V. HIỆN TƯỢNG CẦU VÒNG:
V.1.2.Làm thế nào để quan sát cầu vòng?
Bầu trời phải không được âm u quá hay trong sáng quá, cũng phải có vài đám mây. Mặt trời phải ở đằng sau ta và mưa phải đằng trước ta. Mặt trời, mắt của ta và trung điểm của cầu vồng phải nằm trên cùng một đường thẳng.Chính vì những giọt nước tạo ra sự xuất hiện của cầu vồng nên nó phải ở phía đối diện với mặt trời. Mặt trời càng thấp, cầu vồng càng cao nên quan sát buổi sáng và buổi chiều là lúc tốt nhất. Khi mặt trời lên cao cầu vồng càng phẳng và khi cao hơn 42° so với chân trời thì ta không thể thấy nó nữa. Muốn có cầu vồng phải quan sát khi mặt trời ở chiều cao dưới 42° so với chân trời. Ngoài ra muốn có màu sắc rõ ràng, phải có những giọt nước mưa lớn nên sau trận mưa lớn ta có cầu vồng đẹp.
Có lẽ cầu vồng được chú ý tới vì chúng xuất hiện trong thời tiết có bão và tình cờ khi người ta thấy chúng trên bầu trời. Có ý kiến cho rằng khi ta thấy cầu vồng ở đằng đông thì thời tiết trong sáng nhưng cầu vồng ở đằng tây thì chờ đón những ngày mưa bão. Thật đơn giản, khi thấy cầu vồng đằng Tây tức là Mặt trời ở đằng Đông và cơn giông kéo về phía Tây nhiều khả năng hướng về phía chúng ta. Ngược lại khi cầu
vồng ở đằng Đông là lúc mặt trời sắp lặn và cơn giông đang kéo về Đông, chúng ở phía Đông chúng ta hoặc cùng lắm ở ngay chỗ ta đứng lúc đó.
3/ Nơi nào thường có cầu vồng?
Có những vùng được nổi tiếng về sự xuất hiện thường xuyên của cầu vồng, thí dụ Honolulu. Những ngọn núi phía Bắc của thành phố tạo ra thường xuyên sương mù đặc trong lúc mặt trời chiếu nắng. Người ta thấy xuất hiện những cầu vồng lộng lẫy trên những ngọn đồi. Nhiều khi khi trời sắp lặn, bầu trời đuợc chế ngự bởi một màu đỏ và cầu vồng không thể phát ra những màu khác nên chỉ hiện ra màu đỏ.
Nơi có vòi nước phun ta cũng thấy hiện tuợng cầu vồng. Phải đến chơi vào buổi sáng hay chiều, lúc mặt trời chiếu sáng và phải đứng làm sao để nhìn thấy nước phun còn mặt trời thì chiếu sau lưng ta đến.
V.2. Giải thíchhiện tượng:
V.2.1.Giải thích hiện tượng:
Giải thích hiện tượng dựa trên sự phân tích ánh sáng đi ngang qua lăng kính và ánh sáng trắng là sự tổng hợp những màu của phổ thấy được của Newton.
Khi ánh sáng mặt trời chiếu qua nước mưa, nó phân ra thành 7 màu đỏ, cam, vàng, xanh , lam, chàm, tím vì những giọt nước mưa hành động như những lăng kính nhỏ. Khi qua lăng kính, ánh sáng trắng bị khúc xạ và mỗi màu nghiêng theo một góc khác nhau để cho ta thấy những màu khác nhau trải dài thành giải dưới dạng một hình cung.
Hình 13-1 là mô hình một giọt nước mưa kích thước nhỏ hình cầu (ko dẹt như các giọt lớn thông thường).
Tia sáng mặt trời đc biểu diễn bằng một mũi tên chiếu đến từ bên trái. Khi ánh sáng chiếu vào dưới một góc độ, nó tách ra nhiều màu sắc như trong lăng kính. Ánh sáng hầu hết xuyên qua màng giọt nước.
Như đối với bất kì bề mặt vật chất trong suốt nào, một số as thì xuyên qua, số khác thì được phản chiếu lại tuỳ thuộc góc chiếu sáng trên bề mặt.
Màng sau của giọt nước mưa là một mặt cong. Các tia sáng chiếu tới mặt cong này dưới một giới hạn góc sao cho tia sáng có thể phản xạ lại và ko xuyên qua màng. Tất cả tia sáng được phản xạ này quay trở lại mặt đối diện mà chúng được chiếu tới, và các tia sáng cùng màu thì ló ra với cùng một góc độ.
Các tia ló tách ra nhiều màu sắc tuy nhiên sự pha trộn ánh sáng phản chiếu bởi tất cả các giọt nước khác từ những hướng khác nhau dẫn đến sự tổng hợp ánh sáng trắng. Vì vậy ở trên bầu trời phía ngoài cầu vồng chính thì sáng hơn phía trong. Khi quan sát, ta thấy những tia sáng phản chiếu tại góc giới hạn và mỗi giọt nước cùng với góc độ này góp phần tạo nên cầu vồng.
V.2.2.Vài tính toán về cầu vồng:
(Dựa trên sự giải thích của nhà toán học, vật lý người Pháp – Decactes)
Các chỉ số phần trăm là tỉ lệ năng lượng của tia sáng tương ứng. Ta sẽ thấy cường độ sáng của các tia khúc xạ phản xạ lần 1, 2,3 .. sẽ thay đổi khi góc tới i thay đổi.
Dùng hình học dễ dàng tính được góc lệch giữa tia khúc xạ số 3 và tia tới sẽ bằng: D= 4i -2r
Mà: sini/sinr = n => D = 4i - 2 arsin (sini/n)
Khảo sát hàm này sẽ cho cực đại ứng với tia đỏ D = 42,394 độ.
Vì sao khi D cực đại thì lại cho cường độ sáng của tia đỏ lớn nhất? Đây là mô hình giọt nước mưa được chiếu sáng bởi ánh sáng mặt trời
Lí do: Khi D cực đại <=> dD/di = 0
=> Sự biến đổi của i sẽ làm cho D không thay đổi nhiều, có nghĩa là với những tia sáng quanh giá trị i này thì sẽ cho cường độ tia đỏ lớn hơn các tia khác. Dẫn đến việc tập trung nhiều tia đỏ. Vì thế cường độ tia sáng khúc xạ đỏ đạt giá trị cực đại.
Do đó mỗi giọt nước mưa sẽ tạo ra một hình nón tia chùm tia đỏ có góc ở đỉnh là 42,394 và trục đối xứng là tia sáng mặt trời. Do có rất nhiều giọt nước cho nên tập hợp các tia này đến mắt ta sẽ tạo thành hình tròn.
Ở các góc khác có tia đỏ không?
Câu trả lời là có nhưng đồng thời có cả các tia khác nữa và không có tia nào thắng thế về cường độ sáng cả do đó có sự tổng hợp lại thành ánh sáng trắng.
Tương tự với các màu khác sẽ thấy màu xanh có góc cực đại nhỏ hơn nên nằm bên trong.