Как неожиданно и ярко,
На влажной неба синеве,
Воздушная воздвиглась арка
В своем минутном торжестве!
Один конец в леса вонзила,
Другим за облака ушла —
Она полнеба обхватила
И в высоте изнемогла.
Ф. И. Тютчев
Введение
Однажды, поливая цветы из шланга, я обратил внимание, что рядом со струёй воды просвечивает радуга. Я сильно удивился, что сам могу создать радугу! Мне стало интересно, откуда она появляется, и решил узнать побольше по этой теме. Радуга — это удивительное явление, которое скрывает много тайн. Ещё с давних времён учёные изучают это красивое и загадочное явление. Сегодня я расскажу о радуге, и вы обязательно что-нибудь узнаете.
Цель работы:
1. Изучить, что такое радуга
2. Изучить историю ее исследования, и узнать, кто смог научно объяснить это явление.
3. Презентовать проект своим одноклассникам.
Задачи:
1. Выяснить, что из себя представляет радуга.
2. Узнать откуда появляется радуга.
3. Изучить историю исследования, и узнать, кто смог научно объяснить такое явление, как радуга.
4. Рассмотреть, как знания о радуге применяются в науке.
5. Рассмотреть виды радуги и при каких условиях они образуются.
6. Узнать, какие бывают явления похожие на радугу.
7. Провести собственные эксперименты.
8. Народные приметы.
- Что это такое — радуга?
Радуга — атмосферное, оптическое и метеорологическое явление, наблюдаемое при освещении ярким источником света (в природе Солнцем или Луной) множества водяных капель (дождя или тумана). Радуга выглядит как разноцветная дуга или окружность, составленная из цветов спектра видимого излучения (от внешнего края: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый). Это те семь цветов, которые принято выделять в радуге в русской культуре (возможно, вслед за Ньютоном).
Но следует иметь в виду, что на самом деле спектр непрерывен, и его цвета плавно переходят друг в друга через множество промежуточных оттенков. Центр окружности, описываемой радугой, лежит на прямой, проходящей через наблюдателя и Солнце, в антисолнечной точке, при этом Солнце всегда находится за спиной наблюдателя. Угловой радиус окружности — 42 градуса. Для наблюдателя на земле радуга обычно выглядит как дуга окружности, чем ниже Солнце над горизонтом, тем ближе дуга к половине окружности, а высота верхушки радуги над землёй — к 42 градусам.
Чем выше точка наблюдения, тем дуга полнее (с самолёта можно увидеть и полную окружность). Когда Солнце поднимается выше 42 градусов над горизонтом, окружность возможного появления радуги оказывается ниже уровня земли, и наблюдатель, находящийся на её поверхности, увидеть радугу не может. Приблизиться к радуге, как и к горизонту, нельзя.
- История изучения радуги
Такое удивительное явление природы будоражило умы многих ученых. Давайте рассмотрим, кто занимался ее изучением.
Персидский астроном Кутбу-д-Дин аш-Ширази (1236—1311), а возможно, его ученик Камал ад-Дин аль-Фариси (1260—1320), видимо, был первым, кто дал достаточно точное объяснение феномена. Примерно одновременно аналогичное объяснение радуги предложил и немецкий учёный Дитер Фрейбургский.
Общая физическая картина радуги была описана в 1611 году Марком Антонием де Доминисом в книге «О радуге зрения и света». 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 неё.
Рене Декарт дал более полное объяснение радуги в 1637 году в своём труде «Рассуждение о методе» в части «Метеоры» в главе «О радуге». Рассмотрев путь 10 тысяч лучей в капле, Декарт установил, что лучи от 8500-го до 8600-го выходят под одним и тем же углом 41,5 градуса к первоначальному их направлению и, следовательно, этот угол — преобладающий для лучей. Он также установил, что вторичная радуга возникает в результате двух преломлений и двух отражений, а лучи в этом случае выходят из капли в основном под углом 51–52 градуса к первоначальному направлению.
Исаак Ньютон в своём трактате «Оптика» дополнил теорию Декарта и де Доминиса тем, что разъяснил причины возникновения цветов радуги и объяснил противоположный порядок расположения цветов в радугах первого и второго порядков. В радуге при этом И. Ньютон выделял семь цветов: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, синий, индиго и фиолетовый.
Конечно, о законах оптики, а тем более о природе и свойствах света тогда знали крайне мало. Это не значит, что их не пытались открыть и постигнуть. С самых давних времен ученые интересовались законами оптики. Некоторые факты были известны ученым древней Греции. Евклид знал о законе отражения света, Аристотель изучал явление преломления света, а знаменитый астроном древности Птолемей даже измерял углы падения и преломления света. Греки применяли вогнутые зажигательные зеркала. Изучали оптику и арабские ученые: примерно девятьсот лет назад появилось целое научное исследование по оптике Ибн-аль Хайтама; оно в течение почти четырехсот лет являлось самым полным и лучшим.
Законами света занимались и многие европейские ученые средневековья. Они исследовали действие линз, пытались объяснить явление радуги; им уже были известны опыты по преломлению лучей с помощью призм, изготовленных из шлифованного стекла.
Но, тем не менее, до подлинной науки в современном ее понимании еще было далеко. Ньютон проводил опыт с солнечным светом не ради простого удовольствия. Главной его целью было выяснить, почему призма, поставленная на пути солнечных лучей, преобразует белый солнечный свет в спектр — цветовой ряд, полосу, в которой все цвета следуют один за другим в неизменном, всегда повторяющемся порядке.
Ему пришлось проделать огромную работу. И если учесть, что она проводилась почти триста лет назад с помощью всего лишь нескольких призм, линз и самых незамысловатых приспособлений, то кажутся совершенно поразительными выдумка и мастерство Ньютона-экспериментатора.
На основе проведенных опытов Ньютон открыл неизвестные ранее законы, которым подчиняется свет, и первым попытался научно объяснить его природу.
Встречая на своем пути две среды, отличающиеся друг от друга оптическими свойствами (например, воздух и стекло или воздух и воду), лучи света изменяют свое направление при переходе из одной в другую — преломляются. Это преломление тем больше, чем сильнее отличаются по своим свойствам среды, через которые проходит свет. Мы часто встречаемся с этим явлением в повседневной жизни. Достаточно лишь напомнить о ложке, опущенной в стакан с водой. Кажется, что она имеет резкий излом как раз на границе воды и воздуха.
О преломлении света было известно и до Ньютона. Но никто не знал, как преломляются лучи разного цвета.
- О ткуда появляется радуга?
Итак, опираясь на труды ученых, теперь мы точно знаем, откуда появляется радуга.
Радуга возникает из-за того, что солнечный свет преломляется и отражается капельками воды (дождя или тумана), парящими в атмосфере. Эти капельки по-разному отклоняют свет разных цветов. В результате белый свет разлагается в спектр. Наблюдатель, который стоит спиной к источнику света, видит разноцветное свечение, которое исходит из пространства по концентрическим окружностям (дугам).
Радуга представляет собой каустику, возникающую при преломлении и отражении (внутри капли) плоскопараллельного пучка света на сферической капле. Как показано на рисунке (для пучка монохроматического света), отражённый свет имеет максимальную интенсивность для определённого угла между источником, каплей и наблюдателем (и этот максимум весьма «острый», то есть бо́льшая часть света выходит из капли, развернувшись практически точно на один и тот же угол).
Разноцветная дуга появляется оттого, что луч света преломляется в каплях воды, а затем, возвращаясь к наблюдателю под разными углами, расщепляется на составные части от красного до фиолетового цвета. «Яркие» лучи от разных капель образуют конус с вершиной в зрачке наблюдателя и осью, проходящей через наблюдателя и Солнце.
Яркость оттенков и ширина радуги зависят от размера капель дождя. Чем крупнее капли, тем уже и ярче радуга, тем в ней больше красного насыщенного цвета. Если идёт мелкий дождик, то радуга получается широкая, но с блёклыми оранжевыми и жёлтыми краями.
Радуга появляется, только когда выглянуло из-за туч солнце и только в стороне, противоположной солнцу.
Радуга возникает, когда солнце освещает завесу дождя. Находиться надо строго между солнцем (оно должно быть сзади) и дождём (он должен быть перед человеком). Иначе радугу не увидеть!
Солнце, наши глаза и центр радуги должны находиться примерно на одной линии. Если солнце высоко в небе, то такую прямую линию провести невозможно. Вот почему радугу можно наблюдать только рано утром или ближе к вечеру. Оказывается, такое чудо тоже бывает и зимой. Зимой в воздухе «плавают» кристаллики льда. Они тоже могут разделить белый цвет на семь цветов радуги.
Мы чаще всего видим радугу в форме дуги, но дуга — это лишь часть радуги. Радуга имеет форму окружности, но мы наблюдаем лишь половину дуги. Целиком радугу можно увидеть лишь на большой высоте, с борта самолёта или с высокой горы.
- Виды радуг и явления, похожие на радугу
В природе чаще всего наблюдается простая радуга-дуга, но известно много других оптических феноменов, которые возникают по похожим причинам или похоже выглядят. Среди них, например, туманная (белая) радуга, она серого цвета, ведь она состоит из маленьких капель тумана.
Огненная радуга — один из видов гало (гало — это оптическое явление похожее на радугу), возникающая на перистых облаках. Этот редкий погодный феномен формируется, когда свет, проходя через перистые облака, преломляется через плоские кристаллы льда. Лучи входят через вертикальную боковую стенку шестиугольного кристалла, выходя из нижней горизонтальной стороны.
Похож на радугу и слабый паргелий — гало в 22° слева и справа от солнца.
Ночью можно увидеть лунную радугу. Она цветная так же, как и обычная, но человеческий глаз не воспринимает её в разных цветах. Но она так же красива, как и самая обычная.
Когда радуга появляется над поверхностью воды (или над другой отражающей поверхностью, например, мокрым песком), может возникнуть так называемая отражённая радуга . Она появляется, когда солнечный свет отражается от поверхности воды до того, как попадает на дождевые капли, где происходит преломление. Необходимо, чтобы водная поверхность была достаточно большой, спокойной и близкой к стене дождя. Из-за большого количества условий отражённая радуга — редкое явление.
Отражённая радуга пересекает основную на уровне горизонта, далее проходит над ней. Так как солнечный свет предварительно отражается от воды, яркость отражённой радуги ниже основной. Двойная радуга в ландшафте , картина Питера Рубенса.
Хотя многоцветный спектр радуги непрерывен, во многих странах в нём выделяют 7 или 6 (например, в англоязычных странах) цветов. Считают, что первым выбрал число 7 И. Ньютон.
При определённых обстоятельствах можно увидеть двойную, перевёрнутую или даже кольцевую радугу. На самом деле, это явления другого процесса — преломления света в кристаллах льда, рассеянного в атмосфере, и относятся к гало. Для появления в небе перевернутой радуги (околозенитной дуги, зенитной дуги — одного из видов гало) необходимы специфические погодные условия, характерные для Северного и Южного полюсов. Перевернутая радуга образуется за счет преломления света, проходящего через льдинки тонкой завесы облаков на высоте 7–8 тысяч метров. Цвета в такой радуге располагаются тоже наоборот: фиолетовый вверху, а красный — внизу.
- Как знания о радуге применяются в науке
По сути, само явление радуги образуется путем преломления солнечного света на капле воды и в современной физике называется дисперсией. Дисперсия — процесс, в котором белый свет разбивается на полный спектр длин волн. Это явление дисперсии возникает для любого типа волны. Радуга связана с семью цветами.
Изучая это природное явление, ученые смогли свои знания применить в разных областях науки. К сожалению, в силу моего возраста, я еще не способен понять сложные графики, с которыми столкнулся, изучая это явление.
Однако некоторые выводы я сделал:
1. Изучая радугу, ученые средневековья смогли сформулировать основные принципы оптики. В свою очередь эти знания помогли миру обрести очки, микроскопы и телескопы. Без этих предметов такие науки, как биология, медицина, астрономия не смогли бы развиваться в принципе.
2. Знания о радуге применяются в математической физике, в частности в квантовой механике
3. Рассеяние частиц формально ничем не отличается от рассеяния световых лучей, поэтому радужное рассеяние возможно не только в оптике, но и в механике.
- Волновые свойства, присущие частицам в квантовой механике, имеют сходство с оптикой.
- Роджеру Бэкону (1214–1292гг) благодаря явлению радуги пришли идеи экспериментального метода познания науки, которые стали основой для научных изысканий следующих поколений ученых. Он утверждал, что не стоит полагаться на интуицию или умозаключения авторитетов без реальных на то оснований. Любое явление должно проверяться на опыте, наблюдениях, сравнениях.
