Что такое радуга
Радуга – это оптическое явление, вызванное взаимодействием солнечного света и капель воды в атмосфере. Она представляет собой светящуюся разноцветную дугу.
Увидеть ее можно при высокой влажности воздуха, обычно – сразу после дождя или во время него, при условии, что Солнце свободно проникает сквозь облака и находится за спиной наблюдателя.
История изучения
Людей давно интересовал вопрос, почему же появляется радуга. Мифология многих народов приписывает феномену сакральные свойства.
Первые попытки объяснить явление с точки зрения физики были сделаны еще древнегреческими философами.
На рубеже XIII–XIV веков богослов Теодорих из немецкого города Фрайберга провел опыты, используя в качестве моделей стеклянные шарики, наполненные водой. Данный метод получил распространение и в дальнейшем.
В начале XVII века описание радуги как физического явления дал в своем труде хорватский архиепископ и теолог Марк Антоний де Доминис. Проведя ряд опытов со стеклянными шарами, он также сделал вывод, что причиной феномена является преломление и отражение света в каплях влаги.
В XVII веке Рене Декарт путем исследований установил угол преломления лучей в капле относительно их изначального направления.
Исаак Ньютон, проведя оптические опыты с призмой, развил теории своих предшественников.
Он выделил семь основных цветов, от красного до фиолетового. Это крайние, видимые для человеческого глаза границы спектра, между ними по убыванию длины волны следуют оранжевый, желтый, зеленый, голубой и синий. Запомнить порядок цветов помогают первые буквы известной фразы: «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан».
Ход эксперимента:Для эксперимента нам потребуется:
трёхгранная прозрачная призма.
Я взял призму в руки и поднёс её к окну, через неё стали проходить солнечные лучи, благодаря чему на стене появляется радуга.
Благодаря этим экспериментам можно сделать вывод, что наша гипотеза подтвердилась. Радугу можно получить в домашних условиях.
Вывод: солнечные лучи, проходя через призму (как и в случае воды, преломляются, то есть раскладывается на составные части – семь цветов радуги.
Эксперимент IV
Как появляется
Причины возникновения радуги кроются в неоднородной природе света. Видимый нами белый свет состоит из волн различной длины, воспринимаемых глазом как разные цвета. При определенных условиях световой поток раскладывается на составляющие, так получается разноцветная дуга.
Ее образование связано с двумя оптическими явлениями:
- дифракция – отклонение луча света от первоначального направления при переходе в среду с иной плотностью;
- дисперсия – разложение света на части в спектр – из-за разного угла отклонения световых волн различной длины.
Луч Солнца, сталкиваясь с дождевой каплей, меняет траекторию движения. Часть света отражается обратно, остальной свет проходит внутри капли, под углом к первоначальному лучу. При этом слабее всего отклоняются красные составляющие видимого спектра, у которых длина волны максимальная. А самый большой угол преломления получается у волн короткой длины – фиолетовых. Достигнув внутренней поверхности капли, свет отражается от нее и выходит обратно.
Таким образом, отражаясь от внутренней и внешней поверхности капли, луч преломляется и возвращается обратно под углом относительно исходного движения. В результате этих преломлений угол между крайними границами спектра максимально увеличивается, и к наблюдателю свет возвращается в виде разноцветной полосы. Такая радуга называется первичной, и красный цвет располагается на внешней стороне ее дуги, а фиолетовый – снизу.
Ход эксперимента:Для эксперимента нам потребуется:
Таз с водой;
Лист белой бумаги;
Фонарик, зеркало.
Наливаем в таз воду и опускаю на дно зеркало. Включаю фонарик и направляю его свет на зеркало. Отраженный луч пытаюсь «поймать»
на лист бумаги. При преломлении луча света на листе
появляется цветная радуга.
Вывод: Луч света состоит из нескольких цветов, когда он проходит сквозь воду, то раскладывается на составные части – семь цветов радуги.
3.2 Эксперимент II
Виды радуги
Ученые выделяют разные виды радуги в зависимости от размера капель, интенсивности света и высоты Солнца над поверхностью земли.
Иногда можно наблюдать вторую радугу, меньшей яркости, вокруг первой:
Это происходит, когда солнечные лучи отражаются внутри капли дважды, прежде чем выйдут на поверхность. Интенсивность светового потока ослабевает, а разноцветная полоса выходит «перевернутой» – вверху оказывается фиолетовый цвет. В результате на небе появляется двойная радуга. Небесный сектор между двумя дугами обычно имеет более темный оттенок, чем за их пределами. Этот участок называют полосой Александра, по имени философа Древней Греции Александра Афродисийского, впервые описавшего данный эффект во II веке н. э.
