Чем больше угол падения лучей тем: Нагревание воздуха — урок. География, 7 класс.

Чем больше угол падения солнечных лучей тем. Углы падения солнечных лучей и затенение

В одной и той же географической точке в разное время суток солнечные лучи падают на землю под разными углами. Вычислив этот угол и зная географические координаты, можно точно вычислить астрономическое время. Возможно и обратное действие. С помощью хронометра, показывающего точное астрономическое время, можно выполнить географическую привязку точки.

Вам понадобится

• — гномон;
• — линейка;
• — горизонтальная поверхность;
• — жидкостный уровень для установления горизонтальной поверхности;
• — калькулятор;
• — таблицы тангенсов и котангенсов.

Инструкция

• Найдите строго горизонтальную поверхность. Проконтролируйте ее с помощью уровня. Можно использовать как пузырьковый, так и электронный прибор. Если вы пользуетесь жидкостным уровнем, пузырек должен находиться строго в центре. Для удобства дальнейшей работы закрепите на поверхности лист бумаги. Лучше всего в данном случае использовать миллиметровку. В качестве горизонтальной поверхности можно взять лист толстой прочной фанеры. На ней не должно быть впадин и бугров.
• Нарисуйте на миллиметровке точку или крест. Установите гномон вертикально так, чтобы его ось совпадала с вашей меткой..Гномоном называется установленный строго вертикально стержень или шест. Его вершина имеет форму острого конуса.
• В точке окончания тени гномона поставьте вторую точку. Обозначьте ее как точку А, а первую — как точку С. Высота гномона вам должна быть известна с достаточной точностью. Чем крупнее гномон, тем точнее получится результат.
• Измерьте расстояние от точки А до точки С любым доступным вам способом. Обратите внимание на то, чтобы единицы измерения были теми же, что и высота гномона. Если есть необходимость, переведите в наиболее удобные единицы.
• На отдельном листе бумаги сделайте чертеж, используя полученные данные. На чертеже должен получиться прямоугольный треугольник, у которого прямой угол С — место установки гномона, катет СА — длина тени, а катет СВ — высота гномона.
• Вычислите угол А с помощью тангенса или котангенса, используя формулу tgА=ВС/АС. Зная тангенс, определите собственно угол.
• Полученный угол является углом между горизонтальной поверхностью и солнечным лучом. Углом падения называется угол между перпендикуляром, опущенным на поверхность, и лучом. То есть он равен 90º- А.

Важнейшим источником, от которого поверхность Земли и атмосфера получают тепловую энергию, является Солнце. Оно посылает в мировое пространство колоссальное количество лучистой энергии: тепловой, световой, ультрафиолетовой. Излучаемые Солнцем электромагнитные волны распространяются со скоростью 300 000 км/с.

От величины угла падения солнечных лучей зависит нагревание земной поверхности. Все солнечные лучи приходят на поверхность Земли параллельно друг другу, но так как Земля имеет шарообразную форму, солнечные лучи падают на разные участки ее поверхности под разными углами. Когда Солнце в зените, его лучи падают отвесно и Земля нагревается сильнее.

Вся совокупность лучистой энергии, посылаемой Солнцем, называется солнечной радиацией,

обычно она выражается в калориях на единицу поверхности в год.

Солнечная радиация определяет температурный режим воздушной тропосферы Земли.

Необходимо заметить, что общее количество солнечного излучения более чем в два миллиарда раз превышает количество энергии, получаемое Землей.

Радиация, достигающая земной поверхности, состоит из прямой и рассеянной.

Радиация, приходящая на Землю непосредственно от Солнца в виде прямых солнечных лучей при безоблачном небе, называется прямой. Она несет наибольшее количество тепла и света. Если бы у нашей планеты не было атмосферы, земная поверхность получала только прямую радиацию.

Однако, проходя через атмосферу, примерно четвертая часть солнечной радиации рассеивается молекулами газов и примесями, отклоняется от прямого пути. Некоторая их часть достигает поверхности Земли, образуя рассеянную солнечную радиацию.

Благодаря рассеянной радиации свет проникает и в те места, куда прямые солнечные лучи (прямая радиация) не проникают. Эта радиация создает дневной свет и придает цвет небу.

Суммарная солнечная радиация

Все солнечные лучи, поступающие на Землю, составляют суммарную солнечную радиацию, т. е. совокупность прямой и рассеянной радиации (рис. 1).

Рис. 1. Суммарная солнечная радиация за год

Распределение солнечной радиации по земной поверхности

Солнечная радиация распределяется по земле неравномерно. Это зависит:

1. от плотности и влажности воздуха — чем они выше, тем меньше радиации получает земная поверхность;

2. от географической широты местности — количество радиации увеличивается от полюсов к экватору. Количество прямой солнечной радиации зависит от длины пути, который проходят солнечные лучи в атмосфере. Когда Солнце находится в зените (угол падения лучей 90°), его лучи попадают на Землю кратчайшим путем и интенсивно отдают свою энергию малой площади.

На Земле это происходит в полосе между от 23° с. ш. и 23° ю. ш., т. е. между тропиками. По мере удаления от этой зоны на юг или на север длина пути солнечных лучей увеличивается, т. е. уменьшается угол их падения на земную поверхность. Лучи начинают падать на Землю под меньшим углом, как бы скользя, приближаясь в районе полюсов к касательной линии. В результате тот же поток энергии распределяется на большую площадь, поэтому увеличивается количество отраженной энергии. Таким образом, в районе экватора, где солнечные лучи падают на земную поверхность под углом 90°, количество получаемой земной поверхностью прямой солнечной радиации выше, а по мере передвижения к полюсам это количество резко сокращается. Кроме того, от широты местности зависит и продолжительность дня в разные времена года, что также определяет величину солнечной радиации, поступающей на земную поверхность;

3. от годового и суточного движения Земли — в средних и высоких широтах поступление солнечной радиации сильно изменяется по временам года, что связано с изменением полуденной высоты Солнца и продолжительности дня;

4. от характера земной поверхности — чем светлее поверхность, тем больше солнечных лучей она отражает. Способность поверхности отражать радиацию называется альбедо (от лат. белизна). Особенно сильно отражает радиацию снег (90 %), слабее песок (35 %), еше слабее чернозем (4 %).

Земная поверхность, поглощая солнечную радиацию (поглощенная радиация), нагревается и сама излучает тепло в атмосферу (отраженная радиация). Нижние слои атмосферы в значительной мерс задерживают земное излучение. Поглощенная земной поверхностью радиация расходуется на нагрев почвы, воздуха, воды.

Та часть суммарной радиации, которая остается после отражения и теплового излучения земной поверхности, называется

радиационным балансом. Радиационный баланс земной поверхности меняется в течение суток и по сезонам года, однако в среднем за год имеет положительное значение всюду, за исключением ледяных пустынь Гренландии и Антарктиды. Максимальных значений радиационный баланс достигает в низких широтах (между 20° с. ш. и 20° ю. ш.) — свыше 42*10 2 Дж/м 2 , на широте около 60° обоих полушарий он снижается до 8*10 2 -13*10 2 Дж/м 2 .

Солнечные лучи отдают атмосфере до 20 % своей энергии, которая распределяется по всей толще воздуха, и потому вызываемое ими нагревание воздуха относительно невелико. Солнце нагревает поверхность Земли, которая передает тепло атмосферному воздуху за счет конвекции (от лат.convectio — доставка), т. е. вертикального перемещения нагретого у земной поверхности воздуха, на место которого опускается более холодный воздух. Именно так атмосфера получает большую часть тепла — в среднем в три раза больше, чем непосредственно от Солнца.

Присутствие в углекислого газа и водяного пара не позволяет теплу, отраженному от земной поверхности, беспрепятственно уходить в космическое пространство. Они создают парниковый эффект, благодаря которому перепад температуры на Земле в течение суток не превышает 15 °С. При отсутствии в атмосфере углекислого газа земная поверхность остывала бы за ночь на 40-50 °С.

В результате роста масштабов хозяйственной деятельности человека — сжигания угля и нефти на ТЭС, выбросов промышленными предприятиями, увеличения автомобильных выбросов — содержание углекислого газа в атмосфере повышается, что ведет к усилению парникового эффекта и грозит глобальным изменением климата.

Солнечные лучи, пройдя атмосферу, попадают на поверхность Земли и нагревают ее, а та, в свою очередь, отдает тепло атмосфере. Этим объясняется характерная особенность тропосферы: понижение температуры воздуха с высотой. Но бывают случаи, когда высшие слои атмосферы оказываются более теплыми, чем низшие. Такое явление носит название

температурной инверсии (от лат. inversio — переворачивание).

Солнце – источник всего на Земле: света, тепла, жизни. Только солнечный свет дарил людям тепло до того, как они научились добывать огонь, – солнечная энергетика была первой, освоенной человеческим сообществом. Недаром само это сообщество возникло, как утверждают палеонтологи, под жарким солнцем экватора, в Центральной Африке. По-видимому, энергетика Солнца станет самой приемлемой и в будущие эпохи благодаря своей естественности (дается-то даром), неисчерпаемости и экологической чистоте. Почему же до сих пор она оставалась в тени? Почему в течение тысячелетий человек предпочитал согревать себя и готовить пищу, сжигая дрова, уголь, нефть, создавая хитроумные сооружения на быстрых реках и продувных ветрах, добывая (в последнее время) опасный радиоактивный уран? Потому что для технически неразвитого общества, прикованного к земной поверхности, солнечные энергостанции были бы маломощными, громоздкими, зависящими от погоды – практически неконкурентными. Только фантасты чутьем угадывали их будущий неизбежный взлет.

С выходом в космос, созданием орбитальных станций и бурным развитием электроники (в первую очередь полупроводников) ситуация резко изменилась. Сейчас солнечная энергетика – не далекая мечта, а каждодневная реальность, занимающая все больше места в деятельности научных институтов и промышленных организаций.

Солнечная энергия неисчерпаема – при бесконечном росте наших технических возможностей.

