Радуга | Палитра Вики | Fandom
Файл:TakakkawFalls2.jpg Файл:Радуга над Гродно.jpgРа́дуга — атмосферное, оптическое и метеорологическое явление, наблюдаемое при освещении ярким источником света (в природе Солнцем или Луной — см. лунная радуга) множества водяных капель (дождя или тумана). Радуга выглядит как разноцветная дуга или окружность, составленная из цветов спектра (от внешнего края: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый). Это те семь цветов, которые принято выделять в радуге в русской культуре (возможно, вслед за Ньютоном, см. ниже), но следует иметь в виду, что на самом деле спектр непрерывен, и его цвета плавно переходят друг в друга через множество промежуточных оттенков.
Центр окружности, описываемой радугой, лежит на прямой, проходящей через наблюдателя и Солнце, при этом Солнце всегда находится за спиной наблюдателя, и одновременно видеть Солнце и радугу без использования оптических приспособлений невозможно. Для наблюдателя на земле радуга обычно выглядит как дуга, часть окружности, и чем выше точка наблюдения — тем она полнее (с горы или самолёта можно увидеть и полную окружность). Когда Солнце поднимается выше 42 градусов над горизонтом, окружность возможного появления радуги оказывается ниже уровня земли, и наблюдатель, находящийся на её поверхности, увидеть радугу не может
Радуга возникает из-за того, что солнечный свет преломляется и отражается капельками воды (дождя или тумана), парящими в атмосфере. Эти капельки по-разному отклоняют свет разных цветов (показатель преломления воды для более длинноволнового (красного) света меньше, чем для коротковолнового (фиолетового), поэтому слабее всего отклоняется красный свет — на 137°30’, а сильнее всего фиолетовый — на 139°20’). В результате белый свет разлагается в спектр (происходит дисперсия света). Наблюдатель, который стоит спиной к источнику света, видит разноцветное свечение, которое исходит из пространства по концентрическим окружностям (дугам).
Файл:Rainbowrays.pngРадуга представляет собой каустику, возникающую при преломлении и отражении (внутри капли) плоскопараллельного пучка света на сферической капле. Как показано на рисунке (для пучка монохроматического света), отражённый свет имеет максимальную интенсивность для определённого угла между источником, каплей и наблюдателем (и этот максимум весьма «острый», то есть бо́льшая часть света выходит из капли, развернувшись практически точно на один и тот же угол). Дело в том, что угол, под которым уходит из капли отражённый и преломлённый ею луч, немонотонно зависит от расстояния от падающего (первоначального) луча до оси, параллельной ему и проходящей через центр капли (эта зависимость довольно проста, и её нетрудно явно вычислить), и зависимость эта имеет гладкий экстремум. Поэтому больше всего света капля разворачивает именно на этот угол и близкие к нему. При этом угле (значения которого немного различаются для разных показателей преломления, соответствующих лучам разного цвета) и возникает отражение-преломление максимальной яркости, составляющее (от разных капель) радугу («яркие» лучи от разных капель образуют конус с вершиной в зрачке наблюдателя и осью, проходящей через наблюдателя и Солнце)
Для одного отражения внутри капли такой угол имеет одно значение, для двух — другое, и т. д. Этому соответствует первичная (радуга первого порядка), вторичная (радуга второго порядка) и т. д. радуга. Первичная — самая яркая, она уносит из капли большинство света. Радугу большего порядка обычно не удаётся увидеть, так как она очень слаба.
Файл:Rainbow formation.pngЧаще всего наблюдается первичная радуга, при которой свет претерпевает одно внутреннее отражение. Ход лучей показан на рисунке справа вверху. В первичной радуге красный цвет находится снаружи дуги, её угловой радиус составляет 40-42°.
Иногда можно увидеть ещё одну, менее яркую радугу вокруг первой. Это вторичная радуга, которая образована светом, отражённым в каплях два раза. Во вторичной радуге «перевёрнутый» порядок цветов — снаружи находится фиолетовый, а внутри красный. Угловой радиус вторичной радуги 50-53°. Небо между двумя радугами обычно заметно более тёмное, эту область называют полосой Александра.
Появление радуги третьего порядка в естественных условиях случается чрезвычайно редко. Считается[3], что за последние 250 лет было только пять научных сообщений о наблюдении данного феномена. В то же время благодаря применению специальных методов фотосъёмки и последующей обработки полученных фотографий удаётся зарегистрировать радуги четвёртого[4], пятого[5] и даже, как предполагается, седьмого[6] порядков.
В лабораторных условиях удаётся получать радуги гораздо более высоких порядков. Так, в статье, опубликованной в 1998 г., утверждалось, что авторам, используя лазерное излучение, удалось получить радугу двухсотого порядка
Свет первичной радуги поляризован на 96 % вдоль направления дуги[8]. Свет вторичной радуги поляризован на 90 %.
