Объяснение радуги с точки зрения физики

Ситуация. На рисунке изображена фотография радуги. Мы все видели такие зрелища и восхищались их красотой. Мы знаем, что радуга появляется, когда светит солнце и неподалёку идёт дождь. Если условия подходящие, мы можем увидеть полную полукруглую дугу цветов с красным на внешней стороне и фиолетовым на внутренней. Иногда также можно увидеть более слабую дугу, образующую вторичную радугу за пределами основной. Цвета вторичной радуги расположены в обратном порядке по сравнению с основной, как показано на фотографии.

Как образуется радуга? Какие условия необходимы для её наблюдения? Куда следует смотреть? Можно ли объяснить это явление с помощью законов отражения и преломления? Теперь мы можем ответить на эти вопросы, некоторые из которых были подняты ранее.

Анализ. Секрет понимания радуги заключается в рассмотрении того, что происходит со световыми лучами, когда они попадают в каплю дождя, как показано на первом рисунке. Когда световой луч падает на первую поверхность капли, часть света преломляется внутри неё.

Лучи света, попадающие в каплю дождя, преломляются на разную величину на первой поверхности, отражаются на задней поверхности и снова преломляются, когда выходят. Более крутой угол для выходящих красных лучей диктует, что эти лучи достигнут наблюдателя от капель дождя, находящихся выше в небе, помещая красный цвет на вершину радуги

Поскольку степень преломления зависит от показателя преломления, который, в свою очередь, зависит от длины волны света, фиолетовый свет преломляется сильнее, чем красный, на первой поверхности капли. Этот эффект аналогичен дисперсии, которая происходит, когда свет проходит через призму.

После преломления на первой поверхности световые лучи проходят через каплю и достигают её задней поверхности, где частично отражаются. Часть света выходит из капли, а часть отражается обратно к передней поверхности, как показано на рисунке. На передней поверхности лучи снова преломляются, что вызывает дополнительную дисперсию при выходе из капли.

Может показаться парадоксальным, что красный свет, который преломляется меньше всего, в итоге отклоняется на больший угол, чем фиолетовый свет, проходя через каплю и выходя из неё. Причина этого понятна из первого рисунка. Меньшее преломление на первой поверхности приводит к тому, что красные лучи падают на заднюю поверхность капли под большим углом, чем фиолетовые. Согласно закону отражения, красные лучи отражаются под большим углом. Этот больший угол отражения играет ключевую роль в определении общего отклонения луча.

Когда мы наблюдаем радугу, солнце должно находиться за нами, потому что мы видим отражённые лучи. Мы видим разные цвета в разных точках неба, потому что для каждого цвета капли дождя должны находиться на определённой высоте, чтобы световые лучи достигли наших глаз. Поскольку красные лучи отклоняются больше всего, мы видим красный свет, отражённый от капель в верхней части радуги или под наибольшим углом от центра дуги. Фиолетовый свет исходит от капель, расположенных под меньшими углами. Остальные цвета находятся между ними, создавая красочную дугу, которую мы видим.

Вторичная радуга, которая обычно гораздо слабее основной, образуется благодаря двойному отражению внутри капель, как показано на втором рисунке. Лучи света, попадающие в нижнюю часть первой поверхности капли, могут отразиться от задней поверхности дважды, прежде чем выйти из капли. В этом случае лучи пересекаются и отклоняются на большие углы, чем любые цвета в основной радуге. По этой причине вторичная радуга видна за пределами дуги основной радуги. Фиолетовый свет отклоняется на больший угол, чем красный, поэтому фиолетовый цвет находится в верхней части вторичной радуги.

Лучи света, входящие в нижнюю часть первой поверхности капли дождя, могут дважды отражаться перед повторным появлением. Эти лучи создают вторичную радугу. Более крутой угол ставит фиолетовый цвет на вершину вторичной радуги

Солнце должно находиться достаточно низко над горизонтом, чтобы можно было увидеть как основную, так и вторичную радугу. Летом лучшая возможность увидеть радугу обычно появляется во время дождя ближе к вечеру. Однако радугу можно увидеть практически в любое время суток с высокой точки, например, из самолёта, и иногда она образует полный круг, а не просто дугу. Если вы понимаете, почему это происходит, значит, вы освоили объяснения, приведённые здесь.