Радуга с точки зрения физики. Реферат явление радуги с точки зрения физики

Радуга с точки зрения физики

При образовании радуги роль вышеописанной призмы P выполняет капля воды, точнее, множество капель, парящих в атмосфере. Солнечный свет преломляется и отражается капельками, в результате чего происходит его разложение в спектр. Радуга представляет собой цветную дугу, возникающую при преломлении и отражении (внутри капли) плоскопараллельного пучка света на сферической капле. Рассмотрим подробнее преломления и отражения, происходящие с лучом света в капле воды.

Пусть параллельный пучок солнечных лучей падает на каплю радиуса R. Введем отношение , называемое прицельным параметром луча. При этом - расстояние от данного луча до параллельной ему прямой, проходящей через центр капли.

Рис.3. Пучок лучей, падающий на каплю.

Если предположить, что все лучи имеют одну и ту же длину волны, то можно сказать, что лучи с одинаковыми прицельными параметрами будут описывать в капле аналогичные траектории и, соответственно, выходить из нее под одним углом к первоначальному направлению. На рисунке ниже приведем ход луча. Собственно, луч в капле может испытывать любое число внутренних отражений, а преломлений у каждого луча два — при входе и при выходе из капли. Часть энергии луча, преломившись, выходит из капли, часть, испытав внутреннее отражение, снова идет внутри капли до очередного места отражения. Здесь снова часть энергии луча, преломившись, выходит из капли, а некоторая часть, испытав второе внутреннее отражение, идет через каплю и т. д.

Рис.4. Ход луча в капле.

На каплю падают лучи со значениями прицельного параметра от 0 до 1, и, естественно, выходят из нее под разными углами. Угол непосредственно зависит от величины прицельного параметра.

Рис.5. Зависимость от для желтого цвета.

Таким образом, наиболее яркими будут видны те лучи, которые попадают в район максимума кривой, показанной на рисунке выше.

Итак, отражённый свет имеет максимальную интенсивность для определённого угла между источником, каплей и наблюдателем, т.е., можно сказать, что наибольшая интенсивность преломленного света, выходящего из капли, наблюдается под определенным углом. Большая часть света выходит из капли, развернувшись практически точно на один и тот же угол .

Рис.6. Траектории лучей с разными прицельными параметрами.

«Яркие» лучи от разных капель образуют конус с вершиной в зрачке наблюдателя и осью, проходящей через наблюдателя и Солнце.

Как уже отмечалось выше, свет различных длин волн отклоняется на различные углы. Красный свет отклоняется на 137° 30/, а фиолетовый на 139°20/. Соответственно, если наблюдатель посмотрим в противоположную от солнца сторону, то в круге, отстоящем от условного центра («противосолнца») на 42°30/ он увидит капли, светящиеся красным светом, а в круге, отстоящем на 40°40/ − фиолетовым. Все прочие цвета расположатся между ними, и образуют собственно радугу, − светящийся круг (или дугу), в котором снаружи внутрь идут цвета: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый.

Собственно, наблюдаемая нами радуга мозаична, т.е. состоит из множества радуг, образованных в отдельности каждой каплей. Однако, как уже отмечалось выше, 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. Наблюдатель, который стоит спиной к источнику света, видит разноцветное свечение, которое исходит из пространства по концентрическим окружностям (дугам).

Для одного отражения внутри капли угол имеет одно значение, для двух — другое, и т. д. В соответствии с этим образуется первичная (радуга первого порядка), вторичная (радуга второго порядка) и т. д. радуга. Первичная радуга — самая яркая, она уносит из капли большинство света и имеет угловой радиус . Вторичная радуга, образованная светом, отраженным в каплях два раза, имеет угловой радиус . Радугу большего порядка обычно не удаётся увидеть, так как она очень слаба. Радуга третьего порядка уже является очень редким в природе явлением. Так, за последние 250 лет было зафиксировано только пять научных наблюдений этого явления [2].

.

Заключение.

В данной работе было рассмотрено явление радуги с точки зрения физики. Также были рассмотрены непосредственно физические явления, лежащие в основе образования радуги.

Радуга представляющая собой цветную дугу (окружность), является следствием разложения в спектр солнечного света во взвешенных в атмосфере каплях воды. Цвета радуги имеют сплошной спектр, однако в европейской культуре традиционно принято выделять 7 основных цветов радуги: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый)

Список использованных источников

1. «Элементарный учебник физики. Колебания и волны. Оптика. Ядерная физика.» Под. ред Г.С. Ландсберга

2. http://ru.wikipedia.org/wiki/

Введение

Наверное, первое воспоминание о радуге у каждого человека связано с его детством. Именно в это беззаботное и прекрасное время жизни люди начинают знакомиться с окружающим миром и его явлениями. Конечно же, сильное впечатление производит радуга – красивая, но в то же время пока еще таинственная и непонятная. Радугу можно заметить не только после дождя – в летний солнечный день, распыляя, например, воду из пульверизатора, также можно наблюдать радугу.

