Главная » Реферат » РџСЂРѕ радугу реферат

« Что такое радуга? » научно – исследовательская работа. Про радугу реферат


Реферат Физика Элементарная теория радуги

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 сказаний связано с радугой у разных народов! В русских летописях ра­дуга 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 пере­мещается 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 достигающих поверхности Земли. Радуга видна в стороне небо­свода, 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, диаметрально противоположная Солнцу,— анти­солярная 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. 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 точку А, его угол паления обозначим i . Преломившись под углом преломления r , луч входит в каплю и доходит до точки В. Часть энергии луча, преломившись, выходит из капли, часть, испытав внутреннее отражение в точке 5, идет внутри капли до точки С. Здесь снова часть энергии луча, преломившись, выходит из капли, а некоторая часть, испытав второе внутреннее отражение, доходит до точки О и т. д. В .принципе луч может испытывать любое число (и), внутренних отражений, а преломлений у каждого луча два — при входе и при выходе из капли. Рис. 1. Ход светового луча в капле при образовании первой и второй радуг. Обозначим Dk угол отклонения любого луча после прохождения им капли. Тогда из рис.1 очевидно, что Dk = 2( i - r) + k (p – 2r), (1) здесь k — число внутренних отражений луча. Параллельный пучок лучей, падающий на каплю, по выходе из капли оказывается сильно расходящимся (рис. 2). Концентрация лучей, а значит, и их интенсивность тем больше, чем ближе они лежат к лучу, испытавшему минимальное отклонение. Путь минимально отклоненного луча обозначен на рисунке пунктиром. Только минимально отклоненный луч и самые близкие к нему лучи обладают достаточной интенсивностью, чтобы образовать радугу. Поэтому этот луч и называют лучом радуги. Рис.2. Преломление пучка световых лучей в капле. Минимальное отклонение луча, испытавшего одно внутреннее отражение (k = 1), по теории Декарта равно: D1 = p +2( i – 2r). (2) Каждый белый луч, преломляясь в капле, разлагается в спектр, и из капли выходит пучок расходящихся цветных лучей. Поскольку у красных лучей показатель преломления меньше, чем у других цветных лучей, то они и будут испытывать минимальное отклонение по сравнению с остальными. Минимальные отклонения крайних цветных лучей видимого спектра красных и фиолетовых оказываются следующими: D1k= 137°30' и D1ф = 139°20'. Остальные цветные лучи займут промежуточные между ними поло­жения. Солнечные лучи, прошедшие через каплю с одним, внутренним отражением, оказываются исходящими от точек неба, расположенных ближе к антисолярной точке, чем к Солнцу. Поэтому, чтобы увидеть эти лучи, надо встать спиной к Солнцу. Расстояния их от антисолярной точки будут равны соответственно: 180° — 137°30' = 42°30' для красных и 180° — 139°20' = 40°40' для фиолетовых. Почему радуга круглая? Дело в том, что более или менее сферическая капля, освещенная параллельным пучком лучей солнечного света, может образовать радугу только в виде круга. Поясним это. Описанный путь в капле с минимальным отклонением по выходе из нее проделывает не только тот луч, за которым мы следили, но также и многие другие лучи, упавшие на каплю под таким же углом. Все эти лучи и образуют радугу, поэтому их называют лучами радуги. Сколько же лучей радуги в пучке света, падающего на каплю? Их много, по существу, они образуют целый цилиндр. Геометрическое место точек их падения на каплю это целая окружность. В результате прохождения через каплю и преломления в ней цилиндр белых лучей преобразуется в серию цветных воронок, вставленных одна в другую, с центром в антисолярной точке, с открытыми раструбами, обращенными к наблюдателю. Наружная воронка красная, в нее вставлена оранжевая, желтая, далее идет зеленая и т. д., кончая внутренней фиолетовой. Таким образом, каждая отдельная капля образует целую радугу! Радуга - „как Солнце в малой капле вод". Так образно и предельно лаконично выразил суть радуги Г. Р. Державин. Конечно, радуга от одной капли слабая, и в природе ее невозможно увидеть отдельно, так как капель в завесе дождя много. В лаборатории же удавалось наблюдать не одну, а несколько радуг, образованных преломлением света в одной подвешенной капельке воды или масла при освещении ее лучом лазера. Подробнее об этом эксперименте рассказано ниже. Радуга, которую мы видим на небосводе, мозаична — она образована мириадами капель. Каждая капля создает серию вложенных одна о другую цветных воронок (или конусов). Но от отдельной капли в радугу попадает только один цветной луч. Глаз наблюдателя является общей точкой, в которой пересекаются цветные лучи от множества капель. Например, все красные лучи, вышедшие из различных капель, но под одним и тем же углом и попавшие в глаз наблюдателю, образуют красную дугу радуги, также и все оранжевые и другие цветные лучи. Поэтому радуга круглая. Два человека, стоящие рядом, видят каждый свою радугу. Если вы идете по дороге и смотрите на радугу, она перемещается вместе с вами, будучи в каждый момент образована преломлением солнечных лучей в новых и новых каплях. Далее, капли дождя падают. Место упавшей капли занимает другая и успевает послать свои цветные лучи в радугу, за ней следующая и т. д. Пока идет дождь, мы видим радугу. Мы пояснили, как образуется первая радуга, наиболее часто наблюдаемая, с ярким внешним красным краем и внутренним фиолетовым. Найдем ширину первой радуги D1, т. е. угловое расстояние от ее красной дуги до фиолетовой с учетом поправки на угловую ширину Солнца, диаметр которого равен 32': D1= 42°30' - 40°40' +32' = 2°22'. Вторая радуга и следующие Если повторить предыдущие рассуждения относительно лучей, испытавших в капле два внутренних отражения, получим следующие минимальные углы отклонения крайних цветных лучей. Для красных D2k= 230°54' и для фиолетовых D2ф = 233°56'. Такие лучи так же, как и испытавшие одно отра­жение внутри капли, лежат ближе к антисолярной точке, чем к Солнцу. Угловые расстояния их от антисолярной точки будут равны: 230°54' — 180° = 50°34' для красных; 233°46' — 180° = 53°56' для фиолетовых. Эти лучи образуют радугу, концентрическую с первой, но с обратным рас­положением цветов. В этой радуге внутренняя дуга красная. Угловая ширина второй радуги D2 = 53°56' — 50"34' = 3°54'. Вторая радуга значительно шире первой и выглядит более слабой. Расчеты для радуг следующих порядков ( k = 3, 4, 5, 6, 7, 8 и т. д.) пока­зали, что 3-я и 4-я радуги располагаются вокруг Солнца, 5-я и 6-я — 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 радугиПоложение на небосводе
1137В°29Вў42В°31Вў

Вокруг антисолярной точки

2129В°54Вў50В°06Вў
342В°53Вў42В°53Вў

Вокруг Солнца

442В°18Вў42В°18Вў
5126В°31Вў53В°29Вў

Вокруг антисолярной точки

6149В°46Вў30В°14Вў
766В°22Вў66В°22Вў

Вокруг Солнца

816В°51Вў16В°51Вў
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 остальные радуги остается слишком мало энергии, менее 1%, поэтому ра­дуги 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 небо­своде, 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 осо­бенностями, было сделано позже, когда была создана общая теория рас­сеяния (дифракции) световых лучей в атмосфере. В частности, стало ясно, что дополнительные дуги возникают вследствие интерференции лучей, ле­жавших 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 дополнитель­ных 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 при­мерно 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 непо­средственно, 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 40°. Для более крупных капель, например радиу­сом 1,0 мм, минимальное отклонение красных лучей составит 149°, а крас­ная 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? Наглядной иллюстрацией взаимодействия обоих факторов и совмест­ного их влияния на вид радуги являются рис. 3 а и б, составленные А. Фразером, на основании расчетов: На этих рисунках показано распреде­ление интенсивности света в основной радуге и дополнительных дугах в зависимости от размера капель. Сложная волнообразная поверхность на переднем плане (рис.3 а) со­ставлена из многих индивидуальных кривых. Каждая кривая дает распре­деление 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 макси­мума между 138° 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 увеличении радиуса капель. Это действие первого фактора. Радуга ста­новится узкой при увеличении размера капель. Верхняя кривая S — это результирующая сложения вкладов капель всех размеров. Она характеризует распределение интенсивности света в оконча­тельной радуге, которую мы видим. 137 138 139 140 141 142 143 144 Угловое расстояние от Солнца 137 138 139 140 141 142 143 144 Угловое расстояние от Солнца Рис. 3. Распределение интенсивности света в основной радуге и дополни­тельных дугах в зависимости от размера капель. а — без учёта сплющивания капель; б — с учетом сплющивания капель. S — суммарная кривая. На рис.3 б показаны те же кривые, но теперь учтено влияние сплю­щивания капель, тем более сильное, чем крупнее капли. Индивидуальные кривые для крупных сплющенных капель смещены в сторону больших минимальных углов отклонения от Солнца (или, что то же, в сторону уменьшения радиусов радуг), и в результате вся волнообразная поверхность оказалась изогнутой вправо (индивидуальные максимумы ушли вправо). Это привело к тому, что на результирующей суммарной кривой появи­лись, помимо основной радуги, еще дополнительные дуги, на угловых рас­стояниях от Солнца: первая —140,5°, вторая —141,3°, третья — 142,4°, чет­вертая—142,5°. Дополнительные дуги видны только вблизи вершины основной радуги, так как они образованы только вертикальными или близкими к ним лучами, прошедшими через эллиптические сечения капель. Расчетами показано, но это можно проследить и по рис.3 б, что допол­нительные, дуги создаются в основном каплями размером от 0,2 до 0,3 мм. Более крупные и более мелкие капли дают максимумы, накладывающиеся друг на друга и слишком далеко отстоящие от основной радуги (они уходят вправо). Радуги капель диаметром 0,2—0,3 мм находятся в преимущест­венном положении, поскольку их максимумы никуда не сместились. Таким образом, можно сделать вывод, что дополнительные дуги видны, если в лив­невом дожде присутствуют в значительном, количестве капли радиусом 0,25 мм и мало более крупных капель, смазывающих картину. Поэтому дополнительные дуги чаще видны и наиболее красочны не в очень интенсив­ных летних ливневых дождях. Они появляются также на фоне завесы из мельчайших капель, образующихся при разбрызгивании воды в поливальных установках. Можно ли видеть целый круг радуги? С поверхности Земли мы можем наблюдать радугу в лучшем случае в виде половины круга, когда Солнце находится на горизонте. При поднятии Солнца радуга уходит под горизонт. Первую радугу можно, видеть при высотах Солнца более 42°, а вторую — более 50°. С самолета, а еще лучше с вертолета (больше обзор) можно наблюдать радугу в виде целого круга! Описание такой круговой радуги (ее и радугой, т. е. дугой, уже неудобно называть!) было помещено в жур­нале „Природа". Ее видели пассажиры самолета, летевшего в районе Новосибирска на высоте 1000 м. Поляризация света радуг. Свет радуги характеризуется необычийно высокой степенью поляризации. В первой радуге она достигает 90%, во второй—около 80%. В этом легко убедиться, если посмотреть на радугу через поляризационную призму Николя. При небольших углах поворота призмы радуга полностью пропадает. Радуга без дождя? Бывают ли радуги без дождя или без полос падения дождя? Оказывается, бывают — в лаборатории. Искусственные радуги создавались в результате преломления света в одной подвешенной капельке дистиллированной воды, воды с сиропом или прозрачного масла. Размеры капель варьировали от 1,5 до 4,5 мм. Тяжелые капли вытягивались под действием силы тяжести, и их сечение в вертикальной плоскости представляло собою эллипс. При освещении капельки лучом гелий- неонового лазера (с длиной волны 0,6328 мкм) появлялись не только первая и вторая радуги, но и необычайно яркие третья и четвертая, с центром вокруг источника света (в данном случае лазера). Иногда удавалось получать даже пятую и шестую радуги. Эти радуги, как первая и вторая, снопа были в стороне, противоположной источнику. Итак, одна капелька создала столько радуг! Правда, эти радуги не были радужными. Все они были одноцветными, красными, так как образо­ваны не белым источником света, а монохроматическим красным лучом. Туманная радуга В природе встречаются белые радуги, о которых говорилось выше. Они появляются при освещении солнечными лучами слабого тумана, состоя­щего из капелек радиусом 0,025 мм или менее. Их называют туманными радугами. Кроме основной радуги в виде блестящей белой дуги с едва заметным желтоватым краем наблюдаются иногда окрашенные дополни­тельные дуги: очень слабая голубая или зеленая дуга, а затем белесовато-красная. Аналогичного вида белую радугу можно увидеть, когда луч прожектора, 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 кап­лями 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 ливневого дождя объясняется низким уровнем освещения ночью, при ко­тором 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.