Гораздо реже встречается в природе тройная радуга:
Это возможно при трехкратном отражении лучей внутри капель. При этом образуется дуга третьего порядка, более слабая, чем предыдущие две.
Солнечный луч, проходящий сквозь крупные капли, ослабевает и создает более рассеянный спектр. Цвет и яркость Солнца меняются на рассвете и закате. Закатный свет преодолевает максимальное расстояние до глаз наблюдателя, что доступно длинноволновому участку спектра. Поэтому встречается красная радуга – с преобладанием красных и оранжевых полос:
И если дождь, радуга и Солнце – это привычное сочетание, наблюдаемое чаще всего, то при отсутствии Солнца или дождя атмосферное явление может принимать самые необычные формы.
Необычные виды
К необычным и редким видам радуги относятся:
- лунная;
- туманная;
- огненная.
Лунная радуга, иначе называемая ночной, встречается в природе гораздо реже, чем привычная дневная. Она возникает на полной фазе Луны во влажном воздухе. Луна должна находиться в ясном небе на высоте менее 42° над горизонтом, а наблюдатель – между Луной и дождем. Известны подобные явления над водопадами:
Рецепторы человеческого глаза, различающие цвета, неактивны при слабом освещении. Поэтому ночная радуга воспринимается зрением как белая, в отличие от разноцветной дневной. Однако увидеть весь спектр можно на снимке с длительной экспозицией.
Для появления туманной радуги вместо дождя и Солнца требуется сочетание тумана с солнечным или лунным светом. Поскольку капли влаги в данном случае очень малы (их радиус не больше 0,05 мм), свет в них не всегда может рассеяться в виде спектра. Такое явление выглядит как ореол белого цвета, именно поэтому явление иногда называют белой радугой. При этом внешние контуры дуги могут быть окрашены в фиолетовый и оранжевый цвета:
К наиболее редким погодным феноменам относится огненная радуга. Она выглядит как горизонтальная дуга на фоне легких перистых облаков. Именно поэтому ее также называют радуга с облаками. Благодаря огромному радиусу линия дуги кажется прямой, простираясь параллельно горизонту на сотни километров:
Для ее появления необходимы три фактора:
- перистые облака на небе;
- плоские шестиугольные кристаллы льда, расположенные в облаках горизонтально;
- высота Солнца не менее 58° над горизонтом.
Последнее условие делает невозможным наблюдение данного феномена с земной поверхности в широтах ниже 55° , где Солнце не поднимается так высоко. Исправить ситуацию можно, если подняться на высокую гору.
Кристаллы льда должны лечь горизонтально в воздухе, что случается довольно редко. Лучи Солнца проникают сквозь боковые стенки кристаллов и, преломляясь, выходят через нижнюю горизонтальную грань. Облака в лучах спектра вспыхивают радужным светом.
Огненная радуга считается одной из разновидностей гало.
Схожие явления
При низких температурах воздуха можно увидеть похожие атмосферные явления:
- гало;
- перевернутая радуга;
- кольцевая радуга.
Морозной зимой иногда возникает светящийся ореол вокруг Солнца и Луны. Этот эффект называется гало. Он проявляется возле сильных источников света (иногда вокруг уличных фонарей) и вызван прохождением света сквозь ледяные кристаллы в нижних слоях атмосферы. От формы кристаллов и их расположения зависит вид данного явления. Иногда свет, преломляясь, раскладывается в спектр, и тогда гало становится похожим на кольцевую радугу:
Перевернутая радуга появляется при высоких перистых облаках, состоящих из кристалликов льда, когда Солнце светит на них снизу. Образуется выгнутая вниз дуга, где нижний край – красный, а верхний – фиолетовый:
Интересные факты
- Восприятие спектра отличается у разных народов. По классификации Ньютона вместо голубого и синего следуют синий и более темный его оттенок – индиго. Современные англичане выделяют 6, а не 7 основных цветов: они не делят синий на темные или светлые оттенки. А в японской традиции зеленый цвет присутствует лишь как оттенок голубого.
- Радуга третьего порядка (тройная) – это далеко не предел. Просто человеческий глаз не воспринимает множественные, но более слабые отражения спектров. В лабораторных условиях с помощью лазерной установки исследователи получали радугу двухсотого порядка.
- Воспринимаемая обычно в виде дуги, форма радуги может быть круглой, если смотреть на нее с большой высоты – например, из самолета:
Круговая радуга получается из-за сферической формы капель. Отраженный свет образует окружность, центр которой находится на одной линии с глазом наблюдателя. Поэтому стоящий на земле человек не может увидеть нижнюю половину дуги.
Радуга – это лишь оптический эффект, объяснение которому дает наука. Она не находится в конкретном месте и к ней, как и к линии горизонта, нельзя подойти. То, что видит каждый из нас, зависит от места наблюдения и нашего положения относительно Солнца или другого источника света.
В какое время года бывает радуга? Практически в любое. Просто зимой влагу заменяют кристаллы льда. Поэтому наблюдать это чудо природы можно всегда, когда есть сильный источник света и погодные условия для его превращения в спектр.
Исследовательский проект «Чудо-радуга»
Я узнала, что радугу можно увидеть около водопадов, фонтанов. Поливая растения в саду в яркий солнечный день, в брызгах воды тоже можно увидеть маленькую радугу.
Вывод:
радугу можно увидеть практически в любое время суток, даже ночью и в зимнюю стужу.
Как сделать радугу в домашних условиях?
Можно радугу нарисовать акварелью, смешав цвета.
Можно слепить радугу из пластилина.
Можно вырезать радугу из бумаги.
Для получения радуги в домашних условиях, мы провели несколько экспериментов.
Эксперимент № 1.
Цель: получение радуги в домашних условиях при помощи зеркальца и фонарика.
Оборудование: прозрачная банка, наполненная водой, зеркальце, источник света – фонарик.
Описание эксперимента:
мы взяли прямоугольный лоточек, наполнили его водой, опустили под наклоном зеркало. Затем направили свет фонарика на погружённую в воду часть зеркала. Когда поставили белый картон перед зеркалом, чтобы поймать отражённые лучи, то увидели на картоне отражение всех цветов радуги.
Эксперимент № 2.
Цель: получение радуги в домашних условиях при помощи кольца, пены.
Оборудование: кольцо, прозрачная банка, вода и пена
Описание эксперимента:
в банку с мыльной водой мы опустили кольцо из проволоки. Подержав его немного в банке, аккуратно вынули – внутри кольца образовалась пленка. Посмотрев под ярким светом на обратную сторону пленки, мы увидели радугу.
Эксперимент № 3.
Цель: получение радуги в домашних условиях при помощи компакт –диска.
Оборудование: компакт –диск, источник света – солнечный луч.
Описание эксперимента:
компьютерным диском поймали солнечный луч и направили его на стену и потолок в комнате. Получилась радуга.
Эксперимент № 4.
Цель: получение радуги в домашних условиях при помощи мыльных пузырей.
Оборудование: мыльные пузыри, источник света – солнечные лучи.
Описание эксперимента:
встав перед окном перед яркими солнечными лучами, я надувала мыльные пузыри. На мыльной плёнке можно увидеть полосы цветов как у радуги
Вывод
: проведенные эксперименты доказали, что радугу действительно можно сделать самому в домашних условиях, даже с помощью искусственного света.
Все выдвинутые гипотезы подтвердились.
Теперь я знаю, что радугу можно увидеть не только днём в летнее время, но и зимой, и даже ночью. Я могу получить радугу в домашних условиях и могу научить этому других. Осуществление данного проекта позволило мне развить свои навыки работы с дополнительной литературой, умение проводить эксперименты, проводить анализ полученных результатов, обосновывать итоги исследований. Во время работы над проектом я узнала о природном явлении радуге: как появляется радуга и почему она разноцветная, определила, какая существует связь между дождем, солнцем и появлением радуги, узнала, что радуга может быть одной дугой, а может быть двойная или даже тройная. Существует ночная радуга (лунная) и зимняя, но она бывает очень редко и не такая красочная, как летняя. Из истории изучения радуги я выяснила, что многие пытались объяснить природу этого явления, но полно это явление раскрыл Исаак Ньютон. Опытным путём я доказала, что эффект радуги можно получить в домашних условиях и в любое время года любоваться этим красивейшим природным явлением, которое всё ещё хранит много загадок.
