Явление в основе радуги. Как образуется радуга
Анкудинова Валерия
Скачать:
Предварительный просмотр:
Министерство общего и профессионального образования
Свердловской области
Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение
«Верхнедубровская средняя общеобразовательная школа»
Чудесное явление природы – радуга-дуга
реферат
Исполнитель: Анкудинова Валерия, ученица 3в класса,
Руководитель: Малых Е.И., учитель начальных классов первой кв. категории
Верхнее Дуброво, 2013
Введение
Радуга – одно из самых красивых природных явлений. Как-то раз я услышала сказку, и в ней говорилось, что в месте, где заканчивается радуга, находятся сокровища. Многие пытались их найти, но всё безрезультатно.
Среди ярчайших явлений природы радуга одно из самых красивых. Какое из природных явлений может сравниться по красоте с радугой? Возможно полярное сияние, вот только его видели совсем не много человек. Пройдет гроза, и на небе вспыхивает радуга. Иногда можно увидеть сразу две радуги. Вторая, как правило, значительно бледнее первой, а цвета в ней идут в обратном порядке. Она настолько красивая, что ее воспевают во многих песнях, описывают в литературе, складывают о ней легенды. Многие люди, также как и я с нетерпением ждут дождя, чтобы полюбоваться радугой.
Взрослые не так воспринимают радугу, как дети. Для детей радуга – это волшебство, а для взрослых – это воспоминания о детстве и радости.
Тогда я решила узнать всю историю происхождения радуги.
Какое же это разноцветное чудо природы? Как образуется радуга? А можно ли наблюдать эту красоту дома? Какие еще существуют радуги?
Эти вопросы заинтересовали меня. А эта тема стала мне интересна потому, что не многие знают, как образуется радуга. Чтобы ответить на все возникшие вопросы, я решила провести исследовательскую работу.
Исследуя эту загадку природы, я смогу дать точный ответ на поставленные мною вопросы.
Цель моей работы: узнать причину появления радуги.
Поставленные мною задачи :
- Узнать, кто раскрасил радугу.
- Узнать историю изучения радуги.
Объектом исследования является природное явление радуга.
Предмет исследования – понятие «радуга» как природное явление.
Что такое радуга?
Есть несколько версий того, откуда произошло слово радуга. Самое распространенное, что слово «радуга» произошло от "райдуга", что в переводе с украинского языка означает «пестрая дуга».
Для того, чтобы узнать причину возникновения радуги, я начала с изучения литературы. В толковых словарях даны понятия радуги:
- Радуга – это разноцветная дуга на небесном своде, образующаяся вследствие преломления солнечных лучей в дождевых каплях.
- Радуга - это атмосферное явление, наблюдаемое во время или после дождя.
Радуга - одно из самых красивых явлений природы, и люди уже давно задумывались над ее природой. Даже Аристотель, древнегреческий философ, пытался объяснить причину радуги.
Я узнала, что радугу можно увидеть около водопадов, фонтанов, разбрызгиваемых поливальной машиной. У фонтанов и водопадов случалось видеть две и более дуг. Можно самому создать завесу капель из ручного пульверизатора и, встав спиною к солнцу, увидеть радугу, созданную собственными руками. Поливая растения в саду в яркий солнечный день, в брызгах воды тоже можно увидеть маленькую радугу.
Как появляется радуга?
После жаркого душного дня сгустились тучи, и полил дождь. Когда он прекратился, над горизонтом засверкало заходящее солнце. И в это время под тёмной уходящей тучей, словно гигантская дуга, изогнутая к земле, появилась радуга: семь чистых цветов, незаметно переходящих один в другой – красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый.
Почему в воздухе возникло такое чудо? А причина этому – солнечный свет, как будто бы белый, а на самом деле состоящий из семи цветов. Когда лучи солнечного света проходят через воздух, мы видим их, как белый свет. Но вот на их пути встретилась дождевая капля. А капля по форме близка к призме – геометрической фигуре.
Когда луч солнечного света проходит через стеклянную призму или через каплю, составляющие его лучи отклоняются на неодинаковые углы. Меньше всего отклоняются лучи красного цвета, больше всего – фиолетового. Белый луч распадается на составные лучи, и на стене за призмой появляется красивый разноцветный зайчик, а на небе – радуга.
Наружный край изогнутой полосы радуги обычно оказывается красным. За ним следуют к внутреннему краю другие цвета радужного спектра, вплоть до синего и фиолетового.
Иногда можно увидеть ещё одну, менее яркую радугу вокруг первой. Это вторичная радуга, в которой свет отражается в капле два раза. Во вторичной радуге перевёрнутый порядок цветов: снаружи находится фиолетовый, а внутри – красный.
Радуга появляется только во время ливня, когда идёт дождь, и одновременно светит солнце. Находиться необходимо строго между солнцем (оно должно быть сзади) и дождём (он должен быть перед тобой). Иначе радуги не увидеть!
Солнце посылает свои лучи, которые, попадая на капельки дождя, создают спектр. Солнце, ваши глаза и центр радуги должны находиться на одной линии.
Если солнце высоко в небе, провести такую прямую линию невозможно. Вот почему радугу можно наблюдать только рано утром или ближе к вечеру. Утренняя радуга означает, что солнце находится на востоке, а дождь идёт на западе. При послеобеденной радуге солнце расположено на западе, а дождь – на востоке.
Чтобы запомнить последовательность цветов в радуге, люди придумали специальные простые фразы. В них первые буквы соответствуют первым буквам названий цветов:
- К ак о днажды Ж ак- з вонарь г оловой с ломал ф онарь.
- К рот о вце, ж ирафу, з айке г олубые с шил ф уфайки.
- К аждый о хотник ж елает з нать, г де с идит ф азан.
Какие бывают радуги?
В ходе исследования я узнала, что на земле бывают разные радуги.
Радуга бывает с одной, с двумя дугами. Мало кому известно, но существует и ночная радуга. Ночью, когда заканчивается дождь, радуга может возникнуть и в результате действия лучей, отражаемых луной. Несомненно, она не такая яркая, как днем, но видно ее замечательно. В зимнее время радуга возникает очень редко, но по своей красочности и живописности она отличается от всех остальных.
Красная…
Красная радуга появляется в небе только на закате и является последним аккордом радуги обыкновенной. Иногда она бывает чрезвычайно яркой и остается видна даже через 5-10 минут после захода солнца. При закате лучи проходят сквозь воздух более длинный путь, а так как показатель преломления воды для более длинноволнового (красного) света меньше, чем для коротковолнового (фиолетового), то красный свет меньше отклоняется при преломлении. Когда Солнце опускается за горизонт, радуга сначала теряет самые короткие – фиолетовые- волны. Они рассеиваются сразу. Потом исчезают синие, голубые, зеленые, желтые … Остается самая стойкая – красная дуга..
Белая…
Почему же радуга кажется нам белой? Дело в размере капель, от которых отражаются солнечные лучи. Белая радуга появляется в туманную погоду. Размеры частичек тумана настолько малы, что отдельные цветные полосы, на которые распадается при преломлении солнечный луч, расходятся в стороны не широким разноцветным веером, а едва-едва раскрывшимся. Краски как бы налагаются друг на друга, и глаз уже не различает цветов, а видит лишь бесцветную светлую дугу-белую радугу.
Лунная…
Ночью, когда высоко в темном, обязательно темном, небе висит полная, обязательно полная, луна и при этом напротив луны идет дождь, может посчастливиться увидеть ночную радугу! Условий для ее появления достаточно много, поэтому мы видим лунную радугу мы редко. Редко, но можно! И она тоже будет казаться нам белой. Хотя на самом деле вполне разноцветная.
Дело в том, что наше зрение устроено так, что при слабом освещении наиболее чувствительные рецепторы глаза – «палочки»- почти не работают, вот лунная радуга и выглядит белесой.
Огненная…
Огненная радуга – один из самых редких атмосферных феноменов. Она образуется из-за прохождения света через легкие перистые облака и возникает только тогда, когда солнце находится очень высоко в небе…
Получается, что загадочный небесный «огонь» рождается изо льда! Ведь перистые облака расположены очень высоко над землей, где в любое время года очень холодно, а потому и состоят они из плоских ледяных кристалликов!
К сожалению, такое, мягко говоря, совпадение – шестиугольные кристаллы, перистые облака и высоко стоящее солнце – случается не часто. Потому-то огненная радуга относительно редкое и уникальное явление.
«Смайлик» в небе перевернутая радуга (иначе ее называют околозенитной) является разновидностью огненной радуги и встречается еще реже. Дополнительно к условиям появления огненной радуги для ее появления радужного смайлика в небе необходимо, чтобы центр ее дуги находился в точке зенита, расположенном выше Солнца приблизительно на 46°. околозенитная радуга очень яркая, с обратным расположением цветов спектра: фиолетовый наверху, красный внизу.
Исследование Ньютона
Интересно, а пытался ли кто-нибудь в истории человечества познать природу радуги?
Ответ на этот вопрос я нашла в Интернете.
Первая попытка объяснить радугу была сделана в 1611 г. архиепископом Антонио де Доминисом. Его объяснение радуги противоречило библейскому, поэтому он был отлучен от церкви и приговорен к смертной казни.
Научное объяснение радуги впервые дал Рене Декарт в 1637 г. Декарт объяснил радугу на основании
законов
преломления и отражения солнечного света в каплях выпадающего дождя. Но он еще не знал о разложении белого света в спектр при преломлении. Поэтому радуга Декарта была белой.
Спустя 30 лет Исаак Ньютон объяснил, как преломляются цветные лучи в каплях дождя. По образному выражению американского ученого А. Фразера, сделавшего ряд интересных исследований радуги уже в наше время, «Декарт повесил радугу в нужном месте на небосводе, а Ньютон расцветил ее всеми красками спектра».
Хотя многоцветный спектр радуги непрерывен, по традиции в нем выделяют 7 цветов. Считают, что первым выбрал число 7 Исаак Ньютон, для которого число 7 имело специальное символическое значение. Причём первоначально он различал только пять цветов - красный, желтый, зеленый, голубой и фиолетовый.
Несмотря на то, что теория радуги Декарта–Ньютона создана более 300 лет назад, она правильно объясняет основные особенности радуги, в том числе расположение цветов.
Итак, мы выяснили, что радуга круглая. Кроме того, она многослойная. Проходя через каплю, белый солнечный луч превращается в серию цветных воронок, вставленных одна в другую, обращенных к наблюдателю. Наружная воронка красная, в нее вставлена оранжевая, желтая, далее идет зеленая и т. д., внутренняя - фиолетовая.
Легенды народов мира
Люди давно задумывались над природой этого красивейшего явления. Человечество связало радугу с множеством поверий и легенд.
В древнегреческой мифологии, например, радуга – это дорога между небом и землёй, по которой ходила посланница между миром богов и миром людей Ирида.
В Китае считали, что радуга – это небесный дракон, союз Неба и Земли.
В славянских мифах и легендах радугу считали волшебным небесным мостом, перекинутым с неба на землю, дорогой, по которой ангелы сходят с небес набирать воду из рек. Эту воду они наливают в облака, и оттуда она падает живительным дождём.
Суеверные люди считали, что радуга является дурным знаком. Они считали, что души умерших переходят в потусторонний мир по радуге, и, если появлялась радуга, это означало чью-то близкую кончину.
Радуга также фигурирует во многих народных приметах, связанных с предсказанием погоды. Например, радуга высокая и крутая предвещает хорошую погоду, а низкая и пологая – плохую.
Заключение
Выполнив эту работу, я убедилась, что радуга - хорошо известное оптическое явление в атмосфере; наблюдается, когда солнце освещает пелену падающего дождя и наблюдатель находится между солнцем и дождём. Радуга наблюдается не только на пелене дождя. В меньших масштабах ее можно увидеть на каплях воды у водопадов, фонтанов и в морском прибое. При этом в качестве источника света могут служить не только Солнце и Луна, но и прожектор.
Интересно расположение цветов в радуге. Оно всегда постоянно. Красный цвет главной радуги расположен на ее верхнем крае, фиолетовый – на нижнем. Между этими крайними цветами следуют друг за другом остальные цвета в такой же последовательности, как в солнечном спектре. В принципе в радуге никогда не бывают представлены все цвета спектра. Чаще всего в ней отсутствуют или слабо выражены синий, темно-синий и насыщенный чисто красный цвета. С увеличением размеров капель дождя происходит сужение цветных полос радуги, сами же цвета становятся более насыщенными.
При этом узнала, как благодаря Ньютону были разрушены вековые представления о происхождении цветов.
Литература
1.Ожегов С.И. и Шведова Н.Ю. Толковый словарь русского языка. 4-е издание., дополненное. – М.: ООО «А ТЕМП», 2008.
2.Травина И.В. 365 рассказов о планете Земля/Науч.-поп.издание для детей. – М.:ЗАО «РОСМЕН-ПРЕСС», 2007.
3.Энциклопедия для любознательных «Где, что и когда?» ЗАО Компания «Махаон» - М.: 2007.
Радуга в истории, или История радуги
Радуга - впечатляющее небесное явление, ее появление вместе с первыми весенними дождями является знамением возрождения природы, прихода лета, благодатного союза неба и земли, а роскошные цвета, которыми сияет радуга, в представлении предков были драгоценным убором, в который облекаются небеса.
САМО НАЗВАНИЕ "РАДУГА" ПРОИСХОДИТ ОТ СЛОВОСОЧЕТАНИЯ "РАЙСКАЯ ДУГА". Ее считали доброй предвестницей. Люди с давних времен задумывались над природой такого чудесного явления, как радуга. Человечество связало радугу со множеством поверий и легенд. К примеру, существует старинное английское поверье, согласно которому у подножия радуги можно найти горшок с золотом. Радуга вдохновляла и будет вдохновлять многих поэтов, художников и фотографов на создание ярчайших произведений искусства.
В Китае радуга символизирует небесного дракона, союз Неба и Земли, знак объединения инь и ян.
В Древней Индии радуга - это лук Индры-громовержца; кроме того, в индуизме и буддизме "радужное тело" - это высшее йогическое состояние, достижимое в царстве сансары.
В исламе радуга состоит из четырех цветов - красного, желтого, зеленого и синего, соответствующих четырем стихиям.
В некоторых африканских мифах с радугой отождествляют небесную змею, которая служит стражем сокровищ или же охватывает кольцом Землю. Согласно поверьям многих африканских народов, в тех местах, где радуга касается земли, можно найти клад (драгоценные камни, раковины каури или бисер).
Американские индейцы отождествляли радугу с лестницей, по которой можно подняться в иной мир. У инков радуга связывалась со священным Солнцем, и правители инков носили ее изображение на своих гербах и эмблемах.
В скандинавской мифологии радуга - это мост Биврест, соединяющий Мидгард (мир людей) и Асгард (мир богов); красная полоса радуги - вечный огонь, который безвреден для Асов, но сожжет любого смертного, который попытается подняться по мосту. Охраняет Биврест Ас Хеймдалль.
В Древней Греции богиней радуги была девственная Ирида; она изображалась с крыльями и кадуцеем. Ее одеяние составляют переливающиеся цветами радуги капли росы.
В армянской мифологии радуга - это пояс Тира (древнеармянского божества письменности, искусств и наук).
В славянских мифах и легендах радугу считали волшебным небесным мостом, перекинутым с неба на землю, дорогой, по которой ангелы сходят с небес набирать воду из рек. Эту воду они наливают в облака, и оттуда она падает живительным дождем. В некоторых местностях верят, что радуга - это сверкающее коромысло, которым небесная царица Громовница (древняя богиня весны и плодородия) черпает из моря-океана воду и орошает ею поля. Это коромысло хранится на небе, и ночью его можно видеть в созвездии Большой Медведицы.
В христианстве радуга символизирует прощение, пакт между Богом и человеком - Ноем в знак того, что больше не будет всемирного потопа. В христианской символике средневековья три главных цвета радуги толкуются как образы всемирного потопа (синий), мирового пожара (красный) и новой земли (зеленый), а семь цветов - как образы Семи Таинств.
А ЧТО ЖЕ ТАКОЕ РАДУГА КАК ФИЗИЧЕСКОЕ ЯВЛЕНИЕ? Какое объяснение дает наука этому феномену?
Радуга - атмосферное оптическое и метеорологическое явление, наблюдаемое при освещении лучами Солнца (иногда и Луны) множества водяных капель (дождя или тумана) в атмосфере Земли в результате физического явления дисперсии света, т.е. разложения белого света на составляющие цвета. Радуга выглядит как разноцветная дуга или окружность, составленная из разных цветов.
Впервые попытался объяснить явление радуги греческий философ и ученый Аристотель (384?322гг. до н. э.). Он считал, что солнечные лучи, отражаясь необычным образом от дождевого облака, образуют конус радужных лучей.
В 1304 году немецкий монах Теодорик отошел от аристотелевой гипотезы о коллективном отражении света дождевыми каплями и предположил, что каждая капелька по отдельности может создать радугу. Он подтвердил свою гипотезу экспериментальным созданием модели радуги при отражении света от сферической стеклянной колбы с водой.
Затем персидский астроном Кутбад-Динаш-Ширази (1236-1311гг.), а возможно, и его ученик Камал ал-дин ал-Фариси (1260-1320гг.) дал достаточно точное объяснение этому феномену. Примерно одновременно объяснение радуги предложил и немецкий ученый Дитер Фрейбургский.
Угол между падающим световым лучом и направлением от глаза наблюдателя на радугу был впервые измерен Робертом Бэконом в 1266 году. Было установлено, что он составляет примерно 42 градуса.
Позже общая физическая картина радуги была описана в 1611 году Марком Антонием де Доминисом. На основании опытных наблюдений он пришел к заключению, что радуга получается в результате отражения от внутренней поверхности капли дождя и двукратного преломления - при входе в каплю и при выходе из нее. Далее, в 1635 году, Рене Декарт дал более полное объяснение радуги в своем труде "Метеоры". В частности, он верно объяснил механизм образования первичной и вторичной радуги, а также распределение интенсивности света при формировании радуги.
Затем И. Ньютон в своем трактате "Оптика" дополнил теорию Декарта и де Доминиса тем, что разъяснил причины возникновения цветов радуги. В радуге при этом И. Ньютон выделял семь цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, индиго и фиолетовый.
ПОЛНАЯ ЖЕ ТЕОРИЯРАДУГИ С УЧЕТОМ ДИФРАКЦИИ СВЕТА, которая зависит от соотношения длины волны света и размера капли, была построена лишь в XIX веке учеными Дж.Б. Эри (1836) и Дж.М. Пернтером (1897).
Следует иметь в виду, что на самом деле спектр радуги непрерывен и его цвета плавно переходят друг в друга через множество промежуточных оттенков, но, несмотря на это, во многих странах мира в нем выделяют 7 или 6 (например, в Японии и англоязычных странах) цветов.
Цвета в радуге расположены в последовательности, соответствующей спектру видимого света. Как известно, существуют мнемонические фразы для запоминания этой последовательности. Этих фраз достаточно много, на разных языках. Вот на русском некоторые из них: Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан; Как Однажды Жак-Звонарь Головой Сломал Фонарь; Крот Овце, Жирафу, Зайке Голубые Сшил Фуфайки, а также на английском: RichardОfYorkGaveBattleInVain и т. д. В этих фразах начальная буква каждого слова соответствует начальной букве названия определенного цвета.
Ответ известен: это разноцветная полоса в форме дуги, которая иногда появляется на фоне неба. Радуга – явление одновременно оптическое, атмосферное и погодное. Оно возникает, когда воздух насыщен мельчайшими каплями воды и сквозь них проходит свет.
Случается это после или во время дождя, тумана или в ясную погоду возле бурлящей реки, фонтана, поливальной машины.
Почему радуга цветная?
Радуга состоит из лучей света. Откуда берётся их разноцветность? Мы-то видим свет белым. На самом деле солнечный свет состоит из частиц, которые колеблются с разной частотой. Её наш мозг (благодаря глазам) и различает как цвета. К примеру, лучи с высокой частотой колебаний мы воспринимаем как красные, с низкой – фиолетовые. В общем потоке лучи разных частот перемешаны, и свет кажется белым.
