Про простих дослідах, які пояснили дуже складні явища і навіть веселку 1963 Штейнгауз а
Про простих дослідах, які пояснили дуже складні явища і навіть веселку
Вчені знали про це і раніше, ще задовго до Ньютона. Але ніхто до нього навіть і гадки не мав, що промені білого світла, світла нашого сонця, представляють, якщо можна так висловитися, суміш кольорових променів - червоного, оранжевого, жовтого, зеленого, блакитного, синього, фіолетового і всіх проміжних кольорів. Більш того, було відомо, що призма, вміщена на шляху сонячного світла, відкидає яскраву райдужну смугу. Але нікому не вдавалося пояснити це явище.
Ось що писав з цього приводу сам Ньютон:
"На початку 1666 року (у цей час я займався шліфуванням скла інших форм, ніж сферичні) я дістав трикутну скляну призму, щоб з нею зробити досліди над знаменитим явищем квітів. Для цієї мети, затемнивши свою кімнату і виконавши невеликий отвір в віконних віконницях для пропускання в потрібній кількості сонячного світла, я помістив призму там, де входив світло, так що він міг переломлюватися до протилежної стіни. Видовище живих і яскравих фарб, отримують при цьому, приносило мені приємне задоволення ".
Будь-який з нас може спостерігати яскраво забарвлену смугу, що відкидається призмою на білу стіну або на шматок білого паперу. Кольори в цій смузі настільки гарні, яскраві і чисті, що можна буквально годинами дивитися на них і насолоджуватися, розрізняючи нові і нові прекрасні відтінки. Такий досвід зробити дуже легко: достатньо лише мати призму хоча б з зіпсованого польового бінокля. Можна навіть не особливо затемнювати кімнату, правда, при цьому чистота, насиченість і кількість розрізняються квітів значно зменшаться.
Ньютон проводив досвід з сонячним світлом не заради простого задоволення. Головною його метою було з'ясувати, чому призма, поставлена на шляху сонячних променів, перетворює білий сонячне світло в спектр - колірний ряд, смугу, в якій всі кольори йдуть один за іншим в незмінному, завжди повторюється порядку.
Йому довелося виконати величезну роботу. І якщо врахувати, що вона проводилася майже триста років тому за допомогою всього лише кількох призм, лінз і самих немудрих пристосувань, то здаються абсолютно вражаючими вигадка і майстерність Ньютона-експериментатора.
На основі проведених дослідів Ньютон відкрив невідомі раніше закони, яким підкоряється світ, і першим спробував науково пояснити його природу.
Зустрічаючи на своєму шляху дві середовища, що відрізняються один від одного оптичними властивостями (наприклад, повітря і скло або повітря і воду), промені світла змінюють свій напрямок при переході з однієї в іншу - переломлюються. Це заломлення тим більше, чим сильніше відрізняються за своїми властивостями середовища, через які проходить світло. Ми часто зустрічаємося з цим явищем в повсякденному житті. Досить лише нагадати про ложку, опущеною в стакан з водою. Здається, що вона має різкий злам якраз на кордоні води і повітря.
Про заломлення світла було відомо і до Ньютона. Але ніхто не знав, як переломлюються промені різного кольору.
Своїм першим досвідом (всього він провів 33 різних досвіду, повторюючи кожен по багато разів) Ньютон встановив, що "промені, що відрізняються за кольором, відрізняються і за ступенем преломляемости". А третій досвід дозволив йому зробити наступне важливе висновок: "Сонячне світло складається з променів різної преломляемости".
Ось витяги з опису досвіду, зробленого самим Ньютоном:
"Я помістив в дуже темній кімнаті у круглого отвору, близько третини дюйма шириною, у віконниці вікна скляну призму, завдяки чому пучок сонячного світла, що входив в цей отвір, міг переломлюватися вгору до протилежної стіни кімнати і утворював там кольорове зображення сонця. Ось призми ( тобто лінія, що проходить через середину призми від одного кінця до іншого паралельно ребру заломлюючого кута) була в цьому і наступних дослідах перпендикулярна до падаючих променів. Я обертав повільно призму навколо цієї осі і бачив, що переломлений світло на стіні або забарвлене зображення сонця спочатку піднімалося, потім почало спускатися. Між підйомом і спуском, коли зображення здавалося зупинився, я припинив обертання призми і закріпив її в цьому положенні так, щоб вона не могла більше рухатися.
Досвід Ньютона. Проходячи через першу призму, сонячне світло перетворюється в спектр. Отвір в екрані, вміщеному між призмами, пропускає промені лише одного кольору. Тому світло, проходячи через другу призму, вже не утворює розходиться пучка променів
Помістивши призму в це положення, я змусив переломлений світло падати перпендикулярно на аркуш білого паперу на протилежній стіні кімнати і спостерігав фігуру і розміри сонячного зображення, утвореного світлом на папері.
Це зображення спектра РТ було пофарбовано червоним в найменш переломленому кінці Т, фіолетовим - в найбільш переломленому кінці Р і жовтим, зеленим, синім - в проміжному просторі ".
В одному з подальших положень, сформульованих Ньютоном на підставі своїх дослідів, говориться наступне:
"Білизна і все сірі кольори між білим і чорним можуть бути складені з квітів, і білий сонячне світло складається з усіх первинних квітів, змішаних в належній пропорції".
Іншими словами, Ньютон довів те, що тепер відомо кожному: сонячне світло складається з суміші різних чистих кольорів. Не менш істотно і інше: однорідний світло (тобто "одноколірний" або "монохроматический", як його називають оптики), проходячи через призму або лінзу, заломлюється вже "правильно". Луч монохроматичного світла вже не розщеплюється при ламанні, і тому зображення в монохроматичних променях буде завжди чітким. Що ж стосується променів білого світла, то, проходячи через преломляющие середовища, вони розщеплюються. І саме цим пояснювалося, чому в мікроскопах, телескопах і інших оптичних інструментах виходило забарвлене зображення.
Ньютон прямо говорив про це:
"Удосконаленню телескопів перешкоджає різна преломляемость світла".
І тільки через багато років вчені знайшли способи усунення фарбування зображень в оптичних приладах, що містять лінзи.
За рахунок різної преломляемости променів різного кольору виникає і веселка.
Ще задовго до Ньютона деякі вчені правильно вважали, що вона виникає внаслідок заломлення світла в краплях падаючого дощу. Такої думки дотримувався, наприклад, знаменитий французький вчений Рене Декарт, проте пояснити появу різних кольорів він не зміг. Першим, хто дав правильну відповідь, був Ньютон. І це ніколи не цікавило нього особливих труднощів. Адже ключ до розгадки - знання законів заломлення світлових променів різного кольору - був у нього в руках.
Промінь сонця, зустрічаючись з дощової краплею, дуже близькою за формою до кулі, проникає в неї і заломлюється. Так як вода оптично більш щільне середовище, ніж повітря, промінь, увійшовши в краплю, "притискається" до перпендикуляру, який поновлений в точці падіння. Дійшовши до протилежного боку краплі, він виходить з неї, але не повністю - частина світла відбивається назад і виходить з краплі приблизно з тієї ж сторони, що увійшла. При цьому (в силу деяких причин) найбільшу кількість світла виходить під кутом в 138 ° (42 °) до початкового напрямку сонячних променів. Саме цей світ і бачить спостерігач, якщо він знаходиться в такому місці, куди світло приходить.
Чому ж веселка має вид дуги, а не частини диска?
Це пояснюється тим, що в око спостерігача потрапляє світло лише від тих крапель, напрямок на які збігається зі зворотним шляхом світлових променів, що вийшли з краплі, тобто відповідає розі в 42 ° по відношенню до напрямку променів, що йдуть від сонця. Всі точки простору (в даному випадку - це краплі), які видно спостерігачеві під одним і тим же кутом, повинні лежати на колі. Іншими словами, геометричне місце точок, видимих під певним кутом, являє собою коло. Саме частина окружності, а не частина диска ми бачимо, спостерігаючи веселку.
Чому веселка кольорова?
Щоб відповісти на це питання, досить лише згадати закони, встановлені Ньютоном: "Сонячне світло складається з променів різної преломляемости" і "промені, що відрізняються за кольором, відрізняються і за ступенями преломляемости".
Тому зазначені значення кутів 138 ° і 42 ° вірні тільки для якогось одного кольору, для всіх інших кольорів кути будуть відрізнятися. Правда, відмінність не буде великим, тому що ступеня преломляемости для променів різного кольору відрізняються не так вже сильно. Але цього відмінності досить, щоб веселка стала різнокольоровою.
Часто можна спостерігати не одну, а відразу дві веселки: одну над іншою, причому верхня, як правило, набагато тьмяніше і ширше нижньої. Вона виходить в тому випадку, коли світло відбивається всередині краплі не один, а два рази і після цього виходить в повітря. Світло, що вийшов з краплі після двох відображень, слабкіше, так як і при другому відбитті частина світла не позначилася, а вийшла з краплі. Тому верхня веселка слабкіше. Світло від неї приходить до ока спостерігача під кутом в 129 ° (51 °) до сонячних променів. Середній кутовий розмір повної веселки становить 102 °, в той час як у нижній веселки цей розмір дорівнює 84 °.
Шлях променів в дощовій краплі. У нижній краплі світло відбивається тільки один раз і виходить назад. У верхній краплі світло, перед тим як вийти в повітря, відбивається двічі
Спробуйте перевірити свою спостережливість. Постарайтеся згадати, який порядок кольорів у нижній і верхній райдугах, рахуючи від нижньої межі нижньої веселки.
Мало хто зуміють зробити це правильно. Кольори слідують в такому порядку: фіолетовий, синій, блакитний, зелений, жовтий, помаранчевий, червоний. Далі йде смуга, в якій око не розрізняє кольорів, іноді вона навіть здається темнішою, ніж інша частина неба, на тлі якого видно веселки. За цією смугою починається верхня веселка; в ній порядок кольорів зворотний - від червоного до фіолетового.
Фіолетовий колір веселки, особливо верхньої, має рожевий відтінок і відрізняється від фіолетового, що спостерігається в темній кімнаті від призми. Це пояснюється тим, що на нього накладається неразложенном, білий сонячне світло. Від цього фіолетовий тон блякне, набуває червонуватого відтінку.
Взаємне розташування спостерігача, сонця і веселки.
Кажуть, у англійців є старовинне повір'я: якщо зумієш дійти до підніжжя веселки, знайдеш горщик із золотом. Але подібно до того як неможливо дійти до горизонту, не можна дійти і до веселки. Є й інша причина, по якій жодному англійцю ще не вдалося розбагатіти подібним чином, - веселка не має підніжжя. Вона зовсім не дуга, а повна окружність.
Взаємне розташування спостерігача, сонця і веселки
Правда, перебуваючи на землі, ми ніколи не бачимо її цілком - нижня частина в кращому випадку (при сході або заході сонця) виявляється на 42 ° нижче горизонту. Але, якщо дощ йде з хмар, що піднялися на висоту 5-6 кілометрів, можна з вершини гори висотою 2,5-3 кілометри, з кабіни літака або якого-небудь іншого літального апарату побачити повну райдужну окружність. Більш того, так як центр веселки знаходиться на лінії "сонце - око спостерігача", а сонце - за його спиною, то в добрій нагоді точно в центрі веселки можна побачити тінь гори, літака і. свою власну.
Кажуть були щасливці, яким вдавалося спостерігати настільки чудове видовище.
Можливо, деякі замислювалися над тим, чому в наших широтах веселку можна побачити або у грім, або до вечора, тобто тільки на західному або східному небосхилі? Відповідь проста: чим вище піднімається сонце, тим нижче веселка йде за горизонт або дахи будинків і, навпаки, чим нижче сонце, тим вище і величніше веселка.
Перш ніж перейти до наступного розділу, варто сказати ще про один цікавий факт. Виявляється, яскравість кольорів у веселці залежить від величини дощових крапель. Якщо вони великі, 1-2 міліметра в діаметрі, то фіолетова і зелена смуги дуже яскраві, червона теж добре помітна, але блакитна видно слабо. Якщо краплі меншого розміру, яскравість червоного кольору убуває. При діаметрі крапель 0,2-0,3 міліметра він зникає зовсім, хоча інші кольори видно добре. При ще менших краплях веселка розширюється і блякне, і при зовсім дрібних крапельках, порядку 0,05 міліметра, вона стає білою.
Однак, говорячи про залежність яскравості кольорів веселки від розміру крапель, ми забігаємо вперед - за життя Ньютона це явище не могло ще бути пояснено.