🌗Introduction

My respectful greetings to the HIVE community. I am curious to understand how certain natural phenomena manifest themselves and other phenomena in many other fields. I also love all things science as a physicist.

🌗 Context

By observing carefully around us, there are several natural phenomena which manifest themselves at specific times. Human beings are always seeking to understand the laws that control these natural phenomena and the causes that are at their origin. Among these phenomena, we will deal, for example, with the brilliant natural phenomenon: the rainbow. How can we explain this phenomenon?

🌗 Keywords

White light; Sun Ray ; transparent medium; decomposition of white light; white light spectrum; refraction of light; Descartes' law relating to the refraction of light; polychromatic light; monochromatic radiation; wave length ; frequency; Rainbow ; Newton's disc.

🌗 Concrete phenomenon

(Photos taken by my own cell phone from different viewing angles).

Source: Image-1- (from my cell phone).

Source: Image-2- (from my cell phone).

Source: Image-3- (from my cell phone).

Source: Image-4- (from my cell phone).

Source: Image-5- (from my cell phone).

Source: Image-6- (from my cell phone).

🌗 Questions

⭐Q1: When do we observe the rainbow? What were the interacting elements that caused the rainbow to form? What are the characteristics of each element?

#Description :

** The rainbow is a natural phenomenon that appears during rainy weather accompanied by sunlight. So, it is an interaction between the sun's rays and the water droplets in space. Sunlight is formed by rays which propagate in a straight line according to the principle of rectilinear propagation of light in a transparent and homogeneous medium. Sunlight is a white light which is an essential element for the formation of the rainbow. The other element of this interaction with white light is the water droplet which is a transparent medium and having the spherical shape. How does this interaction manifest itself?

** When the solar ray of white light penetrates a drop of rainwater, this ray is refracted (means that it is deflected by crossing the surface of separation of two propagation media of different refractive indices: air, water). This white light breaks down into several rays of different colors which will be reflected in the bottom of the water droplet, then they are again refracted to exit the latter (As shown in the following figure):

image source:

Note:
In addition to refraction, this phenomenon is accompanied by reflection.

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⭐Q2: Based on Descartes' laws of refraction, explain the formation of the multi-color dispersion spectrum from red to purple.

The explanation of the phenomenon is reflected in the diagram below where the ray of incident white light from the sun undergoes primary and secondary diffractions in the water droplet according to Descartes' law: sin (i) = n.sin (r).
(note: Descartes' second law is written: n'.sin (i) = n".sin (r) with n = n" / n')

image source:

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⭐Q3: Can we design an experimental protocol illustrating the obtaining of the rainbow?

# Historical overview

In 1662, Newton began to carry out optical experiments. In 1666, Newton was the first to prove that white light is made from a mixture of rays of light of different colors by analyzing sunlight passing through a prism.

image source: https://christophebellessort.canoprof.fr/eleve/Exemples%20pour%20formation/ExempleLumiere/activities/MessagesLumiere_1.xhtml

# Experimental illustration

• The sun is replaced by an incandescent lamp emitting white light (Light source)
• The water droplet is replaced by a prism (transparent medium)
• A screen where the image of the rainbow is formed.

      **Experience (a)**

• A beam of white light is passed through a glass prism (transparent medium).
• On a screen, we collect the refracted emerging light as indicated in the following experimental set-up

image source: https://guy-chaumeton.pagesperso-orange.fr/scphysiques18/2d13ch18.htm
The light from the source hits the prism at a given angle of incidence i. It crosses the air-prism separation surface and undergoes a 1st refraction where the emerged light approaches normal, then it undergoes a 2nd refraction when crossing the prism-air separation surface while moving away from the normal to this surface and dispersing to form the colors of the rainbow ranging from red (least deviated) to purple (most deviated) visible on a screen. The colors observed are differently deviated and constitute a continuous spectrum.

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⭐Q4: What is the difference between monochromatic light and polychromatic light?

       **Experience (b)**

• We take the device from experiment (a) but replacing the white light source with a laser source. After crossing the prism, we see on the screen the laser only deflected and not dispersed (not decomposed). It is said that the Laser is a monochromatic light that does not scatter.

🌓Conclusion

Through a prism (transparent homogeneous medium), white light decomposes into colored lights ranging from red (the least deviated) to purple (the most deviated) with a continuous appearance. The set of colors obtained constitutes the spectrum of white light (which is that of the rainbow). It is the phenomenon of dispersion of white light.
Each color corresponds to a light radiation called monochromatic radiation of given wavelength (λ) and frequency (ν). Like the laser, each monochromatic radiation undergoes a deflection without being dispersed.
White light is polychromatic light formed from several monochromatic radiations.
The spectrum of white light is a continuous spectrum.

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⭐Q5: Can we synthesize white light from the colors of the rainbow?

It was with Newton's disc that Isaac Newton demonstrated that white light is a combination of the colors of the rainbow. This disk is made up of sectors with the colors of the spectrum in sequence, it looks white when spun rapidly.

image source: http://serge.cornuault.free.fr/newton/page3.html

image source: http://www.spc.ac-aix-marseille.fr/labospc/spip.php?article296

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[Version Française]

L’arc en ciel - Dispersion de la lumière blanche.

🌓Introduction

Mes respectueuses salutations à la communauté de HIVE. Je suis curieux de comprendre comment se manifestent certains phénomènes naturels et d’autres phénomènes dans plusieurs autres domaines. J'adore, également, tout ce qui touche la science en tant qu’un physicien.

🌓 Contexte

En observant attentivement autour de nous, il y’a plusieurs phénomènes naturels qui se manifestent à des moments bien déterminés. L’être humain cherche toujours à comprendre les lois qui maitrisent ces phénomènes naturels et les causes qui sont à leurs origines. Parmi ces phénomènes, on traitera, par exemple, le phénomène naturel génial : l’arc en ciel. Comment peut-on expliquer ce phénomène ?

🌓 Mots clés

La lumière blanche ; rayon solaire ; milieu transparent ; décomposition de la lumière blanche ; spectre de lumière blanche ; réfraction de la lumière ; loi de Descartes relative à la réfraction de lumière ; lumière polychromatique ; radiation monochromatique ; longueur d’onde ; fréquence ; arc en Ciel ; disque de Newton.

🌓Phénomène Concret

(Photos prises par mon propre téléphone portable sous différents angles d'observation).

Source : Image-1-(de mon téléphone portable).

Source : Image-2-(de mon téléphone portable).

Source : Image-3-(de mon téléphone portable).

Source : Image-4-(de mon téléphone portable).

Source : Image-5-(de mon téléphone portable).

Source : Image-6-(de mon téléphone portable).

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🌓Questions

⭐Q1 : à quel moment observe- t-on l’arc en ciel ? Quels sont les éléments en interaction qui ont causé la formation de l’arc en ciel ? Quelles sont les caractéristiques de chaque élément ?

#Description:

** L’arc en ciel est un phénomène naturel qui apparaît lors d’un temps pluvieux accompagné de la lumière solaire. Donc, il s’agit d’une interaction entre les rayons solaires et les gouttelettes d’eau dans l’espace. La lumière solaire est formée de rayons qui se propagent en une ligne droite selon le principe de propagation rectiligne de la lumière dans un milieu transparent et homogène. La lumière solaire est une lumière blanche qui est un élément indispensable pour la formation de l’arc en ciel. L’autre élément de cette interaction avec la lumière blanche est la gouttelette d’eau qui est un milieu transparent et ayant la forme sphérique. Comment se manifeste cette interaction ?

** Lorsque le rayon solaire de lumière blanche pénètre dans une goutte d'eau de pluie, ce rayon est réfracté (signifie qu'il est dévié en traversant la surface de séparation des deux milieux de propagation d’indices de réfraction différents : air, eau). Cette lumière blanche se décompose en plusieurs rayons de couleurs différentes qui seront réfléchis dans le fond de la gouttelette d’eau, puis ils sont de nouveau réfractés pour sortir de cette dernière (Comme le montre la figure suivante) :

Source :
Remarque : En plus de la réfraction, ce phénomène est accompagnée d‘une réflexion.

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⭐Q2 : En se basant sur les lois de Descartes relatives à la réfraction, expliquer la formation du spectre de dispersion multi-couleurs allant du rouge au violet.

L’explication du phénomène se traduit par schéma ci-dessous là où le rayon de la lumière blanche incidente issue du soleil subit des diffractions primaire et secondaire dans la gouttelette d’eau selon la loi de Descartes :
sin(i)= n.sin(r).
(remarque : La deuxième loi de Descartes s’écrit : n’. sin (i) = n’’ . sin (r) avec n= n’’/n’ )

Source :

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⭐Q3: Peut- on concevoir un protocole expérimental illustrant l’obtention de l’arc en ciel ?

# aperçu historique

En 1662, Newton commence à réaliser des expériences d'optique. En 1666, Newton est le premier qui a prouvé que la lumière blanche est faite d'un mélange de rayons de lumière de couleurs différentes en analysant la lumière solaire traversant un prisme.

Source image : https://christophebellessort.canoprof.fr/eleve/Exemples%20pour%20formation/ExempleLumiere/activities/MessagesLumiere_1.xhtml

# Illustration expérimentale

• Le soleil est remplacé par une lampe à incandescence émettant la lumière blanche (Source lumineuse)
• La gouttelette d’eau est remplacée par un prisme (milieu transparent)
• Un écran là où se forme l’image de l’arc en ciel.

     **Expérience (a)** :

• On fait passer un faisceau de lumière blanche à travers un prisme en verre (milieu transparent).
• Sur un écran, on recueille la lumière émergente réfractée comme l’indique le dispositif expérimental suivant :

Source : https://guy-chaumeton.pagesperso-orange.fr/scphysiques18/2d13ch18.htm
La lumière issue de la source atteint le prisme sous un angle d’incidence i donné. Elle traverse la surface de séparation air-prisme et subit une 1ère réfraction là où la lumière émergée se rapproche de la normale, ensuite elle subit une 2ème réfraction à la traversée de la surface de séparation prisme-air en s’éloignant de la normale à cette surface et en se dispersant pour former les couleurs de l’arc en ciel allant du rouge (le moins dévié) au violet (le plus dévié) visibles sur un écran. Les couleurs observées sont différemment déviées et constituent un spectre continu.

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⭐Q4: Quelle est la différence entre la lumière monochromatique et la lumière polychromatique ?

          **Expérience (b)** :

On reprend le dispositif de l’expérience (a) mais en remplaçant la source de lumière blanche par une source laser. Après la traversée du prisme, on reçoit sur l’écran le Laser seulement dévié et non dispersé (non décomposé). On dit que le Laser est une lumière monochromatique qui ne se disperse pas.

🌓 Conclusion

A’ travers un prisme (milieu homogène transparent), la lumière blanche se décompose en lumières colorées allant du rouge (le moins dévié) au violet (le plus dévié) avec un aspect continu. L'ensemble des couleurs obtenues constitue le spectre de la lumière blanche (qui est celui de l’arc en ciel). C'est le phénomène de dispersion de la lumière blanche.
Chaque couleur correspond à une radiation lumineuse dite radiation monochromatique de longueur d’onde (λ) et de fréquence (ν) données. Comme le Laser, Chaque radiation monochromatique subit une déviation sans être dispersée.
La lumière blanche est une lumière polychromatique formée de plusieurs radiations monochromatiques.
Le spectre de la lumière blanche est un spectre continu.

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⭐Q5 : Peut-on synthétiser la lumière blanche à partir des couleurs de l’arc en ciel ?

C’était avec le disque de Newton qu’Isaac Newton a démontré ainsi que la lumière blanche est une combinaison des couleurs de l’arc-en-ciel. Ce disque est formé de secteurs aux couleurs du spectre dans l’ordre, il semble blanc lorsqu’il est mis en rotation rapide.

Source de l’image : http://serge.cornuault.free.fr/newton/page3.html

Source de l’image : http://www.spc.ac-aix-marseille.fr/labospc/spip.php?article296

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