Почему радуги бывают разными

С. Варламов
«Квант» №1, 2013

Введение

Конечно, каждый читатель не раз видел на небе радугу. Лучше всего заметна самая яркая, так называемая первая радуга. Она видна в направлениях, составляющих угол 42° с линией, проходящей через центр солнца и глаз наблюдателя. При этом солнце расположено за спиной наблюдателя. Значительно менее яркая радуга видна в направлениях, составляющих угол 51° с той же линией. Порядки расположения цветов в этих двух радугах разные. Внутренняя часть (с меньшими углами) первой радуги фиолетово-синяя, а внешняя красная. У второй радуги — наоборот, внутренняя часть красная, а внешняя фиолетовая. Иногда кроме этих двух радуг видны еще и многочисленные дополнительные светлые дуги, расположенные внутри самой яркой первой радуги. Они есть и вне второй радуги, но их яркость очень мала.

Как возникает радуга? Почему не всегда видны дополнительные дуги? Попробуем ответить на эти вопросы.

Когда и как бы радуга ни возникала, она всегда образуется игрой света на каплях воды.

Обычно это дождевые капли, изредка — мелкие капли тумана. Взаимодействие параллельного пучка солнечного света и круглой дождевой капли приводит к тому, что свет преломляется, отражается и очень слабо поглощается каплей. Использованные в этой фразе термины понятны и школьникам, закончившим восьмой класс и знающим только о геометрической оптике, и старшеклассникам, знакомым с волновой природой света.

В геометрической оптике рассматриваются три главных закона, которые описывают поведение лучей света. Это закон прямолинейного распространения света в однородной среде и законы отражения и преломления света на границе раздела двух сред. Закон отражения света в упрощенной форме формулируется так: угол падения луча равен углу отражения. А закон преломления лучей света на границе раздела утверждает, что отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно отношению скорости света в первой среде (из которой свет падает на границу раздела) к скорости света во второй среде (находящейся за границей раздела).

Или, иными словами, отношение синусов углов падения и преломления равно относительному показателю преломления второй и первой сред.

Если пользоваться только законами геометрической оптики, то можно показать, что лучи света, прошедшие внутрь капли, отразившиеся внутри нее один или два раза и затем вышедшие наружу, собираются (группируются, или концентрируются) вблизи направлений, которые как раз соответствуют первой и второй радугам (рисунки 1 и 2 соответственно). (Можно аналогично найти направление для третьей и последующих радуг, но, поскольку они настолько слабы, что никогда не наблюдаются на фоне ярких первых двух радуг, мы их рассматривать не будем — в прямом и в переносном смысле!) Условия концентрации по некоторым направлениям в пространстве лучей, вышедших из капли, соответствуют экстремумам в зависимости угла поворота луча — будем обозначать его как 180 – φ — от так называемого прицельного угла падения α. Для первой радуги φ = 42°, а для второй радуги φ = 51°. В случае света разных цветов (длин волн) соответствующие углы поворота немного отличаются, так как каждой длине волны света (цвету) соответствует свой коэффициент преломления 

n. Связь между углом падения α, углом преломления β и углом φ для одного отражения света внутри капли такова: φ = 4β – α. Для двух отражений луча света внутри капли: φ = 180° – 2α + 6β. По закону преломления, sinα/sinβ = n. У воды коэффициент преломления для всех длин волн видимого света близок к величине n = 4/3.

Графики зависимости углов φ от углов α (в градусах) показаны на рисунке 3. Видно, что экстремумы приходятся как раз на значения углов φ = 42° и φ = 51°. Поскольку разным цветам соответствуют разные коэффициенты преломления n — это свойство среды называется дисперсией, — направления в пространстве, вблизи которых концентрируются лучи света, для разных длин волн не совпадают, и мы видим радугу цветной. Например, первая яркая радуга имеет угловой «размах» около 3,5°. Из рисунка 3 видно, что для одного отражения внутри капли экстремум это максимум, а для двух отражений внутри капли — минимум, поэтому понятно, почему порядки цветов в первой и второй радугах (42° и 51°) противоположные.

Любопытно, что если бы космонавт оказался на орбите Меркурия и устроил внутри космической станции туман из водяных капелек, то он увидел бы вовсе не такие радуги, к которым мы привыкли. Для него и первая, и вторая радуги солнечных лучей представлялись бы белыми! И только края этих радуг были бы слегка окрашены. Это связано с тем, что угловой размер Солнца для наблюдателей на Земле гораздо меньше угловой ширины радуг и составляет около 0,5°, а для наблюдателя, находящегося на таком же расстоянии от Солнца, как Меркурий, угловой размер Солнца примерно в 2,5 раза больше.

Однако и в земных условиях тоже можно увидеть белую радугу. Фотография, приведенная на рисунке 4, сделана из окна каюты корабля в тумане. Слой тумана обеспечил существенное угловое расширение источника света — солнце сквозь туман выглядело отнюдь не маленьким светящимся диском с четкими краями, а большим белым пятном. Если внимательно присмотреться к фотографии, то можно отметить, что верхний край белой радуги имеет красноватый оттенок, а нижний — фиолетовый. Еще одна красивая фотография белой радуги приведена на рисунке 5.

Но вот для того чтобы объяснить, почему первая и вторая радуги получаются разными по яркости, законов геометрической оптики оказывается недостаточно. На любой границе раздела энергия Е_отр отраженного света и энергия Е_прош света, прошедшего через границу, в сумме равны энергии

Е_пад падающего света. Пропорции между энергиями прошедшего и отраженного света определяются относительным показателем преломления сред по разные стороны от границы, углом падения на границу, а также поляризацией падающего света (кстати, именно поэтому свет радуги сильно поляризован). Формулы для расчета отношений Е_отр/Е_пад и Е_прош/Е_пад вывел еще в начале XIX века Огюстен Френель, и заинтересовавшиеся читатели могут отыскать их, например, в учебниках по оптике для студентов. Так, при перпендикулярном (α = 0) падении света на границу раздела сред с относительным показателем преломления n долю энергии отраженного света можно вычислить с помощью такой формулы:

Поскольку свет, образующий первую радугу, отразился внутри капли только один раз, а свет, образующий вторую радугу, отразился внутри капли два раза, то приближенно можно оценить отношение яркостей (интенсивностей света) этих радуг так:

На самом деле это отношение несколько меньше, так как внутренние отражения для больших углов падения характеризуются и большим коэффициентом отражения.

Но откуда берутся дополнительные радуги? Если какому-то направлению рассеяния солнечного света соответствует экстремум функции распределения по углам для одной капли, то и всем каплям такого же размера соответствует аналогичное направление концентрации энергии рассеянного света. При этом направлениям, расположенным рядом с экстремальным, отвечают два разных пути лучей света внутри капли. Им соответствуют разные углы падения на каплю и, естественно, немного отличающиеся длины этих путей. Если разность длин таких путей для выбранного направления пропорциональна целому числу волн света с длиной волны λ, или четному числу полуволн, то в этом направлении наблюдается максимум интенсивности света на этой длине волны. Если же разность длин путей пропорциональна нечетному числу полуволн, то в таком направлении наблюдается минимум интенсивности света на этой же длине волны. Самому экстремальному направлению, конечно же, соответствуют почти одинаковые оптические длины путей для разных углов падения вблизи максимума.

Такое перераспределение энергии светового потока по разным направлениям называется интерференцией. Заметной в природе интерференция становится только в том случае, если размеры всех дождевых капель, во-первых, очень близки друг к другу, а во-вторых, настолько малы, что выполняется так называемое дифракционное соотношение: отношение длины волны света λ к диаметру капли D больше углового размера радуги. Для крупных капель, с диаметром больше 1 мм, увидеть в природе дополнительные радуги нельзя, а для малых капель — можно. Оказывается, что если размеры капель малы, то рассчитать явление без учета дифракции света, т. е. нарушения прямолинейности распространения, связанного с волновой природой света, невозможно. (Отсюда возникает «вилка» в терминологии: некоторые называют дополнительные радуги дифракционными, а некоторые — интерференционными.)

А можно ли наблюдать явления, аналогичные возникновению дополнительных радуг, в домашних условиях? Можно. Для этого, во-первых, нужно создать условия для рассеяния света не в пространственный конус, как это имеет место в каплях, а только в некоторых направлениях. Это возможно, если вместо круглых капель использовать почти цилиндрическую струю воды. Во-вторых, нужен источник света, который характеризуется значительно меньшими, чем Солнце, угловыми размерами. И в-третьих, этот источник должен создавать свет, близкий по свойствам к монохроматическому. Таким источником может быть, например, лазер. Сейчас доступны лазеры с разными длинами волн.

Приведем описание экспериментов, проведенных автором статьи в домашних условиях.

При одном и том же расположении лазеров разных цветов — красного с длиной волны λ = 630–650 нм, зеленого с λ = 532±10 нм и синего с λ = 405 нм (это — надписи на этикетках, наклеенных на корпусы лазеров) — на стене ванной комнаты были получены картинки (рис. 6), соответствующие «радуге» первого порядка (42°) от тонкой струи воды (диаметром d ≈ 1 мм). Причем во всех трех случаях струя сохраняла свои параметры, т. е. вода текла из крана непрерывно и равномерно и настройка крана при смене лазеров не менялась. На фотографиях видно, что положения главных максимумов для разных цветов отличаются, но максимумы располагаются все-таки близко друг к другу.

Расстояние от струи до стены составляло 150 см, а смещение главного красного пятна по отношению к главному синему пятну оказалось равным 5 см. Это соответствует разнице углов отклонения лучей для синего и красного цветов примерно 1,9° . Такое отличие углов обусловлено дисперсией света в воде. А вот расстояния между минимумами картинок, отсчитываемыми от главного максимума, отличаются в количество раз, соответствующее длинам волн. Для синего цвета угловое расстояние между соответствующими минимумами меньше аналогичного углового расстояния для красного цвета примерно в 1,4 раза (630 нм/405 нм = 1,55), а для красного и зеленого цветов это отношение равно примерно 1,2 (630 нм/532 нм = 1,18). Если пустить из крана более толстую струю воды, то при тех же расположениях главных максимумов разных цветов расстояния между соответствующими дополнительными максимумами и минимумами уменьшаются.

Добиться устойчивого течения струи с диаметром меньше 1 мм, к сожалению, не удается, поэтому получить дифракционные или интерференционные радуги на струе воды с белым светом не получится. Это связано с тем, что полученные в эксперименте расстояния между дополнительными минимумами и максимумами для всех длин волн значительно меньше 3° — ширины первой радуги.

На водяных каплях в облаках это возможно, если все капли имеют одинаковые размеры, значительно меньшие 0,1 мм. Тогда угловые промежутки между соседними максимумами малых порядков (1–10) могут достигать 2–3 градусов, и поэтому первые несколько дополнительных радуг, расположенных в непосредственной близости от основной радуги, еще различаются как отдельные. Дело в том, что наиболее ярким воспринимается глазом желтый участок спектра излучения солнца. Именно этим длинам волн и соответствуют максимумы интенсивности света в дополнительных (дифракционных/интерференционных) радугах.

Когда угловое расстояние между соседними дополнительными радугами становится меньше 0,5°, их в принципе невозможно различить, так как угловой размер Солнца как раз равен этой величине. Угловое расхождение монохроматических лучей света лазера намного меньше 0,5°, поэтому можно увидеть множество максимумов разных порядков дифракции, возникающих при рассеянии света на тонкой струе воды.

В каждой «вложенной» в основную радугу (42°) дополнительной радуге угловое расположение цветов определяется двумя факторами, «действующими» в противоположных «направлениях», — рефракционным и дифракционным. При этом рефракционный поворот лучей не зависит от номера порядка дифракции, а дифракционный поворот зависит. Вот почему в дифракционных радугах цвета не разложены так же отчетливо, как в основной радуге. С увеличением номера светлые дуги разных цветов и разных порядков дифракции накрывают друг друга, и различить их уже невозможно — они вместе образуют светлый фон неба внутри основной радуги.

А теперь — из области фантастики. Вот если бы Солнце светило монохроматическим светом, то было бы заметно гораздо больше дифракционных радуг, вложенных в основную радугу, так как каждая из них имела бы угловой размер, равный угловому размеру Солнца. И насколько величественней выглядела бы радуга, если бы Солнце, в дополнение к монохроматичности света, характеризовалось еще и очень маленьким угловым размером, а все капельки воды в облаке были бы совершенно одинаковых размеров. Такое можно себе только представить: на небе было бы несколько десятков одноцветных дуг!

Конспект урока по окружающему миру на тему «Почему радуга разноцветная» (1 класс)

 2. Актуализация знаний. Самоопределение к деятельности

 «Однажды Муравей Вопросик попал под сильный дождь и спрятался под листочком. А когда дождь почти закончился, и появилось солнце, Муравей услышал, как высоко в небе кто – то запел тоненьким голоском:

Я всегда со светом дружен.

Если солнышко в окне,

Я от зеркала, от лужи

Пробегаю по листве..

— Кто ты? – спросил Муравей Вопросик.

— А вы, ребята, как думаете, кто это был? (Солнечный зайчик.)

— Что ты делаешь там, так высоко? – спросил Муравей.

— Я делаю чудеса! – ответил Солнечный зайчик.

И тут Муравьишка увидел в небе…

Что за чудо – красота!

Расписные ворота

Показались на пути,

В них ни въехать, ни войти!

 -Что увидел Муравьишка на небе?  (Радугу)

— Как же так? – удивился Муравьишка. – Ты Солнечный зайчик сам белый, а радуга разноцветная! Почему радуга разноцветная?

Засмеялся Солнечный зайчик и ничего не сказал.

— О чем сегодня мы будем говорить на уроке? (О радуге)

—  Что бы вы хотели узнать о радуге? (Что такое радуга? Почему радуга разноцветная? Из каких цветов состоит радуга?)

Давайте откроем учебник, страница 40 и прочитаем тему урока (Почему радуга разноцветная?)

3. Работа по теме урока

— Какое настроение у вас бывает, когда вы видите радугу? (Радостное)

Слово «радуга» похоже на слово «радость». И в самом деле, радостно бывает, когда вдруг на небе возникает удивительно красивая дуга. «Райская дуга» назвали ее в старину и верили, что она приносит счастье. С тех пор так и зовут – радуга.

-Дети, кто из вас видел радугу?

— Ребята, когда в небе появляется радуга? (Когда светит солнце и идёт дождь)

Выглянуло солнце.

Удивилась детвора,

Посмотрев в оконце, —

Семицветная дуга.

Заслонила облака.

— Как автор назвал радугу в стихотворении? (Семицветная дуга)

— А почему именно семицветная?  (Семь цветов)

 — Почему радуга разноцветная?

-Все вы видели, что капелька бесцветная (или имеет цвет?) (МОЖНО ПОКАЗАТЬ КАПЕЛЬКУ) и лучик бесцветный.

— На что попадают в небе солнечные лучи? (На капельки дождя)

-А вы знаете, что происходит с солнечными лучами? (Распадаются на разноцветные лучики.)

— Что при этом образуется? (Радуга).

Радугу построили солнечные лучи и дождевые капли.

Дождь заканчивается. Редкие капли еще падают на землю, но из-за тучи уже выглянуло солнце. Солнце светит сквозь падающий дождь, лучи его проходят через дождевые капли, и на небе напротив солнца возникает необычная цветная дуга. Чем крупнее дождевые капли, тем ярче радуга. Если капли мелкие, радуга кажется бледной, еле заметной.

Таким образом, солнечные лучи, попадая на капельку дождя, распадаются на разноцветные лучики.

Физминутка

Я на радугу-дугу      (ХЛОПАТЬ)
Полюбуюсь побегу,  (НА МЕСТЕ БЕЖАТЬ)
Семицветную, цветную   (ПОКАЗАТЬ)
На лугу подстерегу.       (НАКЛОНЫ ВПРАВО, ВЛЕВО)

 

4. Продолжение работы по теме урока

Все цвета в радуге располагаются в чёткой последовательности и никогда не меняются местами.

-Чтобы не путать этот порядок люди придумали фразу-подсказку:

 «Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан».

Каждое слово в фразе соответствует цвету радуге.

— Прочитайте в учебнике на странице 40 фразу- подсказку и с ее помощью перечислите цвета радуги. Постарайтесь запомнить эту фразу: «Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан».

Каждый – красный цвет

Охотник – оранжевый

Желает – желтый

Знать – зеленый

Где – голубой

Сидит – синий

Фазан — фиолетовый

 

5. Работа по интерактивной доске

Игра «Третий лишний». Уберите цвет, которого нет в радуге.

Красный, коричневый, оранжевый

Жёлтый, зелёный, белый

Голубой, малиновый, синий

Черный, фиолетовый, серый

— Прочитайте цвета радуги. (ХОРОМ)

 

— Давайте вспомним кто «мастерит радугу»? Что «лишнее»? Уберите «лишний» предмет. (Солнышко, дождик, вьюга). (Вьюга лишнее))

— Так почему же радуга разноцветная? Прочитаем объяснение Мудрой Черепахи в учебнике, страница 41 внизу.

— На что попадают в небе солнечные лучи? (На капельки дождя)

— Что происходит с солнечными лучами? (Распадаются на разноцветные лучики.)

— Что при этом образуется? (Радуга).

 

Природа очень изобретательна! Но бывает так, что в небе сразу появляются две радуги. (СЛАЙД) Одна из них поярче, другая побледней! (Это бывает в тех случаях, когда солнечный луч дважды отражается в каплях воды. )

 

Радугу можно увидеть практически в любое время суток, даже ночью и в зимнюю стужу.

Есть народная примета – радуга зимой к морозам. (Солнечный свет происходит не в капельках воды, как летом, а в кристалликах льда, так образуется радуга зимой)

 

Посмотрите на рисунок, страница 41.

— Что делают Черепаха и Муравей?

— Как вы думаете, что они хотят получить? (Радугу)

— Может ли у них получиться радуга? (Да)

— Почему? (Потому что есть вода и солнечные лучи, они радугу увидели в водяных брызгах, т.е. солнечные лучи пройдут через капли воды и получится радуга.)

— Где еще можем мы наблюдать маленькие “радуги” в жизни, вокруг себя?

(Радугу можно увидеть в лужах на асфальте…

-В брызгах фонтана…

-Самые яркие радуги встретят нас у водопадов…

-Побудем и мы волшебниками, попробуем создать свою радугу.

Практическая работа №1: к настольной лампе подставить диск. Получится радуга

Практическая работа №2 «Радуга на мыльном пузыре»

Дети на белый лист бумаги дуют мыльный пузырь, замечая на нём «радугу». С помощью мыльных пузырей мы увидим эффект радуги.

— Мы с вами получили каждый свою радугу. Это явление называется дисперсией света, а набор цветов – спектром.

Физминутка

В небе дождь, гроза    (ХЛОПАТЬ)

Закрывай глаза.           (ЗАКРЫТЬ ГЛАЗА)

Дождь прошёл, трава блестит,   (ШАГАТЬ)

В небе радуга стоит.     (ПОКАЗАТЬ)

Поскорей, поскорей      (БЕГ НА МЕСТЕ)

Выбегай из дверей!       (БЕГ НА МЕСТЕ)

По траве босиком          (ШАГАТЬ)

Прямо в небо прыжком. С. Маршак   (ПРЫГНУТЬ)

 

8. Работа в группах

 

1 группа «Собери радугу»     (Назовите правильно цвета радги)

2 группа соберет примету о радуге      «Радуга зимою — к морозу либо к снегу»

3 группа соберет другую фразу-подсказку: Как Однажды Жан-Звонарь Голубой Сломал Фонарь.

4 группа составит правильно стихотворение о радуге:

 

Проверка работ в группах:

1 группа:

2 группа:

3 группа: Как Однажды Жан-Звонарь Голубой Сломал Фонарь.

4 группа: читает стихотворение о радуге.      (СЛАЙД)         ХОРОМ!!!

После дождика на небе

Чудо появилось,

Это радуга – дуга

В гости к нам явилась.  

 

— Ребята, хотите еще раз увидеть радугу?

Практическая работа №3: нарисовать точки маркером на полоске бумажного полотенца, затем полоску опустить в воду и наблюдать за появлением радуги. (Если останется время)

 

Солнце вешнее с дождем

Строят радугу вдвоем —

Семицветный полукруг

Из семи широких дуг.

Нет у солнца и дождя

Ни единого гвоздя,

А построили в два счета

Поднебесные ворота.

Давайте раскрасим радугу в Рабочей тетради, страница 26.  (Если останется время

— Загадайте желание, глядя на радугу, и она (радуга) непременно исполнит все ваши желания.

 

Итог урока. Рефлексия.

— Понравился урок? Что было на уроке интересным? Чтобы вы рассказали своим родителям об уроке?

-Что узнали нового на уроке?

-Чему научились?

— Цели, которые были поставлены на уроке достигнуты нами или нет?

 

Спасибо за урок!

 Возьмите мыльные пузыри и всем вместе их дунем!!!

 

 

 (Радуга бывает большой, когда солнце находится над горизонтом – утром или ближе к вечеру. Когда солнце стоит высоко в небе, радуга небольшая.

Когда мы смотрим на радугу с земли, она кажется нам дугой. Если на радугу посмотреть с высоты, например с самолета, она будет казаться кругом) Как изобретательна природа-матушка!!!

 

 

ТЕСТ    (НА ВСЯКИЙ СЛУЧАЙ)

У каждого ученика – полоска бумаги с кружочками (бусы).

Учитель задаёт вопросы, ученики самостоятельно отвечают “да – нет”;

Ответ “да” – кружок закрашивается в зелёный цвет;

Ответ “нет” – кружок закрашивается в красный цвет.

1 -У радуги 7 цветов? (Да)

2 — Все цвета расположены в определённом порядке? (Да)

3 — В радуге есть коричневый цвет?  (Нет)

4 -Строители радуги – солнце и дождь?  (Да)

 

 

 

 

 

                                                             

 

 

 

 

 

 

радуг | Причины цвета

Почему радуга цветная?

Радуги можно увидеть в брызгах водопада. Идеальными условиями для радуги являются солнечный свет и капли воды, обычно в виде дождя, но также и в виде мелкой струи.

Как образуется радуга?

Механика радуги изучается с древних времен. Греческие философы знали о роли отражения в формировании радуги и имели некоторое представление о роли преломления. В 13 веке ученые разработали теории образования радуги, а в 17 веке Рене Декарт набросал условия, необходимые для наблюдения за радугой.

Мы видим радугу из-за геометрии капель дождя. Когда солнце светит сзади нас в дождь, падающие лучи света попадают в каплю и преломляются внутрь. Они отражаются от задней поверхности капли дождя и снова преломляются, когда выходят из капли и возвращаются к нашим глазам. Преломление отвечает за разделение солнечного света на составляющие его цвета.

Известный набросок Декарта описывает условия, необходимые для наблюдения радуги. Солнце находится прямо позади него, и свет, отраженный от капель дождя перед ним, концентрируется примерно между 40,6° и 42,4° с центром в точке, где должна быть тень его головы.

Вы видите радугу с определенного места ; «Ваша» радуга будет меняться по мере вашего движения и отличаться от восприятия другими. Поскольку свет от любой отдельной капли рассеивается, только один луч определенного цвета достигает вашего глаза. Фиолетовая полоса, которую вы видите, оставляет соответствующие капли дождя под углом около 40,6°, а красная полоса, которую вы видите, оставляет соответствующие капли дождя под углом 42,4°, поэтому красный свет исходит от капель дождя, находящихся выше в небе относительно вашего глаза.

Выше сравните углы от внутреннего и двойного внутреннего отражения. Существуют также тройные и четверные внутренние отражения. См. до 6 внутренних отражений ниже.

Вторичные радуги образуются за счет двойного внутреннего отражения. Свет дважды отражается от внутренней поверхности капли дождя, прежде чем покинуть ее. Свет концентрируется примерно между 50,4° и 53,6°, образуя вторичную радугу над первичной радугой.

Исследуйте для себя основные дожди через каплю дождя. Обратите внимание, что короткие и длинные волны имеют немного разные углы. Первичный угол выхода от одно отражение .

Если бы мы могли видеть всю радугу (например, с самолета), она образовала бы полный круг. Эта радуга над водопадами Игуасу иллюстрирует это своей вытянутой дугой.

Размер капель дождя не влияет на геометрию радуги, хотя очень маленькие капли, например, в тумане или мгле, уменьшают эффект. В этом случае эффект рассеяния преобладает над эффектом дисперсионного преломления. «Туманная дужка» имеет дугу радуги, но выглядит как ярко-белая дужка без спектральных цветов.

Угол наклона солнца влияет на видимую нами радугу. Как только солнце поднимается выше 42°, дуга радуги опускается за горизонт. По мере приближения солнца к горизонту размер видимой дуги увеличивается, достигая полного полукруга непосредственно перед заходом солнца.

Лунные лучи наблюдались, но поскольку наше ночное зрение не чувствительно к цвету, они кажутся скорее белыми, чем цветными.

Вторичные радуги и сверхштатные радуги

Слепая девушка , с картины Джона Эверетта Милле , выражает пафос этой фигуры, не подозревающей об окружающем ее великолепии. Здесь художник позволил себе некоторую вольность с двойной радугой; драматическое темное небо ниже радуги не встречается в природе.

Если одна радуга прекрасна, то двойная радуга захватывает дух. На самом деле солнечный свет может отражаться три или более раз в одной дождевой капле, но радуги третьего порядка увидеть нельзя. Они формируются так близко к солнцу, что его яркость подавляет их.

В лаборатории можно воссоздать несколько радуг, образованных множественными внутренними отражениями. Сферическая колба с водой имитирует каплю дождя.

В двойной радуге капли дождя отражают солнечный свет заметно внутрь от дуги радуги и, соответственно, из вторичной дуги, так что темная полоса видна между дугами. Этот эффект, названный лентой Александра, был впервые описан греческим философом Александром Афродисийским в III веке. В результате небо под первичной (нижней) радугой и над вторичной (верхней) дугой становится ярче.

Дополнительная радуга образует дополнительные полосы на внутренней дуге первичной радуги или очень редко на внешней дуге вторичной радуги. Эти полосы, которые обычно появляются в пастельных тонах, вызваны интерференцией световых волн.

На этой фотографии показан реальный вид двойной радуги с яркой областью под основной дугой и темной полосой Александера между дугами. Цвета яркой первичной радуги (нижняя) варьируются от фиолетового внутри до красного снаружи. Во вторичной (высшей) радуге последовательность цветов обратная: красный внутри и фиолетовый снаружи.

Основная радуга самая яркая , с красным вверху и фиолетовым внизу. Дополнительные полосы появляются на фоне фиолетовой полосы в пастельных тонах, которые не соответствуют обычному образцу спектрального цвета. Эти полосы вызваны интерференцией световых волн, что свидетельствует о волновой природе света.

Почему у радуги 7 цветов?

Цвет как физическое понятие

Видимый свет, тепло, радиоволны и другие виды излучения имеют одинаковую физическую природу и состоят из потока частиц, называемых фотонами. Фотон или «квант света» был предложен Эйнштейном, за что он был удостоен Нобелевской премии в 1921 и является одной из элементарных частиц стандартной модели, относящейся к семейству бозонов. Фундаментальной характеристикой фотона является его способность передавать энергию в квантованной форме , которая определяется его частотой, согласно выражению E=h∙n , где h — постоянная Планка, а n — постоянная Планка. частота фотона.

Радуга — оптическое и метеорологическое явление, заключающееся в появлении на небе разноцветной световой дуги, возникающей в результате разложения солнечного света в видимом спектре. / Изображение: pixabay

Электромагнитный спектр / Изображение:

автора

Таким образом, мы можем найти фотоны очень низких частот, расположенных в диапазоне радиоволн, до фотонов очень высокой энергии, называемых

080 гамма-лучами 9, как показано на следующем рисунке, образуя непрерывный диапазон частот, который составляет электромагнитный спектр. Поскольку фотон можно смоделировать как синусоиду, движущуюся со скоростью 90 079 скорости света c 90 080 , длина полного цикла называется длина волны фотона l , поэтому фотон можно охарактеризовать либо своей частотой, либо длиной волны, поскольку l=c/n . Но обычно используется термин цвет как синоним частоты , поскольку цвет света, воспринимаемый людьми, является функцией частоты. Однако, как мы увидим, это не строго физическое явление, а следствие процесса измерения и интерпретации информации, который делает цвет возникающей реальностью другой лежащей в основе реальности, поддерживаемой физической реальностью электромагнитного излучения.

Структура электромагнитной волны. размер должен быть подобен длине волны фотонов.

Восприятие цвета человеком

Человеческий глаз чувствителен к длинам волн в диапазоне от темно-красного (700 нм, нанометры = 10 ^-9 метров) до фиолетового (400нм). Для этого требуются приемные антенны размером порядка сотен нанометров! Но для природы это не является большой проблемой, так как сложные молекулы легко могут быть такого размера. Фактически, человеческий глаз для цветового зрения наделен тремя типами белков фоторецепторов , которые вызывают ответ, как показано на следующем рисунке.

Реакция фоторецепторных клеток сетчатки человека / Изображение:

автор

Каждый из этих типов формирует тип фоторецепторных клеток в сетчатке, которые из-за своей морфологии называются колбочками. Белки-фоторецепторы расположены в клеточной мембране, так что при поглощении фотона они меняют форму, открывая каналы в клеточной мембране, которые генерируют поток ионов. После сложного биохимического процесса создается поток нервных импульсов, которые предварительно обрабатываются несколькими слоями нейронов сетчатки, которые, наконец, достигают зрительной коры через зрительный нерв, где происходит окончательная обработка информации.

Хотя радуга представляет собой непрерывный градиент спектральных цветов, считается, что они могут быть определены в семи основных цветах: красном, оранжевом, желтом, зеленом, голубом, синем и фиолетовом, которые эквивалентны цветам, упомянутым ученым Исааком Ньютоном. in 1704 / Image: pixabay

Но в данном контексте дело в том, что клетки сетчатки не измеряют длину волны фотонов стимула. Наоборот, они преобразуют стимул определенной длины волны в три параметра, называемые L, M, S, которые являются реакцией каждого из типов фоторецепторных клеток на стимул. Это имеет очень интересные последствия, которые необходимо проанализировать. Таким образом, мы можем объяснить такие аспекты, как:

• Причина, по которой радуга имеет 7 цветов.
• Возможность синтеза цвета путем аддитивного и субтрактивного смешивания.
• Наличие нефизических цветов, таких как белый и пурпурный.
• Существование различных способов интерпретации цвета в зависимости от вида.

Чтобы понять это, давайте представим, что они предоставляют нам отклик измерительной системы, которая связывает L, M, S с длиной волны, и просят нас установить корреляцию между ними. Первое, что мы видим, это то, что есть 7 различных зон по длине волны, 3 хребта и 4 долины. 7 узоров! Это объясняет, почему мы воспринимаем радугу, состоящую из 7 цветов, возникающую реальность в результате обработки информации , которая выходит за пределы физической реальности.

Но какой ответ даст нам птица, если мы спросим ее о количестве цветов радуги? Возможно, хотя и маловероятно, он скажет нам девять! Это происходит потому, что птицы имеют четвертый тип фоторецепторов , расположенных в ультрафиолетовом диапазоне, поэтому система восприятия установит 9 областей в полосе восприятия света. И это заставляет нас задаться вопросом: каков будет хроматический диапазон, воспринимаемый нашей гипотетической птицей или видами, имеющими только один тип фоторецепторов? В результате получается простой комбинаторный случай!

С другой стороны, наличие трех типов фоторецепторов в сетчатке человека позволяет относительно точно синтезировать хроматический диапазон посредством аддитивной комбинации трех цветов: красного, зеленого и синего, как это делается на экранах видео. / Изображение: pixabay

Точно так же можно синтезировать цвет путем субтрактивного или пигментного смешивания трех цветов: пурпурного, голубого и желтого, как в масляной краске или принтерах. И вот тут наглядно проявляется виртуальность цвета, так как пурпурных фотонов нет , так как этот стимул представляет собой смесь синих и красных фотонов. То же самое происходит и с белым цветом, так как нет отдельных фотонов, производящих этот стимул, поскольку белый цвет есть восприятие смеси фотонов, распределенных в видимом диапазоне, и в частности смеси красных, зеленых и синих фотонов.

Короче говоря, восприятие цвета является наглядным примером того, как возникает реальность в результате обработки информации . Таким образом, мы можем видеть, как данная интерпретация физической информации видимого электромагнитного спектра создает возникающую реальность, основанную на гораздо более сложной лежащей в основе реальности.