Радуга с точки зрения физики | Space Review
Простое и наглядное объяснение природного оптического феномена.
Радуга похожа на настоящую магию. Она такая красивая и волшебная в небе после дождя, когда выглядывает солнце, что заставляет нас чувствовать себя счастливыми, не так ли?
Но, как происходит это магическое волшебство? Как в небе появляются эти разноцветные дуги? Давайте разберемся.
Начнем с основ физики. Белый солнечный свет состоит из множества различных световых волн разной длины. В зависимости от длины волны он воспринимается нашим глазом как определенный цвет — от красного (самые длинные волны) до фиолетового (самые короткие). При смешении все эти цвета и дают видимый белый свет.
Принято выделять семь основных цветов, которые мы называем цветами радуги: красный, оранжевый, желтый зеленый, голубой, синий и фиолетовый. Эти цвета легко запоминаются по первым буквам известной всем из детства фразы:
Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан.
Кроме того, в белом солнечном свете присутствуют волны, которые наш глаз не видит — ультрафиолетовые (короче фиолетовых) и инфракрасные (длиннее красных). Первые известны тем, что вызывают загар на нашем теле, а вторые — это тепловое излечение или попросту тепло, которое мы чувствуем, когда солнечные лучи падают на наше лицо и тело.
Проходя через границу неоднородных сред (например воздуха и воды или воздуха и стекла) белый свет преломляется и разлагается на отдельные цвета, которые мы называем спектром. Чтобы увидеть цвета спектра, можно использовать трехгранную призму, которая преломляя солнечный свет, выделяет из него все цветовые составляющие.
Дисперсия света.Эффект разложения белого света на цветные составляющие (спектр) называется дисперсией. Именно из-за преломления света бриллианты играют цветными огнями.
Но, вернемся к нашей радуге. Цвета спектра и есть цвета радуги. Как же происходит дисперсия солнечного света, порождающая радугу?
Когда солнечный свет сталкивается с каплей дождя, часть света от неё отражается, а остальная часть попадает во внутрь капли.
Луч света преломляется на ближайшей к нему поверхности капли дождя, потом этот свет попадает на дальнюю поверхность капли и отражается от неё. Когда этот внутренне отраженный свет вновь достигает поверхности капли, он снова преломляется при выходе. Вот как это выглядит на схеме:
Как видим, часть падающего на каплю солнечного света отражается обратно под некоторым углом. Этот угол не зависит от размера капли, но зависит от показателя преломления воды капли. Для дождевой воды показатель преломления равен 1,333, поэтому угол отражения получается около 42°. А морская вода имеет более высокий показатель преломления, чем дождевая, поэтому угловой радиус радужной дуги в морских брызгах меньше, чем у дождевой.
Фактически, угол отражения света в капле — это угол между солнцем, каплей дождя и глазом наблюдателя. Однако, поскольку дождевых капель много, лучи преломленного и отраженного света от разных капель образуют конус с вершиной в зрачке глаза наблюдателя и осью, проходящей через наблюдателя и солнце.
Окружность в основании этого конуса и будет радугой. Но, поскольку наблюдатель находится на поверхности земли, он видит только часть окружности — дугу. Из этого также следует, что для образования радуги само солнце должно находиться не выше 42° над горизонтом. Вот почему радугу невозможно увидеть в летний полдень, когда солнце высоко в зените. Вообще, чем ниже над горизонтом находится солнце, тем большей будет дуга радуги.
Если же наблюдателя поднять над землей, например на воздушном шаре или самолете, то при определённых обстоятельствах он сможет увидеть радугу в форме полной окружности.
Сама радуга не находится в одном конкретном месте. Существует множество радуг, однако, только одну из них может видеть наблюдатель в зависимости от местоположения его и солнца.
Все капли дождя преломляются и отражают солнечный свет одинаковым образом, но только свет от некоторых капель дождя достигает глаза наблюдателя. Этот свет и есть радуга для этого наблюдателя.
Поэтому легенда о том, что в месте, где радужная дуга касается поверхности земли скрыт золотой клад гномов, лишена смысла.
Вернемся к схеме преломления солнечного света. На картинке с призмой видно, что фиолетовый и синий свет (короткие волны) преломляются под большим углом, чем красный свет, но за счет отражения световых лучей от задней поверхности капли воды, фиолетовые и синие лучи выходят из капли под меньшим углом к входящему лучу солнечного света, чем лучи красного света. Из-за этого синий цвет виден на внутренней стороне дуги радуги, а красный — снаружи.
Но, бывают двойные радуги у которых порядок цветов второй, наружной дуги обратный. Эта вторая дуга образована лучами двойного преломления солнечного света в каплях воды. Поэтому наружная радуга всегда бледнее основной внутренней.
Схема поясняет, как образуется двойная радуга.
Схема образования двойной радуги: 1) сферическая капля; 2) внутреннее отражение; 3) первичная радуга; 4) преломление; 5) вторичная радуга; 6) входящий луч света; 7) ход лучей при формировании первичной радуги; 8) ход лучей при формировании вторичной радуги; 9) наблюдатель; 10) область формирования первичной радуги; 11) область формирования вторичной радуги; 12) облако капелекУгловой радиус вторичной радуги — 50–53°.
Небо между двумя радугами обычно заметно более тёмное, эту область называют полосой Александра.
интересные факты и необычные явления
В нашей жизни существует множество, казалось бы, известных вещей и явлений, таких как кислотный дождь, сухой лед, радуга, мираж, тени, о которых в действительности мы очень мало знаем. Раскрыть некоторые загадки, объяснить невероятное, взглянуть на обыденное по-новому помогут вебинары, подготовленные экспертами Городского методического центра Москвы.
Сухой лёд
Методист Городского методического центра Алексей Уткин на вебинаре «Сухой лёд» объясняет, откуда появилось такое название, что сухой лёд собой представляет, когда и кем был изобретён, чем отличается от обычного, где и для чего его используют, и как обезопасить себя от химического ожога. Кроме того, слушатели узнают об особенностях производства сухого льда и станут свидетелями нескольких любопытных экспериментов.
Кислотные дожди
Чем обусловлен такой необычный вид осадков, как кислотные дожди, могут ли они уничтожить произведения искусства, какие химические процессы стоят за этим явлением, можно узнать на вебинаре
В поисках вечного двигателя
В истории науки насчитывается несколько неразрешимых проблем, в числе которых создание эликсира жизни, философского камня и, конечно, вечного двигателя. Эти проблемы всегда привлекали как великих ученых, так и именитых шарлатанов, чье вмешательство порой не только не тормозило, а даже стимулировало исследования. На вебинаре «В поисках вечного двигателя» методист Городского методического центра Александр Негазов рассказывает, когда начались поиски perpetuum mobile, кто в них принимал активное участие и к изобретению каких диковинных устройств и законов Вселенной они привели.
Обычная физика необычных фактов
На вебинаре «Обычная физика необычных фактов» Александр Негазов объясняет разные удивительные природные явления с точки зрения науки. Слушатели узнают, бывает ли несколько миражей одновременно, как образуется радуга, что такое гало и где его можно увидеть, куда иногда исчезают тени, почему водомерка не тонет и многое другое.
Источник: https://activityedu.ru/Blogs/lifehack/himiya-i-fizika-interesnye-fakty-i-neobychnye-yavleniya/
о цвете с точки зрения математики / Блог компании Smart Engines / Хабр
Больше пяти лет мы публикуем на Хабре статьи на различные темы компьютерного зрения. Чаще всего они связаны с распознаванием документов, потому что нам всегда очень не терпится поделиться с вами всем крутым и новым, что мы сделали в Smart IDReader. Хотя мы честно стараемся изложить наши знания в «универсальном» ключе, чтобы вы, наши читатели Хабра, могли легко их использовать в своих проектах и стартапах. Сегодня мы решили пойти дальше и представить широкой аудитории фундаментальный математически стройный материал на тему цвета, изложенный простыми словами.
Определение цвета
Одним из самых удачных определений цвета можно считать определение Шрёдингера: цвет – это общее свойство света различного спектрального состава вызывать одинаковое зрительное ощущение. Важным в этом определении является понимание цвета не как некоторого абсолютного свойства света, а как феномена, зависящего от наблюдателя: если два луча света вызывают у наблюдателя одинаковые ощущения, то и цвет одинаковый, а иначе – разный.
Мы знаем из курса физики благодаря Ньютону, что в белом свете существует радуга. Её проявляет дисперсия преломления света в призме или на взвеси, которая возникает в воздухе при грибном дожде. Происходит это следующим образом: призма направляет свет разных длин волн в разных направлениях, и мы видим почти монохроматическое (т. е. единственной длины волны) излучение по каждому из направлений. Перебирая разные направления, мы видим свет разной длины волны, что вызывает у нас ощущение перехода от фиолетового цвета через синий, желтый и далее в красный. Каждому из цветов радуги прямо соответствует определенная длина волны, но это не значит, что отдельные длины волн можно приписать всем вообще цветам.
Как работает сенсор
Поскольку цвет зависит от восприятия наблюдателя, давайте разберемся, что такое сенсор. Сенсор – это тот орган, который поставляет наблюдателю исчерпывающую зрительную информацию. Для человека это глаз, а для робота – RGB-камера. Цветовой сенсор характеризуется набором светочувствительных элементов различных типов.
В глазу, в условиях яркого света, активны три типа колбочек: «синие», «красные» и «зеленые», каждый из которых имеет свою спектральную чувствительность. Спектральная чувствительность – функция величины отклика на один квант, то есть на одну порцию света определенной длины волны. К примеру, «синяя» колбочка наиболее чувствительна к длине волн в районе 450 нанометров. Можно считать, что при падении излучения любого спектра на маленькую площадку сетчатки глаза, с этой области сетчатки идет три сигнала, три неотрицательных величины, которые показывают, насколько на этой площадке возбудились в среднем «синие», «красные» и «зеленые» колбочки. Таким образом, сетчатка человека или светочувствительная матрица камеры проецирует спектральный сигнал в трехмерное Цветность
Расстояние от нуля в цветовом пространстве называется яркостью, это мощностная характеристика.
Если мы возьмем источник света и будем увеличивать его мощность, соответствующая ему точка в цветовом пространстве RGB будет удаляться от нуля по прямой, проходящей через начало координат. Главная диагональ, то есть те значения троек, в которых цветовые компоненты равны – это ахроматическая ось, на ней лежат серые цвета.Для дальнейшего разбора «уберем» из цвета яркость. Для этого центрально спроецируем (с центром проекции в нуле) всё цветовое пространство на любую плоскость, не проходящую через ноль. Все точки цветового пространства, отличающиеся только яркостью, спроецируются в одну и ту же точку плоскости. Мы получим плоскость цветности, а пару координат на этой плоскости будем называть цветностью, то есть той частью цвета, которая не связана с мощностью излучения.
Сколько цветов в радуге?
Рассмотрим теперь всевозможные цвета, воспринимаемые человеческим глазом, и зададимся вопросом: как будет выглядеть это множество, если спроецировать его на плоскость цветности?
Мы получим изогнутую кривую (см. рисунок в самом начале статьи), называемую спектральным локусом.Математикам будет интересно заметить, что в RGB-пространстве спектральный локус представляет собой замкнутую каплевидную кривую с единственным изломом в начале координат, которая при центральном проецировании с центром в том же самом начале координат превращается в незамкнутую кривую на плоскости цветности.
Поскольку сенсор обеспечивает линейную проекцию всевозможных спектров в видимом диапазоне в цветовое пространство, то любые достижимые комбинации (R, G, B) могут быть получены как выпуклая комбинация («смесь») тех реакций, которые порождаются чистыми цветами. Это касается и проекций на плоскость цветности. Таким образом, физически достижимы цвета, лежащие в выпуклой оболочке спектрального локуса. А, поскольку спектральный локус человека не имеет вогнутостей, то он дополняется до выпуклой оболочки одним единственным отрезком, соединяющим его концы. Получившуюся фигуру принято называть цветовым треугольником, хотя, как мы видим, угла у этого «треугольника» на самом деле всего два, а вместо третьего – закругление в районе 520 нанометров.
Итак, цветности всех видимых человеком цветов составляют цветовой треугольник – выпуклую криволинейную фигуру с двумя вершинами.
Рассмотрим теперь точку пересечения ахроматической оси в RGB-пространстве с плоскостью цветности. Эта точка будет называться нейтральной и соответствовать белому цвету. Каждое направление от нейтральной точки до границы цветового треугольника задает
Как видно из рисунка, большинство насыщенных цветов – это чистые спектральные цвета, то есть точки спектрального локуса, соответствующие монохромному излучению разных цветов радуги от 380 до 700 нанометров. Однако на прямолинейном отрезке границы цветового треугольника от 700 до 380 нанометров мы видим насыщенные цвета, которым не соответствует ни один чистый цвет спектра. Это пурпурные цвета, называемые неспектральными.
Пурпурным цветам нельзя поставить в соответствие никакую одну длину волны, но они могут быть получены как реакция сенсора на смесь волн красного и фиолетового диапазонов.
Можно ли увидеть пурпурный цвет в радуге? Мы уже разобрались, что в одиночной радуге его нет. Но иногда на небе бывает видны двойные радуги различной природы. Среди них – отраженная радуга над поверхностью воды при очень низком солнце. В такой радуге после фиолетового цвета опять идет красный, оранжевый и так далее. А на стыке красного и фиолетового можно увидеть их смесь – пурпурный цвет. Получается, что в отраженной радуге может быть восемь цветов!
Как увидеть несуществующие цвета
У тех, кто внимательно следил за рассуждениями, может возникнуть вопрос: а что с той частью плоскости цветности, которая находится вне цветового треугольника? У этих точек могут быть даже вполне положительные координаты . Это – цвета? Может ли человек увидеть цвет, не вызываемый никакими спектральными излучениями, попавшими в его глаз? Трудно сказать, но возможно – да.
К примеру, когда на голову падает кирпич, и возникают «птички» и «звёздочки», то вполне вероятно, что часть цветов, которые он при этом видит, физически недостижимы. Все потому, что в момент механического воздействия на нейроны головного мозга сигналы в них имеют достаточно случайный характер, и при этом может возникнуть такая комбинация сигналов, которая никогда не возникает в результате воздействия излучений на глаз человека. Аналогично можно предположить, что человек может видеть несуществующие цвета во сне.Стандартный наблюдатель
Также у стандартного наблюдателя кривые чувствительности нормированы так, что если возбудить все три типа светочувствительных элементов источником, который имеет одинаковую спектральную яркость на каждую из длин волн, то , и реакции сенсора будут равны между собой. Это означает, что белый дневной свет (который как раз содержит все длины волн с примерно одинаковой спектральной яркостью) попадает на ахроматическую ось цветового пространства.
О чем знает каждая девушка
Важными следствиями того, что цветовое восприятие человека трехмерно, а спектральный мир бесконечномерный, являются метамерия излучения и метамерия окрасок.
Рассмотрим два разных белых света – дневной и люминесцентный. В отличие от дневного, мощность люминесцентного света не распределена по всему спектру, а сосредоточена в нескольких узких его участках. Однако эти участки подобраны так, чтобы отклики «синих», «красных» и «зеленых» колбочек были равны между собой, т. е. так, чтобы наблюдатель воспринимал свет как белый.
Таким образом, мы видим, что и там, и там наблюдатель фиксирует белый цвет, хотя исходные спектры при этом не имеют ничего общего – это и называется метамерией. Именно понятие метамерии скрыто в определении Шрёдингера: зафиксировав сенсор, мы факторизуем пространство спектров таким образом, что какие-то спектры начинают характеризоваться одной и той же реакцией сенсора (и, соответственно, мы говорим, что они имеют одинаковый цвет), а какие-то – разной (мы говорим, что их цвет различается). Различить «два белых света» тем не менее можно – пропустив люминесцентный свет через призму, мы увидим «рваную» радугу.
На этом чудеса не заканчиваются. Могут существовать две окраски (обязательно с разными спектральными характеристиками), которые, отражая дневной свет, будут приводить к одинаковой реакции сенсора, а отражая люминесцентный – к разной. Или, наоборот. Т. е. для одних и тех же окрасок при одном освещении будет возникать метамерия, а при другом – нет. И в этом нет никакой психологии, лишь математика.
И речь идет о вполне жизненных ситуациях. Наверное, каждая девушка знает, что не стоит подбирать купленные отдельно юбку и кофточку при люминесцентном освещении, в надежде, что они подойдут друг другу при естественном, хотя и не знает, почему.
Все это уже слегка запутывает, но мы еще не добрались до самого страшного.
Так что же такое цвет?
Главная путаница в том, что мы называем цветом три разные вещи.
Во-первых, мы называем цветом ощущение окраски. Когда мы ищем рубашку в темном шкафу, мы говорим «я вижу красную рубашку», а не «я вижу черную рубашку», хотя, по сути, в темноте отраженное от рубашки излучение настолько слабо, что выглядит скорее черным. Красный цвет в данном случае – это характеристика красителя, нанесенного на ткань рубашки. Математически окраска может быть задана как спектральная характеристика – функция отражающей способности в зависимости от длины волны.
Во-вторых, цветом можно назвать ощущение освещенности, создаваемой источником света.
Например, мы различаем, когда у человека зеленый цвет лица, а когда на лицо просто падает зеленый свет. Освещенность задается спектральной функцией интенсивности излучения в зависимости от длины волны.
И в-третьих, есть цвет в колориметрическом значении, то есть ощущение того излучения, которое «прилетело» к нам в глаз. Поскольку мы всегда наблюдаем отраженный свет, то это излучение источника света, отразившегося от наблюдаемого предмета и при этом изменившегося. Его спектральная функция по законам физики есть произведение спектральных функций освещенности и окраски:
где — спектральная функция попадающего в глаз излучения, — спектральная функция источника света, – спектральная характеристика окраски объекта.
Цветовая константность
У человека известен механизм цветовой константности – способность зрительной системы оценивать окраски при различном освещении. Это эволюционно важный навык: к примеру, обезьяне надо знать, покраснел ли фрукт или это свет заката упал на него.
