Vì sao có cầu vồng?

Giải thích cho bé

Dành cho THCS · 11–15 tuổi

Ánh sáng trắng và tán sắc

Ánh sáng Mặt Trời là ánh sáng trắng, gồm nhiều ánh sáng màu có bước sóng khác nhau (khoảng 400 nm với tím đến 700 nm với đỏ). Chiết suất của nước phụ thuộc vào bước sóng: với ánh sáng tím, nước có chiết suất lớn hơn với ánh sáng đỏ. Vì vậy khi khúc xạ, tia tím bị lệch nhiều hơn tia đỏ — hiện tượng tán sắc ánh sáng. Năm 1666, Isaac Newton dùng lăng kính để chứng minh ánh sáng trắng là hỗn hợp nhiều màu.

Đường đi của tia sáng trong giọt mưa

Với cầu vồng chính, tia sáng: (1) khúc xạ khi đi vào giọt nước, (2) phản xạ một lần ở mặt sau giọt, (3) khúc xạ lần nữa khi đi ra. Ánh sáng ló ra tập trung mạnh nhất ở góc khoảng 42° so với hướng ngược Mặt Trời (với đỏ khoảng 42°, với tím khoảng 40°). Mọi giọt nước nằm trên một hình nón 42° quanh “điểm đối Nhật” (điểm ngay đối diện Mặt Trời, nằm ở chỗ bóng đầu bạn) đều gửi ánh sáng đỏ tới mắt bạn, nên cầu vồng có dạng cung tròn, đỏ ở ngoài, tím ở trong.

Vì sao chỉ thấy vào sáng sớm hoặc chiều?

Tâm của cung cầu vồng luôn ở dưới đường chân trời một góc bằng độ cao Mặt Trời. Khi Mặt Trời cao hơn khoảng 42° (giữa trưa), cả cung nằm dưới chân trời nên ta không thấy. Từ máy bay hoặc đỉnh núi, có thể thấy cầu vồng là một vòng tròn trọn vẹn.

Cầu vồng thứ cấp

Khi ánh sáng phản xạ hai lần trong giọt nước, ta có cầu vồng thứ hai ở khoảng 51°, mờ hơn và thứ tự màu đảo ngược. Vùng trời giữa hai cầu vồng trông tối hơn, gọi là dải tối Alexander.

💡 Bạn có biết? Mỗi người nhìn thấy một cầu vồng “của riêng mình”, vì ánh sáng tới mắt bạn đến từ những giọt nước khác với ánh sáng tới mắt người đứng cạnh bạn.

📘 Gắn với chủ đề “Ánh sáng” trong môn Khoa học lớp 4 (Tiểu học) và nội dung khúc xạ, tán sắc ánh sáng qua lăng kính trong Khoa học tự nhiên lớp 9 (THCS).

Tìm hiểu sâu hơn

Dành cho bố mẹ và các bạn lớn muốn biết thêm. Số trong ngoặc [ ] là nguồn tham khảo ở cuối bài.

Câu trả lời ngắn

Cầu vồng xuất hiện khi ánh nắng chiếu vào rất nhiều giọt nước trong không khí, còn người xem đứng quay lưng về phía Mặt Trời. Trong mỗi giọt, ánh sáng bị khúc xạ (bẻ cong) khi đi vào, phản xạ ở mặt sau, rồi khúc xạ lần nữa khi đi ra. Vì mỗi màu bị bẻ cong một chút khác nhau (tán sắc), ánh sáng trắng tách thành dải màu. Ánh sáng đi ra tụ mạnh nhất ở góc khoảng 42° so với hướng ngược Mặt Trời, nên ta thấy một cung tròn, đỏ ở ngoài, tím ở trong.^[1][2]

Từ thí nghiệm của Newton đến bảy màu

Năm 1666, Isaac Newton cho một tia nắng đi qua lăng kính thuỷ tinh và thấy nó toả thành một dải màu. Ông dùng lăng kính thứ hai gộp các màu lại thì được ánh sáng trắng — bằng chứng rằng ánh sáng trắng là hỗn hợp nhiều màu, chứ không phải lăng kính “nhuộm màu” ánh sáng.^[3] Thật ra dải màu liên tục, không có ranh giới; con số “bảy màu” (đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím) là do Newton chọn, một phần để giống bảy nốt nhạc.^[3]

Vì sao các màu tách ra?