В яркую лунную ночь можно наблюдать и радугу от Луны. Поскольку рецепторы человеческого глаза, работающие при слабом освещении, — «палочки» — не воспринимают цвета, лунная радуга выглядит белёсой; чем ярче свет, тем «цветнее» радуга (в её восприятие включаются цветовые рецепторы — «колбочки»).
Необычные радуги Править
colors.fandom.com
Что такое радуга, и всё, что с ней связано :: SYL.ru
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:
- Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан.
- Каждый Оформитель Желает Знать, Где Скачать Фотошоп.
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?
www.syl.ru
Как появляется радуга?
Как появляется радуга?
Пушина Н.В. 11МБОУ СОШ №91
Бушуева Е.А. 11МБОУ СОШ №91
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF
Введение
Актуальность работы
Летом я часто ездила, вместе с родителями, в сад, который находится за городом. Как-то вечером, мы сидели и ужинали на улице, вдруг сгустились тучи, и полил дождь. Мы спрятались под навес и наблюдали за окружающей природой. Запахло мокрой землей, травой, а воздух стал чистый и свежий. И вот дождь стих, кое-где появились на небе голубые просветы, в них проскальзывали солнечные лучи. И вдруг, через весь небосвод перекинулась разноцветная дуга, словно огромные ворота в небе. Да не одна, а две! Мы все очень обрадовались, стали любоваться и фотографировать двойную радугу. Но недолго нас радовала радуга своей красотой.
Радуга – одно из самых красивых явлений природы. Сколько радости приносит она и детям и взрослым. Её появление вызывает положительные эмоции, поднимает настроение людям. У Константина Дмитриевича Ушинского есть басня «Солнце и радуга». «Раз после дождя выглянуло солнышко, и появилась семицветная дуга радуга. Кто ни взглянет на радугу, всяк ею любуется. Загордилась радуга, да и стала хвалиться, что она красивее самого солнца. Услышало эти речи солнышко и говорит: «Ты красива – это, правда, но ведь без меня и радуги не бывает». А радуга только смеется да пуще хвалит себя. Тогда солнышко рассердилось и спряталось за тучу – и радуги как не бывало». Так на самом ли деле появление радуги невозможно без солнца. Почему радуги не бывает, в солнечную погоду без дождя, или в дождливую погоду без солнца.
Сегодня не каждый человек может объяснить появление радуги. Откуда берется радуга? Почему ее цвета появляются в определенном порядке? Почему бывает двойная радуга? Можно ли получить радугу искусственно, например, в домашних условиях? Чтобы ответить на все эти вопросы, я решила провести свое исследование.
Гипотезы исследования:
Радуга появляется в природе только в солнечный и дождливый день;
Можно получить радугу в домашних условиях, используя искусственный источник освещения.
Цель работы:
Узнать причину появления радуги.
Задачи:
Дать определение радуги;
Выяснить условия появления радуги в природе;
Выяснить, сколько цветов у радуги и что такое солнечный спектр;
Узнать, какие бывают радуги;
Попробовать получить радугу в домашних условиях разными способами.
Объект исследования:радуга
Изучение специальной литературы и Интернет-источников;
Проведение опытов получения радуги в домашних условиях, с использованием искусственного источника освещения;
Анализ полученных результатов.
2. Теоретический материал
2.1. Что такое радуга?
Существует несколько теорий, объясняющих его происхождение. В соответствии с одной из них, radoga является производным от праславянского корня radъ, значение которого аналогично англосаксонскому rot (радостный, благородный).
Некоторые исследователи языка склонны предполагать, что слово «райдуга», как произносится это слово в ряде диалектов современного русского языка, имеет народную этимологию, образовалось в результате слияния слов «рай» и «дуга». Так же оно звучало в русском языке в 17–18 веках. В таком случае радуга буквально означает «пестрая дуга».
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.
Я прочитала значение слова «радуга» в различных толковых словарях:
«Радуга — разноцветная дуга на небесном своде, образующаяся вследствие преломления солнечных лучей в дождевых каплях» (Толковый словарь Ожегова). «Радуга — разноцветная дуга на небосводе. Наблюдается, когда Солнце освещает завесу дождя, расположенную на противоположной от него стороне неба. Объясняется преломлением, отражением и дифракцией света в каплях дождя». (Современный толковый словарь. Астрономический словарь)
Итак, я выяснила, что радуга – это разноцветная дуга на небосводе, образующаяся вследствие преломления солнечных лучей в дождевых каплях.
2.2. Причина появления радуги
Аристотель, древнегреческий философ, пытался объяснить причину появления радуги. Он определил, что «радуга — это оптическое явление, а не материальный объект». Аристотель предположил, что радуга возникает в результате необычного отражения лучей солнечного света от облаков.
Явление радуги объяснил преломлением солнечных лучей в каплях дождя в 1267 году Роджер Бэкон.