works.tarefer.ru

« Что такое радуга? » научно – исследовательская работа

Министерство образования и науки РФ

Муниципальное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа № 48

г. Волгограда

II  районный конкурс научно – исследовательских работ

 по гуманитарным, естественным и техническим наукам «Аистёнок»

среди обучающихся начальной школы

«    Что такое радуга?     »

Работа выполнена:

обучающимися 1 «Б» класса

Лопуховой Дарьей, Соколовым Дмитрием,

Агеевым Денисом

                                                                                Научный руководитель:

                                                                                Степанова Елена Юрьевна

                                                                                учитель начальных классов

Волгоград 2012- 2013учебный  год

СОДЕРЖАНИЕ

  1. ВВЕДЕНИЕ………                          ……………………….
  2. ВСТУПИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ ……………………………… 4  
  3. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ         

3

3.1.  Как появляется радуга…………………………………………. 6

3.2.  Можно ли увидеть радугу ночью? …………………………….7

3.3.  Получение радуги в домашних условиях ………………      8                    

В  В  В  В  В 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………… 9

ЛИТЕРАТУРА…………………………………………………10

  1. Введение

Радуга повисла разноцветным коромыслом, Опустив один конец в зеленый океан… М.Рысаков

Каждый человек хотя бы раз в жизни любовался природным чудом – радугой.

Многие, наверное, замечали, что радуга, как правило, появляется после дождя.

Я много раз видел радугу, и всегда это явление приводило меня в восторг. Прошлым  летом мы с родителями гуляли по городу. Погода была солнечная, но вдруг неожиданно начался дождь: теплый, мелко моросящий. Он прекратился также быстро, как и начался, и буквально сразу же мы все увидели в небе радугу.

Мне захотелось узнать – что же такое радуга и как она появляется.

Цель исследования: определить, какая существует связь между дождем, солнцем и появлением радуги, и можно ли получить радугу в домашних условиях.

Объект исследования – природное явление радуга.

Предмет исследования – происхождение радуги.

Задачи исследования:

  1. Изучить литературные источники, интернет-сайты по вопросу возникновения радуги, её изучения.
  2. Узнать, какие народы упоминали радугу в своём фольклоре.
  3. Провести опыты, которые показывают, что такое радуга и как она появляется.
  4. Узнать, можно ли увидеть радугу ночью.

Выдвинутые гипотезы:

  1. Предположим, что радуга появляется только в солнечный день после дождя.
  2. Предположим, что ночью радугу в природе увидеть невозможно.
  3. Предположим, что радугу можно получить, если заменить солнечные лучи искусственным источником света.

Основные методы: изучение литературы, наблюдение, эксперимент.

  1. Вступительная часть

     Радуга — одно из самых красивых явлений природы, и люди уже давно задумывались над ее природой. Ещё Аристотель, древнегреческий философ, пытался объяснить причину радуги. Мы с ребятами класса задались целью выяснить, отчего же бывает радуга, какова её история исследования, какие бывают необычные радуги,  провести свое исследование, узнать как можно больше о радуге.

Актуальность этой темы, по нашему мнению, в том чтобы все узнали, откуда берется это красивое явление природы. Ведь если нарушится хоть одно звено в природе, то мы ни когда не увидим этой красоты. Когда мы видим радугу, то сразу такой всплеск эмоций наступает, хоть это явление не так часто, но в памяти остаётся надолго. Вообще удивительно, казалось бы свет и вода - что тут такого? А получается такая вот красота...

Радуга – это великолепное красочное явление, издавна поражало воображение людей. Глядя на радугу, хочется верить в чудеса и волшебство.

На небе радуга сияет и блестит,Как будто нам по ней проход открыт.Луч многоцветный опустился из небес,В прекрасной радужной пыли сияет лес.

      Листва мерцает, словно изумруд,Отсветы радуги видны и там и тут,Лес в сказку погрузился и затих,Он хочет задержать чудесный миг.

      Наукой всё для нас давно объяснено,Но до конца понять природу не дано.Завидев радугу в небесной синеве,Мечтаем мы, что это символы извне.

      Восторг уносит нас в заоблачный полёт,Быть может, там разгадка чуда ждёт.Нам светит радуга, свежа и хороша,От ярких красок счастьем светятся глаза.

Радуга — атмосферное оптическое и метеорологическое явление, наблюдаемое обычно после дождя или (существенно реже) перед ним. Появление радуги в небе означает, что вскоре наступит хорошая погода и ненастью пришел конец. Её появление для людей означало «радужные» перспективы на будущее.

Люди давно задумывались над природой этого красивейшего явления природы. Человечество связало радугу с множеством поверий и легенд. В древнегреческой мифологии, например, радуга – это дорога между небом и землей, по которой ходила посланница между миром богов и миром людей Ирида.

В Китае считали, что радуга - это небесный дракон, союз Неба и Земли. В славянских мифах и легендах радугу считали волшебным небесным мостом, перекинутым с неба на землю, дорогой, по которой ангелы сходят с небес набирать воду из рек. Славяне полагали, что радуга пьет воду из рек, озер и других водоемов, а потом проливает ее в виде дождя на землю.

  1. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

3.1.Как появляется радуга?

Отчего же появляется такая красивая, да еще цветная картина в воздухе?   Ответ на этот вопрос мы искали в энциклопедиях. Вот, что мы узнали. Увидеть радугу можно, только если солнце и дождевая завеса расположены на противоположных частях неба, а вы стоите спиной к солнцу.  Явление подобное радуге можно наблюдать в брызгах фонтанов, водопадов. Дело в том, что обычный солнечный свет, который мы видим как белый или бесцветный, на самом деле состоит из разных цветов. Это в 1666 году доказал Исаак Ньютон. Когда лучи солнечного света проходят через воздух, мы видим их как белый свет. Но когда на их пути встречается дождевая капля (она по форме близка к призме), и солнечный свет проходит через стеклянную призму или через каплю, составляющие его разноцветные лучи изменяют свое направление, отклоняются на неодинаковые углы - расходятся в виде веера (преломляются). Причем каждый цвет преломляется по-разному - меньше всего отклоняется от своего первоначального направления красный, а больше всего - фиолетовый.  Именно поэтому наружный край дуги обычно красный, а внутренний – фиолетовый. Посередине располагаются остальные цвета - оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий.

Цветные полосы отличаются по яркости, но их последовательность всегда одинакова - у каждого цвета свое строго закрепленное за ним место. Чем крупнее дождевые капли, тем ярче радуга. Если капли мелкие, радуга кажется бледной, еле заметной. Последовательность цветов в радуге легко запомнить, если выучить фразу: «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан». В этой фразе первая буква каждого слова - такая же. как и первая буква названия цвета! Каждый (Красный) Охотник (Оранжевый) Желает (Желтый) Знать (Зеленый), Где (Голубой) Сидит (Синий) Фазан (Фиолетовый).

Чтобы убедиться в том, что белый цвет состоит из семи цветов, мы провели такой опыт. Круг, раскрашенный в семь цветов радуги, прикрепили к волчку и раскрутили. Мы увидели, как разноцветный диск “превратился” в белый.

       Радуга, которая возникает после дождя или в брызгах фонтанов – это первичная радуга. Выше первой в небе возникает вторая, менее яркая дуга. В ней цветные полосы располагаются в обратном порядке. Очень редко, но все-таки случается, когда на небе можно одновременно видеть три радуги.

Когда солнце закрыто легкими облаками, первая радуга кажется иногда совершенно не окрашенной и представляется в виде белесоватой дуги, более светлой, чем фон небосвода. Такую радугу называют белой. Если смотреть на радугу с земли, она будет казаться дугой. Если на радугу посмотреть с высоты, например с самолета, она будет казаться кругом. Чтобы увидеть радугу нужно находиться строго между солнцем (оно должно быть сзади) и дождем (оно должно быть перед вами). Если солнце высоко в небе, радугу увидеть невозможно (т.к. солнце, глаза и центр радуги должны находиться на одной прямой). Поэтому радугу можно видеть чаще всего утром или вечером.

ВЫВОД: радуга появляется в солнечную погоду после дождя, когда солнечные лучи проходят сквозь дождевые капли.

3.2.Можно ли увидеть радугу ночью?

Вы когда-нибудь видели лунную радугу? Оказывается, такое чудо тоже бывает. Об этом мы узнали в сети Интернет. Подобно тому, как радуга после дождя появляется в результате солнечного освещения, лунные радуги появляются из-за освещения Луной. Поскольку Солнце значительно ярче Луны, то солнечные радуги также более яркие и наблюдаются чаще лунных. На приведенной фотографии (Рис.3) изображена лунная радуга над Соленым озером в Сэйнт-Джоне на Вирджинских островах. Слева видны парусные лодки. Так как лунный свет представляет собой отраженный солнечный, то цвета радуги почти совпадают. Как солнечные, так и лунные радуги возникают в результате преломления света на мельчайших капельках воды, которые играют роль миниатюрных призм.

ВЫВОД:  очень редко в природе можно наблюдать лунную радугу.

3.3.Получение радуги в домашних условия

Чтобы доказать, что радугу можно получить в домашних условиях, мы провели несколько опытов.

Опыт первый

Оборудование: прозрачная трехгранная призма.

Мы рассматривали сквозь призму предметы белого цвета, они выглядели цветными. С помощью призмы мы получили изображение радуги на стене.

Для этого мы «поймали» призмой солнечные луч. Таким образом получил радугу в «домашних» условиях И.Ньютон.

Этот опыт легко повторить и с искусственным источником света.

 Опыт второй

Оборудование: мыльный раствор, полая трубка.

Мы надули мыльный пузырь. Повернули его так, чтобы на поверхность падали солнечные лучи. Шар «заиграл» всеми цветами радуги.

Опыт получился у всех. Он очень прост в исполнении.

Опыт третий

Оборудование: таз, до краев наполненный водой; зеркальце, установленное в воде под углом 25°; источник света (солнце или настольная лампа). В солнечный день поставили около окна таз с водой и опустили в него зеркало. Зеркало нуждается в подставке, так как угол между ним и поверхностью воды должен составлять 25°. Зеркальцем «поймали» луч света, в результате преломления луча в воде и его отражения от зеркала на стене или на потолке возникла радуга. Этот опыт можно провести и вечером: тогда источником света выступит настольная лампа. Спектр получится в затемненном помещении. Но при искусственном источнике света радуга получилась не яркой.

Опыт четвертый

Оборудование: тарелка с водой, лак для ногтей, «удочка» для пленки.

Капнули в воду каплю лака. На поверхности воды образовалась тонкая пленка. Ее аккуратно сняли при помощи специального приспособления — «удочки». Пленка лака играет всеми цветами, напоминая крылья стрекозы. Луч белого света, попадая на тонкую пленку, частично отражается от нее, а частично проходит вглубь, отражаясь от ее внутренней поверхности.

Опыт не требует сложного оборудования, в этом его достоинство. Но чтобы увидеть хорошую радугу, нужно, чтобы пленка была довольно большого размера.

Опыт пятый

Оборудование: круглая колба с водой, источник света (диапроектор), экран с отверстием.

Наполненную водой круглую колбу сквозь отверстие в экране освещали параллельным пучком света и наблюдали возникшую на экране цветовую каемку. Главный недостаток этого опыта состоит в том, что он не совсем отражает реальное положение вещей: настоящая радуга получается не от одной капли, а от огромного количества капель. Но при выполнении этого опыта получилась самая яркая полная радуга в виде окружности.

ВЫВОД: радугу можно получить в домашних условиях даже с помощью искусственного источника света.

  1. Заключение:

    При работе над данной темой  мы поняли, что  радуга является одним из самых красивейших явлений природы. Мы узнали много нового о радуге: откуда берётся радуга, какова её история исследования, какие бывают необычные радуги, почерпнул научные сведения о физике радуги. Собирая материал, познакомился с радугой как  с удивительным явлением природы. Мы  провели свое исследование и практически подтвердили свои знания, о том, как появляется радуга.

Используемая литература:

  1. Новая детская энциклопедия, Москва РОСМЕН, 2011г.
  2. Детская энциклопедия «Все обо всем» под ред. А. Ликум.- изд.-во «АСТ» - 1997.
  3. Хочу все знать. Большая иллюстрированная энциклопедия интеллекта, Москва 2008г.
  4. Дитрих А.К., Юрмин Г.А., Кошурникова Р.В. Почемучка. – М.:Педагогика – Пресс, 1993.
  5. http://www.google.ru/imgres?imgurl=http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/e6/Rainbow_at_Ladoga.jpeg/320px-Rainbow_at_Ladoga.jpeg&imgrefurl=http://ruВ 
  6. http://prirodamatushka.ru/?p=1442В 
  7. http://florsita.ru/post127722871/В 

nsportal.ru

Радуга - Физика вокруг нас

Что такое радуга?

Как неожиданно и яркоНа влажной небе синевеВоздушная воздвиглась аркаВ своем минутном торжестве!

Ф.И.Тютчев

Picture Как часто после дождя мы наблюдаем радугу. Это красочное зрелище никого не оставляет равнодушным! Но увидев радугу в брызгах фонтана, а потом и на стене по диагонали от зеркала, я задумалась, что же является причиной её появления, если не дождь и не вода? Обратившись за помощью к учителю, я узнала, что причина радуги – явление дисперсии, узнала, кто его исследовал впервые, поняла, в чём оно заключается.Радуга – одно из красивейших природных явлений, которое редко кого-то оставляет равнодушным. Когда-то люди считали радугу Божьим знамением. И это неудивительно, ведь она появляется буквально из ничего, и также таинственно исчезает.Что же мы знаем о радуге?

Цвета радуги всегда расположены в одном и том же порядке сверху вниз: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий и фиолетовый (помните из детства памятку порядка цветов в радуге – Каждый Охотник Желает Знать Где Сидит Фазан или Как Однажды Жан Звонарь Голубой Сломал Фонарь?). 

Самая яркая полоса – красная. Каждый следующий цвет бледнее предыдущего. Фиолетовый вообще с трудом различим на фоне неба.

Каковы же составные части радуги? Это капельки воды в воздухе, солнечные лучи и наблюдатель, который видит радугу. При этом должен быть соблюден целый ритуал: мало того, чтобы солнце осветило дождь, оно должно находиться низко над горизонтом, а наблюдатель должен стоять между дождем и солнцем – спиной к солнцу, лицом к дождю. В этот момент он и видит радугу. Каким образом это происходит?

Солнечный луч освещает каплю дождя. Проникая внутрь капли, луч слегка преломляется. Как известно, лучи различного цвета преломляются по-разному, то есть внутри капли луч белого цвета распадается на составляющие его цвета. Это явление дисперсии. Пройдя каплю, свет отражается от её стенки, как от зеркала. Отраженные цветные лучи идут в обратном направлении, ещё сильнее преломляясь. Весь радужный спектр покидает каплю с той же стороны, с которой в неё проник солнечный луч.

Свет от солнца проник в каплю со стороны наблюдателя. Теперь этот луч, разложенный в цветной спектр, к нему же и возвращается. Человек видит огромную цветную радугу, раскинувшуюся по всему небу, - свет, преломленный и отраженный миллиардами дождевых капель.

Двойная радуга

Реже можно наблюдать в небе одновременно две радуги. Как правило, вторая радуга хуже различима, иногда еле заметна. Цвета в такой радуге перевёрнуты, то есть сначала идёт фиолетовый цвет. Её появление объясняется повторным отражением световых лучей внутри капли.

Ещё мы можем видеть явление радуги, когда свет преломляется капельками тумана или испарениями с поверхности моря, а в городе – у фонтана.

Опыт

Радугу можно наблюдать и с помощью водяной капли.Посадите каплю воды на палочку или травинку. Встаньте спиной к Солнцу или другому яркому источнику света. Когда лучи света образуют с направлением глаз – капля угол около 42 градусов, прозрачная капля вдруг вспыхнет чрезвычайно чистым по тону цветом!Каким?Любым!Если каплю осторожно перемещать по дуге окружности, можно увидеть все цвета радуги!

Явление дисперсии - разложения белого света в спектр (по цветам радуги) - было открыто и исследовано И. Ньютоном. Это явление говорит о сложном составе белого света.  Я отправилась в Музей Науки Лондона на представление, посвящённое сэру Исааку Ньютону. Окунувшись в атмосферу XVII века, «побывав» в воссозданной (пусть даже на сцене) лаборатории учёного, я почувствовала себя естествоиспытателем.Загляните и вы в Музей науки, узнайте больше об открытиях, сделанных Ньютоном, перейдя по ниже расположенным ссылкам.

Picture Picture

Задача

Некто утверждает, что в полдень 22 июня видел радугу на небе. Возможно ли это?

Ответ: оказывается, радуга видна лишь тогда, когда высота солнца над горизонтом не превышает 42 градусов. 22 июня в полдень солнце стоит на небе выше, и нет возможности увидеть радугу.Посмотрим опыт,  объясняющий явление дисперсии и сложный состав белого света.

Волновые свойства света. Дисперсия.

Интересный факт

С поверхности земли радуга выглядит обычно как часть окружности, а с самолета она может представлять собой и целую окружность!

Интересные оптические физическия явления: http://class-fizika.narod.ru/w25.htmВы можете познакомиться с некоторыми оптическими явлениями, перейдя по ссылке на одну из страничек нашей школьной энциклопедии по математике и физике "Алгоритм успеха".

Вывод

Явление дисперсии света, объясняющее причины возникновения радуги, позволило мне понять, почему белый свет окрашивает окружающий нас мир разноцветными красками. Одни прозрачные предметы мы видим красными, другие переливающимися разными цветами. И всё благодаря сложной природе белого света, благодаря тому, что тела по-разному отражают, преломляют и поглощают  свет разных длин волн. Поэтому блестят и переливаются в солнечных лучах обыкновенный осколок прозрачного стекла и бриллиант. Таким образом, мы доказали, что радугу мы видим благодаря особым свойствам световых волн, и у неё есть свое, интересное объяснение, как и у многих других оптических явлений в природе.

physicsaroundus.weebly.com

Радуга. Описание явления, текст, сочинение, рассказ о радуге

РадугаРадугаОписание радуги

Когда смотришь на радугу, она зачаровывает своим удивительным, загадочным видом. Разноцветный мост вдоль неба кажется фантастическим, нереальным, заставляя поверить в сказку. Глядя на это чудо природы, которое всегда возникает внезапно, мы застываем в немом восхищении.

Это интересное природное явление не очень часто можно наблюдать в небе. Оно возникает, когда одновременно идёт дождь и светит солнце. При этом нужно стоять спиной к солнцу и лицом к дождю.

Радугу можно увидеть и в капле воды, когда на неё под определённым углом светит солнце. Это красивое явление можно воссоздать и в домашних условиях. Есть несколько способов, как это сделать. Проще всего получить радугу с помощью солнечного света. Для проведения эксперимента понадобятся такие предметы: ёмкость с водой, лист белой бумаги, зеркало, фонарик. Преломление света в воде разбивает его на цвета и отражает их на белом листе. В результате мы наблюдаем спектр — полосы красного, оранжевого, жёлтого, зелёного, голубого, синего и фиолетового цветов. Их всего семь и они называются основными. В реальности же их сменяют тысячи оттенков, они непрерывны и плавно переходят из одного в другой.

Сделать радугу можно и без использования солнечного света, то есть в темноте. Но тогда цветной спектр выглядит менее ярко. Чтобы продемонстрировать появление радуги, достаточно ограничиться и одним предметом — CD-диском. В этом случае не требуется даже вода. Если менять угол наклона CD-диска, возникают очень красивые эффекты. Можно получить как радужную полоску, так и целый круг.

Любо и весело смотреть на радугу. Когда хмурая, ненастная погода сменяется солнечной, а перед взором возникает яркий разноцветный мост — радуется и стар, и млад. Не зря в украинском языке радугу называют «веселка». Иногда можно заметить две или несколько разноцветных дуг, которые наблюдаются на фоне облака, если оно расположено напротив солнца. При этом красный цвет мы видим с внешней стороны радуги, а фиолетовый — с внутренней.

Образ радуги нашёл широкое отражение в устном народном творчестве, литературе, поэзии и живописи. Множество песен, стихотворений, загадок и пословиц посвящено этому восхитительному оптическому явлению. А сколько связано с ним народных примет и суеверий! Вот лишь некоторые из них, самые благоприятные и многообещающие. Кто пройдёт под радугой, его жизнь обновит свои краски, станет ярче, насыщенней. Радуга, упирающаяся концами в землю, указывает на места, где будет хороший урожай или спрятаны сокровища — «горшок золота». Вода, из которой «растёт» разноцветный полукруг, обладает целебными свойствами. Она подарит долгожданного ребёнка женщине, считавшейся бесплодной, и выздоровление тяжелобольному. Человек, увидевший радугу зимой, непременно будет очень счастлив, так как удача будет сопутствовать ему во всех начинаниях.

Не только в Древнем Египте, но и у древних ариев-праславян бога солнца звали Ра. Если верить преданиям, он вывозил солнце на небесный свод на своей колеснице. Возможно, именно отсюда и пошло такое название радуги — дуга бога Ра. Во многих культурах это явление служит символом преображения, небесной славы, трона Бога, границы между мирами. Согласно Библии, этот мост между небом и землёй был создан Богом как знак обещания никогда больше не насылать на людей потоп, а также символ прощения человечества.

В условиях современного города довольно редко удаётся повстречать на своём пути семицветную небесную дорожку. Так давайте будем верить в радость и красоту, подаренную самой природой — в радугу. Если вам посчастливилось наблюдать это изумительное зрелище, порадуйтесь ему от всей души и вдоволь налюбуйтесь.

Чтобы написать сочинение-рассуждение на тему «Радуга», вам будут полезны статьи:

Почему появляется радуга

Сколько цветов в радуге и какие

Сочинение о дожде 3-4-5-6 класс

glazastik.com

«Как появляется радуга. Получение радуги в домашних условиях»

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

Киселевского городского округа

«Основная общеобразовательная школа №35»Исследовательская работа по теме:

«Как появляется радуга.

Получение радуги в домашних условиях».

i

Исполнитель: Горошникова Евгения

Андреевна.

Класс: 7 «А»

Руководитель:

Колтунова Алла Петровна

учитель физикиКиселёвск 2014г.

Содержание

Введение

Глава I

1.1.Значение слова «радуга» в разных  энциклопедических словарях.

1.2 Легенды и верования, связанные с радугой.

1.3 История исследования радуги учеными.

1.4 Физика радуги.

1.5Виды радуги.

1.6 Мнемонические фразы.

1.7 Радуга как символ.

1.8 Радуга в творчестве поэтов.

1.9 Радуга в живописи.

1.10 Можно ли нарисовать радугу тремя цветами.

1.11.  Это интересно.

Глава II

2.1 Анкетирование.

2.2. Эксперименты получения радуги в домашних условиях.

2.3. Выводы.

Приложение.

Список использованных источников.

Аннотация

Введение

Цель работы : Узнать о природе атмосферного оптического явления – радуга

Определить какая существует связь между дождём, солнцем и появлением радуги.

  1. Задачи исследования:
Актуальность:

Какое из природных явлений может сравниться по красоте с радугой? Возможно полярное сияние, вот только его видели совсем не многие. А радугу, которая появляется сразу после дождя, видели все. Появившись на небосводе, она приковывает внимание. Она настолько красивая, что ее воспевают во многих песнях, описывают в литературе, складывают о ней легенды. Многие люди, также как и я с нетерпением ждут дождя, чтобы полюбоваться радугой. Какое же это разноцветное чудо природы? Как образуется радуга? А можно ли наблюдать эту красоту дома? Какие еще существуют радуги?

Эти вопросы заинтересовали меня и многих моих друзей. Эта тема стала мне интересна потому, что не многие знают, как образуется радуга. Чтобы ответить на все возникшие вопросы, я решила провести исследовательскую работу.

Гипотеза :

Можно ли получить радугу в домашних условиях?

Можно ли наблюдать радугу ночью?

Предмет исследования : радуга

Объект исследования : явление возникновения радуги

Методы исследования : изучение литературы, эксперимент, анкетирование«Исследовать – значит видеть то,

Что видели все,

И думать так, как не думал никто»

Альберт Сент - Дьери

Что такое радуга?

1.1Значение слова «радуга» в разных  энциклопедических словарях.

Радуга – разноцветная дуга на небосводе. Наблюдается, когда солнце

освещает завесу дождя, расположенную на противоположной от него стороне

неба. Объясняется преломлением, отражением света в каплях дождя.

(Советский энциклопедический словарь под ред. А.М.Прохорова)

В 

Радуга –  разноцветная дугообразная полоса на небесном своде,

образующаяся вследствие преломления солнечных лучей в дождевых каплях.

Т(олковый  словарь русского языка Ожегова С.И.)

В 

Радуга — претерпевшее изменение слово «райдуга», или Божья дуга.                                                               (По словарю В. Даля)1.2Легенды, верования связанные с радугой.

В скандинавской мифологии радуга — это мост Биврёст, соединяющий Мидгард (мир людей) и Асгард (мир богов).

В древнеиндийской — лук Индры, мифологии бога, грома и молнии.

По славянским поверьям, радуга, подобно змею, пьёт воду из озёр, рек и морей, которая потом проливается дождём.

В Библии радуга появилась после всемирного потопа  как символ прощения человечества, и является символом союза Бога и человечества (в лице Ноя) о том, что потопа никогда больше не будет.

  Издавна, наблюдая интересное красивое природное явление, народ подметил ряд признаков, относящихся к природе.

-радуга на небе – к перемене погоды

-высокая и крутая радуга – к ветру, а пологая и низкая – к дождю.                  - вечерняя радуга предвещает хорошую, а утренняя – дождливую погоду.-радуга после дождя, быстро исчезающая, - к хорошей погоде.-радуга держится долго – к ненастью.-когда возникает 2 или 3 ярких радуги, бывает продолжительный дождь.

В 

 1.3 История исследования радуги учеными  А пытался ли кто-нибудь в истории человечества познать природу радуги. Я нашла ответ на этот вопрос в разных источниках. i:\1315577668_1174647.jpg

Это красивое явление стали изучать уже в глубокой древности. Аристотель, древнегреческий философ, пытался объяснить причину радуги. Первым понял причину радуги немецкий монах Теодорик, в 1304 г. Воссоздавший ее на сферической колбе с водой. Однако Открытие Теодорика было забыто. Общая физическая картина радуги была уже четко описана архиепископом Марком Антонием де Доминисом в 1611 году. Он объяснил, что радуга появляется в результате 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. Автор рукописи был заточен в тюрьму, где и умер, дожидаясь смертной казни. Инквизиция приговорила любознательного священника к смерти за то, что его теория о возникновении радуги противоречила библейскому толкованию. Антонио Доминис умер в тюрьме, не дождавшись казни, но его тело и рукописи были сожжены.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 .  В отношении цветов радуги теория дополнена Исааком Ньютоном . В 1672 году Исаак Ньютон доказал, что обычный белый цвет – это смесь лучей разногоцвета.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 (слово «призма» в переводе с греческого означает распиленное). На противоположной стене он увидел разноцветную полоску – спектр (от латинского «Спектрум»- видимое). 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.c:\users\алла\contacts\pictures\доминис о радуге.jpgc:\users\алла\contacts\pictures\ньютон.jpg

1.4 Физика радуги

Радуга и есть большой изогнутый спектр, или полоса цветных линий, образовавшихся в результате разложения луча света, проходящего через мельчайшие капельки дождя. В данном случае капли дождя выполняют роль призмы. Каждую такую каплю можно сравнить с круглым стеклянным аквариумом. Свет входит в каплю с одного ее конца, отражается от внутренней, противоположной поверхности под углом и выходит сквозь ту же поверхность, что и входил, но уже с другой точки.

Радуга — атмосферное оптическое и метеорологическое явление, наблюдаемое обычно после дождя или перед ним. Оно выглядит как дуга или окружность. Радугу можно увидеть не только в небе, но и у водопада или фонтана.

Наверняка, кто видел радугу, могли 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 послеобеденной радуге солнце расположено на западе, а дождь - на востоке.

Любуясь радугой, можно заметить, какой высокий и крутой ее разноцветный мост. Но глядя с поверхности Земли не видно больше половины дуги. Совсем другое дело, если смотреть на радугу с вершины горы на низменную равнину – туда, где приземляются капли дождя. В поле зрения оказалась бы больше половины окружности, а при особо благоприятных условиях, например из кабины самолета, можно увидеть радугу в виде полного кольца.

Почему же человеческий глаз видит радугу именно в форме дуги, а не, например, в форме вертикальной цветной полосы? Здесь вступает в силу закон оптического преломления, при котором луч, проходя через каплю дождя, находящуюся в определенном положении в пространстве, преломляется 42 раза и становится видимым человеческому глазу именно в форме окружности. Вот как раз часть этой окружности все и привыкли наблюдать.

В радуге нижний цвет – фиолетовый, а верхний – красный, это объясняется тем, что каждая из семи составляющих белого цвета преломляется под своим углом. Луч фиолетового цвета преломляется в наибольшей степени, в то время как красный – в наименьшей.

Капли расположенные выше всего, посылают вниз, к глазу наблюдателя, наименее преломленные лучи красной части спектра. В то же время нижние капли посылают глазу лучи фиолетового цвета. Капли расположенные между ними посылают остальные цвета. Таким образом, существует значительное число капель, которые воспроизводят глазу человека весь диапазон цветов. А поскольку каждый наблюдатель воспринимает свет лишь от «своей» системы капель, то и видит он лишь «свою» радугу. То есть количество радуг равно количеству наблюдателей, хоть они и полагают, что любуются одной и той же радугой!

Почему иногда снаружи обычной радуги мы видим вторую, менее яркую, в которой порядок цветов обратный? Причина второй радуги, как и первой, заключается в преломлении и отражении света в капельках воды. Однако перед тем как превратиться во «вторую радугу», лучи солнечного света успевают два раза, а не один, отразиться от внутренней поверхности каждой капельки. Капельки, дающее начало «второй радуге», находятся выше тех, что служат источником «первой».

Если бы капли всё время висели в воздухе, то можно было бы наблюдать радугу в течение всего дня. Почему же этого не происходит?

Потому, что капли испаряются, или, слившись друг с другом, падают на землю и радуга быстро исчезает.

c:\users\алла\contacts\pictures\радуга1.jpg

1.5 Виды радуг.

Кроме солнечных радуг существуют еще и лунные радуги. Однако это явление очень редкое. Наблюдать его можно при полной Луне, на не закрытой облаками, при одновременном выпадении ливневого дождя. Но по сравнению с солнечными, лунные радуги более слабые, для них характерно отсутствие красного цвета даже при крупных каплях дождя. Все дело в слабости света исходящего от Луны. Как солнечные, так и лунные радуги возникают в результате преломления света на мельчайших капельках воды, которые играют роль миниатюрных призм. Еще бывает туманная радуга, которая появляется при туманной погоде. Она практически белая . Радуга над водопадами. Причина появления такого вида радуги – непрерывный водяной туман над водопадами . «Огненная» радуга. Она, фактически, совсем не связана с огнем. Только красивый оптический эффект.

1.6 Мнемонические фразы

Цвета в радуге расположены в последовательности, соответствующей

спектру видимого света. Существуют мнемонические фразы для запоминания этой последовательности:

   В этих фразах начальная буква каждого слова соответствует начальной букве названия определённого цвета.1.7 Радуга как символ.

 В Библии радуга является символом Завета Бога. Радуга также означает преображение, небесную славу, разные состояния сознания, встречу Неба с Землёй, мост или границу между миром и раем, трон бога Неба. Таким образом, радуга играет роль одного из важных символов мировых религий.

Организация по защите окружающей среды Гринпис использует пятицветное изображение радуги обычно на белом фоне в качестве символа охраны природы. Во время войны в Ираке в 2003 многие итальянцы последовали призыву (Мир со всех балконов) и повесили флаги на балконы и стены домов. Было вывешено более миллиона флагов по всей Италии.i:\i0f0dfwwn.jpg

1.8 Радуга в творчестве поэтов

 С радугой всегда связывают ощущения радости и освобождения. Она добрая предвестница. Поэты неоднократно обращались к радуге. Например,хорошо передал ощущение радости, вызываемое радугой, Гёте:

 К тебе я, солнце, обращусь спиною;

На водопад сверкающий, могучийi:\радуга в поэзии.jpg

Теперь смотрю я с радостью живою,-

Стремится он, дробящийся, гремучий,

На тысячи потоков разливаясь,

Бросая к небу брызги светлой тучей.

И между брызг, так дивно изгибаясь,

Блистает пышной радуга дугою,

То вся видна, то вновь во мгле теряясь,

И всюду брызжет свежею росою!

Всю нашу жизнь она воспроизводит:

Всмотрись в нее - и ты поймешь душою,

Что жизнь на отблеск красочный походит.

Раз пройти под радугой босиком.

  Конечно, не только о хорошей погоде думали люди, любуясь радугой. С радугой издавна связывались представления о благополучии, о счастье. Существовало поверье, будто в том месте, где радуга как бы уходит одним из своих концов в землю, можно, откопать горшок с золотом. А чтобы до окончания жизни быть счастливым и удачливым во всех делах, достаточно хотя бы раз пройти под радугой босиком. Жаль вот только, что никому еще не удавалось пройти под радугой, никто не смог подойти к ее основанию. Восхищаясь “жемчужным, разноцветным мостом”, Ф. Шиллер с грустью замечает:

Идешь к нему — он прочь стремится,

И в то же время недвижим;

С своим потоком он родится

И вместе исчезает с ним.

В 

Радуга действительно неуловима и недолговечна. Она дарит ощущение радости, но, увы, ощущение это мимолетно. Она дарит мечту о счастье, но счастье это оказывается недостижимым. Удивительное в своей красоте “мимолетное виденье” буквально тает на наших глазах, оставляя нам чувство светлой грусти. Об этом очень хорошо писал Ф. И. Тютчев: Как неожиданно и ярко,

 На влажной неба синеве,

 Воздушная воздвиглась арка

 В своем минутном торжестве!c:\users\алла\contacts\pictures\радуга№2.jpg

В 

Один конец в леса вонзила,

 Другим за облака ушла —

 Она полнеба обхватила

 И в высоте изнемогла.

,

 Он сочетает воздух, влагу, свет -

 Все, без чего для мира жизни нет.

 Он в черной туче дивное виденье

В 

Являет нам. Лишь избранный Tворцом,

 Исполненный господней благодати, -

 Как радуга, что блещет лишь в закате, -

 Зажжется пред концом.     

  И.Бунин

1.9 Радуга в живописи

Это красивое природное явление не оставило равнодушными многих художников мира. Например, А.К. Саврасов, который известен как автор картины "Грачи прилетели". В 1875 году он написал картину "Радуга", которая заслуживает внимания.

Художник света - так называют Архипа Ивановича Куинджи, одного из необычайных мастеров пейзажной живописи XIX века. "Иллюзия света, - писал Репин, - была его богом, и не было художника, равного ему в достижении этого чуда живописи. Картину "Радуга над болотом" Куинджи писал 5 лет: с 1900 по 1905 гг c:\users\алла\contacts\pictures\рожь.jpg

1.11.  Это интересно.

То, что я узнала из источников Интернета, действительно, мне показалось очень интересным.

 Современный мир поистине не имеет границ, и люди дарят друг другу уже и звезды, и участки на Луне, и острова. Может, когда-нибудь будет возможным подарить на день рождения дождь. По крайней мере, организовать настоящую разноцветную и выглядящую вполне натурально радугу  уже реально. Обычно мать-природа решает, когда мы сможем увидеть радугу. И согласитесь, это происходит крайне редко. Мы дёргаем друг друга за рукава и говорим – посмотри, радуга! Как красиво! Это зрелище по-настоящему захватывающе. Майкл Джонс МакКин (McKean Michael Jones), профессор одного американского колледжа и по совместительству художник, «не отличается терпеливостью и не способен ждать, когда природе станет угодно показать радугу» (как он утверждает), поэтому он решил изобрести машину, которая производила бы радугу всего одним щелчком рычажка. И он изобрел ее. Профессор Мак Кин изучал радугу и проводил различные эксперименты еще с 2002 года. И, в конце концов (к 2010 году!), его труды увенчались успехом – изобретением настоящей машины, производящей искусственную радугу.

Искусственная радуга ничем не хуже настоящей, при этом у нее есть преимущество – она готова в любой момент порадовать человеческий глаз.

 Машина по производству искусственной радуги Мак Кина состоит из реактивных насосов и специально спроектированных носиков, которые распыляют плотную стену воды в небо. Ведь, если вы знаете, радуга – это освещенная солнцем завеса дождя. Вы можете увидеть это чудесное явление, поливая, скажем, растения в саду. Но искусственная радуга из машины Мак Кина – более впечатляющих размеров, равных природным.

Следует отметить, что машина «по производству радуги» имела успех на американском рынке. Ведь это не только оригинальный подарок , но это еще и способ привлечь внимание потребителей. Так, на крыше одного из торговых центров в штате Небраска (Nebraska), была установлена такая машина по производству искусственной радуги, и теперь центр ежедневно в течение 15 минут дарит людям радость повидать радугу, спускающуюся прямо с крыши здания.

