Любимая шутка солнечного луча

Презентация по физике для внеклассного мероприятия
Авторы: Маршакова Екатерина и
Петрова Юлия, 11 Б класс, МАОУ СОШ №4
им. И.С.Черных г. Томска.
Руководитель: Лебедева Н. Ю.
1
О, в этом радужном виденье
Какая нега для очей!
Оно дано нам на мгновенье,
Лови его, лови скорей!
2
1. Немного истории
2. Как возникает радуга.
2.1. Разложение белого света в призме
2.2. Теория Декарта – Ньютона,
современная теория радуги
2.3. Вторичная радуга
2.4.Александрова лента
2.5. Необычные радуги
3. Это интересно. Литература
3
4
Уже Аристотель, древнегреческий философ, пытался
объяснить причину радуги. Он определил, что "радуга
- это оптическое явление, а не материальный объект".
Аристотель предположил, что радуга возникает в
результате необычного отражения лучей солнечного
света от облаков.
Персидский астроном Qutb alDin al-Shirazi (1236—1311), а
возможно, его ученик Kamal aldin al-Farisi (1260—1320),
видимо, был первым, кто дал
достаточно точное объяснение
феномена.
5
Первым, кто измерил угол этой красивой дуги, был
ученый Р. Бэкон. Он измерил его в 1266 году. Угол
оказался примерно равным 42градуса.
Первым понял причину радуги
немецкий монах Теодорик из
Фрайберга, в 1304 г. воссоздавший
ее на сферической колбе с водой.
Однако открытие Теодорика было
забыто.
6
Общая физическая картина радуги была описана в 1611 году
архиепископом Марком Антонием де Доминисом в книге «De radiis
visus et lucis in vitris perspectivis et iride».
На основании опытных наблюдений он пришёл к
заключению, что радуга получается в результате
отражения от внутренней поверхности капли дождя и
двукратного преломления — при входе в каплю и при
выходе из нее. 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.
Рисунки из
трактата де
Доминиса «De
radiis visus et lucis
in vitris perspectivis
et iride»
7
Рене Декарт дал более полное объяснение радуги в своем труде
"Метеоры" в главе "О радуге" (1635).
Декарт обнаружил, что вторая (внешняя) радуга возникает в результате двух
преломлений и двух отражений. Он также качественно объяснил появление
цветов радуги, сравнивая преломление света в капле с преломлением в
стеклянной призме. Но главная заслуга Декарта заключалась в том, что он
количественно объяснил это явление, впервые
используя закон преломления света.
Декарт не только вычисляет ход лучей, но и
определяет угловое распределение интенсивности
рассеянного каплями света.
Рисунок из работы Р.
Декарта,
поясняющий
наблюдение радуги
8
Исаак Ньютон показал, что белый свет состоит из
света всех цветов радуги, которая может
разделиться на весь спектр цветов, отвергая теории,
что цвета были получены посредством
модификации белого света. Он также показал, что
красный свет преломляется меньше синего света,
которые привели к первому научному объяснению
основных особенностей радуги.
Страницы
из «Начал»
Ньютона
(3-е изд.,
1726)
9
Более точная теория была разработана в 1838 году
английским астрономом Дж. Эйри и в конце 19 в. развита
австрийским геофизиком Й. М. Пернтером. Эта теория
основана на расчете явлений дифракции и
интерференции, сопровождающих встречу солнечных
лучей с решеткой, образуемой дождевыми каплями,
которые принимались в этой теории за дифракционную
решётку.
Дж. Эйри
Схема
определения
вершины и
центра радуги
10
Дальнейшими исследованиями волновой и
электромагнитной природы радуги занимались разные
ученые. Одним из них был Теодор Редже , который в 60-е
годы прошлого столетия занимался теорией рассеивания
ядерно-активных частиц и методом комплексных угловых
моментов.
Т. Редже
Х. Нуссенцвейг в 1978 году
перенес идеи метода
комплексных угловых
моментов на теорию радуги.
Содержание
11
12
Свет состоит из сочетания нескольких цветов: красного, оранжевого, желтого,
зеленого, синего, голубого и фиолетового. Белый свет, проходящий через призму,
на другой стороне отражается всеми цветами радуги. Но для того чтобы понять
что такое радуга, необходимо разобраться в том, что происходит внутри призмы
и как белый свет излучает столько цветов.
Призма – это трехгранник, обычно из
прозрачного стекла или пластика. Призма
«рисует» мини-радугу за счет разложения
сложного света в спектр, когда узкая
полоска белого света попадает на одну из
граней треугольника.
Преломление света при его переходе в
среду с иной оптической плотностью.
13
Рассеивание света в призме происходит за счет коэффициента преломления
стекла. Каждый материал имеет свой отличительный коэффициент преломления.
Когда свет проходит через материал (например, свет, движущийся по воздуху и
попадающий в стеклянную призму), разница показателей преломления воздуха
и стекла заставляют свет гнуться. Угол изгиба отличается от длины волны света. И
поскольку белый свет проходит через две плоскости призмы, разные цвета
гнуться (преломляются) и появляется нечто вроде радуги.
Схема разложения белого света с
помощью призмы. Различным цветам
соответствуют волны различной длины.
Никакой определенной длины волны
белому свету не соответствует.
Содержание
14
Для объяснения радуги мы пока и ограничимся теорией Декарта — Ньютона,
которая подкупает своей удивительной наглядностью и простотой.
После дождя в воздухе
остается много мельчайших
капелек воды, имеющих форму
шара. Когда луч света падает на
такую капельку, он
преломляется на поверхности
капельки, затем отражается от
ее внутренней поверхности и
при выходе из воды в воздух
преломляется еще раз.
15
Четыре варианта «судьбы» светового луча в капле
Свет, упавший на каплю воды,
может отразиться от ее
поверхности (линия 1),
преломиться на границе, пройти
внутрь капли, снова преломиться
и выйти наружу (2) или же
претерпеть внутреннее
отражение и только после этого
покинуть каплю (3).
Владислав Сыщенко,
докт. физ-мат. наук, Белгородский государственный
национальный исследовательский университет
«Троицкий вариант» №3(97), 14 февраля 2012 года
16
Зависимость угла отклонения светового луча от прицельного расстояния для
третьей ветви функции отклонения. Максимум достигается при значении
прицельного параметра около 7/8 радиуса капли.
Именно эта третья ветвь
функции отклонения луча
обладает важным
свойством: угол рассеяния
достигает экстремума при
некотором не равном нулю
значении прицельного
расстояния br.
17
Ход световых лучей, падающих на каплю под разными прицельными
расстояниями, для третьей ветви функции отклонения. Проведя вычисления для
10 000 лучей, Декарт открыл существование предельного угла отклонения и
сгущение лучей по мере приближения к нему.
Именно такое поведение приводит к
возникновению радужного рассеяния:
световые лучи будут сгущаться по мере
приближения угла рассеяния к углу
радуги θr, а область θ > θr будет
соответствовать геометрической тени.
18
Для водяной капли в воздухе этот угол
составляет приблизительно 42°. Таким
образом, капля, подсвеченная солнцем,
будет ярко «светить» назад по образующей
конуса с соответствующим углом раствора.
Свет, исходящий от таких капель, создаст
для находящегося в подходящем месте
наблюдателя яркую дугу.
Показатель преломления воды для более
длинноволнового (красного) света меньше,
чем для коротковолнового (фиолетового),
поэтому красный свет меньше отклоняется
при преломлении.
19
Вид радуги, яркость цветов, ширина полос зависят от размеров и
количества водяных капель в воздухе. Яркая радуга бывает летом после
грозового дождя, во время которого падают крупные капли. Как правило,
такая радуга предвещает хорошую погоду.
Над широкой над рекой
Светит радуга дугой
И спускается, ну прямо,
В лес прибрежный предо мной!
Я по радуге бегу,
Улыбаясь на бегу,
И нарадоваться этим,
Этим чудом не могу!
Содержание
20
Чаще всего наблюдается первичная радуга, при которой свет претерпевает
одно внутреннее отражение. В первичной радуге красный цвет находится
снаружи дуги, её угловой радиус составляет 40—42°.
Иногда можно увидеть ещё одну, менее
яркую радугу вокруг первой. Это вторичная
радуга, в которой свет отражается в капле
два раза. Во вторичной радуге
«перевёрнутый» порядок цветов — снаружи
находится фиолетовый, а внутри красный.
Угловой радиус вторичной радуги 50—53°.
Небо между двумя радугами обычно имеет
заметно более тёмный оттенок.
21
В твоих видениях и снах, ажурная, сквозная,
она привиделась, как знак, та радуга двойная.
Две полусферы, как фантом, Божественная
шутка!
Под ними, словно под мостом, проедешь на
маршрутке.
С работы едешь ты домой, забот иных не
зная.
А после вспомнишь: «Боже мой, а радуга –
двойная…»
Два полукружья: два в одном.
а радуга вторая –лишь образ первой, ярким
сном
привидится, как знак, фантом, подругу
повторяя.
Якоб Айгеншарф
22
Схема образования первичной и вторичной 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.
23
Как уже говорилось, условия концентрации по некоторым направлениям в
пространстве лучей, вышедших из капли, соответствуют экстремумам в
зависимости угла поворота луча (180 – ϕ) от так называемого прицельного
угла падения α. Для второй радуги ϕ = 51°.
