Тесты 

Физическое явление радуга. Что такое радуга? Как она появляется

Радугу обычно объясняют простым преломлением и отражением солнечных лучей в каплях дождя. Свет выходит из капли в широком диапазоне углов, но наибольшая интенсивность наблюдается под углом, соответствующим радуге. Видимый свет различных длин волн преломляется в капле по-разному, то есть зависит от длины волны света (то есть цвета). Побочная радуга образуется в результате двукратного отражения света внутри каждой капли. В этом случае лучи света выходят из капли под другими углами, чем те, которые дают основную радугу, и цвета в побочной радуге располагаются в обратной последовательности. Расстояние между каплями, которыми обусловлена радуга, и наблюдателя роли не играет

Обычно 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.

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.

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 Рене Декарт в 1637 г. Декарт объяснил радугу на основании законов преломления и отражения солнечного света в каплях выпадающего дождя.

Спустя 30 лет Исаак Ньютон, открывший дисперсию белого света при преломлении, дополнил теорию Декарта, объяснив, как преломляются цветные лучи в каплях дождя.

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.

Итак, пусть параллельный пучок солнечных лучей падает на каплю. Ввиду того что поверхность капли кривая, у разных лучей будут разные углы падения. Они изменяются от 0 до 90°. Проследим путь луча, проходящего через каплю. Преломившись на границе воздух-вода, луч входит в каплю и доходит до противоположной границы. 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. В принципе луч может испытывать любое число внутренних отражений, а преломлений у каждого луча два - при входе и при выходе из капли. 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. Только минимально отклоненный луч и самые близкие к нему лучи обладают достаточной интенсивностью, чтобы образовать радугу. Поэтому этот луч и называют лучом радуги.

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!

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.

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.

В данной статье будет рассмотрено чудесное явление, присущее атмосфере Земли - радуга. О других атмосферных явлениях, таких как цвет неба , восход (закат) солнца , северное (полярное) сияние , облака можно прочитать в отдельных статьях в разделе Атмосфера .

Описание радуги.

Радуга представляет собой часть линии окружности с центром (антисолярной точкой), лежащим на продолжении прямой, соединяющей источник света и глаза наблюдателя. Причем, солнце всегда находится за спиной наблюдателя. В отличие от гало, одновременно видеть солнце и радугу невозможно.

Если радуга образована дождевыми каплями, то обычно она наблюдается на расстоянии 1-2 километра от наблюдателя. В брызгах же фонтана или водопада это оптическое явление можно увидеть и на более близких расстояниях.

Во время заката или восхода Солнца центр окружности радуги находится на линии горизонта с противоположной от Солнца стороны, поэтому радуга представляет собой полуокружность. С увеличением высоты Солнца над горизонтом, уменьшается и размер радуги. Для наблюдателя с земли радуга становится невидимой, когда солнце поднимается над горизонтом выше 42 градусов.

Вообще-то, радуга – это полная окружность, но при наблюдении с земной поверхности видна только часть ее дуги. Чем выше поднимается человек, тем большую часть окружности он наблюдает. С высокой горы или с самолета можно увидеть и полную окружность радуги.

Цвета радуги.

Цвета радуги представляют собой цвета спектра, расположенные от внешнего края к внутреннему: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. Полосы разных цветов постепенно переходят друг в друга, т.е. кроме основных перечисленных цветов в радуге присутствует также множество промежуточных оттенков. Именно семь цветов в радуге выделил впервые Исаак Ньютон . С тех пор мы традиционно придерживаемся этого мнения. Кстати, болгары с нами не согласны – они выделяют в радуге только шесть цветов, а китайцы - пять.

Внешний вид радуги, ее яркость и ширина полос зависят от размеров и количества капель воды. В крупных каплях образуется интенсивная, ярко выраженная, узкая радуга. С уменьшением размера капель снижается и яркость радуги, ее полосы расширяются и бледнеют.

Впервые объяснение природы радуги дал в 1637 году . Он связал образование радуги с отражением и преломлением лучей света в каплях воды.

Цвета же радуги и последовательность их расположения были объяснены Исааком Ньютоном в 1704 году. Он открыл, что свет при переходе в среду с иной оптической плотностью преломляется, и разложил белый свет на цвета спектра при помощи стеклянной призмы.

Радуга образуется в каплях, диаметр которых не больше 1 мм. Луч солнца, падая на каплю, испытывает одно отражение и два преломления. В результате он возвращается к наблюдателю, уже разложенный на цвета спектра и под другим углом.

На рисунке представлена схема преломления и отражения в капле десяти параллельных лучей одного цвета, скажем, красного. Как видно из рисунка, луч, отмеченный пунктирной линией, выходит из капли под углом в 42 градуса к солнечному свету. Этот луч вместе с близлежащими к нему лучами и будут формировать красную полосу радуги. Остальные же лучи рассеиваются широким веером под меньшими углами, освещая область, находящуюся под радугой. Именно поэтому небо под радугой всегда выглядит светлее, чем выше нее.

Пучок лучей, формирующий радугу, назван лучом Декарта по имени первооткрывателя. Мы рассмотрели схему преломления десяти лучей, Декарт же в свое время исследовал, ни много ни мало, 10 тысяч лучей!

Особенности радуги.

Интересной особенностью радуги является то, что каждый человек видит свою собственную радугу . Это происходит потому, что мы видим только тот отраженный свет, который образует с лучом "Солнце-Глаз" угол в 42°. Понятно, что у каждого человека будет свой луч и, соответственно, своя радуга-дуга. При изменении места положения наблюдателя перемещается и радуга.

Еще одной занимательной чертой радуги является то, что мы видим ее все время на одном и том же месте . Капли, отразившие свет для нашей радуги, падают на землю, но на их место тут же приходят другие, которые, на мгновение отразив солнечный свет, также исчезают с поля нашего зрения. Поэтому мы видим радугу все время, пока идет дождь. Но стоит дождю ослабнуть, бледнеет и радуга, потому что капель, посылающих нам свои радужные приветы, становится меньше.

Радуга - одно из самых удивительных явлений природы. Что такое радуга? Как она появляется? Эти вопросы интересовали людей во все времена. Даже Аристотель пытался разгадать ее тайну. Существует множество поверий и легенд, связанных с ней (дорога на тот свет, связь между небом и землей, символ изобилия и т.п.). Некоторые народы верили, что тот, кто пройдет под радугой, поменяет свой пол.

Ее красота поражает и восхищает. Глядя на этот разноцветный «волшебный мост», хочется верить в чудеса. Появление радуги в небе оповещает, что ненастье закончилось и пришла ясная солнечная пора.

Когда бывает радуга? Ее можно наблюдать во время дождя или после ливня. Но для ее возникновения недостаточно молнии и грома. Она появляется лишь в том случае, если сквозь тучи пробивается солнце. Нужны определенные условия для того, чтобы ее можно было заметить. Необходимо находиться между дождем (он должен быть спереди) и солнцем (оно сзади). Ваши глаза, центр радуги и солнце должны быть на одной линии, иначе этого волшебного моста вам не видать!

Наверняка многие замечали, что бывает, когда лучик падает на мыльный пузырь или на край скошенного зеркала. Он разделяется на разнообразные цвета (зеленый, синий, красный, желтый, фиолетовый и т.д.). Предмет, который разбивает луч на составляющие цвета, называют призмой. А образующуюся разноцветную линию - спектром.

Так что такое и есть изогнутый спектр, цветная полоса, образовавшаяся в результате разделения луча света при прохождении через дождевые капли (они в этом случае являются призмой).

Цвета солнечного спектра располагаются в определенном порядке. С одной стороны - красный, затем оранжевый, рядом - желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Радуга хорошо видна, пока капельки дождя падают равномерно и часто. Чем чаще, тем она ярче. Таким образом, в дождевой капле происходят сразу три процесса: преломление, отражение и разложение света.

Где увидеть радугу? У фонтанов, водопадов, на фоне капель, разбрызгиваемых и т.п. Ее расположение на небе зависит от положения солнца. Можно полюбоваться всем радужным кругом, если оказаться высоко в небе. Чем выше солнце поднимается над горизонтом, тем меньше становится цветной полукруг.

Первая попытка объяснить, что такое радуга, была предпринята в 1611 году Антонио Доминисом. Его объяснение отличалось от библейского, поэтому он был приговорен к смерти. В 1637 году Декарт дал научное явлению на основании преломления и отражения солнечного света. В то время еще не знали о разложении луча на спектр, то есть дисперсии. Поэтому радуга Декарта оказалась белой. Через 30 лет ее «раскрасил» Ньютон, дополнив теорию коллеги объяснениями преломления цветных лучей в каплях дождя. Несмотря на то, что теории уже более 300 лет, она правильно формулирует, что такое радуга,основные ее особенности (расположение цветов, положение дуг, угловые параметры).

Поразительно, как привычныые для нас свет и вода создают вместе совершенно новое, невообразимой красоты, произведение искусства, подаренное нам природой. Радуга всегда вызывает всплеск эмоций и надолго остается в памяти.

В далекие времена из-за отсутствия знаний люди объясняли чудеса и красоты природы при помощи мифов и сказок. Тогда у людей не было возможности изучать научные обоснования того, почему пошел дождь, град или прогремел гром. Аналогичным образом люди описывали все неизвестное и далекое, возникновение радуги на небе не исключение. В Древней Индии радуга была луком бога-громовержца Индры, в Древней Греции существовала девственная богиня Ирида с радужным одеянием. Чтобы правильно ответить ребенку, как возникает радуга, для начала следует самому разобраться в этом вопросе.

Научное объяснение радуги

Чаще всего явление возникает во время небольшого мелкого дождя или сразу после его окончания. После него, на небе остаются мельчайшие сгустки тумана. Именно когда тучи рассеиваются и выходит солнце, каждый желающий может наблюдать своими глазами радугу. Если она возникает во время дождя, тогда цветная дуга состоит из мельчайших капель воды разного размера. Под воздействием преломления света, множество мелких водных частиц образуют это явление. Если наблюдать за радугой из высоты птичьего полета, то цветным окажется не дуга, а целый круг.

В физике существует такое понятие как «дисперсия света», название ему дал еще Ньютон. Дисперсия света – это явление, в процессе которого происходит разложения света в спектр. Благодаря нему обычный белый поток света разлагается на несколько цветов воспринимаемых человеческим глазом:

  • красный;
  • оранжевый;
  • желтый;
  • зеленый;
  • голубой;
  • синий;
  • фиолетовый.

В понимании человеческого зрения, цветов у радуги всегда семь и каждый из них располагается в определенной последовательности. Однако цвета радуги идут непрерывно, они плавно соединяются между собой, а значит, она имеет намного больше оттенков, чем мы способны увидеть.

Условия для возникновения радуги

Чтобы увидеть радугу на улице должны быть соблюдены два главных условия:

  • радуга появляется чаще, если солнце находится низко над горизонтом (закат или восход солнца);
  • нужно стоять спиной к солнцу и лицом к проходящему дождю.

Разноцветная дуга появляется не только после или во время дождя, а также:

  • поливая при помощи шланга огород;
  • во время купания в воде;
  • в горах у водопада;
  • в городском фонтане в парке.

Если лучи света отражаются от капли одновременно несколько раз, человеку удается увидеть двойную радугу. Она заметна намного реже обычной, вторая радуга заметна намного хуже первой и ее цвет идет в зеркальном отражении, т.е. заканчивается фиолетовым цветом.

Как самому сделать радугу

Чтобы самому сделать радугу человеку понадобиться:

  • миска с водой;
  • белый лист картона;
  • маленькое зеркало.

Эксперимент проводится в солнечную погоду. Для этого в обычную миску с водой опускается зеркальце. Миска располагается так, чтобы солнечный свет попадающий на зеркальце отражался на листе картона. Для этого некоторое время придется менять угол наклона предметов. Поймав наклон можно наслаждаться радугой.

Наиболее быстрый способ самостоятельно сделать радугу – использовать старый CD -диск. Меняйте угол наклона диска под прямыми солнечными лучами и получите четкую яркую радугу.

Страница 3 из 5

Виды радуги. Какая радуга бывает?

Первичная радуга - вид радуги, образованный в результате одного отражения света.

Как мы уже знаем, радуга возникает в результате многократного внутреннего отражения света в капельках воды. Чем больше отражений испытал луч света, тем меньше в нем энергии.

Поэтому самой яркой является радуга, образованная из лучей, испытавших только одно отражение. Это так называемая первичная радуга с угловым радиусом 42°.

Полирадуга - вид радуги, образованный в результате многократного отражения луча света в капле воды.

Нередко над первой, или первичной, радугой мы наблюдаем и вторую, так называемую побочную или вторичную радугу , с угловым радиусом 52°. Вместе эти радуги образуют полирадугу или множественную радугу .

Когда Солнце достигает высоты в 42°, первичная радуга перестает быть видна. А при достижении Солнцем высоты в 52°, исчезает и побочная.

Первичная радуга образуется в результате однократного отражения луча света в капле воды. Побочная же радуга – продукт двукратного отражения. Каждое отражение в капле «переворачивает» луч, поэтому цвета во вторичной радуге расположены в обратном порядке, т.е. внешняя полоса фиолетовая, а внутренняя – красная.

Иногда можно наблюдать и третью радугу (угловой радиус 60°), и даже четвертую и пятую. Но это уже крайне редкое оптическое явление в атмосфере.

Полоса Александра - не является видом радуги, но изучается при прохождении темы "Виды радуги".

- это полоса неба, находящаяся между первичной и вторичной радугой. Свое название получила по имени философа Александра Афродисийского, впервые описавшего ее в 200 году н.э.

Полоса Александра выглядит темнее, чем окружающее небо. Для объяснения этого явления вспомним рисунок, изображающий луч Декарта. Как мы помним, лучи, испытавшие однократное отражение, освещают небо под первичной радугой, выходя из капли под углом к солнцу не больше 42,1°.

В результате же двукратного отражения лучи из капли выходят уже под углом больше 50,9°, освещая небо над вторичной радугой. То есть та область неба, которая лежит между 42,1° и 50,9°, не освещается ни при первичной, ни при вторичной радугах. Так и получается, что полоса Александра шириной около 9° является более темной, чем остальное небо.

Лунная радуга - вид радуги, образованный лунными лучами.

Наблюдать радугу можно не только днем, но и ночью. В этом случае в каплях дождя преломляются уже не солнечные лучи, а лунные.

Ничем не отличается от солнечной, разве только яркостью. Человеческому глазу, в силу особенностей своего строения, лунная радуга чаще всего видна как белая. Но на снимках с длительной экспозицией можно получить и цвета.

Так же, как и солнечная радуга, лунная радуга появляется на стороне, противоположной Луне, причем ночное светило должно быть как можно ниже над горизонтом. Лунная радуга появляется только в ночи, когда Луна особенно яркая, а именно в полнолуние и ночи, близкие к нему.

Т.е., чтобы появилась лунная радуга, нужно, чтобы выполнялись три условия:

Полнолуние;

Восход или заход Луны;

Дождь в противоположной от Луны стороне небосвода.

Понятно, что все эти условия одновременно выполняются нечасто, поэтому и лунная радуга – это очень редкое оптическое явление в атмосфере.

Красная радуга - вид радуги, образующийся на закате солнца.

Если радуга появляется на закате Солнца, то наблюдается такое явление, как красная радуга . Она иногда бывает необычайно яркой и видна даже после захода Солнца.

Почему же закатная радуга красного цвета? Лучи Солнца, проходя через толщу атмосферы, рассеиваются, причем интенсивность рассеяния лучей разного цвета не одинакова. Например, более короткие синие волны рассеиваются в 16 раз интенсивнее красных, поэтому днем небо голубое .

На закате же лучи Солнца проходят долгий путь в атмосфере и более короткие лучи рассеиваются по дороге. До нас доходят только длинные волны желтых, красных и оранжевых оттенков. Они и формируют в атмосфере оптическое явление – красную радугу.

Радуга на росе - вид радуги, образующийся в каплях росы.

Иногда ранним утром, сразу после восхода солнца, можно наблюдать радугу на росе .

Механизм образования у нее такой же, как и у обычной радуги.

Однако форму радуга на росе имеет не круговую, а гиперболическую, что является характерной особенностью этого необычного вида радуги.

Наблюдается он крайне редко, но представляет собой незабываемое зрелище.

Сдвоенная радуга - вид радуги, образованный в разных по размеру каплях дождя.

– это две радужные дуги, начинающиеся в одной точке.

Она может возникнуть, когда идет дождь смешанного типа – из больших и малых капель. Большие капли под собственным весом сплющиваются, малые остаются прежней формы.

Эти два типа капель и образуют две пересекающиеся в начальной точке дуги.

Радуга-колесо - вид радуги, образующийся при сильном дожде.

– это прерывистая радуга. Темные участки возникают, когда идет слишком сильный дождь, не позволяющий свету радуги дойти до глаз наблюдателя. Также в образовании разрывов могут участвовать темные тучи.

В итоге получается радуга, по внешнему виду схожая с колесом телеги. А если еще тучи при этом быстро движутся, то возникает иллюзия движения «колеса».

Туманная радуга - вид радуги, образующийся в каплях тумана.

Туманную радугу еще называют белой радугой или туманной дугой . Она представляет собой широкую белую дугу, иногда слабо окрашенную по краям. Внешняя сторона может быть окрашена в фиолетовый цвет, а внутренняя – в оранжевый. Образуется белая радуга в очень мелких капельках тумана радиусом не больше 25 мкм.

Природа белой радуги отличается тем, что формирующие эту радугу капли намного меньше капель, образующих обычную радугу. Белый цвет радуги связан с явлением дифракции света в каплях воды. Чем меньше радиус капель, тем сильнее влияние дифракции. Дифракция, говоря простыми словами, это соединение световых пучков разного цвета в один белый. Т.е., если в крупных каплях свет разлагается на составляющие и образует обычную радугу, то в мелких, наоборот, сливается в один и формирует туманную радугу.

В данной статье мы рассмотрели Виды радуги и ответили на вопрос: Какая радуга бывает? Далее читайте: