, зеленый, желтый, синий и белый. Для воспроизведения этих цветов применяются цветные светофильтры. Основным требованием, предъявляемым к таким светофильтрам, является безошибочная опознаваемость сигналов. Наиболее различными по ощущению цветности должны быть красный и зеленый сигналы, запрещающий и разрешающий движение в дорожной сигнализации.

Подробнее в книге: В.В.Мешков, А.Б.Матвеев ``Основы светотехники'', М., Энергоатомиздат, 1989, стр.361-363.

Человеческий глаз свет разных длин волн (цветов) воспринимает по-разному. Наилучшую чувствительность средний нормальный глаз при дневном зрении имеет в желто-зеленой части спектра 555 нм. При сумеречном зрении максимум чувствительности смещается в коротковолновую область -- 510 нм. При восприятии красного цвета 650-700 нм чувствительность глаза составляет 0,04-0,1 от максимальной при дневном зрении и 0,00002-0,0007 -- при сумеречном зрении. При восприятии зеленого цвета 500-550 нм чувствительность глаза составляет 0,3-0,99 от максимальной при дневном зрении и 0,5-0,98 -- при сумеречном зрении. Видно, что предельное расстояние, с которого еще можно разглядеть красный цвет, гораздо меньше, чем предельное расстояние для зеленого цвета.

Подробнее в книге: В.В.Мешков, А.Б.Матвеев ``Основы светотехники'', М., Энергоатомиздат, 1989, стр.55-60.

Распространение света в атмосфере определяется показателями поглощения и рассеяния. В видимой области спектра поглощение очень мало и им обычно пренебрегают. Рассеяние разделяют на молекулярное и аэрозольное. Рассеяние света характеризуется коэффициентом ослабления света $ \alpha$, который задает экспоненциальное ослабление освещенности $ E$ источника света $ I$ на расстоянии $ r$: $ E=\frac{Ie^{-\alpha r}}{r^2}$

Для молекулярного рассеяния $ \alpha(\lambda)= 0,0119 \Big(\frac{550}{\lambda}\Big)^4\ $   км$ ^{-1}$, где $ \lambda$ -- длина волны в нм.

Для аэрозольного рассеяния , сильно зависящего от мутности атмосферы, $ \alpha(\lambda)=(\frac{3,9}{s}-0,012)
\Big(\frac{550}{\lambda}\Big)^m\ $   км$ ^{-1}$, где $ \lambda$ -- длина волны в нм; $ m=0,92\pm 0,25$; $ s$ берется в зависимости от состояния атмосферы: при легком тумане $ s=1$ км, при дымке $ s=4$ км, при ясном небе $ s=20$ км.

Подробнее в книге: Л.С.Долин, И.М.Левин ``Справочник по теории подводного видения'', Л., Гидрометеоиздат, 1991, стр.197-198.

Видно, что $ \alpha(700)/\alpha(550)\simeq 0,4$ для молекулярного рассеяния, и
$ \alpha(700)/\alpha(550)\simeq 0,8$ для аэрозольного рассеяния. Поскольку характерные расстояния, на которых убывает освещенность, $ - 1/\alpha \sim 100$ км, то незначительный выигрыш в коэффициенте ослабления для красного света принципиально не меняет ситуацию для автотранспорта.

Каждый цвет определенным образом воздействует на человека. Действие цветов обусловлено, с одной стороны, непосредственным физиологическим влиянием их на организм, а с другой -- ассоциациями, которые цвета вызывают на основе предшествовавшего опыта. Некоторые цвета возбуждают, другие, напротив, успокаивают нервную систему.

Еще Гете отмечал действие цветов на настроение и делил с этой точки зрения цвета на возбуждающие, оживляющие, бодрящие и порождающие печально-беспокойное настроение. К первым он относил красно-желтые, ко вторым -- фиолетовые. Промежуточное место он отводил зеленому цвету, который способствует, по мнению Гете, состоянию спокойной умиротворенности. Известную роль в этом эмоциональном воздействии цветов играют, по-видимому, и ассоциации: голубой цвет ассоциируется с цветом голубого неба, зеленый - с зеленью, голубо-зеленый -- с водою, оранжевый -- с пламенем и т.д. Цвета производят определенное физиологическое воздействие человеческий организм. Французский невропатолог Ч. Фере отметил, что показания динамометра, определяющего сжатием руки мускульную силу, изменяются при различных условиях освещения. При кратковременной работе производительность труда увеличивается при красном свете и уменьшается при синем; при длительной работе производительность труда увеличивается при зеленом цвете и снижается при синем и фиолетовом. Экспериментальные исследования В. М. Бехтерева , И.Н.Спиртова и других, установили возбуждающее и угнетающее действие различных цветов, в связи с чем Бехтеревым была поставлена задача использования терапевтического эмоционального воздействия цветов на психическое состояние душевнобольных.

Ф. Стефанеску-Гоанга установил, что при действии пурпурного, красного, оранжевого, желтого цветов учащается и углубляется дыхание и пульс, а при действии зеленого, голубого, синего и фиолетового цветов возникает обратное действие. Следовательно, первая группа цветов является возбуждающей, а вторая -- успокаивающей. По замечаниям художников и искусствоведов, красный цвет -- возбуждающий, согревающий, оживляющий, активный, энергичный, очень богат ассоциациями; оранжевый -- веселый, жизнерадостный, пламенный, соединяющий радостность желтого с возбуждением красного; желтый -- теплый, бодрящий, веселый, привлекательный, несколько кокетливый; зеленый -- спокойный, создает приятное (уютное) настроение, очень богат ассоциациями; синий -- спокойный, серьезный, нежный, печальный, тоскливый, мирный, сентиментальный; фиолетовый цвет соединяет эмоциональный эффект красного и синего цветов -- одновременно притягивающий и отталкивающий, полный жизни и возбуждающий тоску и грусть.

Цветам свойственна определенная выразительность. Выразительность цвета не есть результат ассоциации и не перенос символики цвета, а качество, принадлежащее самому цвету. Выразительность в значительной степени зависит от установки испытуемых

Подробнее в книге: С.Л.Рубинштейн ``Основы общей психологии'', М., Педагогика, 1989, стр.253-265.

Таким образом, складывается впечатление, что красный цвет в светофоре выбран для сигнализации запрета исходя не из физических аргументов, а из психофизиологических.

(c) Дистанционный консультационный пункт distant@ssl.nsu.ru


1.5 Ледяная линза

Вопрос: Можно ли с помощью льда разжечь огонь?

Ответ: Если изготовить ледяную линзу, то в принципе, сфокусировав солнечный свет, можно поджечь, например бересту. Правда, необходимо выяснить следующие вопросы:

Есть ли у вас чистый и прозрачный как стекло лед? Как известно (Н.Мауно ``Наука о льде'', М., Мир, 1988, стр.54), для получения чистого прозрачного льда надо замораживать деионизированную воду с одной стороны очень медленно, чтобы скорость образования льда была не выше 2 мм/час.

Умеете ли вы его обрабатывать, придавая нужную форму, и полировать? Насколько нам известно, любая механическая обработка льда, связанная с изменением его формы, приводит к порче поверхности, покрытию ее трещинами. Можно попытаться сразу замораживать воду в блюдце со сферическим дном, а затем аккуратно вынуть лед из блюдца. У Перельмана это хорошо описано в ``Занимательной физике'' М., Наука, 1991, стр. 157-159. Первый успешный опыт был проведен в Англии в 1763 г. Для вынимания льда чашку надо слегка подогреть.

Успеет ли появиться огонь за то время, пока из-за таяния линзы расфокусируется изображение? Очевидно, что все должно получиться на открытом воздухе в морозный день.

(c) Дистанционный консультационный пункт distant@ssl.nsu.ru


1.6 Полярное сияние

Вопрос: На какой минимальной широте можно наблюдать полярные сияния?

Ответ: Полярные сияния наблюдаются, как правило, на высотах от 100 км до 1000 км от поверхности Земли. Наиболее часто они видны в двух кольцевых зонах, окружающих оба полюса Земли. В ночные часы полярные сияния появляются в зените главным образом на геомагнитных широтах, отстоящих от геомагнитного полюса Земли приблизительно на 23 градуса и называемых зонами полярных сияний.

В нашем полушарии южнее вышеуказанной зоны полярные сияния тоже бывают видны, но не в зените, а в северной части неба.

Интенсивные полярные сияния появляются в связи с мощными хромосферными вспышками на Солнце, приводящими к нарушению нормального состояния ионосферы Земли и появлению магнитных бурь. При наиболее сильных магнитных бурях полярные сияния регистрируются даже на экваторе (широта равна 0). На широте Новосибирска полярные сияния не так уж и редки. Они наблюдаются в северной части неба чаще всего как световые столбы разной яркости. Поскольку интенсивность излучения частиц на средних широтах мала, то мы не можем невооруженным глазом увидеть цвет полярного сияния и все его переливы.

Инструкцию по наблюдению полярных сияний можно найти в ``Астрономическом календаре'' (постоянная часть).

(c) Дистанционный консультационный пункт distant@ssl.nsu.ru


1.7 Закат Солнца

Вопрос: Почему при закате солнце разделяется полосой?

Ответ: Иногда, когда Солнце находится низко над горизонтом, можно наблюдать странное искажение его очертаний. Часто углы видимого сегмента закруглены, иногда кажется, что диск состоит из двух частей, соединенных вместе; порой под Солнцем оказывается полоска света, которая поднимается по мере того, как солнечный диск опускается. Бывает, что Солнце садится не за горизонт, а на расстоянии нескольких минут дуги над ним.

Кажется, что такие искажения появляются чаще вечером, чем утром, и объяснение этому следует искать в метеорологических факторах. В тихие безоблачные дни слои воздуха с различной плотностью меньше перемешиваются, так что искажения в очертаниях солнечного диска можно принять за предзнаменование устойчивого состояния атмосферы и, следовательно, хорошей погоды.

Оптические искажения, описанные выше, объясняются не чем иным, как обычным миражом.

Тонкий слой теплого воздуха покрывает Землю. Тогда мы видим непосредственно Солнце, и в это же самое время под ним -- его отражение, причем горизонт лежит между ними. В то время как Солнце садится за видимый горизонт, из-за него встает сплющенное ``противосолнце'', и оба диска соединяются в том месте, где вот-вот должно исчезнуть действительное Солнце. Оба диска все больше и больше сливаются, приобретая очертания, напоминающие воздушный шар и т. п.

Теперь предположим, что воздух около самой Земли холодный, а выше него лежит теплый слой воздуха (инверсия). Вообразим теперь, что наблюдатель направляет свой взор все более и более горизонтально. В некотором направлении его взгляд касается верхнего края Солнца; еще ниже его взгляд по отношению к поверхности разрыва становится более наклонен. В горизонтальном направлении он падает на этот слой под таким большим углом, что луч зрения изгибается и не покидает Землю. Если наблюдатель находится над поверхностью Земли, он сможет даже заглянуть вниз под небольшим углом. Если наблюдатель смотрит еще ниже, то угол взгляда на поверхность разрыва уменьшается и опять оказывается настолько малым, что луч зрения уходит за пределы Земли. Поэтому внутри некоторого угла по обе стороны от горизонтального направления ни один луч, выходящий за пределы Земли, не достигает наблюдателя; он видит ``слепую полосу''.

Рассматривая таким образом строение атмосферы, видно, что Солнце заходит прежде, чем оно достигает фактического горизонта -- как только оно попадает в ``слепую полосу''. Если наблюдатель находится на вершине холма или на палубе корабля, он, вероятно, сможет увидеть нижний край Солнца, появляющийся под ``слепой полосой''. Изображения, конечно, будут искажены в вертикальном направлении; над "слепой полосой" сжаты по вертикали, под ней -- вытянуты.

Иногда край Солнца имеет несколько небольших зазубрин, которые, по видимому, указывают на наличие более чем одной поверхности разрыва в атмосфере.


Литература: М.Минарт ``Свет и цвет в природе'', М., 1958, стр.91-95.

(c) Дистанционный консультационный пункт distant@ssl.nsu.ru



E.M.Baldin@inp.nsk.su
23 Января 2000