Мы собрали более 7 000 задач по физике. 4 200 из них уже с видеоразборами

В таблице приведены некоторые характеристики для двух планет Солнечной системы — Венеры и Марса. Для какой из планет альбедо имеет большее значение? Ответ поясните.

Альбедо Земли

Температура у поверхности Земли зависит от отражательной способности планеты — альбедо. Альбедо поверхности — это отношение потока энергии отраженных солнечных лучей к потоку энергии падающих на поверхность солнечных лучей, выраженное в процентах или долях единицы. Альбедо Земли в видимой части спектра — около 40%. В отсутствие облаков оно было бы около 15%.
Альбедо зависит от многих факторов: наличия и состояния облачности, изменения ледников, времени года и соответственно от осадков. В 90-х годах XX века стала очевидна значительная роль аэрозолей — мельчайших твердых и жидких частиц в атмосфере. При сжигании топлива в воздух попадают газообразные оксиды серы и азота; соединяясь в атмосфере с капельками воды, они образуют серную, азотную кислоты и аммиак, которые превращаются потом в сульфатный и нитратный аэрозоли. Аэрозоли не только отражают солнечный свет, не пропуская его к поверхности Земли. Аэрозольные частицы служат ядрами конденсации атмосферной влаги при образовании облаков и тем самым способствуют увеличению облачности. А это, в свою очередь, уменьшает приток солнечного тепла к земной поверхности.
Прозрачность для солнечных лучей в нижних слоях земной атмосферы зависит также от пожаров. Из-за пожаров в атмосферу поднимается пыль и сажа, которые плотным экраном закрывают Землю и увеличивают альбедо поверхности.

Нужно ли металлическую пластину термометра, используемого в спектрографе, покрывать слоем сажи? Ответ поясните.

Изучение спектров

Все нагретые тела излучают электромагнитные волны. Чтобы экспериментально исследовать зависимость интенсивности излучения от длины волны, необходимо:
1) разложить излучение в спектр;
2) измерить распределение энергии в спектре.
Для получения и исследования спектров служат спектральные аппараты -спектрографы. Схема призменного спектрографа представлена на рисунке. Исследуемое излучение поступает сначала в трубу, на одном конце которой имеется ширма с узкой щелью, а на другом - собирающая линза L₁. Щель находится в фокусе линзы. Поэтому расходящийся световой пучок, попадающий на линзу из щели, выходит из нее параллельным пучком и падает на призму Р.
Так как разным частотам соответствуют различные показатели преломления, то из призмы выходят параллельные пучки разного цвета, не совпадающие по направлению. Они падают на линзу L₂. На фокусном расстоянии от этой линзы располагается экран, матовое стекло или фотопластинка. Линза L₂ фокусирует параллельные пучки лучей на экране, и вместо одного изображения щели получается целый ряд изображений. Каждой частоте (точнее, узкому спектральному интервалу) соответствует свое изображение в виде цветной полоски. Все эти изображения вместе и образуют спектр. Энергия излучения вызывает нагревание тела, поэтому достаточно измерить температуру тела и по ней судить о количестве поглощенной в единицу времени энергии. В качестве чувствительного элемента можно взять тонкую металлическую пластину, покрытую тонким слоем сажи, и по нагреванию пластины судить об энергии излучения в данной части спектра.

Какую окраску имеют гало при преломлении белого света в кристалликах льда? Ответ поясните.

