Удивительный мир радуги

Муниципальное общеобразовательное учреждение
«Средняя общеобразовательная школа № 8»
Села Грушевского
Александровского района
Ставропольского края
Удивительный
мир радуги
Автор работы:
Хмызенко Артем
ученик 7 класса
Руководитель работы:
Плуталова
Елена Владимировна
учитель физики
2010 г.
2
Оглавление
1. Аннотация
стр. 3
2. Введение
стр. 4
3. Земная атмосфера как оптическая система.
стр. 6
4. Радуга как атмосферное оптическое явление:
а) какова причина радуги
стр. 7
б) физика радуги
стр. 9
в) виды радуги
стр. 11
г) необычные радуги
стр. 14
д) радуга в нашей жизни
стр. 16
5. Заключение
стр. 17
6. Литература
стр. 18
3
Аннотация
С малых лет нас привлекает яркое, необычное, таинственное. Мы с
восторгом замечаем, как после дождя в небе появляется семицветное чудо –
радуга. Возникают вопросы: как природа могла сотворить такую красоту,
почему радуга редко появляется и быстро исчезает, можно ли увидеть радугу
ночью, одинаково ли ее видят все люди?
Работа «Удивительный мир радуги» раскрывает суть природного
явления.
Первая теоретическая часть дает научное обоснование теории радуги.
Вторая – основная часть – описывает наблюдения, опыты.
Автор показывает, как можно получить радугу в лаборатории,
рассматривает условия появления радуги, выясняет причины необычных
радуг, многообразие этого удивительного явления.
4
Вот луч, покатясь с паутины, залег
В крапиве, но кажется, это ненадолго,
И миг недалек, как его уголек
В кустах разожжет и выдует радугу.
Б. Пастернак
С нетерпением ждем во время дождя появление солнечного лучика,
который породит долгожданную радугу.
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!»
В Библии радуга появилась после всемирного потопа как символ
прощения человечества, и является символом союза (на иврите — брит) Бога
и человечества (в лице Ноя) о том, что потопа никогда больше не будет
(глава бейрешит).
Изучая физику, я заинтересовался этим явлением, захотелось подробнее
рассмотреть теорию радуги и поделиться своими открытиями.
Объект исследования: радуга
Область исследования: физика
Цель исследования: изучение природного явления – радуги, причины
возникновения, ее разновидности.
5
Задачи:
 выяснить причину возникновения радуги, используя теоретический
материал учебников, справочников по физике, энциклопедических
статей и материалов, помещенных в Интернете;
 на опыте убедиться в справедливости теории радуги;
 провести опрос очевидцев о характерных наблюдениях явления;
 найти материал об использовании символа радуги в нашей жизни.
Методы исследования: наблюдения, эксперимент, описание объекта.
6
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.
Научное объяснение радуги впервые дал Рене Декарт в 1637 г. Декарт
объяснил радугу на основании законов преломления и отражения солнечного
света в каплях выпадающего дождя. В то время еще не была открыта
дисперсия — разложение белого света в спектр при преломлении. Поэтому
радуга Декарта была белой.
Рисунок из работы Р. Декарта, поясняющий наблюдение радуги
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.
Наша планета окружена газовой оболочкой, которую мы называем
атмосферой. Обладая наибольшей плотностью у земной поверхности и
постепенно разрежаясь с поднятием вверх, она достигает толщины более
сотни километров. И это не застывшая газовая среда с однородными
7
физическими данными. Наоборот, атмосфера земли находится в постоянном
движении. Под воздействием различных факторов, её слои перемешиваются,
меняют плотность, температуру, прозрачность, перемещаются на большие
расстояния с различной скоростью.
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 самым, различные атмосферные явления. Наиболее необычные
красочные из них это солнечный закат, радуга, северное сияние.
Остановимся на одном из них.
Радуга — атмосферное оптическое и метеорологическое явление,
наблюдаемое обычно после дождя или перед ним. Оно выглядит как дуга или
окружность, составленная из цветов спектра. Глядя снаружи — внутрь дуги:
красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Эти
семь цветов — основные, которые принято выделять в русской культуре, но
следует иметь в виду, что на самом деле спектр непрерывен, и цвета эти в
радуге переходят друг в друга с плавным изменением через множество
промежуточных оттенков.
Радуга возникает из-за того, что солнечный свет испытывает
преломление в капельках воды, взвешенных в воздухе. Эти капельки поразному отклоняют свет разных цветов, в результате чего белый свет
разлагается в спектр. Наблюдателю кажется, что из пространства по
концентрическим дугам исходит разноцветное свечение (при этом источник
яркого света всегда находится за спиной наблюдателя).
Радуга наблюдается в стороне, противоположной Солнцу, на фоне
дождевых облаков или дождя. Разноцветная дуга обычно находится от
наблюдателя на расстоянии 1-2 км, а иногда ее можно наблюдать на
8
расстоянии 2-3 м на фоне водяных капель, образованных фонтанами или
распылителями воды.
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.
Радуга представляет собой каустику, возникающую из-за преломления
и отражения плоскопараллельного пучка света на сферической капле.
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, 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.
Схема образования красного луча Декарта
9
Можно рассмотреть простейший случай:
пусть на капли, имеющие форму шара,
падает
пучок
параллельных
солнечных
лучей. Луч, падающий на поверхность капли
в точке А, преломляется внутри нее по
закону преломления: n1 sin α= n2 sin β, где
n1=1, n2≈1,33 – соответственно показатели
преломления воздуха и воды, α – угол
падения, а β – угол преломления света.
Внутри капли луч идет по прямой АВ. В
точке В происходит частичное преломление луча и частичное его отражение.
Надо заметить, что, чем меньше угол падения в точке В, а следовательно и в
точке А, тем меньше интенсивность отраженного луча и тем больше
интенсивность преломленного луча.
Луч АВ после отражения в точке В, происходящего под углом β, попадает
в точку С, где также происходит частичное отражение и частичное
преломление света. Преломленный луч выходит из капли под углом γ, а
отраженный может пройти дальше, в точку D и т. д. Таким образом, луч
света в капле претерпевает многократное отражение и преломление. При
каждом отражении некоторая часть лучей света выходит наружу и
интенсивность их внутри капли уменьшается. Наиболее интенсивным из
выходящих в воздух лучей является луч, вышедший из капли в точке В. Но
наблюдать его трудно, так как он теряется на фоне ярких прямых солнечных
лучей. Лучи же, преломленные в точке С, создают в совокупности на фоне
темной тучи первичную радугу, а лучи, испытывающие преломление в точке
D дают вторичную радугу, которая менее интенсивна, чем первичная.
Чаще всего наблюдается первичная радуга, при которой свет
претерпевает одно внутреннее отражение. В первичной радуге красный цвет
находится снаружи дуги, её угловой радиус составляет 40—42°.
10
Ход лучей в капле воды: а - при одном отражении, б - при двух отражениях
Первичная радуга
11
Иногда можно увидеть ещё одну, менее яркую радугу вокруг первой.
Это вторичная радуга, в которой свет отражается в капле два раза. Во
вторичной радуге «перевёрнутый» порядок цветов — снаружи находится
фиолетовый, а внутри красный. Угловой радиус вторичной радуги 50—53°.
Небо между двумя радугами обычно имеет заметно более тёмный оттенок.
Вторичная радуга
12
Схема образования радуги.
1) сферическая капля;
2) внутреннее отражение;
3) первичная радуга;
4) преломление;
5) вторичная радуга;
6) входящий луч света;
7) ход лучей при формировании первичной радуги;
8) ход лучей при формировании вторичной радуги;
9) наблюдатель;
10-12) область формирования радуги.
13
Прохождение
солнечных
лучей
через
каплю
сопровождается
дисперсией – капли «работают» как миниатюрные призмы, разлагая свет на
цвета спектра, от красного до фиолетового. Показатель преломления воды
для
более
длинноволнового
(красного)
света
меньше,
чем
для
коротковолнового (фиолетового), поэтому красный свет меньше отклоняется
при
преломлении.
Существуют
компьютерные
программы,
которые
позволяют рассчитать угол Декарта для каждой длины волны. Следует
подчеркнуть, что разные цвета радуги получаются от разных капель. Красная
полоса – от тех, что висят выше, а фиолетовая – от капель, висящих ниже.
Очевидно, что все промежуточные цвета радуги (оранжевый, жёлтый,
зелёный, голубой и синий) будут находиться между фиолетовой и красной
полосами радуги в соответствии с их показателями преломления.
Каждый, наверное, замечал, что радуга внутри гораздо ярче, чем
снаружи. Это легко объяснить, если 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.
Подобие радуги я получил на таком опыте: колбу, наполненную водой,
осветил лампой через отверстие в белой доске. На доске отчетливо
становится видна радуга, причем угол расхождения лучей по сравнению с
начальным направлением составил около 41°- 42°.
В естественных условиях экрана нет, изображение возникает на
сетчатке глаза, и глаз проецирует это изображение на облака.
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.
Центр окружности, которую описывает радуга, всегда лежит на
прямой, проходящей через солнце и глаз наблюдателя, то есть одновременно
14
видеть солнце и радугу без использования зеркал невозможно. Для
наблюдателя на земле она обычно выглядит как часть окружности, чем выше
точка зрения, тем радуга полнее — с горы или самолёта можно увидеть
перевернутую радугу и целую окружность.
В яркую лунную ночь можно рассмотреть радугу от Луны. Поскольку
человеческое зрение устроено так, что при слабом освещении наиболее
чувствительные рецепторы глаза — «палочки»— не воспринимают цвета,
лунная радуга выглядит белесой; чем ярче свет, тем «цветнее» радуга (в её
восприятие включаются цветовые рецепторы — «колбочки»).
