Мираж

Определения и обозначения

Мираж — оптическое явление, при котором удалённые предметы кажутся смещёнными, изменёнными или отражёнными из-за преломления света в слоях воздуха разной температуры. Проще говоря, предмет виден не там, где находится, или выглядит иначе, чем обычно. Это понятие помогает объяснить необычные изображения, которые можно наблюдать, например, на горячей дороге.

Преломление света — изменение направления распространения света при переходе из одной среды в другую или через участки среды с разными оптическими свойствами. Луч не обязательно резко поворачивает: в атмосфере он может постепенно менять направление. Понимание преломления позволяет выяснить, почему свет приходит к наблюдателю не по прямому пути.

Показатель преломления воздуха — величина, характеризующая, насколько свет замедляется и преломляется в воздухе. Она немного меняется с температурой и плотностью воздуха, поэтому соседние воздушные слои могут по-разному влиять на свет. Это понятие нужно, чтобы связать нагрев воздуха с изменением направления луча.

Слои воздуха — участки атмосферы, различающиеся температурой и плотностью. Они не отделены друг от друга стенками, но их свойства могут постепенно меняться с высотой или расстоянием от поверхности. Именно через такие неодинаковые слои проходит свет, создающий изображение миража.

Как это устроено

Солнце нагревает поверхность Земли, а уже от неё тепло передаётся воздуху. Разные участки поверхности нагреваются неодинаково: например, тёмная дорога может стать горячее окружающей местности. Поэтому воздух у земли и воздух выше неё часто имеют разную температуру. Из-за этого в атмосфере формируются слои, отличающиеся также плотностью.

Плотность воздуха влияет на показатель преломления: в более плотном воздухе свет распространяется немного иначе, чем в менее плотном. Когда луч проходит границу двух сред, он преломляется, а при плавном изменении свойств воздуха его направление может меняться постепенно. Поэтому луч не всегда идёт к наблюдателю по прямой линии. Его путь зависит от того, как меняются свойства воздушных слоёв.

Сам наблюдатель не видит изгиб луча. Глаз и мозг воспринимают свет так, словно он пришёл по прямой, и мысленно продолжают направление луча назад. Продолженная линия указывает на кажущееся положение источника света, а не на его настоящее место. Из-за этого удалённый предмет или часть неба могут выглядеть смещёнными.

В жаркий день поверхность дороги сильно нагревает воздух непосредственно над ней. Свет от неба проходит через более холодные верхние слои и горячий воздух у земли, постепенно меняя направление. В глаз он попадает так, будто пришёл от участка дороги, поэтому там возникает изображение неба. Оно напоминает блестящую лужу, хотя настоящей воды на этом месте может не быть.

Над холодной поверхностью температура воздуха может распределяться иначе: например, холодный воздух находится внизу, а более тёплый — выше. В таких слоях лучи от удалённого объекта также преломляются, но их путь и кажущееся направление оказываются другими. Продолжая луч по прямой, наблюдатель может увидеть изображение выше настоящего положения предмета. Такой случай называют верхним миражом.

Как возникают разные миражи

Сравнивайте в таблице сначала расположение тёплого и холодного воздуха, затем прослеживайте, как это связано с путём луча. Положение изображения — то место, откуда, как кажется наблюдателю, пришёл свет, а не реальное положение предмета. Типичные примеры помогают узнать мираж, но сами по себе не объясняют его: для объяснения нужно учитывать слои воздуха.

Разбор задач

Задача 1. Лужа на дороге

В жаркий день на прямой дороге вдали кажется видимой блестящая лужа. Нужно объяснить, почему её нет на самом деле. Важно выяснить, откуда приходит свет и почему его путь создаёт впечатление водной поверхности. Для этого проследим условия возникновения миража.

1. Поверхность дороги нагревается, а вместе с ней становится горячее воздух у земли. Выше остаётся более прохладный воздух, поэтому плотность слоёв различается. Значит, свет проходит через воздух с неодинаковыми оптическими свойствами.
2. Свет от неба, проходя через эти слои, постепенно меняет направление. Часть лучей попадает в глаз наблюдателя так, будто пришла от участка дороги. Это не настоящее отражение от воды, а преломлённый свет.
3. Глаз продолжает попавший в него луч по прямой и помещает источник света у поверхности дороги. Поскольку поверхность кажется блестящей и похожей на отражающую, наблюдателю мерещится лужа. На самом деле он видит мнимое изображение неба.

Ответ: лужи нет, потому что на дороге возникает нижний мираж. Свет от неба преломляется в слоях нагретого у поверхности воздуха и создаёт изображение, похожее на отражение в воде. При приближении такая «лужа» обычно смещается дальше, поскольку изображение связано с путём света, а не с конкретным мокрым участком.

Задача 2. Нарисовать ход луча

Нужно показать на рисунке путь луча от удалённого предмета через слои воздуха разной температуры и указать, где его увидит наблюдатель. Не следует рисовать луч прямым на всём пути: свойства воздуха меняются, поэтому направление луча тоже может меняться. После построения нужно учесть, как глаз определяет положение источника света.

1. Наметьте удалённый предмет и наблюдателя, а между ними обозначьте слои воздуха. Подпишите, где воздух теплее, а где холоднее. Это помогает не забыть, что слои отличаются плотностью и показателем преломления.
2. Проведите от предмета луч, который постепенно искривляется при прохождении через слои. Покажите, что изменяется направление движения света, а не сам луч превращается в предмет или изображение. Конкретную форму линии выбирайте по расположению слоёв.
3. Отметьте попадание луча в глаз наблюдателя. Затем продолжите конечный участок луча назад прямой линией: именно так глаз мысленно определяет, откуда пришёл свет. Там, где эта линия указывает на источник, отметьте кажущееся положение предмета.

Ответ: рисунок должен показывать предмет, искривлённый в неоднородных слоях путь луча и прямое продолжение луча от глаза назад. Последнее указывает кажущееся, а не настоящее положение предмета. Подписи к тёплым и холодным слоям объясняют, почему направление света меняется.

Задача 3. Изображение над холодной поверхностью

Над холодной поверхностью наблюдатель видит удалённый объект выше его обычного положения. Нужно определить вид миража и связать наблюдаемое смещение с ходом световых лучей. Необходимо опираться на расположение изображения, а не только на то, что поверхность холодная. Затем проверим, как преломление объясняет видимое положение объекта.

1. Сравните кажущееся положение объекта с настоящим: изображение находится выше. Такое расположение характерно для верхнего миража. Холодная поверхность помогает понять, почему рядом могут образоваться слои воздуха с различной температурой.
2. Проследите путь света от удалённого объекта к наблюдателю через эти слои. Из-за различий плотности и показателя преломления луч меняет направление. Поэтому он приходит к глазу не по прямой линии от предмета.
3. Продолжите луч от глаза назад по прямой, как это делает зрение. Продолжение укажет на точку выше объекта, хотя сам объект там не находится. Так объясняется кажущееся поднятие изображения.

Ответ: это верхний мираж. Свет от удалённого объекта преломляется в слоях воздуха над холодной поверхностью, а глаз воспринимает его как пришедший по прямой. Поэтому изображение кажется расположенным выше настоящего предмета.

Типичные ошибки

Ошибка: считать мираж отражением от настоящей воды. Блестящая «лужа» действительно напоминает водную поверхность, поэтому такое объяснение кажется естественным. Но изображение создаёт свет, преломлённый в воздухе, а не отражённый от воды. Проверьте себя: если бы лужа была настоящей, её можно было бы обнаружить на месте, а мираж при приближении обычно перемещается.

Ошибка: думать, что свет искривляется сам по себе. Так говорят, когда видят необычную картину, но не замечают условий, в которых распространяется свет. Луч меняет направление из-за прохождения слоёв с разными оптическими свойствами. Чтобы проверить объяснение, найдите, какие именно слои воздуха отличаются температурой и плотностью.

Ошибка: смешивать настоящее и кажущееся положение предмета. Изображение выглядит убедительно, поэтому его легко принять за сам предмет. Однако глаз мысленно продолжает пришедший луч по прямой, и эта линия может указывать в другую точку. Проверка проста: отдельно отметьте место предмета и место, куда ведёт прямое продолжение луча.

Ошибка: считать мираж обманом зрения без физической причины. Наблюдатель действительно воспринимает предмет не там, где он находится, но световые лучи при этом реальны. Причина смещения — неодинаково нагретый воздух и преломление в его слоях. Проверьте себя, объяснив путь света от источника до глаза, а не только назвав необычный вид изображения.

Связь с другими темами

Для понимания миража нужно знать, что в однородной среде свет распространяется прямолинейно, а при переходе между средами может преломляться. Если свойства воздуха меняются от слоя к слою, меняется и направление светового луча. Так изучение миражей помогает применить правила оптики к наблюдениям в природе. Эти представления пригодятся при дальнейшем изучении света, атмосферы и других атмосферных явлений.

Что запомнить

• Мираж — оптическое явление, вызванное преломлением света в воздухе.
• Воздух разной температуры имеет разную плотность и по-разному преломляет свет.
• Луч может постепенно менять направление, проходя через неодинаково нагретые слои.
• Наблюдатель мысленно продолжает попавший в глаз луч по прямой.
• При нижнем мираже изображение обычно кажется расположенным ниже предмета.
• При верхнем мираже изображение может казаться расположенным выше предмета.