В качестве объекта экспериментального познания ученый выбрал именно радугу. Сначала Бэкон собрал все явления, схожие с радугой. В это множество попали: преломление солнечного света в кристаллах, в капельках росы на листьях, в водяных брызгах от вращающегося мельничного колеса, от вёсел. Затем он исследовал само явление радуги, обратив внимание на то, что она всегда появляется в облаках или тумане. Объединив наблюдение, астрономическую теорию и измерения с помощью астролябии, он установил, что радуга возникает в противоположной стороне от Солнца, что в центре радуги глаз наблюдателя и Солнце располагаются всегда на прямой линии и что имеется явная связь между высотой радуги и высотой Солнца над горизонтом.
Бэкон показал, что лучи, возвращающиеся от радуги в глаз, образуют угол в 42 градуса с лучами, исходящими от Солнца в сторону радуги. Чтобы объяснить все эти факты, он принял точку зрения Аристотеля, изложенную последним в Метеорологии, что радуга — это основание конуса, вершину которого образует Солнце, и осью, исходящей от него через глаз наблюдателя к центру радуги.
В зависимости от высоты Солнца меняется основание конуса, т. е. размер радуги. Это объясняет различие размеров радуги в разное время года. Кроме того, из теории Бэкона следует, что размеры и цвета радуги различны для разных наблюдателей. Радуга движется вместе с наблюдателем относительно неподвижных деревьев, домов и т. п. Поэтому для тысячи наблюдателей, расположенных в один ряд, доказывает Бэкон, на самом деле существует тысяча различных радуг.
- Мои эксперименты
Как получить радугу в домашних условиях.
- Опыт «Радужная пленка»
Нам пригодится тарелка с водой и прозрачный лак для ногтей. Капнем капельку лака в миску с водой, понаблюдаем, как на поверхности образуется пленка. А теперь поднесем ее к источнику света. Когда на водную гладь с пленкой попадает луч света, вы увидите радугу.
- Опыт «Радужный диск»
Очень простой опыт. Берем CD или DVD диск, направляем на него свет и наслаждаемся увиденным. Прямо на поверхности диска и отразится весь спектр радуги.
- Опыт с мыльными пузырями
Нам понадобится баночка с мыльными пузырями и свет. К примеру, это можно сделать у окна в солнечную погоду или у яркой лампы. Начинаем выпускать мыльные пузыри и смотреть на них. Увидим, что они переливаются всеми цветами радуги.
- Народные приметы
Издавна, наблюдая интересное красивое природное явление, народ подмечал ряд признаков, относящихся к природе, отсюда родились народные приметы, которые передавались, как знание об этом мире из поколения в поколения. Так и о радуге есть такие знания:
— радуга на небе — к перемене погоды;
— высокая и крутая радуга — к ветру, а пологая и низкая — к дождю;
— вечерняя радуга предвещает хорошую, а утренняя — дождливую погоду;
— радуга после дождя, быстро исчезающая, — к хорошей погоде;
— радуга держится долго — к ненастью;
— когда возникает 2 или 3 ярких радуги, бывает продолжительный дождь.
Такие приметы помогали людям прогнозировать погоду и использовать эти знания в сельском хозяйстве.
Заключен ие
Природа многогранна, многие явления кажутся непостижимыми. Так, в том числе, думали о таком явление как радуга. Однако научная мысль со времён Ньютона сильно продвинулась вперёд, и теперь каждый школьник знает, что радуга состоит из сочетания воды и света.
Я считаю, что смог ответить на свои вопросы и достичь своих целей по этой теме. Я изучил, что представляет из себя радуга, узнал историю изучения этого явления, подробно рассказал одноклассникам простыми словами такое сложное явление.
В работе также отражены народные представления и суеверия о радуге. Можно использовать информацию на уроках окружающего мира, на внеурочных занятиях, для собственных экспериментов.
В дальнейшем я планирую углубиться в тему природных атмосферных явлений (миражи, северное сияние, перламутровые облака и т. д.), а тема радуги является первой ступенькой к познанию.
Литература:
1. Сыщенко Владислав, докт. физ-мат. наук, Белгородский государственный национальный исследовательский университет. «Троицкий вариант» № 3(97), 14 февраля 2012 года
2. Штейнгауз Александр Израилевич Девять цветов радуг, 1963г
- Я познаю мир: Дет. Энцикл./М.: ООО «Издательство АСТ»,2002г
- http://vse-sekrety.ru
- https://ru.wikipedia.org
- https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/431604/7_faktov_o_raduge