Первым понял причину радуги немецкий монах Теодорик из Фрайберга, в 1304 г. воссоздавший ее на сферической колбе с водой. Однако открытие Теодорика было забыто.
Попытка объяснить радугу как естественное явление природы была сделана в 1611г. архиепископом Антонио Доминисом. Его объяснение радуги противоречило библейскому, поэтому он был отлучен от церкви и приговорен к смертной казни. Антонио Доминис умер в тюрьме, не дождавшись, казни, но его тело и рукописи были сожжены.
Научное объяснение радуги дал, также, французский философ, математик, механик Рене Декарт в 1637г. Декарт объяснил радугу на основании законов преломления и отражения солнечного света в каплях выпадающего дождя. В то время еще не было открыто разложение белого света в спектр при преломлении. Поэтому радуга Декарта была белой.
Основоположником семицветной радуги был Исаак Ньютон, который раскрыл причину появления радуги.
2.3. Преломление лучей. Спектр
Еще в 1666 году Исаак Ньютон доказал, что обычный белый свет – это смесь лучей разного цвета. «Я затемнил мою комнату, — писал он, — и сделал очень маленькое отверстие в ставне для пропуска солнечного света». На пути солнечного луча ученый поставил особое трехгранное стеклышко — призму. На противоположной стене он увидел разноцветную полоску – спектр. Ньютон объяснил это тем, что призма разложила белый свет на составляющие его цвета. Ньютон первый разгадал, что солнечный луч многоцветный.
Радуга – самый знаменитый, всем известный спектр. Во время дождя в воздухе находится огромное количество водяных капель. Каждая капелька дождя исполняет роль крохотной призмы. Солнечные лучи, которые проходят через дождевые капли, как сквозь призмы, преломляются в каплях дождя. В результате разложения лучей света, появляется большой изогнутый спектр – полоса цветных линий и отражается на противоположной стороне неба. Во время дождя в воздухе находится огромное количество водяных капель. А поскольку, их много, то и радуга получается в полнеба.
Проследим путь луча, проходящего через каплю. Преломившись на границе капли, луч входит в каплю и доходит до противоположной границы. Часть луча, преломившись, выходит из капли, часть снова идет внутри капли до очередной границы. Здесь снова часть луча, преломившись, выходит из капли, а некоторая часть идет через каплю и так далее. Каждый белый луч, преломляясь в капле, разлагается в спектр, и из капли выходит пучок расходящихся цветных лучей.
В солнечном спектре различают семь цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый.
2. 4. Цвета радуги
А теперь более подробно о цветах солнечного спектра или радуги. Исследования показали, что человеческий взгляд различает 160 оттенков цветов. Это происходит потому, что нет четкой границы между цветами, один цвет переходит в другой через все оттенки. Основные цвета радуги это красный, желтый и синий. Из них можно получить все иные цвета радуги. Наблюдаемые в радуге цвета чередуются в такой же последовательности, как и в спектре, получаемом при пропускании пучка солнечных лучей через призму. При этом внутренняя (обращенная к поверхности Земли) крайняя область радуги окрашена в фиолетовый цвет, а внешняя крайняя область — в красный.
Иногда в небе видны целых 2, 3, 4 радуги — одна из них очень яркая, вторая — бледнее. Значит, солнечный луч дважды отражается в каплях воды. При этом, у другой радуги, цвета полос располагаются в обратном порядке — верхняя часть дуги имеет фиолетовую окраску, а нижняя — красную. Вторые радуги образуются из-за двойного отражения солнечного света внутри дождевых капель.
Цвета радуги: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. А также множество оттенков между этими цветами, поэтому четкого перехода из одного цвета в другой – нет. Цвета радуги расположены в строгой последовательности. Чтобы лучше запомнить их последовательность люди придумали такую фразу: «Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан». По первым буквам слов и вспоминают цвета. Наружный край дуги обычно красный, а внутренний – фиолетовый.
Радугу всегда видели по-разному в разные периоды истории и в разных народах. В ней различали и три основных цвета, и четыре, и пять, и сколько угодно. Радужный Змей австралийских аборигенов был шестицветным. Некоторых африканские племена видят в радуге только два цвета — темный и светлый. Так откуда же взялись семь цветов в радуге? Как я сообщила ранее, проанализировать свет додумался только Ньютон. И, сначала, он насчитал пять цветов. В последствие, узрев ещё один цвет (оранжевый), посчитал это богословским наваждением (число 6 для него было дьявольским), стремясь создать соответствие между числом цветов спектра и числом основных тонов музыкальной гаммы. Ньютон прибавил к шести перечисленным цветам спектра ещё один – индиго. Индиго — разновидность фиолетового цвета, среднее между тёмно-синим и фиолетовым. Название произошло от растения индиго, произрастающего в Индии, из которого добывали соответствующий краситель, использовавшийся для окраски одежды. Так Ньютон стал отцом семицветной радуги.