С. Варламов «Почему радуги бывают разными»
Элементы. Библиотека.
http://elementy.ru/lib/431991?page_design=print
24
Графики зависимости углов ϕ от углов α в градусах
Видно, что экстремумы приходятся как раз на значения углов ϕ = 42° и ϕ = 51°.
Поскольку разным цветам соответствуют разные коэффициенты
преломления n — направления в пространстве, вблизи которых
концентрируются лучи света, для разных длин волн не совпадают, и мы видим
радугу цветной. Например, первая яркая радуга имеет угловой «размах»
около 3,5°.
Из рисунка видно, что для одного
отражения внутри капли
экстремум это максимум, а для
двух отражений внутри капли —
минимум, поэтому понятно,
почему порядки цветов в первой и
второй радугах (42° и 51°)
противоположные.
Содержание
25
Расстояние между двумя радугами назвали «Александровой лентой» или
«полосой Александра» — по имени ученого Александра Афродисийского,
который и описал этот феномен в 200-м году нашей эры.
Полоса Александра заметно темнее
остального неба. Возникает из-за различий
в угловых распределениях
интенсивности света, рассеиваемого
каплями воды при одно- и двукратном
внутреннем отражении в них. Однократно
отражённый свет первичной радуги
освещает небо «под» радугой, а двукратно
отражённый свет освещает наружную часть
неба. Для наших глаз это выглядит так,
будто небо между первичной и вторичной
радугами темнее остального неба.
26
Рассеяние света каплей воды при однократном отражении
Важно отметить, что наибольшую
интенсивность имеют крайние лучи, то есть
те, что формируют образующую светового
конуса, а интенсивность всех остальных
лучей существенно меньше.
Рассеяние света каплей воды при двукратном отражении
Так же, как и в предыдущем случае, крайние
лучи имеют наибольшую интенсивность.
Эти лучи, направленные под углом 50,9° к
направлению от капли на солнце, и
формируют радугу второго порядка
(вторичную радугу).
27
Таким образом, получается, что в результате одно- и двукратных отражений
света в каплях воды относительно светлыми оказываются те области неба,
что расположены внутри первичной и снаружи вторичной радуг, а область
между ними остаётся тёмной. Данная область, имеющая вид дуги с угловой
шириной около 9°, и представляет собой полосу Александра.
Содержание
28
Сдвоенные радуги
Сдвоенные радуги очень редки и не
являются аналогами двойной радуги.
Сдвоенная радуга состоит из двух дуг радуг,
которые берут своё начало из одной точки.
Такой тип радуг возникает, когда во время
дождя падают как большие, так и
маленькие капли. Большие капли из-за
сопротивления воздуха сплющиваются, а
маленькие капли сохраняют обычную
форму. Каждый тип капель образует свою
радугу, которые иногда формируют
сдвоенную радугу.
29
Отраженные и
отражающиеся радуги
Отражённые и отражающиеся радуги –
разные феномены с похожими именами –
формируются только над водой.
Отражённая радуга встречается чаще: она
появляется, когда свет отклоняется каплями
водами, а затем отражается от воды до того,
как мы можем его увидеть.
Отражающаяся радуга возникает, когда
свет отражается от воды до того, как он
отклоняется каплями. Отражающиеся радуги
видно хуже, чем отражённые радуги, из-за
специфических условий необходимых для их
формирования.
http://www.atoptics.co.uk/rainbows/bowim6.htm
30
Фотографу из
Германии впервые
в истории удалось
запечатлеть на
одном снимке
четыре цветные
полосы радуги.
Фотокамера способна «увидеть» четверную
радугу лишь в необычных условиях. Дело
в том, что капли воды, искривляя ход
световых лучей, не позволяют им отразиться
в одном направлении.
http://www.membrana.ru/particle/16468
31
Лишь в определённых условиях четыре радуги можно поймать с одного угла
зрения: нужно, чтобы облачное небо было почти чёрным, а также чтобы разброс
в размерах капель дождя был минимальным, или же чтобы лило, как из ведра.
На изображении третичная и четверичная, ибо первичная и вторичная радуги
образуются в стороне, противоположной солнцу, радуги высших порядков — всё
ближе и ближе к солнцу.. А в данном случае, солнце практически залезло в кадр.
Люди которые видели несколько радуг
сразу — видели их с одним и тем же
правилом разбивки по цветам. То есть,
если одна радуга справа начиналась от
инфракрасного и заканчивалась
ультрафиолетовым, то и те радуги
которые были рядом, разбивались по
цветам таким же способом. На
снимке же видно, что рядом стоящие
радуги имеют «зеркальные» разбивки
по цветам. В этом уникальность
данного снимка.
32
Рассмотрим радугу, какой она видится наблюдателю. Характерно, что
радугу можно видеть только стоя спиной к солнцу, если перед глазами
наблюдателя есть туча, а высота солнца над горизонтом не превышает
приблизительно 42°.
Радуга представляет собой
часть окружности основания
конуса, вершина которого —
глаз наблюдателя. Ось конуса
— прямая, идущая от солнца
через глаз наблюдателя.
Центр окружности обычно ниже линии горизонта,
так что радуга не есть полуокружность. К таковой
она приближается, если солнце близко к закату. Угол
при вершине конуса равен приблизительно 84°.
33
Итак, радуга - это кольцо. Обычно мы не
видим её нижнюю часть. Нижнюю часть
радуги мешает видеть Земля. Для того,
чтобы увидеть круглую радугу, необходимо
иметь освещённые капли воды ниже
себя. Это можно увидеть с борта самолёта,
глядя на дождь сверху.
Содержание
http://blog.i.ua/user/2324787/1138061/
34
Фотографии изготовлены в 2006
году на авиашоу в Сан Диего.
FA/18 Super Hornet летит на
околозвуковой скорости. В итоге
редкой комбинации влаги
воздуха, температуры и
освещения за самолетом
образовалось туча,
повторяющая вид радуги.
Эффект Прандтля—Глоерта —
действо, содержащееся в
происхождении тучи сзади
самолета, летящего на
околозвуковой скорости в
условиях высокой влажности
воздуха. При довольно
повышенной влажности данный
результат возникает также при
полетах на меньших скоростях.
35
21 января 2008 года
Небо над Мурманском
переливалось всеми цветами
радуги. Как пояснила Наталья
Рыбчак, начальник Мурманского
Гидрометцентра, это редкое
явления называется перламутровые
облака. Это явления никогда до
этого не наблюдалось мурманскими
метеорологами.
Явление "Перламутровые облака"
возникает на высоте 20 - 30
километров от земли при заходе
или восходе солнца. Сегодня солнце
как раз садилось за сопку в 16.30.
36
Мурманск, 21 января 2008 года
Группа физиков так объяснила
причины возникновения этого
явления: солнце садилось, и
одновременно была небольшая
метель над сопкой, куда оно
заходило. В воздухе кружились
частички льда. Косые лучи
заходящего солнца осветили
маленькие льдинки, витавшие в
воздухе. От этого возник такой же
эффект, когда лучи солнца проходят
через капельки воды после дождя.
Поэтому небо засияло всеми
цветами радуги.
37
38
Литература
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
Арабаджи В.И. Загадки простой воды. - М.: «Знание», 1973.
Белкин И.К. Что такое радуга? - “Квант” 1984, №12
Булат В.Л. “Оптические явления в природе”, М.: Просвещение, - 1974
Варламов С. Почему радуги бывают разными «Квант» №1, 2013
Гегузин Я.Е. Кто творит радугу?
Зверева В.Л. "Солнечный свет в атмосфере", М.- 1988.
Клиффорд Суорц. Необыкновенная физика обыкновенных явлений. том
2. М., Наука. 1987.
Кикоин А.К. Что такое радуга? //Квант. — 1984. — № 12. — С. 20-21.
Майер В.В., Майер Р.В. “Искусственная радуга” – “Квант” 1988 г., № 6,
стр.48
Соросовский образовательный журнал № 5, 2001 г.
Тарасов Л.В Физика в природе. М.: Просвещение,1988.
Трифонов Е.Д. Ещё раз о радуге // Соросовский образовательный
журнал, 2000, №7, с. 53-58.
39
Интернет ресурсы
1. Легенды о радуге
http://nenosfirs.ucoz.ru/load/kataklizmy_zemli/raduga/legendy_o_raduge_9_foto/139-10-730
2. Пособие по физике "Геометрическая оптика" http://optika8.narod.ru/Opiti.htm
3. Полоса Александра
http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D1%81%D0%B0_
%D0%90%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%81%D0%B0%D0%BD%D0%B4%D1%80
%D0%B0
4. Радуга. Академические словари и энциклопедии
http://en.academic.ru/dic.nsf/enwiki/1859670
5. Мифы http://blogs.privet.ru/user/tatjana_357/54565962
6. Радуга, волшебный мост между небом и землей.
http://nnm.ru/blogs/igoriok28/raduga-volshebnyy-most-mezhdu-nebom-i-zemley/
7. Радуга – Википедия http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%E0%E4%F3%E3%E0
8. Радужный форум http://raduga777.ucoz.ru/forum/28-8-1
9. Сколько цветов у радуги? http://origin.iknowit.ru/paper1420.html
10. Сколько цветов у радуги http://zapominalki.ru/skolko-cvetov-u-radugi/
11. 10 красивейших видов радуги, http://russian.cri.cn/1001/2009/12/30/166s319953.htm
40