Ánh sáng đi chậm hơn trong nước so với trong không khí, nên nó bị bẻ hướng ở mặt nước. Mức chậm lại (chiết suất) phụ thuộc màu: với nước, chiết suất khoảng 1,331 với ánh sáng đỏ và 1,343 với ánh sáng tím.^[4] Chênh lệch rất nhỏ, nhưng đủ để tia tím bị lệch nhiều hơn tia đỏ.

Màu	Bước sóng (khoảng)	Góc trên cầu vồng chính
Đỏ	~700 nm	~42,4°
Vàng	~580 nm	~41,8°
Tím	~400 nm	~40,6°

Góc tính cho giọt nước hình cầu, đo từ điểm đối Nhật (điểm ngay đối diện Mặt Trời, chỗ bóng đầu bạn).

Bí mật của góc 42°: tia “lệch cực tiểu”

Tia nắng chạm giọt nước ở nhiều chỗ khác nhau nên đi ra theo nhiều hướng. Nhưng gần một tia đặc biệt, góc ra gần như không đổi dù chỗ chạm thay đổi, nên rất nhiều tia dồn về cùng một hướng. Nhà toán học René Descartes tính ra điều này năm 1637 bằng cách lần theo hàng nghìn tia sáng trên giấy.^[2][5] Bạn có thể tự tìm tia này ở Phòng thí nghiệm 3. Vì mọi giọt nước nằm trên một hình nón 42° quanh điểm đối Nhật đều gửi ánh sáng đỏ tới mắt bạn, cầu vồng có dạng vòng tròn; mặt đất chỉ che mất phần dưới.^[1]

Vì sao buổi trưa không có cầu vồng?

Tâm của vòng cầu vồng nằm dưới đường chân trời một góc đúng bằng độ cao Mặt Trời. Khi Mặt Trời cao hơn khoảng 42°, cả vòng chìm dưới chân trời.^[1][6] Ở Việt Nam, buổi trưa Mặt Trời thường cao hơn nhiều so với 42°, nên cầu vồng hay xuất hiện vào buổi sáng sớm hoặc chiều muộn — đúng lúc những cơn mưa rào chiều mùa hè vừa đi qua. Từ máy bay hay đỉnh núi, khi có giọt nước cả ở phía dưới, bạn có thể thấy cầu vồng là một vòng tròn trọn vẹn.^[6]

Cầu vồng đôi và dải tối Alexander

Nếu ánh sáng phản xạ hai lần trong giọt nước, nó đi ra ở góc khoảng 50–53°, tạo cầu vồng thứ hai bên ngoài. Cầu vồng này mờ hơn (mỗi lần phản xạ lại mất một phần ánh sáng) và có thứ tự màu đảo ngược: đỏ ở trong, tím ở ngoài.^[2][6] Vùng trời giữa hai cầu vồng trông tối hơn vì không có giọt nào gửi ánh sáng phản xạ tới mắt bạn từ đó; nó được đặt theo tên nhà triết học Hy Lạp Alexander xứ Aphrodisias, người mô tả nó khoảng năm 200.^[5] Trong khi đó, vùng trời bên trong cầu vồng chính lại sáng hơn bên ngoài.

Giọt to, giọt nhỏ

Kích thước giọt ảnh hưởng đến màu sắc. Giọt mưa rào to (cỡ 1–2 mm) cho cầu vồng rực rỡ, rõ nét. Giọt càng nhỏ, ánh sáng càng bị nhiễu xạ, các màu chồng lên nhau. Với giọt sương mù (nhỏ hơn khoảng 0,05 mm) các màu nhoè hết, ta thấy một vòng cung gần như trắng gọi là cầu vồng sương (fogbow).^[6][7] Đôi khi ngay bên trong cầu vồng chính còn có vài dải tím–hồng–xanh mảnh, gọi là cầu vồng phụ trội — chỉ giải thích được khi coi ánh sáng là sóng.^[7]

Cầu vồng ở quanh ta

Không chỉ sau mưa, bạn có thể thấy cầu vồng ở thác nước (như thác Bản Giốc, thác Pongour khi trời nắng), trong bụi nước của sóng biển, ở vòi phun nước ngoài công viên, hay trong vòi tưới cây. Quy tắc luôn giống nhau: Mặt Trời sau lưng, giọt nước trước mặt. Ánh trăng tròn sáng cũng có thể tạo “cầu vồng trăng”, nhưng vì ánh trăng yếu nên mắt người thường chỉ thấy nó màu trắng nhạt.^[1]

Cầu vồng trong văn hoá Việt

Ông bà ta có câu “Cầu vồng mống cụt, không lụt cũng mưa”: thấy một đoạn cầu vồng ngắn thì sắp có mưa. Câu này có phần đúng: cầu vồng buổi chiều thường nằm ở phía đông (đối diện Mặt Trời lặn), nghĩa là mưa đã đi qua; còn cầu vồng buổi sáng nằm ở phía tây, nơi các đám mưa thường đang kéo tới.^[1] Đây là kinh nghiệm dân gian, có lúc đúng có lúc sai, nhưng là một cách hay để bé tập quan sát bầu trời.

Những con số thú vị

~42°góc của cầu vồng chính, đo từ bóng đầu bạn
~51°góc của cầu vồng thứ hai (màu đảo ngược)
2 lầnánh sáng bị bẻ cong khi đi vào và đi ra giọt nước
1666năm Newton tách ánh sáng trắng bằng lăng kính
1637năm Descartes giải thích góc 42°
0,05 mmgiọt nhỏ hơn mức này cho cầu vồng sương màu trắng

Hiểu lầm thường gặp

✗ “Cầu vồng có đúng 7 màu.”
✓ Màu chuyển dần liên tục. Con số 7 do Newton chọn; nhiều nền văn hoá kể 5 hoặc 6 màu.
✗ “Cầu vồng là một vật nằm ở một chỗ, có thể đi tới chân cầu vồng.”
✓ Cầu vồng là ánh sáng tới mắt bạn theo một góc. Bạn di chuyển thì cầu vồng “di chuyển” theo; người đứng cạnh bạn thấy một cầu vồng khác.
✗ “Cầu vồng có hình bán nguyệt.”
✓ Cầu vồng thật ra là một vòng tròn; mặt đất che mất phần dưới. Từ máy bay có thể thấy cả vòng.
✗ “Giọt nước “nhuộm” màu cho ánh sáng.”
✓ Giọt nước không thêm màu nào. Các màu đã có sẵn trong ánh nắng; giọt nước chỉ tách chúng ra.
✗ “Cứ có mưa và nắng là thấy cầu vồng.”
✓ Còn cần Mặt Trời đủ thấp (dưới khoảng 42°) và bạn phải quay lưng về phía Mặt Trời.

Từ khoá trong bài

Ánh sáng trắng: Ánh sáng gồm nhiều màu trộn lại, như ánh nắng.
Khúc xạ: Ánh sáng bị bẻ cong khi đi từ chất này sang chất khác (không khí → nước).
Phản xạ: Ánh sáng dội lại khi gặp một bề mặt.
Tán sắc: Ánh sáng trắng tách thành các màu vì mỗi màu bị bẻ cong khác nhau.
Lăng kính: Khối trong suốt (thường hình tam giác) dùng để tách ánh sáng thành các màu.
Chiết suất: Con số cho biết ánh sáng đi chậm lại bao nhiêu trong một chất.
Điểm đối Nhật: Điểm trên bầu trời ngay đối diện Mặt Trời, nơi bóng đầu bạn chỉ tới — tâm của cầu vồng.
Cầu vồng sương: Cầu vồng gần như trắng, tạo bởi giọt sương mù rất nhỏ.

Làm cùng bố mẹ ⏱ 10 phút

Tự làm cầu vồng ở nhà

Cần chuẩn bị

1 cốc thuỷ tinh trong đầy nước
1 tờ giấy trắng
Một chỗ có nắng chiếu (bậu cửa sổ) hoặc đèn pin
Hoặc: vòi tưới có chế độ phun sương (làm ngoài sân)

Cách làm

Đặt cốc nước lên bậu cửa sổ có nắng, tờ giấy trắng trải dưới sàn hoặc trên bàn phía trước.
Xoay cốc và dịch tờ giấy cho đến khi thấy một dải màu nhỏ hiện trên giấy.
Ra sân lúc nắng sáng hoặc chiều: đứng quay lưng về phía Mặt Trời, phun sương thật mịn và tìm cầu vồng tí hon.

Hỏi con: “Màu nào nằm ở mép ngoài? Nếu con quay mặt về phía Mặt Trời thì có thấy cầu vồng không?”

Không nhìn thẳng vào Mặt Trời. Lau khô sàn sau khi chơi với nước để không trơn ngã.

Bé còn hỏi…

Cầu vồng có mấy màu?

Thật ra các màu chuyển dần sang nhau, không có ranh giới rõ ràng. Người ta quen kể bảy màu: đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím.

Mình có đi tới chân cầu vồng được không?

Không được. Cầu vồng không phải một vật nằm ở một chỗ, mà là ánh sáng tới mắt bạn theo một góc nhất định. Bạn đi tới đâu thì cầu vồng cũng “đi” theo tới đó.

Vì sao buổi trưa ít khi thấy cầu vồng?

Buổi trưa Mặt Trời ở quá cao, nên chiếc cung cầu vồng bị “chìm” xuống dưới đường chân trời. Sáng sớm và chiều muộn, Mặt Trời thấp nên cầu vồng hiện lên cao.

Cầu vồng đôi là gì?

Đôi khi ánh sáng dội hai lần trong giọt nước, tạo ra chiếc cầu vồng thứ hai mờ hơn ở bên ngoài, với các màu xếp ngược lại.

Ban đêm có cầu vồng không?

Có, nhưng rất hiếm: ánh trăng sáng cũng có thể tạo “cầu vồng trăng”. Vì ánh trăng yếu nên mắt ta thường chỉ thấy nó màu trắng nhạt.

Vì sao vùng trời bên trong cầu vồng sáng hơn bên ngoài?

Rất nhiều tia sáng đi ra khỏi giọt nước ở các góc nhỏ hơn 42°, nên vùng bên trong cung được chiếu sáng thêm. Bên ngoài 42° (cho tới cầu vồng thứ hai) gần như không có tia nào, nên trông tối hơn.

Có thể chụp ảnh cầu vồng bằng điện thoại không?

Có. Hãy đứng quay lưng về phía Mặt Trời, chụp góc rộng vì cầu vồng chiếm một khoảng trời lớn (bán kính 42°). Kính râm phân cực có thể làm cầu vồng mờ đi hoặc rõ hơn khi bạn xoay kính.

Bài này có giúp bé hiểu không?

Gửi góp ý

Đến lượt bạn!

Ánh sáng trắng là hỗn hợp

Khúc xạ và tán sắc qua lăng kính

Tia lệch cực tiểu và góc 42°

Điểm đối Nhật và độ cao Mặt Trời

Cung thứ cấp, dải tối Alexander và cung sương