Наибольшая плотность потока солнечного излучения, приходящегося на Землю, составляет примерно 1 кВт/м 2 в диапазоне длин волн 0.3-2.5 мкм. Это излучение называется коротковолновым и включает видимый спектр. Для населенных районов в зависимости от места, времени суток и погоды потоки солнечной энергии, достигающие Земли, меняются от 3 до 30 МДж/ м 2 в день. Солнечное излучение характеризуется энергией фотонов в максимуме распределения порядка 2 эВ, определенной по температуре поверхности Солнца около 6000 К. Это энергетический поток от доступного источника гораздо более высокой температуры, чем у традиционных технических источников. Излучение распространяется со скоростью 3х10 8 м/с и достигает земной атмосферы примерно за 8 минут. Тепловая энергия его может быть использована с помощью стандартных технических устройств (например: паровых турбин) и методами, разработанными на основе фотохимических и фотофизических взаимодействий.

Потоки энергии излучения, связывающие атмосферу с поверхностью Земли, также порядка 1 кВт/м 2 , но они перекрывают другой спектральный диапазон – от 5 до 25 мкм, называемый длинноволновым с максимумом около 10 мкм. По спектру коротко- и длинноволновое излучения расположены друг от друга достаточно далеко и могут быть легко различимы.

1 Угол падения Солнца и зенитный угол

Солнце – звезда Солнечной системы, которая является для планеты Земля источником громадного количества тепла и ослепительного света. Несмотря на то, что Солнце находится от нас на значительном расстоянии и до нас доходит лишь небольшая часть его излучения, этого вполне достаточно для развития жизни на Земле. Наша планета вращается вокруг Солнца по орбите. Если с космического корабля наблюдать Землю в течение года, то можно заметить, что Солнце всегда освещает только какую-либо одну половину Земли, следовательно, там будет день, а на противоположной половине в это время будет ночь. Земная поверхность получает тепло только днем.

Наша Земля нагревается неравномерно. Неравномерный нагрев Земли объясняется ее шарообразной формой, поэтому угол падения солнечного луча в разных районах различен, а значит, различные участки Земли получают различное количество тепла. На экваторе солнечные лучи падают отвесно, и они сильно нагревают Землю. Чем дальше от экватора, тем угол падения луча становится меньше, а следовательно, и меньшее количества тепла получают эти территории. Один и тот же по мощности пучок солнечного излучения обогревает у экватора гораздо меньшую площадь, так как он падает отвесно. Кроме того, лучи, падающие под меньшим углом, чем на экваторе,пронизывая атмосферу, проходят в ней больший путь, вследствие чего часть солнечных лучей рассеивается в тропосфере и не доходит до земной поверхности. Все это свидетельствует о том, что при удалении от экватора к северу или к югу уменьшается температура воздуха, так как уменьшается угол падения солнечного луча.

На степень нагрева земной поверхности влияет также и то, что земная ось наклонена к плоскости орбиты, по которой Земля совершает полный оборот вокруг Солнца, под углом 66,5° и все время направлена северным концом в сторону Полярной звезды.

Представим себе, что Земля, двигаясь вокруг Солнца, имеет земную ось, перпендикулярную плоскости орбиты вращения. Тогда бы поверхность на разных широтах получала бы неизменное в течение года количество тепла, угол падения солнечного луча был все время постоянным, всегда день был бы равен ночи, не происходило бы смены времен года. На экваторе эти условия мало отличались бы от нынешних. Существенное влияние на нагрев земной поверхности, а значит, и на весь климат наклон земной оси имеет именно в умеренных широтах.

В течение года, то есть за время полного оборота Земли вокруг Солнца, особо примечательны четыре дня: 21 марта, 23 сентября, 22 июня, 22 декабря.

Тропики и полярные круги разделяют поверхность Земли на пояса, которые различаются между собой солнечной освещенностью и количеством тепла, получаемого от Солнца. Выделяют 5 поясов освещенности: северный и южный полярные, которые получают мало света и тепла, тропический пояс с жарким климатом и северный и южный умеренные пояса, которые получают света и тепла больше, чем полярные, но меньше, чем тропические.

Рисунок 1.1 – Положение Земли относительно Солнца

Итак, в заключение можно сделать общий вывод: неравномерный нагрев и освещение земной поверхности связаны с шарообразностью нашей Земли и с наклоном земной оси до 66,5° к орбите вращения вокруг Солнца.

Углом падения луча назовем угол между падающим лучом и перпендикуляром к отражающей поверхности в точке излома луча. В одной и той же географической точке в разное время суток солнечные лучи падают на землю под разными углами.

Рисунок 1.2 – Падение луча солнца и ее отражение

Количество солнечного света и тепла, которое поступает на земную поверхность, прямо пропорционально углу падения лучей. Солнечные лучи могут падать на Землю под углом от 0 до 90 градусов. Угол попадания лучей на землю разный, потому что наша планета имеет форму шара. Чем он больше, тем светлее и теплее.

Таким образом, если луч идёт под углом 0 градусов, он только скользит вдоль поверхности земли, не нагревая её. Такой угол падения бывает на Северном и Южном полюсах, за полярным кругом. Под прямым углом солнечные лучи падают на экватор и на поверхность между Южным и Северным Тропиком. Этот показатель считается максимальным углом падения солнечных лучей. Как Вам известно, из курса VII класса, 21 марта и 23 сентября Солнце находится в зените над экватором, лучи падают здесь под максимальным углом. Отсюда по направлению на север и на юг угол падения солнечных лучей уменьшается. Вследствие этого, для вычисления угла падения лучей на тот или иной пункт, расположенных в обоих полушариях, можем написать нижеследующее выражение:

ω =90°-φ (1)

где, ω – угол падения солнечных лучей;

φ – географическая широта, где расположен пункт.

Если угол попадания солнечных лучей на землю прямой, это говорит о том, что солнце в зените.

Зенит– угол падения солнечных лучей, равный 90°.

Таким образом, угол падения лучей на поверхность земли и высота солнца над горизонтом равны между собой. Зависят они от географической широты. Чем ближе к нулевой широте, тем угол падения лучей ближе к 90 градусам, тем выше находится солнце над горизонтом, тем теплее и светлее.

Зенитный угол Солнца меняется в зависимости от вращения Земли вокруг Солнца и вращения Земли вокруг своей оси.

В течение года Земля описывает вокруг Солнца эллиптическую орбиту. Наблюдателю, находящемуся на Земле, наоборот, кажется, что Солнце движется по небесному своду и описывает в течение года путь, называемый эклиптикой. Плоскость эклиптики составляет угол 23 О 27’ (около 23 с половиной гардуса) с плоскостью земного экватора.

Рисунок 1.3 – Движение Земли по эклиптике и пересечение Солнца плоскость экватора

Двигаясь по эклиптике, Солнце пересекает плоскость экватора 21 марта (день весеннего равноденствия) и 24 сентября (день осеннего равноденствия) и достигает максимальной высоты 23 с половиной градуса выше плоскости экватора — 22 июня летнее солнцестояние (для наблюдателя в северном полушарии) и минимальной высоты 22 декабря (день зимнего солнестояния).

В процессе этого меняется склонение Солнца относительного земного экватора.

Кроме того, Земля еще вращается вокруг своей оси, в результате чего зенитный угол зависит еще от часового угла.

Таким образом, с учетом изменения склонения Солнца, широты наблюдателя и времени относительно истинного полдня, зенитный угол с учетом сферической геометрии определяется по формуле:

(2)

где, — широта;

Склонение орбиты Земли;

t — текущее время;

t p — время истинного полдня (в секундах), в знаменателе продолжительность суток (также в секундах).

Положение Солнца на небосводе постоянно меняется. Летом Солнце выше на небе, чем зимой; зимой оно поднимается к югу от направления строго на восток, а летом — к северу от этого направления Графически это можно представить наброском пути Солнца по небосводу в течение года; цифры в кружках ука­зывают время дня. Чтобы предусмотреть наиболее эффективное условие затенения, необходимо определить положение Солнца. Например, чтобы определить размеры затеняющего устройства, препятствующего попаданию прямых солнечных лучей в окно между 10 и 14 ч, требуется знать угол поступления солнечного света (угол падения). Другая ситуация, нуждающаяся в такой информации, описывается в разделе «Солнечная радиация».

Положение Солнца на небе определяется двумя угловыми измерениями: высотой и азимутом Солнца. Высота Солнца а из­меряется от горизонтали; солнечный азимут |3 измеряется от на­правления прямо на юг (рис. 6.23). Эти углы можно вычислить или взять из заранее составленных таблиц или номограмм.

Расчет зависит от трех переменных: широты L, склонения 6 и часового угла Я. Широту можно узнать из любой хорошей карты. Склонение или мера того, насколько на север или на юг от экватора переместилось Солнце, меняется месяц от месяца (рис. 6.24). Часовой угол зависит от местного солнечного времени: Я = 0,25 (количество минут от местного солнечного полдня). Солнечное время (время, показываемое непосредственно солнеч­ными часами) отсчитывается от солнечного полдня, когда Солн­це находится в наивысшей точке небосвода. Из-за изменения ско­рости движения Земли по орбите в разное время года долгота суток (измеряемая от полдня до следующего солнеч­ного полдня) несколько отличается от долготы суток по среднему солнечному времени (измеряемому обычными часами). При вы­числении местного солнечного времени эта разница принимается во внимание наряду с поправкой на долготу, если наблюдатель не стоит на меридиане поясного времени своего часового пояса.

Для корректировки местного поясного времени (воспользуй­тесь точными часами) по местному солнечному времени необ­ходимо выполнить несколько операций:

1) если действует декретное время, то вычтите 1 ч;

2) определите меридиан данного пункта. Определите мериди­ан поясного времени для этого пункта (75° для восточного пояс­ного времени, 90° для центрального поясного времени, 150° для поясного времени Аляска — Гавайи). Умножьте разности между меридианами на 4 мин/град. Если данный пункт находится к вос­току от поясного меридиана, то добавьте поправочные минуты к поясному времени; если он находится к западу, то вычтите их;

3) добавьте уравнение времени (рис 6.25) для интересующей

Рис 6 23 Положение Солн­ца на небосводе }

§ 30. Распределение солнечного света и тепла на Земле

🚚 🚁 Збираємо на пікап та ремонт дрона аутел

⛑ 🛡 🥾 Шоломи, форма, взуття

§ 30. Распределение солнечного света и тепла на Земле

 

1. Вспомните, почему на Земле происходит смена дня и ночи и времен года.

2. Что называется орбитой Земли?

 

Изменение высоты Солнца над горизонтом в течение года. Чтобы понять, почему на протяжении года Солнце в полдень бывает на разной высоте над горизонтом, вспомните с уроков природоведения особенности движения Земли вокруг Солнца.

На глобусе видно, что земная ось имеет наклон. Во время движения Земли вокруг Солнца угол наклона не меняется. Благодаря этому Земля возвращается к Солнцу больше то Северной, то Южной полушарием. От этого изменяется угол падения солнечных лучей на земную поверхность. И соответственно больше освещается и нагревается то одна, то другая полушарие.

Если бы земная ось была бы не наклонена, а перпендикулярна плоскости орбиты Земли, то количество солнечного тепла на каждой параллели течение года, не изменялась бы. Тогда бы в своих наблюдениях за высотой полуденного Солнца, вы целый год записывали бы одну и ту же длину тени гномона. Это указывало бы на то, что в течение года продолжительность дня всегда равен ночи. Тогда земная поверхность нагревалась в течение года одинаково и пор года не существовало бы.

Освещение и нагрев поверхность Земли в течение года. По поверхности шарообразной Земли солнечное тепло и свет распределяются неравномерно. Это объясняется тем, что угол падения лучей на разных широтах разный.

Вы уже знаете, что земная ось наклонена к плоскости орбиты под углом. Своим северным концом она направлена в сторону Полярной звезды. Солнце всегда освещает половину Земли. При этом более освещается то Северная полушарие (и день там длится дольше, чем в другом полушарии), то, наоборот, Южная. Дважды в год оба полушария бывают освещены одинаково (тогда и продолжительность дня в обоих полушариях одинакова).

Когда Земля обращена к Солнцу Северным полюсом, тогда оно больше освещает и нагревает Северное полушарие. Дни становятся длиннее ночи. Наступает теплое время года — лето. На полюсе и в приполярной части Солнце светит круглосуточно  и не заходит за горизонт (Ночь не наступает). Это явление называется полярный день. На полюсе он длится 180 суток (полгода), но чем дальше на юг, тем его продолжительность уменьшается до суток на параллели 66,5⁰ пн. ш. Эту параллель называют Северным полярным кругом. Южнее этой линии Солнце опускается за горизонт и смена дня и ночи происходит в привычном для нас порядке — ежесуточно. 22 июня — Солнечная лучи будут падать отвесно (под наибольшим углом — 90⁰) На параллель 23,5 пн. ш. Этот день будет самым длинным, а ночь короткой в году. Эту параллель называют Северными тропиком, А день 22 июня — летним солнцестоянием.

В настоящее время Южный полюс отвлеченный от Солнца и оно меньше освещает и нагревает Южное полушарие. Там зима. На полюс и приполярной часть течение суток солнечные лучи совсем не попадают. Солнце не появляется из-за горизонта и день не наступает. Это явление называется полярная ночь. На самом полюсе она длится 180 дней, а чем дальше на север, тем становится короче до одних суток на параллели 66,5⁰ ю. ш. Эту параллель называют Южным полярным кругом.Севернее от нее Солнце появляется на горизонте и смена дня и ночи происходит каждые сутки. 22 июня День будет кратчайшим в году. Для Южной полушарии он будет зимним солнцестоянием.

Через три месяца, 23 сентября, Земля займет такое положение относительно Солнца, когда солнечные лучи одинаково освещать как Северную, так и Южное полушарие. Отвесно солнечные лучи падают на экваторе. На всей Земле, кроме полюсов, день равен ночи (по 12 ч). Этот день называют днем осеннего равноденствия.

Еще через три месяца, 22 декабря к Солнцу вернется Южная полушарие. Там наступит лето. Этот день будет самым длинным, а ночь — самой короткой. В приполярной области наступит полярный день. Лучи Солнца отвесно падать на параллель 23,5⁰ ю. ш. Зато, в Северном полушарии будет зима. Этот день будет самым коротким, а ночь длинной. Параллель 23,5⁰ ю. ш. называют Южным тропиком,а день 22 декабря — зимним солнцестоянием.

Еще через три месяца, 21 марта, опять обе полушария будут освещены одинаково, день будет равен ночи. Лучи солнца отвесно падать на экваторе. Этот день называют весенним равноденствием.

В Украине наибольшая высота Солнца в полдень  – 61–69⁰ (22 июня), наименьшая - 14-22⁰ (22 декабря).

 

Занимательная география

Слов’Славянский бог Солнца

Древние славяне бога света и Солнца называли Дажбогом. В известном литературном произведении «Слово о полку Игореве» наших предков — русичей назван внуками Даждьбога. Наряду с другими богами, поставленными князем Владимиром в Киеве, стоял и Дажьбог. По древним мифам его в небе сопровождают три солнечные собратья: Ярило — Бог весеннего равноденствия, Семиярило — Бог летнего солнцестояния и Коляда — Бог зимнего солнцестояния. Днем рождения молодого Солнца считался день зимнего солнцестояния. Опекуном этой светоносной тройке считался бог Троян — Владыка неба, земли и потустороннего царства.

 

Рис. Годовое движение Земли вокруг Солнца

 

Тепловые пояса Земли. Неравномерный нагрев земной поверхности обусловливает разные температуры воздуха на разных широтах. Широтные полосы с определенными температурами воздуха называются тепловыми поясами. Пояса различаются между собой количеством тепла, поступающего от Солнца. Их простирание зависимости от распределения температур хорошо иллюстрируют изотермы (От греческого «изо» - Одинаковый, «терма»- Тепло). Это линии на карте, соединяют точки с одинаковой температурой.

Жаркий пояс размещен вдоль экватора, между Северным и Южным тропиками. Он ограничен с обеих сторон изотерм 20 ⁰С. Интересно, что границы пояса совпадают с границами распространения пальм на суше и кораллов в океане. Здесь земная поверхность получает наибольшее солнечного тепла. Дважды в год (22 декабря и 22 июня) полдень солнечные лучи падают почти отвесно (под углом 90⁰). Воздуха от поверхности сильно нагревается. Поэтому там жарко в течение года.

Умеренные пояса (В обоих полушариях) примыкают к жаркому поясу. Они протянулись в обоих полушариях между полярным кругом и тропиком. Солнечные лучи там падают на земную поверхность с некоторым наклоном. Причем, чем севернее, тем наклон больше. Поэтому солнечные лучи меньше нагревает поверхность. В результате меньше нагревается и воздух. Вот почему в умеренных поясах холоднее, чем в жарком. Солнце там никогда не бывает в зените. Четко выраженные времена года: зима, весна, лето, осень. При этом чем ближе к полярному кругу, тем зима длительная и холоднее. Чем ближе к тропика, тем продолжительнее и теплее лето. Умеренные пояса со стороны полюсов ограничивает изотерма теплого месяца 10 ⁰С.  Она является пределом распространения лесов.

Холодные пояса (Северный и южный) обоих полушарий лежат между изотермами 10 ⁰С и 0 ⁰С самого теплого месяца. Солнце там зимой по несколько месяцев не появляется над горизонтом. А летом, хотя и не заходит за горизонт месяцы, однако стоит очень низко над горизонтом. Его лучи лишь скользят по поверхности Земли и нагревают ее слабо. Поверхность Земли не только нагревает, но и охлаждает воздух. Поэтому температуры воздуха там низкие. Зимы холодные и суровые, а лето короткое и прохладное.

Два пояса вечного холода (северный и южный) оконтурюються изотермой с температурами всех месяцев ниже 0 ⁰С. Это царство вечных снигив и льда.

Итак, нагрева и освещения каждой местности зависит от положения в тепловом поясе, то есть — от географической широты. Чем ближе к экватору, тем больший угол падения солнечных лучей, тем сильнее нагревается поверхность и высокая температура воздуха. И наоборот, с удалением от экватора к полюсам угол падения лучей уменьшается, соответственно температура воздуха снижается.

Важно помнить, что линии тропиков и полярных кругов за пределы тепловых поясов принимаются условно. Поскольку в действительности температура воздуха определяется еще и рядом других условий.

 

Рис. Тепловые пояса Земли

 

Вопросы и задачи

1. Почему высота Солнца в течение года меняется?

2. Какой полушарием будет обращена к Солнцу Земля, когда в Украине: а) на севере 22 июня; б) полдень 22 декабря?

3. Где средняя годовая температура воздуха будет выше: в Сингапуре или Париже?

4. Почему средние годовые температуры снижаются от экватора к полюсам?

5. В каких тепловых поясах находятся материки Африка, Австралия, Антарктида, Северная Америка, Евразия?

6. В каком тепловом поясе расположена территория Украины?

7. Найдите на карте полушарий город, если известно, что оно находится на 43⁰ зх. д. и полдень 22 декабря Солнце там бывает над головой.

 

• ← § 29. Температура воздуха
• § 31. Атмосферное давление →

Учебник по физике: Полное внутреннее отражение

Обычная лабораторная работа по физике заключается в том, чтобы смотреть через длинную сторону равнобедренного треугольника на булавку или другой объект, удерживаемый за противоположной стороной. При этом наблюдается необычное наблюдение — противоречивое событие. Диаграмма слева ниже изображает физическую ситуацию. Луч света вошел в грань треугольного блока под прямым углом к ​​границе. Этот луч света проходит через границу без преломления, поскольку он падает по нормали (вспомните страницу «Если бы я был рыбой-лучником»). Затем луч света проходит через стекло по прямой линии, пока не достигнет второй границы. Теперь вместо того, чтобы проходить через эту границу, кажется, что весь свет отражается от границы и излучает противоположную грань равнобедренного треугольника. Это несоответствующее событие беспокоит многих, поскольку они тратят несколько минут на поиски преломления света через вторую границу. Потом, наконец, к своему изумлению, они посмотрели сквозь третью грань глыбы и ясно увидели луч. Что случилось? Почему свет не преломлялся через вторую грань?

Явление, наблюдаемое в этой части лаборатории, известно как полное внутреннее отражение. Полное внутреннее отражение , или TIR , как его еще называют, — это отражение общего количества падающего света на границе между двумя средами. МДП является темой урока 3.

Чтобы понять полное внутреннее отражение, мы начнем с мысленного эксперимента. Предположим, что лазерный луч погружен в резервуар с водой (не делайте этого дома) и направлен вверх к границе вода-воздух. Затем предположим, что угол, под которым луч направлен вверх, медленно изменяется, начиная с малых углов падения и двигаясь к все большим и большим углам падения. Что будет наблюдаться в таком эксперименте? Если мы поймем принципы поведения границ, мы ожидаем, что будем наблюдать как отражение, так и преломление. И действительно, это то, что наблюдается (в основном). Но это не единственное наблюдение, которое мы можем сделать. Мы также заметили бы, что интенсивность отраженных и преломленных лучей не остается постоянной. При угле падения, близком к 0 градусов, большая часть световой энергии проходит через границу и лишь небольшая ее часть отражается. По мере того, как угол увеличивается до все больших и больших углов, мы начинаем наблюдать меньше преломления и больше отражения. То есть с увеличением угла падения яркость преломленного луча уменьшается, а яркость отраженного луча увеличивается. Наконец, мы заметили бы, что углы отражения и преломления не равны. Поскольку световые волны будут преломляться от нормали (случай принципа преломления SFA), угол преломления будет больше, чем угол падения. А если бы это было так, то угол преломления также был бы больше угла отражения (поскольку углы отражения и падения одинаковы). По мере увеличения угла падения угол преломления в конечном итоге достигнет 9Угол 0 градусов. Эти принципы изображены на диаграмме ниже.

Максимально возможный угол преломления 90 градусов. Если подумать (практика, которая всегда помогает), то признаешь, что если бы угол преломления был больше 90 градусов, то преломленный луч ложился бы на падающую сторону среды — это просто невозможно. Таким образом, в случае лазерного луча в воде существует определенное значение угла падения (назовем его углом 9°).0017 критический угол ), что дает угол преломления 90 градусов. Это конкретное значение угла падения можно рассчитать с помощью закона Снеллиуса (n _i = 1,33, n _r = 1,000, = 90 градусов, = ???) и получить 48,6 градуса. Любой угол падения больше 48,6 градусов не приведет к преломлению. Вместо этого, когда углы падения больше 48,6 градусов (критический угол), вся энергия ( полных энергии), переносимая падающей волной к границе, остается в воде ( внутри исходной среды) и претерпевает отражение от границы. Когда это происходит, происходит полное внутреннее отражение.

 

Два требования к полному внутреннему отражению

Полное внутреннее отражение (ПВО) — это явление, при котором весь падающий свет отражается от границы. МДП имеет место только при соблюдении обоих следующих двух условий:

• свет находится в более плотной среде и приближается к менее плотной среде.
• угол падения больше, чем так называемый критический угол.

Полного внутреннего отражения не будет, если только падающий свет не распространяется внутри более оптически плотной среды по направлению к менее оптически плотной среде. МДП произойдет для света, движущегося из воды в воздух, но не для света, движущегося из воздуха в воду. TIR произойдет для света, идущего из воды в воздух, но этого не произойдет для света, идущего из воды (n = 1,333) к краун-стеклу (n = 1,52). ПВО происходит потому, что угол преломления достигает 90 градусов до того, как угол падения достигнет 90 градусов. Единственный способ, которым угол преломления может быть больше угла падения, — это отклонение света от нормали. Поскольку свет отклоняется от нормали только при переходе из более плотной среды в менее плотную, то это было бы необходимым условием для полного внутреннего отражения.

Полное внутреннее отражение происходит только при больших углах падения. Вопрос: Насколько велик большой? Ответ: больше критического угла. Как упоминалось выше, критический угол для границы вода-воздух составляет 48,6 градуса. Таким образом, при углах падения более 48,6 градусов возникает TIR. Но 48,6 градуса — это критический угол только для границы вода-воздух. Фактическое значение критического угла зависит от двух материалов по обе стороны от границы. Для границы стекло-воздух венца критический угол равен 41,1 градуса. Для границы алмаз-воздух критический угол равен 24,4 градуса. Для границы алмаз-вода критический угол равен 33,4 градуса. Критический угол различен для разных сред. В следующей части урока 3 мы рассмотрим, как определить критический угол для любых двух материалов. А пока давайте усвоим идею о том, что ПВО может происходить только в том случае, если угол падения больше критического угла для конкретной комбинации материалов.

 

 

Световоды и оптические волокна

Полное внутреннее отражение часто демонстрируется на уроках физики с помощью различных демонстраций. В одной из таких демонстраций пучок лазерного света направляется на свернутую спиралью пластиковую приспособление . Пластик служил световодом , направляя свет через катушки до тех пор, пока он, наконец, не вышел на противоположный конец. Как только свет попал в пластик, он оказался в более плотной среде. Каждый раз, когда свет приближается к границе пластик-воздух, он приближается под углами, превышающими критический угол. Два условия, необходимые для TIR, соблюдены, и весь свет, падающий на границу пластик-воздух, остается внутри пластика и претерпевает отражение. И когда свет в классе выключен, каждый ученик быстро осознает древнюю истину, что физика лучше наркотиков.

Эта демонстрация помогает проиллюстрировать принцип работы оптических волокон . Использование длинной нити из пластика (или другого материала, такого как стекло) для передачи света от одного конца среды к другому является основой современного использования оптических волокон. Оптические волокна используются в системах связи и микрохирургических операциях. Поскольку внутри волокон происходит полное внутреннее отражение, падающая энергия никогда не теряется из-за прохождения света через границу. Интенсивность сигнала остается постоянной.

Другая распространенная демонстрация физики включает в себя использование большого кувшина, наполненного водой, и лазерного луча. В кувшине просверлено отверстие размером с горошину, так что, когда пробка удаляется из верхней части кувшина, вода начинает вытекать из кувшина. Затем луч лазерного света направляется в кувшин с противоположной стороны отверстия, через воду и в падающий поток. Лазерный свет выходит из кувшина через отверстие, но все еще находится в воде. Когда поток воды начинает падать как снаряд по параболической траектории на землю, лазерный свет попадает в воду из-за полного внутреннего отражения. Находясь в более плотной среде (воде) и направляясь к границе с менее плотной средой (воздухом), и находясь под углами падения больше критического, свет никогда не покидает поток воды. По сути, поток воды действует как световод, направляющий лазерный луч по его траектории. Студенты, наблюдающие за демонстрацией, еще раз убеждаются в том, что физика лучше наркотиков.

 

Фото физики с Flickr

Показано, как лазерный луч проходит через полуцилиндрическую посуду, наполненную водой. Свет попадает в воду (с изогнутой стороны тарелки) по нормали; при входе не происходит изгиба. Свет проходит через воду по прямой линии, пока не достигнет границы с воздухом (у плоской стороны тарелки). Угол падения в воду 50°. Поскольку угол падения больше критического угла воздух-вода, составляющего около 48 °, он подвергается полному внутреннему отражению (ПВО). Вместо того, чтобы преломляться от тарелки с водой на плоской стороне, лазерный свет отражается и выходит вдоль изогнутой стороны тарелки.

 

Мы хотели бы предложить …

Зачем просто читать об этом и когда вы могли бы взаимодействовать с ним? Взаимодействие — это именно то, что вы делаете, когда используете один из интерактивов The Physics Classroom. Мы хотели бы предложить вам совместить чтение этой страницы с использованием нашего Refraction Interactive. Вы можете найти его в разделе Physics Interactives на нашем сайте. Refraction Interactive предоставляет учащимся интерактивную среду для изучения преломления и отражения света на границе двух материалов.

Посетите: Refraction Interactive

Проверьте свое понимание

1. Какой луч света (A или B) для каждой комбинации сред будет подвергаться полному внутреннему отражению, если угол падения постепенно увеличивать?

 

 

Следующий раздел:

Перейти к следующему уроку:

Закон Снеллиуса, отражение и преломление

Закон Снеллиуса, отражение и преломление

Чтобы следовать кратчайшему пути через систему, луч меняет направление, проходя из среды с одним показателем преломления в другую среду с другой показатель преломления.

Закон Снеллиуса, который можно записать как

нА Sinθ А = нБ Sinθ В

предсказывает, как луч изменит направление при переходе из одной среды в другую или при отражении от границы раздела двух сред. Углы в этом уравнении относятся к нормали к поверхности, как показано ниже.

На следующем рисунке луч падает на границу раздела двух разнородных сред. Плоскость, которая включает в себя падающий луч и линию, проведенную перпендикулярно поверхности, называется плоскостью падения. Эта плоскость также содержит отраженные и преломленных лучей. Преломленный луч проходит во вторую среду и движется в другом направлении, чем падающий луч. Угол, который падающие, отраженные и преломленные лучи составляют с нормалью к поверхности, называется углами падения qi, отражения qr и преломления qt соответственно. Показатель преломления среды 1 равен n1, а среды 2 равен n2.

Иллюстрация падающих, отраженных и преломленных лучей.

В случае отраженного луча nA = nB = n2 = n1,

n1 Sinθ i = n1 Sinθ r , что совпадает с Sinθ i = Sinθ r.

Отсюда легко увидеть, что угол падения и угол отражения одинаковы!

В случае прошедшего или преломленного луча:

n1 Sinθ i = n2 Sinθ t.

Если n1 Если n1>n2, то угол преломления больше угла падения… когда есть угол преломления! Представьте, что угол падения становится все больше и больше для случая n1>n2. В конце концов преломленный луч образует угол 90° с нормалью к поверхности. Если угол падения больше этого угла, то преломления не происходит! Весь свет, падающий на интерфейс, отражается обратно в падающую среду! Наименьший угол падения, при котором происходит полное внутреннее отражение, называется критическим углом qc. Используя закон Снелла,

n1 Sinqθ i = n2 Sin(90°) = n2.

Отсюда,

qc = Sin ^-1 (n2/n1).

Эти диаграммы иллюстрируют два различных случая преломления. Полная внутренняя рефракция изображена на рисунке справа.

Многие устройства используют преимущества полного внутреннего отражения, в том числе оптические волноводы (например, оптоволокно). Волновод представляет собой отрезок прозрачного материала, окруженный материалом с более низким показателем преломления.