Глава II

2.1 Анкетирование

Узнав столько интересного о радуге, мне захотелось узнать: а что знают ребята нашей школы о радуге. Для этого мною была проведена анкета среди учащихся начальных классов. Ребятам было предложено 5 вопросов:

Проанализировав ответы учащихся и сопоставив их с тем, что узнала я о радуге, пришла к выводу, что надо выступить перед ребятами со своей исследовательской работой и  рассказать об удивительном явлении природы – радуге.

В 

2.2Эксперименты получения радуги в домашних условиях

1…В солнечный день необходимо поставить около окна таз с водой и опустить в него зеркало. Нужно повернуть зеркальце под таким углом, чтобы на него падал яркий солнечный свет. Зеркало нуждается в подставке, так как угол между ним и поверхностью воды должен составлять 25°.

Если зеркальце «поймает» луч света, то в результате преломления луча в воде и его отражения от зеркала на стене или на потолке возникнет радуга.

2 Цель- разделить свет на цвета с помощью тонкой плёнки.

Поставим миску с водой на стол, чтобы на неё не падали прямые лучи света. Поддерживая над миской кисточку из пузырька с лаком, пока капля лака не упадёт в воду.

Наблюдая за поверхностью воды. Двигая головой, можно увидеть, на разлившимся на воде тонким слое лака видны радужные переливы.

Лак образует тонкую плёнку на поверхности воды. Когда на поверхность плёнки падает свет, каждый его луч частично отражается от неё. Другая часть луча достигает нижней поверхности плёнки и тоже отражается от неё. Отражение лучей складываются друг с другом, и мы можем видеть переливы радужных тонов. Но видим мы их только при определённой толщине плёнки. Если толщина плёнки будет слишком велика или мала, то время, необходимое лучу, чтобы пройти её насквозь и вернуться обратно, будет либо больше, либо меньше нужного, и радуга не получится.

3 С помощью пульверизатора создаем облако падающих в воздухе капель и на них наблюдаем радугу.

Условия такого опыта вполне соответствует природным, однако, получить требуемое облако совсем не просто.

4 Берем приспособление, окунаем в баночку с мыльной пеной и выдуваем пузыри. На летящих в воздухе пузырях можно увидеть радугу.

2.3Выводы

Эффект радуги можно получить в домашних условиях и в любое время года любоваться этим красивейшим природным явлением, которое всё ещё хранит много загадок.

Цель  - узнать о природе атмосферного оптического явления – радуга, была мною достигнута, выдвинутые мною гипотезы подтвердились.

В дальнейшем в этом направлении хочу продолжить исследовать природу цветов радуги, чем занимается наука «цветоведение».c:\users\алла\contacts\pictures\радуга1.jpg

Практическая ценность работы состоит в том, что полученные материалы могут быть использованы при проведении недели физики в школе, а так же учителями начальных классов при проведении уроков и занятий по ознакомлению с окружающим миром и явлениями, происходящими в окружающем мире.

Выполнив эту работу, я убедилась, что радуга — хорошо известное оптическое явление в атмосфере; наблюдается, когда солнце освещает пелену падающего дождя и наблюдатель находится между солнцем и дождём. Радуга наблюдается не только на пелене дождя. В меньших масштабах ее можно увидеть на каплях воды у водопадов, фонтанов и в морском прибое. При этом в качестве источника могут служить не только Солнце и Луна, но и прожектор.

Интересно расположение цветов в радуге. Оно всегда постоянно. Красный цвет главной радуги расположен на ее верхнем крае, фиолетовый – на нижнем. Между этими крайними цветами следуют друг за другом остальные цвета в такой же последовательности, как в солнечном спектре. В принципе в радуге никогда не бывают представлены все цвета спектра. Чаще всего в ней отсутствуют или слабо выражены синий, темно-синий и насыщенный чисто красный цвета. С увеличением размеров капель дождя происходит сужение цветных полос радуги, сами же цвета становятся более насыщенными.

Осуществление данного проекта позволило мне развить свои навыки работы с дополнительной литературой, умение проводить эксперименты, проводить анализ полученных результатов, обосновывать итоги исследований. Во время работы над проектом я узнала о природном явлении радуге: как появляется радуга и почему она разноцветная, определила, какая существует связь между дождем, солнцем и появлением радуги,

что радуга может быть одной дугой, а может быть двойная или даже тройная. Из истории изучения радуги я выяснила, что многие пытались объяснить природу этого явления, но полно это явление раскрыл Исаак Ньютон .Существует ночная радуга (лунная) и зимняя, но она бывает очень редко и не такая красочная как летняя. c:\users\алла\contacts\pictures\водопад.jpg

СПАСИБО

ЗА ВНИМАНИЕ!

c:\users\алла\contacts\pictures\радуга-мост.jpg

fiz.na5bal.ru

Реферат - Элементарная теория радуги

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 сказаний связано с радугой у разных народов! В русских летописях ра­дуга 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 пере­мещается 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 достигающих поверхности Земли. Радуга видна в стороне небо­свода, 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, диаметрально противоположная Солнцу,— анти­солярная 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 точку А, его угол паления обозначим i. Преломившись под углом преломления r, луч входит в каплю и доходит до точки В. Часть энергии луча, преломившись, выходит из капли, часть, испытав внутреннее отражение в точке 5, идет внутри капли до точки С. Здесь снова часть энергии луча, преломившись, выходит из капли, а некоторая часть, испытав второе внутреннее отражение, доходит до точки О и т. д. В.принципе луч может испытывать любое число (и), внутренних отражений, а преломлений у каждого луча два — при входе и при выходе из капли.

Рис. 1. Ход светового луча в капле при образовании первой и второй радуг.

Обозначим Dk угол отклонения любого луча после прохождения им капли. Тогда из рис.1 очевидно, что

Dk = 2( i — r) + k (p – 2r), (1)

здесь k — число внутренних отражений луча.

Параллельный пучок лучей, падающий на каплю, по выходе из капли оказывается сильно расходящимся (рис. 2). Концентрация лучей, а значит, и их интенсивность тем больше, чем ближе они лежат к лучу, испытавшему минимальное отклонение. Путь минимально отклоненного луча обозначен на рисунке пунктиром. Только минимально отклоненный луч и самые близкие к нему лучи обладают достаточной интенсивностью, чтобы образовать радугу. Поэтому этот луч и называют лучом радуги .

Рис.2. Преломление пучка световых лучей в капле.

Минимальное отклонение луча, испытавшего одно внутреннее отражение (k = 1), по теории Декарта равно:

D1 = p +2( i – 2r). (2)

Каждый белый луч, преломляясь в капле, разлагается в спектр, и из капли выходит пучок расходящихся цветных лучей. Поскольку у красных лучей показатель преломления меньше, чем у других цветных лучей, то они и будут испытывать минимальное отклонение по сравнению с остальными. Минимальные отклонения крайних цветных лучей видимого спектра красных и фиолетовых оказываются следующими: D1k = 137°30' и D1ф = 139°20'. Остальные цветные лучи займут промежуточные между ними поло­жения.

Солнечные лучи, прошедшие через каплю с одним, внутренним отражением, оказываются исходящими от точек неба, расположенных ближе к антисолярной точке, чем к Солнцу. Поэтому, чтобы увидеть эти лучи, надо встать спиной к Солнцу. Расстояния их от антисолярной точки будут равны соответственно: 180° — 137°30' = 42°30' для красных и 180° — 139°20' = 40°40' для фиолетовых.

Почему радуга круглая? Дело в том, что более или менее сферическая капля, освещенная параллельным пучком лучей солнечного света, может образовать радугу только в виде круга. Поясним это.

Описанный путь в капле с минимальным отклонением по выходе из нее проделывает не только тот луч, за которым мы следили, но также и многие другие лучи, упавшие на каплю под таким же углом. Все эти лучи и образуют радугу, поэтому их называют лучами радуги.

Сколько же лучей радуги в пучке света, падающего на каплю? Их много, по существу, они образуют целый цилиндр. Геометрическое место точек их падения на каплю это целая окружность.

В результате прохождения через каплю и преломления в ней цилиндр белых лучей преобразуется в серию цветных воронок, вставленных одна в другую, с центром в антисолярной точке, с открытыми раструбами, обращенными к наблюдателю. Наружная воронка красная, в нее вставлена оранжевая, желтая, далее идет зеленая и т. д., кончая внутренней фиолетовой.

Таким образом, каждая отдельная капля образует целую радугу! Радуга — „как Солнце в малой капле вод". Так образно и предельно лаконично выразил суть радуги Г. Р. Державин.

Конечно, радуга от одной капли слабая, и в природе ее невозможно увидеть отдельно, так как капель в завесе дождя много. В лаборатории же удавалось наблюдать не одну, а несколько радуг, образованных преломлением света в одной подвешенной капельке воды или масла при освещении ее лучом лазера. Подробнее об этом эксперименте рассказано ниже.

Радуга, которую мы видим на небосводе, мозаична — она образована мириадами капель. Каждая капля создает серию вложенных одна о другую цветных воронок (или конусов). Но от отдельной капли в радугу попадает только один цветной луч. Глаз наблюдателя является общей точкой, в которой пересекаются цветные лучи от множества капель. Например, все красные лучи, вышедшие из различных капель, но под одним и тем же углом и попавшие в глаз наблюдателю, образуют красную дугу радуги, также и все оранжевые и другие цветные лучи. Поэтому радуга круглая.

Два человека, стоящие рядом, видят каждый свою радугу. Если вы идете по дороге и смотрите на радугу, она перемещается вместе с вами, будучи в каждый момент образована преломлением солнечных лучей в новых и новых каплях. Далее, капли дождя падают. Место упавшей капли занимает другая и успевает послать свои цветные лучи в радугу, за ней следующая и т. д. Пока идет дождь, мы видим радугу.

Мы пояснили, как образуется первая радуга, наиболее часто наблюдаемая, с ярким внешним красным краем и внутренним фиолетовым.

Найдем ширину первой радуги D1, т. е. угловое расстояние от ее красной дуги до фиолетовой с учетом поправки на угловую ширину Солнца, диаметр которого равен 32': D1 = 42°30' — 40°40' +32' = 2°22'.

Вторая радуга и следующие

Если повторить предыдущие рассуждения относительно лучей, испытавших в капле два внутренних отражения, получим следующие минимальные углы отклонения крайних цветных лучей. Для красных D2k = 230°54' и для фиолетовых D2ф = 233°56'. Такие лучи так же, как и испытавшие одно отра­жение внутри капли, лежат ближе к антисолярной точке, чем к Солнцу. Угловые расстояния их от антисолярной точки будут равны: 230°54' — 180° = 50°34' для красных; 233°46' — 180° = 53°56' для фиолетовых. Эти лучи образуют радугу, концентрическую с первой, но с обратным рас­положением цветов. В этой радуге внутренняя дуга красная.

Угловая ширина второй радуги D2 = 53°56' — 50«34' = 3°54'.

Вторая радуга значительно шире первой и выглядит более слабой.

Расчеты для радуг следующих порядков ( k = 3, 4, 5, 6, 7, 8 и т. д.) пока­зали, что 3-я и 4-я радуги располагаются вокруг Солнца, 5-я и 6-я — 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

137В°29Вў

42В°31Вў

Вокруг антисолярной точки

2

129В°54Вў

50В°06Вў

3

42В°53Вў

42В°53Вў

Вокруг Солнца

4

42В°18Вў

42В°18Вў

5

126В°31Вў

53В°29Вў

Вокруг антисолярной точки

6

149В°46Вў

30В°14Вў

7

66В°22Вў

66В°22Вў

Вокруг Солнца

8

16В°51Вў

16В°51Вў

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 остальные радуги остается слишком мало энергии, менее 1%, поэтому ра­дуги 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 небо­своде, 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 осо­бенностями, было сделано позже, когда была создана общая теория рас­сеяния (дифракции) световых лучей в атмосфере. В частности, стало ясно, что дополнительные дуги возникают вследствие интерференции лучей, ле­жавших 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 дополнитель­ных 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 при­мерно 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 непо­средственно, 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 40°. Для более крупных капель, например радиу­сом 1,0 мм, минимальное отклонение красных лучей составит 149°, а крас­ная 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?

Наглядной иллюстрацией взаимодействия обоих факторов и совмест­ного их влияния на вид радуги являются рис. 3 а и б, составленные А. Фразером, на основании расчетов: На этих рисунках показано распреде­ление интенсивности света в основной радуге и дополнительных дугах в зависимости от размера капель.

Сложная волнообразная поверхность на переднем плане (рис.3 а ) со­ставлена из многих индивидуальных кривых. Каждая кривая дает распре­деление 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 макси­мума между 138° 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 увеличении радиуса капель. Это действие первого фактора. Радуга ста­новится узкой при увеличении размера капель.

Верхняя кривая S — это результирующая сложения вкладов капель всех размеров. Она характеризует распределение интенсивности света в оконча­тельной радуге, которую мы видим.

137 138 139 140 141 142 143 144

Угловое расстояние от Солнца

137 138 139 140 141 142 143 144

Угловое расстояние от Солнца

Рис. 3. Распределение интенсивности света в основной радуге и дополни­тельных дугах в зависимости от размера капель.

а — без учёта сплющивания капель; б — с учетом сплющивания капель. S — суммарная кривая.

На рис.3 б показаны те же кривые, но теперь учтено влияние сплю­щивания капель, тем более сильное, чем крупнее капли. Индивидуальные кривые для крупных сплющенных капель смещены в сторону больших минимальных углов отклонения от Солнца (или, что то же, в сторону уменьшения радиусов радуг), и в результате вся волнообразная поверхность оказалась изогнутой вправо (индивидуальные максимумы ушли вправо). Это привело к тому, что на результирующей суммарной кривой появи­лись, помимо основной радуги, еще дополнительные дуги, на угловых рас­стояниях от Солнца: первая —140,5°, вторая —141,3°, третья — 142,4°, чет­вертая—142,5°.

Дополнительные дуги видны только вблизи вершины основной радуги, так как они образованы только вертикальными или близкими к ним лучами, прошедшими через эллиптические сечения капель.

Расчетами показано, но это можно проследить и по рис.3 б, что допол­нительные, дуги создаются в основном каплями размером от 0,2 до 0,3 мм. Более крупные и более мелкие капли дают максимумы, накладывающиеся друг на друга и слишком далеко отстоящие от основной радуги (они уходят вправо). Радуги капель диаметром 0,2—0,3 мм находятся в преимущест­венном положении, поскольку их максимумы никуда не сместились. Таким образом, можно сделать вывод, что дополнительные дуги видны, если в лив­невом дожде присутствуют в значительном, количестве капли радиусом 0,25 мм и мало более крупных капель, смазывающих картину. Поэтому дополнительные дуги чаще видны и наиболее красочны не в очень интенсив­ных летних ливневых дождях. Они появляются также на фоне завесы из мельчайших капель, образующихся при разбрызгивании воды в поливальных установках.

Можно ли видеть целый круг радуги? С поверхности Земли мы можем наблюдать радугу в лучшем случае в виде половины круга, когда Солнце находится на горизонте. При поднятии Солнца радуга уходит под горизонт. Первую радугу можно, видеть при высотах Солнца более 42°, а вторую — более 50°. С самолета, а еще лучше с вертолета (больше обзор) можно наблюдать радугу в виде целого круга! Описание такой круговой радуги (ее и радугой, т. е. дугой, уже неудобно называть!) было помещено в жур­нале „Природа". Ее видели пассажиры самолета, летевшего в районе Новосибирска на высоте 1000 м.

Поляризация света радуг. Свет радуги характеризуется необычийно высокой степенью поляризации. В первой радуге она достигает 90%, во второй—около 80%. В этом легко убедиться, если посмотреть на радугу через поляризационную призму Николя. При небольших углах поворота призмы радуга полностью пропадает.

Радуга без дождя?

Бывают ли радуги без дождя или без полос падения дождя? Оказывается, бывают — в лаборатории. Искусственные радуги создавались в результате преломления света в одной подвешенной капельке дистиллированной воды, воды с сиропом или прозрачного масла. Размеры капель варьировали от 1,5 до 4,5 мм. Тяжелые капли вытягивались под действием силы тяжести, и их сечение в вертикальной плоскости представляло собою эллипс. При освещении капельки лучом гелий-неонового лазера (с длиной волны 0,6328 мкм) появлялись не только первая и вторая радуги, но и необычайно яркие третья и четвертая, с центром вокруг источника света (в данном случае лазера). Иногда удавалось получать даже пятую и шестую радуги. Эти радуги, как первая и вторая, снопа были в стороне, противоположной источнику.

Итак, одна капелька создала столько радуг! Правда, эти радуги не были радужными. Все они были одноцветными, красными, так как образо­ваны не белым источником света, а монохроматическим красным лучом.

Туманная радуга

В природе встречаются белые радуги, о которых говорилось выше. Они появляются при освещении солнечными лучами слабого тумана, состоя­щего из капелек радиусом 0,025 мм или менее. Их называют туманными радугами. Кроме основной радуги в виде блестящей белой дуги с едва заметным желтоватым краем наблюдаются иногда окрашенные дополни­тельные дуги: очень слабая голубая или зеленая дуга, а затем белесовато-красная.

Аналогичного вида белую радугу можно увидеть, когда луч прожектора, 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 кап­лями 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 ливневого дождя объясняется низким уровнем освещения ночью, при ко­тором 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.

www.ronl.ru

Реферат : Элементарная теория радуги

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 сказаний связано с радугой у разных народов! В русских летописях ра­дуга 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 пере­мещается 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 достигающих поверхности Земли. Радуга видна в стороне небо­свода, 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, диаметрально противоположная Солнцу,— анти­солярная 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 точку А, его угол паления обозначим i . Преломившись под углом преломления r , луч входит в каплю и доходит до точки В. Часть энергии луча, преломившись, выходит из капли, часть, испытав внутреннее отражение в точке 5, идет внутри капли до точки С. Здесь снова часть энергии луча, преломившись, выходит из капли, а некоторая часть, испытав второе внутреннее отражение, доходит до точки О и т. д. В .принципе луч может испытывать любое число (и), внутренних отражений, а преломлений у каждого луча два — при входе и при выходе из капли.

Рис. 1. Ход светового луча в капле при образовании первой и второй радуг.

Обозначим Dk угол отклонения любого луча после прохождения им капли. Тогда из рис.1 очевидно, что

Dk = 2( i - r) + k ( – 2r), (1)

здесь k — число внутренних отражений луча.

Параллельный пучок лучей, падающий на каплю, по выходе из капли оказывается сильно расходящимся (рис. 2). Концентрация лучей, а значит, и их интенсивность тем больше, чем ближе они лежат к лучу, испытавшему минимальное отклонение. Путь минимально отклоненного луча обозначен на рисунке пунктиром. Только минимально отклоненный луч и самые близкие к нему лучи обладают достаточной интенсивностью, чтобы образовать радугу. Поэтому этот луч и называют лучом радуги.

Рис.2. Преломление пучка световых лучей в капле.

Минимальное отклонение луча, испытавшего одно внутреннее отражение (k = 1), по теории Декарта равно:

D1 =  +2( i – 2r). (2)

Каждый белый луч, преломляясь в капле, разлагается в спектр, и из капли выходит пучок расходящихся цветных лучей. Поскольку у красных лучей показатель преломления меньше, чем у других цветных лучей, то они и будут испытывать минимальное отклонение по сравнению с остальными. Минимальные отклонения крайних цветных лучей видимого спектра красных и фиолетовых оказываются следующими: D1k= 137°30' и D1ф = 139°20'. Остальные цветные лучи займут промежуточные между ними поло­жения.

Солнечные лучи, прошедшие через каплю с одним, внутренним отражением, оказываются исходящими от точек неба, расположенных ближе к антисолярной точке, чем к Солнцу. Поэтому, чтобы увидеть эти лучи, надо встать спиной к Солнцу. Расстояния их от антисолярной точки будут равны соответственно: 180° — 137°30' = 42°30' для красных и 180° — 139°20' = 40°40' для фиолетовых.

Почему радуга круглая? Дело в том, что более или менее сферическая капля, освещенная параллельным пучком лучей солнечного света, может образовать радугу только в виде круга. Поясним это.

Описанный путь в капле с минимальным отклонением по выходе из нее проделывает не только тот луч, за которым мы следили, но также и многие другие лучи, упавшие на каплю под таким же углом. Все эти лучи и образуют радугу, поэтому их называют лучами радуги.

Сколько же лучей радуги в пучке света, падающего на каплю? Их много, по существу, они образуют целый цилиндр. Геометрическое место точек их падения на каплю это целая окружность.

В результате прохождения через каплю и преломления в ней цилиндр белых лучей преобразуется в серию цветных воронок, вставленных одна в другую, с центром в антисолярной точке, с открытыми раструбами, обращенными к наблюдателю. Наружная воронка красная, в нее вставлена оранжевая, желтая, далее идет зеленая и т. д., кончая внутренней фиолетовой.

Таким образом, каждая отдельная капля образует целую радугу! Радуга - „как Солнце в малой капле вод". Так образно и предельно лаконично выразил суть радуги Г. Р. Державин.

Конечно, радуга от одной капли слабая, и в природе ее невозможно увидеть отдельно, так как капель в завесе дождя много. В лаборатории же удавалось наблюдать не одну, а несколько радуг, образованных преломлением света в одной подвешенной капельке воды или масла при освещении ее лучом лазера. Подробнее об этом эксперименте рассказано ниже.

Радуга, которую мы видим на небосводе, мозаична — она образована мириадами капель. Каждая капля создает серию вложенных одна о другую цветных воронок (или конусов). Но от отдельной капли в радугу попадает только один цветной луч. Глаз наблюдателя является общей точкой, в которой пересекаются цветные лучи от множества капель. Например, все красные лучи, вышедшие из различных капель, но под одним и тем же углом и попавшие в глаз наблюдателю, образуют красную дугу радуги, также и все оранжевые и другие цветные лучи. Поэтому радуга круглая.

Два человека, стоящие рядом, видят каждый свою радугу. Если вы идете по дороге и смотрите на радугу, она перемещается вместе с вами, будучи в каждый момент образована преломлением солнечных лучей в новых и новых каплях. Далее, капли дождя падают. Место упавшей капли занимает другая и успевает послать свои цветные лучи в радугу, за ней следующая и т. д. Пока идет дождь, мы видим радугу.

Мы пояснили, как образуется первая радуга, наиболее часто наблюдаемая, с ярким внешним красным краем и внутренним фиолетовым.

Найдем ширину первой радуги 1, т. е. угловое расстояние от ее красной дуги до фиолетовой с учетом поправки на угловую ширину Солнца, диаметр которого равен 32': 1= 42°30' - 40°40' +32' = 2°22'.

Вторая радуга и следующие

Если повторить предыдущие рассуждения относительно лучей, испытавших в капле два внутренних отражения, получим следующие минимальные углы отклонения крайних цветных лучей. Для красных D2k= 230°54' и для фиолетовых D2ф = 233°56'. Такие лучи так же, как и испытавшие одно отра­жение внутри капли, лежат ближе к антисолярной точке, чем к Солнцу. Угловые расстояния их от антисолярной точки будут равны: 230°54' — 180° = 50°34' для красных; 233°46' — 180° = 53°56' для фиолетовых. Эти лучи образуют радугу, концентрическую с первой, но с обратным рас­положением цветов. В этой радуге внутренняя дуга красная.

Угловая ширина второй радуги 2 = 53°56' — 50"34' = 3°54'.

Вторая радуга значительно шире первой и выглядит более слабой.

Расчеты для радуг следующих порядков ( k = 3, 4, 5, 6, 7, 8 и т. д.) пока­зали, что 3-я и 4-я радуги располагаются вокруг Солнца, 5-я и 6-я — 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

137п‚°29п‚ў

42п‚°31п‚ў

Вокруг антисолярной точки

2

129п‚°54п‚ў

50п‚°06п‚ў

3

42п‚°53п‚ў

42п‚°53п‚ў

Вокруг Солнца

4

42п‚°18п‚ў

42п‚°18п‚ў

5

126п‚°31п‚ў

53п‚°29п‚ў

Вокруг антисолярной точки

6

149п‚°46п‚ў

30п‚°14п‚ў

7

66п‚°22п‚ў

66п‚°22п‚ў

Вокруг Солнца

8

16п‚°51п‚ў

16п‚°51п‚ў

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 остальные радуги остается слишком мало энергии, менее 1%, поэтому ра­дуги 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 небо­своде, 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 осо­бенностями, было сделано позже, когда была создана общая теория рас­сеяния (дифракции) световых лучей в атмосфере. В частности, стало ясно, что дополнительные дуги возникают вследствие интерференции лучей, ле­жавших 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 дополнитель­ных 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 при­мерно 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 непо­средственно, 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 40°. Для более крупных капель, например радиу­сом 1,0 мм, минимальное отклонение красных лучей составит 149°, а крас­ная 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?

Наглядной иллюстрацией взаимодействия обоих факторов и совмест­ного их влияния на вид радуги являются рис. 3 а и б, составленные А. Фразером, на основании расчетов: На этих рисунках показано распреде­ление интенсивности света в основной радуге и дополнительных дугах в зависимости от размера капель.

Сложная волнообразная поверхность на переднем плане (рис.3 а) со­ставлена из многих индивидуальных кривых. Каждая кривая дает распре­деление 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 макси­мума между 138 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 увеличении радиуса капель. Это действие первого фактора. Радуга ста­новится узкой при увеличении размера капель.

Верхняя кривая S — это результирующая сложения вкладов капель всех размеров. Она характеризует распределение интенсивности света в оконча­тельной радуге, которую мы видим.

137 138 139 140 141 142 143 144

Угловое расстояние от Солнца

137 138 139 140 141 142 143 144

Угловое расстояние от Солнца

Рис. 3. Распределение интенсивности света в основной радуге и дополни­тельных дугах в зависимости от размера капель.

а — без учёта сплющивания капель; б — с учетом сплющивания капель. S — суммарная кривая.

На рис.3 б показаны те же кривые, но теперь учтено влияние сплю­щивания капель, тем более сильное, чем крупнее капли. Индивидуальные кривые для крупных сплющенных капель смещены в сторону больших минимальных углов отклонения от Солнца (или, что то же, в сторону уменьшения радиусов радуг), и в результате вся волнообразная поверхность оказалась изогнутой вправо (индивидуальные максимумы ушли вправо). Это привело к тому, что на результирующей суммарной кривой появи­лись, помимо основной радуги, еще дополнительные дуги, на угловых рас­стояниях от Солнца: первая —140,5°, вторая —141,3°, третья — 142,4°, чет­вертая—142,5°.

Дополнительные дуги видны только вблизи вершины основной радуги, так как они образованы только вертикальными или близкими к ним лучами, прошедшими через эллиптические сечения капель.

Расчетами показано, но это можно проследить и по рис.3 б, что допол­нительные, дуги создаются в основном каплями размером от 0,2 до 0,3 мм. Более крупные и более мелкие капли дают максимумы, накладывающиеся друг на друга и слишком далеко отстоящие от основной радуги (они уходят вправо). Радуги капель диаметром 0,2—0,3 мм находятся в преимущест­венном положении, поскольку их максимумы никуда не сместились. Таким образом, можно сделать вывод, что дополнительные дуги видны, если в лив­невом дожде присутствуют в значительном, количестве капли радиусом 0,25 мм и мало более крупных капель, смазывающих картину. Поэтому дополнительные дуги чаще видны и наиболее красочны не в очень интенсив­ных летних ливневых дождях. Они появляются также на фоне завесы из мельчайших капель, образующихся при разбрызгивании воды в поливальных установках.

Можно ли видеть целый круг радуги? С поверхности Земли мы можем наблюдать радугу в лучшем случае в виде половины круга, когда Солнце находится на горизонте. При поднятии Солнца радуга уходит под горизонт. Первую радугу можно, видеть при высотах Солнца более 42°, а вторую — более 50°. С самолета, а еще лучше с вертолета (больше обзор) можно наблюдать радугу в виде целого круга! Описание такой круговой радуги (ее и радугой, т. е. дугой, уже неудобно называть!) было помещено в жур­нале „Природа". Ее видели пассажиры самолета, летевшего в районе Новосибирска на высоте 1000 м.

Поляризация света радуг. Свет радуги характеризуется необычийно высокой степенью поляризации. В первой радуге она достигает 90%, во второй—около 80%. В этом легко убедиться, если посмотреть на радугу через поляризационную призму Николя. При небольших углах поворота призмы радуга полностью пропадает.

Радуга без дождя?

Бывают ли радуги без дождя или без полос падения дождя? Оказывается, бывают — в лаборатории. Искусственные радуги создавались в результате преломления света в одной подвешенной капельке дистиллированной воды, воды с сиропом или прозрачного масла. Размеры капель варьировали от 1,5 до 4,5 мм. Тяжелые капли вытягивались под действием силы тяжести, и их сечение в вертикальной плоскости представляло собою эллипс. При освещении капельки лучом гелий-неонового лазера (с длиной волны 0,6328 мкм) появлялись не только первая и вторая радуги, но и необычайно яркие третья и четвертая, с центром вокруг источника света (в данном случае лазера). Иногда удавалось получать даже пятую и шестую радуги. Эти радуги, как первая и вторая, снопа были в стороне, противоположной источнику.

Итак, одна капелька создала столько радуг! Правда, эти радуги не были радужными. Все они были одноцветными, красными, так как образо­ваны не белым источником света, а монохроматическим красным лучом.

Туманная радуга

В природе встречаются белые радуги, о которых говорилось выше. Они появляются при освещении солнечными лучами слабого тумана, состоя­щего из капелек радиусом 0,025 мм или менее. Их называют туманными радугами. Кроме основной радуги в виде блестящей белой дуги с едва заметным желтоватым краем наблюдаются иногда окрашенные дополни­тельные дуги: очень слабая голубая или зеленая дуга, а затем белесовато-красная.

Аналогичного вида белую радугу можно увидеть, когда луч прожектора, 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 кап­лями 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 ливневого дождя объясняется низким уровнем освещения ночью, при ко­тором 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.

topref.ru

Смотрите также