Проект по физике "Исследование оптического явления - "радуга". Выполнили ученицы 7 класса МБОУ Школа № 42 г.о.Самара Косякова Дарья, Штомпиль Дарья

VIIIокружная межшкольная конференция

«Я - исследователь»

Секция «Физика»

Тема: «Исследование оптического явления - радуга»

Выполнили:

Косякова Д.

Штомпиль Д.

Ученицы 7 «н» класса

МБОУ школы №42

Руководитель:

Дружаева С. В.

Самара 2017

Оглавление:

1. Введение…………………………………………………………….. 3 стр.

2.Основная часть…………………………………………………….4-12 стр.

2.1.  Радуга в природе………………………………………… 4-7 стр.

2.2.  Закон Ньютона…………………………………………....7-8 стр.

2.3. Практическая часть……………………………………...9-11 стр.

3. Заключение…………………………………………………………12 стр.

4. Приложение …………………………………………………… 13-16 стр.

5. Список………………………………………………………………17 стр.

Введение.

         Как-то выходя из школы вместе со своей подругой, я спросила ее:

- «Ты когда-нибудь видела радугу зимой»?

- «Никогда об этом не задумывалась», - ответила она.

Мы нашли ответ на вопрос: можно ли увидеть радугу зимой и почему; можно ли увидеть радугу ночью; возможно ли найти конец радуги; имеет ли это явление, какое-либо отношение к северному сиянию и как создать радугу в искусственных условиях?

Нам удалось изучить труды ученых разного времени и мест проживания. Из них нам стало известно, что не вовсе времена физическое явление «Радуга» было хорошо изучено. К счастью, к моменту наступления Новейшего времени ученые XVII, XVIII и XIX вв. смогли в подробностях изучить это явление. Среди них можно выделить работы английского физика, математика и астронома Исаака Ньютона. Именно его труды мы будем брать за основу наших исследований.

В первой части нашей работы мы ответим на те вопросы, которые интересовали нас в начале. Разберемся что же такое «радуга» и обратимся к современным исследованиям.

Во второй части мы рассмотрим радугу с точки видения ее ученых прошлого тысячелетия, а именно с точки зрения Ньютона и его исследований на эту тему.

К моменту реализации нами третей части работы мы перейдем непосредственно к осуществлению опыта.

В конце мы подведем итоги проделанной работы. 

  Цели: поиск информацию об этом явлении. Пользуясь интернетом и некоторой дополнительной литературой, мы нашли ответы и на другие, не менее интересные вопросы.

Задачи: изучить явление радуга, воссоздать ее в домашних условиях.

Гипотеза: можно ли создать ее в домашних условиях.

Радуга в природе.

Радуга — атмосферное, оптическое и метеорологическое явление, наблюдаемое при освещении ярким источником света множества водных капель (дождя или тумана). Радуга выглядит как разноцветная дуга или окружность, составленная из цветов спектра (от внешнего края: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый). Это те семь цветов, которые принято выделять в радуге в русской, но следует иметь в виду, что на самом деле спектр непрерывен, и его цвета плавно переходят друг в друга через множество промежуточных оттенков.

Радуга представляет собой каустику, возникающую при преломлении и отражении плоскопараллельного пучка света на сферической капле. Отражённый свет имеет максимальную интенсивность для определённого угла между источником, каплей и наблюдателем (и этот максимум весьма «острый», то есть большая часть света выходит из капли, развернувшись практически точно на один и тот же угол). Дело в том, что угол, под которым уходит из капли отражённый и преломлённый ею луч, немонотонно зависит от расстояния от падающего (первоначального) луча до оси, параллельной ему и проходящей через центр капли, и зависимость эта имеет гладкий экстремум. Поэтому больше всего света капля разворачивает именно на этот угол и близкие к нему. При этом угле (значения которого немного различаются для разных показателей преломления, соответствующих лучам разного цвета) и возникает отражение-преломление максимальной яркости, составляющее (от разных капель) радугу («яркие» лучи от разных капель образуют конус с вершиной в зрачке наблюдателя и осью, проходящей через наблюдателя и Солнце)

Для одного отражения внутри капли такой угол имеет одно значение, для двух — другое, и т. д. Этому соответствует первичная, вторичная и т. д. (рис 1). Первичная — самая яркая, появляется при падении луча света в 42, уносит из капли большинство света. Радугу большего порядка обычно не удаётся увидеть, так как она очень слаба.

 Мы узнали, что же такое радуга, и теперь мы можем ответить на мучающие нас вопросы.

1.     Радуга зимой.

Зимой - холодное время года. В этот сезон при круговороте воды в природе, вода, находящаяся в газообразном состоянии (облака), также из-за своей тяжести падает на землю, но т.к. температура воздуха зимой холоднее, чем летом, капли воды по дороге замерзают и переходят в твердое состояние (мелкие кристаллики льда).

Как мы уже знаем, условия появления радуги: преломление света через сферическую каплю. Из этого следует, что зимой радуга появится, не может.

Но что за физическое явление похожее на радугу мы можем наблюдать зимой?

Зимой можно увидеть такое оптическое явление как гало.

Гало  (с гр. – круг, диск.) – оптический феномен, в виде светящегося ореола вокруг яркого источника света, отражающийся в кристалликах льда (рис.2).  В основном это явление проявляется в морозную погоду и в условиях повышенной влажности. В воздухе при этом находится большое количество ледяных кристаллов. Проходя сквозь них, солнечный свет преломляется особым образом, образуя дугу вокруг объекта, из которого исходит свет.  Гало бывают нескольких видов: 22-х градусные и 46-ти градусные гало (рис.3) .  Гало может появляться от солнца, луны, и даже ярких фонарей.

Исходя из этих данных мы выяснили, что зимой радуги быть не может, но можно наблюдать другие, визуально похожие атмосферные явления.

2.     Радуга ночью.

Как мы уже знаем, радуга представляет собой каустику, возникающую при преломлении и отражении плоскопараллельного пучка света на сферической капле. Этот свет может производить не только солнце или яркий источник света.

Луна – единственный спутник планеты Земля. Поверхность Луны представлена каменистой пустыней и кратерами. Также она имеет светоотражающую способность, благодаря которой ее хорошо видно с Земли невооруженным глазом.

Свет, который отражает Луна, достаточно слабый. Но и его может хватить, чтобы возникла лунная радуга.

Лунная радуга - природное явление, которое можно увидеть только ночью. Возникает оно в результате отражения солнечного света и преломления его через сферическую каплю. Лучше всего лунная радуга видна при полной луне, или на фазе луны, близкой к полной, так как в это время луна бывает самой яркой.

 Для появления лунной радуги, кроме тех, что вызваны водопадом, луна должна находиться невысоко в небе (меньше чем 42 градуса и желательно ещё ниже) и небо должно быть тёмным. И, конечно же, должен идти дождь напротив луны. Из-за того что свет, отражаемый Луной, тусклый и большое количество других факторов делают это явление таким редким.

Лунная радуга является дефицитным явлением, но мы по выше приведенным данным убедились, что такой феномен существует в природе и научно объясняется.

3.      Конец радуги: вымысел?

Радуга образуется в результате преломления и отражения солнечного света в крошечных водных каплях, которые висят в воздухе. У земли она обрывается потому, что там мало капель или что-то заслоняет солнце. Однако если подняться над землей, то становятся видны нижние участки дуги. В идеальных условиях в полете можно даже увидеть радугу как замкнутую кривую, которая окружает точку, диаметрально противоположную Солнцу. Но такие условия складываются очень редко. (рис. 5)

Из этого следует. Что конец радуги увидеть нельзя.

4.     Северное сияние и радуга. Есть ли связь?

Северное сияние и радуга являются оптическими явлениями. Полярные сияния возникают вследствие бомбардировки верхних слоев атмосферы заряженными частицами, движущимися к Земле вдоль силовых линий геомагнитного поля из области околоземного космического пространства, называемой плазменным слоем. Проекция плазменного слоя вдоль геомагнитных силовых линий на земную атмосферу имеет форму колец, окружающих северный и южный магнитные полюса (авроральные овалы). Экспериментально установлено, что ключевую роль в стимулировании высыпаний играет ориентация межпланетного магнитного поля и величина давления плазмы солнечного ветра.

Северное сияние родственное явление радуги, но имеет много отличий.

Исследования Ньютона.

Исаак Ньютон внес большой вклад в развитие исследования оптики как науки. Он собрал свои труды в этой области в трех изданиях (мы будем рассматривать только 3-е). В 1672 году он впервые представил Лондонскому королевскому обществу свои исследования по новой теории света и цветов, вызвавшие острую полемику с Робертом Гуком (присущий Ньютону патологический страх перед публичными дискуссиями привел к тому, что он опубликовал подготовленную в те годы «Оптику» лишь через 30 лет, после смерти Гука). Ньютону принадлежат обоснованные тончайшими экспериментами представления о монохроматических световых лучах и периодичности их свойств, лежащие в основе физической оптики. Ему принадлежит открытие дисперсии света и понятие спектр. И сейчас мы подробно это разберем.

Мы будем двигаться от самого сложного к самому простому, а в конце работы проведем опыт, в результате которого мы получим радугу.

Начнем с главных терминов, которые нам предстоит объяснить: дисперсия света, спектр, преломление света, призма.

Спектр (видимого света) – это совокупность составляющих света цветов от инфракрасного до ультрафиолетого.

Дисперсия света – это разложение «белого» луча на спектр видимого света.

Преломление света – это расположение и отклонение лучей от своей траектории движения при переходе из одного прозрачного тела или среды в другое тело или среду.

Призма (рис.8) – это стекло, ограниченное двумя равными параллельными треугольными основаниями и тремя плоскими и хорошо отполированными сторонами, встречающимися по трем параллельным линиям, идущими от трех углов одного основания к трем углам другого.

Наш опыт будет тесно связан с этими терминами и далее представленной аксиомой.

На рис. 4 представлена водная поверхность, на которую под углом падает луч света:

RS – граница водной и воздушной среды.

AC – луч света.

С – точка падения.

AD – sin падения, а DH – sin преломления, следовательно =  (по III аксиоме).

Объясним все более понятно и подробно:

Раз луч АС находится в перпендикуляре RCP, то спектр из точки С будет выходить в перпендикуляре SCP, по лучу СВ (зеркально отраженно). Про ведем АD – sin падения и DH – sin преломления. Следуя из этого, мы можем увидеть, что AD относится к DH как 4:3, что доказывает аксиома №3, что означает, что мы получили из луча света цветовой спектр.

Похожий опыт можно провести и с призмой.

На рис. 5 представлена призма:

DE – луч света.

EF – луч преломления.

На стороне BC луч EF выходит и переходит в спектр.

Разбираем подробнее:

Луч света DE входит в одну из сторон призмы (ребро AC). Уже преломленный луч EF проходит от одной стороны призмы к другой (от ребра AC к ребру CB)  и в точке F выходит цветовой спектр.

Следуя из этого, мы можем понять, что преломление света через призму более сложное, чем через воду, но этот опыт имеет одинаковый результат с предыдущим.

Практическая часть.

На основе выше представленных исследований, мы проведем не большой и простой в исполнении опыт, в результате которого мы воспроизведем радугу в домашних условиях. Мы сделали два варианта радуги: с солнечным светом и искусственным (фонарик).

Для воспроизведения первого варианта нам понадобиться:

·        Емкость с водой.

·        Вода.

·        Небольшое зеркало.

·        Скотч или что-то, чем можно прикрепить зеркало к стенке емкости.

·        Солнце или любой другой источник света.

Для начала мы прикрепили зеркало к стене емкости под углом 42 и налили в нее воды:

После мы поставили емкость против солнечного света на подоконник:

                

Преломленный свет отразился на стене: 

Мы увидели какой эффект дает преломление солнечного света.

Перейдем ко второму варианту воспроизведения.

Для него нам понадобится все то же самое, только вместо солнечного света мы будем использовать фонарик.

Мы прикрепили зеркало также как и в прошлом опыте и поставили емкость в ванну (т. к. ванна – белая, и на ней будет лучше видно радугу).  После мы направили свет фонарика на зеркало, и на стенке ванны появилась радуга.

 

Мы увидели, что искусственный преломленный свет немного отличается от солнечного преломленного, но отличия не значительны (т. к. мы получили спектр и в первом и во втором опыте) как визуально, так и в воспроизведении.

Заключение.

Проведя все эти исследования, мы поняли, что же такое радуга. Мы нашли много важной и познавательной информации на эту тему, ответили на интересующие нас вопросы и провели опыты, подтвердив тем самым, что радугу можно создать в домашних условиях.

Мы ответили на поставленные ранее вопросы: можно ли увидеть радугу зимой и почему; можно ли увидеть радугу ночью; возможно ли найти конец радуги; имеет ли это явление, какое-либо отношение к северному сиянию.

Мы ближе познакомились с работами и исследованиями английского математика и физика Исаака Ньютона. Объяснили, как преломляется свет через призму и водную гладь благодаря его исследованиям и проверили это на практике.

Мы самостоятельно провели опыт, в результате которого мы получили луч света, разложенный на спектр, т. е. радугу. Мы показали, что ее можно получить и с помощью солнечного света и с помощью искусственного света.

Мы сделали много нового и необычного для нас, узнали то, чего не узнали бы в повседневной жизни, и то, что пригодилось бы нам в дальнейшей жизни.

Приложение.

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

Рис. 4

Рис. 5

Рис. 6

Рис.7

Рис.8

Список:

1.     http://100grp.ru/novoe-vremya/ser-isaak-nyuton-otkryvshim-prityazhenie/

2.     http://voshod-solnca.ru/articles/что_такое_солнечное_гало.html

3.     http://edwardjournal.livejournal.com/2762609.html

4.     http://www.vokrugsveta.ru/quiz/222663/

5.     И. Ньютон «Оптика или трактат об отражениях, преломлениях, изгибаниях и цветах света» 1721 г.

6.     http://www.physchem.chimfak.rsu.ru/Source/History/Persones/Newton.html