Когда он проходит через капли воды, висящие в воздухе, он меняет направление – преломляется. Причём, разные его лучи преломляются под разными углами: красные под небольшим, а, скажем, фиолетовые – под большим углом. И на выходе из капель «белый» свет распадается на спектр – лучи с разной окраской. Их мы и видим как радугу.
Похожая картинка получается, когда переливается разными цветами плёнка бензина на луже или мыльный пузырь.
Отчего радуга после дождя видна не всегда?
Чтобы родилась видимая радуга, нужно, чтобы поток света был достаточно сильным. В пасмурную погоду радуги не увидать.
При этом свет должен быть перед глазами, а не позади головы. Обычно одни люди видят радугу, а другие – одновременно с первыми – её не видят. Почему? Если солнце спиной, то вы будете видеть свет до того, как он прошёл через капли и заиграл спектром.
Когда солнце стоит слишком высоко, то его лучи после преломления не попадают в глаза. Чем выше солнце – тем дуга радуги меньше. Поэтому радугу не видно в полдень, а чаще её наблюдают в утренние часы или под вечер.
Зато когда вы поднимаетесь (к примеру, по лестнице), всё больше и больше световых лучей попадает в глаза, и радуга растёт. А пассажиры летящего авилайнера видят в иллюминаторы не радужную дугу, а полный круг!
Сколько в радуге цветов?
Не надо улыбаться – вопрос не так глуп, как кажется.
Конечно, мы привыкли, что цветов этих семь, но это дань традиции. Она идёт от Исаака Ньютона. В опытах он показал, откуда берётся спектр. Великий учёный насчитал в радуге пять цветов – красный, желтый, зелёный, голубой и фиолетовый. Однако цифра ему не очень понравилась.
Магическим числом считалась семёрка (семь дней недели, семь чудес света, седьмое небо, семь смертных грехов и т.д.). «Присмотревшись» к радуге, Ньютон добавил спектру два оттенка – оранжевый и индиго (сине-фиолетовый), и цветов стало семь.
А вот древние русичи были уверены, что в ней лишь четыре цвета — червеный, синий, зелёный и багряный. Японцам радуга видится шестицветной – у них зелёный считается разновидностью синего. Короче, у разных народов число радужных цветов колеблется от девяти до двух (светлого и тёмного).
Спрашивать, сколько их «на самом деле», смысла нет – цвета спектра незаметно переходят друг в друга и условно разделять его можно на сколько угодно полос.
Как запомнить порядок цветов в радуге?
Ну, это совсем легко. Мы их помним по первым буквам слов в нехитрой фразе: «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан» (красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый). Есть и современный вариант: «Каждый оформитель желает знать, где скачать «Фотошоп».
У англичан фраза про «фазана» выглядит покороче: Run off you girls – boys in view («бегите, девчонки – мальчишки появились»).
Есть вариант посерьёзней: Richard of York gave battle in vain («Ричард Йоркский дал бой напрасно»). Обратите внимание на набор цветов: red, orange, yellow, green, blue, indigo, violet – англичане сохранили «индиго»! Что поделаешь, в их языке голубой и синий цвета обозначаются одинаково.
Как получить радугу дома?
Увидеть полноценную радугу от пола до потолка вам не удастся. Но всё же…
1.
Возьмите CD-диск, поставьте под солнечный свет и меняйте угол наклона. Так нетрудно получить на диске яркие радужные пятна, полосы или круг по его краю.
2.
В солнечный день поставьте миску с водой на подоконник или столик у окна. На дно её положите зеркало. Взяв в руку , двигайте его и зеркало так, чтобы на бумагу попал поток лучей, отражённый зеркалом. Свет от него, проходя слой воды, будет разлагаться на спектр. На бумаге появится кусочек радуги.
Обычно радуга - это цветная дуга угловым радиусом 42°, видимая на фоне завесы ливневого дождя или полос падения дождя, часто не достигающих поверхности Земли. Радуга видна в стороне небосвода, противоположной Солнцу, и обязательно при Солнце, не закрытом облаками.
Центром радуги является точка, диаметрально противоположная Солнцу,- антисолярная точка. Внешняя дуга радуги красная, за нею идет оранжевая, желтая, зеленая дуги и т. д., кончая внутренней фиолетовой.
Все радуги - это солнечный свет, разложенный на компоненты и перемещенный по небосводу таким образом, что он кажется исходящим от части небосвода, противоположной той, где находится Солнце.
Научное объяснение радуги впервые дал Рене Декарт в 1637 г. Декарт объяснил радугу на основании законов преломления и отражения солнечного света в каплях выпадающего дождя.
Спустя 30 лет Исаак Ньютон, открывший дисперсию белого света при преломлении, дополнил теорию Декарта, объяснив, как преломляются цветные лучи в каплях дождя.
Несмотря на то что теория радуги Декарта - Ньютона создана более 300 лет назад, она правильно объясняет основные особенности радуги: положение главных дуг, их угловые размеры, расположение цветов в радугах различных порядков.
Итак, пусть параллельный пучок солнечных лучей падает на каплю. Ввиду того что поверхность капли кривая, у разных лучей будут разные углы падения. Они изменяются от 0 до 90°. Проследим путь луча, проходящего через каплю. Преломившись на границе воздух-вода, луч входит в каплю и доходит до противоположной границы. Часть энергии луча, преломившись, выходит из капли, часть, испытав внутреннее отражение, снова идет внутри капли до очередного места отражения. Здесь снова часть энергии луча, преломившись, выходит из капли, а некоторая часть, испытав второе внутреннее отражение, идет через каплю и т. д. В принципе луч может испытывать любое число внутренних отражений, а преломлений у каждого луча два - при входе и при выходе из капли. Параллельный пучок лучей, падающий на каплю, по выходе из капли оказывается сильно расходящимся (рис. 2). Концентрация лучей, а значит, и их интенсивность тем больше, чем ближе они лежат к лучу, испытавшему минимальное отклонение. Только минимально отклоненный луч и самые близкие к нему лучи обладают достаточной интенсивностью, чтобы образовать радугу. Поэтому этот луч и называют лучом радуги.
Каждый белый луч, преломляясь в капле, разлагается в спектр, и из капли выходит пучок расходящихся цветных лучей. Поскольку у красных лучей показатель преломления меньше, чем у других цветных лучей, то они и будут испытывать минимальное отклонение по сравнению с остальными. Минимальные отклонения крайних цветных лучей видимого спектра красных и фиолетовых оказываются следующими: D1k= 137°30\" и D1ф = 139°20\". Остальные цветные лучи займут промежуточные между ними положения.
Солнечные лучи, прошедшие через каплю с одним, внутренним отражением, оказываются исходящими от точек неба, расположенных ближе к антисолярной точке, чем к Солнцу. Поэтому, чтобы увидеть эти лучи, надо встать спиной к Солнцу. Расстояния их от антисолярной точки будут равны соответственно: 180° - 137°30" = 42°30" для красных и 180° - 139°20" = 40°40" для фиолетовых.
Почему радуга круглая? Дело в том, что более или менее сферическая капля, освещенная параллельным пучком лучей солнечного света, может образовать радугу только в виде круга. Поясним это.
Описанный путь в капле с минимальным отклонением по выходе из нее проделывает не только тот луч, за которым мы следили, но также и многие другие лучи, упавшие на каплю под таким же углом. Все эти лучи и образуют радугу, поэтому их называют лучами радуги.
Сколько же лучей радуги в пучке света, падающего на каплю? Их много, по существу, они образуют целый цилиндр. Геометрическое место точек их падения на каплю это целая окружность.
В результате прохождения через каплю и преломления в ней цилиндр белых лучей преобразуется в серию цветных воронок, вставленных одна в другую, с центром в антисолярной точке, с открытыми раструбами, обращенными к наблюдателю. Наружная воронка красная, в нее вставлена оранжевая, желтая, далее идет зеленая и т. д., кончая внутренней фиолетовой.
Таким образом, каждая отдельная капля образует целую радугу!
Конечно, радуга от одной капли слабая, и в природе ее невозможно увидеть отдельно, так как капель в завесе дождя много. В лаборатории же удавалось наблюдать не одну, а несколько радуг, образованных преломлением света в одной подвешенной капельке воды или масла при освещении ее лучом лазера.
Радуга, которую мы видим на небосводе, мозаична - она образована мириадами капель. Каждая капля создает серию вложенных одна о другую цветных воронок (или конусов). Но от отдельной капли в радугу попадает только один цветной луч. Глаз наблюдателя является общей точкой, в которой пересекаются цветные лучи от множества капель. Например, все красные лучи, вышедшие из различных капель, но под одним и тем же углом и попавшие в глаз наблюдателю, образуют красную дугу радуги, также и все оранжевые и другие цветные лучи. Поэтому радуга круглая.
Два человека, стоящие рядом, видят каждый свою радугу. Если вы идете по дороге и смотрите на радугу, она перемещается вместе с вами, будучи в каждый момент образована преломлением солнечных лучей в новых и новых каплях. Далее, капли дождя падают. Место упавшей капли занимает другая и успевает послать свои цветные лучи в радугу, за ней следующая и т. д. Пока идет дождь, мы видим радугу.
Инструкция
Как установил Ньютон, белый световой луч получается в результате взаимодействия лучей разного цвета: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего, фиолетового. Каждый цвет характеризуется определенной длиной волны и частотой колебаний. На границе прозрачных сред скорость и длина световых волн изменяются, частота колебаний остается прежней. Каждый цвет имеет свой собственный коэффициент преломления. Меньше всего от прежнего направления откланяется луч красного цвета, чуть больше оранжевый, затем желтый и т.д. Наибольший коэффициент преломления имеет фиолетовый луч. Если на пути светового луча установить стеклянную призму, то он не только отклонится, но и распадется на несколько лучей разного цвета.
А теперь . В природе роль стеклянной призмы выполняют дождевые капли, с которыми сталкиваются солнечные лучи при прохождении через атмосферу. Поскольку плотность воды больше , световой луч на границе двух сред преломляется и разлагается на составляющие. Далее цветовые лучи движутся уже внутри капли до столкновения с ее противоположной стенкой, которая также является границей двух сред, и, к тому же, обладает зеркальными свойствами. Большая часть светового потока после вторичного преломления будет продолжать движение в воздушной среде за каплями дождя. Некоторая же его часть отразится от задней стенки капли и выйдет в воздушную среду после вторичного преломления на передней ее поверхности.
Процесс этот происходит сразу во множестве капель. Чтобы увидеть радугу, наблюдатель должен стоять спиной к Солнцу и лицом к стене дождя. Спектральные лучи выходят из дождевых капель под разными углами. От каждой капли в глаз наблюдателя попадает только один луч. Лучи, выходящие из соседних капель сливаются, образуя дугу. Таким образом, от самых верхних капель в глаз наблюдателя попадают лучи красного цвета, от тех, что ниже – оранжевого и т.д. Сильнее всего откланяются фиолетовые лучи. Фиолетовая полоска будет нижней. Радугу в форме можно видеть, когда Солнце находится под углом не более чем 42° относительно горизонта. Чем выше поднимается Солнце, тем меньше размеры радуги.
Вообще-то, описанный процесс несколько сложнее. Световой луч внутри капли отражается многократно. При этом может наблюдаться не одна цветовая дуга, а две – радуга первого и второго порядка. Внешняя дуга радуги первого порядка окрашена в красный цвет, внутренняя – в фиолетовый. У радуги второго порядка наоборот. Выглядит она обычно на много бледнее первой, поскольку при многократных отражениях интенсивность светового потока уменьшается.
Значительно реже в небе могут наблюдаться три, четыре и даже пять цветных дуг одновременно. Подобное наблюдали, например, жители Ленинграда в сентябре 1948 года. Это объясняется тем, что радуга может возникать также и в отраженных солнечных лучах. Такие многократные цветовые дуги могут наблюдаться над обширной водной поверхностью. При этом отраженные лучи идут снизу вверх,