«Загадки» природы

Преломление световых лучей в атмосфере называют рефракцией. Небольшие преломления световых лучей в атмосфере происходят всегда (исключая только один случай, когда лучи от небесного тела падают в наш глаз отвесно). Благодаря рефракции мы видим небесные светила несколько выше, чем они находятся в действительности. Вечером мы видим Солнце через 10–15 минут после того, как оно уйдет за горизонт.

Точно так же и изображения всех далеких предметов мы видим немного выше и ближе, в сравнении с действительным положением этих предметов.

Рефракция света в атмосфере Земли – явление обычное, вполне объяснимое. Окружающий нас воздух не представляет собой однородной массы. Он состоит из слоев самой различной плотности. Свет проходит по существу через различные среды. Каждый раз при переходе от слоя одной плотности к слою иной плотности луч света преломляется, изменяет свой прямолинейный путь.

Около трехсот лет назад было установлено, что белый свет – свет сложный. Он состоит из суммы цветных лучей. Это можно видеть на простом опыте. Возьмите трехгранную стеклянную призму и поставьте ее на пути пучка лучей света (рис. 24). Пройдя через такое стекло, свет изменит свое направление, или, как говорят, преломится, и при этом распадется на свои составные части, на цветные лучи. Если за призмой на пути солнечных лучей поставить какой-либо экран, например лист бумаги, на нем будет ясно видна широкая многоцветная полоса. Такую полосу называют спектром. В ней легко можно выделить семь цветов – красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. Расположение их всегда одинаково: за красным всегда идет оранжевый, за зеленым – голубой и т. д.

Почему же луч белого света, проходя через стеклянную призму, разлагается на свои составные части? Почему этого не происходит в других случаях, например, когда луч света проходит через оконное стекло или когда свет преломляется, входя в воду?

Разложение белого света стеклянной призмой объясняется тем, что отдельные цветные лучи преломляются в ней не одинаково: одни больше, другие меньше. Поэтому-то они и становятся видны после того, как белый луч пройдет сквозь призму. Наоборот, в других стеклах, например в оконном стекле, все цветные лучи, составляющие белый свет, преломляются в одинаковой степени, и вы видите поэтому тот же белый луч.

Рис. 24. Стеклянная призма разлагает белый свет в спектр.

Понятно и то, почему разноцветные полоски всегда располагаются в одном и том же порядке – от красного до фиолетового. В стеклянной призме всегда меньше всего преломляется красный луч, а больше всего – фиолетовый. Значит, и положение цветов в спектре всегда будет одинаковым.

Разложение света на спектральные цвета можно очень часто наблюдать в природе. Посмотрите, например, на водяную пыль фонтана, освещенную солнцем, и вы увидите в брызгах воды маленькую многоцветную полосу. Яркие радужные краски можно увидеть порой и в снежных узорах на окнах, и в капельках росы под лучами Солнца.

Благодаря разложению белого солнечного света на спектральные цвета люди видят одно из самых красивых явлений – радугу.

ЗАГАДКА РАДУГИ

Радугу мы видим довольно часто.

Формы этого явления бывают различными. Радуга появляется в виде одной многоцветной дуги и в виде двух-трех и более дуг. Над большими водоемами иногда появляется, вместе с радугой в ее обычной форме, радуга «вверх ногами», перевернутая радуга. Редкое явление одновременно четырех радуг наблюдали в Ленинграде в 1948 году, над Невой.

Причина появления радуги заключается в том, что белый солнечный свет при известных условиях разлагается на спектральные лучи.

Рис. 25. Необычного вида радуга над водой.

Но что же выполняет в природе роль стеклянной призмы? Оказывается, дождевые капли. Лучи света испытывают в них полное внутреннее отражение.

Внешнее отражение лучей света от поверхности того или иного предмета всем хорошо знакомо. Благодаря полному внешнему отражению мы видим изображения в зеркале.

А что же представляет собой полное внутреннее отражение света?

Посмотрите на рисунок 26. Здесь изображена схема простого перископа – прибора, который позволяет видеть предметы из-за укрытия, из-под воды и т. д.

Рис. 26. Схема устройства простейшего перископа.

Лучи света, идущие от предмета, падают на стеклянную призму, достигают внутренней поверхности грани и, полностью отразившись от нее, резко изменяют свое направление. Полное внутреннее отражение испытывают лучи света и во второй призме. Таким путем наблюдатель хорошо видит все, что происходит вверху, находясь сам за укрытием.

Полное внутреннее отражение света в капле воды отличается от отражения в призме тем, что здесь свет разлагается в спектр. Как это происходит?

Полоска света падает на поверхность капли (рис. 27) и, как только проникает внутрь ее, изменяет свой прямолинейный путь – преломляется. Достигнув внутренней стенки капли, свет от нее отражается и выходит из капли, вновь преломившись на выходе. При таком двойном преломлении света в капле различные цветные лучи преломляются неодинаково. Белый луч света разлагается в спектр. Именно такое отражение и разложение испытывают отдельные лучи солнечного света в падающих дождевых каплях.

Рис. 27. Схема простого полного внутреннего отражения солнечных лучей в капле воды.

Отразившись в капле, полоска света выходит из нее в форме полого многоцветного конуса. Каждый такой конус состоит как бы из разноцветных стеклянных воронок, вложенных одна в другую: в красную – оранжевая, в оранжевую – желтая, в желтую – зеленая и т. д. Своим широким отверстием радужная «воронка» обращена к Солнцу. А так как мы видим радугу только тогда, когда стоим к Солнцу спиной (увидеть радугу сбоку нельзя), то, значит, «воронка» таким же образом обращена и к человеку, который видит радугу.

Однако все цвета «воронки», выходящие из одной капли, мы не видим, потому что отдельные цветные лучи преломляются, выходя из капли, неодинаково – одни меньше, другие больше. В глаза наблюдателя попадает всего лишь один какой-нибудь цветной луч, например зеленый. Все другие лучи, преломившиеся в этой капле, пройдут мимо – выше или ниже наших глаз. От другой капли в глаз наблюдателя попадает какой-либо другой луч, например красный, от третьей – фиолетовый и т. д.

При дожде лучи Солнца преломляются в мириадах падающих капель воды. Однако далеко не все эти лучи попадают нам в глаза. Когда мы наблюдаем радугу, мы видим только отдельные цветные лучи, идущие к нам от некоторых капель. Какие же эти капли? Как они расположены в воздухе?

Оказывается, все такие капли располагаются по окружности. Все капли на этой окружности находятся в одном положении к Солнцу и к наблюдателю. Только от этих капель радужные лучи попадают в наши глаза.

Но и таких капель в воздухе множество. Цветные лучи, рожденные этими каплями, сливаясь, дают нам яркую картину радуги. Перед нами возникает многоцветная полоса – часть радужного круга.

Вечером и утром, когда Солнце стоит низко, радуга имеет вид полного полукруга. Чем выше Солнце поднимается над горизонтом, тем радуга меньше. Когда Солнце находится над горизонтом выше 42 градусов, радуга совсем уходит за горизонт.

Это понятно – ведь в радуге мы видим солнечные лучи, разложенные на свои спектральные цвета. Значит, положение радуги на небе должно зависеть от положения Солнца. Чем выше оно расположено на небе, тем меньшую часть радужного круга мы увидим. Остальное будет скрывать горизонт. Поднявшись высоко в воздух, можно увидеть весь радужный круг.

Почему же, однако, мы видим в радуге ряд цветных полос, расположенных всегда в одном порядке? А вот почему.