Дъгата като физическо явление

МИНИСТЕРСТВО НА ОБРАЗОВАНИЕТО И НАУКАТА България

FGBOU VPO "Уралски държавен икономически университет"

Център за дистанционно обучение

дисциплина: Физика

Пълно име: Feoktistov N.E.

Човекът живее в естествения свят. Вие самият и всичко, което ви заобикаля - въздух, дървета, река, слънце - това са различни обекти на природата. Непрекъснато се извършват промени с обектите на природата, които се наричат природни явления.

От древни времена хората се опитват да разберат: как и защо възникват различни явления? Как летят птиците и защо не падат? Как едно дърво може да плува по вода и защо не потъва? Някои природни явления - гръмотевици и светкавици, слънчеви и лунни затъмнения - плашеха хората, докато учените не разбраха как и защо се случват. Наблюдавайки и изучавайки явленията, случващи се в природата, хората са намерили приложение в живота си. Гледайки плаващо дърво, човек се научи да строи кораби, завладя моретата и океаните. След като проучили начина, по който се движи медузата, учените измислили ракетен двигател. Наблюдавайки светкавиците, учените откриха електричеството, без което днес хората не могат да живеят и работят. Всички видове домакински електрически уреди (осветителни лампи, телевизори, прахосмукачки) ни заобикалят навсякъде. В училищните работилници и в производството се използват различни електрически инструменти (електрическа бормашина, електрически трион, шевна машина).

Вече е известно, че едно от основните умения на естествения учен е способността да наблюдава. Наблюдението започва с изучаването на явленията, случващи се около нас.

Дъгата като физическо явление

Дъгата е един от най-красивите и необичайни природни феномени. Седемте цвята на дъгата се появяват в резултат на пречупването на бялата светлина под въздействието на най-малките капки вода. Дъгата представлява голямоизвит спектър или лента от цветни линии, която се образува от разлагането на светлинен лъч, който преминава през дъждовни капки, които действат като призма. Дъгата се появява само по време на дъжд, когато вали и слънцето грее едновременно.

В българските летописи дъгата е наричана „райската дъга” или съкратено „рейдовата дъга”. В древна Гърция дъгата е олицетворявана от богинята Ирида ("Ирида" означава "дъга"). Според представите на древните гърци дъгата свързва небето и земята, а Ирида е посредник между боговете и хората. физичен феномен на дъгата

Дъгата винаги се свързва с дъжд. Може да се появи и преди дъжд, и по време на дъжд, и след него, в зависимост от това как се движи облакът, давайки обилни валежи.

Първият опит да се обясни дъгата като природен феномен е направен през 1611 г. от архиепископ Антонио Доминис. Неговото обяснение за дъгата противоречи на библейското, затова той е отлъчен от църквата и осъден на смърт. Антонио Доминис умира в затвора, без да дочака екзекуцията, но тялото и ръкописите му са изгорени.

Обикновената дъга е цветна дъга с ъглов радиус 42°, видима на фона на завеса от проливен дъжд или дъждовни ивици, често недостигащи до повърхността на Земята. Дъгата се вижда в противоположната на Слънцето страна на небето и винаги когато Слънцето не е покрито от облаци. Центърът на дъгата е точка, диаметрално противоположна на Слънцето, антислънчевата точка. Външната дъга на дъгата е червена, последвана от оранжева, жълта, зелена дъга и т.н., завършваща с вътрешната лилава.

Колко дъги могат да се видят едновременно?

Обикновено можете да видите една дъга, понякога две. Освен това втората дъга, концентрична на първата, има ъглов радиус около 50° и е разположена над първата. Втората дъга е по-широка, избледняла,подреждането на цветовете в нея е обратното на първата дъга: външната й дъга е лилава, а вътрешната е червена.

Най-изненадващото е, че повечето хора, които са наблюдавали дъга много пъти, не забелязват допълнителни дъги. Тези цветни дъги (обикновено има три или четири от тях) неправилно се наричат допълнителни - всъщност те са толкова основни, колкото първата и втората дъга.

Как се появява дъгата?

Научното обяснение на дъгата е дадено за първи път от Рене Декарт през 1637 г. Декарт обяснява дъгата въз основа на законите за пречупване и отражение на слънчевата светлина в капки падащ дъжд. По това време още не е открита дисперсията - разлагането на бялата светлина в спектър при пречупване. Следователно дъгата на Декарт е бяла.

30 години по-късно Исак Нютон, който открива дисперсията на бялата светлина при пречупване, допълва теорията на Декарт, като обяснява как цветните лъчи се пречупват в дъждовните капки.

Въпреки факта, че теорията на Декарт-Нютон за дъгата е създадена преди повече от 300 години, тя правилно обяснява основните характеристики на дъгата: позицията на главните дъги, техните ъглови размери, подреждането на цветовете в дъгата от различни порядки.

Дъга възниква, когато слънчевата светлина се пречупи от дъжд или водни капки мъгла, плаващи в атмосферата. Тези капчици отклоняват светлината от различни цветове по различен начин (коефициентът на пречупване на водата за светлина с по-дълга дължина на вълната (червена) е по-малък, отколкото за по-къса дължина на вълната (виолетова), така че червената светлина се отклонява по-малко от пречупване - червена при 137 ° 30 ', виолетова при 139 ° 20' и т.н.), в резултат на което бялата светлина се разлага на спектър. Това явление се причинява от дисперсия. На наблюдателя изглежда, че многоцветно сияние се излъчва от пространството в концентрични кръгове (дъги) (в този случай източникът на ярка светлина винаги трябва да е зад наблюдателя).

Дъгата е каустик, който възниква, когато равнинно-паралелен лъч светлина се пречупи и отрази (вътре в капка) върху сферична капка. Както е показано на фигурата (за монохромен лъч), отразената светлина има максимален интензитет за определен ъгъл между източника, капката и наблюдателя (и този максимум е много „остър“, т.е. по-голямата част от светлината, пречупена с отражение в капката, излиза почти точно под същия ъгъл). Въпросът е, че ъгълът, под който отразеният и пречупен в нея лъч напуска капката, зависи немонотонно от разстоянието от падащия (първоначалния) лъч до успоредната му ос и минаваща през центъра на капката (тази зависимост е доста проста и е лесно да се изчисли изрично) и тази зависимост има плавен екстремум. Следователно „броят на лъчите“, излизащи от капката с ъгли, близки до крайната стойност на ъгъла, е „много повече“ от останалите. Под този ъгъл (който се различава леко за различните индекси на пречупване за лъчи с различни цветове) се получава отражение-пречупване с максимална яркост, съставляващо (от различни капки) дъга („ярките“ лъчи от различни капки образуват конус с връх в зеницата на наблюдателя и ос, минаваща през наблюдателя и Слънцето) [1] .

За едно отражение вътре в капката такъв ъгъл има една стойност, за две - друга и т. н. Това съответства на първичната, вторичната и т.н. Първичният е най-яркият, той отнема по-голямата част от светлината от капката. По-големите дъги обикновено не се виждат, защото са много бледи.

Най-често се наблюдава първична дъга, при която светлината претърпява едно вътрешно отражение. Пътят на лъчите е показан на фигурата горе вдясно. В първичната дъга червеният цвят е извън дъгата, нейният ъглов радиус е 40-42 °.

Понякога можетевижте друга, по-малко ярка дъга около първата. Това е вторична дъга, при която светлината се отразява два пъти в капката. При вторичната дъга "обърнатият" ред на цветовете е лилав отвън и червен отвътре. Ъгловият радиус на вторичната дъга е 50-53°. Небето между две дъги обикновено има забележимо по-тъмен нюанс. Възможно е също така да се наблюдава дъгата и по-високи порядки, но вече, главно, в лабораторни условия.

В ярка лунна нощ можете също да видите дъга от луната. Тъй като човешкото зрение е проектирано по такъв начин, че при слаба светлина най-чувствителните рецептори на окото - "пръчици" - не възприемат цветове, лунната дъга изглежда белезникава; колкото по-ярка е светлината, толкова по-цветна е дъгата (в нейното възприятие се включват цветни рецептори - "шибки").

Защо дъгата е кръгла?

