МБОУ «Каськовская основная общеобразовательная школа»

Куньинского района Псковской области

Чтения « Я и ХХI век»

«РАДУГА – это не всё так просто, как кажется на первый взгляд»

                                                              Автор: Алексеев Алексей Александрович

                                                                  МБОУ «Каськовская основная

                                                                    общеобразовательная школа»                                      

                                    VIII класс

                                                  Руководитель: Фоминова Лариса Александровна

                                                                      учитель математики и физики

                                                                    МБОУ «Каськовская основная

                                                                    общеобразовательная школа» 

Каськово  

СОДЕРЖАНИЕ

1.     Введение.---------------------------------------------------------------------3

2.     Как получается радуга?---------------------------------------------------7

3.     Как образуется радуга?----------------------------------------------------8

4.     Как увидеть радугу?--------------------------------------------------------10

5.     Почему в радуге нижний цвет – синий, а верхний – красный?---11

6.     Опыты с появлением радуги.--------------------------------------------13

7.     Почему небо внутри радуги всегда ярче, чем снаружи?-----------16

8.     Это интересно.--------------------------------------------------------------18

9.     Результаты исследования ------------------------------------------------22

10. Литература.------------------------------------------------------------------23

Методы исследования

·       Изучение теоретических источников

·       Наблюдение

·       Поисковый эксперимент

— претерпевшее изменение слово «рай-дуга», или Божья дуга.
(По словарю В.Даля)

Радуга — явление, которое вызывает в нас беспричинную радость.
Детей она радует своим многоцветьем. Удивительно, но радуга — это производная солнечного света. Света, который расслоился. Оказывается, свет «внутри» — разноцветный!

Как неожиданно и ярко
На влажной неба синеве
Воздушная воздвиглась арка
В своём минутном торжестве!
Один конец в леса вонзила,
Другим за облака ушла –
Она полнеба обхватила
И в высоте изнемогла.

 Рис. 1.

1.    Введение

Летом, наблюдая за радугой во время и после дождя, у меня возникало очень много вопросов: Что такое – РАДУГА? Когда её можно увидеть? Как она образуется? Почему бывает несколько радуг одновременно? Почему небо внутри радуги всегда ярче? Почему цвета располагаются всегда в одном порядке? Это меня так заинтересовало, что я решил найти ответы на них, и если будет возможно, то самому попробовать получить радугу.               

Что такое оптика?

Первые представления древних ученых о свете были весьма наивны. Считалось, что из глаз выходят особые тонкие щупальца и зрительные впечатления возникают при ощупывании ими предметов. Тогда под оптикой понимали науку о зрении. Именно такой точный смысл слова «оптика». В средние века оптика постепенно из науки о зрении превратилась в науку о свете. В современное время оптика - это раздел физики, в котором исследуется испускание света, его распространение в различных средах и взаимодействие с веществом. Для лучей света, идущих от солнца или других небесных светил, земная атмосфера представляет собой своеобразную оптическую систему с постоянно меняющимися параметрами. Оказываясь на их пути, она и отражает часть света, рассеивает его, пропускает его сквозь всю толщу атмосферы, обеспечивая освещённость земной поверхности, в определённых условиях, разлагает его на составляющие и искривляет ход лучей, вызывая, тем самим, различные атмосферные явления. Наиболее необычные красочные из них это солнечный закат, радуга, северное сияние, мираж, солнечное и лунное гало.

 РАДУГА - разноцветная дуга на небосводе. Наблюдается, когда Солнце освещает завесу дождя, расположенную на противоположной от него cтороне неба. Объясняется преломлением, отражением и дифракцией света в каплях дождя. Радуга - это красивое небесное явление - всегда привлекала внимание человека. В прежние      Рис. 2.                                              времена, когда люди еще мало знали об окружающем мире, радугу считали «небесным знамением». Так, древние греки думали, что радуга - это улыбка богини Ириды.

 В момент восхода солнца противосолнечная точка находится на линии горизонта, и радуга имеет вид полуокружности. По мере поднятия Солнца противосолнечная точка опускается под горизонт и размер радуги уменьшается. Она представляет собой лишь часть окружности. Чаще всего мы наблюдаем одну радугу. Нередки случаи, когда на небосводе появляются одновременно две радужные полосы, расположенные одна за другой; наблюдают и еще большее число небесных дуг - три, четыре и даже пять одновременно. Оказывается, что радуга может возникать не только от прямых лучей; нередко она появляется и в отраженных лучах Солнца. Это можно видеть на берегу морских заливов, больших рек и озер.                                   Три-четыре радуги - обыкновенные и отраженные - создают подчас красивую картину. Так как отраженные от водной поверхности лучи Солнца идут снизу вверх, то радуга, образующаяся в лучах, может выглядеть иногда совершенно необычно.                                                                                                               

Если радуга появляется вечером перед заходом Солнца, то наблюдают красную радугу. В последние пять или десять минут перед закатом все цвета радуги, кроме красного, исчезают, она становится очень яркой и видимой даже спустя десять минут после заката.   Красивое зрелище представляет собой радуга на росе. Ее можно наблюдать при восходе Солнца на траве, покрытой росой. Эта радуга имеет форму гиперболы.

 Рис. 3.

Радуга - всем известное оптическое явление в атмосфере; наблюдается,
когда солнце освещает пелену падающего дождя и наблюдатель находится
между солнцем и дождем. Явление это представляется в виде одной, реже -
двух концентрических светлых дуг, рисующихся на небосводе со стороны
падающего дождя и окрашенных концентрически в ряд "радужных" цветов. У радуги различают семь основных цветов, плавно переходящих один в другой. Вид дуги, яркость цветов, ширина полос зависят от размеров капелек воды и их количества. Большие капли создают более узкую радугу, с резко выделяющимися цветами, малые - дугу расплывчатую, блеклую и даже белую. Вот почему яркая узкая радуга видна летом после грозового дождя, во время которого падают крупные капли.

Внутренняя, наиболее часто видимая дуга окрашена с наружного края в
красный цвет, с внутреннего - в фиолетовый; между ними в обычном порядке
солнечного спектра лежат цвета: (красный), оранжевый, желтый, зеленый,
синий и фиолетовый. Вторая, реже наблюдаемая дуга лежит над первой,
окрашена обыкновенно более слабо и порядок расположения цветов в ней
обратный. Часть небосвода внутри первой дуги кажется обыкновенно очень
светлой, часть небосвода над второй дугой кажется менее светлой, кольцевое же пространство между дугами кажется тёмным.

 Рис.4.

Иногда наблюдаются еще дополнительные радуги, представляющие слабые цветные размытые полосы, окаймляющие верхнюю часть внутреннего края первой радуги и реже верхнюю часть внешнего края второй радуги.

Радуга – это частный случай каустики, игры света. Каустика – это сложная и порой очень красивая картина, создаваемая сходящимися световыми лучами в результате их (многократных) преломлений и отражений на поверхностях раздела сред с различной оптической плотностью. Простейшими случаями каустики могут служить яркая точка света в фокусе собирающей линзы; тонкий луч прожектора, в фокусе параболического зеркала которого находится точечный источник света; сложная световая фигура (кардиоида) внутри полого, открытого сверху цилиндра (например, чашки) при отражении света от его внутренней поверхности (рис. 5); дрожащие ячейки света на дне неглубокого водоёма (рис. 6); узкие лучи, получающиеся в результате отражений от поверхностей 2-го и более высоких порядков; солнечные и лунные дорожки на водной поверхности и, наконец, радуга на небе.

Рис. 5. Каустика в виде кардиоиды Рис. 6. Каустика на дне освещённого бассейна                          

 Рис.7.

Первая попытка объяснить радугу как естественное явление природы была сделана в 1611 г. архиепископом Антонио Доминисом. Он объясняет, что радуга появляется в результате отражения света от внутренней поверхности капли дождя и двукратного преломления – при входе в каплю и выходе из неё. Теоретическое объяснение радуги впервые дал знаменитый французский философ, математик, физик и физиолог Рене Декарт в 1637 г. Он считал, что причиной радуги являются маленькие капли (диаметром менее 1 мм) только что прошедшего дождя, удерживаемые тёплыми восходящими потоками воздуха. Лучи солнца претерпевают в каплях два преломления и одно отражение и возвращаются обратно к наблюдателю под определённым углом.

Проследим путь десяти параллельных лучей одного, скажем, красного, цвета, падающих на сферическую каплю воды (рис. 8), полагая, что показатель преломления на границе вода–воздух n = 1,32 (Декарт построил картину для 10 000 лучей!). Оказывается, что небольшая группа лучей (они выделены сплошными линиями) выходит из капли компактным пучком, образуя угол около 42° с направлением падающих солнечных лучей, а все остальные (обозначенные пунктирными линиями) расходятся широким веером, рассеиваются. В честь первооткрывателя этот компактный пучок называют лучом Декарта. Таким образом, стоя спиной к солнцу, наблюдатель под углом 42° к солнечным лучам увидит многократно усиленный луч красного цвета – красную полосу радуги. Существуют компьютерные программы, которые позволяют рассчитать угол Декарта для каждой длины волны. Итак, только благодаря сферической форме капли параллельный пучок монохроматического света преобразуется в хорошо выраженную окружность.

Рис. 8. Схема образования                      красного луча Декарта

 Рис.9.

Чтобы увидеть радугу, надо после дождя встать спиной к солнцу, т.к. центр её дуги находится на продолжении прямой, идущей от солнца к наблюдателю (рис. 10). Угловой размер радуги составляет около 42°, поэтому, когда высота солнца над горизонтом больше 42°, радуга не видна. Когда солнце находится над линией горизонта, большая часть радуги (см. стрелку внизу на рис. 10) и её центр скрыты от наблюдателя, и только на закате мы можем видеть всё полукружье. С вершины горы, под водопадом или из кабины летящего самолёта удаётся увидеть больше половины радуги, а иногда и весь её круг.

 Рис. 10. Схема образования радуги

 Рис.11.

Прохождение солнечных лучей через каплю сопровождается дисперсией – капли «работают» как миниатюрные призмы, разлагая свет на цвета спектра, от красного до фиолетового. На рис. 12 показан ход красного (n = 1,32, верхняя капля) и синего (n = 1,34, нижняя капля) лучей Декарта. Видно, что синий луч Декарта возвращается под углом 40,6°, а это значит, что синяя полоса в радуге будет находиться ниже, чем красная. Следует подчеркнуть, что разные цвета радуги мы получаем от разных капель. Красную полосу – от тех, что висят выше, а синюю – от капель, висящих ниже (так что мы и нарисовали две капли – из верхней в глаз наблюдателя попадёт красный луч, а из нижней – синий). Очевидно, что все промежуточные цвета радуги (оранжевый, жёлтый и зелёный) будут находиться между синей и красной полосами радуги в соответствии с их показателями преломления.

Рис. 12. Схема образования красного (под углом 42°) и синего (под углом   40,6°) лучей Декарта

 Рис. 13.

Опыт первый.

  Цель опыта: показать, что солнечный свет состоит из спектра, закрепить представление о семи цветах радуги.
Оборудование: таз, до краев наполненный водой; зеркальце, установленное в воде под углом 25°; источник света (солнце или настольная лампа).

В солнечный день поставим около окна таз с водой и опустим в него зеркало. Зеркало нуждается в подставке, так как угол между ним и поверхностью воды должен составлять 25°. Когда зеркальце «поймало» луч света, то на стене или на потолке возникла радуга. Это получилось в результате преломления луча в воде и его отражения от зеркала.

Примечание: этот опыт можно провести и вечером: тогда источником света выступит настольная лампа. Спектр получится в затемненном помещении.

Опыт второй

Оборудование: колба, наполненная водой; белая доска.                            Нужно колбу, наполненную водой, осветить солнечным светом или лампой через отверстие в белой доске. Тогда на доске отчетливо станет видна радуга, причем угол расхождения лучей по сравнению с начальным направлением составит  около  41°- 42°.