Для решения этой задачи зрительная система человека, получая даже разные сигналы от сенсоров, может тем не менее счесть две окраски одинаковыми, но по-разному освещенными. Это феномен более высокого порядка, чем метамерия. Он относится к области высшей нервной деятельности и до сих пор в достаточной степени не изучен.Как мы говорили, можно считать, что от каждой точки поля зрения в мозг поступает 3 числа – реакции «синих», «красных» и «зеленых» рецепторов-колбочек. Их значения задаются как интеграл по длине волны:
где – вектор реакции сенсора , – вектор-функция чувствительностей «колбочек» трех типов.
Вычисление такого интеграла происходит физически, когда свет отражается от предмета, а затем электрохимически, когда свет вызывает отклик рецепторов сетчатки, в результате чего образуются три числа, характеризующие цвет.
Для определения окраски объекта зрительная система человека решает обратную задачу: для каждой точки изображения из этих трех чисел и, возможно, известных системе собственных характеристик, извлекается информация о спектральных распределениях отражающей способности и яркости освещения.
Эти две функции входят под интеграл как произведение, поэтому задача их определения выглядит форменным издевательством. Тем не менее, можно утверждать, что цветовая константность у человека работает. Разработка же алгоритмов цветовой константности для технического зрения является актуальной научной задачей.
Куда применить эти знания?
У нас в Smart Engines серьезная экспертиза не только в распознавании документов и проверки подлинности. Мы постоянно участвуем в заказных проектах на различные темы компьютерного зрения. Так, описанная в статье теория цвета применялась в рентгеновской области для того, чтобы сортировать алмазную руду в Якутии. Излучение, проходящее через породу, регистрировалось двумя детекторами, чувствительными к разным диапазонам длин волн. Оказалось, что все алмазы имеют одну и ту же цветность, отличную от цветности пустой руды. Такое «окрашивание» позволило легко выявлять алмазы, неотличимые от руды другими способами.
Статья подготовлена по материалам публичной лекции Дмитрия Николаева, к.
ф.-м.н., технического директора ООО «Смарт Энджинс Сервис» под редакцией к.ф.-м.н. Сергея Гладилина.
Дисперсия света. Цветовой диск Ньютона
- Участник: Ворошнин Данил Александрович
- Руководитель: Базыльникова Марина Александровна
Введение
Мы живем в мире разнообразных световых явлений – радуга, полярные сияния, голубое небо. Тем, кто не знаком с причинами их возникновения, эти световые явления кажутся необыкновенными и загадочными.
В повседневной жизни мы встречаемся со многими световыми явлениями, но обычно не задумываемся над ними – насколько они привычны для нас, а вот объяснить их часто затрудняемся. Например, чайная ложка, опущенная в стакан с водой, кажется нам надломленной или сломанной, в зависимости от того, с какой стороны мы смотрим на ложку. Мы видим окружающие нас предметы многоцветными при освещении Солнцем или яркой лампой, но с наступлением сумерек или при ослаблении света цветность предметов блекнет.
Все эти явления связаны с понятием «свет». В обыденной речи «свет» мы используем в самых разных значениях: ученье – свет, а неученье – тьма, свет мой, солнышко, скажи … В физике термин «свет» имеет гораздо более определенное значение. Опытным путем было установлено, что свет нагревает тела, на которое падает. Следовательно, он передает этим телам энергию. Мы также знаем, что одним из видов теплопередачи является излучение, следовательно, Свет – это электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом и вызывающее зрительные ощущения. Свет обладает множественными свойствами, одним таким свойством света является – дисперсия. Мы всегда сталкиваемся с этим явлением в жизни, но не всегда замечаем этого. Но если быть внимательным, то явление дисперсии всегда нас окружает. Одно из таких явлений это обычная радуга. На первый взгляд радуга это что-то простое, на самом деле при возникновении радуги происходят сложные физические процессы.
Поэтому мы выбрали тему дисперсия света для того, чтобы глубже понять физические процессы и явления, происходящие в природе. Это очень интересная тема и мы постараемся в своем проекте представить все моменты, происходящие в истории развития науки о свете и показать опыты по демонстрации дисперсии света, а так же свою экспериментальную установку, разработанную специально для наблюдения дисперсии света, которая впоследствии может быть использована на уроках физики при изучении данной темы.
Цель проекта – изучение понятия «Дисперсия света» и изготовление экспериментальной установки «Цветовой диск Ньютона».
Задачи:
- Изучить историю открытия И. Ньютоном явления Дисперсия света.
- Рассмотреть спектральный состав света.
- Дать понятие о дисперсии света.
- Подготовить эксперименты по наблюдению дисперсии света.
- Рассмотреть природное явление радуга.
- Изготовить экспериментальную установку «Цветовой диск Ньютона».
I. Теоритическая часть
1.1. Открытие Исаака Ньютона
В 1665–1667 годах Исаак Ньютон – английский физик и математик занимаясь усовершенствованием телескопов, обратил внимание на то, что изображение, даваемое объективом, по краям окрашено, данное наблюдение его очень заинтересовало, и он решил разгадать природу возникновения цветных полос. В это время в Англии свирепствовала эпидемия чумы, и молодой Исаак Ньютон решил укрыться от неё в своём родном Вулсторпе. Перед отъездом в деревню он приобрёл стеклянные призмы, чтобы «произвести опыты со знаменитыми явлениями цветов». Исследуя природу цветов, Ньютон придумал и выполнил целый комплекс различных оптических экспериментов. Некоторые из них без существенных изменений в методике, используются в физических лабораториях до сих пор. Главный опыт был традиционным. Проделав небольшое отверстие в ставне окна затемнённой комнаты, Ньютон поставил на пути пучка лучей, проходивших через это отверстие, стеклянную призму. На противоположной стене он получил изображение в виде полоски чередующихся цветов (рис. 1).
Рисунок 1. Эксперимент И. Ньютона
1.2. Спектральный состав света
Полученную таким образом цветную полоску солнечного света Ньютон разделил на семь цветов радуги – красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый (рис. 2).
Рисунок 2. Разложение белого пучка света на спектр
Спектр – (от латинского «spectrum» – видение) непрерывный ряд цветных полос, получается путем разложения луча белого света на составные части (рис. 3).
Рисунок 3. Спектр
Если же рассматривать спектр без подобного предубеждения, то полоса спектра распадается на три главные части – красную, желто-зелёную и сине-фиолетовую. Остальные цвета занимают сравнительно узкие области между этими основными.
Все цвета спектра содержатся в самом солнечном свете, а стеклянная призма лишь разделяет их, так как различные цвета по-разному преломляются стеклом. Наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, слабее всего – красные.
1.3. Дисперсия света
Проходя через призму, луч солнечного света не только преломляется, но и разлагается на различные цвета.
Дисперсией называется явление разложения света на цвета при прохождении света через вещество.
Прежде чем разобраться в сути этого явления, необходимо рассмотреть преломлении световых волн. Изменение направления распространения волны при прохождении из одной среды в другую называется преломлением.
Положим на дно пустого не прозрачного стакана монету или другой небольшой предмет. Подвинем стакан так, чтобы центр монеты, край стакана и глаз находились на одной прямой. Не меняя положения головы, будем наливать в стакан воду. По мере повышения уровня воды дно стакана с монетой как бы приподнимается. Монета, которая ранее была видна лишь частично, теперь будет видна полностью. Эти явления объясняются изменением направления лучей на границе двух сред — преломлением света (рис. 4).
Рисунок 4. Преломление светового луча
Закон преломления света: падающий луч, луч преломленный и перпендикуляр, восставленный в точке падения, лежат в одной плоскости.
где n21 – относительный показатель преломления второй среды относительно первой.
При изменении угла падения α меняется и угол преломления β, но при любом угле падения отношения синусов этих углов остается постоянным для данных двух сред.
Если луч переходит в какую-либо среду из вакуума, то
где n – абсолютный показатель преломления второй среды.
Абсолютный показатель преломления – физическая величина, равная отношению синуса угла падения луча к синусу угла преломления при переходе луча из вакуума в эту среду.
Чем больше у вещества показатель преломления, тем более оптически плотным считается это вещество. Например, рубин – среда оптически более плотная, чем лёд.
Преломление света при переходе из одной среды в другую вызвано различием в скоростях распространения света в той и другой среде. Это было доказано французским математиком Пьером Ферма и голландским физиком Христианом Гюйгенсом. Они доказали, что
Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред, равная отношению скоростей света в этих средах:
sinα = n21 = V1 sinβ V2
Скорость света в любом веществе меньше скорости света в вакууме. Причиной уменьшения скорости света в среде является взаимодействие световой волны с атомами и молекулами вещества. Чем сильнее взаимодействие, тем больше оптическая плотность среды, и тем меньше скорость света. Среду с меньшим абсолютным показателем преломления принято называть оптически менее плотной средой.
Абсолютный показатель преломления определяется скоростью распространения света в данной среде, которая зависит от физического состояния среды, т. е. от температуры вещества его плотности. Показатель преломления зависит также и от характеристик самого света. Для красного света он меньше, чем для зеленого, а для зеленого – меньше, чем для фиолетового.
Таким образом,
Дисперсия света – зависимость показателя преломления и скорости света от частоты световой волны.
Абсолютный показатель преломления стекла n, из которого изготовлена призма, зависит не только от свойств стекла, но и от частоты (от цвета) проходящего через него света. В опыте Ньютона при разложении в спектр пучка белого света, лучи фиолетового цвета, имеющие большую частоту, чем красные, преломились сильнее красных, поэтому на экране можно наблюдать цветную полосу – спектр (рис. 5).
Рисунок 5. Преломление светового луча при прохождении через более оптически-плотную среду – стеклянную призму
1.4. Радуга
Дисперсией света объясняются многие явления природы, например Радуга. В результате преломления солнечных лучей в каплях воды во время дождя на небе появляется разноцветная дуга – радуга (рис. 6).
Рисунок 6. Природное явление радуга
Радуга — это оптическое явление, связанное с преломлением световых лучей на многочисленных капельках дождя.
Разноцветная дуга появляется оттого, что луч света преломляется в капельках воды, а затем, возвращаясь к наблюдателю под углом в 42 градуса, расщепляется на составные части от красного до фиолетового цвета (рис. 7).
Рисунок 7. Преломления света в капле дождя
Прежде всего, заметим, что радуга может наблюдаться только в стороне, противоположной Солнцу. Если встать лицом к радуге, то Солнце окажется сзади. 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.
Яркость оттенков и ширина радуги зависят от размера капель дождя. Чем крупнее капли, тем уже и ярче радуга, тем в ней больше красного насыщенного цвета. Если идёт мелкий дождик, то радуга получается широкая, но с блёклыми оранжевыми и жёлтыми краями.
Чаще всего видим радугу в форме дуги, но дуга – это лишь часть радуги. Радуга имеет форму окружности, но мы наблюдаем лишь половину дуги, потому что её центр находится на одной прямой с нашими глазами и Солнцем (рис. 8).
Рисунок 8. Схема образования радуги относительно наблюдателя
Целиком радугу можно увидеть лишь на большой высоте, с борта самолёта или с высокой горы (рис. 9).
Рисунок 9. Радуга с борта самолета
II. Практическая часть
2.1. Демонстрация экспериментов по наблюдению дисперсии света
Изучив историю открытия дисперсии света, и процесс образования спектра, мы решили опытным путем пронаблюдать дисперсию света. Для этого подготовили и провели видео эксперименты, которые можно использовать на уроках физики при изучении темы Дисперсия света.
Эксперимент №1. Получение радужного спектра на мыльных пленках
Для проведения эксперимента понадобится: ёмкость с мыльным раствором, проволочная рамка.
Ход эксперимента: наливаем мыльный раствор в ёмкость, опускаем рамку в раствор, образуется мыльная плёнка. На плёнке появляется радужные полосы.
Эксперимент №2. Дисперсия света – разложение в радужный спектр пучка белого света при прохождении сквозь стеклянную призму
Для проведения эксперимента понадобится: призма, источник света (фонарик телефона), экран (лист белой бумаги).
Ход эксперимента: устанавливаем призму на экспериментальном столике. С одной стороны столика устанавливаем экран. Свет направляем на призму и на экране наблюдаем радужные полосы.
Эксперимент № 3. Дисперсия света – разложение в радужный спектр пучка белого света при прохождении через воду
Для проведения эксперимента понадобится: зеркало, источник света (фонарик телефона), экран (лист белой бумаги), ёмкость с водой.
Ход эксперимента: в ёмкость наливаем воду и кладем на дно зеркало. Направляем на зеркало свет, чтобы отраженный свет попадал на экран.
1.2. Цветовой диск Ньютона
Ньютон провел обычный опыт со стеклянной призмой и заметил разложение света на спектр. Направив луч дневного света на призму, он увидел на экране различные цвета радуги. После увиденного он выделил из них семь основных цветов. Это были такие цвета как: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый (каждый охотник желает знать где сидит фазан). Ньютон выбрал лишь семь цветов по той причине, что были наиболее яркие, он также говорил, что в музыке всего семь нот, но сочетание их, различные вариации позволяют получить совершенно различные мелодии. Проведя обратный опыт, т.е. полученный спектр он направил на грань другой призмы и в результате опыта Ньютон снова получил белый свет (рис.10).
Рисунок 10. Первая призма разлагает белый свет в спектр, вторая вновь собирает спектр в белый свет
На основе этих простых опытов Ньютону пришла в голову мысль о создании круга состоящего из семи секторов и закрашенных определенными цветами в результате вращения, которого произойдет их смешение и мы получим белую раскраску этого круга. В последствии этот круг стали называть Цветной диск Ньютона (рис. 11).
Рисунок 11. Цветной диск Ньютона
Попробуем повторить опыт Ньютона. Для этого создадим экспериментальную установку, которая состоит из компьютерного кулера и прикрепленного к нему цветового диска, также блока питания (рис. 12).
Рисунок 12. Экспериментальная установка по получению белого света из спектра
Кулер создает большой проток воздуха, и служит для того что бы привести во вращение цветной диск. Так как наша установка подключается в сеть с напряжением 220 В, а кулер рассчитан на 12 В, поэтому к кулеру подключили блок питания для понижения напряжения с 220 В на 12 В. Для безопасности установка изолирована в пластмассовом боксе.
В результате при включении установки в розетку сети питания цветной круг, закрепленный на кулере, начнет вращаться, и мы увидим желтовато-белую окраску круга (рис. 13).
Рисунок 13. Результат вращения цветового диск Ньютона
Окраска круга при вращении желтовато-белая по двум причинам:
- Скорость вращения круга очень низкая по сравнению со скоростью света;
- Круг окрашен с резкими цветовыми переходами, если сравнивать со спектром разложения белого света.
Таким образом, нам удалось повторить эксперименты Ньютона по разделению белого света на спектр и наоборот получение белого света из спектра.
Заключение
Окружающий нас мир играет красками: нас радует и волнует голубизна неба, зелень травы и деревьев, красное зарево заката, семицветная дуга радуги. В своем проекте мы попытались ответить на вопрос — как можно объяснить удивительное многообразие красок в природе. В целом поставленная цель об изучении такого явления как дисперсия света в итоге достигнута. Для того чтобы глубже понять такое свойство света как дисперсия, была изучена дополнительная литература по световым явлениям, были проведены эксперименты по наблюдению явления, была изготовлена установка для вращения цветового круга Ньютона с некоторой скоростью.
В результате проведенных опытов и экспериментов нами были сделаны следующие выводы:
- Дисперсия – явление разложения белого света в спектр.
- Белый цвет имеет сложную структуру, состоящий из нескольких цветов.
- При падении света на границу раздела двух прозрачных сред световые лучи различной цветности преломляются по разному (наиболее сильно-фиолетовые лучи, менее других- красные).
- Призма не изменяет цвет, а лишь разлагает его на составные части.
Таким образом, посредством теоретического изучения данной темы и ее практического подтверждения и была достигнута основная цель проекта.
Проектно – исследовательская работа «Атмосферное явление — радуга»
Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение
«Крестищенская средняя общеобразовательная школа»
Советского района Курской области
Проектно – исследовательская работа
«Атмосферное явление — радуга»
Автор:
Еськина Валерия, ученица 9 класса
Руководитель:
Ивасенко Зинаида Александровна,
учитель физики
С. Крестише
2020 год
Содержание
Введение …………………………………………………………………………3
Глава 1. Теоретическая часть………………………………………………………………….. 4
1.1. Определение радуги в словарях……………………………………………-
1.2. История исследования радуги….………………………………………………………. 5
1.3. Когда появляется радуга?……………………………………………………………………. 7
1.4. Радуга с точки зрения физики……………………………………………… 8
1.5. Необычные радуги ………………………………………………………………………. 11
Глава 2. Экспериментальная часть………………………………………………………….. 16
2.1. Анкетирование…………………………………………………………………………. —
2.2. Результаты экспериментальной работы…………………………………………… 17
Заключение………………………………………………………………………………………….. 19
Список литературы……………………………………………………………………………….. 20
Приложения …………………………………………………………………………………….. 21
Введение
Тема проекта «Атмосферное явление — радуга»
Я выбрала эту тему, потому что ни одно из природных явлений не может сравниться по красоте с радугой! Она настолько красива, что её воспевают во многих песнях, описывают в литературе, складывают о ней легенды. Я много раз видела радугу, и всегда это явление приводило меня в восторг. Какое же это разноцветное чудо природы? Но как образуется радуга? А можно ли наблюдать эту красоту дома?
Эти вопросы заинтересовали меня. Эта тема стала мне интересна еще и потому, что не многие знают, как образуется радуга. Чтобы ответить на все возникшие вопросы, я решила провести исследовательскую работу «Атмосферное явление — радуга».
Цель моей работы:
1. узнать о природе атмосферного оптического явления – радуга;
2. определить, какая существует связь между дождём, солнцем и появлением радуги.
Задачи исследования:
1. узнать, почему появляется радуга и как это объясняется с точки зрения физики;
2. выяснить, при каких условиях можно получить радугу;
3. рассмотреть разные виды радуг;
4. провести эксперименты получения радуги в домашних условиях.
Основополагающий вопрос. Как возникает радуга?
Предмет исследования: физическое явление радуга.
