Введение. Актуальность проекта
Тень сопровождает нас всегда. Мы можем не замечать ее, но не можем убежать от нее. Она сопровождает нас днём и даже ночью, она всегда с нами, нам с нею – не расстаться. Она бывает разной: яркой или бледной; длинной или короткой. Я решил понаблюдать за ней и заметил, что в разное время суток длина тени разная:
- утром и вечером длина тени больше, чем в середине дня;
- направление тени в разное время светового дня отличается.
Наблюдая за тенью, я решил найти ответы на следующие вопросы:
Когда тень самая короткая.
Отличается ли тень в разных широтах (летом я отдыхал в Анапе, где продолжил исследование).
Отличается ли длина тени в разное время года.
Для выполнения работы я использовал гномон (описание в экспериментальной части проекта).
Что такое тень (осмысление понятия)?
Заглянем в словари. Толковый словарь В.И.Даля так определяет это понятие: «Тень – отсутствие прямого, лучистого света, особенно солнечного, перенятого каким-либо предметом, который затеняет, застит, омрачает. (На солнце жарко, пойдем в тень, под тень)».
Тень – понятие физическое. Лучи света распространяются по прямой и не могут огибать предметы. Поэтому когда лучи встречают на своем пути преграду, сквозь которую не могут пройти, с обратной стороны преграды образуется тень. Образование тени является оптическим явлением.
Гно́мон (на древне-греческом γνώμων — указатель) — древнейший астрономический инструмент, вертикальный предмет (стела, колонна, шест), позволяющий по наименьшей длине его тени (в полдень) определить угловую высоту Солнца. Кратчайшая тень указывает и направление истинного меридиана.
Экспериментальная часть проекта.
Подготовка к эксперименту
Планирование эксперимента
Измерение тени в Новомосковске 5 августа 2015 года с11.00. до 14.00.
Определение направления на север.
Измерение тени 6 августа в 12 часов 35 минут (остановка в пути из Новомосковска в Анапу).
Измерение тени в Анапе 8 августа 2015 года с11.00. до 14.00.
Определение направления на север.
Измерение тени в Новомосковске 22 декабря 2015 года.
Измерение тени в Новомосковске 20 марта 2016 года.
Измерение тени в Казани 22 марта 2016 года.
Измерение тени за Северным полярным кругом.
Оборудование
Для выполнения практической части моего проекта понадобилось следующее оборудование: палка (длина 1 метр), рулетки, отвес, деревянная подставка для палки, карандаш, ручка, фломастер, нить, большие листы бумаги, компас.
Первая экспериментальная попытка
Первое измерение я решил выполнить на школьном дворе. Приготовил палку длиной 1метр, мел и рулетку. Крестом я отметил место, где должна стоять палка. Придерживая её рукой, мелом я отмечал, куда падает тень.
Этот опыт был неудачным. Я понял, что на асфальте мелом не получится сделать точный чертёж. Так же для того, чтобы измерения были точными, необходимо устойчивое положение палки. Я решил, что надо сделать подставку для палки и отмечать измерения на бумаге фломастером. Для этой цели подошли листы обоев. Подставку я сделал из деревянного бруса, в центре которого проделал отверстие для палки. С помощью отвеса проверил вертикальность положения палки.
Ход экспериментальных измерений
Изучение тени в точках, расположенных на одном меридиане
5 августа на ровной асфальтовой поверхности я разложил лист бумаги, установил палку и карандашом отметил место палки. Через каждые десять минут, начиная с 11:20, отмечал длину тени. Для этого синим карандашом ставил метки и записывал над ними соответствующее время. Свои измерения я занес в таблицу. Вот что получилось.
Изменение длины тени в дневное время (г. Новомосковск, 05.08.2015)
Время, ч. мин |
11.20 |
11.30 |
11.35 |
11.45 |
11.55 |
12.05 |
12.15 |
12.25 |
12.35 |
Длина, см |
80 |
78,5 |
77,5 |
76,5 |
76 |
75 |
74,5 |
74,7 |
74 |
Время, ч. мин |
12.45 |
12.55 |
13.05 |
13.15 |
13.25 |
13.35 |
13.45 |
13.55 |
14.05 |
Длина, см |
74,7 |
75,8 |
76,5 |
78 |
79,5 |
82 |
84 |
85,5 |
88 |
Для определения направления на север я выполнил следующие действия. Из катушки с нитками и карандаша сделал самодельный «циркуль». Катушку удерживал в центре окружности, карандаш привязал на нить. Получилось, что карандаш рисует на равном расстоянии от центра.
Нарисовал дугу окружности, у которой центр находится в точке, где стоит палка, а радиус равен начальной длине тени (80 см в 11 часов 20 минут). Определил, где эта дуга пересечёт линию теней. Эта точка соответствует длине тени в 13 часов 30 минут.
Далее нашёл середину этой дуги и соединил её с центром окружности. Эта линия указывает направление на север. Таким образом, у меня получился самодельный гномон.
Я решил проверить по компасу: верно ли определено направление на север. Показания немного расходились, это из-за того, что компас показывает не на географический северный полюс, а на магнитный полюс.
Длина пути от Новомосковска до Анапы по спидометру автомобиля – 1272 км. Расстояние по прямой по карте – 1116 км.
Остановку сделали 6 августа в 12 часов 35 минут в Лискинском районе Воронежской области. Это время, когда в Новомосковске была самая короткая тень. Моя палка имела в этот момент длину тени равную 69 см. Географические координаты я записал с навигатора (см. в таблице).
Географические координаты мест осуществления проекта в августе
Широта |
Долгота |
|
город Новомосковск |
54° северной широты |
38° восточной долготы |
Воронежская область, Лискинский район |
50° северной широты |
39° восточной долготы |
город Анапа, пансионат «Урал» |
44° северной широты |
37° восточной долготы |
В таблице видно, что долгота в местах осуществления проекта отличается незначительно
Следующая часть проекта осуществлялась 8 августа в Анапе. Начал измерять в 11 часов 15 минут, закончил в 13 часов 55 минут. Самая короткая тень по измерениям в Анапе – 51,3 см в 12 часов 25 мин. В Анапе было намного жарче и солнце светило ярче, поэтому было труднее работать над проектом.
Изменение длины тени в дневное время (г. Анапа, 08.08.2015)
Время, ч. мин |
11.15 |
11.25 |
11.35 |
11.45 |
11.55 |
12.05 |
12.15 |
12.25 |
12.35 |
Длина, см |
62 |
59,8 |
58,5 |
55,5 |
53,8 |
52,1 |
51,4 |
51,3 |
51,4 |
Время, ч. мин |
12.45 |
12.55 |
13.05 |
13.15 |
13.25 |
13.35 |
13.45 |
13.55 |
Длина, см |
51,7 |
52,7 |
53,4 |
54,8 |
56,7 |
60,2 |
62 |
65,7 |
Использовав самодельный гномон, определил направление на север. Затем вновь проверил по компасу: верно ли определено направление на север. Показания опять немного разошлись, так как компас показывает не на географический северный полюс, а на магнитный полюс.
Для наглядности я совместил графики, построенные по результатам измерений в одной системе координат. Зеленой точкой показано измерение, проведенное во время остановки в Лискинском районе Воронежской области
Измерения проводились почти в одно и то же время в разных точках, расположенных примерно на одной долготе (долготы Новомосковска, Анапы и места промежуточного измерения отличаются незначительно – см. таблицу выше). Погрешность в один день, думаю, также незначительна.
Выводы
Самая короткая тень в разных точках, расположенных примерно на одном меридиане примерно в одно и то же время
Чем точка южнее, тем тень короче.
Изучение тени в точках, расположенных на одной параллели
Следующая часть проекта выполнена в марте 2016 года. Сложность этого этапа заключалась в плохих погодных условиях. Сложно было «поймать» подходящий солнечный день. Осуществить измерения в различных точках, расположенных на одной параллели позволила экскурсионная поездка в Казань. В одно и то же время тень была измерена 22 марта в Новомосковске и Казани.
В Казани измерения я производил, используя другое оборудование. Вести палку с собой было очень неудобно, поэтому было решено использовать в качестве неё отвес, сделанный из рулетки. Начал измерять в 11 часов 21 минуту, закончил в 12 часов 46 минут.
Изменение длины тени в дневное время (г. Казань, 22.03.2016)
Время, ч. мин |
11.21 |
11.30 |
11.37 |
11.46 |
12.01 |
12.10 |
12.20 |
12.46 |
Длина, см |
145,5 |
144 |
143 |
144 |
145 |
146 |
148 |
151 |
Самая короткая тень по измерениям в Казани 22 марта – 143 см в 11 часов 37 мин. Более наглядно эта информация выглядит в виде графика.
Надо отметить, что программа построения графика-диаграммы позволяет выдерживать масштаб только на вертикальной оси. А на горизонтальной программа воспринимает числа просто как надписи, поэтому на ней масштаб строго не выдержан. На выявление закономерности это существенно не влияет.
Измерения в это же время в Новомосковске я выполнять не мог. Поэтому я попросил свою бабушку помочь мне. Вот что у неё получилось.
Изменение длины тени в дневное время (г. Новомосковск, 22.03.2016)
Время, ч. мин |
11:55 |
12:00 |
12:05 |
12:10 |
12:15 |
12:20 |
12:25 |
12:30 |
Длина, см |
140,4 |
138,8 |
137,7 |
136,9 |
136,8 |
136,6 |
136,2 |
136 |
Время, ч. мин |
12:35 |
12:40 |
12:45 |
12:50 |
12:55 |
13:00 |
13:05 |
13:10 |
Длина, см |
136,7 |
137 |
137,2 |
138 |
138,7 |
139,4 |
139,7 |
140,1 |
Самая короткая тень по измерениям в Новомосковске 22 марта – 136 см в 12 часов 30 мин.
Чтобы построить два графика в одной системе координат необходимо, чтобы моменты измерения были строго в одно и тоже время. Я свёл данные двух измерений в одну таблицу, примерно скорректировав время.
Время, ч. мин |
11:21 |
11.30 |
11.37 |
11.46 |
11:55 |
12:00 |
12:10 |
12:20 |
12:30 |
12:45 |
|
Казань |
Длина, см |
145,5 |
144 |
143 |
144 |
144,5 |
145 |
146 |
148 |
149 |
151 |
Новомосковск |
Длина, см |
140,4 |
138,8 |
136,9 |
136,6 |
136 |
137,2 |
Графики изменения длины тени в Казани и Новомосковске 22.03.2016
Существенно отли-чается в одно и то же время длина тени в Казани и в Новомосковске. Её размер минимален в различное время.
27 марта мой брат ездил в Москву и сделал несколько измерений во время близкое к 12 часам 30 минутам. В это же время я проводил измерения в Новомосковске
Изменение длины тени 27.03.2016 (г.Москва, г. Новомосковск,)
Время, ч. мин |
12:16 |
12:17 |
12:19 |
12:22 |
12:24 |
12:27 |
|
Москва |
Длина, см |
137,2 |
137 |
136 |
|||
Новомосковск |
Длина, см |
122,5 |
122,4 |
122,2 |
Время, ч. мин |
12:29 |
12:32 |
12:34 |
12:37 |
12:36 |
12:42 |
|
Москва |
Длина, см |
135,3 |
135 |
137 |
138 |
||
Новомосковск |
Длина, см |
120 |
121,5 |
122,4 |
Для удобства построения графиков и сравнения результатов значения необходимо было свести к единым промежуткам измерения.
Время, ч. мин |
12:16 |
12:19 |
12:24 |
12:29 |
12:32 |
12:34 |
12:36 |
|
Москва |
Длина, см |
137,2 |
137 |
136 |
135,3 |
135 |
137 |
138 |
Новомосковск |
Длина, см |
122,5 |
122,4 |
122 |
121 |
120 |
121 |
122,4 |
Время,
ч. мин
Длина, см
Тень в Москве длиннее, чем в Новомосковске. Это ещё раз подтвердило вывод, полученный в пункте 3.2.1. Чем точка южнее, тем тень короче.
Географические координаты мест осуществления проекта 22 и 27 марта
Широта |
Долгота |
|
город Новомосковск |
54° северной широты |
38° восточной долготы |
город Москва |
56° северной широты |
37,5° восточной долготы |
город Казань |
56° северной широты |
49° восточной долготы |
В одно и то же время тень была измерена в Новомосковске и Казани (22 марта) и в Москве и Новомосковске (27 марта). Но сравнивать правильнее Москву и Казань, так как они находятся на одной параллели. Измерения в этих городах проходили с разницей в 5 дней, поэтому длины теней отличаются.
Выводы
Самая короткая тень в Казани наблюдалась раньше по времени, чем в Новомосковске, потому что Казань восточнее, а оба города живут по московскому времени.
В астрономический полдень в Казани тень длиннее, чем в Новомосковске, так как Казань севернее Новомосковска (см. таблицу выше).
Изучение тени в разное время года
День зимнего солнцестояния является самым коротким днём (с самой длинной ночью) в году. В 2016 году этот день был 21 декабря. В этот день высота солнца над горизонтом в полдень минимальна. Зимой производить измерения тени сложнее, так как нет ровной, сухой поверхности на улице. Также большинство дней в декабре пасмурные, а мне для эксперимента необходим солнечный.
Я приготовил лист похожий на листы для предыдущих измерений. 20 декабря я попытался измерить тень от моей палки. Но тень оказалась такой огромной, что она не поместилась на листе. К следующему дню я приготовил большой кусок обоев.
Какой длинной оказалась тень, можно судить по фотографии листа обоев, на котором я делал метки. Свои измерения я занес в таблицу
Сравним измерения, проведённые в Новомосковске в августе, декабре и марте.
Изменение длины тени в г. Новомосковске в разное время года.
Время, ч. мин |
12.23 |
12.25 |
12.30 |
12.32 |
12.35 |
12.37 |
12.40 |
12.41 |
12.46 |
12.49 |
|
Декабрь |
Длина, см |
361,5 |
361 |
360,5 |
361,5 |
362 |
362,5 |
367 |
367,5 |
371,5 |
372,5 |
Март |
Длина, см |
122,4 |
122,3 |
120 |
121,5 |
122,4 |
|||||
Август |
Длина, см |
74,7 |
74 |
74,7 |
75,2 |
Выводы
Самая короткая тень летом, самая длинная - в декабре.
Самая короткая тень в любое время года в интервале 12:25 – 12:35
Время, когда зафиксирована самая короткая тень – астрономический полдень.
Направление тени не совпадает с направлением стрелки компаса.
Изучение тени за Полярным кругом
Работая над проектом, мне становилось всё интереснее и интереснее узнавать как ведёт себя тень в разных географических точках. Мой папа работает за Полярным кругом, проживает в вахтовом посёлке Ямбург.
Он подсказывал мне, как выполнить палку-шест и подставку для самодельного гномона и поддерживал меня при выполнении измерений в разных городах. Поэтому он был в курсе содержания моего проекта. Я попросил его выполнить измерение тени в посёлке Ямбург. 27 марта измерения были проведены. В качестве шеста-палки была использована лопата, которую вкопали вертикально в снег, оставив ровно 1 метр черенка над уровнем поверхности. Зная, что разница во времени составляет 2 часа, я свёл данные измерений в одну таблицу по московскому времени.
Изменение длины тени в дневное время
(Москва, Новомосковск, посёлок Ямбург 27.03.2016)
Время, ч. мин |
9:50 |
9:57 |
10:10 |
10:20 |
10:30 |
12:16 |
|
Москва |
Длина, см |
137,2 |
|||||
Новомосковск |
Длина, см |
122,5 |
|||||
Ямбург |
Длина, см |
211 |
208,5 |
210 |
212 |
213 |
Время, ч. мин |
12:19 |
12:24 |
12:29 |
12:32 |
12:34 |
12:36 |
|
Москва |
Длина, см |
137 |
136 |
135,3 |
135 |
137 |
138 |
Новомосковск |
Длина, см |
122,4 |
122 |
121 |
120 |
121 |
122,4 |
Ямбург |
Длина, см |
Выводы
Самая длинная тень в Ямбурге.
Самая короткая тень в Новомосковске.
В Новомосковске и Москве самая короткая тень примерно в одно и то же время в 12:32.
Самая короткая тень по измерениям в Ямбурге в 9:57 (по московскому времени).
Самая короткая тень – астрономический полдень.
Анализ проделанной работы
Ошибки и сложности при выполнении
Первоначально я выполнял измерения на асфальте мелом, придерживая палку рукой. Это привело к неточным результатам. Некачественное оборудование не позволяет правильно выполнить измерения.
Я мог выполнять измерения только в хорошую погоду. Это не позволяло мне выполнять мою работу когда я хотел. Сложность выполнения моего проекта – зависимость от погоды.
Изучая тень зимой, я предполагал, что тень будет длинной, и подготовил лист в два раза длиннее, чем для лета. А оказалось, что она была длиннее в пять раз, поэтому пришлось готовиться заново. Неожиданные результаты измерения осложняют выполнение проекта.
Изучение тени я проводил в разных местах. В Анапе измерения выполнял через два дня после Новомосковска (время потраченное на дорогу). За это время тень немного изменилась (я посчитал погрешность незначительной). Я хотел сравнить тень в Казани и Москве, так как эти города лежат на одной параллели. Но так как между измерениями был большой промежуток времени, это не получилось. Сложность моего проекта – невозможность выполнения опытов в одно и то же время в разных местах.
Чтобы моя работа была интереснее, необходимо было выполнять измерения тени в разных местах. Мне удалось получить результаты из Новомосковска, Казани, Москвы, Анапы, Воронежской области и Ямбурга. Но одному это было сделать невозможно. Поэтому мне помогали мои родственники. Для успешного выполнения моей работы необходимо было привлечение помощников.
Анализ полученных результатов. Выводы.
Измерение в Новомосковске, Анапе, Москве, под Воронежем, в Ямбурге доказывают, что:
а) у точек, расположенных примерно на одной долготе астрономический полдень примерно в одно и то же время;
б) длина тени определяется широтой местности, то есть высотой Солнца в астрономический полдень в этой местности;
в) длина тени зависит от времени года, то есть от положения Земли относительно Солнца;
г) астрономический полдень наступает раньше у точек, расположенных восточнее, так как Земля вращается с запада на восток;
д) длина тени примерно одинакова в одно и то же время у точек, расположенных примерно на одной широте, так как высота Солнца одинакова;
е) высота Солнца меняется по сезонам, так как при движении вокруг Солнца земная ось остаётся параллельно сама себе, а ось наклонена к плоскости орбиты (Москва и Казань находятся на одной широте, но тень получилась разная, так как измерения проводились с интервалом в 5 дней);
ж) направление на север, полученное с помощью гномона, не совпадает с показаниями компаса, так как не совпадает положение географического и магнитного полюсов.
Заключение
Работая над проектом, я опирался на знания, полученные на уроках географии, научился применять их на практике, анализировать результаты эксперимента. Для большей наглядности я вносил эти данные в таблицы и строил графики, то есть научился работать с информацией представленной не только в текстовом варианте. Для точного измерения тени использовал самодельное оборудование. Мне пригодились знания по математике, информатике и технологии.
В осуществлении проекта меня поддерживали и помогали учитель географии Жанна Вячеславовна Баландина и члены моей семьи.
Список используемой литературы
Из истории отношения к тени у разных народов: http://www.rutalk.co.uk/showthread
Википедия - свободная энциклопедия. ― URL: http://ru.wikipedia.org/
Как образуется тень? - Школьные Знания.com: znanija.com›task/7465703
В.И.Даль Толковый словарь
С.И.Ожегов Толковый словарь