Учебно-исследовательская работа. Образование радуги

Учебно-исследовательская работа. Образование радуги

Какое–то радостное чувство испытываем мы, когда на гигантском небесном экране возникает удивительное красочное видение – широкая цветная дуга, сияющая и переливающаяся цветами волшебной красоты. Одним своим концом она скрывается где-то далеко за горизонтом, а другим опускается совсем рядом…

А уж давно звучнее и полней

Пернатых песнь по роще раздалася,

А радуга концом дуги своей

В зелёную вершину уперлася.

(Ф. И. Тютчев)

Многократно наблюдая радугу, люди, естественно, давно пытались понять физику её возникновения. В 1571 году Флетчер из Бреслау опубликовал работу, где утверждал, что наблюдатель видит радугу в результате попадания в его глаз световых лучей, которые испытывают двукратное преломление в одной капле дождя и последующее отражение от другой капли дождя

Из истории известно, что в X VII веке итальянский ученый Антонио Доминико утверждал, чтобы узнать причины возникновения радуги, достаточно рассмотреть одну каплю дождя. Изображение радуги формируется в результате того, что световой луч испытывает в капле дождя двукратное преломление и одно отражение.

Но служители религиозного культа обвинили Антонио Доминико в связи с нечистой силой, прокляли и бросили в темницу. Под жестокими пытками ученый умер.

Что же такое радуга? Цель данной работы - описать процесс образования радуги, выяснить при каких условиях она возникает. Задачи : - изучить литературу по данной теме ; - описать процесс образования радуги используя теорию Декарта - Ньютона ; - выяснить при каких условиях она возникает ; - пронаблюдать образование радуги в городе Северодвинске.

• Обычно наблюдаемая 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.
• Такие условия чаще всего создаются при выпадении летних ливневых дождей, называемых в народе «грибными» дождями.
• 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.

Для объяснения радуги мы ограничимся теорией Декарта – Ньютона, которая подкупает своей удивительной наглядностью и простотой.

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».

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 будут испытывать минимальное отклонение по сравнению с остальными.

Отклонения крайних цветных лучей видимого спектра красных и фиолетовых оказываются следующими: D 1 k =137°30' и D 1ф=139°20'. Остальные цветные лучи займут промежуточные между ними положения.

Почему радуга круглая?

В следствие дисперсии лучи разных цветов преломляются по-разному. Выйдя из капли красный луч пойдет под одним углом, а фиолетовый - под другим. В глаз наблюдателя красный и фиолетовый лучи попадут из разных капель.

Все «красные» капли наблюдатель видит под одним и тем же углом, поэтому они будут казаться ему расположенными на дуге окружности красного цвета.

Вторая радуга

Л учи, испытывающие в капле два внутренних отражения, лежат ближе к антисолярной точке, чем к Солнцу. Эти лучи образуют радугу, концентрическую с первой, но с обратным расположением цветов. В этой радуге внутренняя дуга красная.

Вторая радуга значительно шире первой и выглядит более слабой.

Влияние размера и формы капель дождя на вид радуги

Вид радуги, ширина дуг, наличие и яркость отдельных цветовых тонов, положение дополнительных дуг очень сильно зависят от размера капель дождя. - Чем крупнее капля дождя, тем радуга уже и тем ярче ее красная дуга. - Чем капли меньше, тем радуга становится более широкой, блеклой с оранжевым или желтым краем. - Чем сильнее сплющены капли, тем меньше радиус образуемой ими радуги.

Можно ли видеть целый круг радуги?

С поверхности Земли мы наблюдаем радугу в виде половины круга, когда Солнце находится на горизонте. При поднятии Солнца радуга уходит под горизонт. Первую радугу можно видеть при высотах Солнца более 42°, а вторую более 50°. С самолета можно наблюдать радугу в виде целого круга! Учитель нашей школы, побывав на Сейшельских островах, сфотографировала радугу с самолёта 17 августа 2006 года.

Наблюдение радуги в г. Северодвинске

12 июня 2006 года была гроза. Огромная чёрная туча закрыла небосвод, дул порывами сильный ветер, поднимая столбы пыли, в воздухе кружили листья и обломанные ветки. Через мгновенье вспыхнула молния, освещая сгустившиеся сумерки. И вот сверху обрушиваются потоки воды… Гроза отгремела и на гигантском небесном экране возникает удивительное красочное видение - широкая цветная дуга, сияющая переливающаяся цветами волшебной красоты. Радуга возникла в 22 часа 48 секунд. Верхняя дуга радуги была ярко-красной, переходящую в оранжевую полосу, затем ярко выделялись жёлто – зелёная дуги и заканчивалась радуга яркой фиолетовой дугой. Выше основной радуги располагалась дополнительная радуга, белесая, с обратным расположением цветов. Наиболее яркими были красная, жёлтая и зелёная дуги. Радуга просуществовала 11 минут, затем она распалась на фрагменты. На основе дифракционной теории было показано, что внешний вид радуги зависит от размеров капель дождя, поэтому данная радуга возникла на дождевых каплях радиусом от 0,5 мм до 1мм.

Наблюдение радуги в г. Северодвинске

12 июня 2006 года 22 часа

Наблюдение радуги в г. Северодвинске

11 июля 2007 года 22 : 30 часа

Наблюдение радуги в г. Северодвинске

19 июля 2008 года 22 : 50 часа

Заключение

Наблюдения показали, что :

• 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.
• Радуга возникает при выпадении летних ливневых дождей, называемых в народе «грибными» дождями.
• Внешняя дуга радуги красная, за нею идет оранжевая, желтая, зеленая дуги и т. д., кончая внутренней фиолетовой.