Почему появляется радуга. Научно - исследовательская работа по физике на тему радуга - дуга

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.

Радугу обычно объясняют простым преломлением и отражением солнечных лучей в каплях дождя. Свет выходит из капли в широком диапазоне углов, но наибольшая интенсивность наблюдается под углом, соответствующим радуге. Видимый свет различных длин волн преломляется в капле по-разному, то есть зависит от длины волны света (то есть цвета). Побочная радуга образуется в результате двукратного отражения света внутри каждой капли. В этом случае лучи света выходят из капли под другими углами, чем те, которые дают основную радугу, и цвета в побочной радуге располагаются в обратной последовательности. Расстояние между каплями, которыми обусловлена радуга, и наблюдателя роли не играет

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,

Все мы видели, как в небе появляется разноцветная дуга. Но что такое радуга? Как образуется это чудесное явление? Тайна природы радуги всегда завораживала человечество, и люди старались найти объяснение происходящему с помощью легенд и мифов. Сегодня мы поговорим именно об этом. Что такое радуга и как она образуется?

Мифы

Всем известно, что древние люди были склонны обожествлять и мистифицировать большинство природных явлений, будь то гром и молния или землетрясение. Не обошли они стороной и радугу. Что же нам известно от наших предков? Что такое радуга и как она получается?

• Древние викинги верили, что радуга - это мост Биврёст, соединяющий землю людей Митгард и богов (Асгард).
• Индийцы считали, что радуга - это лук, принадлежащий богу грома Индре.
• Греки не ушли далеко от своих современников и также считали радугу дорогой посланницы богов Ириды.
• Армяне решили, что это не природное явление, а пояс Бога солнца (но так и не определившись, они поменяли "специальность" Богу и "заставили" его отвечать за искусство и науку).
• Австралийцы пошли дальше и одушевили радугу, сделав её змеем-покровителем воды.
• По африканским мифам, там, где радуга касается земли, можно найти клад.
• Интересно, что общего у африканцев и ирландцев, ведь их Лепрекон также прячет горшок с золотом на конце радуги.

Можно еще долго перечислять мифы и легенды народов со всего мира, и у каждого мы бы нашли что-нибудь интересное. Но что такое радуга на самом деле?

История

Первые осознанные и близкие к реальности выводы по рассматриваемому нами атмосферному явлению дал Аристотель. Это было всего лишь предположение, однако он стал первым человеком, который перевёл радугу из раздела мифов в реальный мир. Аристотель вывел гипотезу о том, что радуга - это не предмет или вещество, и даже не реальный объект, а просто визуальный эффект, изображение, сродни миражу в пустыне.

Однако первое научное исследование и обоснование проводил арабский ученый-астроном Кутб ад-Дин аш-Ширази. Одновременно с ним подобные исследования проводили немецкие исследователи.

В 1611 году была создана первая физическая теория обоснования радуги. Марк Антоний де Доминис на основе наблюдений и опытов пришел к выводу, что радуга образуется из-за преломления света в каплях воды, содержащихся в атмосфере в дождливую погоду. Если быть более точным, то он описал полную картину возникновения радуги за счет двойного преломления света на входе и выходе из капли воды.

Физика

Так что такое радуга, определение которой дал еще Аристотель? Как она образуется? Наверное, все слышали о существовании инфракрасного и ультрафиолетового излучения? Это "свет", который исходит от любых материальных объектов в разных диапазонах измерения.

Так вот, солнечный свет состоит из лучей с разной длиной волны и включает в себя все виды излучения от "теплого" красного до "холодного" фиолетового. При прохождении через капли воды свет разделяется на лучи с разной длиной волны (и разным цветом), причем происходит это дважды, при попадании в воду луч разделяется и немного отклоняется от своей траектории, а при выходе отклоняется еще больше, в результате чего радугу можно увидеть невооруженным глазом.

Для детей

Конечно, про радугу вам расскажет любой, кто хоть на тройку закончил школу. Но что делать, если к родителю подойдет ребёнок и спросит: "Мам, а что такое радуга? Откуда она берётся?". Проще всего объяснить так: "Это солнечные лучики, проходя через дождь, переливаются". В младшем возрасте детям не обязательно знать физическую подоплёку явления.

Всем известные цвета радуги имеют строгий порядок и всегда одинаковую последовательность. Как мы уже выяснили, это результат физических процессов. Однако почему-то многие взрослые (родители, воспитатели в детсадах) требуют от детей знать правильный порядок расположения цветов в радуге. Для более быстрого запоминания были придуманы выражения, в которых первые буквы слов символизируют определённый цвет. Вот наиболее известные формы:

Как видите, можно отследить правильный порядок расположения цветов по первой букве (красный-оранжевый-желтый-зелёный-голубой-синий-фиолетовый). Кстати, Исаак Ньютон выделял не голубой и синий цвета, а синий и индиго соответственно. Почему названия цветов были изменены, остаётся загадкой. А вообще, неужели так важно знать, что такое радуга, для того чтобы любоваться ею?

Страница 3 из 5

Виды радуги. Какая радуга бывает?

Первичная радуга - вид радуги, образованный в результате одного отражения света.

Как мы уже знаем, радуга возникает в результате многократного внутреннего отражения света в капельках воды. Чем больше отражений испытал луч света, тем меньше в нем энергии.

Поэтому самой яркой является радуга, образованная из лучей, испытавших только одно отражение. Это так называемая первичная радуга с угловым радиусом 42°.

Полирадуга - вид радуги, образованный в результате многократного отражения луча света в капле воды.

Нередко над первой, или первичной, радугой мы наблюдаем и вторую, так называемую побочную или вторичную радугу , с угловым радиусом 52°. Вместе эти радуги образуют полирадугу или множественную радугу .

Когда Солнце достигает высоты в 42°, первичная радуга перестает быть видна. А при достижении Солнцем высоты в 52°, исчезает и побочная.

Первичная радуга образуется в результате однократного отражения луча света в капле воды. Побочная же радуга – продукт двукратного отражения. Каждое отражение в капле «переворачивает» луч, поэтому цвета во вторичной радуге расположены в обратном порядке, т.е. внешняя полоса фиолетовая, а внутренняя – красная.

Иногда можно наблюдать и третью радугу (угловой радиус 60°), и даже четвертую и пятую. Но это уже крайне редкое оптическое явление в атмосфере.

Полоса Александра - не является видом радуги, но изучается при прохождении темы "Виды радуги".

- это полоса неба, находящаяся между первичной и вторичной радугой. Свое название получила по имени философа Александра Афродисийского, впервые описавшего ее в 200 году н.э.

Полоса Александра выглядит темнее, чем окружающее небо. Для объяснения этого явления вспомним рисунок, изображающий луч Декарта. Как мы помним, лучи, испытавшие однократное отражение, освещают небо под первичной радугой, выходя из капли под углом к солнцу не больше 42,1°.

В результате же двукратного отражения лучи из капли выходят уже под углом больше 50,9°, освещая небо над вторичной радугой. То есть та область неба, которая лежит между 42,1° и 50,9°, не освещается ни при первичной, ни при вторичной радугах. Так и получается, что полоса Александра шириной около 9° является более темной, чем остальное небо.

Лунная радуга - вид радуги, образованный лунными лучами.

Наблюдать радугу можно не только днем, но и ночью. В этом случае в каплях дождя преломляются уже не солнечные лучи, а лунные.

Ничем не отличается от солнечной, разве только яркостью. Человеческому глазу, в силу особенностей своего строения, лунная радуга чаще всего видна как белая. Но на снимках с длительной экспозицией можно получить и цвета.

Так же, как и солнечная радуга, лунная радуга появляется на стороне, противоположной Луне, причем ночное светило должно быть как можно ниже над горизонтом. Лунная радуга появляется только в ночи, когда Луна особенно яркая, а именно в полнолуние и ночи, близкие к нему.

Т.е., чтобы появилась лунная радуга, нужно, чтобы выполнялись три условия:

Полнолуние;

Восход или заход Луны;

Дождь в противоположной от Луны стороне небосвода.

Понятно, что все эти условия одновременно выполняются нечасто, поэтому и лунная радуга – это очень редкое оптическое явление в атмосфере.

Красная радуга - вид радуги, образующийся на закате солнца.

Если радуга появляется на закате Солнца, то наблюдается такое явление, как красная радуга . Она иногда бывает необычайно яркой и видна даже после захода Солнца.

Почему же закатная радуга красного цвета? Лучи Солнца, проходя через толщу атмосферы, рассеиваются, причем интенсивность рассеяния лучей разного цвета не одинакова. Например, более короткие синие волны рассеиваются в 16 раз интенсивнее красных, поэтому днем небо голубое .

На закате же лучи Солнца проходят долгий путь в атмосфере и более короткие лучи рассеиваются по дороге. До нас доходят только длинные волны желтых, красных и оранжевых оттенков. Они и формируют в атмосфере оптическое явление – красную радугу.

Радуга на росе - вид радуги, образующийся в каплях росы.

Иногда ранним утром, сразу после восхода солнца, можно наблюдать радугу на росе .

Механизм образования у нее такой же, как и у обычной радуги.

Однако форму радуга на росе имеет не круговую, а гиперболическую, что является характерной особенностью этого необычного вида радуги.

Наблюдается он крайне редко, но представляет собой незабываемое зрелище.

Сдвоенная радуга - вид радуги, образованный в разных по размеру каплях дождя.

– это две радужные дуги, начинающиеся в одной точке.

Она может возникнуть, когда идет дождь смешанного типа – из больших и малых капель. Большие капли под собственным весом сплющиваются, малые остаются прежней формы.

Эти два типа капель и образуют две пересекающиеся в начальной точке дуги.

Радуга-колесо - вид радуги, образующийся при сильном дожде.

– это прерывистая радуга. Темные участки возникают, когда идет слишком сильный дождь, не позволяющий свету радуги дойти до глаз наблюдателя. Также в образовании разрывов могут участвовать темные тучи.

В итоге получается радуга, по внешнему виду схожая с колесом телеги. А если еще тучи при этом быстро движутся, то возникает иллюзия движения «колеса».

Туманная радуга - вид радуги, образующийся в каплях тумана.

Туманную радугу еще называют белой радугой или туманной дугой . Она представляет собой широкую белую дугу, иногда слабо окрашенную по краям. Внешняя сторона может быть окрашена в фиолетовый цвет, а внутренняя – в оранжевый. Образуется белая радуга в очень мелких капельках тумана радиусом не больше 25 мкм.

Природа белой радуги отличается тем, что формирующие эту радугу капли намного меньше капель, образующих обычную радугу. Белый цвет радуги связан с явлением дифракции света в каплях воды. Чем меньше радиус капель, тем сильнее влияние дифракции. Дифракция, говоря простыми словами, это соединение световых пучков разного цвета в один белый. Т.е., если в крупных каплях свет разлагается на составляющие и образует обычную радугу, то в мелких, наоборот, сливается в один и формирует туманную радугу.

В данной статье мы рассмотрели Виды радуги и ответили на вопрос: Какая радуга бывает? Далее читайте: