Луч солнца преломление вода

Водолаз смотрит из-под воды вверх и видит Солнце. Ему кажется, что угол между видимым направлением на Солнце и вертикалью равен 30 градусам. На какой высоте над горизонтом находится Солнце?

По условию лучи Солнца преломились под углом 30 градусов, вспоминаем закон Снеллиуса
n1*sin(a1) = n2*sin(a2)
1*sin(a1) = 1.33*sin(30°)
откуда угол падения a1 = arcsin(1.33*sin(30°)) = 41.7 градуса

Значит высота солнца над горизонтом а = 90-41.7 = 48.3 градуса

рисунок беру отсюда (решение от 2015-01-16)

Ещё одна подобная задача, отсюда (решал 2014-12-25)

Солнце составляет с горизонтом угол, синус которого равен 0.6. Шест высотой 170 см вбит в дно водоёма глубиной 80 см. Найдите длину тени на дне водоёма, если показатель преломления воды 4/3.

sin(c) = 0.6, откуда cos(c)=(1^2-0.6^2)^0.5 = 0.8, значит tan(c) = sin(c)/cos(c) = 3/4

Из воды торчит 170-80 = 90 см = 0.9 м. Значит длина тени на поверхности воды составит s1 = 0.9 м / tan(c) = 1.2 м.

Затем будет преломление по закону Снеллиуса:
sin(a)*1 = sin(b)*4/3
cos(b)*1 = sin(b)*4/3
sin(b) = 0.8/(4/3) = 0.6, откуда b=с
значит s2 = 0.8м * tan(b) = 0.8*3/4 = 0.6 метра.

Полная длина тени по дну составит s1+s2 = 1.8 м.

Источник

Вода и свет. Поглощение цветов. Преломление

Видимое нами изображение создается, когда лучи, отраженные от объекта, попадают на сетчатку глаза. Здесь эта энергия преобразуется в нервные импульсы и поступает в мозг для анализа. Поскольку характеристики света меняются при переходе через воду, вода влияет на то, как далеко мы можем видеть, на прозрачность, цвета и кажущееся расстояние.

Применительно к дайвингу: То, как вода изменяет свет, влияет на наше восприятие. На глубине объекты могут казаться ближе или дальше или зрительно менять цвет. Если вас интересует подводная фотография, то понимание принципов взаимодействия поды и света поможет вам получать яркие цветные снимки.

Мутность воды и дисперсия. Хотя в чистой воде только порядка 20% солнечного света достигает глубины около 10 метров, в открытом море в воду проникает достаточно света для поддержания процесса фотосинтеза на глубинах до 100 метров. С другой стороны, высокое содержание взвешенных частиц может препятствовать проникновению света даже на глубину 3 метра.

Относительная концентрация взвешенных частиц называется мутностью. Взвешенные частицы могут быть как органического происхождения (например, планктон), так и неорганического (например, поднятый со дна ил). Мутность воды может быть вызвана как естественными причинами и явлениями (например, стоком дождевой воды), так и негативными последствиями деятельности человека (например, загрязнением окружающей среды).

В любом случае, чем выше мутность, тем меньше света проникает в толщу воды и тем хуже видимость. Когда вы спрашиваете у дайвмастера «Какая видимость?», вы тем самым спрашиваете про мутность воды.

Вода рассеивает и преломляет свет — это явление называется дисперсией. Этот процесс происходит даже в очень чистой воде, что уменьшает количество света, проникающего на глубину. Свет рассеивается — отражается от взвешенных частиц по мере прохождения через воду, что ведет к более равномерному его распространению. Дисперсия уменьшает или вообще устраняет тени под водой. Также в результате дисперсии удаленные от вас объекты кажутся «размытыми» или нечеткими. Свет, идущий от объекта к вашему глазу, немного отклоняется от прямой линии. Чем выше мутность воды, тем больше дисперсия.

Поглощение цветов. Чтобы облегчить понимание того, как происходит поглощение цвета, рассмотрим природу света и то, как наш глаз воспринимает его. Свет — это форма электромагнитной энергии. Он распространяется волнами, длина которых определяется их энергией. От длины волны зависит то, как мы классифицируем тип электромагнитной энергии (например, рентгеновское излучение, радиоволны, видимый свет и т.д.). В зависимости от длины, некоторые волны электромагнитной энергии невидимы — такие, как ультрафиолетовое, инфракрасное излучение, рентгеновские лучи, микроволны или космические лучи.

Наши глаза могут воспринимать только узкий сегмент всего электромагнитного спектра — длины волн приблизительно от 400 нанометров (нм) до 760 нм. Различия длины волн внутри этого интервала мы воспринимаем как цвета. Когда белый свет (он состоит из лучей всех длин волн видимого спектра) попадает на какой-либо объект, то лучи определенных длин поглощаются, а лучи других длин отражаются. Мы воспринимаем цвет на основе длин световых волн, отраженных от объекта. Если какой-то предмет отражает лучи всех длин, то мы говорим, что он белый. Если он не отражает никаких лучей (поглощает лучи всех длин видимого спектра), то мы говорим, что предмет черный.

Длина волны зависит от количества энергии в световом луче. Цвета на красной стороне видимого спектра обладают меньшей энергией, чем цвета на синей стороне. Если рассматривать весь спектр (видимый и невидимый), то инфракрасный свет — это очень небольшая энергия, а ультрафиолетовый — очень большая.

Даже совершенно чистая вода поглощает свет, который проходит через нее, и преобразует его в тепло. Однако свет поглощается водой неоднородно, поскольку волны, обладающие меньшей энергией, поглощаются легче. Цвета, расположенные ближе к красному концу видимого спектра, поглощаются водой в первую очередь. Поэтому красный цвет быстро пропадает с глубиной.

Как правило, на глубине более 4 метров красный цвет встречается редко, потому что очень мало света с этой проникнуть глубже. Это не означает, что красный цвет внезапно исчезает на глубине 4 метра, но, в сущности, глубже его почти нет. Поглощение цветов — это постепенный процесс: так, на глубине 2 метра цвета менее насыщенные, чем на глубине 1 метр. И прежде всего, это сказывается на длинах волн с меньшей энергией.

За красным цветом вода последовательно поглощает оранжевый, желтый и зеленый. Подводные фотографы используют вспышку даже при очень хорошем естественном освещении именно из-за поглощения цветов. Свету от вспышки не нужно преодолевать большое расстояние в воде, поэтому он восстанавливает поглощенные длины волн и позволяет получать красочные изображения. Вспышка необходима для получения качественных подводных фотографий, хотя современные цифровые камеры частично могут исправлять поглощенные цвета (мы поговорим об этом дальше). Будучи дайверами, мы ассоциируем поглощение цвета с глубиной, но на самом деле это зависит от общего расстояния, которое свет проходит в воде. Например, если вы находитесь в чистой воде на глубине всего 2 метра, красный предмет рядом с вами будет казаться красным. Но если вы отплывете от него на 3 метра, то он уже будет казаться коричневым. Ведь в таком случае свет суммарно проходит в воде 5 метров (2 метра от поверхности до предмета, а потом еще 3 метра от предмета до вас), и большинство длин волн красного цвета поглощается. Это является одной из причин, почему любители подводной фото- и видеосъемки используют линзы с очень широким углом — это позволяет максимально приблизиться к предмету и уменьшить расстояние, которое свет проходит в воде.

В отношении видимого света в чистой воде максимальной светопроницаемостью обладают волны длиной приблизительно 480 нм — волны, которые воспринимаются нами как синий цвет. Однако в мутной воде максимальная светопроницаемость переходит к желто-зеленым волнам. Поэтому чистая вода кажется нам голубой, а более мутная — желто-зеленой.

Поглощение цветов изменяет не только цвет, но и контрастность, влияя на то, как хорошо мы видим под водой. Поэтому нам легче разглядеть то, что резко выделяется на фоне всего остального. Эксперименты показали, что все факторы, которые влияют на поглощение водой цвета, а именно: мутность, глубина, соленость, размер взвешенных частиц, загрязнение, также влияют и на контрастность. Все, что влияет на видимый цвет, также влияет на видимую контрастность. Например, на поверхности красная наклейка очень четко выделяется на темно-зеленом фоне, тогда как на глубине 30 метров и наклейка, и фон могут казаться одного цвета. Наклейка становится менее заметной, так как она уже не выделяется на своем фоне.

Поглощение не влияет на флуоресцентные цвета, потому что, во-первых, они не часто встречаются под водой, а во-вторых, флуоресцентные цвета не просто отражают цвет, но излучают цвет при воздействии света с более короткой длиной волны (феномен флуоресценции). Поэтому флуоресцентные цвета не меняются и хорошо заметны на глубине. Производители снаряжения для дайвинга часто используют флуоресцентные цвета. Также это встречается и в живой природе. Например, актиния Corynactus сохраняет красный цвет на глубине, потому что ее ткани содержат натуральные флуоресцентные пигменты.

Нам придется ненадолго перейти от физики к физиологии, так как восприятие цветов под водой зависит от того, как работают наши глаза. При плохом освещении зрачок (отверстие в радужной оболочке глаза) расширяется, чтобы пропустить больше света. Когда он полностью расширился, глаз продолжает адаптироваться, включая фоторецепторы — чувствительные к свету клетки, расположенные на сетчатке. При обычном освещении наши глаза в основном используют фоторецепторы колбочки, а при плохом освещении — более чувствительные палочки (колбочки и палочки получили свои названия из-за формы). Палочки позволяют нам видеть при очень плохом освещении, но, по сравнению с колбочками, они хуже различают отдельные детали и цвета. Поэтому при плохом освещении подводный мир может казаться еще менее ярким. Подобные изменения в глазу при плохом освещении происходят всего лишь за 10 минут, хотя при переходе от яркого освещения к почти полной темноте глазу для адаптации может потребоваться более 30 минут. Чтобы облегчить процесс аккомодации, особенно при подготовке к ночному погружению, некоторые дайверы (прежде всего, военные водолазы) надевают красные очки или используют красное освещение примерно за 10-20 минут до начала погружения.

В органах зрения и при плохом, и при хорошем освещении происходит еще один процесс. Наши глаза и мозг приспосабливаются таким образом, чтобы цвет света вокруг нас казался белым (в допустимых пределах). Например, обычные лампы накаливания, используемые дома, излучают желто-красный цвет, но, если специально не акцентировать на этом внимание, то мы воспринимаем белую стену, освещенную такой лампой, белой, а не желто-красной, какой она на самом деле является в этом свете.

Под водой этот процесс в некоторой степени корректирует поглощение цветов. Поэтому объекты на подводных фотографиях, снятых без вспышки, оказываются более сине-зелеными, чем они остались у вас в памяти — ваши органы зрения приспособились к потере цвета под водой, тогда как фотоаппарат этого не сделал. Это особенно заметно при работе с пленочными фотоаппаратами. Современные цифровые аппараты автоматически корректируют баланс белого цвета (примерно так же, как это делают наши глаза), что частично компенсирует потерю цветов.

Преломление. Еще одним свойством света, влияющим на нас под водой, является преломление, то есть изменение направления света при переходе из одной среды в другую с разной плотностью — как в случае перехода из воздуха в воду и наоборот. Преломление возникает из- за того, плотность среды влияет на скорость света, что приводит к изменению его направления. Единственный случай, когда свет не меняет направления при переходе из одной среды в другую с разными плотностями — если он направлен строго перпендикулярно границе между средами. Хотя угол преломления разный для разных веществ, он известен для большинства веществ, включая воздух и воду.

Применительно к дайвингу: Вы наверняка уже пробовали что-нибудь взять под водой и промахивались. Дело в том, что предметы кажутся ближе, чем они есть на самом деле, из-за явления преломления.

В дайвинге явление преломления становится особенно важным для нас, когда свет проходит из воды сквозь стекло маски в подмасочное пространство или бокс для фотоаппарата. В результате преломления предметы под водой увеличиваются и кажутся ближе. Отношение действительного расстояния до предмета к кажущемуся составляет приблизительно 4:3. Например, если рыба находится на расстоянии 4 метра, вам кажется, что до нее не более трех метров. Можно сказать, что предмет кажется на 25% ближе, чем он находится на самом деле, или на 33% больше, чем он есть на самом деле.

Из-за преломления дайверы-новички зачастую промахиваются под водой, когда пытаются что-то взять. С опытом большинству дайверов удается корректировать месторасположение объекта на уровне подсознания.

Эффект увеличения в результате преломления может влиять не на кажущееся расстояние, а на кажущийся размер. То, как вы воспринимаете предмет (ближе или больше), зависит от того, как ваш мозг интерпретирует образ — либо как действительного размера, но расположенный ближе, либо как находящийся на действительном расстоянии, но крупнее. Такие факторы, как наличие естественных ориентиров, видимость, знакомство с местом и предметом, влияют на то, как ваш мозг воспринимает то, что он видит.

Как правило, подводный фотоаппарат воспринимает объекты так же, как и ваши глаза через маску. Поэтому мы устанавливаем фокус, ориентируясь на кажущееся расстояние до предмета, а не действительное (функция автофокуса выполняет корректировку автоматически). Увеличение в результате преломления уменьшает угол обзора фотоаппарата, что вызывает незначительный эффект телеобъектива. Для подводной фотографии чаще всего используются объективы с как можно более широким углом, поэтому можно встретить подводные боксы со сферическим портом. Это напрямую связано с явлением преломления, а точнее, с попыткой его избежать.

Вспомним, что луч света, направленный под прямым углом, при переходе из одной среды в другую с разными плотностями не преломляется. В случае сферического порта, все лучи света, попадающие в объектив, падают на порт под прямым углом. Это устраняет эффект преломления и обеспечивает желаемую широту угла обзора под водой. Правда, при этом сферический порт искусственно делает фокус ближе, размещая его обычно на расстоянии метра. Но это не представляет особой проблемы, поскольку вы фокусируете снимок (или же фотоаппарат выставляет автоматический фокус) на основании кажущегося расстояния.

Другим эффектом преломления является постоянное перемещение световых «зайчиков» по дну. Их особенно легко заметить на плоском песчаном дне.

Волны на поверхности создают эффект линзы, в результате чего появляются эти блики. Когда идет волна, се гребень преломляет свет и концентрирует его на дне светлым пятном, которое перемещается по дну вместе с волной.

Обратный оптический эффект. Хотя из-за преломления предметы под водой кажутся ближе, из-за мутности воды они могут казаться дальше, чем они есть на самом деле. Это явление называется обратным оптическим эффектом. Обратный оптический эффект является результатом наших зрительных процессов и того, как мозг воспринимает то, что он видит, в зависимости от прозрачности воды, контрастности и количества света.

Поскольку воздух поглощает свет гораздо медленнее, чем это делает вода, свет должен пройти достаточно большое расстояние, прежде чем мы заметим потерю цветов и дисперсию света. Только очень удаленные объекты кажутся расплывчатыми и менее контрастными. Поэтому наш мозг привык к тому, что если объект выглядит размытым с нечеткими очертаниями, то он находится далеко от нас.

Поскольку при определенных условиях вода рассеивает свет, поглощает цвета и влияет на контрастность, наши органы зрения в таких условиях могут воспринимать объект так, как будто он находится далеко от нас. Это и есть обратный оптический эффект.

Благодаря свойствам преломления, дисперсии, поглощения цвета и наших органов зрения, объект под водой может казаться ближе или дальше, чем он есть на самом деле. Как правило, чем ближе расположен объект, тем более вероятно, что он будет казаться нам еще ближе, а чем дальше расположен объект, тем более вероятно, что он нам будет казаться еще дальше. Но чем больше мы ныряем, тем больше наш мозг приспосабливается к существованию в обеих средах, поэтому с опытом мы начинаем воспринимать объект на таком расстоянии, на котором он находится на самом деле.

Отражение. Когда свет падает на что-либо, он может резко поменять направление или отразиться. Будет ли свет отражаться, зависит в основном от цвета предмета. Если предмет черного или очень темного цвета, то он будет отражать очень мало света. Если же предмет белого, очень светлого или бледного цвета, то он будет отражать много света. Если объект обладает достаточной способностью к отражению — как, например, зеркало — то его цвета или тени будут выглядеть так же, как и падающий на него свет, потому что такой объект отражает практически все лучи света.

Некоторые вещества, вода в их числе, могут отражать или же проводить свет, в зависимости от того, под каким углом он падает. Свет проходит вглубь воды, но когда лучи света падают на поверхность, чем меньше угол падения, тем больше света отражается и меньше проходит. Поэтому под водой светлее всего с 10 утра до 2 часов дня. Солнце находится прямо у нас над головой, и лучи падают на поверхность воды почти отвесно (угол падения близок к перпендикуляру), поэтому большинство из них проходит вглубь.

Когда солнце находится низко над землей, больше света отражается от поверхности и меньше света проникает вглубь. Если вы занимаетесь подводной фото- или видеосъемкой, то, скорее всего, наиболее подходящим с точки зрения естественного освещения под водой вы считаете время с 10 до 14 часов.

Вода и звук

Применительно к дайвингу: Звук в воде распространяется быстрее, чем в воздухе, из-за чего под водой трудно определить источник звука. Поэтому вы не можете определить по шуму двигателей, где находится лодка. Однако вы можете слышать звуки на большем расстоянии, чем на поверхности.

Как и свет, звук — это форма энергии, распространяющейся волнами. Но в отличие от света звук — это форма механической энергии, тогда как свет — это электромагнитная энергия. В этом заключается существенное различие, так как электромагнитная энергия может существовать в отрыве от материи и распространяться в вакууме. Звук и другие виды механической энергии могут существовать только там, где есть материя, и распространяться через нее.

Звук возникает, когда что-то запускает волну или серию волн в материи. Волна или серия волн может передаваться из одной среды в другую, например шум под водой может предаться через дно лодки на поверхность. Когда волны приводят в колебание воздух или воду рядом с барабанной перепонкой, наше ухо преобразует часть энергии в нервные импульсы, которые мы воспринимаем как звук. Звук может распространяться в любой форме материи.

Как правило, звук лучше всего распространяется в плотных средах, например, твердых телах и жидкостях. Частично это происходит из-за того, что в более плотном материале молекулы расположены теснее и лучше передают звук от одной молекулы к следующей. Но для эффективной передачи звука важна не столько плотность материала, сколько его эластичность. Представьте, что вы запускаете одну волну по натянутой веревке, а вторую — по натянутому резиновому жгуту, и сравните результат. По резиновому жгута волна перемещается быстрее и дальше из-за его эластичности. Поскольку в природе плотные вещества, как правило, обладают отличной эластичностью, хорошую проводимость звука связывают с высокой плотностью. Хотя в пределах условий, связанных с дайвингом, это работает, нужно отметить, что на самом деле это не всегда соответствует истине. Свинец и уголь, например, являются достаточно плотными материалами, но они не очень хорошо проводят звук из-за своей низкой эластичности. Аналогично, одеяло обладает большей плотностью, чем воздух, но если его повесить в комнате, то оно будет поглощать звуки, а не передавать их. Это происходит из-за того, что большинство тканей обладает низкой эластичностью.

Скорость звука зависит от материи, посредством которой он предастся, а также, во многих случаях, от температуры и давления. Звук в вакууме не передается вообще, так как вакуум — это отсутствие материи. В воздухе на уровне моря при температуре 0°С звук распространяется со скоростью приблизительно 332 м/сек. В пресной воде при температуре 15°С скорость звука приблизительно равна 1410 м/сек, тогда как при такой же температуре в соленой воде скорость звука достигает 1550 м/сек.

Под водой вы зачастую не можете определить источник звука, из-за того, что скорость звука приблизительно в четыре раза выше, чем в воздухе. Наш мозг определяет направление звука на основе небольшой разницы в интенсивности и во времени, когда звук достигает сначала одного, а затем второго уха. Под водой интенсивность и время для обоих ушей одинаковы (по крайней мере, для нашего мозга), и нам кажется, что источник звука находится непосредственно над нами. Но так получается не всегда. Иногда мы можем достаточно точно определить источник звука под водой, в зависимости от частоты звука, расстояния до источника, интенсивности и других переменных.

Хотя звук и передается из одной среды в другую, он не очень хорошо проходит через среды с разной плотностью. Например, когда звук идет из воздуха в воду или наоборот, он теряет большую часть энергии на пересечение границы между ними. Поэтому вы можете не услышать, как кто-то вам что-то кричит с поверхности, когда вы находитесь под водой на глубине меньше метра.

Противодействие передаче звука из-за разной плотности также может встречаться в одной и той же среде. Как вы уже знаете, вода формирует слои из-за разности температур и/или количества растворенных солей.

Слои разной плотности будут противодействовать распространению звука. Термоклин или галоклин может оказывать такое сильное влияние на передачу звука, что вы будете хорошо слышать звуки, находясь с источником звука в одном и том же слое, и хуже слышать те же звуки, находясь в другом водном слое всего лишь немного выше или ниже источника звука. Влияние плотности воды на передачу звука зависит от степени изменения плотности и от природы самого звука. Однако разница может быть настолько существенной, что подводные лодки опускаются в более глубокие и плотные слои, чтобы сонары не смогли их обнаружить.

Сопротивление передаче звука из воздуха в воду является одной из причин, почему в большинстве случаев мы не можем разговаривать под водой с другими дайверами. Наши голосовые связки производят звук в воздухе, но звуку не хватает энергии, чтобы перейти в воду и преодолеть шум регулятора и пузырей. Подводные электронные приборы для связи решают эту проблему, преобразуя наш голос в сигнал, который получает напарник, но по существу это приборы представляют собой двустороннюю радиоустановку, а не непосредственную передачу человеческого голоса под водой.

Положение вещей несколько изменится, если вы научитесь нырять с ребризером замкнутого цикла. Звук вашего голоса по-прежнему с трудом переходит из воздуха в воду, но ребризер работает очень и очень тихо. Без всякого дополнительного оборудования вы сможете немного общаться с напарником, если говорить громко, находясь на близком расстоянии.

Дата добавления: 2020-06-29 ; просмотров: 982 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник