Работа по физике " Необычное в обычном"

«В МИРЕ ИНТЕРЕСНОГО»

НЕОБЫЧНОЕ В ОБЫЧНОМ

Енакиево

Содержание

Введение…………………………………………………..3-5

1. Значение слова «радуга»…………………………….5

2. Чудо природы – радуга……………………………….6

2.1 История исследования радуги учеными……6-7

2.2 Физика радуги………………………………….7-11

2.3  Виды радуги……………………………………11-12

2.4 Это интересно…………………………………...12-13

3. Мои исследования…………………………………….13

3.1 Анкетирование………………………………….13-14

3.2. Эксперименты получения радуги в домашних

       условиях…………………………………………14-16

Заключение……………………………………………......16-17

Список литературы………………………………………18

Приложение……………………………………………….19-41

Но что мной зримая вселена?

И что перед тобою я?

Ничто! Но ты во мне сияешь

Величеством твоих доброт.

Во мне себя преображаешь,

Как Солнце в малой капле вод.

                          Г. Р. Державин

Введение

           Наверное, нет человека, который не любовался бы радугой. Это великолепное красочное явление на небосводе издавна привлекало всеобщее внимание. Всем нам с детства известна поговорка «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан», существует также менее популярный вариант «Как однажды Жан звонарь головою сшиб фонарь». По начальным буквам этих поговорок мы запоминаем названия и последовательность цветов такого необычного и красивого явления природы, как радуга.

Её считали доброй предвестницей, приписывали ей магические свойства. Само название «радуга» происходит от словосочетания  «райская дуга». Существует старинное английское поверье, согласно которому у подножия радуги можно найти горшок с золотом. Все знают, что волшебными свойствами радуга может обладать лишь в сказках, а в действительности радуга – это оптическое явление, связанное с преломлением световых лучей на многочисленных капельках дождя. Радугу творят водяные капли: в небе – дождинки, на поливаемом асфальте – капельки, брызги от водяной струи. Радугу могут творить и капли – росинки, которыми осенним утром покрыта низко склонённая трава. Однако не все знают, как именно преломление света на капельках дождя приводит к возникновению на небосводе гигантской многоцветной дуги. Как образуется радуга? Когда и как её можно увидеть? Какова теория этого явления? Можно ли экспериментально исследовать радугу? Как получить искусственную радугу? Ответы на эти и многие другие вопросы даются в этой работе. В работе рассмотрены вопросы геометрии (форма и расположение разноцветных дуг) и физики (законы, определяющие форму и цвета) радуги. Описаны различные способы получения искусственной радуги в обычных условиях. Таким образом, в работе достаточно подробно рассмотрены вопросы получения и исследования искусственной радуги.

Актуальность исследования состоит в том, что развитие творческого мышления становится главным фактором для стремления к развитию и проявлению всех способностей личности. Работая под девизом «Всё, что неизвестно - очень интересно!» можно увлекательно провести время:

- не испугаться неизвестности, а быстро понять, каких знаний не хватает;

- решить, где и как эти знания можно получить, а получив их,

проанализировать свою деятельность;

- в ходе поисково-исследовательской деятельности можно делиться результатами со своими сверстниками.

Благодаря такой работе  возрастает активность в познавательной сфере деятельности.

Гипотеза: радугу можно получить в лабораторных условиях,  возможно ли получить ее в домашних условиях? Если возможно, то каким способом.

Цели исследования:

·                     Рассмотреть и изучить последовательность цветов в радуге;

·                     Исследовать тайну появления радуги в природе

·                     Провести ряд экспериментов для  получения  радуги в домашних условиях.

Задачи  исследования:

·                     Найти и  изучить материал, описывающий и объясняющий возникновение радуги.

·                     Выявить основные взгляды ученых.

·                     Найти в интернете и проанализировать материал о радуге.

·                     Первое упоминание о радуге, влияние на жизнь человека.

·                     Подготовить стендовую презентацию материала по теме исследования.

Методы исследования:

1.        Анкетирование

2.       Самостоятельные практические  опыты.

                        1. Значение слова «радуга».

      Значение слова «радуга» в энциклопедических словарях переводится    по-разному.

Радуга – разноцветная дуга на небосводе. Наблюдается, когда Солнце освещает завесу дождя, расположенную на противоположной от него стороне неба. Объясняется преломлением, отражением света в каплях дождя. (Советский энциклопедический словарь под ред. А.М.Прохорова)

 Радуга –  разноцветная дугообразная полоса на небесном своде,

    образующаяся вследствие преломления солнечных лучей в дождевых каплях.       

   (Толковый  словарь русского языка Ожегова С.И.)

Радуга - оптическое явление в атмосфере, наблюдаемое при дожде, когда лучи солнца преломляются через пелену дождевых капель; на небосклоне появляется окрашенная в цвета спектра дуга, причем наружная сторона – в красный, а внутренняя – в фиолетовый цвет.

    (По данным Малого Энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона).

«Радуга» — претерпевшее изменение слово «райдуга», или Божья дуга.      (По словарю В.Даля)

2. Чудо природы – радуга.

2.1 История исследования радуги учеными.

    А пытался ли кто-нибудь в истории человечества познать природу радуги?

Я нашла ответ на этот вопрос в разных источниках.

Это красивое явление  изучали ещё   в глубокой древности. Аристотель, древнегреческий философ, пытался объяснить причину радуги. Первым понял причину радуги немецкий монах Теодорик, в 1304 г. Воссоздавший ее на сферической колбе с водой. Однако открытие Теодорика было забыто. Общая физическая картина радуги была уже четко описана архиепископом Марком Антонием де Доминисом в 1611 году в книге «De radiis visus et lucis in vitris perspectivis et iride».   Он объяснил, что радуга появляется в результате отражения света от внутренней поверхности капли дождя и двукратного преломления – при входе в каплю и выходе из неё. Научное объяснение радуги  дал Рене Декарт  в своем труде «Метеоры» в главе «О радуге» (1635г.). Он провёл первые исследования формы радуги. Для этого ученый использовал стеклянный шар, заполненный водой, что давало возможность представить, как отражается солнечный луч в капле дождя, преломляясь и тем самым становясь видимым. В то время еще не была открыта дисперсия, поэтому радуга Декарта была белой.  В отношении цветов радуги теория дополнена Исааком Ньютоном. В 1672 году Исаак Ньютон доказал, что обычный белый цвет – это смесь лучей разного цвета. « Я затемнил мою комнату, - писал он, - и сделал очень маленькое отверстие в ставне для пропуска соответствующего количества солнечного света». На пути солнечного луча ученый поставил особое трехгранное стеклышко  - призму. На противоположной стене он увидел разноцветную полоску – спектр (от латинского «Спектрум» - видимое). Ньютон объяснил это тем, что призма разложила белый цвет на составляющие его цвета. Поставив на пути разноцветного пучка еще одну призму, ученый снова собрал все цвета в один обычный солнечный луч. Причём первоначально он различал только пять цветов — красный, жёлтый, зелёный, голубой и фиолетовый, о чём и написал в своей «Оптике». Но впоследствии, стремясь создать соответствие между числом цветов спектра и числом основных тонов музыкальной гаммы, Ньютон добавил к пяти перечисленным цветам спектра ещё два.

2.2 Физика радуги. 

 Радуга — атмосферное оптическое и метеорологическое явление, наблюдаемое обычно после дождя или перед ним. Оно выглядит как дуга или окружность, составленная из цветов спектра. Радуга возникает из-за того, что солнечный свет испытывает преломление в капельках воды, взвешенных в воздухе. Эти капельки по-разному отклоняют свет разных цветов, в результате чего белый свет разлагается в спектр. Наблюдателю кажется, что из пространства по концентрическим дугам исходит разноцветное свечение (при этом источник яркого света всегда находится за спиной наблюдателя).

Радуга наблюдается в стороне, противоположной Солнцу, на фоне дождевых облаков или дождя. Разноцветная дуга обычно находится от наблюдателя на расстоянии 1-2 км, а иногда ее можно наблюдать на расстоянии 2-3 м на фоне водяных капель, образованных фонтанами или распылителями воды.

Радуга – это частный случай каустики, игры света. Каустика – это сложная и порой очень красивая картина, создаваемая сходящимися световыми лучами в результате их (многократных) преломлений и отражений на поверхностях раздела сред с различной оптической плотностью. Радуга представляет собой каустику, возникающую из-за преломления и отражения плоскопараллельного пучка света на сферической капле. Лучи солнца претерпевают в каплях два преломления и одно отражение и возвращаются обратно к наблюдателю под определённым углом.

Проследим путь десяти параллельных лучей одного, скажем, красного, цвета, падающих на сферическую каплю воды, полагая, что показатель преломления на границе вода–воздух n = 1,32 (Декарт построил картину для   10 000 лучей!). Оказывается, что небольшая группа лучей (они выделены сплошными линиями) выходит из капли компактным пучком, образуя угол около 42° с направлением падающих солнечных лучей, а все остальные (обозначенные пунктирными линиями) расходятся широким веером, рассеиваются (Приложение А). В честь первооткрывателя этот компактный пучок называют лучом Декарта. Таким образом, стоя спиной к солнцу, наблюдатель под углом 42° к солнечным лучам увидит многократно усиленный луч красного цвета – красную полосу радуги.

Схема образования радуги (Приложение Б).
          1) сферическая капля;

2) внутреннее отражение;

3) первичная радуга;

4) преломление;

5) вторичная радуга;

6) входящий луч света;

7) ход лучей при формировании первичной радуги;

8) ход лучей при формировании вторичной радуги;

9) наблюдатель;

10-12) область формирования радуги.

   Прохождение солнечных лучей через каплю сопровождается дисперсией – капли «работают» как миниатюрные призмы, разлагая свет на цвета спектра, от красного до фиолетового. Показатель преломления воды для более длинноволнового (красного) света меньше, чем для коротковолнового (фиолетового), поэтому красный свет меньше отклоняется при преломлении. Существуют компьютерные программы, которые позволяют рассчитать угол Декарта для каждой длины волны. Следует подчеркнуть, что разные цвета радуги получаются от разных капель. Красная полоса – от тех, что висят выше, а фиолетовая – от капель, висящих ниже. Очевидно, что все промежуточные цвета радуги (оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой и синий) будут находиться между фиолетовой и красной полосами радуги в соответствии с их показателями преломления. Каждый, наверное, замечал, что радуга внутри гораздо ярче, чем снаружи.

Это легко объяснить, если обратить внимание на то, куда уходит большинство солнечных лучей, падающих на каплю. Видно, что все они рассеиваются по направлению к наблюдателю под углами, меньшими, чем луч Декарта. Это значит, что лучи, не вошедшие в луч Декарта, освещают небо под углами обзора, меньшими 42°, т.е. область внутри радуги.

В момент восхода солнца противосолнечная точка находится на линии горизонта, и радуга имеет вид полуокружности. По мере поднятия Солнца противосолнечная точка опускается под горизонт и размер радуги уменьшается. Она представляет собой лишь часть окружности.

Центр окружности, которую описывает радуга, всегда лежит на прямой, проходящей через солнце и глаз наблюдателя, то есть одновременно видеть солнце и радугу без использования зеркал невозможно. Для наблюдателя на земле она обычно выглядит как часть окружности, чем выше точка зрения, тем радуга полнее — с горы или самолёта можно увидеть перевернутую радугу и целую окружность.

   Радуга появляется только во время ливня, когда идет дождь и одновременно светит солнце (Приложение В). Находиться необходимо строго между солнцем (оно должно быть сзади) и дождем (он должен быть перед тобой). Иначе радуги не увидеть. Солнце посылает свои лучи, которые, попадая на капельки дождя, создают спектр. Солнце, ваши глаза и центр радуги должны находиться на одной линии.

Почему радуга так быстро исчезает? Если бы капли всё время висели в воздухе, то можно было бы наблюдать радугу в течение всего времени, пока солнце опускается с высоты 42° над линией горизонта до заката и такой же промежуток времени после восхода. Ну, а там, где солнце не поднимается выше 42°, радугой можно было бы наслаждаться целый день. Почему же этого не происходит? Да потому, что капли испаряются или, слившись друг с другом, падают на землю. На самом деле радуга исчезает задолго до того, как все капли превратятся в пар. Все построения Декарта и наши были сделаны в рамках геометрической оптики. Как мы знаем, геометрическая оптика справедлива, когда размеры объектов (в нашем случае – капель) гораздо больше длины волны (около 1 мкм). Поэтому, когда диаметр капель становится меньше 10 мкм, теория Декарта перестаёт работать, радуга становится слабой и бесцветной, а при дальнейшем уменьшении капли и вовсе исчезает. При изучении теории радуги у меня невольно возник вопрос: Для стоящих рядом людей радуги одинаковые? По опросам очевидцев я сделала вывод: нет, никогда. Радуга, так же как и солнечные, и лунные дорожки, принадлежит к «призракам, идущим за тобой». Мы отходим – радуга перемещается за нами на другой слой капель. Поэтому два стоящих рядом человека, даже левый и правый глаза одного и того же наблюдателя, получают радугу от различных капель. А так как диаметр и плотность капель может очень сильно меняться от места к месту, то и впечатления от радуги у стоящих рядом людей могут быть разными.

2.3.Виды радуги.

Чаще всего наблюдается первичная радуга, при которой свет претерпевает одно внутреннее отражение. В первичной радуге красный цвет находится снаружи дуги, её угловой радиус составляет 40—42°.

  Иногда можно увидеть ещё одну, менее яркую радугу вокруг первой. Это вторичная радуга, в которой свет отражается в капле два раза. Во вторичной радуге «перевёрнутый» порядок цветов — снаружи находится фиолетовый, а внутри красный. Угловой радиус вторичной радуги 50—53°. Небо между двумя радугами обычно имеет заметно более тёмный оттенок (Приложение Г). Ещё реже можно увидеть три разноцветные дуги  (Приложение Д).

   Вы когда-нибудь видели лунную радугу? Оказывается, такое чудо тоже бывает. Подобно тому, как радуга после дождя появляется в результате солнечного освещения, лунные радуги появляются из-за освещения Луной. Поскольку Солнце значительно ярче Луны, то солнечные радуги также более яркие и наблюдаются чаще лунных. На приведенной фотографии   (Приложение Е) изображена лунная радуга над Соленым озером в Сэйнт-Джоне на Вирджинских островах. Слева видны парусные лодки. Так как лунный свет представляет собой отраженный солнечный, то цвета радуги почти совпадают. Как солнечные, так и лунные радуги возникают в результате преломления света на мельчайших капельках воды, которые играют роль миниатюрных призм. Еще бывает туманная радуга, которая появляется при туманной погоде. Она практически белая (Приложение Ё). Радуга над водопадами- причина появления такого вида радуги – непрерывный водяной туман над водопадами (Приложение Ж). «Огненная» радуга-  совсем не связана с огнем. Только красивый оптический эффект(Приложение З).

2.4.  Это интересно.

То, что я узнала из источников Интернета, действительно, мне показалось очень интересным.

 Современный мир поистине не имеет границ, и люди дарят друг другу уже и звезды, и участки на Луне, и острова. Может, когда-нибудь будет возможным подарить на день рождения дождь. По крайней мере, организовать настоящую разноцветную и выглядящую вполне натурально радугу  уже реально. Обычно мать-природа решает, когда мы сможем увидеть радугу. И согласитесь, это происходит крайне редко. Мы дёргаем друг друга за рукава и говорим – посмотри, радуга! Как красиво! Это зрелище по-настоящему захватывающе. Майкл Джонс МакКин (MichaelJonesMcKean), профессор одного американского колледжа и по совместительству художник, «не отличается терпеливостью и не способен ждать, когда природе станет угодно показать радугу» (как он утверждает), поэтому он решил изобрести машину, которая производила бы радугу всего одним щелчком рычажка. И он изобрел ее. Профессор МакКин изучал радугу и проводил различные эксперименты еще с 2002 года. И, в конце концов (к 2010 году!), его труды увенчались успехом – изобретением настоящей машины, производящей искусственную радугу. Искусственная радуга ничем не хуже настоящей, при этом у нее есть преимущество – она готова в любой момент порадовать человеческий глаз.

  Радуга – это освещенная солнцем завеса дождя. Вы можете увидеть это чудесное явление, поливая, скажем, растения в саду. Но искусственная радуга из машины МакКина – более впечатляющих размеров, равных природным.

Следует отметить, что машина «по производству радуги» имела успех на американском рынке. Ведь это не только оригинальный подарок , но это еще и способ привлечь внимание потребителей. Так, на крыше одного из торговых центров в штате Небраска (Nebraska) (Приложение И) была установлена такая машина по производству искусственной радуги, и теперь центр ежедневно в течение 15 минут дарит людям радость повидать радугу, спускающуюся прямо с крыши здания.

3. Мои исследования

3.1 Анкетирование

Узнав столько интересного о радуге, мне захотелось узнать: а что знают ребята нашей школы о радуге. Для этого мною была проведена анкета среди учащихся начальных классов. Ребятам было предложено 5 вопросов:

Видел ли ты радугу? 

Знаешь ли ты, причины появления радуги?

Бывает ли радуга без дождя?

Знаешь ли ты, последовательное расположение цветов радуги?    

Можно ли получить радугу дома? 

Проанализировав ответы учащихся (Приложение Й) и сопоставив их с тем, что узнала я о радуге, я пришла к выводу, что надо выступить перед ребятами со своей исследовательской работой и  рассказать об удивительном явлении природы – радуге.

3.2. Эксперименты получения радуги в домашних условиях.

Цель: показать, что можно самостоятельно, в домашних условиях расщепить видимый солнечный свет на отдельные цвета, воспроизведя эффект радуги.

Практическая работа №1.  

Приготовила мыльный раствор и надула мыльный пузырь. На пузыре появилась радуга. Свет, проходя через мыльный пузырь, преломляется и распадается на цвета, в результате появляется радуга. Мыльный пузырь – это призма (Приложение К).

Практическая работа №2.

Оборудование: лист бумаги, хрустальный стакан.

Ход опыта. Необходимо поставьте хрустальный  стакан на белый лист бумаги. Попробовать поймать стаканом солнечный свет. На листе бумаги появятся цветные полосы радуги (Приложение Л).

Практическая работа №3.

            В ясный солнечный день я взяла миску с водой, лист белого картона и маленькое зеркальце. Поставила миску с водой на самое солнечное место. Опустила зеркальце в воду и прислонила его к краю миску. Я поворачивала зеркальце под таким углом, чтобы на него падал яркий солнечный свет. Зеркало нуждается в подставке, так как угол между ним и поверхностью воды должен составлять 25°.  Вода в миске выполняет роль дождевой капли. При входе в воду видимый свет преломляется. Я стала перемещать картон перед миской и на нём появилась отражённая «радуга». (Приложение М)

Практическая работа №4.

Оборудование: тарелка с водой, лак для ногтей, «удочка» для пленки.

Ход опыта. Необходимо капнуть в воду каплю лака (Приложение Н). На поверхности воды образуется тонкая пленка. Ее нужно аккуратно снять при помощи специального приспособления — «удочки». Пленка лака будет играть всеми цветами, напоминая крылья стрекозы. Луч белого света, попадая на тонкую пленку, частично отражается от нее, а частично проходит вглубь, отражаясь от ее внутренней поверхности.

Практическая работа №5.

Оборудование: прозрачная трехгранная призма.

Если рассматривать сквозь призму предметы белого цвета, они выглядят цветными. С помощью призмы я получила изображение радуги на стене.

Для этого я «поймала» призмой солнечные луч. Таким образом, получил радугу в «домашних» условиях И.Ньютон.

Этот опыт легко повторить и с искусственным источником света (Приложение О).

Практическая работа №6.

Оборудование: круглая колба с водой, источник света , экран с отверстием.

Наполненную водой круглую колбу сквозь отверстие в экране освещала параллельным пучком света и наблюдала возникшую на экране цветовую каемку. Главный недостаток этого опыта состоит в том, что он не совсем отражает реальное положение вещей: настоящая радуга получается не от одной капли, а от огромного количества капель. Но при выполнении этого опыта получилась самая яркая полная радуга в виде окружности(Приложение П).

ВЫВОД: радугу можно получить в домашних условиях даже с помощью искусственного источника света.

Заключение

Радуга — впечатляющее небесное явление, ее появление вместе с первыми весенними дождями является знамением возрождения природы, прихода лета, благодатного союза земли и неба, а роскошные цвета, которыми сияет радуга, в представлении предков были драгоценным убором, в который облекается небесное божество.  Выполнив эту работу, я убедилась, как много удивительного и  полезного для практической деятельности может заключаться в явлении преломлении света. Именно оно позволяет объяснить такую «загадку» природы, как  радуга. 

Осуществление данного проекта позволило мне развить свои навыки работы с дополнительной литературой, умение проводить эксперименты, проводить анализ полученных результатов, обосновывать итоги исследований. Во время работы над проектом я узнала о природном явлении радуге: как появляется радуга и почему она разноцветная, определила, какая существует связь между дождем, солнцем и появлением радуги, узнала, что радуга может быть одной дугой, а может быть двойная или даже тройная. Существует ночная радуга (лунная) и зимняя, но она бывает очень редко и не такая красочная как летняя.

При этом узнала, как благодаря Ньютону были разрушены вековые представления о происхождении цветов.   Знакомство с новым предметом с физикой и в частности с явлением радуги  узнала законы, новые понятия, которые расширяют область знаний.

Опытным путём я доказала, что эффект радуги можно получить в домашних условиях и в любое время года любоваться этим красивейшим природным явлением, которое всё ещё хранит много загадок.

 Радуга – очень интересное явление, изучение которого требует больших усилий и является очень интересным. Изучению радуги способствует получение её в домашних условиях. Получение радуги экспериментальным методом (искусственная радуга) позволяет провести исследование этой радуги. Полученные результаты при исследовании  могут быть интересны и полезны как для стороннего наблюдателя, так и для школьников.

Цель  - узнать о природе атмосферного оптического явления – радуга, была мною достигнута, выдвинутые мною гипотезы подтвердились.

Список литературы

1. http://slovari.yandex.ru

 2. Абелюк Е.С. Мифологический словарь школьника. – М.: РОСТ, МИРОС, 2000. – 256 с.

3. Трифонов Е.Д. Ещё раз о радуге. – Соросовский образовательный журнал, 2000, т. 6, № 7

4. Декарт Р. Рассуждение о методе (с приложениями Диоптрика, Метеоры, Геометрия). М.: Изд-во АН СССР, 1953. 656 с.

 5.Ньютон И. Лекции по оптике. М.: Изд-во АН СССР, 1945. 280 с.

 6. Тарасов Л.В Физика в природе. М.: Просвещение,1988. - 352с.

 7. Зверева В.Л. "Солнечный свет в атмосфере", М.- 1988.

 8. Клиффорд Суорц. Необыкновенная физика обыкновенных явлений. том 2. М., Наука. 1987. 384 с.

 9. O`Нейлл «А. Где, что и когда?» Энциклопедия для любознательных. М.: 2007.

 10. ru.wikipedia.org/wiki/Радуга

 11. elkin52.narod.ru/new/radyga.htm

12.  www.dobrieskazki.ru/raduga.htm

13. toneto.net›Новости›…--iskusstvennaya-raduga            

Приложения

Приложение А

Компактный пучок - луч Декарта

Приложение В

Схема образования радуги

Приложение Г

Возникновение радуги

Приложение Д

Образование вторичной радуги

Приложение Е

Вид тройной радуги

Приложение Ё

Лунная радуга

Приложение Ж

                                         Туманная радуга

Приложение З

Радуга над водопадом

Приложение И

Огненная радуга

Приложение Й

Радуга созданная  машиной МакКина

Приложение К

              Диаграмма « Результаты анкетирования учащихся»

Приложение Л

                                          Радуга в мыльном пузыре

Приложение М

Радуга в хрустальном стакане

Приложение Н

Образование радуги

Приложение О

Лак - радуга

Приложение П

Радуга через призму

Приложение Р

Радуга от искусственного источника света