Примечание: В естественных условиях экрана нет, изображение возникает на сетчатке глаза, и глаз проецирует это изображение на облака.                       Получается некоторое подобие радуги.

Опыт третий

Оборудование: тарелка с водой, лак для ногтей, «удочка» для пленки.
Капнем в воду каплю лака. На поверхности воды образуется тонкая пленка. Ее нужно аккуратно снять при помощи специального приспособления — «удочки». Пленка лака будет играть 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 четвертый

Оборудование: трехгранная прозрачная призма.
Если рассматривать сквозь призму предметы белого цвета, они будут выглядеть цветными. С помощью призмы можно получить изображение радуги на стене.                       

                                                                                           Рис. 14.                             

Опыт пятый.

Оборудование: лист бумаги, хрустальный бокал.

Поставим хрустальный бокал на белый лист бумаги. Попробуем поймать бокалом солнечный свет. На листе бумаги появляются цветные полосы радуги.

Опыт шестой.

«Цветные кольца»

Оборудование: лист плотной бумаги, картон, чёрная тушь, волчёк.

Начертим чёрной тушью на листе плотной бумаги круг, на котором расположены полукруг и дуговые полосы. Наклеим её на картон и сделаем волчок. При вращении этого волчка вместо чёрных рисунков появятся разноцветные кольца (фиолетовый, розовый, голубой или зелёный, фиолетовый). Порядок расположения их меняется в зависимости от направления вращения волчка. Опыт лучше проводить при электрическом освещении.

 Рис. 15.

Каждый заметил, что радуга внутри гораздо ярче, чем снаружи. Это легко объяснить, если опять взглянуть на рис. 8 и обратить внимание на то, куда уходит большинство солнечных лучей, падающих на каплю. Видно, что все они рассеиваются по направлению к наблюдателю под углами, меньшими, чем луч Декарта. Это значит, что лучи, не вошедшие в луч Декарта, освещают небо под углами обзора, меньшими 42°, т.е. область внутри радуги.

 Рис. 16.

Почему иногда снаружи обычной радуги мы видим вторую, менее яркую, в которой порядок цветов обратный?             

 На рис. 17 стрелка указывает на тёмное пространство между двумя радугами – угловое расстояние составляет около 9°. 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 (рис. 18). Капельки, дающее начало «второй радуге», находятся выше тех, что служат источником «первой». В отличие от основной радуги, где капелька концентрирует пучок лучей (луч Декарта), падающих на её верхнюю поверхность, вторая радуга образуется из-за концентрации лучей, падающих на нижнюю поверхность капельки да ещё после двух преломлений и двух внутренних отражений. Свет, падающий на другие части этих капель, либо просто проходит через них, либо, преломляясь и отражаясь, остаётся для наблюдателя незаметным.

Рис. 17. Схема образования второй, внешней радуги с обращённым порядком расположения цветных дуг

Рис. 18. Схема образования красного (под углом 51°) и синего (под углом 53°) лучей Декарта, после двукратного полного внутреннего отражения

 Рис.19.Если бы капли всё время висели в воздухе, то можно было бы наблюдать радугу в течение всего времени, пока солнце опускается с высоты 42° над линией горизонта до заката и такой же промежуток времени после восхода. Ну а там, где солнце не поднимается выше 42°, радугой можно было бы наслаждаться целый день. Почему же этого не происходит? Да потому, что капли испаряются или, слившись друг с другом, падают на землю. На самом деле радуга исчезает задолго до того, как все капли превратятся в пар. Вспомните, все построения Декарта (и наши) были сделаны в рамках геометрической оптики.

Как вы знаете, геометрическая оптика справедлива, когда размеры объектов (в нашем случае – капель) гораздо больше длины волны (около 1 мкм). Поэтому, когда диаметр капель становится меньше 10 мкм, теория Декарта перестаёт работать, радуга становится слабой и бесцветной, а при дальнейшем уменьшении капли и вовсе исчезает.

Да, можно, но она будет не такой яркой, как солнечная, т.к. интенсивность света даже от полной Луны гораздо меньше, чем от Солнца, а при малой освещённости работают только чёрно-белые рецепторы нашей сетчатки (палочки), цветовые же рецепторы (колбочки) отдыхают. Вспомните поговорку «В темноте все кошки серы».

Нет, никогда. Радуга, так же как и солнечные, и лунные дорожки, принадлежит к «призракам, идущим за тобой». Вы отходите – радуга перемещается за вами на другой слой капель. Поэтому два стоящих рядом человека, даже левый и правый глаза одного и того же наблюдателя, получают радугу от различных капель. А т.к. диаметр и плотность капель может очень сильно меняться от места к месту, то и впечатления от радуги у стоящих рядом людей могут быть разными.

 Рис. 20.

Зимний вечер. Небольшой мороз - около 10°. Вы едете в трамвае (или в автобусе - всё равно). Окно начинает замерзать. Сквозь стекло уже ничего не разберёшь, но свет фонарей очень чёток. И вот в какой-то момент свет уличного фонаря вызывает на замёрзшем окне чудесную игру красок. Оттенки настолько чисты и красивы, что никакой художник не может их точно воспроизвести. Через несколько секунд слой льда на окне достигает толщины в несколько десятых долей миллиметра и цвета пропадают. Но это не беда. Сотрите рукой намёрзший слой и повторите наблюдение - цвета вновь появятся.

Обратите внимание: фонарь с лампой накаливания даёт пурпурно-изумрудный ореол, а лампа дневного света (ртутно-кварцевая) окружена ореолом жёлто-фиолетовых цветов. Это явление сродни тому, какое мы наблюдаем, рассматривая переливающийся всеми цветами радуги мыльный пузырь.

Для этого придумана специальная фраза:

КАЖДЫЙ    ОХОТНИК         ЖЕЛАЕТ   ЗНАТЬ         ГДЕ               СИДИТ   ФАЗАН КРАСНЫЙ  ОРАНЖЕВЫЙ  ЖЁЛТЫЙ  ЗЕЛЁНЫЙ  ГОЛУБОЙ  СИНИЙ  ФИОЛЕТОВЫЙ

 Рис. 21.

 После моих наблюдений за радугой, изучения научной и справочной  литературы, я узнал, что радуга - это не просто разноцветное сияние в небе, а разложение солнечного света на спектры после прохождения через капли воды. Получается, что свет –                        Рис. 22.                                                                                                                              это смесь всех цветов. Лучи  разных  цветов преломляются   по-разному: фиолетовые отклоняются сильнее, синие, зелёные, жёлтые – послабее, красные – меньше всего. Ещё я понял, что вид дуги, яркость цветов, ширина полос зависят от размеров капелек воды и их количества.                                                                                                  Проделав опыты, я выяснил, что радугу можно получить и в домашних условиях, где нет дождя, что ещё раз доказывает то, что световые лучи в результате их многократных преломлений и отражений разлагаются на различные цвета. Стало очевидно, что радуга – это не простое оптическое явление, как кажется на первый взгляд. На протяжении многих веков учёные занимаются исследованием разложения света на спектры для того, чтобы понять, почему на небе видны разноцветные полосы и почему они расположены всегда в одном порядке. А для тех, кто не вникал в суть возникновения радуги, это останется загадкой.

Литература

1. Гегузин Я.Е., Кто творит радугу?, Квант, 1988, № 6.

2. Тарасов Л. В., Физика в природе, М.: Просвещение, 1988 г.

3. Булат В. Л., Оптические явления в природе, М.: Просвещение , 1974 г.

4. Блудов М. И., Беседы по физике, часть II, М.: Просвещение, 1985 г.

5. Мякишев Г. Я. , Буховцев Б. Б.,  Физика 10, М.: Просвещение , 1987 г.

6. Шахмаев Н. М., Шахмаев С. Н., Шодиев Д. Ш., Физика 11, М.: Просвещение, 1991 г.

7. Трубников П. Р., Покусаев Н. В., Оптика и атмосфера, Санкт-Петербург: Просвещение, 2002 г.

8. Web-сайты: www.arfp/intro/.ru; www.fizika/optika/mirazh;