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LABORATOIRE SCIENTIFIQUE POUR ENFANTS
Le soleil rouge se lèvera. Laboratoire scientifique pour enfants
Annuaire / Laboratoire scientifique pour enfants La couleur du ciel, la couleur du Soleil et de la Lune, de nombreux phénomènes optiques et acoustiques sont déterminés par le fait que des ondes électromagnétiques et élastiques de différentes longueurs sont diffusées dans l'atmosphère de différentes manières, obéissant à la loi de Rayleigh. En été, peu de gens voient le soleil se lever – il se lève trop tôt. Mais les couchers de soleil apparaissent devant nous dans toute leur splendeur : une énorme boule, changeant de couleur du rouge vif au marron, descend lentement à travers le ciel bleu, le colorant de tons jaunes, verts, roses, et disparaît au-delà de l'horizon... Quand - On croyait que l'air lui-même était de couleur bleue et que l'atmosphère absorbe donc les rayons rouges. Mais alors le Soleil et la Lune à l'horizon sembleraient plus bleutés qu'au zénith : leurs rayons lumineux, avant d'atteindre l'observateur, traversent plus l'épaisseur de l'air est grande, plus l'astre descend bas. Après l'avènement de la théorie électromagnétique de la lumière, il est devenu clair que les ondes lumineuses dans l'atmosphère doivent être diffusées par des particules en suspension dans l'air, comme les ondes sur l'eau - des pierres et des rochers qui leur font obstacle. Cela a été suggéré et prouvé expérimentalement en 1868 par le physicien anglais J. Tyndall. Cependant, trois ans plus tard, J.W. Rayleigh a montré que la diffusion de la lumière devrait également se produire dans une atmosphère idéalement propre sur ses inhomogénéités optiques - les fluctuations de densité. Ces inhomogénéités surviennent continuellement à la suite d'une accumulation aléatoire de molécules lors de leur mouvement thermique et se dissolvent instantanément pour se former à nouveau ailleurs. La lumière traversant un vide ou un milieu absolument homogène ne se diffuse pas : les dimensions des molécules sont des milliers de fois plus petites que la longueur d'onde de la lumière, et la lumière se déplace sans les « remarquer ». Les inhomogénéités du milieu deviennent une sorte de prisme, qui diffusent la lumière d'autant plus fortement que la densité de l'air y diffère de la valeur moyenne. Et, bien sûr, d’autant plus de telles inhomogénéités. Un milieu présentant des inhomogénéités optiques mesurant 0,1 à 0,2 de la longueur d’onde moyenne de la lumière est appelé trouble. Dans un milieu trouble, les ondes lumineuses de différentes longueurs se diffusent différemment : rayonnement à ondes courtes, la partie bleue du spectre est plus forte, à ondes longues, le rouge est plus faible. La dépendance de la diffusion à la longueur d'onde est très forte - elle est inversement proportionnelle à la puissance quatrième de la longueur d'onde. Cela signifie que la lumière bleue, dont la longueur d'onde (0,5 μm) est 1,4 fois inférieure à la longueur d'onde de la lumière rouge (0,7 μm), est diffusée dans un milieu trouble en (1,4)4=4 fois plus fort !
Une onde électromagnétique tombant sur les molécules d'une substance interagit avec leurs électrons. Les électrons si faiblement liés aux atomes qu'ils peuvent être sensiblement déplacés par l'action de l'onde (on les appelle donc « électrons optiques ») subissent une accélération périodique proportionnelle au carré de la fréquence, et génèrent un champ magnétique alternatif. Une onde électromagnétique secondaire apparaît dans le champ, dont l'amplitude est proportionnelle à l'accélération de l'électron et l'intensité est proportionnelle au carré de l'amplitude. Ainsi, l'intensité de la lumière secondaire émise est proportionnelle à la puissance quatrième de la fréquence de la lumière incidente, ou - ce qui revient au même - inversement proportionnelle à la puissance quatrième de sa longueur d'onde. Ce rayonnement secondaire est la lumière diffusée dans un milieu trouble, et la dépendance de son intensité par rapport à la longueur d'onde est appelée loi de Rayleigh.
Les particules plus grandes que la longueur d'onde de la lumière (0,5-0,7 μm) diffusent la lumière principalement dans la direction du faisceau incident et la répartition de son intensité devient assez complexe.
Les particules d'une taille d'environ 0,1 μm diffusent la lumière incidente de manière égale vers l'avant et vers l'arrière et dans le sens transversal est deux fois plus faible que dans le sens longitudinal. Cette relation est appelée loi de Rayleigh. Cela explique la couleur rouge du soleil couchant, la couleur bleue du ciel et la couleur de l'eau de mer (dans les eaux peu profondes, le jaune, réfléchi par le fond sableux, s'ajoute à la lumière bleue diffuse et l'eau devient verte) . Pour la même raison, les feux d'avertissement, les feux stop et autres panneaux de danger sont rendus rouges (ils sont visibles de loin), et un filtre rouge sur l'objectif de l'appareil photo facilite la prise de vue dans la brume. Dans de telles images, le ciel est très sombre, presque noir, le feuillage est clair et les détails des objets lointains ressortent assez clairement. (Notez au passage que les photographes et les cinéastes utilisent un filtre rouge pour représenter une nuit au clair de lune lors du tournage par un après-midi ensoleillé.) Le filtre bleu, au contraire, crée l’impression d’un monde mystérieux caché derrière un voile brumeux sur l’image. Pendant la guerre, les entrées des maisons étaient éclairées par des pampas bleues - leur lumière, se dissipant rapidement dans l'atmosphère, n'était pas visible depuis les airs. Les très petites particules diffusent la lumière avec la même force le long du faisceau incident et contre celui-ci, et 2 fois plus faiblement - dans la direction perpendiculaire. La saturation des couleurs du ciel change également en conséquence. Lorsque les particules grossissent, cette dépendance devient beaucoup plus complexe. La lumière commence à se diffuser principalement vers l’avant, dans la direction de la lumière incidente, et sa composition spectrale change également. La dépendance à la longueur d'onde ne devient pas Rapey (Lambda4), mais quadratique (Lambda2). À mesure qu’elles deviennent encore plus grosses, les particules commencent à diffuser toutes les longueurs d’onde de manière égale. Cela se produit lorsqu’une légère brume s’épaissit et se transforme en un brouillard blanc laiteux. Pour cette raison, les phares de voiture « antibrouillard » jaune-orange ne fonctionnent pas vraiment dans le brouillard : leur lumière y est autant dispersée que le blanc. De plus : dans une forte brume, il devient rougeâtre, et il peut être confondu avec les feux arrière d'une voiture qui s'éloigne (avec parfois les conséquences les plus malheureuses). Dans les steppes et les déserts, un ciel blanchâtre est un signe alarmant. Il dit qu'un vent fort arrive, un ouragan qui soulève dans l'air des nuages de sable fin et de poussière. Et seule la pluie, « lavant » l’air, peut rendre le ciel bleu. Le signe est également juste : "La lune devient rouge - au vent et au mauvais temps". Le vent mélange intensément des couches d'air de différentes températures ; le nombre de fluctuations augmente fortement dans ce cas. En mettant en place une expérience simple, vous pouvez voir comment les couleurs de la lumière transmise et diffusée changent (voir figure.). Une solution faible d'hyposulfite est versée dans un bocal en verre. Un faisceau de lumière blanche provenant d’un projecteur de diapositives traverse un récipient et se concentre sur un écran de papier pour former un cercle de lumière. Ensuite, de l'acide chlorhydrique dilué est ajouté goutte à goutte dans le pot (la concentration des solutions est sélectionnée de manière empirique). Après quelques minutes, le produit de la réaction, du soufre finement dispersé, commencera à précipiter à partir de la solution. Les particules de soufre grossissent et, en même temps, la tache lumineuse sur l'écran devient d'abord jaune, puis rouge et enfin cramoisie, rappelant le soleil couchant. La solution dans le récipient, qui était complètement transparente au début de l'expérience, acquiert une couleur bleue, qui finit par devenir blanchâtre, comme du brouillard. Si vous attendez que les particules de soufre se déposent au fond, la solution redeviendra transparente et la tache lumineuse deviendra blanche. Les ondes sonores et les ondes sur l'eau se comportent de la même manière : leurs basses fréquences sont également beaucoup plus faiblement diffusées que les hautes. Les vibrations sonores interagissent avec le milieu d'une manière complètement différente des vibrations électromagnétiques : elles « balancent » non pas des électrons individuels dans les molécules d'air, mais des zones entières de densité accrue et des particules en suspension dans celles-ci. Le brouillard dissipe et absorbe particulièrement fortement le son. Les sons dans le brouillard deviennent sourds, faibles et il est difficile de déterminer d'où ils viennent. Des choses intéressantes se produisent parfois avec le son réfléchi par des objets distants – un écho. J. Rayleigh a enquêté sur le cas où le son d'une voix réfléchi par le mur d'une forêt de pins s'élevait d'une octave. Il est bien évident que la fréquence des vibrations sonores ne peut pas augmenter uniquement en raison de la réflexion d'un obstacle inamovible. Mais la voix humaine, en plus du ton fondamental, contient de nombreuses harmoniques supplémentaires d'une fréquence plus élevée, que nous ne percevons généralement pas. Les pins, avec leurs aiguilles fines et clairsemées, servent de « milieu boueux » pour le son, qui transmet bien les basses fréquences et reflète les hautes fréquences. Seules les nuances de sa voix reviennent à l'observateur, et il semble que tout le son soit soudainement devenu plus aigu. Les personnes ayant une perception créative accrue - écrivains, poètes, compositeurs - sont bien conscientes de cette caractéristique de l'acoustique atmosphérique. Dans l'histoire « Docteur » d'A.P. Tchekhov, il y a une phrase remarquable : "A cette époque, les sons d'un orchestre jouant dans le cercle de la datcha étaient clairement entendus depuis la cour. Non seulement des trompettes, mais même des violons et des flûtes ont été entendus." En plein air, la flûte et le violon ne peuvent réellement être entendus de loin que dans des conditions particulièrement favorables. Et les compositeurs, représentant l'orchestre militaire sortant, ne se contentent pas de réduire le volume de son son, mais suppriment tout d'abord progressivement tous les sons aigus. La musique devient plus calme, la mélodie disparaît progressivement, et seuls restent les battements sourds de la grosse caisse et les soupirs atténués de l'hélicon basse. Le régiment est parti... Le soleil rouge se lève... La lumière blanche change de couleur
La plupart des phénomènes optiques que nous observons quotidiennement sont dus au fait que la lumière de différentes longueurs d’onde se diffuse différemment le long de son trajet. Le soleil près de l’horizon – au lever et au coucher du soleil – est toujours rouge. Le ciel du soir est bleu ou bleu très rarement - seulement lorsque l'air de la couche superficielle est complètement exempt de poussière et d'humidité. Les couleurs de l'aube créent, en se mélangeant, des ondes lumineuses de différentes longueurs dispersées dans une atmosphère poussiéreuse. La boule de lait de la lampe sur l'escalator de la station de métro Mayakovskaya et le capuchon dépoli de la lampe de table. Le verre laiteux, contenant un colorant opaque extrêmement fin, sert de « milieu trouble » pour la lumière, dispersant fortement la partie du spectre à courte longueur d'onde. Un filament de lampe chauffé à blanc apparaît donc rouge foncé. Les rayures grossières sur le verre dépoli diffusent également les ondes électromagnétiques de n'importe quelle longueur et l'ensemble du couvercle de la lampe brille d'une lumière blanche.
Auteur : S.Trankovsky
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