Laboratorium

Autor:

 Doświadczenie w mini laboratorium:

Zimne powietrze jest gęstsze od ciepłego. To zasada, która wyjaśnia wiele zjawisk optycznych w atmosferze.

Jak jednak zobaczyć zakrzywianie toru światła na własne oczy? Okazuje się, że da się to zrobić w warunkach laboratoryjnych – w zwykłej kuwecie z cieczą.


Doświadczenie z trzema warstwami cieczy

Materiały

  • przezroczysty pojemnik (kuweta),
  • woda destylowana,
  • roztwór soli,
  • roztwór soli nasycony,
  • mleko,
  • wskaźnik laserowy,
  • kadzidełko.

Zasada działania

Doświadczenie opiera się na różnicach gęstości cieczy, a co za tym idzie – na różnicach współczynnika załamania światła.

Im większa gęstość ośrodka, tym większy jego współczynnik załamania i tym wolniej porusza się w nim światło.


Przygotowanie układu warstwowego

  1. Na dno pojemnika wlewam wodę destylowaną.
  2. Ostrożnie dolewam roztwór soli, tak aby nie doszło do mieszania warstw.
  3. Na końcu dodaję roztwór soli nasycony, który – dzięki największej gęstości – stabilnie opada na dno.


W efekcie powstają trzy warstwy cieczy o rosnącej gęstości i współczynniku załamania.


Po co dodaję mleko?

Do górnej warstwy (czystej wody) dodaję około 2–3 krople mleka.

W czystej wodzie promień lasera jest niewidoczny. Zawieszone w wodzie cząstki mleka rozpraszają światło, dzięki czemu tor wiązki staje się widoczny.


Przypadek 1:

Płynne zakrzywienie toru promienia

  • Laser kieruję przez kuwetę pod wybranym kątem.
  • W górnej warstwie, dzięki rozproszeniu, widoczny jest przebieg promienia.
  • Na granicach warstw oraz w strefach przejściowych obserwuję zmianę kierunku propagacji światła.
  • Promień nie załamuje się skokowo, lecz płynnie zakrzywia swój tor, ponieważ pomiędzy warstwami istnieje gradient gęstości, a nie idealnie ostra granica.

Dodatkowo kadzidełko umożliwia obserwację toru wiązki w powietrzu przed wejściem do cieczy (i po wyjściu).

fot.2. refrakcja w kuwecie
fot.2.  Refrakcja w kuwecie,
promień nie łamie się jednorazowo, tylko płynnie zakrzywia tor.

Porównanie: kuweta a atmosfera:

👉 w kuwecie:

  • Na dole: gęstszy roztwór soli → większy współczynnik załamania n
  • U góry: czysta woda → mniejszy n
  • Brak ostrego „schodka” → promień zakrzywia się płynnie.

👉 atmosferycznie:

  • zimne, gęste powietrze przy ziemi
  • cieplejsze, rzadsze powyżej
  • → n współczynnik załamania maleje z wysokością szybciej niż w warunkach standardowych (np. podczas inwersji temperatury).


Wniosek

Doświadczenie jest prostym modelem propagacji światła w ośrodku warstwowym, analogicznym do refrakcji w atmosferze.

W skali laboratoryjnej obserwujemy tu to samo zjawisko, które w atmosferze prowadzi do refrakcji, miraży, podnoszenia horyzontu czy nietypowych obserwacji dalekich obiektów.


Atmosferycznie:

Refrakcja  jest ciągłym zakrzywianiem toru światła  (wiekszym lub mniejszym) w ośrodku o zmiennym n.


Przypadek 2:

Odbicia i fałszywe dno.

Wiązkę laserową puszczam od prawej do lewej:

  • promień leci w jednorodnej warstwie prostoliniowo (tego oczekujemy),
  • kąt padania ≈ kąt odbicia i promień zaczyna wracać w górę i w prawo, ale już słabszy,
  • trafia w powierzchnię woda-powietrze pod dużym kątem,
  • odbija się i biegnie znów w dół, 
  • wraca w stronę źródła.


    fot.1. refrakcja w kuwecie
    fot.1. W czystej wodzie promień biegnie prostoliniowo, odbija się i zawraca.
    Ponadto widać „fałszywe dno” (wizualne zagięcie podłoża).

    Ponadto obserwuję tzw. „fałszywe dno”, czyli pozorne zakrzywienie linii podłoża spowodowane refrakcją światła w warstwowej, gęstej cieczy.


    To samo zdjęcie, zwiększony kontrast.

    Atmosferycznie

    Klasyczne odbicie, jak od lustra, w atmosferze praktycznie nie zachodzi. Powietrze nie jest zwierciadłem — promienie nie „odbijają się” w pionie ani poziomie. To, co obserwujemy w atmosferze, to załamanie i łagodne zakrzywienie toru światła w wyniku zmiany gęstości powietrza (gradientu refrakcji), a nie odbicie.


    Przypadek 3:

    Duże zagięcie w roztworze nasyconym.

    Ugięcie promienia w roztworze nasyconym soli.



    Podsumowanie:

    Takich możliwych dróg, jakimi światło może biec w atmosferze, jest bardzo wiele. Większość z nich nie trafia do obserwatora — jedne wyginają się zbyt silnie, inne „uciekają” ku górze. Widoczny obraz tworzą jedynie te promienie, które dzięki refrakcji w atmosferze zostają zakrzywione dokładnie na tyle, by dotrzeć do oka obserwującego


    I tutaj jedna z najciekawszych zasad:


    Światło porusza się taką drogą, dla której czas przejścia (droga optyczna) jest stacjonarny (najczęściej minimalny, ale nie zawsze).

    Zasada Fermata



    Można więc powiedzieć, że światło nie „lubi” linii prostej — woli najszybszą drogę optyczną, która w atmosferze często przyjmuje postać krzywej. Dzięki temu zjawiska takie jak miraże górne, pozorne podnoszenie horyzontu czy ekstremalne obserwacje dalekich pasm górskich stają się możliwe.



    Bardzo uproszczony rysunek poglądowy.



    Zjawiska optyczne (miraże) w atmosferze — materiał edukacyjny UBC
    Refrakcja światła w warstwach powietrza, miraże dolne i górne.
    Warto zwrócić uwagę na ciekawą grafikę na tej stronie, która w przystępny sposób pokazuje, czym jest miraż górny.
    https://www.eoas.ubc.ca/courses/atsc113/sailing/met_concepts/10-met-local-conditions/10f-optical-phenomena/



    Komentarze

    Prześlij komentarz

    Podziel się swoją opinią – chętnie poznam Twoje zdanie.