Vật lí và đời sống

HIỆN TƯỢNG CẦU VỒNG
I.Giới thiệu hiện tượng:
1. Cầu vồng là gì?

Cầu vồng là hiện tượng tán sắc của các ánh sáng từ Mặt Trời khi khúc xạ và phản xạ qua các giọt nước mưa.
Các màu sắc cầu vồng nằm theo thứ tự đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm, tím. Các bức xạ hồng ngoại và tử ngoại nằm
ngoài vùng ánh sáng nhìn thấy của mắt người, nên không hiện diện.
Tùy vào số lần phản xạ mà người ta phân ra làm cầu vồng bậc 1, bậc 2... Trong đó cầu vồng bậc 1 là rõ nhất (chỉ có 1 lần
phản xạ nên năng lượng sáng mạnh nhất). Thường cầu vồng nhìn thấy là cầu vồng bậc 1. Tuy nhiên đôi khi ta còn quan
sát thêm được cầu vồng bậc 2 mà trật tự màu sắc lại ngược lại với cầu vồng bậc 1 và cường độ sáng yếu hơn.

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
II. Giải thích hiện tượng:

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
2. Vài tính toán về cầu vồng:
(Dựa trên sự giải thích của nhà toán học, vật lý người Pháp – Decactes)

Đây là mô hình giọt nước mưa được chiếu sáng bởi ánh sáng mặt trời
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?

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.
3. Tại sao bảy sắc cầu vồng lại được sắp sếp theo thứ tự như vậy?
Ánh sáng hằng ngày (do mặt trời) gọi là ánh sáng “trắng”. Ánh sáng trắng này là tổng hợp của những ánh sáng có màu sắc
khác nhau. Nhìn vào một tấm kiếng, nhìn vào một cái bong bóng xà bông hay một lăng kính, bạn sẽ thấy màu sắc của các
ánh sáng này. Cái khiến cho ánh sáng trắng đi qua lăng kính bị phân tích thành ánh sáng có màu đỏ, cam, vàng, lục, lam,
chàm, tím chính là do mỗi thứ ánh sáng có độ dài sóng khác nhau.
Độ dài sóng (ánh sáng) tạo thành các dải màu song song với nhau, màu nọ sát khít bên màu kia theo một thứ tự nhất định.
Dải màu này được gọi là quang phổ. Trong quang phổ, luôn luôn bao giờ cũng bắt đầu bằng dải màu đỏ và kết thúc là
màu tím. Cầu vồng chính là một quang phổ lớn mà thôi.
Khi ánh sáng mặt trời chiếu qua những phân tử nước kết thành những gọi nước li ti thì (ánh sáng ấy) bị phân tích cũng
như khi chiếu qua kính quang phổ. Khi ánh sáng mặt trời chiếu qua giọt nước, ta đã thấy ánh sáng bị phân tích thành dải
bảy màu. Thế rồi các ánh sáng này lại xuyên qua giọt nước khác, giọt nước khác … cứ như vậy hình thành quang phổ cầu
vồng. Nhìn vào quang phổ cầu vồng, phía trên cùng bao giờ cũng là màu đỏ, phía dưới cùng bao giờ cũng là màu tím.
4. Tại sao cầu vồng có dạng một vòng cung?
Do cầu vồng được nhìn bởi cùng 1 góc (gần 42 độ với cầu vồng bậc 1 và 53 độ với cầu vồng bậc 2), là góc mà cường độ
sáng của tất cả các tia mặt trời qua các giọt nước là đạt cực đại, đồng thời ánh sáng trắng bị khúc xạ qua nước mưa thành
nhiều màu sắc và mỗi màu nghiêng theo một góc khác nhau nên cầu vồng có dạng một cung tròn. Mặt khác, một phần của
vòng có tâm nằm dưới chân trời. Phần dưới không thấy được vì ở dưới trái đất. Ðộ cong của quả đất làm cho quan sát
viên chỉ nhìn thấy một nửa vòng. Thật ra thì nếu nhìn từ máy bay hay đứng trên một núi cao nhìn một trận mưa lớn và
hiếm khi ta có thể thấy cầu vồng dưới dạng một vòng tròn.
5. Vùng Alexandre là gì?

Giữa vòng cung sơ cấp và vòng cung thứ cấp có một vùng tối hơn, đó là cùng Alexandre. Tên lấy từ Alexandre
d'Aphrodisias (cuối thế kỷ II - đầu III
e)
, một triết gia Hy Lạp, là người đã diễn tả cầu vồng đầu tiên.
Có thể có nhiều cầu vồng cùng một lúc?
Hiện tượng này gồm có một vòng cung sơ cấp và một vòng cung thứ cấp, một giải sẫm màu Alexandre và những vòng
cung thừa. Vòng cung sơ cấp hướng vào giữa đường nối giữa mặt trời và người quan sát. Bán kính góc là 41° và chiều
rộng là 2°15. Màu đỏ ở bên ngoài. Màu luôn luôn được xếp đặt từ dưới lên như sau: tím, chàm, lam, xanh lá cây, vàng,
cam, đỏ. Nhưng không rõ nét giữa những màu. Vòng cung thứ cấp, đồng tâm với vòng sơ cấp, bán kính góc khoảng 52° .
Những màu sắp đặt theo thứ tự ngược lại: Ðỏ ở phía dưới và tím ở phía trên. giữa hai vòng cung, trời thường có màu sậm
hơn bên ngoài
Vòng thứ hai này mờ hơn gấp 10 lần vòng chính.
Cầu vồng xuất hiện với kiểu dáng chủ yếu ở 2 cấp độ: 1 vòng chính ( cơ bản) và vòng thứ 2. Ta nói đến kiểu dáng vì vòng
chính hoặc vòng thứ 2 có thể chứa 2 hay nhiều vòng màu được gọi là vòng phụ. Vòng chính thường sáng nhất, vòng thứ 2
thì mờ nhạt hơn. Vòng thứ 3, thứ 4 theo lí thuyết thì có thể có nhưng thường không nhìn thấy được. Thứ tự vòng được xác
định bởi góc từ điểm đối Mặt Trời (antisolar point). Một người đứng trên mặt đất quan sát khi trời nắng, cái bóng của đầu
người đó đánh dấu 1 điểm được gọi là điểm đối Mặt Trời sao cho góc hợp bởi điểm này và Mặt Trời so với đầu người đó
là 180°.
Khi cầu vồng xuất hiện, ta quan sát bóng, và tìm điểm đối Mặt Trời. Theo góc hướng nhìn từ điểm đối Mặt Trời đến cầu
chính là khoảng 23
o
, đến cầu thứ 2 là khoảng 35
o
. Góc này ứng với cầu thứ 3 là 120
o
tính từ bóng đổ hoặc từ phía chiếu
sáng, ứng với cầu thứ 4 là 160
o
.
6. Tại sao không đến được chân cầu vồng?

Chẳng bao giờ bạn đến được chân trời, cũng như không thể bay tới chân cầu vồng. Đó là bởi cả hai trường hợp đều cần
khoảng cách xa giữa vật thể và người quan sát mới tạo nên hiệu ứng.
Cầu vồng thực chất gồm nhiều giọt nước hấp thụ ánh sáng theo cách nào đó. Những giọt nước tròn, trong vắt khúc xạ và
phản xạ một vài tia sáng tới người quan sát. Ánh sáng có bước sóng khác nhau khúc xạ ở những góc khác nhau, vì thế ánh
sáng trắng của mặt trời được phân tách ra thành một dải ánh sáng nhiều màu.
Vì những cảnh tượng rực rỡ này được tạo thành từ ánh sáng và nước, nên đừng hy vọng tìm kiếm điểm dừng chân của
nó. Hiện tượng quang học này phụ thuộc vào việc bạn phải đứng cách xa các giọt nước, và mặt trời phải ở sau lưng.
III. Một số cầu vồng đặc biệt:
Buổi sớm, khi mặt trời đốt nóng mặt đất và sương mù định tan di, lúc này cầu vồng có thể hình thành bởi vì sương mù
giống như mây nơi mặt đất. Vào một đêm trăng sáng khi trăng ở thấp gần chân trời, cũng có khi thấy cầu vồng vì ánh
sáng của trăng khúc xạ khi gặp mưa. Màu sắc sẽ lợt, có khi chỉ có một đường cong màu đỏ lợt. Có khi chúng ta chỉ thấy
một phần của cầu vồng khi mưa không đều hay mây bị xé ra. Tuyết rơi không bao giờ cho cầu vồng (tại vì tuyết phản
chiếu trả lại tất cả ánh sáng, mà "tất cả ánh sáng" tức là trắng) …
Hiện tượng cầu vồng rất đa dạng, sau đây là một số hình ảnh đặc sắc: