Распространение света в воде

Преломление света. На границе водной и воздушной среды проявляется эввект рефракции света, то есть преломления.

Поскольку воздух, стекло и вода имеют разную плотность, свет проходит через них с разной скоростью. Скорость распространения света в воде примерно на 25% ниже, чем в атмосфере. При прохождении границы между любыми двумя средами лучи света будут преломляться (если только не будут пересекать эту поверхность под прямым углом). В результате при прохождении светом границ воды, стекла и воздуха, образуемых маской дайвера. у последнего будет складываться неверное представление о расстояниях (в соотношении примерно 3:4) с эффектом увеличения на треть. Так. если объект находится на расстоянии 4 м, дайверу будет казаться, что до него 3 м и что он примерно в 1,33 раза больше, чем на самом деле (степень увеличения зависит от расстояний между объектом и стеклом маски и между стеклом и глазом) Коэффициент преломления воды равен 1.33. а воздуха — 1.00, поэтому 1,33 — максимально возможное увеличение. Кроме того, объекты кажутся ближе только на небольшом расстоянии. По ряду причин при более значительном расстоянии человек склонен его переоценивать.

Человеческий глаз воспринимает лишь небольшой участок спектра электромагнитного излучения (от самых длинных радиоволн до гамма-излучения с самой малой длиной волны). Различия в длине волны воспринимаются как разные цвета.

Когда свет падает на объект, волны одной длины поглощаются, а другой — отражаются. Глаз определяет цвет объекта в зависимости от длины отраженных волн видимой части спектра. Если отражаются все волны видимой части спектра, объект видится белым; если лишь немногие, объект воспринимается как черный. Некоторые объекты под действием коротких волн излучают волны большей длины видимого спектра. Этот эффект именуется флуоресценцией и не только используется при производстве дайверского снаряжения ради лучшей видимости, но и может наблюдаться ночью у некоторых видов планктона, актиний и кораллов.

По мере проникновения света в глубь воды волны разной длины последовательно отфильтровываются. Первыми меркнут обладающие наименьшей энергией цвета красного участка видимого спектра, затем следуют волны оранжевого и желтого цветов, далее — зеленого и наконец — синего. На глубине красные, оранжевые и желтые объекты кажутся серыми или черными и обретают присущий им цвет только при использовании дай весом искусственных источников света.

Количество преломлённого в воде света зависит от угла падения лучей, состояния водной поверхности и степени рассеяности света

Световые волны , воспринимаемые человеческим глазом как синие, проникают в воду дальше всего в любом направлении. Взвешенные в воде вещества, как органические, так и неорганические, вызывают ее помутнение, а в замутненной воде наибольшей проникающей способностью обладают световые волны, воспринимаемые как желто-зеленые. Таким образом, если в прозрачной воде преобладает синий цвет, то в замутненной — желто-зеленый.

Даже прозрачная вода рассеивает, преломляет и поляризует свет, уменьшает тени и сглаживает контрасты. Поскольку легче разглядеть объекты, выделяющиеся на каком-то фоне, избирательное восприятие цветов определяет, какие цвета контрастируют друг с другом. Отсутствие контраста снижает четкость восприятия мелких деталей в воде гораздо сильнее, чем в воздушной среде. Искажения усиливаются с увеличением дистанции, которую свет проходит в воде — главным образом из-за того, что с увеличением расстояния между объектом и глазом формирующий изображение свет все больше рассеивается.

Фотоны света при столкновении со взвешенными в воде частицами отклоняются от траектории своего движения. То, как свет рассеивается при взаимодействии с веществами, зависит от размера частиц вещества. Согласно закону рассеяния, выведенному лордом Рэлеем. угол рассеивания солнечного света в атмосфере при его взаимодействии с молекулами составляющих атмосферу газов обратно пропорционален четверти интенсивности волны той или иной длины. Потому коротковолновый синий свет рассеивается гораздо лучше, нежели длинноволновый красный. Вот почему при солнечной погоде мы воспринимаем цвет неба как голубой, а цвет прозрачной волы — как синий.

Глаз адаптируется к сумеречной водной среде, и. когда зрачок максимально открывается, мозг переключается на зрительные рецепторы, которые более чувствительны к свету и менее чувствительны к цветам. Потому в сумерках мы плохо различаем цвета. Хотя порой дайверы перед погружением проводят от 15 до 30 минут в затемненном помещении, это не помогает им видеть под водой более мелкие детали и лучше различать цвета.

Количество света, проникающего в воду, зависит также от времени суток. Когда солнце стоит высоко в небе, обычно с 10.00 до 14.00 по местному времени, большее количество света пробивается сквозь поверхность воды под большим утлом и проникает в толщу воды. Именно в эти часы подводные фотографы предпочитают делать панорамные снимки. Когда солнце висит низко нал горизонтом, угол падения лучей небольшой, и значительная часть света отражается от границы воды. Если небо затянуто облаками, в воду будет проникать еше меньше света.

При взгляде из-под воды вверх дайвер может также видеть отражение от поверхности раздела воды и воздуха. Поверхность воды может иметь вид темного поля с ярким кругом прямо над головой. Этот круг, сквозь который видно небо, носит название люка Снеллиуса. Поле вокруг него — обратное рассеяние света, отраженного от более глубоких вод.
Когда водная поверхность покрыта рябью, блики яркого света беспрестанно вспыхивают на подводных объектах и на дне (эффект мятой фольги). Происходит это оттого, что волны работают как линзы. Гребень волны действует как увеличительное стекло, концентрирующее свет в виде яркого пятна. Подошва волны превращается в линзу с отрицательными диоптриями и рассеивает свет, образуя темные участки.

Вверху. Мелкие прибрежные воды, такие, как эти, в заливе Свиней на Кубе, кажутся желто-зелеными.
Внизу. Глубокие океанские воды, например эти, у рифа Эльфинстоун близ побережья Египта, кажутся синими

Источник

ВОЛНОВАЯ ОПТИКА

21. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СВЕТА С ВЕЩЕСТВОМ При распространении света в веществе возникают следующие явления. Во-первых, изменяется скорость распространения, см. (16.5.2), причем, скорость распространения зависит от длины световой волны. Это явление называется дисперсией. Во-вторых, часть энергии световой волны теряется. Это явление называется поглощением или абсорбцией света. Наконец, при распространении света в оптически неоднородной среде возникает рассеяние света на пространственных неоднородностях среды. 21.1. Дисперсия света Дисперсией света называют зависимость показателя преломления n от длины волны (или от частоты), т.е. У прозрачных веществ примерный вид зависимости изображен на следующем рисунке: Такая зависимость n(λ) , когда n уменьшается с ростом λ называется нормальной дисперсией. При прохождении белого света через призму свет разлагается в дисперсионный (призматический) спектр. Это явление впервые наблюдал И. Ньютон (1672 г.). Схема его опыта изображена на рисунке: 21.1.1. Классическая электронная теория дисперсии Последовательное описание взаимодействия света с веществом возможно только в рамках квантовой теории. Однако, во многих случаях можно ограничиться описанием в рамках волновой (электромагнитной) теории излучения и классической электронной теории , согласно которой каждую молекулу среды можно рассматривать как систему зарядов, имеющих возможность совершать гармонические колебания — как систему осцилляторов с различными собственными частотами и коэффициентами затухания. Движение этих осцилляторов можно рассматривать на основе законов Ньютона. 21.1.1.1. Связь показателя преломления с дипольным моментом молекулы Из теории Максвелла следует(см.16.5.2), что . Диэлектрическая проницаемость вещества ε показывает, во сколько раз E0 — напряженность электрического поля в вакууме больше, чем Е — напряженность поля в среде (см. 9.13.3): . Как известно (см. 9.13.3), поле в среде уменьшается за счет возникновения встречного поля Е’ , вызванного поляризацией среды. Величина Е’ связана с поляризованностью диэлектрика Р (вектором поляризации) следующим соотношением (см. 9.13.3): . Таким образом, поле в вакууме E0 больше, чем в среде на величину Е’ , т.е.: . По определению, поляризованность Р — это сумма дипольных моментов единицы объема среды. Если обозначить через N0 число молекул среды в единице объема, — наведенный полем световой волны дипольный момент молекулы, то . Тогда для ε получим: . . 21.1.1.2. Связь дипольного момента молекулы с напряженностью поля световой волны Как видно из только что полученной связи n 2 с p зависимость показателя преломления n от частоты волны ω определяется отношением p/E . Здесь надо сделать две оговорки. Во-первых, поле, действующее на отдельную молекулу (локальное поле), вообще говоря, не совпадает с величиной среднего (макроскопического) поля в среде E . Мы не будем учитывать в элементарной теории дисперсии это различие, таким образом количественные выводы такой теории могут быть применены только к разреженным газам. Во-вторых, дипольный момент молекулы p , наведенный полем световой волны E , является функцией от времени, т.е. p = p(t) . Так как E = E(t) и фаза колебаний p(t) не совпадает, в общем случае, с фазой колебаний E(t) , то для нахождения показателя преломления надо усреднить по времени отношение p(t)/E(t) . Тогда формула для n 2 приобретет следующий вид: . 21.1.1.2.1. Простейшая модель атома в поле световой волны Под действием световой волны совершают колебания только внешние электроны атома, их называют оптическими электронами. Будем считать, что у молекулы (атома) — один оптический электрон. Моделью такого атома будет упругий диполь, дипольный момент которого (см. 9.13.1.1): . Оптический электрон будет двигаться под действием квазиупругой силы, силы «трения» и внешней силы, действующей со стороны электрического поля световой волны. Если световая волна поляризованная, то все эти силы будут действовать вдоль одной прямой. Направим вдоль этой прямой ось x , начало координат совместим с положительным зарядом, который будем, в первом приближении, считать неподвижным. Таким образом, мы приходим к модели пружинного маятника, который совершает колебания под действием внешней гармонической силы. 21.1.1.2.2. Уравнение движения электрона и его решение Уравнение движения, описывающее вынужденные колебания маятника с затуханием было получено нами из второго закона Ньютона в разделе 14.5.5.: . Здесь у нас x — координата электрона, ω0 — собственная частота незатухающих колебаний электрона, β — коэффициент затухания, а . ω — циклическая частота световой волны; me — масса электрона, e — элементарный заряд (e = 1,6 10-19 Кл). Стационарное решение этого уравнения движения (14.5.6.1): , 21.1.1.2.3. Проекции дипольного момента и напряженности поля волны на ось x На следующем рисунке изображен диполь, силы действующие на его полюсы, ось x и вектор электрического поля волны в момент времени t = 0 : Как видно из рисунка, проекция дипольного момента (21.1.1.2.1) на ось x : . Проекция напряженности электрического поля световой волны на ось x : , знак минус означает, что в начальный момент времени вектор направлен против оси x . Напомним, что в нашем уравнении движения (21.1.1.2.2) сила, действующая на электрон, при t = 0 имеет положительный знак. 21.1.1.3. Выражение для n 2 Подставим в формулу, полученную в (21.1.1.2) для n 2 , выражения px(t) , Nx(t) с использованием для x(t) решения уравнения движения, записанное в (21.1.1.2.2): При усреднении по времени дает . Подставляя выражение для амплитуды A -колебаний электрона (из 21.1.1.2.1) получим: ; . Источник Оцените статью Вам также может понравиться Как экономить воду и энергию? Откройте для себя 13 эффективных способов сэкономить дома Цены на продукты питания, энергию, топливо, а также Дождевая вода в саду и на балконе – как ею пользоваться? В России мы можем собирать дождевую воду наиболее эффективно Ящерица бежит по воде мем Ящерица Христа В тропических лесах Америки встречается Ячневая крупа пропорции при варке с водой Крупа ячневая: как варить вкусную кашу – хитрости Правообладателям Политика конфиденциальности Контакты