Гипотеза: радугу можно получить в лабораторных условиях, возможно ли получить ее в домашних условиях? Если возможно, то каким способом.
Зная условия и причины возникновения радуги в природе, можно получить радугу в домашних условиях.
Методы исследования: изучение, анализ литературы и интернет – ресурсов, сравнение и систематизация материала, эксперимент, анкетирование.
Проектным продуктом будет – проект, презентация проекта.
Этот продукт поможет достичь цель проекта, так как полученные материалы могут быть использованы при проведении уроков и внеклассных мероприятий по физике, а так же при проведении уроков и занятий по ознакомлению с окружающим миром в начальных классах.
План моей работы состоял из нескольких этапов :
1. Поисковый (январь) — он состоял в определении темы и целей проекта, его исходного положения.
2. Аналитический (январь) — он состоял в определение источников, способов сбора и анализа необходимой информации и в определении способа представления результатов. Были сформированы задачи проекта и выработан план действий
3. Работа над проектом ( февраль — март) – Были выбраны оптимальные варианты хода проекта. Поэтапно выполнялись исследовательские задачи.
(Сбор и уточнение информации (собиралась информация о видах и свойствах радуги , подбирались экспериментальные работы по получению искусственной радуги; проводился опрос и эксперименты). Выявлялись и обсуждались альтернативы, возникающие в ходе выполнения проекта
4. Анализ, коррекция, оценка результата (март) — Выполнялись исследования и работа над проектом, анализировалась информация. Формулировались выводы, оформлялся проект, подготавливались доклад и презентация к защите работы.
Глава 1. Теоретическая часть
1.1.Определение радуги в словарях
Что же такое «радуга»? этим вопросом задавались многие ученые. Проанализировав толковые словари можно сказать, что:
1. Радуга — разноцветная дугообразная лента на небосводе во время дождя, образующаяся вследствие преломления в водяных каплях солнечных лучей. (Толковый словарь Ушакова)
2. Радуга — оптическое атмосферное явление, возникающее вследствие преломления в водяных каплях солнечных лучей и имеющее вид разноцветной дуги на небесном своде. (Толковый словарь Ефремовой)
3. Радуга — разноцветная дугообразная полоса на небесном своде, образующаяся вследствие преломления солнечных лучей в дождевых каплях. (Толковый словарь Кузнецова)
4. Радуга — яркая многоцветная полоса, обычно выглядит как кольцевая или частичная дуга, образующаяся напротив Солнца или другого источника света. Чаще всего видна только основная часть. (Научно-технический энциклопедический словарь)
5. Радуга – разноцветная дуга на небесном своде, образующаяся вследствие преломления солнечных лучей в дождевых каплях. Цвета радуги (цвета солнечного спектра). (Толковый словарь Ожегова)
1.2. История исследования радуги
В русских летописях радуга называется «райской дугой» или
сокращенно «райдуга». В Древней Греции радугу олицетворяла богиня
Ирида («Ирида» означает «радуга»). По представлениям древних греков,
радуга соединяет небо и землю, и Ирида была посредницей между богами и
людьми. Радуга физическое явление. [8]
Радуга всегда связывается с дождем. Она может появиться и перед
дождем, и во время дождя, и после него, в зависимости от того, как
перемещается облако, дающее ливневые осадки.
Пытались ли люди в древности узнать природу радуги? Конечно же пытались. Я нашла ответ на этот вопрос в разных источниках.
Это красивое явление стали изучать уже в глубокой древности.
Аристотель, древнегреческий философ, пытался объяснить причину радуги.
Аристотель
Первым понял причину радуги немецкий монах Теодорик, в 1304 г. Воссоздавший ее на сферической колбе с водой. Однако Открытие Теодорика было забыто.
Теодорик
Общая физическая картина радуги была уже четко описана архиепископом Марком Антонием де Доминисом в 1611 году. Он объяснил, что радуга появляется в результате отражения света от внутренней поверхности капли дождя и двукратного преломления – при входе в каплю и выходе из неё. Первая попытка закончилась плачевно. 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. [8]
Марк Антоний де Доминис
Научное объяснение радуги впервые дал Рене Декарт в своем труде «Метеоры» в главе «О радуге» (1635г.).Он провёл первые исследования формы радуги. Для этого ученый использовал стеклянный шар, заполненный водой, что давало возможность представить, как отражается солнечный луч в капле дождя, преломляясь и тем самым становясь видимым. В то время еще не была открыта дисперсия, поэтому радуга Декарта была белой.
Рене Декарт
В 1672 Исаак Ньютон, открывший дисперсию белого света при
преломлении, дополнил теорию Декарта, объяснив, как преломляются
цветные лучи в каплях дождя. [3]
Исаак Ньютон доказал, что обычный белый цвет – это смесь лучей разного цвета. «Я затемнил мою комнату, — писал он, — и сделал очень маленькое отверстие в ставне для пропуска соответствующего количества 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 цвет на составляющие его цвета. Поставив на пути разноцветного пучка еще одну призму, ученый снова собрал все цвета в один обычный солнечный луч. Причём первоначально он различал только пять цветов — красный, жёлтый, зелёный, голубой и фиолетовый, о чём и написал в своей «Оптике». Но впоследствии, стремясь создать соответствие между числом цветов спектра и числом основных тонов музыкальной гаммы, Ньютон добавил к пяти перечисленным цветам спектра ещё два.
Исаак Ньютон
1.3. Когда появляется радуга?
Радуга появляется, только когда выглянуло из-за туч солнце и только в стороне, противоположной солнцу. Радуга возникает, когда солнце освещает завесу дождя.
При наблюдении радуги можно заметить, что солнце всегда находится с противоположной от радуги стороны. Чтобы наблюдать радугу находиться необходимо строго между солнцем (оно должно быть сзади) и дождем (он должен быть перед тобой). Иначе радуги не увидеть! Солнце, 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 идет на западе. При послеобеден-ной радуге солнце расположено на западе, а дождь – на востоке. [4]
Также бывает такое, что радуга появляется без дождя. Зимой в воздухе «плавают» кристаллики льда. Они тоже могут разделить белый цвет на семь цветов радуги, поэтому радугу можно наблюдать даже зимой. Воздух, хоть и кажется абсолютно прозрачным, на самом деле тоже разлагает свет на составляющие цвета. Заметно — это бывает на восходе или закате солнца. Проходя сквозь толщу атмосферы земли, лучи его немного откланяются, а как мы помним, красный цвет откланяется слабее остальных. Именно по этой причине, солнце, находясь вблизи горизонта, приобретает красный оттенок. Лучи другого цвета откланяются сильнее и да нас уже не доходят.
Вид радуги — ширина дуг, расположение и яркость цветовых тонов,
положение дополнительных дуг очень сильно зависят от размера капель
дождя. По виду радуги можно приближенно оценить размеры капель дождя,
образовавших эту радугу. Чем крупнее капли дождя, тем радуга получается
уже и ярче. Особенно характерным для крупных капель является наличие
насыщенного красного цвета в основной радуге. Чем капли мельче, тем
радуга становится более широкой и блеклой, с оранжевым или желтым
краем. Дополнительные дуги дальше отстоят и друг от друга и от основных
радуг. [8]
Вид радуги зависит и от формы капель. При падении в воздухе
крупные капли сплющиваются, теряют свою сферичность. Вертикальное
сечение таких капель приближается к эллипсу.
Можно ли видеть целый круг радуги? С поверхности Земли можно
наблюдать радугу в лучшем случае в виде половины круга, когда Солнце
находится на горизонте. Когда Солнце поднимается, радуга уходит под
горизонт. С самолета или с вертолета можно наблюдать радугу в виде целого
круга. [8]
Радуга с самолёта
1.4. Радуга с точки зрения физикиРадуга похожа на настоящую магию. Она такая красивая и волшебная в небе после дождя, когда выглядывает солнце, что заставляет нас чувствовать себя счастливыми, не так ли?
Но, как происходит это магическое волшебство? Как в небе появляются эти разноцветные дуги? Давайте разберемся.
Начнем с основ физики. Белый солнечный свет состоит из множества различных световых волн разной длины. В зависимости от длины волны он воспринимается нашим глазом как определенный цвет — от красного (самые длинные волны) до фиолетового (самые короткие). При смешении все эти цвета и дают видимый белый свет.
Принято выделять семь основных цветов, которые мы называем цветами радуги: красный, оранжевый, желтый зеленый, голубой, синий и фиолетовый. Эти цвета легко запоминаются по первым буквам известной всем из детства фразы:
Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан.
Проходя через границу неоднородных сред (например воздуха и воды или воздуха и стекла) белый свет преломляется и разлагается на отдельные цвета, которые мы называем спектром. Чтобы увидеть цвета спектра, можно использовать трехгранную призму, которая преломляя солнечный свет, выделяет из него все цветовые составляющие.
Спектр
Эффект разложения белого света на цветные составляющие (спектр) называется дисперсией. Именно из-за преломления света бриллианты играют цветными огнями.
Дисперсия света.
Но, вернемся к нашей радуге. Цвета спектра и есть цвета радуги. Как же происходит дисперсия солнечного света, порождающая радугу?
Когда солнечный свет сталкивается с каплей дождя, часть света от неё отражается, а остальная часть попадает во внутрь капли. Луч света преломляется на ближайшей к нему поверхности капли дождя, потом этот свет попадает на дальнюю поверхность капли и отражается от неё. Когда этот внутренне отраженный свет вновь достигает поверхности капли, он снова преломляется при выходе. Вот как это выглядит на схеме:
Как видим, часть падающего на каплю солнечного света отражается обратно под некоторым углом. Этот угол не зависит от размера капли, но зависит от показателя преломления воды капли. Для дождевой воды показатель преломления равен 1,33, поэтому угол отражения получается около 42°. А морская вода имеет более высокий показатель преломления, чем дождевая, поэтому угловой радиус радужной дуги в морских брызгах меньше, чем у дождевой.
Фактически, угол отражения света в капле — это угол между солнцем, каплей дождя и глазом наблюдателя. Однако, поскольку дождевых капель много, лучи преломленного и отраженного света от разных капель образуют конус с вершиной в зрачке глаза наблюдателя и осью, проходящей через наблюдателя и солнце. Окружность в основании этого конуса и будет радугой. Но, поскольку наблюдатель находится на поверхности земли, он видит только часть окружности — дугу. Из этого также следует, что для образования радуги само солнце должно находиться не выше 42° над горизонтом. Вот почему радугу невозможно увидеть в летний полдень, когда солнце высоко в зените. Вообще, чем ниже над горизонтом находится солнце, тем большей будет дуга радуги.
Если же наблюдателя поднять над землей, например на воздушном шаре или самолете, то при определённых обстоятельствах он сможет увидеть радугу в форме полной окружности.
Радуга с самолёта
Сама радуга не находится в одном конкретном месте. Существует множество радуг, однако, только одну из них может видеть наблюдатель в зависимости от местоположения его и солнца.
Все капли дождя преломляются и отражают солнечный свет одинаковым образом, но только свет от некоторых капель дождя достигает глаза наблюдателя. Этот свет и есть радуга для этого наблюдателя. То есть количество радуг равно количеству наблюдателей, хоть они и полагают, что любуются одной и той же радугой!
Поэтому легенда о том, что в месте, где радужная дуга касается поверхности земли скрыт золотой клад гномов, лишена смысла.
Вернемся к схеме преломления солнечного света. На картинке с призмой видно, что фиолетовый и синий свет (короткие волны) преломляются под большим углом, чем красный свет, но за счет отражения световых лучей от задней поверхности капли воды, фиолетовые и синие лучи выходят из капли под меньшим углом к входящему лучу солнечного света, чем лучи красного света. Из-за этого фиолетовый цвет виден на внутренней стороне дуги радуги, а красный — снаружи.
1.5. Необычные радуги
1. Двойная радуга
Двойная радуга. Тройная радуга
Чаще всего наблюдается первичная радуга, при которой свет претерпевает одно внутреннее отражение. 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, в которой свет отражается в капле два раза. Во вторичной радуге «перевёрнутый» порядок цветов — снаружи находится фиолетовый, а внутри красный. Угловой радиус вторичной радуги 50—53°.
Схема образования двойной радуги: 1) сферическая капля; 2) внутреннее отражение; 3) первичная радуга; 4) преломление; 5) вторичная радуга; 6) входящий луч света; 7) ход лучей при формировании первичной радуги; 8) ход лучей при формировании вторичной радуги; 9) наблюдатель; 10) область формирования первичной радуги; 11) область формирования вторичной радуги; 12) облако капелек
Первая радуга, внутренняя, всегда ярче второй, внешней, а цвета дуг на второй радуги 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. Своё наименование получила по имени древнегреческого философа Александра Афродесийского, впервые описавшего её в 200 году нашей эры.
А иногда солнечный луч может соорудить на небе сразу две, три, а то и четыре радуги.
Увидеть двойную радугу — хорошая примета-это к удаче, к исполнению желаний. Так что если вам посчастливилось увидеть двойную радугу, поспешите загадать желание и оно обязательно исполнится.
2. Лунная радуга
Вы когда-нибудь видели лунную радугу? Оказывается, такое чудо тоже бывает. Редким людям удается хотя бы раз в жизни увидеть необычное явление природы — лунную радугу. Радуга ночью — настоящее чудо, увидеть которое удается далеко не каждому.
Лунная радуга или ночная радуга появляется ночью и порождается Луной. Поскольку Солнце значительно ярче Луны, то солнечные радуги также более яркие и наблюдаются чаще лунных. Так как лунный свет представляет собой отраженный солнечный, то цвета радуги почти совпадают. Лунная радуга наблюдается во время дождя, который идёт напротив Луны, особенно хорошо видна лунная радуга во время полнолуния, когда яркая Луна находится невысоко в тёмном небе. Так же лунную радугу можно наблюдать в местностях, где есть водопады. Редкость этого явления побуждает к нему невероятно высокий интерес.
1.Фотографии лунных радуг
3. Перевёрнутая радуга
П еревёрнутая радуга-явление довольно редкое. Она появляется при определённых условиях, когда на высоте 7-8 километров тонкой завесой располагаются перистые облака, состоящие из ледяных кристалликов. Солнечный свет, падая под определённым углом на эти кристаллы, разлагается на спектр и отражается в атмосферу. Цвет в перевёрнутой радуге располагается в обратном порядке: сверху находится фиолетовый, а снизу — красный.
Туманная радуга
Т уманная радуга или белая появляется при освещении солнечными лучами слабого тумана, состоящего из очень мелких капелек воды. Такая радуга представляет собой дугу, окрашенную в очень бледные цвета, а если капельки совсем мелкие, то радуга окрашена в белый цвет. Туманная радуга может появляться и ночью во время тумана, когда на небе яркая луна. Туманная радуга довольно редкое атмосферное явление.
5. Красная радуга
Красные радуги, также называемые монохромными радугами, формируются после дождя, прошедшего во время рассвета или заката. Свет с короткой длиной волны (синий и зелёный) рассеивается в воздухе и пыли. Остаются только цвета с длинными волнами – жёлтый и красный, которые и образуют красную радугу.
Красная радуга
В последние пять или десять минут перед заходом Солнца все цвета радуги, кроме красного, начинают исчезать и, наконец, остается только одна красная дуга. Иногда она чрезвычайно ярка и остается видимой даже спустя десять минут после захода Солнца. Солнечные лучи рассеиваются, проходя через атмосферу. При закате лучи Солнца 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.
Поэтому все цвета рассеиваются, кроме красного.
6.«Огненная» радуга.
«Огненная» радуга. Она, фактически, совсем не связана с огнем. Только красивый оптический эффект.
Огненная радуга
Огненная радуга — это редкое оптическое атмосферное явление. Огненная радуга появляется, когда солнечный свет проходит сквозь перистые облака под углом 58 градусов над горизонтом. Ещё одним необходимым условием для появления огненной радуги являются шестиугольные кристаллы льда, имеющие форму листа и их грани должны быть параллельными земле. Солнечные лучи, проходя сквозь вертикальные грани ледяного кристалла, преломляются и зажигают огненную радугу или округло – горизонтальную дугу, так в науке называется огненная радуга
7. Сдвоенные радуги.
Сдвоенные радуги очень редки и не являются аналогами двойной радуги.
Сдвоенные радуги
Такой тип радуг возникает, когда во время дождя падают как большие, так и маленькие капли. Большие капли из-за сопротивления воздуха сплющиваются, а маленькие капли сохраняют обычную форму. Каждый тип капель образует свою радугу, которые иногда формируют сдвоенную радугу.
8. Зимняя радуга.
Зимняя радуга — это очень удивительное явление.
Зимняя радуга
Такую 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
9. Радуга Гло́рия
Радуга Гло́рия (лат. gloria — украшение; ореол) — оптическое явление в облаках.
Наблюдается на облаках, расположенных прямо напротив источника света. Наблюдатель должен находиться на горе или на самолёте, а источник света (Солнце или Луна) — за его спиной. Так же можно наблюдать на видео или фотографиях снятых с дистанционно пилотируемых летательных аппаратов.
Представляет собой цветные кольца света на облаке вокруг тени наблюдателя. Внутри находится голубоватое кольцо, снаружи — красноватое, далее кольца могут повторяться с меньшей интенсивностью. Угловой размер намного меньше, чем у радуги — 5…20°, в зависимости от размера капель в облаке.
Глория объясняется дифракцией света, ранее уже отражённого в капельках облака так, что он возвращается от облака в том же направлении, по которому падал, то есть к наблюдателю.
Радуга глория вокруг тени альпиниста
Радуга глория на Земле
Глава 2. Экспериментальная часть
2.1.Анкетирование.
Узнав много интересного о радуге, я решила узнать, что знают о радуге ученики 6 — 11 классов. Для этого я провела анкетирование среди учеников этих классов. (Приложение 1)
Учащимся было предложены следующие вопросы:
Видели ли вы когда-нибудь радугу?
Знаете ли вы, причины появления радуги?
Знаете ли вы цвета радуги?
Слышали ли вы мнемонические фразы о радуге?
Можно ли получить радугу в домашних условиях?
Сколько видов радуги вы знаете?
В анкетировании приняли участие 30 учащихся 6 – 11классов. Проанализировав результаты анкетирования, были получены следующие результаты:
98% учащихся видели когда-либо радугу
Из всех опрошенных 86 % знают причину, по которой радуга появляется на небе
Также 86 % учащихся знают, какие цвета входят в состав радуги
72 % учеников слышали мнемоническую фразу «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан. О существовании других фраз ученики не знают.
85% учащихся знают, что радугу можно получить в домашних условиях.
68 % учащихся считают, что существует только один вид радуги,
20 % учащихся считают, что существует два вида радуги, а 12% учащихся считают, что существует три вида радуги.
Результаты анкетирования представлены на диаграммах. (Приложения 2,3)
2.2. Результаты экспериментальной работы
Я очень люблю природное явление – радугу. Именно поэтому я решила попробовать создать радугу в домашних условиях.
Опыт 1. С CD-диском (Приложение 4)
Необходимый материал:
CD- диск, картон, фонарик.
Ход опыта:
Радугу вполне можно увидеть, используя диск. Это происходит из-за того, что его поверхность имеет огромное количество бороздок, которые исполняют роль маленьких призм. Необходимо подойти к освещённому окну, закрыть его шторой таким образом, чтобы остался маленький просвет для световых лучей. Взять диск и разместить его так, чтобы на него попал солнечный свет, после чего нужно отразить луч с помощью диска на картон. Если наклонять диск в разные стороны, можно получить как радужную полоску, так и круговую радугу. Если вместо Солнца использовать фонарик, цвета радуги окажутся менее насыщенными.
Вывод: Радугу можно получить в домашних условиях, используя CD- диск.
Опыт №2 С водой (Приложение 5)
Необходимый материал:
Емкость с водой, лист белой бумаги, зеркало.
Ход опыта:
Взять миску, наполнить её водой, найти белый лист бумаги и небольшое зеркало. Миску выставить на солнце, опустить зеркало в воду, прикрепить к краю посуды и повернуть так, чтобы на него падали световые лучи. После этого нужно двигать лист бумаги вдоль миски в поисках места, где на нём будет отображаться радуга.
Вывод: Радугу можно получить в домашних условиях, используя зеркало и ёмкость с водой.
Опыт 3. Искусственная радуга (Приложение 6)
Необходимый материал:
Емкость с водой, лист белой бумаги, фонарик, зеркало.
Ход опыта:
В емкость наливаем воду и опускаем на дно зеркало. Направляем на зеркало свет фонарика. Отраженный луч света нужно «поймать» на бумагу. Из-за преломления луча на листе появляется радуга. Луч света состоит из нескольких цветов, когда он проходит сквозь воду, то раскладывается на составные части – семь цветов радуги.
Вывод: Радугу можно получить в домашних условиях, используя зеркало, фонарик и ёмкость с водой.
Опыт 4. Радужные мыльные пузыри (Приложение 7)
Необходимый материал:
Емкость с мыльной водой, приспособление для выдувания пузырей.
Ход опыта:
Берем приспособление, окунаем в емкость с мыльной пеной и выдуваем пузыри. На летящих в воздухе пузырях можно увидеть семицветную радугу. Лучи света, попадая на пузырь, преломляются и дают красивые радужные цветные кольца, которые первым начал изучать Исаак Ньютон.
Вывод: Радугу можно получить в домашних условиях, используя ёмкость с мыльной водой.
Заключение
Выполнив эту исследовательскую работу, я узнала и попробовала показать, что радуга – это не простое явление в природе, а очень сложный механизм.
Создание данного проекта позволило мне развить свои навыки работы с дополнительной литературой, умение проводить эксперименты, проводить анализ полученных результатов, основывать итоги исследований. Во время работы над исследовательским проектом я узнала о природном явлении радуге: как появляется радуга и почему она разноцветная, определила, какая существует связь между дождем, солнцем и появлением радуги, узнала какие виды радуги существуют и провела опыт над созданием радуги в домашних условиях. Цели исследования достигнуты, а поставленные задачи реализованы.
На своём примере я показала, что возможно создать радугу в домашних условиях, тем самым доказав выдвинутую в начале исследования гипотезу.
Радуга – удивительное природное явление, которое никого не оставляет равнодушным, вызывает радость, восторг, восхищение. Теперь мы знаем, как можно улучшить свое настроение. Для этого нужно создать свою “домашнюю” радугу. И это можно сделать в любое время. Также мы выяснили, что капли дождя и кристаллы льда могут разделить белый цвет на семь цветов, поэтому наблюдать радугу можно и осенью, и летом, и весной, и зимой. Но есть условия, при которых такое удивительное явление природы можно увидеть. Я поняла, что радуга , это не простое явление в природе, а целый механизм.
Список литературы
1. «Большая Энциклопедия Кирилла и Мефодия».
2. Булат В.Л. Оптические явления в природе. М.: Просвещение, 1974г
3. Гегузин Я.Е. «Кто творит радугу?» – «Квант» 1988г., № 6, С. 46.
4. Зверева С.В. В мире солнечного света. – Л.: Гидрометеоиздат, 1988.
5. Майер В.В., Майер Р.В. «Искусственная радуга» – «Квант»1988 г., № 6
6. Перышкин А.В., Гутник Е.М. Физика. 9 кл. / учебник- М Дрофа – 2014.
7. Тарасов Л.В. Физика в природе. – М.: Просвещение, 1988.
8. Толковые словари современного русского языка.
http://www.allbest.ru
Приложения
Приложение 1
Приложение 2
Приложение 3
Приложение 4
Приложение 5
Приложение 6
Приложение 7
Элементарная теория радуги реферат по физике
Но что мной зримая вселена? И что перед тобою я? Ничто! Но ты во мне сияешь Величеством твоих доброт. Во мне себя преображаешь, Как Солнце в малой капле вод. Г. Р. Державин Сколько бывает радуг? Вряд ли найдется человек, который не любовался бы радугой. Появившись на небосводе, она невольно приковывает внимание. А сколько легенд и 0 0 1 Fсказаний связано с радугой у разных народов! В русских летописях ра дуга называется « райской дугой » или сокращенно « райдугой ». В Древней Греции радугу олицетворяла богиня Ирида («Ирида» и означает « радуга »). По представлениям древних греков, радуга соединяет небо и землю, и Ирида была посредницей между богами и людьми. В русский язык вошли и другие слова с тем же греческим корнем: ирис — радужная оболочка глаза, иризация, иридий. Радуга всегда связывается с Дождем. Она может появиться и перед дождем, и во время дождя, и после него, в зависимости от того, как 0 0 1 Fпере мещается облако, дающее ливневые осадки. Об этом говорят и народные поговорки: „Радуга-дуга! Перебей дождя!», „Радуга-дуга! Принеси нам дождь!» Первая попытка объяснить радугу как естественное явление природы была сделана в 1611 г. 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. Обычно наблюдаемая радуга — это цветная дуга угловым радиусом 42°, видимая на фоне завесы ливневого дождя или полос падения дождя, часто не 0 0 1 Fдостигающих поверхности Земли. Радуга видна в стороне небо свода, противоположной Солнцу, и обязательно при Солнце, не закрытом облаками. Такие условия чаще всего создаются при выпадении летних ливневых дождей, называемых в народе « грибными » дождями. Центром радуги является точка, 0 0 1 Fдиаметрально противоположная Солнцу,— анти солярная точка. Внешняя дуга радуги красная, за нею идет оранжевая, желтая, зеленая дуги и т. д., кончая внутренней фиолетовой. Сколько радуг можно увидеть одновременно? Неискушенный наблюдатель видит обычно одну радугу, изредка две. Причем вторая радуга, концентрическая с первой, имеет угловой радиус около 50° и располагается над первой. Вторая радуга более широкая, блеклая, расположение цветов в ней обратное первой радуге: внешняя дуга у нее фиолетовая, а внутренняя красная. Самое удивительное, что большинство людей, наблюдавших радугу много раз, не видят, а точнее не замечают дополнительных дуг в виде нежнейших цветных арок внутри первой и снаружи второй радуг (т. е. со стороны фиолетовых краев радуг). Эти цветные дуги (их обычно три-четыре) неправильно названы дополнительными — в действительности они такие же основные (или главные), как первая и вторая радуги. Эти дуги не образуют целого полукруга или большой дуги и видны только в самых верхних частях радуг, т. е. вблизи « вершин », или « макушек », основных радуг, когда же последние переходят в вертикальное положение (или близкое к нему), дополнительные дуги пропадают. Именно в этих дугах, а не в основных, сосредоточено наибольшее богатство чистых цветовых тонов, которое и породило выражение „все цвета радуги». Радуги можно увидеть около водопадов, фонтанов, на фоне завесы капель, разбрызгиваемых поливальной машиной или полевой поливальной установкой. Можно самому создать завесу капель из ручного пульверизатора и, встав спиною к Солнцу, увидеть радугу, созданную собственными руками. У фонтанов и водопадов случалось видеть, кроме описанных двух основных и трех-четырех дополнительных дуг к каждой основной, еще одну или две радуги вокруг Солнца. Как возникает радуга? Откуда берется удивительный красочный свет, исходящий от дуг радуги? 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 Репе Декарт в 1637 г. Декарт объяснил радугу на основании законов преломления и отражения солнечного света в каплях выпадающего дождя. В то время еще не была открыта дисперсия — разложение белого света в спектр при преломлении. Поэтому радуга Декарта была белой. Спустя 30 лет Исаак Ньютон, открывший дисперсию белого света при преломлении, дополнил теорию Декарта, объяснив, 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». 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. Для объяснения радуги мы пока и ограничимся теорией Декарта — Ньютона, которая подкупает своей удивительной наглядностью и простотой. Лучи радуги Итак, пусть параллельный пучок солнечных лучей падает на каплю (рис. 1). Ввиду того что поверхность капли кривая, у разных лучей будут разные углы падения. Они изменяются от 0 до 90°. Проследим путь луча, упавшего в вокруг антисолярной точки, 7-я и 8-я — снова вокруг Солнца и т. д. В таблице приведены углы отклонения лучей красного цвета, угловые радиусы соответствующих радуг и положение их на небосводе согласно расчетам К. С. Шифрина по формулам дифракции. k Dk Угловой радиус радуги Положение на небосводе 1 137 F 0B 029 F 0 A 2 42 F 0 B 031 F 0 A 2 Вокруг антисолярной точки 2 129 F 0B 054 F 0 A 2 50 F 0 B 006 F 0 A 2 3 42 F 0B 053 F 0 A 2 42 F 0 B 053 F 0 A 2 Вокруг Солнца 4 42 F 0B 018 F 0 A 2 42 F 0 B 018 F 0 A 2 5 126 F 0B 031 F 0 A 2 53 F 0 B 029 F 0 A 2 Вокруг антисолярной точки 6 149 F 0B 046 F 0 A 2 30 F 0 B 014 F 0 A 2 7 66 F 0B 022 F 0 A 2 66 F 0 B 022 F 0 A 2 Вокруг Солнца 8 16 F 0B 051 F 0 A 2 16 F 0 B 051 F 0 A 2 Возникает вопрос: почему мы не видим всех радуг? Это происходит потому, что из всей энергии луча, упавшего на каплю в точку А, примерно 7% отражается, 88% — проходит сквозь каплю и только 5% испытывает одно внутреннее отражение в точке В и идет дальше к точке С. Здесь снова происходит аналогичное разделение энергии между лучами, выходящими из капли и дважды отраженными от внутренней поверхности капли. Поэтому на радуги всех порядков расходуется менее 5% энергии падающего пучка, при этом „львиная» доля — около 4% — идет на образование первой радуги. Обычно мы и можем видеть только первую радугу и изредка вторую. На 0 0 1 Fостальные радуги остается слишком мало энергии, менее 1%, поэтому ра дуги высоких порядков не видны. Почему радуга бывает разной? По теории Декарта — Ньютона радуга должна быть всегда одинаковой — „застывшей». Эти ученые правильно объяснили положение радуги на 0 0 1 Fнебо своде, размер дуг, расположение цветов в основных радугах любого порядка. В частности, по теории ширине дуг радуг всегда было „положено» быть одной и той же. Однако радуга содержала еще много секретов. Внимательный наблюдатель видел иногда серию красочных дополнительных дуг, которым совсем „не было места» в теории Декарта — Ньютона. Иногда радуга имела яркие насыщенные тона, а порой была совсем блеклой, почти белой. Радуга бывала и широкой и узкой — и всё это „не укладывалось» в теорию Декарта — Ньютона. Объяснение всего комплекса радуги, со всеми неразгаданными, ее 0 0 1 Fосо бенностями, было сделано позже, когда была создана общая теория 0 0 1 Fрас сеяния (дифракции) световых лучей в атмосфере. В частности, стало ясно, что дополнительные дуги возникают вследствие интерференции лучей, 0 0 1 Fле жавших но обе стороны от наименее отклоненного луча (луча радуги) и в непосредственной близости от него. Размер и форма капель и их влияние на вид радуги Расчеты по формулам дифракционной теории, выполненные для капель разного размера, показали, что весь вид радуги — ширина дуг, наличие, расположение и яркость отдельных цветовых тонов, положение 0 0 1 Fдополнитель ных дуг очень сильно зависят от размера капель дождя. Приведем основные характеристики внешнего вида радуги для капель разных радиусов. Радиус капель 0,5—1 мм. Наружный край основной радуги яркий, темно- красный, за ним идет светло-красный и далее чередуются все цвета радуги. Особенно яркими кажутся фиолетовый и зеленый. Дополнительных дуг много (до пяти), в них чередуются фиолетово-розовые тона с зелеными. Дополнительные дуги непосредственно примыкают к основным радугам. Радиус капель 0,25 мм. Красный кран радуги стал слабее. Остальные цвета видны по-прежнему. Несколько фиолетово-розовых дополнительных дуг сменяются зелеными. Радиус капель 0,10—0,15 мм. Красного цвета в основной радуге больше нет. Наружный край радуги оранжевый. В остальном радуга хорошо развита. Дополнительные дуги становятся все более желтыми. Между ними и между основной радугой и первой дополнительной появились просветы. Радиус капель 0,04—0,05 мм. Радуга стала заметно шире и бледнее, Наружный край ее бледно-желтый. Самым ярким является фиолетовый цвет. Первая дополнительная дуга отделена от основной радуги довольно широким промежутком, цвет ее белесый, чуть зеленоватый и беловато-фиолетовый. Радиус капель 0,03 мм. Основная радуга еще более широкая с очень слабо окрашенным чуть желтоватым краем, содержит отдельные белые полосы. Радиус капель 0,025 мм и менее. Радуга стала совсем белой. Она 0 0 1 Fпри мерно в два раза шире обычной радуги и имеет вид блестящей белой полосы. Внутри нее могут быть дополнительные окрашенные дуги, сначала бледно-голубые или зеленые, затем белесовато-красные. Таким образом, по виду радуги можно приближенно оценить размеры капель дождя, образовавших эту радугу. В целом, чем крупнее капли дождя, тем радуга получается уже и ярче, особенно характерным для крупных капель является наличие насыщенного красного цвета в основной радуге. Многочисленные дополнительные дуги также имеют яркие тона и 0 0 1 Fнепо средственно, без промежутков, примыкают к основным радугам. Чем капли мельче, тем радуга становится более широкой и блеклой с оранжевым или желтым краем. Дополнительные дуги дальше отстоят и друг от друга и от основных радуг. Вид радуги зависит и от формы капель. При падении в воздухе крупные капли сплющиваются, теряют свою сферичность. Вертикальное сечение таких капель приближается к элипсу. Расчеты показали, что минимальное отклонение красных лучей при прохождении через сплющенные капли радиусом 0,5 мм составляет 140°. Поэтому угловой размер красной дуги будет не 42°, а только 0 0 1 F40°. Для более крупных капель, например радиу сом 1,0 мм, минимальное 0 0 1 Fотклонение красных лучей составит 149°, а крас ная дуга радуги будет иметь размер 31°, вместо 42°. Таким образом, чем сильнее сплющивание капель, тем меньше радиус образуемой ими радуги. Разгадан „секрет» добавочных дуг! А. Фразер, рассмотрев одновременно влияние размера и формы капель на вид радуги, сумел раскрыть «секрет» возникновения добавочных дуг. Как только что было сказано, уменьшение размера преобладающих капель и сплющивание крупных действуют в противоположных направлениях. Что же пересилит? Когда и какое влияние будет преобладающим? 0 0 1 FНаглядной иллюстрацией взаимодействия обоих факторов и совмест ного их влияния на вид радуги являются рис. 3 а и б, составленные А. Фразером, на 0 0 1 Fосновании расчетов: На этих рисунках показано распреде ление интенсивности света в основной радуге и дополнительных дугах в зависимости от размера капель. Сложная волнообразная поверхность на переднем плане (рис.3 а) 0 0 1 Fсо ставлена из многих индивидуальных кривых. Каждая кривая дает 0 0 1 Fраспре деление и интенсивность света в радуге от одной капли. Каждая пятая кривая проведена потолще, цифры справа означают радиус капли, соответствующей кривой, в миллиметрах. Все кривые начинаются слева с очень малой интенсивности (вне радуг), затем быстро поднимаются до 0 0 1 Fмакси мума между 138 F 0 B 0 и 139° (первая радуга). Следующий гребень справа — первая дополнительная дуга, за ней вторая дополнительная дуга и т. д. Расстояние между дугами, как видно из рисунка, быстро уменьшается при 0 0 1 Fувеличении радиуса капель. Это действие первого фактора. Радуга ста новится узкой при увеличении размера капель. Верхняя кривая S — это результирующая сложения вкладов капель всех размеров. Она характеризует распределение интенсивности света в 0 0 1 Fоконча тельной радуге, которую мы видим. 137 138 139 140 141 142 143 144 Угловое расстояние от Солнца расположенного сзади вас, освещает интенсивную дымку или слабый туман перед вами. Даже уличный фонарь может создать, хотя и очень слабую, белую радугу, видимую на темном фоне ночного неба. Лунные радуги Аналогично солнечным могут возникнуть и лунные радуги. Они более слабые и появляются при полной Луне. Лунные радуги явление более редкое, чем солнечные. Для их возникновения необходимо сочетание двух условий: полная Луна, не закрытая облаками, и выпадение ливневого дождя или полос его падения (не достигающих Земли). Ливневые дожди, обусловленные дневными конвективными движениями воздуха, значительно реже выпадают ночью. Лунные радуги могут наблюдаться в любом месте земного шара, где осуществятся перечисленные два условия. Дневные, солнечные радуги, даже образованные самими мелкими 0 0 1 Fкап лями дождя или тумана, довольно белесые, светлые, и все же наружный край их хотя бы слабо, но окрашен в оранжевый или желтый цвет. Радуги, образованные лунными лучами, совсем не оправдывают своего названия, так как они не радужные и выглядят как светлые, совершенно белые дуги. Отсутствие красного цвета у лунных радуг даже при крупных каплях 0 0 1 Fливневого дождя объясняется низким уровнем освещения ночью, при ко тором полностью теряется чувствительность глаза к лучам красного цвета. Остальные цветные лучи радуги также теряют в значительной степени свой цветовой тон из-за ахроматичности (неокрашенности) ночного зрения человека. Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации Дальневосточный Государственный Технический Университет Кафедра физики Реферат Тема: Элементарная теория радуги. Выполнил: Проверил: Гайдай Л.И. Владивосток 2001г. Список литературы 1. Суорд, Клиффорд «Необыкновенная физика обыкновенных явлений» 2. Тарасов Л.В. «Физика в природе», М.- 1989. 3. Зверева В.Л. «Солнечный свет в атмосфере», М.-1988.
ЧТО ТАКОЕ РАДУГА?
Стр 1 из 3Следующая ⇒ВВЕДЕНИЕ
Когда мне было восемь лет, мой дядя подарил мне на день рождения оптический набор «Свет и цвет». В нём были различные линзы, призмы, цветные стёкла и другие предметы и вещества. Используя набор, я проводила разные опыты. А однажды получила радугу, правда не совсем поняла, откуда и как она появилась.
Летом я участвовала в работе каникулярной естественнонаучной школы КЕШа. На занятиях в лаборатории физики я выбрала тему для исследования про радугу. Мы провели несколько опытов по получению искусственной радуги, поэтому я решила продолжить изучение этой темы в научном обществе.
Цель работы: научиться получать радугу различными способами.
Задачи:
1. Узнать, почему появляется радуга и как это объясняется с точки зрения физики.
2. Выяснить, при каких условиях можно получить радугу.
3. Провести опыты по получению радуги.
При работе над темой я использовала различные источники информации: два различных учебника по физике для 7 класса, справочные материалы по физике, книгу «200 экспериментов» и интернет.
ЧТО ТАКОЕ РАДУГА?
Вряд ли найдется человек, который не любовался бы радугой. Появившись на небосводе, она невольно приковывает внимание. Радуга – одно из самых красивых явлений природы, и люди уже давно задумывались над ее природой. Даже Аристотель, древнегреческий философ, пытался объяснить причину радуги. Первая попытка объяснить радугу как естественное явление природы была сделана в 1611 г. 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.
У разных народов и религий есть разные представления о том, что такое радуга, и как объясняется её появление (приложение 1). Суеверные люди считали, что радуга является плохим предзнаменованием. Они считали, что души умерших переходят в потусторонний мир по радуге, и если появилась радуга, это означает чью-то близкую кончину. Но для большинства людей радуга – это хорошее предзнаменование!
Наблюдения людей показали, что радуга практически всегда связана с дождем. Она может появиться и перед дождем, и во время дождя, и после него, в зависимости от того, как перемещается облако, дающее ливневые осадки.
Обычно наблюдаемая радуга – это цветная дуга, 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 (рис. 2). Такие условия чаще всего создаются при выпадении летних ливневых дождей, называемых в народе «грибными» дождями. Центром радуги является точка, диаметрально противоположная Солнцу. Внешняя дуга радуги красная, за нею идет оранжевая, желтая, зеленая дуги и т. д., кончая внутренней фиолетовой.
Откуда берется удивительный красочный свет, исходящий от дуг радуги? 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. В то время еще не была открыта дисперсия – разложение белого света в спектр при преломлении. Поэтому радуга Декарта была белой.
Спустя 30 лет Исаак Ньютон, открывший дисперсию белого света при преломлении, дополнил теорию Декарта, объяснив, 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».
Несмотря на то, что теория радуги Декарта–Ньютона создана более 300 лет назад, она правильно объясняет основные особенности радуги, в том числе расположение цветов.
Предмет, который может разложить луч света на его составляющие, называется призмой (рис. 5). Образуемые цвета создают полоску из цветных сочетающихся линий, которая называется спектр, а явление разложения белого луча на цветовые составляющие за счёт преломления в призме называется дисперсией света (в приложении 2 представлен словарик с пояснениями к наиболее сложным терминам).
Радуга и есть большой изогнутый спектр, или полоса цветных линий, образовавшихся в результате разложения луча света, проходящего через капельки дождя. В данном случае капли дождя выполняют роль призмы. На рисунке 6 показаны капли дождя или тумана, в которые попадает солнечный луч. После отражений внутри капли луч выходит из неё в виде радужного спектра, который видит наблюдатель. Последовательность цветов радуги – красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый – запомнить очень легко, если использовать следующие фразы: «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан» или «Как однажды Жак-звонарь головой сорвал фонарь».
Радуга появляется только во время ливня, когда идет дождь и одновременно светит солнце. Находиться необходимо строго между солнцем (оно должно быть сзади) и дождем (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 идет на западе. При послеобеденной радуге солнце расположено на западе, а дождь – на востоке.
Иногда можно увидеть радужные переливы на поверхности луж, если там пролит бензин, растёкшийся по поверхности воды тоненькой плёнкой. Мыльные пузыри, образованные тонкими плёнками, также переливаются всеми цветами радуги. В таких плёнках появление радужного спектра объясняется так же, как в случае с призмой: при попадании в плёнку световой луч преломляется, доходит до её нижней поверхности, отражается от неё, а потом выходит обратно уже в «разложившемся» на цветные лучи виде.
Интересно, что радужные полосы можно наблюдать и без дождя, а если просто смотреть на солнечный свет, прищурившись, т.е. сквозь щели в ресницах. Такое появление «радуги» объясняется сложнее: свет разлагается на цветовые составляющие, потому что при прохождении сквозь узкие щели или отверстия лучи по-разному отклоняются от своего первоначального направления.
Поиск по сайту:
Дисперсия: радуга и призмы
Цель обучения
К концу этого раздела вы сможете:
- Объясните явление рассеивания и обсудите его преимущества и недостатки.
Рис. 1. Цвета радуги (a) и цвета, создаваемого призмой (b), идентичны. (Источник: Alfredo55, Wikimedia Commons; НАСА)
Все наслаждаются зрелищем радуги, мерцающей на фоне темного грозового неба.Как солнечный свет, падающий на прозрачные капли дождя, превращается в радугу цветов, которые мы видим? Тот же самый процесс заставляет белый свет разделяться на цвета прозрачной стеклянной призмой или бриллиантом. (См. Рисунок 1.)
Мы видим в радуге около шести цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий и фиолетовый; иногда также упоминается индиго. Эти цвета связаны с разными длинами волн света, как показано на рисунке 2. Когда наш глаз получает свет с чистой длиной волны, мы склонны видеть только один из шести цветов, в зависимости от длины волны.Тысячи других оттенков, которые мы можем ощутить в других ситуациях, — это реакция нашего глаза на различные комбинации длин волн. В частности, белый свет представляет собой довольно однородную смесь всех видимых длин волн. Солнечный свет, который считается белым, на самом деле кажется немного желтоватым из-за смеси длин волн, но он содержит все видимые длины волн. Последовательность цветов в радуге такая же, как и цвета, отображенные в зависимости от длины волны на рисунке 2. Это означает, что белый свет распространяется в соответствии с длиной волны радуги. Дисперсия определяется как распространение белого света на полный спектр длин волн. С технической точки зрения, дисперсия возникает всякий раз, когда происходит процесс, который изменяет направление света в зависимости от длины волны. Дисперсия, как общее явление, может происходить для любого типа волны и всегда связана с процессами, зависящими от длины волны.
Рис. 2. Несмотря на то, что радуга связана с семью цветами, она представляет собой непрерывное распределение цветов в соответствии с длинами волн.
Дисперсия
Дисперсия определяется как распространение белого света по всему спектру длин волн.
Refraction отвечает за рассеивание в радугах и во многих других ситуациях. Угол преломления зависит от показателя преломления, как мы видели в Законе преломления. Мы знаем, что показатель преломления n зависит от среды. Но для данной среды n также зависит от длины волны. (См. Таблицу 1. Обратите внимание, что для данной среды значение n увеличивается с уменьшением длины волны и является наибольшим для фиолетового света.Таким образом, фиолетовый свет изгибается больше, чем красный свет, как показано для призмы на рисунке 3b, и свет рассеивается в той же последовательности длин волн, что и на рисунках 1 и 2.
| Таблица 1. Показатель преломления n в выбранных средах на различных длинах волн | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Средний | Красный (660 нм) | Оранжевый (610 нм) | Желтый (580 нм) | Зеленый (550 нм) | Синий (470 нм) | Фиолетовый (410 нм) |
| Вода | 1.331 | 1,332 | 1,333 | 1,335 | 1,338 | 1,342 |
| Алмаз | 2,410 | 2,415 | 2,417 | 2.426 | 2.444 | 2.458 |
| Стекло, корона | 1,512 | 1,514 | 1,518 | 1,519 | 1,524 | 1,530 |
| Стекло, кремень | 1.662 | 1,665 | 1.667 | 1.674 | 1,684 | 1.698 |
| полистирол | 1.488 | 1,490 | 1.492 | 1.493 | 1,499 | 1,506 |
| Кварц плавленый | 1.455 | 1.456 | 1.458 | 1.459 | 1.462 | 1,468 |
Рис. 3. (a) Чистая длина волны света падает на призму и преломляется на обеих поверхностях.(b) Белый свет рассеивается призмой (показано в преувеличении). Поскольку показатель преломления зависит от длины волны, углы преломления зависят от длины волны. Получается последовательность от красного к фиолетовому, потому что показатель преломления постоянно увеличивается с уменьшением длины волны.
Установление соединений: рассеяние
Волны любого типа могут иметь дисперсию. Звуковые волны, все типы электромагнитных волн и волны воды могут быть распределены в зависимости от длины волны. Дисперсия возникает всякий раз, когда скорость распространения зависит от длины волны, таким образом разделяя и распространяя различные длины волн.Рассеивание может потребовать особых обстоятельств и может привести к впечатляющим показам, например, к созданию радуги. Это также верно для звука, поскольку все частоты обычно перемещаются с одинаковой скоростью. Если вы слушаете звук через длинную трубку, такую как шланг пылесоса, вы легко можете услышать, как он рассеивается при взаимодействии с трубкой. Фактически, дисперсия может многое рассказать о том, с чем столкнулась волна, которая рассеяла ее длины волн. Например, рассеяние электромагнитного излучения из космоса многое раскрыло о том, что существует между звездами — так называемом пустом пространстве.
Рис. 4. Часть света, падающего на эту каплю воды, входит и отражается от обратной стороны капли. Этот свет преломляется и рассеивается как при входе, так и при выходе из капли.
Радуга получается сочетанием преломления и отражения. Возможно, вы заметили, что видите радугу, только когда отводите взгляд от солнца. Свет входит в каплю воды и отражается от обратной стороны капли, как показано на рисунке 4. Свет преломляется как при входе, так и при выходе из капли.Поскольку показатель преломления воды зависит от длины волны, свет рассеивается, и наблюдается радуга, как показано на рисунке 5a. (Нет дисперсии, вызванной отражением от задней поверхности, поскольку закон отражения не зависит от длины волны.) Фактическая радуга цветов, видимая наблюдателем, зависит от множества лучей, преломляемых и отражающихся в глаза наблюдателя от множества капли воды. Эффект наиболее впечатляющий, когда фон темный, как в штормовую погоду, но также может наблюдаться у водопадов и поливочных машин для газонов.Дуга радуги возникает из-за необходимости смотреть под определенным углом по отношению к направлению солнца, как показано на рисунке 5b. (Если в капле воды есть два отражения света, образуется еще одна «вторичная» радуга. Это редкое событие создает дугу, которая находится над основной радужной дугой — см. Рисунок 5c.)
Рис. 5. (a) Разные цвета выходят в разных направлениях, поэтому вы должны смотреть в разные места, чтобы увидеть разные цвета радуги. (b) Дуга радуги возникает из-за того, что линия между наблюдателем и любой точкой дуги должна составлять правильный угол с параллельными лучами солнечного света, чтобы принимать преломленные лучи.(c) Двойная радуга. (Источник: Николас, Wikimedia Commons)
Радуга
Радуга получается сочетанием преломления и отражения.
Дисперсия может давать красивые радуги, но может вызывать проблемы в оптических системах. Белый свет, используемый для передачи сообщений в оптоволокне, рассеивается, распространяется во времени и в конечном итоге перекрывается с другими сообщениями. Поскольку лазер излучает почти чистую длину волны, его свет имеет небольшую дисперсию, что является преимуществом по сравнению с белым светом для передачи информации.Напротив, дисперсия электромагнитных волн, приходящих к нам из космоса, может использоваться для определения количества вещества, через которое они проходят. Как и многие другие явления, дисперсия может быть полезной или неприятной, в зависимости от ситуации и наших человеческих целей.
Исследования PhET: геометрическая оптика
Как линза формирует изображение? Посмотрите, как световые лучи преломляются линзой. Посмотрите, как меняется изображение, когда вы регулируете фокусное расстояние объектива, перемещаете объект, перемещаете объектив или перемещаете экран.
Щелкните, чтобы запустить моделирование.
Сводка раздела
- Распространение белого света на полный спектр длин волн называется дисперсией.
- Радуга создается комбинацией преломления и отражения и включает рассеивание солнечного света в непрерывное распределение цветов.
- Дисперсия дает прекрасные радуги, но также вызывает проблемы в некоторых оптических системах.
Задачи и упражнения
- (а) Каково отношение скорости красного света к скорости фиолетового света в алмазе на основе [ссылка]? б) Каково это соотношение в полистироле? (c) Какая из них более дисперсная?
- Луч белого света выходит из воздуха в воду под углом падения 75.0º. Под какими углами преломляются красная (660 нм) и фиолетовая (410 нм) части света?
- Насколько различаются критические углы для красного (660 нм) и фиолетового (410 нм) света в алмазе, окруженном воздухом?
- (a) Узкий луч света с длинами волн желтого (580 нм) и зеленого (550 нм) цветов проходит от полистирола к воздуху, падая на поверхность под углом падения 30,0 °. Какой угол между цветами, когда они появляются? (b) Как далеко им придется пройти, чтобы их разделяла 1.00 мм?
- Параллельный луч света оранжевого (610 нм) и фиолетового (410 нм) длин волн идет от плавленого кварца к воде, падая на поверхность между ними под углом падения 60,0 °. Каков угол между двумя цветами в воде?
- Луч света с длиной волны 610 нм проходит из воздуха в плавленый кварц под углом падения 55,0º. Под каким углом падения свет с длиной волны 470 нм должен входить в бесцветное стекло, чтобы иметь такой же угол преломления?
- Узкий луч света, содержащий красный (660 нм) и синий (470 нм) длины волн, распространяется из воздуха через 1.Плоский кусок коронного стекла толщиной 00 см и снова снова в воздухе. Луч падает под углом падения 30,0 °. а) Под каким углом появляются два цвета? б) На каком расстоянии красные и синие отделены друг от друга, когда они появляются?
- Узкий луч белого света попадает в призму, сделанную из стекла короны, под углом падения 45,0 °, как показано на рисунке 6. При каких углах, θ R и θ V , делают красный (660 нм) и фиолетовая (410 нм) компоненты света выходят из призмы?
Рисунок 6.Эта призма рассеивает белый свет на радужные цвета. Угол падения составляет 45,0 °, а углы выхода красного и фиолетового света составляют θ R и θ V .
Глоссарий
дисперсия: распространение белого света на полный спектр длин волн
радуга: дисперсия солнечного света в непрерывное распределение цветов в зависимости от длины волны, вызванное преломлением и отражением солнечного света каплями воды в небе
Избранные решения проблем и упражнения
2.46,5º, красный; 46.0º, фиолетовый
4. (а) 0,043 °; (б) 1,33 м
6. 71.3º
8. 53,5º, красный; 55.2º, фиолетовый
О радугах
О радугахЧто такое радуга?
Автор Дональд Аренс в своем тексте Метеорология сегодня описывает радуга как «одно из самых зрелищных световых шоу на Земле». Действительно традиционная радуга — это солнечный свет, разбросанный по спектру цветов и отводится к глазу наблюдателя каплями воды.Часть слова «лук» описывает тот факт, что радуга — это группа почти круглые цветные дуги, имеющие общий центр.Где находится солнце, когда вы видите радугу?
Это хороший вопрос, чтобы начать думать о физическом процессе, который рождает радугу. Большинство людей никогда не замечали, что солнце всегда позади вас, когда вы сталкиваетесь с радугой, и что центр Дуга радуги направлена в сторону, противоположную направлению солнца.Дождь, конечно, идет в сторону радуги.Из чего сделан лук?
Подобный вопрос требует правильного физического ответа. Мы обсудим образование радуги каплями дождя. Проблема оптики заключается в том, что впервые был ясно обсужден Рене Декартом в 1637. Интересный исторический отчет об этом можно найти в книге Карла Бойера, . Радуга от мифа к математике . Декарт упростил изучение радугу, сведя ее к изучению одной капли воды и того, как она взаимодействует с падающим на него светом.Он пишет: «Учитывая, что этот лук появляется не только в небе, но и также в воздухе рядом с нами, когда есть капли воды, освещенные солнце, которое мы видим в некоторых фонтанах, я с готовностью решил, что оно взошло только исходя из того, как лучи света воздействуют на эти капли и проходят от них к нашим глазам. Далее, зная, что капли круглые, как и ранее было доказано, и, видя, что, больше они или меньше, внешний вид лука никак не изменился, я у меня возникла идея сделать очень большой, чтобы я мог лучше рассмотреть его .
Декарт описывает, как он поднял большую сферу на солнце и посмотрел на в нем отражался солнечный свет. Он написал: « Я обнаружил, что если солнечный свет пришел, например, из той части неба, которая помечена AFZ
и мой глаз был в точке E, когда я поставил глобус в положение BCD, его часть D казался полностью красным и намного более ярким, чем все остальное; и это подошел ли я к нему или отступил от него, или положил его справа или слева, или даже повернул его вокруг головы, при условии, что линия DE всегда составили угол около сорока двух градусов с линией EM, которую мы должны представьте, как нарисованный от центра солнца к глазу, часть D появилась всегда одинаково красный; но как только я сделал эту угловую матрицу высот даже немного крупнее, красный цвет исчез; и если бы я сделал угол немного меньше, цвет не исчезал сразу, а сначала делился на если на две части, менее блестящие, и в которых я мог видеть желтый, синий, и другие цвета… Когда я исследовал более подробно, в глобусе BCD, из-за чего деталь D казалась красной, я обнаружил, что это были лучи солнце, которое, переходя из точки A в точку B, наклоняется при входе в воду в точке B, и перейти к C, где они отражаются в D и снова изгибаются там, как они выходят из воды, переходят к делу ».
Эта цитата иллюстрирует, как объясняется форма радуги. К упростить анализ, рассмотреть путь луча монохроматического света через единственную сферическую каплю дождя.Представьте себе, как свет преломляется, когда он попадает в каплю дождя, то как она отражается внутренним, изогнутым, зеркальная поверхность капли дождя, и, наконец, как она преломляется, когда она выходит из капли. Если затем применить результаты для одной капли дождя к целой коллекции капель дождя в небе, мы можем визуализировать форму лука.
Здесь показана традиционная диаграмма, адаптированная из Хамфрис, Физика воздуха. Он представляет собой путь одного светового луча, падающего на каплю воды из направление SA. Когда луч света попадает на поверхность капли в точке A, он искривлен (преломлен) а мало и ударяется о внутреннюю стенку капли в точке B, где она отражается обратно в C. Когда она выходит из капли, она преломляется (изгибается) снова в направлении СЕ. Угол D представляет собой мера отклонения выходящего луча от его первоначального направления. Декарт рассчитал, что это отклонение для луча красного света составляет около 180 — 42 или 138 градусов.
Нарисованный здесь луч важен, потому что он представляет луч, имеющий наименьший угол отклонения всех падающих на каплю лучей. Это называется Descarte или rainbow ray и большая часть солнечный свет, поскольку он преломляется и отражается через каплю дождя, фокусируется по этому лучу. Таким образом, отраженный свет рассеивается и слабее, за исключением ближнего направление этого луча радуги. Именно такая концентрация лучей около минимального отклонения, которое дает начало дуге радуги.
Солнце так далеко, что мы можем с хорошей точностью предположить, что солнечный свет можно представить в виде набора параллельных лучей, падающих на капля воды и преломление, внутреннее отражение и снова преломление при выходе из капли, как показано на рисунке. Декарт пишет
Я взял ручку и произвел точный расчет путей лучей. которые падают в разные точки водяного шара, чтобы определить, в какие углов, после двух преломлений и одного или двух отражений они придут к глаз, и затем я обнаружил, что после одного отражения и двух преломлений есть гораздо больше лучей , которые можно увидеть под углом от сорока одного до сорока двух градусов, чем под любым меньшим углом; и что там не видны под большим углом » (угол, который он имеет в виду до 180 — D).
Типичная капля дождя имеет сферическую форму, поэтому ее влияние на солнечный свет симметрично относительно оси, проходящей через центр капли и источник свет (в данном случае солнце). Из-за этой симметрии двухмерная иллюстрация фигуры служит нам хорошо, и полная изображение можно визуализировать, вращая двухмерную иллюстрацию вокруг ось симметрии. Симметрия фокусирующего эффекта каждой капли равна так что всякий раз, когда мы видим каплю дождя вдоль линии обзора, определяемой радужный луч , мы увидим яркое пятно отраженного / преломленного Солнечный свет.Обращаясь к рисунку, мы видим, что радужный луч для красный свет составляет угол 42 градуса между направлением падающего света солнечный свет и прямая видимость. Поэтому, пока рассматривается капля дождя вдоль линии обзора, которая составляет этот угол с направлением падения свет, мы увидим просветление. Таким образом, радуга представляет собой круг угловатых радиус 42 градуса с центром в антисолнечной точке, как показано схематически здесь.
Мы не видим полного круга, потому что нам мешает земля.Чем ниже солнце к горизонту, чем больше круг мы видим — прямо на закате, мы увидел бы полный полукруг радуги с вершиной арки 42 градусов над горизонтом. Чем выше солнце в небе, тем меньше арка радуги над горизонтом.
Что делает цвета радуги?
Традиционное описание радуги состоит в том, что она состоит из семи цвета — красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, индиго и фиолетовый.Фактически, радуга — это целый континуум цветов от красного до фиолетового и даже за пределами цветов, которые может видеть глаз.Цвета радуги возникают из два основных факта:
- Солнечный свет состоит из всего диапазона цветов, который может различить глаз. Палитра цветов солнечного света, в сочетании , кажется глазам белыми. Это свойство солнечного света впервые было продемонстрировано сэром Исааком Ньютоном в 1666 году.
- Свет разного цвета преломляется в разной степени при прохождении из одной среды (например, воздуха) в другую (например, воду или стакан).
Ана отличное лабораторное упражнение по математике радуги здесь, и Ф. К. Хван создали прекрасный Java-апплет, иллюстрирующий это преломление, и Найджел Гринвуд написал программу, которая работает в MS Excel, который показывает, как углы меняются в зависимости от солнечного угла.
Что делает двойной радуга?
Иногда мы видим сразу две радуги, в чем причина? Мы следили путь солнечного луча, когда он входит и отражается внутри капля дождя.Но не вся энергия луча ускользает из капли дождя после него. отражается один раз. Часть луча снова отражается и движется по внутри капли, чтобы выйти из капли. Обычно мы видим радугу называется основной радугой и производится одним внутренним отражение; вторичная радуга возникает из двух внутренних отражения и лучи выходят из капли под углом 50 градусов, а чем 42 градуса для красного основного лука.Синий свет появляется на еще больший угол в 53 градуса. его эффект производит вторичную радугу цвета которого перевернуты по сравнению с основным, как показано на рисунок, адаптированный из серии Science Universe Прицел, свет и цвет .Свет может отражаться от капли дождя более двух раз, и можно вычислить, где могут быть видны радуги более высокого порядка; но эти никогда не видны в нормальных обстоятельствах.
Почему небо внутри радуги ярче?
Обратите внимание на контраст между небом внутри дуги и за ее пределами. Когда один изучает преломление солнечного света на капле дождя, обнаруживает, что есть много лучей, выходящих под углами, меньшими, чем угол радуги , но практически отсутствует свет от единичных внутренних отражений под углами больше чем этот луч. Таким образом, в луке много света и очень мало света. за ним. Поскольку этот свет представляет собой смесь всех цветов радуги, он белый.В случае вторичной радуги луч радуги является наименьший угол, и есть много лучей, выходящих под углами больше этого один. Поэтому два лука объединяются, образуя темную область между ними — названный Темным оркестром Александра, в честь Александра Афродизиаса, который обсуждал это около 1800 лет назад!Что такое сверхкомплектные дуги?
На некоторых радугах слабые дуги внутри и около вершины первичного лук можно увидеть.Они называются дополнительными дугами и были объяснены Томасом Янгом в 1804 году как результат интерференции света вдоль определенных лучи внутри капли. Работа Янга оказала глубокое влияние на теории физическая природа света и его исследования радуги были фундаментальными элемент этого. Янг интерпретировал свет как волну каких-то сортировать и что когда два луча рассеиваются в одном направлении в пределах капли дождя, они могут мешать друг другу.В зависимости от того, как скрещиваются лучи вместе, интерференция может быть конструктивной, и в этом случае лучи произвести осветление или разрушить, и в этом случае снижение яркости. Это явление четко описано в Статья Нуссензвейга «Теория радуги», в которой он пишет: «Под углами, очень близкими к углу радуги, два пути через капли различаются лишь незначительно, поэтому два луча конструктивно интерферируют. По мере увеличения угла два луча идут по существенно разным траекториям. длины.Когда разность равна половине длины волны, интерференция полностью разрушительна; при еще больших углах балки усиливают очередной раз. Результат — периодическое изменение интенсивности рассеянных светлая, серия чередующихся ярких и темных полос ».Миколай и Павел Савицки опубликовали несколько красивых фотографии радуг, показывающих эти дуги.
«Чистота» цветов радуги зависит от размера капли дождя.Крупные капли (диаметром несколько миллиметров) дают яркие радуги с четко выраженными цветами; мелкие капли (диаметром около 0,01 мм) создают радугу из перекрывающихся цветов, которые кажутся почти белый. И помните, что все модели, предсказывающие радужную дугу, предполагают сферические формы для капель дождя.
У капель воды под дождем никогда не бывает единого размера но смесь многих размеров и форм. Это приводит к составная радуга. Капли дождя обычно не «вырастают» до радиуса больше примерно 0.5 см без разрыва из-за столкновения с другими каплями дождя, но иногда и с каплями на несколько миллиметров больше в радиусе наблюдались, когда очень мало капель (и так мало столкновений между капли) во время ливня. Билл Ливингстон предлагает: «Если вы достаточно храбры, посмотрите во время грозового дождя на падающие капли. Некоторые могут попасть вам в глаз (или очки), но это не смертельно. Вы действительно увидите, что капли искажены и колеблются.»
Это поверхностное натяжение воды, которое формирует капли дождя. в сферические формы, если на них не действуют другие силы. Но когда капля падает в воздух, «сопротивление» вызывает искажение формы, из-за чего она несколько уплощена. Отклонения от сферической формы были измерены подвешивание капель в воздушном потоке вертикальной аэродинамической трубы (Пруппахер и Бирд, 1970, и Пруппахер и Питтер, 1971). Мелкие капли радиусом менее 140 мкм (0.014 см) остаются сферическими, но по мере увеличения размера капли становится заметным сплющивание. Для капель с радиусом около 0,14 см соотношение высота / ширина составляет 0,85. Это сплющивание увеличивается для более крупных капель.
Сферические капли создают симметричные радуги, но радуги видны, когда солнце находится близко к горизонту, часто наблюдаются быть ярче по бокам, в вертикальной части, чем по их вершина. Алистер Фрейзер объяснил это явление как результат из сложной смеси размеров и формы капель дождя.Отражение и преломление света от сплющенной воды капля не симметричен. Для уплощенной капли немного радуги луч теряется вверху и внизу капли. Следовательно, мы видим лучи от этих уплощенных капель только тогда, когда мы их видим по горизонтали; таким образом, радуга, создаваемая большими каплями, яркая в основании. Вблизи вершины дуги только маленькие сферические капли создают более тусклую радугу.
Как выглядит радуга через темные очки?
Это вопрос с подвохом, потому что ответ зависит от того, очки Polaroid.Когда свет отражается под определенными углами, он становится поляризован (снова довольно хорошо обсуждается в статье Нуссенцвейга), и он Было обнаружено, что угол радуги близок к этому углу отражение, при котором падающий неполяризованный свет (солнечный свет) почти полностью поляризован. Итак, если вы посмотрите на радугу в солнцезащитных очках Polaroid и поверните линзы вокруг линии взгляда, часть радуги будет пропадать!Другие вопросы о Rainbow
Хамфрис (Физика воздуха, стр.478) обсуждает несколько «популярных» вопросов про радугу:- «Какое расстояние до радуги?» Рядом или далеко, в зависимости туда, где капли дождя, простираясь от ближайшего к Самые дальние светящиеся капли по элементам радужного конуса.
- Почему летом радугу так часто можно увидеть, а летом — так редко? зима?» Чтобы увидеть радугу, нужны дождь и солнце. Зимой, капли воды замерзают в ледяных частицах, которые не образуют радугу, а рассеивать свет другими очень интересными узорами.
- «Почему в полдень так редко можно увидеть радугу?» Помните, что центр круг радуги находится напротив солнца, так что он находится как можно ниже уровня наблюдателя, как солнце над ним.
- «Видят ли когда-нибудь два человека одну и ту же радугу?»
Хамфрис отмечает, что «поскольку радуга является особым распределением
цвета (произведенные определенным образом) с привязкой к определенной точке —
взгляд наблюдателя — и поскольку ни одно распределение не может быть таким же
для двух отдельных точек следует, что два наблюдателя не могут и не могут
увидеть ту же радугу.«На самом деле, каждый глаз видит свою радугу !!
Конечно, объектив камеры запишет изображение радуги, которое может тогда будет видно много моих людей! (спасибо Тому и Рэйчел Людовиз за указывая на это!) - «Можно ли увидеть в отражении ту же радугу, что и видно прямо? » На основании аргументов, приведенных в предыдущем вопросе, кланяется подходящие для двух разных точек производятся разными каплями; следовательно, лук, видимый в отражении, отличается от лука, видимого непосредственно ».
Что такое отражательная радуга?
Отраженная радуга определяется как радуга, созданная отражением источник падающего света (обычно солнце). Возможно, их фотографии. самая впечатляющая из радужных фотографий. Отраженная радуга может быть рассматривается как комбинация двух радуг, созданных солнечным светом, исходящим от два разных направления — одно прямо от солнца, другое от отраженное изображение солнца. Углы совсем разные и поэтому соответственно будет иная высота радужных дуг.Это проиллюстрировано на диаграмме, адаптированной из Greenler’s Rainbows, Halos, and Glories . Радуга, созданная солнечный свет, отраженный от воды, находится выше в небе, чем тот производятся прямыми солнечными лучами.Что такое лунная радуга?
Полная луна достаточно яркая, чтобы ее свет преломлялся каплями дождя. так же, как и в случае с солнцем. Лунный свет намного слабее Конечно, лунная радуга не такая яркая, как производится солнечным светом.Лунные радуги были нечасто наблюдается со времен Аристотеля или раньше. Графическое описание одного было написано доктором Миккельсоном.Радуга и Притчи
Есть восхитительная книга Хамфриса под названием Притч о погоде и Парадоксы . В нем он обсуждает метеорологические обоснования некоторые пословицы, связанные с радугой, например: «Ночная радуга, радость пастыря; Радуга утром пастухи внимают предупреждению: «Если будет радуга накануне, Пойдет дождь и уйдет; Но если есть радуга в завтра Он не даст ни взаймы, ни взаймы «, и Радуга наветренной, мерзкой падать день; Радуга с подветренной стороны, сырость убегает.»Метеорологическая дискуссия, которую представляет Хамфрис, подходит для северные умеренные зоны с преобладающим ветром, а также нормальная суточная смена погоды.
Эксперименты
Уильям Ливингстон, солнечный астроном, который также специализировался на атмосферные оптические явления предполагают следующее: «Попробуйте распылить шланг сам. По мере производства сверхштатных материалов для мелкодисперсного распыления до трех штук. стали хорошо видно.»Попробуйте оценить размер этих капель по сравнению с капля дождя. … «Еще одна вещь, которую стоит попробовать. Посмотрите на каплю воды на листе крупный план — в дюйме от глаза. Под углом радуги вы можете поймай красивый цвет! »В превосходной книге Миннарта Свет и цвет на открытом воздухе вы можете найти ряд экспериментов по изучению природы радуги. Здесь является иллюстрацией одного из его предложений. Другие демонстрационные проекты перечислены здесь.
Мэг Бил, будучи семиклассницей, подготовила проект научной ярмарки, который проиллюстрировал природу радуги. Семья Бил предоставила фотография (1 МБ) ее превосходной демонстрации.
Для желающих продемонстрировать природу радуги в класс, вот примеры.
Информативный учебник по оптике можно найти здесь.
Я в долгу перед Уильямом К. Ливингстоном, астрономом из Национальная оптика Астрономическая обсерватория в Тусоне, штат Аризона, для его экспертная помощь в подготовке этой статьи, а также Сету Шарплесу за его критическое прочтение рукописи.Чарльз А. Найт, эксперт по дождю в Национальном центре для Атмосферная физика предоставила ценные советы по интересным вопросам. свойства капель дождя.
Список литературы
- Аренс К. Дональд, Meteorology Today West Publishing House ISBN 0-314-80905-8
- Борен, Крейг Ф. Облака в стакане пива Cp. 21,22 Стивен ISBN издателя Киппура 0-471-62482-9
- Бойер, Карл, Б. Радуга от мифа к математике , Princeton University Press 1959 ISBN 0-691-08457-2 и 02405-7 (pbk) Dover
- CoVis, 1995: Свет и оптика
- Descarte, René, 1637, Discours de la Méthode Pour Bien Conduire Sa Raison et Chercher la Vérité dans les Наук (второе приложение) La Dioptrique
- Фрейзер, Алистер Б., 1972, «Неоднородности в цвете». и интенсивность радуги «, Журнал атмосферных наук , 29, 211.
- Гринлер, Роберт, Радуга, ореолы и слава, Cambridge University Press 1980 ISBN 0 521 2305 3 и 38865 1 (pbk)
- Хамфрис, У. Дж., Физика воздуха, McGraw-Hill Book Co. 1929 г.
- Humphreys, W. J., Weather Proverbs and Paradoxes, Williams and Wilkins Company 1923
- Джонсон, Джон К., Physical Meteorology, MIT Press 1954 LCC 54-7836
- Ли, Раймонд Л. Радужный мост
- Линч, Дэвид К. и Ливингстон, Уильям, Цвет и свет в природе Издательство Кембриджского университета, 1995 г.
- Линч, Дэвид К. и Шварц, Птолемей, «Радуга и туман» Прикладная оптика 30, 3415, 1991
- Magie, W.F. ed, A Source Book in Physics 1935 г.
- Minnaert, M., Природа света и цвета на открытом воздухе, Dover 1954 г.
- Nussenzveig, H.Мойзес, «Теория радуги», Scientific American 236, 116, 1977
- Planz, Брайан, 1995 Радуга
- Pruppacher, H.R. и Beard, K.V., 1970, Quart. Дж. Роял Метеор. Soc. 96, 247
- Пруппахер, Х. Р. и Клетт, Дж. Д. 1978, Микрофизика Облака и осадки , издательство Reidel Publishing Company
- Pruppacher, H. R. и Pitter, R. L., 1971, Atmos. Sci. 28, 86
- Science Universe Series (David Jollands, ed ) Взгляд, свет и цвет Arco Publishing Inc.1984 ISBN 0-668-06177-4
- Strom, Karon; 1994 Радуга
- ван Бек, J.P.A.J., 1997, Радужные явления: развитие лазерный, ненавязчивый метод измерения размера капель, температура и скорость CIP-Data Library Technische Universiteit Эйндховен (ISBN 90-386-0557-9)
- Виклин, Ф. Дж. И Эдельман, П. Круги света Математика радуги
- Борен, Крейг Ф. Облака в стакане пива Cp. 21,22 Стивен ISBN издателя Киппура 0-471-62482-9
О физике радуги, Федерика Вольпи
Радуга
Радуга — один из самых известных оптических эффектов, связанных с погодой, и один из самых великолепных шедевров природы.Радуга — превосходная демонстрация рассеивания света и свидетельство того, что видимый свет состоит из спектра длин волн, каждая из которых связана с определенным цветом.
Радуга возникает в результате преломления солнечного света падающими каплями воды и отражения света от задней части капли.
Радуги встречаются гораздо реже, чем можно было подумать. Например, в любом месте дождливой Англии в год бывает меньше десяти ярких. Это связано с тем, что радуга возникает только тогда, когда есть солнце или самогон вместе с дождем в направлении радуги.Когда вы видите радугу, Солнце всегда находится позади, а центр дуги окружности радуги находится в направлении, противоположном направлению Солнца. Дождь идет в сторону радуги.
Капли дождя никогда не бывают объектами в форме слезы, любимыми иллюстраторами. Капли дождя диаметром менее 2 мм удерживаются сферическими силами поверхностного натяжения. Более крупные капли иногда сглаживаются сопротивлением воздуха при падении, и они могут даже колебаться или раскачиваться; даже небольшие отклонения от сферичности разрушают радугу или, возможно, вызывают какие-то странные эффекты.
Если Солнце не освещает капли дождя, не будет радуги. Кроме того, когда Солнце находится слишком высоко в небе (выше примерно 42 градусов), радуга находится ниже горизонта, и мы, вероятно, ее не увидим.
Первичная радуга
Наиболее часто встречающаяся радуга, образованная световыми лучами, которые подвергаются единственному внутреннему отражению в капле воды, называется первичной радугой.
Его цвета производятся двумя преломлениями, когда лучи входят и уходят.Лучи отклоняются обратно к падающему солнечному свету, образуя дугу, появляющуюся напротив Солнца.
Лучи, расположенные близко к центру падения, отклоняются назад на 180 градусов. Лучи, расположенные дальше от центра, отклоняются все меньше и меньше, пока отклонение не достигнет минимума (около 137,5 ° для темно-красного света). Это «угол минимального отклонения» или «угол радуги». Отклонение увеличивается еще раз по мере приближения входного луча к краю капли.
Лучи сильно группируются вокруг угла радуги, и поэтому луч наиболее яркий под этим углом.Лучи около радуги образуют яркую внешнюю кромку лука.
Красный свет преломляется меньше, чем синий, и его минимальный угол отклонения меньше. Таким образом, красный цвет находится на внешней стороне основного лука.
Отклонения обычно измеряются от направления падающего солнечного света. Угол отклонения красных лучей, образующих край основной дуги, составляет около 137,5 °. Центр радуги находится прямо напротив Солнца (угол отклонения 180º). Следовательно, радиус красного края первичной обмотки составляет 180 ° -137.5 ° = 42,5º
Первичная радуга образуется между 38,72 ° и 42,86 °. с антисолнечной точки.
Рано утром и поздно вечером — лучшее время, чтобы увидеть радугу, потому что Солнце не должно быть слишком высоко. Радуги всегда противоположны Солнцу, а их центры находятся ниже горизонта в антисолнечной точке. Мы не видим полного круга, потому что Земля нам мешает. Чем ниже Солнце к горизонту, тем большую часть круга мы видим. На восходе или заходе солнца центр радуги, антисолнечная точка, находится на горизонте.Радуга — это половина неба, полукруг. Когда солнце встает, центр лука опускается. В конце концов, когда Солнце находится на высоте 42º, над горизонтом видна только кончик лука.
Все капли дождя, образующие радугу, лежат на конусе, вершина которого находится у глаза наблюдателя. Итак, когда вы смотрите на радугу, вы смотрите на собранный свет от множества капель дождя, которые на мгновение вместе создают «цветной конус» с вершиной у вашего глаза.
Расстояние каждой конкретной капли от глаз наблюдателя не имеет значения; все капли на поверхности конуса рассеивают световые лучи обратно к глазам наблюдателя, поэтому радуга не находится в каком-то определенном месте на небе.
Если вы двигаетесь влево или вправо, вы видите новые капли дождя и, следовательно, новую радугу. Если вы любуетесь радугой с другом, вы оба видите разные радуги. Радуга разная для разных наблюдателей: это означает, что каждый наблюдатель получает рассеянный свет от разных наборов капель дождя, и поэтому, хотя разные наблюдатели видят радугу, это не одна и та же радуга.
Дополнительный лук
Свет может отражаться от капли дождя более одного раза.Лучи, выходящие после двух отражений, образуют вторичный лук. Лучи выходят из обрыва под углом 50 градусов, а не под углом 42 градуса для красного основного лука. Синий свет появляется под еще большим углом — 53 градуса: этот эффект дает вторичную радугу, цвета которой перевернуты по сравнению с первичной. Вторичный имеет 43% общей яркости первичного, но его поверхностная яркость ниже, чем это, потому что его свет распространяется по большей угловой протяженности. Первичный и вторичный являются концентрическими, разделяя антисолнечную точку на центр.
Радуга — это не просто набор цветных колец. Небо внутри яркое, потому что капли дождя также направляют туда свет. Первичный лук представляет собой сияющий диск, очень сильно светящийся к краю.
Световые лучи, однократно отражающиеся в каплях дождя, образуют первичную радугу или украшают небо внутри нее. Лучи, отраженные дважды, отклоняются, чтобы сформировать вторичный лук или сделать небо снаружи ярче.
Итак, область между основной и дополнительной луками заметно темнее, чем окружающее небо.Названный «темным поясом Александра», он назван в честь греческого мудреца Александра Афродисиаса, который описал его в своих хрониках в начале 3-го века. Эта геометрическая полоса представляет собой область, лишенную лучей, прошедших через капли воды. Свет, отраженный от поверхности капель, может достигать этой полосы, но эти лучи относительно слабые. В случае спектра капли росы зона Александра действительно будет казаться очень темной, потому что нет конкурирующих источников рассеянного света под этим углом, за исключением отражения от поверхности.
Нештатные луки
Посмотрите немного внутрь яркого основного лука, и иногда вы увидите одну или несколько преимущественно зеленых, розовых и пурпурных полос: их называют «лишними луками».
Они возникают, когда капли дождя, ответственные за основную радугу, маленькие и очень однородные по размеру, а их количество и интервалы могут меняться от минуты к минуте.
Первое объяснение сверхштатных луков было дано Томасом Янгом в 1804 году: они указывают на ограничения геометрической оптики, поскольку она совершенно не в состоянии их объяснить.
Чрезмерные луки — следствие волновой природы света. Полосы возникают из-за явления, называемого световыми помехами. Интерференция возникает всякий раз, когда волны какого-либо вида в среде взаимодействуют друг с другом. В некоторых местах волны усиливают друг друга, а в других местах гаснут друг друга. Здесь волны — это световые волны, а среда — воздух. Несколько иные пути прохождения лучей через каплю дождя дают немного разные длины пути и немного большие углы выхода.В результате возникает конструктивная и деструктивная интерференция каждого цвета в спектре в зависимости от угла выхода луча, и набор луков становится видимым внутри первичной радуги. Обычно размеры дождевых капель немного различаются, а лишнее количество вообще смывается. Цвета почти всегда размываются, и дужки показывают много зеленого и красного в них, а не других цветов в спектре.
Лунная радуга
Луна в равной степени способна производить радугу, поскольку все, что требуется для ее создания, — это масса капель воды и источник света.
Полная Луна достаточно яркая, чтобы ее свет преломлялся каплями дождя, как и в случае с Солнцем.
Однако лунная радуга обычно настолько тусклая, что вы не видите цветов, поскольку мы, люди, видим цвета только при достаточно ярком свете.
Что вызывает радугу? | NOAA SciJinks — Все о погоде
Краткий ответ:
Радуга вызвана солнечным светом и атмосферными условиями. Свет проникает в каплю воды, замедляясь и изгибаясь при переходе от воздуха к более плотной воде.Свет отражается от внутренней части капли, разделяясь на составляющие ее длины волн или цвета. Когда свет выходит из капли, образуется радуга.
Если вы вообще не имели представления о том, что такое радуга и что ее вызывает, вы могли бы поверить некоторым легендам, созданным различными древними культурами для ее объяснения. Радуга — одно из самых красивых проявлений природы.
Радуга в Суурой, Фарерские острова. Фото Эрика Кристенсена.
На самом деле радуга — это не «вещь», и ее не существует в определенном «месте». Это оптическое явление, которое возникает, когда солнечный свет и атмосферные условия подходят для этого, а зритель находится в правильном положении, чтобы его увидеть.
Когда можно увидеть радугу?
Радуга требует, чтобы в воздухе плавали капли воды. Вот почему мы видим их сразу после дождя. Чтобы появилась радуга, Солнце должно быть позади вас, а облака рассеяны от Солнца.
Почему радуга — это лук или дуга?
Полная радуга на самом деле представляет собой полный круг, но с земли мы видим только его часть.С самолета в подходящих условиях можно увидеть всю круглую радугу.
С летящего самолета вы можете увидеть радугу, образуя полный круг. Кредит: NOAA.
Что происходит с каплями воды?
Солнечный свет падает на каплю воды. Когда свет проходит в каплю, свет немного изгибается или преломляется, потому что в воде свет распространяется медленнее, чем в воздухе (потому что вода более плотная). Затем свет отражается от задней части капли воды и возвращается туда, откуда пришел, снова изгибаясь, когда он ускоряется, когда выходит из капли.
Свет входит в каплю воды, изгибаясь, немного замедляясь, переходя от воздуха к более плотной воде. Свет отражается от внутренней части капли, разделяясь на составляющие ее длины волн или цвета. Когда он выходит из капли, он образует радугу.
Почему цвета?
Солнечный свет состоит из света разных длин волн или цветов. Некоторые из этих длин волн изгибаются больше, чем другие, когда свет попадает в каплю воды. Фиолетовый (самая короткая длина волны видимого света) изгибается сильнее всего, красный (самая длинная длина волны видимого света) изгибается меньше всего.Поэтому, когда свет выходит из капли воды, он разделяется на все длины волн. Свет, отражающийся к вам, наблюдатель с солнечным светом, исходящим от вас, из капель воды будет казаться разделенным на все цвета радуги! Фиолетовый будет внизу, а красный — вверху.
Что делает двойную радугу?
Вторичная радуга появляется, если солнечный свет дважды отражается внутри водяных капель. Вторичные радуги более тусклые, и порядок цветов меняется на обратный, с красным внизу.Предоставлено: Леонардо Вайс через Wikimedia Commons.
Иногда можно увидеть другую, более тусклую вторичную радугу над основной. Первичная радуга возникает из-за одного отражения внутри капли воды. Вторичная радуга вызвана вторым отражением внутри капли, и этот «переотраженный» свет выходит из капли под другим углом (50 ° вместо 42 ° для красной основной дуги). Вот почему вторичная радуга появляется над первичной радугой. У вторичной радуги также будет обратный порядок цветов: красный внизу и фиолетовый вверху.
Создайте свою собственную радугу — Scientific American
Ключевые концепции
Физика
Длина волны
Преломление
Отражение
Введение
Знаете ли вы, что в США принято считать семь цветов радуги, тогда как в других странах мира люди считают только пять? Мы все видим одни и те же радуги, но бывает сложно подсчитать цвета, потому что все они так легко сочетаются друг с другом.Поэтому в следующий раз, когда вы увидите в небе радугу, попробуйте посчитать, сколько различных цветов вы видите!
Если вы не хотите ждать так долго, вы можете сосчитать цвета мини-радуги, которую создаете сами в этом упражнении! С его помощью мы можем изучить физику света, который создает эти красивые «дождливые арки».
Фон
Помимо того, что радуга прекрасна, она служит прекрасным примером дисперсии видимого света и его спектра длин волн.Видимый свет распространяется в форме волны, во многом подобно звуку и океанским волнам. Подобно тому, как мы слышим разные звуки в зависимости от их длины волны, мы видим разные длины волн света как спектр цветов от красного до синего, и именно так мы можем извлечь желтое мармелад из миски, полной разноцветных конфет. Цвета спектра видимого света часто называют ROYGBIV, что означает: красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, индиго и фиолетовый. Это порядок длин волн видимого света, начиная с красного (самый длинный) и заканчивая фиолетовым (самый короткий).Это также порядок, в котором цвета появляются в радуге!
Радуга появляется, когда солнечный свет проникает сквозь водяные капли, взвешенные в атмосфере. Каждая капля воды ведет себя как маленькая призма, преломляя свет и отражая его обратно в наши глаза. Когда солнечный свет попадает в каплю воды, он сначала преломляется (изгибается, когда входит в каплю воды), затем отражается внутренней поверхностью капли воды, так что она поворачивается (очень приблизительно) под углом 90 градусов, а затем снова преломляется, когда он оставляет каплю воды и снова входит в воздух.Это много подпрыгивания!
Преломление света — это термин, обозначающий изгиб света при попадании в разные среды. Вы можете воочию наблюдать преломление света, наполнив прозрачный стакан водой и затем посмотрев через него. Все, что находится по ту сторону стекла, выглядит немного деформированным. Это происходит из-за искривления света, когда он попадает в дальнюю сторону стекла, проходит через воду, а затем через другую сторону стекла, прежде чем достигнет ваших глаз.
Световые волны разных длин изгибаются по-разному. Более короткие (например, синие и фиолетовые) изгибаются немного больше, чем более длинные волны (например, красный и оранжевый). Когда белый свет (который содержит все цвета света) входит в каплю воды, а затем снова выходит из нее, каждая длина волны света преломляется под немного другим углом. В результате белый свет разбивается на составные части, и мы можем видеть все цвета в виде красивой радуги!
Материалы
- Мелкий стеклянный противень
- Вода
- Лист белой бумаги
- Красный лист бумаги
- Синий лист бумаги
- Солнечный свет
- Садовый стол, стул или помощник, чтобы держать посуду для вас
Препарат
- Наполните кастрюлю водой примерно наполовину.
- Выньте кастрюлю наружу и поставьте ее на стол так, чтобы один конец выступал за край стола. Будьте осторожны, не дайте сковороде опрокинуться! Вы можете использовать другую кастрюлю или своего помощника, чтобы закрепить кастрюлю на месте.
Процедура
- Положите белую бумагу на землю, где солнце светит сквозь сковороду. Что вы замечаете в появлении воды на бумаге? Вы видите какие-нибудь цвета?
- Медленно меняйте угол наклона листа, пока не образуется маленькая радуга.Проверяйте угол наклона бумаги, пока не получите максимально возможную радугу. Какое положение бумаги лучше всего подходит для радуги? В каком положении труднее всего увидеть радугу? Какие цвета самые яркие в радуге? Какие из них труднее всего увидеть?
- Обратите внимание на порядок цветов на бумаге. Какого цвета внизу радуга? Какой цвет вверху?
- Держа белую бумагу, чтобы видеть радугу, аккуратно положите синюю бумагу поверх белой. Что вы заметили в радуге на синем листе? Становится легче видеть или труднее?
- Переключайтесь между белыми и синими листами и обратите внимание, как меняется радуга. Какие цвета легче всего увидеть на синей бумаге? Что труднее увидеть? Какие цвета легче всего увидеть на белой бумаге? Что труднее увидеть? Проверьте каждый лист и отметьте, легче ли разглядеть цвета наверху радуги или внизу.
- Удалите синюю бумагу, но оставьте белую на месте, чтобы вы все еще могли видеть свою радугу. Осторожно поместите красную бумагу поверх белой. Что вы заметили в радуге на красном листе? Становится легче видеть или труднее?
- Переключайтесь между белыми и красными листами и обратите внимание, как меняется радуга. Какие цвета легче всего увидеть на красной бумаге? Какие цвета труднее увидеть? Какие цвета легче всего увидеть на белой бумаге? Что сложнее? Проверьте каждую бумагу и отметьте, легче ли разглядеть цвета вверху или внизу радуги.
- Extra: Используйте цветные карандаши, мелки или фломастеры, чтобы раскрасить радугу, которую вы видите на своих белых, синих и красных листах бумаги. Используйте буфер обмена, чтобы держать бумагу устойчиво и заполнить цвета радуги, которые вы видите на каждом листе. Сравните цвета, которые вы рисуете!
Наблюдения и результаты
В этом упражнении вы создали свою собственную мини-радугу. Хотя ваша была намного меньше тех, что вы видите в небе, обе радуги созданы по одним и тем же принципам: отражение и преломление света.
Мы знаем, что преломление относится к тому, как свет изгибается, когда проходит через различные среды или материалы, такие как стекло, вода или пластик. Когда солнечный свет проникает сквозь воду в вашей стеклянной кастрюле, свет изгибается. Поскольку белый свет (например, солнечный свет) состоит из всех видимых цветов, это означает, что все они искривляются. Поскольку эти разные цвета света имеют разные длины волн, они изгибаются под немного разными углами. Вода эффективно разделяет белый свет на компоненты разного цвета.Этот свет достигает вашей бумаги, и вы видите, как отражаются все разные цвета.
Вы должны были заметить, что свет, который вы наблюдали в своей радуге, менялся в зависимости от цвета вашего картона. Обратите внимание, что наблюдаемые вами изменения зависят от оттенка синей и красной бумаги, которую вы использовали. Если вы нашли результаты, которые немного отличаются от этих, ничего страшного! Попробуйте протестировать бумагу других цветов, чтобы увидеть, какие еще результаты вы найдете.
На белом листе бумаги вы должны были четко видеть все цвета.Это потому, что белая бумага отражает белый свет, а, как мы знаем, белый свет состоит из всего спектра видимого света. Таким образом, в вашей радуге можно увидеть все цвета. Когда вы использовали синюю бумагу, вы могли заметить, что некоторые цвета выглядят немного более четкими. Если вам было легче увидеть радугу на синей бумаге, это могло быть связано с тем, что вы не видели столько отражения воды на синем листе, как на белом. Отражение воды на белой бумаге может затруднить четкое отображение радуги.Вместо того, чтобы отражать весь свет, как это делает белая бумага, синяя бумага поглощает одни цвета и отражает другие. Как правило, синий краситель на бумаге поглощает красный свет, позволяя отразить часть зеленого и всего синего света. Поскольку многие видимые цвета радуги состоят из некоторого зеленого и синего света (включая некоторые оттенки желтого и розового, в которых есть зеленый и синий свет), цвета радуги, которые вы видите на синей бумаге, могли быть похожи на те, что вы заметили на белой бумаге.
Однако, когда вы использовали красную бумагу, вы могли увидеть совершенно другую радугу. Красный краситель на красном листе поглощает синий и зеленый свет и отражает только красный свет. Поскольку зеленый и синий составляют большую часть видимой радуги, удаление этих цветов оставляет нам довольно мягкий вариант. Вы, вероятно, не могли бы увидеть много цветов, кроме оранжевого и красного в самом низу вашей радуги.
Больше для изучения
Смешивание света для создания цветов, от приятелей науки
Яркие тени: уроки света и цвета, от приятелей науки
Наука о растворах: хроматография цветных конфет, от Scientific American
Научная деятельность для всех возрастов !, от Science Buddies
Это мероприятие предоставлено вам в сотрудничестве с Science Buddies
Радуга и призмы — Физика колледжа, главы 1-17
Дисперсия: радуга и призмы
- Объясните явление рассеивания и обсудите его преимущества и недостатки.
Все наслаждаются зрелищем радуги, мерцающей на фоне темного грозового неба. Как солнечный свет, падающий на прозрачные капли дождя, превращается в радугу цветов, которые мы видим? Тот же самый процесс заставляет белый свет разделяться на цвета прозрачной стеклянной призмой или бриллиантом. (См. [Ссылку].)
Цвета радуги (а) и цветов, создаваемых призмой (b), идентичны. (Источник: Alfredo55, Wikimedia Commons; НАСА)Мы видим в радуге около шести цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий и фиолетовый; иногда также упоминается индиго.Эти цвета связаны с разными длинами волн света, как показано в [ссылка]. Когда наш глаз получает свет чистой длины волны, мы склонны видеть только один из шести цветов, в зависимости от длины волны. Тысячи других оттенков, которые мы можем ощутить в других ситуациях, — это реакция нашего глаза на различные комбинации длин волн. В частности, белый свет представляет собой довольно однородную смесь всех видимых длин волн. Солнечный свет, который считается белым, на самом деле кажется немного желтоватым из-за смеси длин волн, но он содержит все видимые длины волн.Последовательность цветов в радугах такая же, как и цветовая диаграмма в зависимости от длины волны в [ссылка]. Это означает, что белый свет распространяется в соответствии с длиной волны радуги. Дисперсия определяется как распространение белого света на полный спектр длин волн. С технической точки зрения, дисперсия возникает всякий раз, когда происходит процесс, который изменяет направление света в зависимости от длины волны. Дисперсия, как общее явление, может происходить для любого типа волны и всегда связана с процессами, зависящими от длины волны.
Дисперсия
Дисперсия определяется как распространение белого света по всему спектру длин волн.
Несмотря на то, что радуга связана с семью цветами, она представляет собой непрерывное распределение цветов в соответствии с длинами волн.Refraction отвечает за рассеивание в радугах и во многих других ситуациях. Угол преломления зависит от показателя преломления, как мы видели в Законе преломления. Мы знаем, что показатель преломления nn размером 12 {n} {} зависит от среды.Но для данной среды размер nn 12 {n} {} также зависит от длины волны. (См. [Ссылку]. Обратите внимание, что для данной среды размер nn 12 {n} {} увеличивается с уменьшением длины волны и является наибольшим для фиолетового света. Таким образом, фиолетовый свет изгибается больше, чем красный, как показано для призмы в [ link] (b), и свет рассеивается в той же последовательности длин волн, что и в [link] и [link].
Установление соединений: рассеяние
Волны любого типа могут иметь дисперсию. Звуковые волны, все типы электромагнитных волн и волны воды могут быть распределены в зависимости от длины волны.Дисперсия возникает всякий раз, когда скорость распространения зависит от длины волны, таким образом разделяя и распространяя различные длины волн. Рассеивание может потребовать особых обстоятельств и может привести к впечатляющим показам, например, к созданию радуги. Это также верно для звука, поскольку все частоты обычно перемещаются с одинаковой скоростью. Если вы слушаете звук через длинную трубку, такую как шланг пылесоса, вы легко можете услышать, как он рассеивается при взаимодействии с трубкой. Фактически, дисперсия может многое рассказать о том, с чем столкнулась волна, которая рассеяла ее длины волн.Например, рассеяние электромагнитного излучения из космоса многое раскрыло о том, что существует между звездами — так называемом пустом пространстве.
| Средний | Красный (660 нм) | Оранжевый (610 нм) | Желтый (580 нм) | Зеленый (550 нм) | Синий (470 нм) | Фиолетовый (410 нм) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Вода | 1.331 | 1,332 | 1,333 | 1,335 | 1,338 | 1,342 |
| Алмаз | 2,410 | 2,415 | 2,417 | 2.426 | 2.444 | 2.458 |
| Стекло, корона | 1,512 | 1,514 | 1,518 | 1,519 | 1,524 | 1,530 |
| Стекло, кремень | 1.662 | 1,665 | 1.667 | 1.674 | 1,684 | 1.698 |
| полистирол | 1.488 | 1,490 | 1.492 | 1.493 | 1,499 | 1,506 |
| Кварц плавленый | 1.455 | 1.456 | 1.458 | 1.459 | 1.462 | 1,468 |
Радуга получается сочетанием преломления и отражения. Возможно, вы заметили, что видите радугу, только когда отводите взгляд от солнца. Свет входит в каплю воды и отражается от обратной стороны капли, как показано в [ссылка]. Свет преломляется как при входе, так и при выходе из капли.Поскольку показатель преломления воды зависит от длины волны, свет рассеивается, и наблюдается радуга, как показано на [ссылка] (а). (Нет дисперсии, вызванной отражением от задней поверхности, поскольку закон отражения не зависит от длины волны.) Фактическая радуга цветов, видимая наблюдателем, зависит от множества лучей, преломляемых и отражающихся в глаза наблюдателя от множества капли воды. Эффект наиболее впечатляющий, когда фон темный, как в штормовую погоду, но также может наблюдаться у водопадов и поливочных машин для газонов.Дуга радуги возникает из-за необходимости смотреть под определенным углом относительно направления солнца, как показано в [ссылка] (b). (Если в капле воды есть два отражения света, образуется еще одна «вторичная» радуга. Это редкое событие создает дугу, которая находится над основной радужной дугой — см. [Ссылка] (c).)
Радуга
Радуга получается сочетанием преломления и отражения.
Часть света, падающего на эту каплю воды, входит и отражается от обратной стороны капли.Этот свет преломляется и рассеивается как при входе, так и при выходе из капли.(а) Разные цвета появляются в разных направлениях, поэтому вы должны смотреть в разные места, чтобы увидеть разные цвета радуги. (b) Дуга радуги возникает из-за того, что линия между наблюдателем и любой точкой дуги должна составлять правильный угол с параллельными лучами солнечного света, чтобы принимать преломленные лучи. (c) Двойная радуга. (Источник: Николас, Wikimedia Commons)
Дисперсия может давать красивые радуги, но может вызывать проблемы в оптических системах.Белый свет, используемый для передачи сообщений в оптоволокне, рассеивается, распространяется во времени и в конечном итоге перекрывается с другими сообщениями. Поскольку лазер излучает почти чистую длину волны, его свет имеет небольшую дисперсию, что является преимуществом по сравнению с белым светом для передачи информации. Напротив, дисперсия электромагнитных волн, приходящих к нам из космоса, может использоваться для определения количества вещества, через которое они проходят. Как и многие другие явления, дисперсия может быть полезной или неприятной, в зависимости от ситуации и наших человеческих целей.
Исследования PhET: геометрическая оптика
Как линза формирует изображение? Посмотрите, как световые лучи преломляются линзой. Посмотрите, как меняется изображение, когда вы регулируете фокусное расстояние объектива, перемещаете объект, перемещаете объектив или перемещаете экран.
Геометрическая оптика- Распространение белого света на полный спектр длин волн называется дисперсией.
- Радуга создается комбинацией преломления и отражения и включает рассеивание солнечного света в непрерывное распределение цветов.
- Дисперсия дает прекрасные радуги, но также вызывает проблемы в некоторых оптических системах.
(а) Каково отношение скорости красного света к скорости фиолетового света в алмазе на основе [ссылка]? б) Каково это соотношение в полистироле? (c) Какая из них более дисперсная?
Луч белого света выходит из воздуха в воду под углом падения 75,0º75,0º размер 12 {«75» «.» 0 °} {}. Под какими углами преломляются красная (660 нм) и фиолетовая (410 нм) части света?
46.5º, красный; 46,0º, фиолетовый 46,5º, красный; 46.0º, фиолетовый
Насколько различаются критические углы для красного (660 нм) и фиолетового (410 нм) света в алмазе, окруженном воздухом?
(a) Узкий луч света с длинами волн желтого (580 нм) и зеленого (550 нм) цветов проходит от полистирола к воздуху, падая на поверхность размером 30,0–30,0 ° 12 {«30» «». 0 °} {} угол падения. Какой угол между цветами, когда они появляются? (b) Как далеко им придется пройти, чтобы их разделяла 1.00 мм?
(a) 0,043º0,043º размер 12 {0 «.» «043» °} {}
(b) 1,33 м 1,33 м размер 12 {1 «.» «33» »м»} {}
Параллельный луч света, содержащий волны оранжевого (610 нм) и фиолетового (410 нм) длин волн, идет от плавленого кварца к воде, падая на поверхность между ними с размером 60,0 º 60,0 º 12 {«60» «.» 0 °} {} угол падения. Каков угол между двумя цветами в воде?
Луч света 610 нм проходит из воздуха в плавленый кварц под углом падения 55,0º55.0º размер 12 {«55» «.» 0 °} {}. Под каким углом падения свет с длиной волны 470 нм должен входить в бесцветное стекло, чтобы иметь такой же угол преломления?
71,3º71,3º размер 12 {«71» «.» 3 °} {}
Узкий луч света, содержащий красные (660 нм) и синие (470 нм) длины волн, проходит из воздуха через плоский кусок коронного стекла толщиной 1,00 см и снова возвращается в воздух. Луч попадает под 30,0 ° 30,0 ° размером 12 {«30» «.» 0 °} {} угол падения. а) Под каким углом появляются два цвета? б) На каком расстоянии красные и синие отделены друг от друга, когда они появляются?
Узкий луч белого света попадает в призму из коронного стекла под углом 45 °.0º45.0º размер 12 {«45» «.» 0 °} {} угол падения, как показано в [ссылка]. Под какими углами, θRθR и θVθV, красная (660 нм) и фиолетовая (410 нм) компоненты света выходят из призмы?
Эта призма рассеивает белый свет на радужные цвета. Угол падения составляет 45,0º45,0º, а углы выхода красного и фиолетового света составляют θRθR и θVθV размер 12 {q rSub {размер 8 {V}}} {}.53,5º, красный, 53,5º, красный; размер 12 {«53» «.» 5 °, «красный;»} {} 55,2 °, фиолетовый 55,2 °, размер фиолетового 12 {«55» «.»2 °,» фиолетовый «} {}
Глоссарий
- дисперсия
- Распространение белого света на полный спектр длин волн
- радуга
- Рассеивание солнечного света в непрерывное распределение цветов в зависимости от длины волны, вызванное преломлением и отражением солнечного света каплями воды в небе
В «Радужной» Вселенной время может не иметь начала
Что, если бы у Вселенной не было начала, а время тянулось бесконечно назад без большого взрыва, чтобы все началось? Это одно из возможных следствий идеи под названием «радужная гравитация», названной так потому, что она утверждает, что влияние гравитации на пространство-время по-разному ощущается световыми волнами разной длины, то есть разными цветами радуги.
Радужная гравитация была впервые предложена 10 лет назад как возможный шаг к устранению разногласий между теориями общей теории относительности (охватывающей очень большие) и квантовой механикой (касающейся области очень малых). Эта идея не является полной теорией для описания квантовых эффектов гравитации и не получила широкого признания. Тем не менее, физики применили эту концепцию к вопросу о том, как возникла Вселенная, и обнаружили, что если радужная гравитация верна, то у пространства-времени может быть совершенно другая история происхождения, чем у широко распространенной картины Большого взрыва.
Согласно общей теории относительности Эйнштейна, массивные объекты искажают пространство-время, так что все, что движется через него, включая свет, идет по кривой. Стандартная физика говорит, что этот путь не должен зависеть от энергии частиц, движущихся в пространстве-времени, но в радужной гравитации это зависит. «Частицы с разной энергией на самом деле будут видеть разное пространство-время, разные гравитационные поля», — говорит Адель Авад из Центра теоретической физики в городе науки и технологий Зеваил в Египте, который руководил новым исследованием, опубликованным в октябре в журнале Journal of Cosmology. и физика астрономических частиц .Цвет света определяется его частотой, и поскольку разные частоты соответствуют разным энергиям, световые частицы (фотоны) разных цветов будут путешествовать по немного разным путям в пространстве-времени в зависимости от их энергии.
Эффекты обычно будут крошечными, чтобы мы не заметили разницы в большинстве наблюдений звезд, галактик и других космических явлений. Но при экстремальных энергиях, например, в случае частиц, испускаемых звездными взрывами, называемых гамма-всплесками, это изменение может быть обнаружено.В таких ситуациях фотоны с разными длинами волн, испускаемые одним и тем же гамма-всплеском, достигли бы Земли в несколько разное время, пройдя несколько измененный курс через миллиарды световых лет во времени и пространстве. «Пока у нас нет убедительных доказательств того, что это происходит», — говорит Джованни Амелино-Камелия, физик из Римского университета Ла Сапиенца, который исследовал возможность появления таких сигналов. Однако современные обсерватории только сейчас обретают чувствительность, необходимую для измерения этих эффектов, и в ближайшие годы должны улучшиться.
Экстремальные энергии, необходимые для того, чтобы вызвать сильные последствия радужной гравитации, хотя сейчас редки, доминировали в плотной ранней Вселенной и могли означать, что все началось совершенно иначе, чем мы думаем. Авад и его коллеги обнаружили два возможных начала Вселенной, основанные на немного разных интерпретациях разветвлений радужной гравитации. В одном сценарии, если вы проследите время назад, Вселенная станет все плотнее и плотнее, приближаясь к бесконечной плотности, но так и не достигнув ее.На другом изображении Вселенная достигает чрезвычайно высокой, но конечной плотности, если посмотреть назад во времени, а затем на плато. Ни в том, ни в другом случае нет сингулярности — момента времени, когда Вселенная бесконечно плотна, — или, другими словами, большого взрыва. «Конечно, это был интересный результат, потому что в большинстве космологических моделей есть сингулярности», — говорит Авад. Результат предполагает, что, возможно, у Вселенной вообще не было начала, и что время можно отследить бесконечно далеко.
Хотя еще слишком рано знать, могут ли эти сценарии описать правду, они интригуют.«Эта и несколько других статей показывают, что эта идея [радужной гравитации] может занять достойное место в космологии, что меня обнадеживает», — говорит Амелино-Камелия, которая не принимала участия в исследовании, но исследовала основы. за разработку квантовой теории гравитации. «В квантовой гравитации мы находим все больше и больше примеров, когда есть эта особенность, которую вы можете назвать радужной гравитацией. Это то, что становится все более убедительным».
Тем не менее, у этой концепции есть свои критики.«Я не верю, что эта модель имеет какое-либо отношение к реальности», — говорит Сабина Хоссенфельдер из Северного института теоретической физики. Она добавляет, что эта идея — не единственный способ избавиться от сингулярности Большого взрыва. «Проблема не в том, чтобы удалить сингулярность, проблема в том, чтобы согласованным образом модифицировать общую теорию относительности, чтобы можно было воспроизвести все ее достижения, а также Стандартную модель [физики элементарных частиц]».
Ли Смолин из Института теоретической физики Периметра в Онтарио, который первым предложил идею радужной гравитации вместе с Жоао Магуэйджо из Имперского колледжа Лондона, говорит, что, по его мнению, радужная гравитация была отнесена к более широкой идее, называемой относительной локальностью.В соответствии с относительной локальностью наблюдатели в разных местах в пространстве-времени не согласятся, где происходят события — другими словами, местоположение относительно. «Относительная местность — это более глубокий способ понять ту же идею», что и радужная гравитация, — говорит Смолин. Новая статья Авада и его коллег «интересна, — добавляет он, — но прежде чем по-настоящему поверить в результат, я бы хотел переделать ее в рамках относительной локальности. Возникнут проблемы с локальностью в том виде, в котором написано, что авторы могут не знать.«
В ближайшие годы исследователи надеются проанализировать гамма-всплески и другие космические явления на предмет признаков эффектов радужной гравитации.