Гало и венцы

Гало — оптическое явление, заключающееся в образовании светящегося кольца вокруг источника света. Термин произошел от фр. halo и греч. halos -«световое кольцо».
Гало обычно возникают вокруг Солнца или Луны, иногда — вокруг других мощных источников света, таких как уличные огни. Они вызваны преимущественно отражением и преломлением света ледяными кристаллами в перистых облаках и туманах. Для возникновения некоторых гало необходимо, чтобы ледяные кристаллы, имеющие форму шестигранных призм, были ориентированы по отношению к вертикали одинаковым или хотя бы преимущественным образом.
Отраженный и преломленный ледяными кристаллами свет нередко разлагается в спектр, что делает гало похожим на радугу, однако гало в условиях низкой освещенности имеет малую цветность. Окрашенные гало образуются при преломлении света в шестигранных кристаллах ледяных облаков; неокрашенные (бесцветные) формы — при его отражении от граней кристаллов. Иногда в морозную погоду гало образуется очень близко к земной поверхности. В этом случае кристаллы напоминают сияющие драгоценные камни.
Вид наблюдаемого гало зависит от формы и расположения кристаллов. Наиболее обычные формы гало: радужные круги вокруг диска Солнца или Луны; паргелии, или «ложные Солнца», - слегка окрашенные светлые пятна на одном уровне с Солнцем справа и слева от него; паргелический круг — белый горизонтальный круг, проходящий через диск светила; столб — часть белого вертикального круга, проходящего через диск светила; он в сочетании с паргелическим кругом образует белый крест.
Гало следует отличать от венцов, которые внешне схожи с ним, но имеют другое происхождение. Венцы возникают в тонких водяных облаках, состоящих из мелких однородных капель (обычно это высококучевые облака) и закрывающих диск светила, за счет дифракции. Они могут появиться также в тумане около искусственных источников света. Основная, а часто единственная часть венца — светлый круг небольшого радиуса, окружающий вплотную диск светила (или искусственный источник света). Круг в основном имеет голубоватый цвет и лишь по внешнему краю — красноватый. Его называют также ореолом. Он может быть окружен одним или несколькими дополнительными кольцами такой же, но более светлой окраски, не примыкающими вплотную к кругу и друг к другу.

Где (сверху или сбоку от картины) лучше поместить светильник для освещения картины, покрытой лаком? Ответ поясните.

Насыщенность цвета

Окраска различных предметов, освещенных одним и тем же источником света (например, Солнцем), бывает весьма разнообразна. Это объясняется тем, что свет, падающий на предмет, частично отражается (рассеивается), частично пропускается и частично поглощается им. Доля светового потока, участвующего в каждом из этих процессов, определяется с помощью соответствующих коэффициентов: отражения, пропускания, поглощения.
Эти коэффициенты могут зависеть от длины световой волны, поэтому при освещении тел наблюдаются различные световые эффекты. Тела, у которых коэффициент поглощения близок к единице, будут черными непрозрачными телами, а те тела, у которых коэффициент отражения близок к единице, будут белыми непрозрачными телами.
Кроме обозначения цвета — красный, желтый, синий и т. д. — мы нередко различаем цвет по насыщенности, то есть по чистоте оттенка, отсутствию белесоватости. Примером глубоких или насыщенных цветов являются спектральные цвета. В них представлена узкая область длин волн без примеси других цветов. Цвета же тканей и красок, покрывающих предметы, обычно бывают менее насыщенными и в большей или меньшей степени белесоватыми.
Причина в том, что коэффициент отражения большинства красящих веществ не равен нулю ни для одной длины волны. Таким образом, при освещении окрашенной в красный цвет ткани белым светом мы наблюдаем в рассеянном свете преимущественно одну область цвета (красную), но к ней примешивается заметное количество и других длин волн, дающих в совокупности белый свет. Но если такой рассеянный тканью свет с преобладанием одного цвета (например, красного) направить не прямо в глаз, а заставить вторично отразиться от той же ткани, то доля преобладающего цвета усилится по сравнению с остальными, и белесоватость уменьшится. Многократное повторение такого процесса может привести к получению достаточно насыщенного цвета.
Поверхностный слой любой краски всегда рассеивает белый свет в количестве нескольких процентов. Это обстоятельство портит насыщенность цветов картин. Поэтому картины, написанные масляными красками, обычно покрывают слоем лака. Заливая все неровности краски, лак создает гладкую зеркальную поверхность картины. Белый свет от этой поверхности не рассеивается во все стороны, а отражается в определенном направлении. Конечно, если смотреть на картину из неудачно выбранного положения, то такой свет будет очень мешать (отсвечивать). Но если рассматривать картину с других положений, то благодаря лаковому покрытию белый свет от поверхности в этих направлениях не распространяется, и цвета картины выигрывают в насыщенности.

Какие миражи (верхние или нижние) еще называют озерными? Ответ поясните.

Миражи

Мираж является оптическим явлением в атмосфере, которое делает видимыми предметы, которые в действительности находятся вдали от места наблюдения, отображает их в искаженном виде или создает мнимое изображение.
Миражи бывают нескольких видов: нижние, верхние, боковые миражи и другие. Образование миражей связано с аномальным изменением плотности в нижних слоях атмосферы (что, в свою очередь, связано с быстрыми изменениями температуры).
Нижние миражи возникают преимущественно в тех случаях, когда слои воздуха у поверхности Земли (например, в пустыне) очень сильно разогреты и их плотность становится аномально низкой. Лучи света, которые исходят от предметов, начинают преломляться и сильно искривляться. Они описывают дугу у поверхности и подходят к глазу снизу. В таком случае можно увидеть предметы как будто зеркально отраженными в воде, а на самом деле это перевернутые изображения отдаленных объектов (рис. 1). А мнимое изображение неба создает при этом иллюзию воды на поверхности.

Верхние миражи возникают над сильно охлажденной поверхностью, когда над слоем холодного воздуха у поверхности образуется более теплый верхний слой (рис. 2). Верхние миражи являются наиболее распространенными в полярных регионах, особенно на больших ровных льдинах со стабильной низкой температурой. Изображения предметов, наблюдаемые прямо в воздухе, могут быть и прямыми, и перевернутыми.
По мере приближения к поверхности Земли плотность атмосферы растет (рис. 3).

Можно ли наблюдать «озерный» мираж в степи летом в солнечную погоду?

Как возникают «озерные» миражи

Для объяснения многих интересных оптических эффектов, наблюдаемых в атмосфере, необходимо учитывать такое явление, как рефракция света. Под этим термином понимают искривление световых лучей при прохождении в атмосфере, вызванное оптической неоднородностью атмосферного воздуха. Причина этого кроется в изменениях плотности воздуха (а значит, и показателя преломления) в зависимости от высоты или при нагревании или охлаждении. Показатель преломления среды определяется формулой n=c/v, где c — скорость света в вакууме, а v — скорость света в данной среде. Скорость света v в среде всегда меньше скорости c и зависит, в частности, от плотности среды. Чем плотнее воздух, тем меньше v и, значит, тем больше показатель преломления воздуха. Плотность воздуха понижается при переходе от нижних слоев атмосферы к верхним. Уменьшается она также при локальном нагревании и даже зависит от ветра.
При рефракции света в атмосфере наблюдатель видит объект не в том направлении, какое соответствует действительности; объект может представляться искаженным, например, диск заходящего солнца, находящегося у самой линии горизонта, кажется сплюснутым по вертикали. Особенно впечатляют явления, получившие название миражей. Различают верхние и нижние («озерные») миражи.
Нижние миражи возникают над сильно нагретой поверхностью, например, в знойной пустыне или над асфальтовой дорогой в жаркий день. В пустыне непосредственно над горячим песком воздух так сильно нагрет, что его плотность и, соответственно, показатель преломления меньше, чем в более высоких воздушных слоях. На рисунке 1 показано изменение показателя преломления воздуха n c высотой h для пустыни в дневное время суток.
Благодаря неоднородности показателя преломления воздуха c луч света искривляется так, как показано на рисунке 2. Поэтому, когда луч попадает в глаз наблюдателя, то ему кажется, что он исходит из точки A', а не из точки A.
Таким образом, если на горизонте находятся пальмы или другие объекты, то наблюдатель видит их перевернутыми и воспринимает как отражения в несуществующих озерах. Вода в этих «озерах» — отражение голубого небосвода. Наблюдателю кажется, что оазис с пальмами находится на расстоянии один-два километра. Но по мере продвижения вперед «озеро» все так же находится где-то впереди, а вокруг по-прежнему одни пески. Наблюдать нижний мираж можно не только в пустынях, но и в наших широтах. Например, при поездке на автомобиле в жаркий летний день на асфальтовой дороге, когда она сильно нагрета солнцем, можно увидеть лужи воды впереди автомобиля, хотя дорога сухая. По мере того как автомобиль движется по дороге вперед, «лужи» отступают все дальше и дальше, оставаясь недосягаемыми.

Можно ли наблюдать верхний мираж в жаркую погоду в степи летом?

Как возникают верхние миражи

Когда мы говорим о чем-то нереальном, неуловимом, мы используем слово «мираж». Он возникает перед наблюдателем чудесным видением, но при попытке приблизиться к нему исчезает. Миражи можно наблюдать не только в пустынях, но и в степях, и даже в более холодных широтах. Хорошо известна легенда из Средних веков о так называемом «Летучем
голландце» — корабле-призраке, вызывавшем суеверный страх у матросов.
Различают несколько видов миражей. Основными являются нижние, так называемые озерные, миражи и верхние миражи. «Озерные» миражи возникают над сильно нагретой поверхностью, например, днем в пустыне. Верхние миражи возникают, наоборот, над сильно охлажденной поверхностью, например, над холодной водой.
Одной из основных причин возникновения миражей является рефракция света в атмосфере, то есть искривление световых лучей при прохождении в атмосфере, вызванное оптической неоднородностью атмосферного воздуха. Ученые установили, что показатель преломления воздуха — это непостоянная величина, она зависит от ряда факторов, одним из основных является плотность воздуха. Плотность же воздуха в атмосфере изменяется как с высотой, так и в зависимости от степени локального нагрева или охлаждения. При увеличении плотности воздуха показатель преломления воздуха увеличивается.
Известно, что плотность воздуха понижается при переходе от нижних слоев атмосферы к верхним. Кроме того, она уменьшается также при локальном нагревании и даже зависит от ветра. Рассмотрим, например, как образуется простой верхний мираж. На рисунке 1 показано изменение показателя преломления воздуха n c высотой h для случая, когда воздух у самой поверхности земли локально сильно охлажден. Как видно из графика, показатель преломления воздуха n у самой поверхности земли больше, чем в более высоких воздушных слоях. На некоторой высоте наблюдается плавный скачок, и далее с ростом высоты показатель преломления n уменьшается уже более медленно.
Световые лучи, идущие от какого-либо объекта, находящегося на такой сильно охлажденной поверхности, будут изгибаться так, что их траектория будет обращена выпуклостью вверх (см. рис. 2). Поэтому наблюдатель может даже видеть объекты, находящиеся за горизонтом, причем он будет видеть их вверху, как бы висящими над линией горизонта. Недаром такие миражи называют верхними.
Верхний мираж может давать как прямое, так и перевернутое изображение. Перевернутое изображение, как на рисунок 2, возникает, когда показатель преломления воздуха уменьшается с высотой достаточно быстро. В случае же относительно медленного уменьшения показателя преломления с высотой формируется прямое изображение.

Какой оттенок (голубоватый или красноватый) будет иметь источник белого света, например, уличный фонарь, если его рассматривать сквозь туманную дымку? Ответ поясните.

Туман под микроскопом

Туман состоит в основном из капелек воды, имеющих диаметр от 0,5 до 100 мкм. Если в тумане преобладают очень мелкие капельки (диаметр меньше 1 мкм), то такой туман называется дымкой. Если же капли тумана относительно велики (диаметр порядка 100 мкм), то это так называемая морось.
В зависимости от размера капелек воды туман может иметь различный оттенок. Цвет тумана определяется световыми волнами, которые, рассеиваясь на капельках воды, попадают в глаз наблюдателя. Капельки диаметром много больше микрометра практически одинаково рассеивают свет во всем интервале длин волн, воспринимаемых глазом. Этим объясняется молочно-белый и белесоватый цвет мороси. Мелкие же капельки дымки рассеивают преимущественно более короткие световые волны, поэтому туманная дымка окрашена в синеватые и голубоватые тона.
В известном смысле возникновение тумана есть явление выпадения росы. Существенно, однако, что конденсация водяного пара в данном случае происходит не на поверхности земли, листьев или травинок, а в объеме воздуха. Центрами конденсации могут служить случайно образующиеся скопления молекул, ионы, а также пылинки, частички сажи и другие мелкие загрязнения в воздухе.
Для возникновения тумана необходимо, чтобы водяной пар в воздухе стал не просто насыщенным, а локально пересыщенным. Водяной пар становится насыщенным, если при данной температуре процессы испарения воды и конденсации водяного пара взаимно компенсируются, то есть в системе «вода – пар» устанавливается состояние динамического равновесия. На рисунке представлен график зависимости плотности насыщенного водяного пара от температуры.
Водяной пар, состояние которого соответствует точке А, становится насыщенным при охлаждении (процесс АВ) или в процессе дополнительного испарения воды (процесс АС). Соответственно, выпадающий туман называют туманом охлаждения или туманом испарения.

В спокойной атмосфере наблюдают положение звезд, не находящихся на перпендикуляре к поверхности Земли в точке A, где располагается наблюдатель. На рисунке схематично показаны истинное и видимое положения для одной из звезд. Какое положение (S₁ или S₂) может соответствовать истинному положению звезды, а какое - видимому? Ответ поясните.

Опыты Птолемея по преломлению света

Оптика — одна из древнейших наук, тесно связанная с потребностями практики на всех этапах своего развития. Прямолинейность распространения света была известна народам Месопотамии за 5 тыс. лет до н. э. и использовалась в Древнем Египте при строительных работах.
Два закона геометрической оптики — закон прямолинейного распространения света и закон отражения света — были описаны знаменитым греческим ученым Евклидом, жившим в III в. до н. э. С помощью этих законов Евклид объяснил целый ряд наблюдаемых явлений, и в частности, явлений отражения света от плоских и даже сферических зеркал. Ученые древности имели также представление о преломлении света и даже пытались установить закон преломления.
Греческий астроном Клавдий Птолемей (около 130 г. н. э.) — автор замечательной книги, которая в течение почти 15 столетий служила основным учебником по астрономии, — создал еще книгу «Оптика», в которой описал, в частности, явление преломления света. С явлением преломления света Птолемей столкнулся, наблюдая звезды. Он заметил, что луч света, переходя из одной среды в другую, «ломается». Поэтому звездный луч, проходя через земную атмосферу, доходит до поверхности Земли не по прямой, а по кривой линии, то есть наблюдается рефракция. Искривление хода луча происходит из-за того, что плотность воздуха меняется с высотой. Чтобы изучить закон преломления, Птолемей провел следующий эксперимент. Он взял круг и укрепил на его оси линейки l₁ и l₂ так, чтобы они могли свободно вращаться вокруг нее (см. рис.).
Птолемей погружал этот круг в воду до диаметра AB и, поворачивая нижнюю линейку, добивался того, чтобы линейки лежали для глаза на одной прямой (если смотреть вдоль верхней линейки). После этого он вынимал круг из воды и сравнивал углы падения α и преломления β. Он измерял углы с точностью до 0,5°. Числа, полученные Птолемеем, представлены в таблице.
Эксперимент Птолемея был поставлен правильно, ученый получил достаточно хорошие численные значения для углов падения и преломления, однако закона он установить не сумел.