Естественным образом возникает вопрос: каковы причины и механизм возникновения радуги. В данной работе явление радуги будет рассмотрено с точки зрения физики, в частности, будут рассмотрены те физические явления, благодаря которым она возникает.

История исследований радуги

Прежде, чем мы начнем рассмотрение самих физических явлений, лежащих в основе появления радуги, рассмотрим некоторые аспекты истории исследования этого явления. Однако, вначале следует дать определение самому понятию радуга.

Радуга - атмосферное оптическое и метеорологическое явление, наблюдаемое при освещении Солнцем (иногда Луной) множества водяных капель (дождя или тумана). Радуга выглядит как разноцветная дуга или окружность, составленная из цветов спектра (от внешнего края внутрь: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый). Собственно, эти цвета и упоминаются в знаменитой поговорке: «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан». Однако, следует учитывать, что на самом деле спектр радуги непрерывен, и цвета переходят друг в друга плавно, через множество оттенков.

Фактически, научное объяснение радуги было дано, с точки зрения истории, не так уж и давно, хотя люди наблюдали превосходные (радужные) цвета радуги с незапамятных времен и, в принципе, имели представление о том, что образование радуги связано с освещением дождевых капель.

Первым, кто, по всей видимости, применил научный подход к исследованию радуги, был персидский астроном Кутб ад-Дин аш-Ширази (1236—1311)

Спустя несколько веков, в 1611 г., хорватский ученый Марк Антоний де Доминис в своем труде на основании опытных наблюдений пришёл к заключению, что радуга получается в результате отражения от внутренней поверхности капли дождя и двукратного преломления светового луча — при входе в каплю и при выходе из неё.

Ответ на вопросы, связанные с формой, а также угловыми размерами радуги на небесном своде, дал французский физик Рене Декарт (1596-1650), который наблюдал явление искусственой радуги на водяной пыли фонтанов и проводил опыты по получению радуги с помощью стеклянных шаров, наполненных водой.

Наконец, Исаак Ньютон в своём трактате «Оптика» дополнил теорию Декарта и де Доминиса тем, что разъяснил причины возникновения цветов радуги.

Рис.1. Радуга

Опыт Ньютона, позволивший объяснить природу цветов радуги.

Естественно, вопрос о причинах различной окраски тел занимал ум человека уже очень давно. Вплоть до начала исследований Ньютона было накоплено множество наблюдений – как житейских, так и научных – касающихся этого вопроса. Например, считалось, что цвет является свойством самого тела, хотя, отмечалось, что в зависимости от времени дня или условий освещенности в цвете тел выявляются значительные отличия. Также существовало мнение, что различные цвета появляются в результате «смешивания» света и темноты. Конечно же, с точки зрения современности эти гипотезы кажутся забавными.

Игра цветов в граненых алмазах и стеклянных призмах также была известна. Однако связь наблюдавшихся явлений не была очевидна, и все исследования находились на уровне наблюдений и ложных гипотез. Сопоставить все эти разнообразные явления и выявить полную и истинную суть вещей удалось Исааку Ньютону. Именно его исследования позволили объяснить происхождение цвета, а в том числе, связь цветов радуги с таким явлением, как дисперсия.

Дисперсия света (разложение света) — это явление, обусловленное зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от частоты (или длины волны) света (частотная дисперсия), или, что то же самое, зависимость фазовой скорости света в веществе от длины волны (или частоты). Рассмотрим опыт, проведенный Исааком Ньютоном.

Ньютон исследовал цвета, наблюдаемые при преломлении света, в связи с попытками улучшения телескопов. Отметим, однако, что дисперсия света была открыта Ньютоном экспериментально, а наиболее полное теоретическое объяснение получила значительно позднее

Рис.2. Опыт Ньютона.

В данном опыте свет от фонаря освещает узкое отверстие (щель). При помощи линзы L изображение щели получается на экране MN в виде короткого белого прямоугольника . Однако, если поместить на пути лучей призму P, ребро которой параллельно щели, обнаруживается, что изображение самой щели смещается и приобретает вид окрашенной полоски, переходы цветов в которой от красного к фиолетовому подобны наблюдаемым в радуге. Ньютон назвал полученное изображение спектром. Ученый также обнаружил, что при направлении на призму не белого, а цветного света, изображение щели сводится к цветному прямоугольнику, находящемуся в соответствующем месте спектра. Т.е. в зависимости от цвета, свет отражается на различные углы от первоначального изображения .

Таким образом, можно сказать, что свет разных цветов характеризуется различными показателями преломления в данном веществе, или, принимая во внимание, что разным цветам соответствуют различные длины волн – показатель преломления вещества зависит од длины световой волны и увеличивается по мере увеличения длины волны. Сопоставляя наблюдения, Ньютон также сделал вывод о том, что солнечный свет есть совокупность простых цветов, которая при помощи призмы разлагается, давая спектральное изображение щели [1].