Факт е, че повече или по-малко сферична капка, осветена от паралелен лъч от слънчеви лъчи, може да образува дъга само под формата на кръг.

Колко лъча на дъгата има в лъч светлина, падащ върху капка? Има много от тях, всъщност те образуват цял цилиндър. Геометричното място на точките на тяхното падане върху капката е цяла окръжност.

В резултат на преминаване през капката и пречупване в нея, цилиндърът от бели лъчи се трансформира в поредица от цветни фунии, вмъкнати една в друга. Външната фуния е червена, в нея се вмъква оранжево, жълто, след това идва зелено и т.н., завършвайки с вътрешната виолетова.

Размерът и формата на капките и техният ефект върху външния вид на дъгата

Видът на дъгата - ширината на дъгите, местоположението и яркостта на цветните тонове, позицията на допълнителните дъги са много зависими от размера на дъждовните капки. По външния вид на дъгата можете приблизително да оцените размера на дъждовните капки, които са образували тази дъга. Колкото по-големи са дъждовните капки, толкова по-тясна и по-ярка е дъгата. Особено характерно заголеми капки е наличието на наситен червен цвят в основната дъга. Колкото по-малки са капките, толкова по-широка и по-бледа е дъгата с оранжев или жълт ръб. Допълнителните дъги са по-далеч една от друга и от основните дъги.

Видът на дъгата също зависи от формата на капките. При падане във въздуха големите капки се сплескват и губят своята сферичност. Вертикалното напречно сечение на такива капки се доближава до елипса.

Възможно ли е да видите целия кръг на дъгата? От повърхността на Земята дъгата може да се наблюдава в най-добрия случай под формата на половин кръг, когато Слънцето е на хоризонта. Когато слънцето изгрява, дъгата отива под хоризонта. От самолет или хеликоптер можете да наблюдавате дъгата под формата на цял кръг!

Дъга без дъжд?

Има ли дъги без дъжд или без дъждовни ивици? Случват се в лабораторията. Изкуствените дъги са създадени в резултат на пречупването на светлината в една суспендирана капка дестилирана вода, вода със сироп или бистро масло. Размерите на капките варират от 1,5 до 4,5 mm. Тежките капки са били удължени под действието на гравитацията, а напречното им сечение е било елипса. Когато капката беше осветена от лъч на хелиево-неонов лазер, се появиха не само първата и втората дъга, но и необичайно ярките трета и четвърта, центрирани около източника на светлина (в този случай лазера). Понякога беше възможно да се получат дори петата и шестата дъга. Тези дъги, както първата и втората, бяха отново в посока, обратна на източника. Вярно е, че тези дъги бяха едноцветни, червени, тъй като се образуваха не от бял източник на светлина, а от монохроматичен червен лъч.

Белите дъги се срещат в природата. Те се появяват, когато слънчевата светлина освети слаба мъгла, състояща се от капчици с радиус от 0,025 mm или по-малък. Наричат се мъгливи дъги. В допълнение към основната дъга впод формата на брилянтна бяла дъга с едва забележим жълтеникав ръб, понякога се наблюдават оцветени допълнителни дъги: много слаба синя или зелена дъга, а след това белезникаво червено.

Подобен вид бяла дъга може да се види, когато прожектор зад вас осветява интензивна мъгла или слаба мъгла пред вас. Дори една улична лампа може да създаде, макар и много слаба, бяла дъга, видима на тъмния фон на нощното небе.

Подобно на слънчевите дъги, могат да се появят и лунни дъги. Те са по-слаби и се появяват по време на пълнолуние. Лунните дъги са по-редки от слънчевите дъги. За възникването им е необходима комбинация от две условия: пълната луна, непокрита от облаци, и падането на силен дъжд или ивици от падането му (не достигащи до Земята).

Дъгите, образувани от лунните лъчи, не са преливащи се и изглеждат като леки, напълно бели дъги. Липсата на червен цвят в лунните дъги, дори при големи дъждовни капки, се обяснява с ниското ниво на осветеност през нощта, при което чувствителността на окото към червените лъчи се губи напълно. Останалите цветни лъчи на дъгата също губят цветовия си тон до голяма степен поради липсата на цвят в човешкото нощно виждане.