Assunto comentado em sala de aula interessou os alunos do grupo 1, vamos saber mais sobre a física dos arco-íris:
A aparência do arco-íris é causada pela dispersão da luz do sol que sofre refração pelas (aproximadamente esféricas) gotas de chuva.
A luz sofre uma refração inicial quando penetra na superfície da gota de chuva, dentro da gota ela é refletida (reflexão interna total), e finalmente volta o sofrer refração ao sair da gota. O efeito final é que a luz que entra é refletida em uma grande variedade de ângulos, com a luz mais intensa a um ângulo de cerca de 40°–42°, independente do tamanho da gota. Desde que a água das gotas de chuva é dispersiva, a grau que a luz solar retorna depende do comprimento de onda e da frequência, principalmente. A luz azul retorna em um ângulo maior que a luz vermelha, mas devido a reflexão interna total da luz na gota de chuva, a luz vermelha aparece mais alta no céu, e forma a cor mais externa do arco-íris.
Raios de luz entram de uma direção (tipicamente uma linha fina do sol até a gota de chuva), reflete no interior da gota, e sai dela. A luz deixando o arco-íris é espalhada em um grande ângulo, com a intensidade máxima de cerca de 40°–42°.
A luz branca se separa em diferentes cores (comprimentos de onda) ao entrar numa gota de chuva, como a luz vermelha sendo refratada por um ângulo menor que a luz azul. Ao sair da gota de chuva, os raios vermelhos são retornados por um ângulo menor que os raios azuis, produzindo o arco-íris.
O arco-íris não existe realmente como em um local do céu, mas é uma ilusão de óptica cuja posição aparente depende da posição do observador. Todas as gotas de chuva refratam e refletem a luz do sol da mesma forma, mas somente a luz de algumas delas chega até o olho do observador. Estas gotas são percebidas como o arco-íris para aquele observador. Sua posição é sempre na direção oposta do sol com relação ao observador, e o interior é uma imagem aumentada do sol, que aparece ligeiramente menos brilhante que o exterior. O arco é centralizado com a sombra do observador, aparecendo em um ângulo de aproximadamente 40°–42° com a linha entre a cabeça do observador e sua sombra (Isto significa que se o sol está mais alto que 42° o arco-íris está abaixo do horizonte e o arco-íris não pode ser visto a menos que o observador esteja no topo de uma montanha ou em outro lugar de altura similar). Similarmente é difícil de fotografar o arco completo, o que requer um ângulo de visão de 84°. Para uma câmera de 35 mm, uma lente com foco de 19 mm ou menos é necessária, entretanto a maioria dos fotógrafos têm lentes de 28 mm.
Podemos ver arco-íris de diferentes tamanhos porque, para estimar a sua largura, o nosso cérebro só tem como informação a dimensão do ângulo de visão que lhe corresponde. Se perto da imagem dele existirem objectos longínquos, como montanhas, o arco-íris parecerá maior. Se o arco-íris estiver perto de objectos menos distantes, parecerá menor. É fundamentalmente a mesma ilusão que faz com que a Lua, o Sol ou as constelações pareçam maiores quando estão perto do horizonte.
Algumas vezes, um segundo arco-íris mais fraco é visto fora do arco-íris principal, ele é devido a uma dupla reflexão da luz do sol nas gotas de chuva, e aparece em um ângulo de 50°–53°. Devido à reflexão extra, as cores do arco são invertidas quando comparadas com o arco-íris principal, com o azul no lado externo e o vermelho no interno. De um aeroplano é possível ter a oportunidade de ver o círculo completo do arco-íris, com a sombra do avião ao centro.
Alguns raios de luz podem refletir duas vezes dentro da gota de chuva antes de sair. Quando a luz incidente é muito brilhante isto pode ser visto como um arco-íris secundário, brilhando a 50°–53°.
Um duplo arco-íris apresenta as cores invertidas no arco secundário.
Um triplo arco-íris é ainda mais raro de se ver. Uns poucos observadores já relataram a visão de quatro arcos, quando o arco mais externo tem uma aparência pulsante e vibrante.
A primeira explicação teórica precisa do arco-íris foi feita por Descartes em 1637. Sabendo que o tamanho das gotas de chuva não pareciam afetar o arco-íris observado, ele fez uma experiência incidindo raios de luz através de uma grande esfera de vidro cheia de água. Ao medir os ângulos que os raios emergiam, ele concluiu que o primeiro arco era causado por uma única reflexão interna dentro da gota de chuva e que o segundo arco podia ser causado por duas reflexões internas. Ele foi capaz de chegar aos seus resultados a partir da lei de refração (em consequência, mas independentemente da Snell) e calculou corretamente os ângulos de ambos os arcos. Entretanto, ele não foi capaz de explicar as cores.
Isaac Newton foi o primeiro a demonstrar que a luz branca era composta da luz de todas as cores do arco-íris; com um prisma de vidro, pôde decompor a luz branca no espectro completo de cores e, com outro, pôde recombinar o feixe de luz em luz branca. Também demonstrou que a luz vermelha é refratada menos que a azul o que levou a uma completa explicação do efeito óptico do arco-íris.
