Физика природных явлений

Введение

Все живое стремится к цвету.

(Гёте,  Теория цветов)

По мере развития техники все сильнее ощущается стремление к природе, к тесному общению с ней. Обычно мы воспринимаем природу, как нечто противоположное насыщенной плодами цивилизации обстановке нашей обыденной жизни, нередко забывая, что корни цивилизации, корни науки прочно укреплены именно в природе, в тех явлениях, которые мы повседневно наблюдаем, не обращая на них внимания и не задумываясь над их объяснением.

Обычно, когда говорят о "наблюдении природы", имеют ввиду изучение растений и животных. Но разве ветер и погода, свет и цвет, облака, волны, лучи Солнца – это не та же природа. Цвет, например, играет в жизни человека столь большую роль, что разграничение и установление основных его типов стало необходимым уже на заре человеческой культуры.

Хочется особенно подчеркнуть, что достаточно глубокое изучение физики природных явлений стало возможным, в основном, лишь в наше время – благодаря успехам современной физики, а также химии и биологии.

Во время наблюдений мы описываем бесчисленное количество раз цвета явлений природы.

В своем докладе я хочу рассказать о цветах некоторых природных явлений и попытаться объяснить их с точки зрения физики. 

Раздел I. Радуга

Как неожиданно и ярко,

На влажной неба синеве,

Воздушная воздвиглась арка

В своем минутном торжестве!

(Ф.И. Тютчев)

Наверно нет человека, который бы не любовался радугой. Это великолепное явление издавна поражало воображение людей.

Все радуги — это солнечный свет, разложенный на компоненты и перемещенный по небосводу таким образом, что он кажется исходящим от части небосвода, противоположной той, где находится Солнце, не закрытое облаками. Внешняя дуга радуги красная, за нею идут оранжевая, желтая, зеленая, голубая, синяя дуги и заканчивается внутренней фиолетовой.

Первая попытка объяснить радугу как естественное явление природы была сделана в 1611 г. архиепископом Антонио Доминисом. Его объяснение радуги противоречило библейскому, поэтому он был отлучен от церкви и приговорен к смертной казни. Антонио Доминис умер в тюрьме, не дождавшись казни, но его тело и рукописи были сожжены.

Научное объяснение радуги впервые дал Рене Декарт в 1637 г. Декарт объяснил радугу на основании законов преломления и отражения солнечного света в каплях выпадающего дождя. В то время еще не была открыта дисперсия — разложение белого света в спектр при преломлении. Поэтому радуга Декарта была белой.

Спустя 30 лет Исаак Ньютон, открывший дисперсию белого света при преломлении, дополнил теорию Декарта, объяснив, как преломляются цветные лучи в каплях дождя. По образному выражению американского ученого            А. Фразера, сделавшего ряд интересных исследований радуги уже в наше время, "Декарт повесил радугу в нужном месте на небосводе, а Ньютон расцветил ее всеми красками спектра".

Несмотря на то что теория радуги Декарта-Ньютона создана более 300 лет назад, она правильно объясняет основные особенности радуги: положение главных дуг, их угловые размеры, расположение цветов в радугах различных порядков.

Итак, пусть параллельный пучок солнечных лучей падает на каплю (рис. 1). Ввиду того что поверхность капли кривая, у разных лучей будут разные углы падения. Они изменяются от 0 до 90°. Проследим путь луча, упавшего в точку А, его угол падения обозначим i . Преломившись под углом преломления r , луч входит в каплю и доходит до точки В. Часть энергии луча, преломившись, выходит из капли, часть, испытав внутреннее отражение в точке 5, идет внутри капли до точки С. Здесь снова часть энергии луча, преломившись, выходит из капли, а некоторая часть, испытав второе внутреннее отражение, доходит до точки О и т. д. В принципе луч может испытывать любое число (і), внутренних отражений, а преломлений у каждого луча два — при входе и при выходе из капли.