Разделение спектра на семь цветов прижилось, и в английском языке появилась следующая запоминалка — Richard Of York Gave Battle In Vain (In — для синего indigo). А со временем об индиго забыли и цветов стало шесть. Американских детей учат шести основным цветам радуги. Английских (немецких, французских, японских) тоже. Но все еще сложнее. Кроме разницы в количестве цветов существует другая проблема — цвета не те. Японцы, как и англичане, уверены, что в радуге шесть цветов. И с радостью вам их назовут: красный, оранжевый, желтый, голубой, синий и фиолетовый. А куда делся зеленый? Никуда, его в японском языке просто нет. Японцы, переписывая китайские иероглифы, иероглиф зеленого цвета потеряли (в китайском языке он есть). Англичане согласятся с японцами по количеству цветов, но никак по составу. У англичан в языке нет голубого цвета. А раз слова нет — то и цвета нет. Американский оранжевый — это отнюдь не наш оранжевый, а зачастую — скорее красный (в нашем понимании). Кстати в случае цвета прически, наоборот, red — это рыжий цвет.
2.5. Необычные радуги
В ходе исследования я узнала, что на земле бывают разные радуги, но чаще всего наблюдается обыкновенная радуга. Известно много других оптических феноменов, которые возникают по похожим причинам или, похоже, выглядят. Рассмотрим, какие бывают радуги.
Лунная (ночная)
Радугу можно увидеть и ночью при свете луны. Лунная радуга (также известная как ночная радуга) — радуга, порождаемая луной. Лунная радуга сравнительно более бледная, чем обычная. Это объясняется тем, что Луна отражает от Солнца меньше света, чем Солнце светит днём. Лунная радуга видна при очень ярком ночном Светиле — Луне. 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! И она тоже будет казаться нам белой. Хотя на самом деле она разноцветная.
Туманная (белая) радуга
Белая или туманная радуга — радуга, представляющая собой широкую блестящую белую дугу. Туманная радуга появляется при освещении солнечными лучами слабого тумана, состоящего из очень мелких капелек воды. Почему же радуга кажется нам белой? Дело в размере капель, от которых отражаются солнечные лучи. 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. Туманная радуга может появляться и ночью во время тумана, когда на небе яркая луна. Туманная радуга довольно редкое атмосферное явление.
Перевернутая радуга
Перевёрнутая радуга – это явление довольно редкое. В отличие от традиционной радуги, «улыбка на небе» появляется на чистом небосводе, без дождевых туч. Лучи солнца должны освещать под определенным углом тонкую похожую на дымку завесу облаков на высоте 7 — 8 тысяч метров. На подобной высоте перистые облака состоят из крошечных кристаллов льда. Солнечный свет, падая под определённым углом на эти кристаллы, разлагается на спектр и отражается в атмосферу. Перевернутая радуга гораздо ярче обычной радуги, а цвета расположены в обратном порядке, от фиолетового к красному. Но как только порядок из кристаллов нарушается, красочный эффект пропадает, и «улыбка на небе» растворяется.
Двойная радуга
Мы уже знаем, что радуга на небе появляется от того, что лучи солнца проникают сквозь дождевые капли, преломляются и отражаются на другой стороне неба разноцветной дугой. А иногда солнечный луч может соорудить на небе сразу две, три, а то и четыре радуги. Двойная радуга получается, когда световой луч отражается от внутренней поверхности дождевых капель дважды. Первая радуга, внутренняя, всегда ярче второй, внешней, а цвета дуг на второй радуге расположены в зеркальном отражении и менее яркие. Небо между радугами всегда более тёмное, чем другие участки неба. Участок неба между двумя радугами называется полосой Александра. Увидеть двойную радугу — хорошая примета — это к удаче, к исполнению желаний. Так что если вам посчастливилось увидеть двойную радугу, как мне, то поспешите загадать желание, и оно обязательно исполнится.
Зимняя радуга
Самым удивительным является — радуга зимой! Очень это странно и необыкновенно. Трещит мороз, а на бледно-голубом небе, вдруг, появляется радуга. Зимнюю радугу можно наблюдать только зимой, во время сильного мороза, когда холодное Солнце сияет на бледно-голубом небе, а воздух наполнен маленькими кристалликами льда. Солнечные лучи преломляются, проходя сквозь эти кристаллики, как сквозь призму и отражаются в холодном небе разноцветной дугой. Луч солнца проходит через эти кристаллики, преломляется, как в призме, и отражается в небе красивой радугой.
Кольцевая радуга
Как я выше объясняла, радуга сама по себе круглая. Но мы видим лишь её часть в виде дуги. Но при определенных обстоятельствах можно увидеть кольцевую радугу. Это возможно только с большой высоты, например, с самолета.
Округло-горизонтальная или огненная радуга
Округло-горизонтальная или огненная радуга – образуется, когда солнечный свет проходит через легкие перистые облака и возникает только в том случае, 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! Солнечные лучи, проходя сквозь вертикальные грани ледяного кристалла, преломляются и зажигают огненную радугу или округло — горизонтальную дугу, так в науке называется огненная радуга. Огненная радуга относительно редкое и уникальное явление.
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 и желтые волны. Остается самая стойкая – красная дуга.
3. Практическая часть
3.1 Собственные исследования.
Опыты получения радуги в домашних условиях
Я провела несколько опытов получения радуги при искусственном источнике освещения:
Опыт №1: получение радуги в домашних условиях при помощи компакт-диска.
Оборудование: компакт-диск, источник света – фонарик.
Я взяла компакт-диск и «поймав» им свет от фонарика, направила его на стену. Получилась радуга. (Приложение №1, фотографии №1,2)
Опыт №2: получение радуги в домашних условиях при помощи зеркала, воды и фонарика.
Ход опыта:
Наполнила стеклянную ёмкость водой;
Поставила в воду зеркало с наклоном;
Направила свет фонарика на погружённую в воду часть зеркала;
В результате преломления луча в воде и его отражения от зеркала на дверце шкафа возникла радуга (Приложение №1, фотографии №3,4).
Опыт №3: получение радуги в домашних условиях при помощи стеклянной призмы и фонарика. Опыт разложения света в спектр, при прохождении белого луча света сквозь призму.
Для этого я взяла стеклянный брелок, направила на него белый луч света, полученный от фонарика, и получила изображение радуги на стене. Свет, который казался белым, играл на стене всеми цветами радуги. Эти семицветные, яркие радужные полоски и называют солнечным спектром. Так я повторила опыт Ньютона, но только с искусственным источником света. (Приложение №1, фотографии №5,6)
Вывод: радугу можно получить в домашних условиях даже с помощью искусственного источника света.
Опыт №4: получение белого цвета, вследствие слияния семи цветов спектра, при помощи семицветного диска и дрели.
Если свет состоит из семи цветов, то семь цветов должны дать белый цвет. Я разделила белый круг на 7 частей и раскрасила в цвета радуги. Мы, с моим братом, закрепили на дрели разноцветный круг. Включив дрель, мы увидели, что при вращении разноцветный диск изменил цвет и стал белым (Приложение №1, фотографии № 7,8,9).
Вывод: свет состоит из семи цветов.
Опыт №5: получение радуги при помощи мыльных пузырей.
Я приготовила мыльный раствор и надула мыльный пузырь. На пузыре появилась радуга. Свет, проходя через мыльный пузырь, преломляется и распадается на цвета, в результате появляется радуга. Мыльный пузырь – это призма. (Приложение №1, фотографии № 10,11)
Опыт №6: получение радуги в солнечный день при помощи шланга с водой.
Если солнце ярко светит, есть еще один верный способ сделать радугу. Но для него придется выйти на улицу и взять шланг и подключить его к крану с водой. Теперь остается пережать конец шланга так, чтобы вода при выходе из отверстия шланга мелко распылялась, и направить ее вверх, на солнце. В брызгах воды мы увидим радугу. Радугу можно увидеть около водопадов, фонтанов, на фоне завесы капель, разбрызгиваемых поливальной машиной или полевой поливальной установкой. (Приложение №1, фотография № 12).
Выводы
За время работы над темой: «Как появляется радуга?», я достигла цели моей исследовательской работы. Теперь я знаю причину появления радуги и смогла создать радугу в домашних условиях. Выдвинутая гипотеза, что радуга появляется в природе только в солнечный и дождливый день, оказалась ошибочной. Я выяснила, что радуга может появляться в лунную ночь (без солнца), во время тумана (без дождя), без дождя в солнечный день (перевёрнутая и огненная радуги), а также зимой (без дождя) во время мороза. Конечно, появление радуги в солнечный и дождливый день бывает чаще всего, но не только. Я выяснила, какая существует связь между дождем, солнцем и появлением радуги. Думаю, что я помогла разгадать тайну солнечного луча и дала объяснение радуги, как природного явления. Опытным путём я доказала, что эффект радуги можно получить в домашних условиях и в любое время года. Все выдвинутые задачи выполнены. Теперь я знаю, когда появляется радуга, и как она образуется. Когда вам захочется полюбоваться радугой, надеюсь, что теперь и вы сможете получить радугу домашних условиях. Радуга – удивительное явление природы, можно сказать чудо природы, которое никогда не перестанет нас восхищать.
5. Список литературы
1. И.К. Белкин «Что такое радуга?», Квант. – 1984г. – № 12.
2. В.Л. Булат «Оптические явления в природе» – М.: Просвещение, 1974г.
3. А. Брагин «Обо всем на свете». Серия: Большая детская энциклопедия.
4. Я.Е. Гегузин «Кто творит радугу?» — Квант, 1988г.
5. В.В. Майер, Р. В. Майер «Искусственная радуга». Квант 1988г. – № 6.
6. «Что такое? Кто такой?» — детская энциклопедия, сост. В. С. Шергин, А. И. Юрьев. – М.: АСТ, 2007г.
7. Е. Пермяк «Волшебная радуга», 2008г. Изд.Эксмо
8. Интернет-источники.
Приложение №1
Опыт №1
Фотография №1 Фотография №2
Опыт №2
Фотография №4
Фотография №3
Опыт №3
Фотография №5 Фотография №6
Опыт №4
Фотография №7 Фотография №8 Фотография №9
Опыт№5
Фотография №10 Фотография №11
Опыт №6
Фотография №12
Просмотров работы: 400
school-science.ru
Творческая исследовательская работа в 11-м классе. Искусственная радуга как объект для определения длины световой волны
Введение
Наверное, нет человека, который не любовался бы радугой. Это великолепное красочное явление на небосводе издавна привлекало всеобщее внимание. Её считали доброй предвестницей, приписывали ей магические свойства. Само название “радуга” происходит от словосочетания “райская дуга”. Существует старинное английское поверье, согласно которому у подножия радуги можно найти горшок с золотом.
Все знают, что волшебными свойствами радуга может обладать лишь в сказках, а в действительности радуга – это оптическое явление, связанное с преломление световых лучей на многочисленных капельках дождя. Радугу творят водяные капли: в небе – дождинки, на поливаемом асфальте – капельки, брызги от водяной струи. Радугу могут творить и капли – росинки, которыми осенним утром покрыта низко склонённая трава. Однако не все знают, как именно преломление света на капельках дождя приводит к возникновению на небосводе гигантской многоцветной дуги.
Как образуется радуга? Когда и как её можно увидеть? Какова теория этого явления? Можно ли экспериментально исследовать радугу? Как получить искусственную радугу? Ответы на эти и многие другие вопросы даются в этой работе.
В работе рассмотрены вопросы геометрии (форма и расположение разноцветных дуг) и физики (законы, определяющие форму и цвета) радуги. Описаны различные способы получения искусственной радуги.
В экспериментальной части приведено описание установки, с помощью которой искусственная радуга была получена в школьных лабораторных условиях.
Далее, на основании экспериментальных данных, приведены расчеты длин световых волны для различных цветов радуги.
Таким образом, в реферате достаточно подробно рассмотрены вопросы получения и исследования искусственной радуги в лабораторных условиях.
Глава 1. Геометрия радуги
Геометрия радуги (форма и расположение разноцветных дуг) описана давным-давно. Обычно в небе видны две разноцветные концентрические дуги – одна яркая, а другая бледнее. Каждая дуга является частью окружности, центр которой лежит на прямой, проведенной через солнце и глаз наблюдателя. Это прямая – своеобразная ось, вокруг которой и изогнута радуга. Глаз наблюдателя оказывается в вершине конусов, в основании которых – разноцветные дуги (рис. 1).
Рис.1
Образующие этих конусов с осью соответственно составляют углы 42° и 52°. Солнце светит из-за спины наблюдателя, и чем ниже оно опускается к горизонту, тем выше поднимается вершина радуги. В тот момент, когда солнце касается горизонта, можно увидеть полукруглую радугу – большей она никогда не бывает. Если же солнце поднимается над горизонтом более чем на 42о, вершина яркой радуги уйдет за горизонт.
Все происходит так, будто негнущиеся прямые, как коромысло, закрепленное в точке О, где находится глаз наблюдателя, а на концах коромысла – солнца и вершин радуги. Это означает, что у каждого наблюдателя “своя” радуга, изогнутая вокруг “своей” оси, которая проходит через его глаз… Дойти до радуги, как и до горизонта, невозможно. Приблизиться к ней также невозможно, потому что это означало бы изменение всей геометрии радуги, в частности угла при вершине конуса. А его (угла) соблюдение – первейшее требование и физики, и геометрии радуги.
К геометрическим сведениям следует отнести данные о порядке чередования цветов в радугах. Как известно, в радуге представлены “все цвета радуги” – от красного до фиолетового. Порядок цветов в дугах обратный, и друг к другу они обращены красными полосами. Такова геометрия радуги, сотворенной каплями в небе.
Глава 2. Физика радуги
§ 1. Развитие представлений о физике возникновения радуги – от Флетчера, Доминика и Декарта к Ньютону
Многократно наблюдая радугу, люди издавна пытались понять физический механизм ее возникновения. В 1571 году Флетчер из Бреслау опубликовал работу, в которой утверждал, что наблюдатель видит радугу в результате попадания в его глаз световых лучей, каждый из которых испытывал двукратное преломление в одной капле дождя и последующее преломление в одной капле дождя и последующее отражение от другой капли дождя (рис. 2 а). Итальянец Антонио Доминико (1566–1624 гг.) предложил иной вариант объяснения прохождения светового луча к наблюдателю. Он утверждал, что световой луч, участвующий в формировании изображения радуги, испытывает двукратное преломление и одно отражение в одной и той же дождевой капле (рис. 2б).
Рис. 2
Исходный солнечный луч А1А, входя в каплю, преломляется в точке А, затем испытывает отражение в точке В и, наконец, выходит из капли, преломляясь в точке С. В глаз наблюдателя попадает луч СС1. Он образует угол с исходным лучом А1А; в результате наблюдатель видит радугу под углом к направлению падающих солнечных лучей.
Рене Декарт, развивая представления Доминико, объяснил возникновение вторичной радуги. Он исходил из того, что в каждой из точек А, В и С световой луч испытывает как преломление, так и отражение. Правда, лучи отраженные в точке А, а также преломленные в точке В не участвуют в формировании изображения радуги и в данном случае интереса не представляют (рис. 2б). Что же касается луча, отраженного в точке С, то он может, преломившись в точке D, выйти из капли и участвовать в формировании еще одного изображения радуги (рис. 2в). Если первое изображение радуги наблюдатель видит под углом 1= 42о, то второе он видит под углом 2 = 52о. Так как часть энергии луча CD теряется при отражении в точке D, то вторичная радуга оказывается более бледной.
Однако ни Доминико, ни Декарт не сумели объяснить, почему наблюдатель видит радугу именно под углом 42о (или 52о), а главное, они оказались не в состоянии объяснить возникновение цветов радуги. Так, Доминико полагал, что световые лучи, которые проходят внутри капли наименьший путь и поэтому в наименьшей степени смешиваются с темнотой, дают красный цвет, тогда как лучи, проходящие наибольший путь внутри капли, в наибольшей степени смешиваются с темнотой и в результате образуют фиолетовый цвет. Такое объяснение образования разных цветов в радуге возникло в результате неправильного объяснения возникновения цветов.
Говоря о представлениях возникновения цветов, следует начать с теории цветов Аристотеля (IV век до нашей эры). Аристотель утверждал, что различие в цвете определяется различием в количестве темноты, “примешиваемой” к солнечному (белому) свету. Фиолетовый цвет, по Аристотелю, возникает при наибольшем добавлении темноты к свету, а красный – при наименьшем. Таким образом, цвета радуги – это сложные цвета, а основным является белый цвет. Интересно, что появление стеклянных призм и первые опыты по наблюдению разложения цвета призмами не породили сомнений в правильности Аристотелевской теории возникновения цветов. И Хариот, и Марци оставались последователями этой теории. Хариот и Марци независимо друг от друга первые исследовали дисперсию света. Именно Марци установил, что каждому цвету соответствует свой угол преломления. Ложность теории Аристотеля доказал Ньютон, поставив соответствующие опыты с призмами. Он провел свои оптические исследования. Последующее развитие теории дисперсии цвета опирались как на фундамент на оптические исследования Ньютона. Был четко осознан тот факт, что с каждым “цветом” в спектре надо сопоставлять световую волну определенной длины. Следует отметить в этой связи труды знаменитого русского математика Леонардо Эйлера. По словам С.И. Вавилова, “разбирая движение светового луча, Эйлер пишет, вероятно, впервые в истории учения о свете, привычное нам теперь уравнение плоской гармонической волны, т.е. создает аппарат элементарной волновой оптики”.
Объяснение возникновения радуги в ньютоновских “Лекциях по оптике”
Ньютоновская теория цветов позволила полностью объяснить физический механизм образования радуги. В “Лекциях по оптике” Ньютона можно найти исчерпывающее объяснение возникновения радуги: “Из лучей, входящих в шар, некоторые выходят после одного отражения, другие после двух отражений; есть лучи, выходящие после трех и даже большего числа отражений. Поскольку дождевые капли очень малы относительно расстояния до глаза наблюдателя, так что физически могут считаться за точки, то не стоит совсем рассматривать их величины, а только углы образуемые падающими лучами с выходящими. Там, где эти угла наибольшие или наименьшие, выходящие лучи обычно более сгущены. Так как различные роды лучей составляют различные наибольшие или наименьшие углы, то лучи, наиболее плотно собирающиеся у различных мест, имеют стремление к проявлению собственных цветов”. Именно в этих строчках в крайне лаконичной форме заключена информация о возникновении радуги.
§ 2. Радуга глазами внимательного наблюдателя
Прежде всего, следует заметить, что радуга может наблюдаться только в стороне, противоположной солнцу. Если встать лицом к радуге, то солнце окажется сзади. Радуга возникает, когда солнце освещает завесу дождя. По мере того как дождь стихает, а затем прекращается, радуга блекнет и постепенно исчезает. Наблюдаемые в радуге цвета чередуются в такой же последовательности, как и в спектре, получаемом при пропускании пучка солнечных лучей через призму. При этом внутренняя (обращенная к поверхности Земли) крайняя область радуги окрашена в фиолетовый цвет, а внешняя крайняя область – в красный. Нередко над основной радугой возникает еще одна (вторичная) радуга – более широкая и размытая. Цвета во вторичной радуге чередуются в обратном порядке: от красного до фиолетового.
Для наблюдателя, находящегося на относительно ровной земной поверхности, радуга появляется при условии, что угловая высота солнца над горизонтом не превышает 42о. Чем ниже солнце, тем больше угловая высота вершины радуги и тем больше наблюдаемый участок радуги. Вторичная радуга может наблюдаться, если высота солнца над горизонтом не превышает 52о.
Радуга может рассматриваться как гигантское “колесо”, которое как на ось “надето” на воображаемую прямую линию, проходящую через солнце и наблюдателя.
На рисунке 3 эта прямая обозначена как прямая ОО1; точка О – наблюдатель, ОСD – плоскость земной поверхности, АОО1 = – угловая высота солнца над горизонтом. Точка О1 называется противосолнечной точкой; она находится ниже линии горизонта СD. Из рисунка видно, что радуга представляет собой окружность основания конуса, где ОО1 – ось этого конуса; – угол, составляемый осью конуса с любой из его образующих (угол раствора конуса). Разумеется, наблюдатель видит не всю указанную окружность, а только ту часть ее (на рисунке участок СВD), который находится над линией горизонта. Следует заметить, что АОВ = Ф – есть угол, под которым наблюдатель видит вершину радуги, а АОD = – угол, под которым наблюдатель видит каждое из оснований радуги. Очевидно, что Ф + = .
Рис. 3
Таким образом, положение радуги по отношению к окружающему ландшафту зависит от положения наблюдателя по отношению к солнцу, а угловые размеры радуги определяются высотой солнца над горизонтом.
Необходимо сделать два пояснения. Во-первых, когда мы говорим о прямой линии, соединяющей наблюдателя с Солнцем, то имеем в виду не истинное, а наблюдаемое направление Солнца. Оно отличается от истинного на угол рефракции. Во-вторых, когда мы говорим о радуге над линией горизонта, то имеет в виду относительно далекую радугу – когда завеса дождя удалена от нас на несколько километров. Можно наблюдать также и близкую радугу, например, радугу, возникающую на фоне большого фонтана. В этом случае концы радуги как бы уходят в землю. Степень удаленности радуги от наблюдателя не влияет на ее угловые размеры.
Если бы создающие радугу капли сохранялись в небе, не изменяясь, радугу можно было бы наблюдать в течение не более 2 часов 48 минут: именно за это время солнце по небосводу проходит дуговой путь в 42о. Но каплям в небе не свойственно “долголетие” – они испаряются, соединяются и, увеличивая свой размер, опадают. Все это отражается на радуге – на яркости ее цвета, ширине соответствующих световых полос, продолжительности ее жизни. Когда капель становится мало, радуга блекнет и исчезает.
§ 3. Ход светового луча в капле дождя
Предположим, что все лучи, падающие на дождевую каплю, имеют одну и ту же длину волны. Это означает, что сначала рассматривается только преломление (и отражение) лучей в капле без учета дисперсии света. Пусть на каплю радиусом R падает параллельный пучок монохроматических световых лучей. Будем называть прицельным параметром луча отношение = /R , где – расстояние от данного луча до параллельной ему прямой, проходящей через центр капли. Вследствие симметрии капли все лучи, имеющие одинаковый прицельный параметр (эти лучи показаны на рисунке 4), описывают внутри капли аналогичные траектории и выходят из капли под одним и тем же углом к первоначальному направлению.
Рис. 4
Сферическая симметрия капли приводит также к тому, что траектория каждого луча лежит в плоскости; эта плоскость проходит через данный луч и параллельную ему прямую, проведенную через центр капли. Поэтому следует рассматривать двумерную задачу, изображая ход световых лучей в упомянутой плоскости (это и будет плоскость рисунка).
На рисунке 5 показан ход светового луча, имеющего прицельный параметр /R . Обозначим через – угол падения луча на каплю; легко видеть, что sin = /R = . Поскольку треугольники АОВ и ВОС равнобедренные, то АОВ = АВО и ОВС = ВСО. Угол падения равен углу отражения, поэтому АВО = ОВС.
Рис. 5
Обозначим все эти углы через (рис. 5). Угол, образованный падающим лучом с выходящим обозначим через . Так как картина хода лучей симметрична относительно прямой ОО1, то ОО1С = /2. Через точку С проведем прямую МN параллельно ОО1, при этом МСС1 = О1СN = ОО1С = /2. Далее учтем, что С1СР = и QСР = . Из того, что МN параллельно ОО1, следует, что МСQ = ОВС = . В итоге получаем, что МСС1 = МСQ – (С1СР – QCP) =
urok.1sept.ru