Введение
Наверное, первое воспоминание о радуге у каждого человека связано с его детством. Именно в это беззаботное и прекрасное время жизни люди начинают знакомиться с окружающим миром и его явлениями. Конечно же, сильное впечатление производит радуга – красивая, но в то же время пока еще таинственная и непонятная. Радугу можно заметить не только после дождя – в летний солнечный день, распыляя, например, воду из пульверизатора, также можно наблюдать радугу.
Естественным образом возникает вопрос: каковы причины и механизм возникновения радуги. В данной работе явление радуги будет рассмотрено с точки зрения физики, в частности, будут рассмотрены те физические явления, благодаря которым она возникает.
История исследований радуги
Прежде, чем мы начнем рассмотрение самих физических явлений, лежащих в основе появления радуги, рассмотрим некоторые аспекты истории исследования этого явления. Однако, вначале следует дать определение самому понятию радуга.
Радуга - атмосферное оптическое и метеорологическое явление, наблюдаемое при освещении Солнцем (иногда Луной) множества водяных капель (дождя или тумана). Радуга выглядит как разноцветная дуга или окружность, составленная из цветов спектра (от внешнего края внутрь: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый). Собственно, эти цвета и упоминаются в знаменитой поговорке: «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан». Однако, следует учитывать, что на самом деле спектр радуги непрерывен, и цвета переходят друг в друга плавно, через множество оттенков.
Фактически, научное объяснение радуги было дано, с точки зрения истории, не так уж и давно, хотя люди наблюдали превосходные (радужные) цвета радуги с незапамятных времен и, в принципе, имели представление о том, что образование радуги связано с освещением дождевых капель.
|
|
Первым, кто, по всей видимости, применил научный подход к исследованию радуги, был персидский астроном Кутб ад-Дин аш-Ширази (1236—1311)
Спустя несколько веков, в 1611 г., хорватский ученый Марк Антоний де Доминис в своем труде на основании опытных наблюдений пришёл к заключению, что радуга получается в результате отражения от внутренней поверхности капли дождя и двукратного преломления светового луча — при входе в каплю и при выходе из неё.
Ответ на вопросы, связанные с формой, а также угловыми размерами радуги на небесном своде, дал французский физик Рене Декарт (1596-1650), который наблюдал явление искусственой радуги на водяной пыли фонтанов и проводил опыты по получению радуги с помощью стеклянных шаров, наполненных водой.
Наконец, Исаак Ньютон в своём трактате «Оптика» дополнил теорию Декарта и де Доминиса тем, что разъяснил причины возникновения цветов радуги.
Рис.1. Радуга
Опыт Ньютона, позволивший объяснить природу цветов радуги.
Естественно, вопрос о причинах различной окраски тел занимал ум человека уже очень давно. Вплоть до начала исследований Ньютона было накоплено множество наблюдений – как житейских, так и научных – касающихся этого вопроса. Например, считалось, что цвет является свойством самого тела, хотя, отмечалось, что в зависимости от времени дня или условий освещенности в цвете тел выявляются значительные отличия. Также существовало мнение, что различные цвета появляются в результате «смешивания» света и темноты. Конечно же, с точки зрения современности эти гипотезы кажутся забавными.
|
|
Игра цветов в граненых алмазах и стеклянных призмах также была известна. Однако связь наблюдавшихся явлений не была очевидна, и все исследования находились на уровне наблюдений и ложных гипотез. Сопоставить все эти разнообразные явления и выявить полную и истинную суть вещей удалось Исааку Ньютону. Именно его исследования позволили объяснить происхождение цвета, а в том числе, связь цветов радуги с таким явлением, как дисперсия.
Дисперсия света (разложение света) — это явление, обусловленное зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от частоты (или длины волны) света (частотная дисперсия), или, что то же самое, зависимость фазовой скорости света в веществе от длины волны (или частоты). Рассмотрим опыт, проведенный Исааком Ньютоном.
Ньютон исследовал цвета, наблюдаемые при преломлении света, в связи с попытками улучшения телескопов. Отметим, однако, что дисперсия света была открыта Ньютоном экспериментально, а наиболее полное теоретическое объяснение получила значительно позднее 
Рис.2. Опыт Ньютона.
В данном опыте свет от фонаря освещает узкое отверстие 
(щель). При помощи линзы L изображение щели получается на экране MN в виде короткого белого прямоугольника 
. Однако, если поместить на пути лучей призму P, ребро которой параллельно щели, обнаруживается, что изображение самой щели смещается и приобретает вид окрашенной полоски, переходы цветов в которой от красного к фиолетовому подобны наблюдаемым в радуге. Ньютон назвал полученное изображение спектром. Ученый также обнаружил, что при направлении на призму не белого, а цветного света, изображение щели сводится к цветному прямоугольнику, находящемуся в соответствующем месте спектра. Т.е. в зависимости от цвета, свет отражается на различные углы от первоначального изображения .
|
|
Таким образом, можно сказать, что свет разных цветов характеризуется различными показателями преломления в данном веществе, или, принимая во внимание, что разным цветам соответствуют различные длины волн – показатель преломления вещества зависит од длины световой волны и увеличивается по мере увеличения длины волны. Сопоставляя наблюдения, Ньютон также сделал вывод о том, что солнечный свет есть совокупность простых цветов, которая при помощи призмы разлагается, давая спектральное изображение щели [1].