Феномен лунной радуги наблюдается всего в нескольких местах в
мире. Водопады в Камберленде, около Уильямсберга, штат Кентукки США;
Ваймеа, Гаваи и Водопад Виктория на границе Замбии и Зимбабве широко
известны как места частых наблюдений лунных радуг.
На территории Йосемитского Национального Парка в Соединённых
Штатах находится большое количество водопадов. В результате в парке тоже
наблюдаются лунные радуги, особенно при весеннем повышении уровня
воды от тающего снега.
Также известны огненные радуги, возникающие на перистых облаках.
Красивое зрелище представляет собой радуга на росе. Ее можно
наблюдать при восходе Солнца на траве, покрытой росой. Эта радуга имеет
форму гиперболы.
Почему радуга так быстро исчезает? 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. Все построения Декарта и наши были сделаны в
рамках геометрической оптики. Как мы знаем, геометрическая оптика
15
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.
При изучении теории радуги у меня невольно возник вопрос: Для
стоящих рядом людей радуги одинаковые? По опросам очевидцев я сделал
вывод: нет, никогда. Радуга, так же как и солнечные, и лунные дорожки,
принадлежит к «призракам, идущим за тобой». Мы отходим – радуга
перемещается за нами 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.
Я считаю, что детские впечатления об увиденном и пережитом не
оставляют нас и во взрослой жизни. Радуга встречается не только как
природное явление, этот символ используют для выражения эмоций, чувств.
Ее яркость привлекает внимание.
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.
В Древнем Перу (империи инков) проводилась связь радуги со
священным Солнцем, и правители инков носили её изображение на своих
гербах и эмблемах. Цвета радуги использовались в знамени империи инков.
Сегодня это официальный (с 1978 г.) флаг города Куско (Перу).
Ещё во время немецкой Крестьянской войны бундшу (нем. Bundschuh) и
радужный флаг стали символом Нового времени, надежды и изменений.
Известный немецкий реформатор Томас Мюнцер выбрал радугу символом
Вечного Божественного Союза. В апреле 1525 года был изготовлен белый
16
флаг длиной в 30 локтей. На знамени была размещена радуга, а также цитата
из библии: «Слово Бога вечно» (лат. Verbum domini maneat in etternum).
Радужный
флаг
в
современном
контексте
является
символом
толерантности, разнообразия, мира, надежды и тоски.
Организация
окружающей
по
среды
использует
защите
Гринпис
пятицветное
изображение радуги обычно на
белом фоне в качестве символа
охраны природы.
С 1961 года радужный флаг
используется в качестве флага
интернационального движения за мир: Bandiera della Pace. Альдо Капитини,
итальянский пацифист, создал флаг в нынешнем виде. У флага семь цветов.
Цвета расположены в обратном порядке: от фиолетового к красному.
Надпись PACE (от итал. мир), иногда с двух сторон. В зависимости от языка
надпись может варьироваться, например: Peace, Paix, Shalom и т. д. Флаг
впервые был использован на демонстрации за мир 24 сентября 1961 года.
Во время войны в Ираке в 2003 многие итальянцы последовали призыву
Pace da tutti i balconi (Мир со всех балконов) и повесили флаги на балконы и
стены домов. Было вывешено более миллиона флагов по всей Италии.
Протест против войны в Ираке. Милан 2003 г.
17
О радуге можно говорить бесконечно. Изучая теорию радуги, я узнала
о ней много нового и интересного. Мне не показалось это трудным. Радугу
можно объяснить на основе законов физики, которые изучаются в средней
школе.
Конечно, в атмосфере нашей планеты происходит значительно больше
оптических явлений, о которых говориться в этом реферате. Среди них есть
как хорошо знакомые нам и разгаданные учёными, так и те, которые ещё
ждут своих первооткрывателей. И нам остаётся лишь надеяться, что, со
временем, мы станем свидетелями всё новых и новых открытий в области
оптических атмосферных явлений, свидетельствующих о многогранности
обыкновенного светового луча.
18
Литература
1. «Физика в природе», Л. В. Тарасов, издательство «Просвещение»,
Москва, 1998 год.
2. «Оптические явления в природе», В. Л. Булат, издательство
«Просвещение», Москва, 1994 год.
3. «Беседы по физике, часть II» , М. И. Блудов, издательство
«Просвещение», Москва, 2002 год.
4. «Оптика и атмосфера», П. Р. Трубников и Н. В. Покусаев, издательство
«Просвещение» Санкт-Петербург 2002 год.
5. «Ещё раз о радуге», Трифонов Е.Д.. – Соросовский образовательный
журнал, 2000, т. 6, № 7.
6. «Кто творит радугу?», Гегузин Я.Е. – Квант, 1998, № 6.
7. «Открытая физика», интерактивный курс физики под редакцией
С.М.Козела
8. http://www.raduga.ru
9. http://ru.wikipedia.org
10.http://images.yandex.ru
11.http://festival.1september.ru