Reiškiniai, susiję su šviesos lūžimu. Šviesos žaismas. Vaizduotės galia Šventasis Elmas žalių spindulių ir aureolės vainikuose

ŠVIESOS LŪGIS, EIANT IŠ VANDENS Į ORO

Į vandenį įmerktas pagaliukas, šaukštas arbatos stiklinėje dėl šviesos lūžimo vandens paviršiuje mums atrodo lūžęs.

Nepermatomo indo apačioje įdėkite monetą, kad jos nesimatytų. Dabar supilkite vandenį į indą. Moneta bus matoma. Šio reiškinio paaiškinimas aiškus iš vaizdo įrašo.

Pažiūrėkite į rezervuaro dugną ir pabandykite įvertinti jo gylį. Dažniausiai tai neįmanoma padaryti teisingai.

Leiskite mums išsamiau atsekti, kaip ir kokiu mastu rezervuaro gylis mums atrodo sumažėjęs, jei pažvelgsime į jį iš viršaus.

Tegul H (17 pav.) yra tikrasis rezervuaro gylis, kurio apačioje yra mažas objektas, pavyzdžiui, akmenukas. Jo atspindima šviesa išsiskiria visomis kryptimis. Tam tikras spindulių pluoštas krenta į vandens paviršių taške O iš apačios kampu a 1, lūžta paviršiuje ir patenka į akį. Pagal lūžio dėsnį galime rašyti:

bet kadangi n 2 = 1, tai n 1 sin a 1 = sin ϒ 1.

Lūžęs spindulys patenka į akį taške B. Atkreipkite dėmesį, kad į akį patenka ne vienas spindulys, o spindulių pluoštas, kurio skerspjūvį riboja akies vyzdys.

17 paveiksle spindulys pavaizduotas plonomis linijomis. Tačiau šis spindulys yra siauras ir galime nepaisyti jo skerspjūvio, laikant jį linija AOB.

Akis projektuoja A į tašką A 1, o rezervuaro gylis mums atrodo lygus h.

Paveikslėlyje parodyta, kad tariamasis rezervuaro gylis h priklauso nuo tikrosios H vertės ir nuo žiūrėjimo kampo ϒ 1.

Išreikškime šią priklausomybę matematiškai.

Iš trikampių AOC ir A 1 OC turime:

Iš šių lygčių neįtraukus OS, gauname:

Atsižvelgdami į tai, kad a = ϒ 1 ir sin ϒ 1 = n 1 sin a 1 = n sin a, gauname:

Šioje formulėje tariamo rezervuaro gylio h priklausomybė nuo tikrojo gylio H ir stebėjimo kampo nėra aiškiai išreikšta. Norėdami aiškiau pateikti šią priklausomybę, išreikškime ją grafiškai.

Grafike (18 pav.) išilgai abscisių ašies brėžiamos stebėjimo kampų reikšmės laipsniais, o išilgai ordinačių ašies – atitinkami tariami gyliai h tikrojo gylio H dalimis. Gauta kreivė rodo, kad nedideliais stebėjimo kampais matomas gylis

yra apie ¾ tikrosios vertės ir mažėja didėjant žiūrėjimo kampui. Kai žiūrėjimo kampas yra a = 47°, atsiranda visiškas vidinis atspindys ir spindulys negali išeiti iš vandens.

MIRAŽAI

Nehomogeninėje terpėje šviesa sklinda netiesiškai. Jei įsivaizduosime terpę, kurioje lūžio rodiklis kinta iš apačios į viršų, ir mintyse padalijame ją į plonus horizontalius sluoksnius,

tada, atsižvelgiant į šviesos lūžimo sąlygas pereinant iš sluoksnio į sluoksnį, pastebime, kad tokioje terpėje šviesos spindulys turėtų palaipsniui keisti savo kryptį (19, 20 pav.).

Šviesos spindulys atmosferoje patiria tokį lenkimą, kuriame dėl vienokių ar kitokių priežasčių, daugiausia dėl netolygaus įkaitimo, keičiasi oro lūžio rodiklis didėjant aukščiui (21 pav.).

Orą dažniausiai šildo dirvožemis, kuris sugeria saulės spindulių energiją. Todėl didėjant aukščiui oro temperatūra mažėja. Taip pat žinoma, kad didėjant aukščiui oro tankis mažėja. Nustatyta, kad didėjant aukščiui lūžio rodiklis mažėja, todėl pro atmosferą einantys spinduliai išlinksta, lenkiasi Žemės link (21 pav.). Šis reiškinys vadinamas normalia atmosferos refrakcija. Dėl refrakcijos dangaus kūnai mums atrodo kiek „pakilę“ (virš tikrojo aukščio) virš horizonto.

Apskaičiuota, kad atmosferos refrakcija „pakelia“ objektus, esančius 30° aukštyje 1"40", 15° aukštyje 3"ZO, 5° aukštyje 9"45. Horizonte išsidėsčiusiems kūnams ši reikšmė siekia 35". Šie skaičiai nukrypsta viena ar kita kryptimi, priklausomai nuo atmosferos slėgio ir temperatūros. Tačiau dėl vienokių ar kitokių priežasčių viršutiniuose atmosferos sluoksniuose gali būti masių. oro, kurio temperatūra aukštesnė nei žemesniuose sluoksniuose. Juos gali atnešti vėjai iš karštų šalių, pavyzdžiui, iš karštos dykumos zonos. Jei šiuo metu žemesniuose sluoksniuose yra šaltas, tankus anticiklono oras, tai reiškinys lūžio gali žymiai sustiprėti, o šviesos spinduliai, kylantys iš žemiškų objektų aukštyn tam tikru kampu horizonto atžvilgiu, gali grįžti atgal į žemę (22 pav.).

Tačiau gali atsitikti taip, kad Žemės paviršiuje dėl stipraus įkaitimo oras įkaista taip, kad šviesos lūžio rodiklis šalia dirvožemio tampa mažesnis nei tam tikrame aukštyje virš dirvožemio. Jei oras ramus, tokia būklė gali išlikti gana ilgai. Tada spinduliai nuo objektų, krentančių į Žemės paviršių gana dideliu kampu, gali būti taip sulenkti, kad, aprašę lanką šalia Žemės paviršiaus, jie eitų iš apačios į viršų (23a pav.). Galimas ir 236 paveiksle parodytas atvejis.

Aukščiau aprašytos sąlygos atmosferoje paaiškina įdomių reiškinių – atmosferos miražų – atsiradimą. Šie reiškiniai paprastai skirstomi į tris klases. Pirmajai klasei priskiriami labiausiai paplitę ir paprasčiausios kilmės – vadinamieji ežerų (arba žemesniųjų) miražai, keliantys tiek daug vilčių ir nusivylimo dykumos keliautojams.

Prancūzų matematikas Gaspardas Monge'as, dalyvavęs 1798 m. Egipto kampanijoje, aprašo savo įspūdžius apie šios klasės miražus:

„Kai Žemės paviršius stipriai įkaitinamas Saulės ir dar tik pradeda vėsti prieš prasidedant prieblandai, pažįstamas reljefas nebesitęsia iki horizonto kaip dienos metu, o pasisuka, kaip atrodo, maždaug per vieną lygą. į nuolatinį potvynį.

Tolimesni kaimai atrodo kaip salos didžiuliame ežere. Po kiekvienu kaimu yra jo apvirtęs atspindys, tik jis nėra aštrus, nesimato smulkių smulkmenų, kaip atspindys vėjo purtomame vandenyje. Jei pradedi artėti prie kaimo, kurį, atrodo, supa potvynis, įsivaizduojamo vandens krantas tolsta, vandens ranka, skyrusi mus nuo kaimo, pamažu siaurėja, kol visiškai išnyksta, o už nugaros prasideda ežeras... dabar. šis kaimas, atspindintis savyje toliau esančius kaimus“ (24 pav.).

Šio reiškinio paaiškinimas yra paprastas. Apatiniai oro sluoksniai, šildomi nuo dirvožemio, dar nespėjo pakilti aukštyn; jų šviesos lūžio rodiklis mažesnis nei viršutinių. Todėl šviesos spinduliai, sklindantys iš daiktų (pavyzdžiui, iš palmės taško B, 23a pav.), besilenkiantys ore, patenka į akį iš apačios. Akis nukreipia spindulį į tašką B1. Tas pats atsitinka su spinduliais, sklindančiais iš kitų objekto taškų. Stebėtojui atrodo, kad objektas yra apverstas.

Iš kur atsiranda vanduo? Vanduo yra dangaus atspindys.

Norint pamatyti miražą, nebūtina vykti į Afriką. Jį galima stebėti karštą, ramią vasaros dieną virš įkaitusios asfaltuoto greitkelio dangos.

Antrosios klasės miražai vadinami aukštesniojo arba tolimojo regėjimo miražais. Į juos labiausiai panašus N. V. Gogolio aprašytas „negirdėtas stebuklas“. Pateikiame kelių tokių miražų aprašymus.

Iš Prancūzijos Žydrojo kranto ankstyvą giedrą rytą iš Viduržemio jūros vandenų iš už horizonto kyla tamsi kalnų grandinė, kurioje gyventojai atpažįsta Korsiką. Atstumas iki Korsikos yra daugiau nei 200 km, todėl matomumas išvis nekyla.

Anglijos pakrantėje, netoli Hastingso, galima pamatyti Prancūzijos pakrantę. Kaip praneša gamtininkas Nie Digue, „netoli Reggio Kalabrijoje, priešais Sicilijos pakrantę ir Mesinos miestą, kartais ore matomos ištisos nepažįstamos vietovės su ganomomis bandomis, kiparisų giraitėmis ir pilimis. Trumpam pabuvus ore, miražai dingsta.“

Tolimojo regėjimo miražai atsiranda, jei viršutiniai atmosferos sluoksniai dėl kokių nors priežasčių pasirodo ypač išretėję, pavyzdžiui, kai ten patenka įkaitintas oras. Tada iš žemiškų objektų sklindantys spinduliai stipriau išlinksta ir pasiekia žemės paviršių, eidami dideliu kampu į horizontą. Stebėtojo akis projektuoja juos ta kryptimi, kuria jie patenka į jį.

Matyt, Sacharos dykuma kalta dėl to, kad Viduržemio jūros pakrantėje stebima daugybė tolimų regėjimų miražų. Karštos oro masės pakyla virš jos, tada nunešamos į šiaurę ir sudaro palankias sąlygas miražams atsirasti.

Aukštesni miražai stebimi ir šiaurinėse šalyse, kai pučia šilti pietų vėjai. Viršutiniai atmosferos sluoksniai šildomi, o apatiniai vėsinami dėl didelių tirpstančio ledo ir sniego masių.

Kartais į priekį ir atgal nukreipti objektų vaizdai stebimi vienu metu. 25-27 paveikslai rodo būtent tokius reiškinius, pastebėtus arktinėse platumose. Matyt, virš Žemės kinta tankesni ir retesni oro sluoksniai, išlenkiantys šviesos spindulius maždaug taip, kaip parodyta 26 paveiksle.

Trečios klasės – itin tolimojo matymo – miražus paaiškinti sunku. Čia yra kelių iš jų aprašymas.

„Remdamasis kelių patikimų asmenų liudijimais, – rašo K. Flamarion knygoje „Atmosfera“, – galiu pranešti apie miražą, kuris buvo matytas Verviers mieste (Belgija) 1815 m. birželį. Vieną rytą miesto gyventojai išvydo danguje kariuomenę, ir buvo taip aišku, kad galėjo atskirti artileristų kostiumus, patranką su sulūžusiu ratu, kuri tuoj nukris... Buvo mūšio rytas. iš Vaterlo! Atstumas tarp Vaterlo ir Verviers tiesia linija yra 105 km.

Pasitaiko atvejų, kai miražai buvo stebimi 800, 1000 ar daugiau kilometrų atstumu.

Pateiksime dar vieną įspūdingą atvejį. 1898 metų kovo 27-osios naktį Ramiojo vandenyno viduryje Brėmeno laivo „Matador“ įgulą išgąsdino regėjimas. Apie vidurnaktį įgula pastebėjo maždaug už dviejų mylių (3,2 km) esantį laivą, kuris kovojo su stipria audra.

Tai dar labiau nustebino, nes aplink tvyrojo ramybė. Laivas kirto „Matador“ kursą, o buvo akimirkų, kai atrodė, kad susidūrimas tarp laivų neišvengiamas... „Matadoro“ įgula matė, kaip vienos stiprios bangos smūgio į nežinomą laivą metu kapitono šviesa užsidegė. išėjo kabina, kuri visą laiką buvo matoma dviejuose iliuminatoriuose . Po kurio laiko laivas dingo, pasiimdamas vėją ir bangas.

Vėliau reikalas buvo išaiškintas. Paaiškėjo, kad visa tai atsitiko su kitu laivu, kuris „regėjimo“ metu buvo 1700 km nuo Matadoro.

Kokiais keliais šviesa nukeliauja atmosferoje, kad tokiais dideliais atstumais išliktų aiškūs objektų vaizdai? Tikslaus atsakymo į šį klausimą dar nėra. Buvo pateikti pasiūlymai dėl milžiniškų oro lęšių susidarymo atmosferoje, antrinio miražo, tai yra miražo iš miražo, vėlavimo. Gali būti, kad čia savo vaidmenį atlieka jonosfera *, atspindinti ne tik radijo, bet ir šviesos bangas.

Matyt, aprašyti reiškiniai turi tą pačią kilmę, kaip ir kiti jūrose stebimi miražai, vadinami „Skraidančiu olandu“ arba „Fata Morgana“, kai jūreiviai mato vaiduokliškus laivus, kurie vėliau išnyksta ir kelia baimę prietaringiems žmonėms.

VAIVORYKŠTĖ

Vaivorykštė yra gražus dangaus reiškinys, kuris visada traukė žmonių dėmesį. Ankstesniais laikais, kai žmonės dar labai mažai žinojo apie juos supantį pasaulį, vaivorykštė buvo laikoma „dangaus ženklu“. Taigi senovės graikai manė, kad vaivorykštė yra deivės Iris šypsena.

Vaivorykštė stebima priešinga Saulei kryptimi, lietaus debesų ar lietaus fone. Įvairiaspalvis lankas dažniausiai yra 1-2 km atstumu nuo stebėtojo, kartais jį galima stebėti 2-3 m atstumu fontanų ar vandens purslų suformuotų vandens lašų fone.

Vaivorykštės centras yra tiesios linijos, jungiančios Saulę ir stebėtojo akį, tęsinyje – ant antisaulės linijos. Kampas tarp krypties į pagrindinę vaivorykštę ir antisaulės linijos yra 41-42° (28 pav.).

Saulėtekio momentu priešsaulinis taškas (taškas M) yra horizonto linijoje, o vaivorykštė atrodo kaip puslankis. Saulei kylant, antisaulės taškas pasislenka žemiau horizonto ir vaivorykštės dydis mažėja. Tai tik dalis apskritimo. Stebėtojui, esančiam aukštai, pavyzdžiui, ant. lėktuve vaivorykštė matoma kaip pilnas ratas, kurio centre yra stebėtojo šešėlis.

Dažnai stebima antrinė vaivorykštė, koncentruota su pirmąja, kurios kampinis spindulys yra apie 52°, o spalvos pasikeičia.

Kai Saulės aukštis yra 41°, pagrindinė vaivorykštė nustoja būti matoma ir tik dalis šoninės vaivorykštės išsikiša virš horizonto, o kai Saulės aukštis viršija 52°, šoninės vaivorykštės taip pat nesimato. Todėl vidutinėse ir pusiaujo platumose šis gamtos reiškinys niekada nepastebimas vidurdienio valandomis.

Vaivorykštė, kaip ir spektras, turi septynias pagrindines spalvas, kurios sklandžiai transformuojasi viena į kitą. Lanko tipas, spalvų ryškumas ir juostelių plotis priklauso nuo vandens lašelių dydžio ir jų skaičiaus. Dideli lašai sukuria siauresnę vaivorykštę su ryškiomis spalvomis, maži lašai sukuria neaiškų, išblukusią ir net baltą lanką. Štai kodėl vasarą po perkūnijos, kurios metu krenta dideli lašai, matoma ryški siaura vaivorykštė.

Pirmą kartą vaivorykštės teoriją 1637 metais pateikė R. Dekartas. Jis aiškino vaivorykštę kaip reiškinį, susijusį su šviesos atspindžiu ir lūžimu lietaus lašuose.

Spalvų susidarymas ir jų seka buvo paaiškinta vėliau, išnarpliojus sudėtingą baltos šviesos prigimtį ir jos sklaidą terpėje. Vaivorykštės difrakcijos teoriją sukūrė Ehry ir Pertner.

Panagrinėkime paprasčiausią atvejį: tegul lygiagrečių saulės spindulių spindulys nukrenta ant kamuoliuko formos lašelio (29 pav.). Spindulys, krintantis į lašo paviršių taške A, lūžta jo viduje pagal lūžio dėsnį: n 1 sin a = n 2 sin β, kur n 1 = 1, n 2 ≈ 1,33 yra oro lūžio rodikliai ir vanduo, atitinkamai, a yra kritimo kampas, β yra šviesos lūžio kampas.

Lašo viduje spindulys eina tiesia linija AB. Taške B spindulys dalinai lūžta ir iš dalies atsispindi. Atkreipkite dėmesį, kad kuo mažesnis kritimo kampas taške B, taigi ir taške A, tuo mažesnis atsispindėjusio pluošto intensyvumas ir tuo didesnis lūžusio pluošto intensyvumas.

Spindulis AB, atsispindėjęs taške B, eina kampu β 1 " = β 1 ir pasiekia tašką C, kuriame taip pat vyksta dalinis šviesos atspindys ir dalinis lūžimas. Lūžęs spindulys palieka lašą kampu y2, o atsispindėjęs spindulys gali nukeliauti toliau į tašką D ir tt Taigi, šviesos spindulys laše kartojasi atspindys ir lūžimas.Su kiekvienu atspindžiu dalis šviesos spindulių išeina ir jų intensyvumas lašo viduje mažėja.Itensyviausi spinduliai atsiranda į orą yra spindulys, kuris išeina iš lašo taške B. Tačiau jį stebėti sunku, nes jis prarandamas ryškių tiesioginių saulės spindulių fone. Taške C lūžę spinduliai sukuria pirminę vaivorykštę tamsus debesis, o spinduliai lūžta taške D

Suteikite antrinę vaivorykštę, kuri, kaip matyti iš aukščiau, yra mažiau intensyvi nei pirminė.

Tuo atveju K=1 gauname Θ = 2 (59°37" - 40°26") + 1 = 137°30".

Todėl pirmos eilės vaivorykštės žiūrėjimo kampas yra:

φ 1 = 180° – 137°30" = 42°30"

Spinduliui DE", suteikiančiam antros eilės vaivorykštę, t. y. tuo atveju, kai K = 2, turime:

Θ = 2 (59°37" – 40°26") + 2 = 236°38".

Antros eilės vaivorykštės matymo kampas φ 2 = 180° - 234°38" = -56°38".

Iš to išplaukia (tai matyti ir iš paveikslo), kad nagrinėjamu atveju antros eilės vaivorykštė nuo žemės nesimato. Kad jis būtų matomas, į lašą iš apačios turi patekti šviesa (30 pav., b).

Svarstant apie vaivorykštės susidarymą, reikia atsižvelgti į dar vieną reiškinį – nevienodą skirtingo ilgio šviesos bangų, tai yra skirtingų spalvų šviesos spindulių, lūžį. Šis reiškinys vadinamas dispersija. Dėl dispersijos skirtingų spalvų spinduliams lūžio kampai ϒ ir spindulių nukrypimo kampai Θ laše skiriasi. Trijų spindulių – raudono, žalio ir violetinio – eiga schematiškai parodyta 30 paveiksle, a – pirmos eilės lankui ir 30 pav., b – antros eilės lankui.

Iš paveikslėlių aišku, kad spalvų seka šiuose lankuose yra priešinga.

Dažniausiai matome vieną vaivorykštę. Dažnai pasitaiko atvejų, kai danguje vienu metu atsiranda dvi vaivorykštės juostos, išsidėsčiusios viena virš kitos; Tačiau jie stebi gana retai, o vaivorykštės dangaus lankų skaičius yra dar didesnis - tris, keturis ir net penkis vienu metu. Šį įdomų reiškinį leningradiečiai pastebėjo 1948 metų rugsėjo 24 dieną, kai po pietų tarp debesų virš Nevos pasirodė keturios vaivorykštės. Pasirodo, vaivorykštės gali atsirasti ne tik nuo tiesioginių saulės spindulių; Jis dažnai pasirodo atsispindėjusiuose Saulės spinduliuose. Tai galima pamatyti jūros įlankų, didelių upių ir ežerų pakrantėse. Trys ar keturios tokios vaivorykštės – paprastos ir atspindėtos – kartais sukuria gražų paveikslą. Kadangi nuo vandens paviršiaus atsispindėję Saulės spinduliai eina iš apačios į viršų, šiuose spinduliuose susidariusi vaivorykštė kartais gali atrodyti visiškai neįprasta.

Nereikėtų manyti, kad vaivorykštę galima pamatyti tik dieną. Būna ir naktį, nors visada būna silpna. Tokią vaivorykštę galima pamatyti po naktinio lietaus, kai iš už debesų pasirodo Mėnulis.

Tam tikrą vaivorykštės panašumą galima gauti atliekant šį eksperimentą. Paimkite vandens kolbą, apšvieskite ją saulės šviesa arba lempa pro skylę baltoje lentoje. Tada ant lentos taps aiškiai matoma vaivorykštė (31 pav., a), o spindulių divergencijos kampas, palyginti su pradine kryptimi, bus apie 41-42° (31,6 pav.). Natūraliomis sąlygomis ekrano nėra, vaizdas atsiranda akies tinklainėje, o akis šį vaizdą projektuoja į debesis.

Jei vaivorykštė pasirodo vakare prieš saulėlydį, tada stebima raudona vaivorykštė. Paskutines penkias ar dešimt minučių iki saulėlydžio išnyksta visos vaivorykštės spalvos, išskyrus raudoną, o ji tampa labai ryški ir matoma net praėjus dešimčiai minučių po saulėlydžio.

Vaivorykštė ant rasos yra gražus vaizdas.

Jį galima stebėti saulėtekio metu ant rasos padengtos žolės. Ši vaivorykštė yra hiperbolės formos.

HALMOS

Žvelgdami į vaivorykštę pievoje, nevalingai pastebėsite nuostabią nespalvotą šviesos aureolę - aureolę, supančią jūsų galvos šešėlį. Tai nėra optinė apgaulė ar kontrasto reiškinys. Kai šešėlis krenta ant kelio, aureolė išnyksta. Koks šio įdomaus reiškinio paaiškinimas? Rasos lašai čia tikrai vaidina svarbų vaidmenį, nes išnykus rasai reiškinys išnyksta.

Norėdami išsiaiškinti reiškinio priežastį, atlikite šį eksperimentą. Paimkite sferinę kolbą, užpildytą vandeniu, ir padėkite ją saulės šviesoje. Tegul ji atstoja lašą. Už kolbos arti jos uždėkite popieriaus lapą, kuris veiks kaip žolė. Žiūrėkite į lemputę mažu kampu, palyginti su krintančių spindulių kryptimi. Pamatysite jį ryškiai apšviestą nuo popieriaus atsispindėjusių spindulių. Šie spinduliai eina beveik tiksliai link saulės spindulių, krintančių ant lemputės. Pakelkite akis šiek tiek į šoną ir ryškus lemputės apšvietimas nebebus matomas.

Čia turime reikalą ne su išsklaidytu, o su nukreiptu šviesos pluoštu, sklindančiu iš šviesios popieriaus dėmės. Lemputė veikia kaip objektyvas, nukreipiantis šviesą į mus.

Lygiagrečių saulės spindulių spindulys po lūžimo lemputėje suteikia popieriuje daugiau ar mažiau sufokusuotą Saulės vaizdą šviesios dėmės pavidalu. Savo ruožtu gana daug taško skleidžiamos šviesos sugauna lemputė ir, joje lūžusi, nukreipiama atgal į Saulę, taip pat ir į akis, nes stovime nugara į Saulę. Optiniai mūsų objektyvo trūkumai – lemputė – suteikia tam tikrą išsklaidytą šviesos srautą, tačiau pagrindinis šviesos srautas, sklindantis iš šviesios popieriaus dėmės, yra nukreiptas į Saulę. Bet kodėl nuo žolės stiebų atsispindinti šviesa nėra žalia?

Jis turi šiek tiek žalsvą atspalvį, bet iš esmės yra baltas, kaip ir šviesa, kuri kryptingai atsispindi nuo lygių dažytų paviršių, pavyzdžiui, žalios ar geltonos lentos arba vitražo atspindžiai.

Tačiau rasos lašeliai ne visada yra sferiniai. Jie gali būti iškraipyti. Tada kai kurie nukreipia šviesą į šoną, bet ji eina pro akis. Kiti lašeliai, pavyzdžiui, pavaizduoti 33 paveiksle, yra tokios formos, kad ant jų krintanti šviesa po vieno ar dviejų atspindžių yra nukreipta atgal į Saulę ir patenka į akis nugara į ją stovinčiam stebėtojui.

Galiausiai reikėtų atkreipti dėmesį į dar vieną genialų šio reiškinio paaiškinimą: šviesą kryptingai atspindi tik tie žolės lapai, ant kurių krenta tiesioginė Saulės šviesa, t.y. tie, kurių neužstoja kiti Saulės lapai. Jeigu manytume, kad daugumos augalų lapai visada savo plokštumą pasuka į Saulę, tai akivaizdu, kad tokių atspindinčių lapų bus gana daug (33 pav., e). Todėl aureoles galima pastebėti ir nesant rasos, sklandžiai nušienautos pievos ar suspausto lauko paviršiuje.

Pristatome jums 20 gražiausių gamtos reiškinių, susijusių su šviesos žaismu, pasirinkimą. Tikrai gamtos reiškiniai yra nenusakomi – jūs turite tai pamatyti! =)

Visas šviesos metamorfozes sąlyginai suskirstykime į tris pogrupius. Pirmoji – Vanduo ir ledas, antroji – Spinduliai ir šešėliai, trečioji – Šviesos kontrastai.

Vanduo ir ledas

„Beveik horizontalus lankas“

Šis reiškinys taip pat žinomas kaip „ugnies vaivorykštė“. Sukurta danguje, kai šviesa lūžta per ledo kristalus plunksniniuose debesyse. Šis reiškinys yra labai retas, nes ir ledo kristalai, ir saulė turi būti tiksliai horizontalioje linijoje, kad įvyktų tokia įspūdinga refrakcija. Šis ypač sėkmingas pavyzdys buvo užfiksuotas danguje virš Spokane Vašingtone 2006 m.

Dar pora ugnies vaivorykštės pavyzdžių

Kai saulė šviečia ant alpinisto ar kito objekto iš viršaus, ant rūko projektuojamas šešėlis, sukuriantis kurioziškai padidintą trikampio formą. Šį efektą lydi tam tikra aureolė aplink objektą – spalvoti šviesos apskritimai, atsirandantys tiesiai priešais saulę, kai saulės šviesą atspindi identiškų vandens lašelių debesis. Šis gamtos reiškinys gavo savo pavadinimą dėl to, kad dėl dažno rūko šioje vietovėje jis dažniausiai buvo stebimas žemose Vokietijos Brokeno viršūnėse, kurios yra gana prieinamos alpinistams.

Trumpai tariant - tai vaivorykštė aukštyn kojomis =) Tai tarsi didžiulis įvairiaspalvis veidukas danguje) Šis stebuklas pasiekiamas dėl saulės spindulių lūžimo per horizontalius ledo kristalus tam tikros formos debesyse. Reiškinys sutelktas zenite, lygiagrečiai horizontui, spalvų gama nuo mėlynos zenite iki raudonos link horizonto. Šis reiškinys visada yra neužbaigto apskritimo lanko pavidalu; Šiai situacijai visą ratą suteikia išskirtinai retas pėstininkų lankas, kuris pirmą kartą buvo užfiksuotas 2007 m.

Miglotas lankas

Ši keista aureolė buvo pastebėta nuo Auksinių vartų tilto San Franciske – ji atrodė kaip visiškai balta vaivorykštė. Kaip ir vaivorykštė, šis reiškinys susidaro dėl šviesos lūžimo per debesyse esančius vandens lašelius, tačiau, skirtingai nei vaivorykštė, dėl mažo rūko lašelių dydžio atrodo, kad trūksta spalvos. Todėl vaivorykštė pasirodo bespalvė - tik balta) Jūreiviai dažnai juos vadina „jūros vilkais“ arba „rūko lankais“

Vaivorykštės aureolė

Kai šviesa yra išsklaidyta atgal (atspindėjimo, lūžio ir difrakcijos mišinys) atgal į šaltinį, vandens lašeliai debesyse, objekto šešėlis tarp debesies ir šaltinio gali būti suskirstyti į spalvų juostas. Šlovė taip pat verčiama kaip nežemiškas grožis – gana tikslus tokio gražaus gamtos reiškinio pavadinimas) Kai kuriose Kinijos vietose šis reiškinys netgi vadinamas Budos šviesa – jį dažnai lydi Brocken Ghost. Nuotraukoje gražios spalvų juostelės efektyviai supa priešais debesį esantį lėktuvo šešėlį.

Aureolės yra vienas iš labiausiai žinomų ir labiausiai paplitusių optinių reiškinių, ir jie pasireiškia daugeliu priedų. Dažniausias reiškinys yra saulės halo reiškinys, kurį sukelia ledo kristalų šviesos lūžis plunksniniuose debesyse dideliame aukštyje, o specifinė kristalų forma ir orientacija gali pakeisti aureolės išvaizdą. Labai šaltu oru aureolės, kurias sudaro šalia žemės esantys kristalai, atspindi saulės šviesą tarp jų ir siunčia ją keliomis kryptimis vienu metu – šis efektas vadinamas „deimantų dulkėmis“.

Kai saulė yra tiksliai tinkamu kampu už debesų, juose esantys vandens lašeliai laužia šviesą, sukurdami intensyvų pėdsaką. Spalvą, kaip ir vaivorykštėje, sukelia skirtingi šviesos bangos ilgiai – skirtingi bangos ilgiai lūžta skirtingais laipsniais, keičiasi lūžio kampas, taigi ir šviesos spalvos, kurias mes suvokiame. Šioje nuotraukoje debesies vaivorykštę lydi ryškios spalvos vaivorykštė.

Dar kelios šio reiškinio nuotraukos

Žemo Mėnulio ir tamsaus dangaus derinys dažnai sukuria mėnulio lankus, iš esmės vaivorykštes, kurias sukuria mėnulio šviesa. Pasirodę priešingame dangaus gale nuo Mėnulio, jie dažniausiai atrodo visiškai balti dėl silpnos spalvos, tačiau fotografuojant ilgą ekspoziciją galima užfiksuoti tikras spalvas, kaip šioje nuotraukoje, darytoje Yosemite nacionaliniame parke, Kalifornijoje.

Dar kelios mėnulio vaivorykštės nuotraukos

Šis reiškinys atrodo kaip baltas žiedas, supantis dangų, visada tame pačiame aukštyje virš horizonto kaip ir Saulė. Dažniausiai pavyksta pagauti tik viso paveikslo fragmentus. Milijonai vertikaliai išdėstytų ledo kristalų atspindi saulės spindulius danguje ir sukuria šį nuostabų reiškinį.

Susidariusios sferos šonuose dažnai pasirodo vadinamosios netikros saulės, pavyzdžiui, šioje nuotraukoje

Vaivorykštės gali būti įvairių formų: kelių lankų, susikertančių lankų, raudonų lankų, identiškų lankų, lankų su spalvotais kraštais, tamsiomis juostelėmis, "stipinais" ir daugybe kitų, tačiau joms bendra yra tai, kad jos visos yra suskirstytos į spalvas - raudoną, oranžinė, geltona, žalia, mėlyna, indigo ir violetinė. Ar iš vaikystės prisimenate spalvų išdėstymo vaivorykštėje „atmintį“ - Kiekvienas medžiotojas nori žinoti, kur sėdi fazanas? =) Vaivorykštė atsiranda, kai šviesa lūžta per vandens lašus atmosferoje, dažniausiai lietaus metu, bet migla ar rūkas taip pat gali sukelti panašų poveikį ir yra daug retesni, nei galima įsivaizduoti. Visais laikais daugelis skirtingų kultūrų vaivorykštėms priskirdavo daug reikšmių ir paaiškinimų, pavyzdžiui, senovės graikai tikėjo, kad vaivorykštė yra kelias į dangų, o airiai tikėjo, kad toje vietoje, kur baigiasi vaivorykštė, raupas užkasa savo puodą. auksas =)

Daugiau informacijos ir gražių nuotraukų ant vaivorykštės galite rasti

Spinduliai ir šešėliai

Korona yra plazmos atmosferos rūšis, supanti astronominį kūną. Garsiausias tokio reiškinio pavyzdys yra vainikas aplink Saulę visiško užtemimo metu. Jis tęsiasi tūkstančius kilometrų erdvėje ir jame yra jonizuotos geležies, įkaitintos iki beveik milijono laipsnių Celsijaus. Užtemimo metu jo ryški šviesa supa aptemusią saulę ir atrodo, kad aplink šviestuvą atsiranda šviesos karūna

Kai tamsios sritys arba pralaidžios kliūtys, pavyzdžiui, medžių šakos ar debesys, filtruoja saulės spindulius, spinduliai sukuria ištisus šviesos stulpelius, sklindančius iš vieno šaltinio danguje. Šis reiškinys, dažnai naudojamas siaubo filmuose, dažniausiai stebimas auštant arba sutemus ir netgi gali būti liudytojas po vandenynu, jei saulės spinduliai prasiskverbia pro įlūžusio ledo juostas. Ši graži nuotrauka daryta Jutos nacionaliniame parke

Dar keli pavyzdžiai

Fata Morgana

Šalto oro, esančio šalia žemės lygio, ir šilto oro, esančio tiesiai aukščiau, sąveika gali veikti kaip laužiantis lęšis ir apversti horizonte esančių objektų vaizdą, išilgai kurio tikrasis vaizdas svyruoja. Šioje Tiuringijoje (Vokietija) darytoje nuotraukoje horizontas tolumoje visiškai išnyko, nors mėlyna kelio dalis yra tiesiog dangaus atspindys virš horizonto. Teiginys, kad miražai yra visiškai neegzistuojantys vaizdai, kurie atrodo tik dykumoje pasiklydusiems žmonėms, yra neteisingi, greičiausiai supainioti su ekstremalios dehidratacijos, galinčios sukelti haliucinacijas, padariniais. Miražai visada yra pagrįsti tikrais objektais, nors tiesa, kad dėl miražo efekto jie gali pasirodyti arčiau

Šviesos atspindys ledo kristaluose su beveik idealiai horizontaliais plokščiais paviršiais sukuria stiprų spindulį. Šviesos šaltinis gali būti Saulė, Mėnulis ar net dirbtinė šviesa. Įdomi savybė yra ta, kad stulpas turės to šaltinio spalvą. Šioje Suomijoje darytoje nuotraukoje oranžinė saulės šviesa saulėlydžio metu sukuria vienodai oranžinį nuostabų stulpą

Dar pora „saulės stulpų“)

Šviesūs kontrastai

Įkrautų dalelių susidūrimas viršutinėje atmosferoje dažnai sukuria nuostabius šviesos modelius poliariniuose regionuose. Spalva priklauso nuo dalelių elementų kiekio – dauguma pašvaistės atrodo žalios arba raudonos dėl deguonies, tačiau azotas kartais sukuria sodriai mėlyną arba violetinę išvaizdą. Nuotraukoje - garsioji Aurora Borilis arba Šiaurės pašvaistė, pavadinta romėnų aušros deivės Auroros ir senovės graikų šiaurės vėjo dievo Boreas vardu.

Taip iš kosmoso atrodo šiaurės pašvaistė

Kondensacijos takas

Garų takai, kurie seka lėktuvą per dangų, yra vieni nuostabiausių žmogaus įsikišimo į atmosferą pavyzdžių. Jie susidaro dėl orlaivių išmetamųjų dujų arba oro sūkurių iš sparnų ir atsiranda tik esant šaltai temperatūrai dideliame aukštyje, kondensuojantis į ledo lašelius ir vandenį. Šioje nuotraukoje dangų skersai skersai kerta krūva bėgių ir sukuria keistą šio nenatūralaus reiškinio pavyzdį.

Didelio aukščio vėjai sulenkia raketų bangas, o jų mažos išmetamųjų dujų dalelės paverčia saulės šviesą ryškiomis, vaiskiomis spalvomis, kurias tie patys vėjai kartais nuneša tūkstančius kilometrų, kol galiausiai išsisklaidys. Nuotraukoje matyti raketos „Minotaur“, paleistos iš JAV oro pajėgų bazės Vandenberge, Kalifornijoje, pėdsakai.

Dangus, kaip ir daugelis kitų mus supančių dalykų, išsklaido poliarizuotą šviesą, kuri turi specifinę elektromagnetinę orientaciją. Poliarizacija visada yra statmena pačiam šviesos keliui, o jei šviesoje yra tik viena poliarizacijos kryptis, sakoma, kad šviesa yra tiesiškai poliarizuota. Ši nuotrauka daryta naudojant poliarizuotą plataus kampo filtro objektyvą, kad parodytų, kaip įspūdingai atrodo elektromagnetinis krūvis danguje. Atkreipkite dėmesį, kokį atspalvį turi dangus prie horizonto ir kokios spalvos jis yra pačiame viršuje.

Techniškai plika akimi nematomas reiškinys gali būti užfiksuotas palikus fotoaparatą atidarytu objektyvu bent valandai ar net nakčiai. Dėl natūralaus Žemės sukimosi žvaigždės danguje juda per horizontą ir sukuria nuostabius pėdsakus. Vienintelė žvaigždė vakaro danguje, kuri visada yra vienoje vietoje, žinoma, yra Polaris, nes ji iš tikrųjų yra toje pačioje ašyje su Žeme ir jos virpesiai pastebimi tik Šiaurės ašigalyje. Tas pats būtų ir pietuose, tačiau nėra pakankamai ryškios žvaigždės, kad būtų galima pastebėti panašų efektą

Ir čia yra nuotrauka iš stulpo)

Silpna trikampė šviesa, matoma vakaro danguje ir besitęsianti link dangaus, Zodiako šviesą lengvai užstoja lengva atmosferos tarša arba mėnulio šviesa. Šį reiškinį sukelia saulės šviesos atspindys nuo dulkių dalelių erdvėje, žinomų kaip kosminės dulkės, todėl jų spektras yra visiškai identiškas Saulės sistemos spektrui. Dėl saulės spinduliuotės dulkių dalelės lėtai auga ir sukuria didingą šviesų žvaigždyną, grakščiai išsklaidytą danguje

Kaip tarp skaidrių drumstų drobulių

Virš svogūno yra žiedynas ir apvalus svogūnas

Junonos pasiuntinio išaukštintas,

Ir suformuota iš vidinio išorės.

Vaivorykštė yra aiškiai matoma - ji paprastai stebima dviejų spalvų lankų pavidalu (dviejų žiedinių lankų, apie kuriuos rašo Dante), o viršutiniame lanke spalvos yra išdėstytos tokia tvarka iš viršaus į apačią: violetinė, mėlyna, šviesi. mėlyna, žalia, geltona, oranžinė, raudona, o apatiniame lanke, atvirkščiai, nuo raudonos iki violetinės. Norėdami prisiminti jų seką, yra mnemoninės frazės, kurių kiekvieno žodžio pirmosios raidės atitinka pirmąsias spalvos pavadinimo raides. Pavyzdžiui, tai yra frazė „Kiekvienas medžiotojas nori žinoti, kur sėdi fazanas“ ar kita. , ne mažiau žinomas „Kaip Jeanas Beleris kažkada galva numušė žibintą“. Tiesa, tradicija identifikuoti 7 spalvas vaivorykštėje nėra universali. Pavyzdžiui, bulgarai vaivorykštėje turi 6 spalvas.

Vaivorykštė suteikia unikalią galimybę natūraliomis sąlygomis stebėti baltos šviesos skaidymąsi į spektrą.

Vaivorykštė dažniausiai pasirodo po lietaus, kai Saulė yra gana žemai. Kažkur tarp Saulės ir stebėtojo vis dar lyja. Saulės šviesa, praeinanti pro vandens lašus, juose ne kartą atsispindi ir lūžta, kaip mažose prizmėse, o iš lašų skirtingais kampais išeina skirtingų spalvų spinduliai. Šis reiškinys vadinamas šviesos sklaida (t.y. skilimu). Dėl to susidaro ryškios spalvos lankas (o iš tikrųjų jis yra status; visa tai matosi iš lėktuvo).

Kartais iš karto pastebimi du, rečiau trys įvairiaspalviai lankai. Pirmąją vaivorykštę sukuria spinduliai, vieną kartą atsispindėję lašų viduje, antrąją – du kartus ir tt 1948 m. Leningrade (dabar Sankt Peterburgas) tarp debesų virš Nevos pasirodė keturios vaivorykštės.

Vaivorykštės išvaizda, spalvų ryškumas ir juostelių plotis priklauso nuo vandens lašelių dydžio ir skaičiaus ore. Ryški vaivorykštė atsiranda vasarą po perkūnijos, kurios metu krenta dideli lašai. Paprastai tokia vaivorykštė reiškia gerą orą.

Šviesią mėnulio naktį galite pamatyti vaivorykštę iš Mėnulio. Lyjant pilnaties šviesoje pasirodo vaivorykštė. Kadangi žmogaus regėjimas sukurtas taip, kad esant silpnam apšvietimui jautriausi akies receptoriai - „stypeliai“ - nesuvoktų spalvos, mėnulio vaivorykštė atrodo balkšva; Kuo ryškesnė šviesa, tuo „spalvingesnė“ vaivorykštė (spalvų receptoriai - „kūgiai“) įtraukiama į jos suvokimą.

ugnies vaivorykštė

Švedijos gyventojui Marianui Eriksonui pasisekė ją pamatyti. Vaivorykštė nusidriekė per naktinį dangų ir minutę stovėjo po pilnatimi.

Ženklai ir legendos.

Kažkada žmogus pradėjo domėtis, kodėl danguje atsiranda vaivorykštės. Tais laikais apie optiką jie net nebuvo girdėję. Štai kodėl žmonės sugalvojo mitus ir legendas, taip pat buvo daug prietarų. Štai keletas iš jų:

• Skandinavijos mitologijoje vaivorykštė yra Bifrost tiltas, jungiantis Midgardą (žmonių pasaulį) ir Asgardą (dievų pasaulį).
• Senovės indų mitologijoje – griaustinio ir žaibo dievo Indros lankas.
• Senovės graikų mitologijoje – Iriso, pasiuntinio tarp dievų ir žmonių pasaulių, kelias.
• Pagal slavų tikėjimus, vaivorykštė, kaip ir gyvatė, geria ežerų, upių ir jūrų vandenį, kuris vėliau lyja.
• Airijos raupas slepia aukso puodą toje vietoje, kur vaivorykštė palietė žemę.
• Pagal čiuvašų įsitikinimus, jei eini per vaivorykštę, gali pakeisti savo lytį.
• Biblijoje vaivorykštė pasirodė po pasaulinio potvynio kaip atleidimo žmonijai simbolis.
• Prietaringi žmonės tikėjo, kad vaivorykštė yra blogas ženklas. Jie tikėjo, kad mirusiųjų sielos į kitą pasaulį pereina vaivorykšte, o jei atsiranda vaivorykštė, tai reiškė neišvengiamą kažkieno mirtį.

Vaivorykštės paaiškinimo istorija.

Jau Aristotelis, senovės graikų filosofas, bandė paaiškinti vaivorykštės priežastį. Ir persų astronomas Qutb al-Din al-Shirazi (1236-1311) ir galbūt jo mokinys Kamal al-din al-Farisi (1260-1320), matyt, buvo pirmasis, kuris gana tiksliai paaiškino reiškinį.

Bendrą fizinį vaivorykštės vaizdą jau aiškiai aprašė Markas Antony de Dominis (1611).

M.A. de Dominis

Remdamasis eksperimentiniais stebėjimais, jis padarė išvadą, kad vaivorykštė susidaro dėl atspindžio nuo lietaus lašo vidinio paviršiaus ir dvigubos lūžio - prie įėjimo į lašą ir prie išėjimo iš jo. René Descartes'as išsamiau paaiškino vaivorykštę savo veikale „Meteora“ skyriuje „Apie vaivorykštę“ (1635).

Renė Dekartas

Dekartas rašo:

„Pirmiausia, kai atsižvelgiau į tai, kad vaivorykštė gali atsirasti ne tik danguje, bet ir šalia mūsų esančiame ore, kai joje yra saulės apšviestų vandens lašelių, kaip kartais galima pamatyti fontanuose, jaučiu Lengvai buvo padaryta išvada, kad tai priklauso nuo to, kaip šviesos spinduliai veikia šiuos lašus ir iš jų pasiekia mūsų akis; be to, žinant, kad šie lašai yra sferiniai, ir matant, kad tiek dideliais, tiek mažais lašais visada atsiranda vaivorykštė lygiai taip pat“, – išsikėliau sau tikslą sukurti labai didelį lašą, kad galėčiau geriau jį ištirti. Norėdami tai padaryti, pripyliau vandens į didelį stiklinį indą, visiškai apvalų ir visiškai skaidrų, ir priėjau prie tokia išvada...“

Ši išvada pakartoja ir patikslina Dominio gautą rezultatą. Visų pirma, Dekartas atrado, kad antroji (išorinė) vaivorykštė atsiranda dėl dviejų lūžių ir dviejų atspindžių. Jis taip pat kokybiškai paaiškino vaivorykštės spalvų atsiradimą, palygindamas šviesos lūžį laše su lūžimu stiklo prizmėje. 1 paveikslas, paaiškinantis spindulio kelią laše, paimtas iš minėto Dekarto darbo. Tačiau pagrindinis Dekarto nuopelnas buvo tai, kad jis kiekybiškai paaiškino šį reiškinį, pirmą kartą naudodamas šviesos lūžio dėsnį:

„Aš vis dar nežinojau, kodėl spalvos atsiranda tik tam tikrais kampais, kol paėmiau rašiklį ir detaliai apskaičiavau visų spindulių, patenkančių į skirtingus vandens lašo taškus, kelią, kad sužinočiau, kokiais kampais jie gali patekti į mūsų akis po dviejų lūžimų ir vieno ar dviejų atspindžių. Tada radau, kad po vieno atspindžio ir dviejų lūžių yra daug daugiau spindulių, kuriuos galima pamatyti kampu nuo 41° iki 42° (saulės spindulio atžvilgiu) nei tų, kurie gali Matyti bet kokiu mažesniu kampu, ir nėra tokio, kuris būtų matomas didesniu kampu. Be to, taip pat pastebėjau, kad po dviejų atspindžių ir dviejų lūžių į akį krenta daug daugiau spindulių kampu nuo 51° iki 52 ° nei tie, kurie kristų didesniu kampu, ir nėra tokių, kurie krenta mažesniu kampu.

Taigi Dekartas ne tik apskaičiuoja spindulių kelią, bet ir nustato lašų išsklaidytos šviesos intensyvumo kampinį pasiskirstymą.

Kalbant apie spalvas, teoriją išplėtė Isaacas Newtonas.

Izaokas Niutonas

Nors vaivorykštės įvairiaspalvis spektras yra ištisinis, tačiau pagal tradiciją suskirstytas į 7 spalvas. Manoma, kad Izaokas Niutonas pirmasis pasirinko skaičių 7, kuriam skaičius 7 turėjo ypatingą simbolinę reikšmę (dėl pitagoriškų, teologinių ar deathologinių priežasčių).

Garsiosiose optikos paskaitose, kurios buvo parašytos XVI amžiaus aštuntajame dešimtmetyje, bet išleistos po Niutono mirties 1729 m., pateikiama tokia santrauka:
"Iš spindulių, patenkančių į kamuoliuką, vieni palieka jį po vieno atspindžio, kiti - po dviejų atspindžių; atsiranda spindulių, atsirandančių po trijų atspindžių ir dar daugiau atspindžių. Kadangi lietaus lašai yra labai maži, palyginti su atstumu iki stebėtojo akies, tai neapsimoka. atsižvelgiama į jų dydžius, bet tik į kampus, kuriuos sudaro krintantys spinduliai su besiskleidžiančiais. Kur šie kampai yra didžiausi arba mažiausi, atsirandantys spinduliai yra labiausiai koncentruoti. Kadangi skirtingų rūšių spinduliai (skirtingų spalvų spinduliai) sudaro skirtingus didžiausius ir mažiausiais kampais, tada spinduliai tankiausi tie, kurie susirenka įvairiose vietose, nori parodyti savo spalvas.

Niutono teiginys apie galimybę neatsižvelgti į lašo dydį, taip pat Dekarto žodžiai, kad su dideliais ir mažais lašais vaivorykštė visada pasirodo vienodai, pasirodė netikslus. Išsamią vaivorykštės teoriją, atsižvelgiant į šviesos difrakciją, kuri priklauso nuo šviesos bangos ilgio ir lašo dydžio santykio, tik XIX amžiuje sukūrė J.B. Erie (1836) ir J.M. Pernteris (1897).

Spindulio lūžis ir atspindys vandens laše.

Dekarto piešinys, kurį atgaminome kaip relikviją, turi vieną „metodinį“ netobulumą. Neišmokytam skaitytojui gali atrodyti, kad tiek išorinės, tiek vidinės vaivorykštės atsiranda dėl skirtingų atspindžių tame pačiame laše. Geriau būtų pavaizduoti du lašai: vienas priklauso apatinei vaivorykštei, kitas – viršutinei, kiekvienam paliekant po vieną atspindžio būdą, kaip parodyta pav. 2. Kad būtų lengviau suvokti, abiem atvejais abscisių ašimi imama saulės spindulio, krentančio į lašą, kryptis. Y koordinatė, apibūdinanti spindulio kritimo tašką ant kritimo, bus vadinama smūgio parametru.

Iš pav. 2, a matyti, kad krentantis spindulys su vienu atspindžiu gali būti suvokiamas stebėtojo, jei tik kritimo taškas yra susijęs su lašo viršūne (y > 0). Priešingai, su dviem atspindžiais tai bus įmanoma tiems spinduliams, kurie patenka į apatinę lašo dalį (y< 0).

Pirmiausia darykime prielaidą, kad lašas yra vertikalioje plokštumoje, einančioje per Saulės padėtį ir stebėtojo akis. Tada krintantys, lūžę ir atsispindėję spinduliai guli toje pačioje plokštumoje. Jei α 1 yra kritimo kampas, o α 2 yra lūžio kampas, tada iš Fig. 2, a ir b, atsirandančio spindulio kampas krintančiojo spindulio atžvilgiu pirmuoju atveju bus lygus φ 1 = 4α 2 -2α 1 (1)
o antroje - φ 2 = π - 6α 2 + 2α 1 (2)
ir pagal lūžio dėsnį: sin α 2 = sin α 1 /n
kur n mūsų atveju yra vandens lūžio rodiklis. Be to, laikant kritimo spindulį kaip ilgio vienetą, gauname:

Atitinkamai pirmuoju ir antruoju atveju. Todėl iš (1) ir (2) gauname
φ 1 =4 arcsin(y/n) – 2 arcsin y, y>0 (3)
φ 2 = π+6 arcsin(y/n) – 2 arcsin y, y<0 (4)

Šios dvi lygtys yra pagrindinės tolimesniam svarstymui. Nesunku nubrėžti kampus φ 1 ir φ 2 kaip y funkcijas. Jie pateikti pav. 3, kai lūžio rodiklis n=1,331 (raudona). Matome, kad kai smūgio parametras yra y≈0,85, pasiekiamas didžiausias kampas φ 1, maždaug lygus 42°, o kampas yra mažiausiai ~53° ties y≈-0,95. Parodykime, kad šie kraštutiniai taškai atitinka didžiausią šviesos, kurią atspindi lašas, intensyvumą.

Panagrinėkime tam tikrą nedidelį smūgio parametro kitimo intervalą (pirmuoju atveju konkretų) y, y + Δy. Naudodami grafiką galite rasti kampo φ pokytį per šį intervalą Δφ. Fig. 3 matyti, kad Δφ=Δy*tg β, kur β yra kampas, kurį grafiko liestinė tam tikrame taške sudaro su abscisių ašimi. Reikšmė Δy yra proporcinga šviesos intensyvumui ΔI, patenkančiam į šio smūgio parametro intervalo sumažėjimą. Tą patį šviesos intensyvumą (tiksliau, jam proporcingą reikšmę) išsklaido kampinio intervalo Δφ kritimas. Galime parašyti ΔI ~ Δy =Δy*ctg β. Todėl šviesos, išsklaidytos lašeliu, sklaidos kampo vienetu, intensyvumas gali būti išreikštas kaip I(φ) = ΔI/Δφ ~ cot β (5)

Kadangi kraštutiniuose taškuose ctg β = ∞, dydis (5) eina į begalybę. Atkreipkite dėmesį, kad šių kraštutinių taškų padėtis skirtingoms spalvoms šiek tiek skiriasi, todėl galime stebėti vaivorykštę.

Kaip nupiešti vaivorykštę

Dabar galime nubraižyti vaivorykštės stebėjimo schemą. Ši konstrukcija parodyta fig. 4. Pirmiausia nupiešiame Žemės paviršių ir ant jo stovintį stebėtoją. Prieš stebėtoją yra lietaus uždanga (pilka). Tada vaizduojame saulės spindulius, kurių kryptis priklauso nuo Saulės aukščio virš horizonto. Per stebėtojo akį mes leidžiame raudonus ir violetinius spindulius aukščiau nurodytais kampais saulės spindulių atžvilgiu. Iš ankstesnės dalies rezultatų galime būti tikri, kad šie spinduliai atsiras dėl atitinkamų lietaus lašų išsklaidymo. Tuo pačiu metu, kaip parodyta Fig. 2, apatinę vaivorykštę sukelia sklaidos procesai su vienu atspindžiu, o viršutinė - su dviem atspindžiais. Atkreipkite dėmesį į spalvų kaitą: violetiniai spinduliai yra išoriniai, o raudoni - vidiniai. Akivaizdu, kad kitų spalvų spinduliai kiekvienoje vaivorykštėje yra tarp raudonos ir violetinės pagal lūžio rodiklių reikšmes.

Prisiminkime, kad iki šiol svarstėme vaivorykštės vaizdą vertikalioje plokštumoje, einančioje pro stebėtojo akį, ir Saulės padėtį. Per stebėtojo akį nubrėžkime tiesią liniją, lygiagrečią saulės spinduliui. Jei vertikali plokštuma pasukama aplink nurodytą tiesią liniją, jos nauja padėtis vaivorykštei stebėti bus visiškai lygiavertė pradinei. Todėl vaivorykštė turi apskritimo lanko formą, kurios centras yra pastatytoje ašyje. Šio apskritimo spindulys (kaip matyti 4 pav.) yra maždaug lygus stebėtojo atstumui iki lietaus uždangos.

Atkreipkite dėmesį, kad stebint vaivorykštę Saulė neturi būti per aukštai virš horizonto – ne daugiau kaip 53,48°. Priešingu atveju spindulių raštas paveiksle pasisuks pagal laikrodžio rodyklę, todėl net violetinis viršutinės vaivorykštės spindulys negalės pasiekti Žemėje stovinčio stebėtojo akies. Tiesa, tai bus įmanoma, jei stebėtojas pakils į tam tikrą aukštį, pavyzdžiui, lėktuve. Jei stebėtojas pakils pakankamai aukštai, jis galės pamatyti vaivorykštę viso apskritimo pavidalu.

Vaivorykštės formavimosi diagrama

Vaivorykštės formavimosi diagrama
1) sferinis lašas 2) vidinis atspindys 3) pirminė vaivorykštė
4) refrakcija 5) antrinė vaivorykštė 6) įeinantis šviesos spindulys
7) spindulių eiga formuojantis pirminei vaivorykštei

8) spindulių eiga formuojantis antrinei vaivorykštei
9) stebėtojas 10) pirminės vaivorykštės formavimosi sritis
11) antrinio vaivorykštės formavimosi sritis 12) lašelių debesis

Šį vaivorykštės aprašymą reikėtų patikslinti atsižvelgiant į tai, kad saulės spinduliai nėra griežtai lygiagretūs. Taip yra dėl to, kad į lašą iš skirtingų Saulės taškų patenkantys spinduliai turi šiek tiek skirtingas kryptis. Didžiausią kampinį spindulių skirtumą lemia Saulės kampinis skersmuo, kuris, kaip žinoma, yra maždaug 0,5°. Prie ko tai veda? Kiekvienas lašas į stebėtojo akį skleidžia šviesą, kuri nėra tokia vienspalvė, kaip būtų, jei krintantys spinduliai būtų griežtai lygiagretūs. Jei kampinis Saulės skersmuo būtų pastebimai didesnis už kampinį atstumą tarp violetinių ir raudonųjų spindulių, tada vaivorykštės spalvos būtų neatskiriamos. Laimei, taip nėra, nors skirtingų bangų ilgių spindulių sutapimas neabejotinai turi įtakos vaivorykštės spalvų kontrastui. Įdomu tai, kad į baigtinį kampinį Saulės skersmenį buvo atsižvelgta jau Dekarto darbuose.

Maloniai prašome nesiųsti straipsnių iš interneto – juos gali rasti paieškos sistemos. Parašykite savo, įdomų ir unikalų straipsnį. Nufotografuokite ir aprašykite laboratorinius fizikos ar chemijos darbus, siųskite savo naminio gaminio nuotraukas....
siųsti straipsnius į [apsaugotas el. paštas]

Vaivorykštė

Pagrindinis procesas, kurio metu atsiranda vaivorykštė, yra šviesos lūžis (lūžis) arba „lenkimas“. Šviesa pasislenka, o tiksliau pakeičia savo kryptį, kai pereina iš vienos aplinkos į kitą. Vaivorykštė atsiranda todėl, kad šviesa skirtingose ​​aplinkose sklinda skirtingu greičiu.

Norėdami suprasti, kaip šviesa lenkiasi, pateiksime paprastą pavyzdį. Įsivaizduokite, stumiate vežimėlį palei automobilių stovėjimo aikštelę. Automobilių stovėjimo aikštelė yra viena iš „aplinkų“ vežimėliui. Jei vežimėlį judinsite su pastovia jėga, jo greitis priklausys nuo aplinkos, kurioje jis juda – šiuo atveju automobilių stovėjimo aikštelės asfalto. Tačiau kaip pasikeičia greitis, jei šis vežimėlis yra pastatytas kitoje aplinkoje, pavyzdžiui, važiuojant per kelkraštį ir ant žolės? Žolė yra kitokia „aplinka“ vežimėliui. Ant žolės vežimėlis juda daug lėčiau nei ant asfalto. Viskas priklauso nuo pasipriešinimo, o kadangi pasipriešinimas ant žolės yra daug didesnis nei ant šaligatvio, norint pajudinti vežimėlį, reikia naudoti daugiau jėgos.

Bet jei vežimėlį stumiate palei žolę kampu, pasikeičia jo riedėjimas. Jei dešinysis ratas pirmiausia atsitrenkia į žolę, jis sulėtina greitį, o kairysis ratas dar greičiau juda grindiniu. Dėl šios priežasties, važiuodamas žole, vežimėlis pradeda svirti į kairę. Tačiau vos perkeliate vežimėlį iš žolės zonos ant šaligatvio, vienas ratas pradeda suktis greičiau už kitą ir vežimėlis apsisuka.

Tuo pačiu principu šviesos spindulys sulinksta, kai atsitrenkia į skaidrią prizmę. Viena šviesos bangos pusė yra šiek tiek lėtesnė už kitą, todėl spindulys pereina per oro ir stiklo sąsają skirtingu kampu (iš esmės šviesos spindulys atsispindi nuo prizmės paviršiaus). Šviesa vėl pasisuka, kai palieka prizmę, nes viena šviesos pusė juda greičiau nei kita.

Be paties šviesos lenkimo proceso, prizmė padalija baltą šviesą į sudedamąsias spalvas. Kiekviena baltos šviesos spalva turi savo būdingą dažnį, todėl spalvos sklinda skirtingu greičiu, kai jos praeina per prizmę.

Spalva, kuri stikle lūžta lėtai, labiau išlinksta, kai iš oro patenka į prizmę, nes skirtingose ​​aplinkose spalva juda skirtingu greičiu. Spalva sparčiau judanti stikle ženkliai nesusilpnėja, todėl ne tiek išlinksta. Dėl šios priežasties visos vaivorykštės spalvos, sudarančios baltą šviesą, praeinant pro stiklą, yra atskirtos dažniu. Jei stiklas du kartus laužia šviesą, kaip tai daro prizmė, žmogus daug geriau mato visas atskirtas baltos šviesos spalvas. Tai vadinama dispersija.

Lietaus lašai gali laužyti ir išsklaidyti šviesą taip pat, kaip ir prizmės viduje. Tam tikromis sąlygomis dėl tokio šviesos lūžio danguje atsiranda vaivorykštė.

Senovės tautų religiniuose įsitikinimuose vaivorykštė buvo priskirta tilto tarp žemės ir dangaus vaidmeniui. Graikų-romėnų mitologijoje žinoma net ypatinga vaivorykštės deivė – Iris. Graikų mokslininkai Anaksimenas ir Anaksagoras manė, kad vaivorykštė susiformavo Saulės atspindžiui tamsiame debesyje. Specialiame savo meteorologijos skyriuje Aristotelis išdėstė idėjas apie vaivorykštę. Jis tikėjo, kad vaivorykštė atsiranda dėl šviesos atspindžio, bet ne tik nuo viso debesies, bet ir nuo jo lašų.

1637 m. garsus prancūzų filosofas ir mokslininkas Dekartas pateikė matematinę vaivorykštės teoriją, pagrįstą šviesos lūžimu. Vėliau šią teoriją papildė Niutonas, remdamasis savo eksperimentais dėl šviesos skaidymo į spalvas naudojant prizmę. Dekarto teorija, papildyta Niutono, negalėjo paaiškinti kelių vaivorykštių egzistavimo vienu metu, skirtingų jų pločių, privalomo tam tikrų spalvų nebuvimo spalvų juostose ar debesų lašelių dydžio įtakos reiškinio atsiradimui. Tikslią vaivorykštės teoriją, pagrįstą idėjomis apie šviesos difrakciją, 1836 metais pateikė anglų astronomas D. Airy. Laikydamas lietaus šydą erdvine struktūra, užtikrinančia difrakcijos atsiradimą, Airy paaiškino visas vaivorykštės ypatybes. Jo teorija visiškai išlaikė savo reikšmę mūsų laikams.

Vaivorykštė yra optinis reiškinys, kuris pasirodo atmosferoje ir atrodo kaip įvairiaspalvis lankas dangaus skliaute. Tai pastebima tais atvejais, kai saulės spinduliai apšviečia lietaus uždangą, esančią priešingoje Saulei dangaus pusėje. Vaivorykštės lanko centras yra tiesės, einančios per Saulės diską (net ir paslėptą nuo debesų stebėjimo) ir stebėtojo akies kryptimi, t.y. priešingame Saulei taške. Vaivorykštės lankas yra apskritimo, aprašyto aplink šį tašką, kurio spindulys yra 42°30 colių (kampinis matmuo), dalis.

Stebėtojas kartais gali matyti kelias vaivorykštes vienu metu – pagrindinę, antrinę ir antrinę. Pagrindinė vaivorykštė yra spalvotas lankas ant besitraukiančio lietaus dangos lašų ir visada pasirodo iš dangaus pusės priešingoje Saulei. Kai Saulė yra horizonte, pagrindinės vaivorykštės viršutinio krašto aukštis yra kampinis 42°30". Saulei pakilus virš horizonto matoma vaivorykštės dalis mažėja. Saulei pasiekus 42° aukštį 30“, vaivorykštė nebus matoma stebėtojui žemės paviršiuje, tačiau jei tą akimirką, kai ji išnyks, užlipkite į bokštą ar laivo stiebą, tada vaivorykštė vėl bus matoma.

Žiūrint iš aukšto kalno arba iš lėktuvo, vaivorykštė gali atrodyti kaip visas apskritimas. Aristotelis matematiškai įrodė, kad Saulė, stebėtojo vieta ir vaivorykštės centras yra toje pačioje tiesėje. Todėl kuo aukščiau Saulė pakyla virš horizonto, tuo žemiau krenta vaivorykštės centras. Nelygioje vietovėje vaivorykštės taip pat gali būti matomos kraštovaizdžio fone.

Įdomus spalvų išdėstymas vaivorykštėje. Jis visada yra pastovus. Pagrindinės vaivorykštės raudona spalva yra jos viršutiniame krašte, violetinė - apatiniame krašte. Tarp šių ekstremalių spalvų likusios spalvos seka viena kitą ta pačia seka kaip ir saulės spektre. Iš esmės vaivorykštėje niekada nėra visų spektro spalvų. Dažniausiai mėlynos, tamsiai mėlynos ir sodrios grynos raudonos spalvos nėra arba yra silpnai išreikštos. Didėjant lietaus lašų dydžiui, vaivorykštės spalvų juostelės siaurėja, o pačios spalvos tampa sodresnės. Žaliųjų tonų vyravimas reiškinyje dažniausiai rodo vėlesnį perėjimą prie gero oro. Bendras vaivorykštės spalvų vaizdas yra neryškus, nes jį sudaro išplėstas šviesos šaltinis.

Virš pagrindinės vaivorykštės yra šoninė vaivorykštė su spalvų kaita, priešinga pagrindinei. Antrinės vaivorykštės viršutinio krašto kampinis aukštis yra 53°32". Be to, nuo violetinio pagrindinės vaivorykštės galo kartais galima pastebėti antrines vaivorykštes; jų vyraujančios spalvos yra žalia ir rožinė. Retais atvejais antrinės vaivorykštės. taip pat stebimi nuo violetinio antrinės vaivorykštės krašto.. Antrinė Vaivorykštė platesnė aukštesniuose lietaus dangos sluoksniuose, kur lietaus lašai mažesni.

Laboratorijoje dirbtinai atkuriant reiškinį pavyko gauti iki 19 vaivorykštių. Virš rezervuaro galima stebėti papildomas vaivorykštes, kurios yra nekoncentriškai išsidėsčiusios viena kitos atžvilgiu. Vienam iš jų šviesos šaltinis yra Saulė, kitam – jos atspindys nuo vandens paviršiaus. Tokiomis sąlygomis taip pat gali atsirasti vaivorykštės, esančios „aukštyn kojomis“.

Naktį, šviečiant mėnesienai ir ūkanotiems orams, kalnuose ir jūrų pakrantėse galima pamatyti baltą vaivorykštę. Šio tipo vaivorykštė taip pat gali atsirasti, kai rūkas yra veikiamas saulės spindulių. Jis atrodo kaip blizgus baltas lankas, nudažytas gelsvai ir oranžiškai raudonai iš išorės, o viduje - mėlynai violetine spalva.

Jei vaivorykštė susidaro mėnulio šviesai veikiant lietaus lašus, tada ji atrodo balta. Kai kuriais atvejais jis atrodo baltas tik dėl mažo apšvietimo intensyvumo. Šio tipo vaivorykštė gali virsti spalvota vaivorykšte, kai lietaus lašai tampa didesni. Ir atvirkščiai, spalvinga vaivorykštė gali prarasti spalvą, jei lietus virsta smulkia rūke. Paprastai, esant mažiems lašams, vaivorykštės spalva yra silpnai išreikšta.

Vaivorykštės matomos ne tik lietaus šyde. Mažesniu mastu jį galima pamatyti ant vandens lašų prie krioklių, fontanų ir banglentėje. Šiuo atveju šviesos šaltiniu gali pasitarnauti ne tik Saulė ir Mėnulis, bet ir prožektorius.

Vaivorykštės struktūra.

Vaivorykštę galima įsivaizduoti kaip milžinišką ratą su ašimi, pritvirtinta prie įsivaizduojamos tiesios linijos, einančios per Saulę ir stebėtoją.

Paveiksle ši tiesi linija pažymėta kaip tiesia linija OO 1; O – stebėtojas, OCD – žemės paviršiaus plokštuma, ?AOO 1 = j – Saulės kampinis aukštis virš horizonto. Norint rasti tan(j), pakanka padalyti stebėtojo ūgį iš jo metamo šešėlio ilgio. Taškas O 1 vadinamas antisolariniu tašku; jis yra žemiau horizonto linijos CD. Iš paveikslo matyti, kad vaivorykštė reiškia kūgio pagrindo apskritimą, kurio ašis yra OO 1; j – kampas, kurį sudaro kūgio ašis su bet kuriuo iš jo generatorių (kūgio atsidarymo kampas). Žinoma, stebėtojas nemato viso nurodyto apskritimo, o tik tą jo dalį (paveiksle, skyrelyje SVD), kuri yra virš horizonto linijos. Atkreipkite dėmesį, kad AOB = Ф yra kampas, kuriuo stebėtojas mato vaivorykštės viršūnę, o AOD = a yra kampas, kuriuo stebėtojas mato kiekvieną vaivorykštės pagrindą. Tai akivaizdu

Ф + j = g (2.1).

Taigi vaivorykštės padėtis aplinkinio kraštovaizdžio atžvilgiu priklauso nuo stebėtojo padėties Saulės atžvilgiu, o vaivorykštės kampinius matmenis lemia Saulės aukštis virš horizonto. Stebėtojas yra kūgio viršūnė, kurios ašis nukreipta išilgai linijos, jungiančios stebėtoją su Saule. Vaivorykštė yra šio kūgio pagrindo perimetro dalis, esanti virš horizonto linijos. Stebėtojui judant, nurodytas kūgis, taigi ir vaivorykštė, atitinkamai juda.

Čia reikia pateikti du paaiškinimus. Pirma, kai kalbame apie tiesią liniją, jungiančią stebėtoją su Saule, turime omenyje ne tikrąją, o stebimą kryptį į Saulę. Nuo tikrosios jis skiriasi lūžio kampu.

Antra, kai kalbame apie vaivorykštę virš horizonto, turime omenyje gana tolimą vaivorykštę – kai lietaus uždanga nuo mūsų yra nutolusi kelis kilometrus.

Taip pat galite stebėti netoliese esančią vaivorykštę, pavyzdžiui, vaivorykštę, atsirandančią didelio fontano fone. Šiuo atveju vaivorykštės galai tarsi eina į žemę. Vaivorykštės atstumo nuo stebėtojo laipsnis akivaizdžiai neturi įtakos jos kampiniams matmenims. Iš (2.1) išplaukia, kad Ф = g - j.

Pirminės vaivorykštės kampas y yra maždaug 42° (geltonajai vaivorykštės daliai), o antrinės vaivorykštės kampas yra 52°. Tai leidžia suprasti, kodėl žemiškasis stebėtojas negali grožėtis pirmine vaivorykšte, jei Saulės aukštis virš horizonto viršija 42°, ir nematys antrinės vaivorykštės, jei Saulės aukštis viršija 52°.

Vaivorykštės formavimas.

Pagrindinė vaivorykštė susidaro atspindint šviesą vandens lašeliuose. Šoninė vaivorykštė susidaro dėl dvigubo šviesos atspindžio kiekvieno lašo viduje. Šiuo atveju šviesos spinduliai išeina iš lašo skirtingais kampais nei tie, kurie sukuria pagrindinę vaivorykštę, o antrinės vaivorykštės spalvos yra atvirkštine tvarka.

Spindulių kelias vandens laše: a - su vienu atspindžiu, b - su dviem atspindžiais

Galime apsvarstyti paprasčiausią atvejį: leiskite lygiagrečių saulės spindulių pluoštui nukristi ant kamuolio formos lašų. Spindulys, patenkantis į lašo paviršių, lūžta jo viduje pagal lūžio dėsnį:

n1 sin b=n2 sin c

Kur n 1 =1, n 2 =1,33 - atitinkamai oro ir vandens lūžio rodikliai, b- kritimo kampas ir V- šviesos lūžio kampas.

Lašo viduje jis eina tiesia linija. Tada spindulys dalinai lūžta ir iš dalies atsispindi. Pažymėtina, kad kuo mažesnis kritimo kampas, tuo mažesnis atsispindėjusio pluošto intensyvumas ir tuo didesnis lūžusio pluošto intensyvumas. Spindulis po atspindžio pasiekia kitą tašką, kuriame taip pat atsiranda dalinis šviesos atspindys ir dalinis lūžis. Lūžęs spindulys palieka lašą tam tikru kampu, o atsispindėjęs spindulys gali keliauti toliau ir tt Taigi laše esantis šviesos spindulys daugkartinis atspindys ir lūžimas. Su kiekvienu atspindžiu dalis šviesos spindulių išeina ir jų intensyvumas lašo viduje mažėja. Intensyviausi spinduliai, sklindantys į orą, yra pirmasis iš lašo išlendantis spindulys. Tačiau jį stebėti sunku, nes jis prarandamas ryškių tiesioginių saulės spindulių fone.

Svarstant apie vaivorykštės susidarymą, reikia atsižvelgti į dar vieną reiškinį – nevienodą skirtingo ilgio šviesos bangų, tai yra skirtingų spalvų šviesos spindulių, lūžį. Šis reiškinys vadinamas dispersija. Dėl dispersijos spindulių lūžio ir nukrypimo kampai laše skiriasi skirtingų spalvų spinduliams. Kuo daugiau vidinių atspindžių spinduliai patiria laše, tuo silpnesnė vaivorykštė. Galite stebėti vaivorykštę, jei Saulė yra už stebėtojo. Todėl ryškiausia, pirminė vaivorykštė susidaro iš spindulių, patyrusių vieną vidinį atspindį. Jie kerta krintančius spindulius maždaug 42° kampu. Geometrinis taškų, esančių 42° kampu krentančio spindulio atžvilgiu, lokusas yra kūgis, kurio viršūnėje akis suvokia kaip apskritimą. Kai apšviečiama balta šviesa, susidaro spalvota juostelė, kurios raudonas lankas visada yra didesnis už violetinį lanką.