I Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИРОДНОГО ЯВЛЕНИЯ – РАДУГА

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Нелюбина В.А. 1

---

1

Нелюбина Е.Г. 1

---

1

Работа в формате PDF

8.5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Глава 1. Литературный анализ по теме исследования 5

1.1. Исторический аспект изучения темы 5

1.2. Основные понятия изучаемой проблемы 6

1.3. Характеристика видов радуги 9

Глава 2. Экспериментальная часть 11

2.1. Методика экспериментальной работы 11

2.2. Результаты экспериментальной работы 14

Заключение 17

Список литературы 18

Приложение 1. 19

Приложение 2. 21

Приложение 3. 22

Приложение 4. 26

Приложение 5. 28

Актуальность.

Наверное, нет человека, который не любовался бы радугой. Это великолепное красочное явление на небосводе издавна привлекало всеобщее внимание. Её считали доброй предвестницей, приписывали ей магические свойства. 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. Однако не все знают, как именно образуется радуга. Когда и как её можно увидеть? Можно ли экспериментально исследовать радугу? Как получить искусственную радугу? Ответы на эти и многие другие вопросы даются в этой работе.

Объект исследования: природное явление – радуга.

Предмет исследования: способы получения радуги.

Я выдвинула следующую гипотезу: используя разные лабораторные установки, можно получить искусственную радугу и исследовать ее физические свойства в лабораторных условиях.

Цель моего исследования: выявить физические свойства радуги и экспериментально апробировать способы её получения в лабораторных условиях.

Поставленную цель я достигала, решая задачи:

1. собрать информацию о способах получения, свойствах и видах радуги;

2. сконструировать лабораторные установки для получения радуги и апробировать их в домашних условиях;

3. проанализировать теоретические и практические результаты своей работы.

Этапы исследования:

• собрать информацию о видах и свойствах радуги (спросить у родителей, прочитать в книге, найти в Интернете);

• подобрать экспериментальные работы по получению искусственной радуги;

• сконструировать лабораторные установки для получения искусственной радуги;

• провести эксперимент;

• сравнить теоретический и практический результат по получению искусственной радуги;

• оформить научно-исследовательскую работу;

• подготовить доклад и презентацию к защите работы.

Методы и приемы: наблюдение, эксперимент, анализ.

1.  
   1. Исторический аспект изучения темы

В русских летописях радуга называется «райской дугой» или сокращенно «райдуга». В Древней Греции радугу олицетворяла богиня Ирида («Ирида» означает «радуга»). По представлениям древних греков, радуга соединяет небо и землю, и Ирида была посредницей между богами и людьми. Радуга физическое явление. 8

Радуга всегда связывается с дождем. Она может появиться и перед дождем, и во время дождя, и после него, в зависимости от того, как перемещается облако, дающее ливневые осадки.

Первая попытка объяснить радугу как естественное явление природы была сделана в 1611 г. архиепископом Антонио Доминисом. Его объяснение радуги противоречило библейскому, поэтому он был отлучен от церкви и приговорен к смертной казни. Антонио Доминис умер в тюрьме, не дождавшись казни, но его тело и рукописи были сожжены. 8

Научное объяснение радуги впервые дал Рене Декарт в 1637 г. Декарт объяснил радугу на основании законов преломления и отражения солнечного света в каплях выпадающего дождя. В то время еще не была открыта дисперсия — разложение белого света в спектр при преломлении. Поэтому радуга Декарта была белой.

Спустя 30 лет Исаак Ньютон, открывший дисперсию белого света при преломлении, дополнил теорию Декарта, объяснив, как преломляются цветные лучи в каплях дождя. 3

Несмотря на то, что теория радуги Декарта — Ньютона создана более 300 лет назад, она правильно объясняет основные особенности радуги: положение главных дуг, их угловые размеры, расположение цветов в радугах различных порядков.

1.  
   1. Основные понятия изучаемой проблемы

Обычная радуга — это цветная дуга угловым радиусом 42°, видимая на фоне завесы ливневого дождя или полос падения дождя, часто не достигающих поверхности Земли. Радуга видна в стороне небосвода, противоположной Солнцу, и обязательно при Солнце, не закрытом облаками. Центром радуги является точка, диаметрально противоположная Солнцу, — антисолярная точка. Внешняя дуга радуги красная, за нею идет оранжевая, желтая, зеленая дуги и т. д., кончая внутренней фиолетовой. 2

Дело в том, что более или менее сферическая капля, освещенная параллельным пучком лучей солнечного света, может образовать радугу только в виде круга.

Сколько же лучей радуги в пучке света, падающего на каплю? Их много, по существу, они образуют целый цилиндр. Геометрическое место точек их падения на каплю это целая окружность.

В результате прохождения через каплю и преломления в ней цилиндр белых лучей преобразуется в серию цветных воронок, вставленных одна в другую. Наружная воронка красная, в нее вставлена оранжевая, желтая, далее идет зеленая и т. д., кончая внутренней фиолетовой. 4

Размер и форма капель и их влияние на вид радуги

Вид радуги — ширина дуг, расположение и яркость цветовых тонов, положение дополнительных дуг очень сильно зависят от размера капель дождя. По виду радуги можно приближенно оценить размеры капель дождя, образовавших эту радугу. Чем крупнее капли дождя, тем радуга получается уже и ярче. Особенно характерным для крупных капель является наличие насыщенного красного цвета в основной радуге. Чем капли мельче, тем радуга становится более широкой и блеклой, с оранжевым или желтым краем. Дополнительные дуги дальше отстоят и друг от друга и от основных радуг. 8

Вид радуги зависит и от формы капель. При падении в воздухе крупные капли сплющиваются, теряют свою сферичность. Вертикальное сечение таких капель приближается к эллипсу.

Можно ли видеть целый круг радуги? С поверхности Земли можно наблюдать радугу в лучшем случае в виде половины круга, когда Солнце находится на горизонте. Когда Солнце поднимается, радуга уходит под горизонт. С самолета или с вертолета можно наблюдать радугу в виде целого круга. 8

Расчеты по формулам дифракционной теории, выполненные для капель разного размера, показали, что весь вид радуги — ширина дуг, наличие, расположение и яркость отдельных цветовых тонов, положение дополнитель­ных дуг очень сильно зависят от размера капель дождя. Приведем основные характеристики внешнего вида радуги для капель разных радиусов. 5

Радиус капель 0,5—1 мм. Наружный край основной радуги яркий, темно-красный, за ним идет светло-красный и далее чередуются все цвета радуги. Особенно яркими кажутся фиолетовый и зеленый. Дополнительных дуг много (до пяти), в них чередуются фиолетово-розовые тона с зелеными. Дополнительные дуги непосредственно примыкают к основным радугам.

Радиус капель 0,25 мм. Красный край радуги стал слабее. Остальные цвета видны по-прежнему. Несколько фиолетово-розовых дополнительных дуг сменяются зелеными.

Радиус капель 0,10—0,15 мм. Красного цвета в основной радуге больше нет. Наружный край радуги оранжевый. В остальном радуга хорошо развита. Дополнительные дуги становятся все более желтыми. Между ними и между основной радугой и первой дополнительной появились просветы.

Радиус капель 0,04—0,05 мм. Радуга стала заметно шире и бледнее. Наружный край ее бледно-желтый. Самым ярким является фиолетовый цвет. Первая дополнительная дуга отделена от основной радуги довольно широким промежутком, цвет ее белесый, чуть зеленоватый и беловато-фиолетовый.

Радиус капель 0,03 мм. Основная радуга еще более широкая с очень слабо окрашенным чуть желтоватым краем, содержит отдельные белые полосы.

Радиус капель 0,025 мм и менее. Радуга стала совсем белой. Она при­мерно в два раза шире обычной радуги и имеет вид блестящей белой полосы. Внутри нее могут быть дополнительные окрашенные дуги, сначала бледно-голубые или зеленые, затем белесовато-красные. 1

Таким образом, по виду радуги можно приближенно оценить размеры капель дождя, образовавших эту радугу. В целом, чем крупнее капли дождя, тем радуга получается уже и ярче, особенно характерным для крупных капель является наличие насыщенного красного цвета в основной радуге. Многочисленные дополнительные дуги также имеют яркие тона и непо­средственно, без промежутков, примыкают к основным радугам. Чем капли мельче, тем радуга становится более широкой и блеклой с оранжевым или желтым краем. Дополнительные дуги дальше отстоят и друг от друга и от основных радуг.

Вид радуги зависит и от формы капель. При падении в воздухе крупные капли сплющиваются, теряют свою сферичность. Вертикальное сечение таких капель приближается к элипсу. Расчеты показали, что минимальное отклонение красных лучей при прохождении через сплющенные капли радиусом 0,5 мм составляет 140°. Поэтому угловой размер красной дуги будет не 42°, а только 40°. Для более крупных капель, например радиу­сом 1,0 мм, минимальное отклонение красных лучей составит 149°, а крас­ная дуга радуги будет иметь размер 31°, вместо 42°. Таким образом, чем сильнее сплющивание капель, тем меньше радиус образуемой ими радуги. 7

1.  
   1. Характеристика видов радуги

Бывают ли радуги без дождя или без полос падения дождя? Бывают — в лаборатории. Искусственные радуги создавались в результате преломления света в одной подвешенной капельке дистиллированной воды, воды с сиропом или прозрачного масла. Размеры капель варьировались от 1,5 до 4,5 мм. Тяжелые капли вытягивались под действием силы тяжести, и их сечение представляло собою эллипс. При освещении капельки лучом гелий-неонового лазера появлялись не только первая и вторая радуги, но и необычайно яркие третья и четвертая, с центром вокруг источника света (в данном случае лазера). Иногда удавалось получать даже пятую и шестую радуги. Эти радуги, как первая и вторая, снова были в стороне, противоположной источнику. Правда, эти радуги были одноцветными, красными, так как образованы не белым источником света, а монохроматическим красным лучом. 8

Туманная радуга

В природе встречаются белые радуги. Они появляются при освещении солнечными лучами слабого тумана, состоящего из капелек радиусом 0,025 мм или менее. Их называют туманными радугами. Кроме основной радуги в виде блестящей белой дуги с едва заметным желтоватым краем наблюдаются иногда окрашенные дополнительные дуги: очень слабая голубая или зеленая дуга, а затем белесовато-красная.

Аналогичного вида белую радугу можно увидеть, когда луч прожектора, расположенного сзади вас, освещает интенсивную дымку или слабый туман перед вами. Даже уличный фонарь может создать, хотя и очень слабую, белую радугу, видимую на темном фоне ночного неба. 6

Лунные радуги

Аналогично солнечным могут возникнуть и лунные радуги. Они более слабые и появляются при полной Луне. Лунные радуги явление более редкое, чем солнечные. Для их возникновения необходимо сочетание двух условий: полная Луна, не закрытая облаками, и выпадение ливневого дождя или полос его падения (не достигающих Земли).

Радуги, образованные лунными лучами, не радужные и выглядят как светлые, совершенно белые дуги. Отсутствие красного цвета у лунных радуг даже при крупных каплях дождя объясняется низким уровнем освещения ночью, при котором полностью теряется чувствительность глаза к лучам красного цвета. Остальные цветные лучи радуги также теряют в значительной степени свой цветовой тон из-за неокрашенности ночного зрения человека. 8

Для получения радуги в лабораторных условиях существует множество способов и методик, мы в своей работе использовали следующие:

Опыт 1. Радуга в тазике.

Оборудование и материалы: стеклянная ёмкость; вода; зеркало.

Ход работы:

Солнечным днём наполни большую стеклянную ёмкость водой. Затем опусти в воду зеркало. Подвигай это зеркало и найди такое его положение, при котором на стенках комнаты образуется радуга. Можешь зафиксировать положение зеркала.Дай воде успокоиться для того, чтобы радуга получилась более отчетливой, а потом нарисуй или сфотографируй радугу так, как ты ее увидел.

Опыт 2. Радуга на белом листе.

Оборудование и материалы: стеклянная ёмкость; вода; зеркало; белый лист бумаги; фонарик.

Ход работы:

Солнечным днём наполни большую стеклянную ёмкость водой. Затем опусти в воду зеркало. Подвигай это зеркало и найди такое его положение, при котором на стенках комнаты образуется радуга. Можешь зафиксировать положение зеркала.Дай воде успокоиться для того, чтобы радуга получилась более отчетливо. Дополнительно поставить перед тазиком с водой и зеркалом лист белой бумаги, направите свет фонарика на погруженную в воду часть зеркала, радуга появится на листе бумаги. Потом нарисуй или сфотографируй радугу так, как ты ее увидел.

Опыт 3. Радуга в коробке.

Оборудование и материалы: картонная коробка; канцелярский нож; компакт-диск типа CD-R; пластмассовая трубка; клей; фонарик; свечка; люминесцентная лампа.

Ход работы:

Возьмите большую картонную коробку. В ее боковой стенке прорежьте вертикальную щель высотой в несколько сантиметров и шириной от 3 до 5 миллиметров. Она будет придавать потоку света форму тонкой полоски, простирающейся в вертикальной плоскости. На противоположной стенке коробки поместить чистый компакт-диск типа CD-R.

Теперь в боковой стенке коробки прорежьте отверстие под трубку для наблюдения спектра. Несмотря на то, что трубка имеет круглое сечение, отверстие должно быть овальным, чтобы ее можно было поворачивать в горизонтальной плоскости.

Вставьте трубку в отверстие. Направьте щель на источник света. Загляните в трубку, и, поворачивая ее, найдите спектр и рассмотрите его.

Попробуйте пронаблюдать с помощью спектроскопа спектры различных источников света: солнца, лампы накаливания, люминесцентной лампы, свечи, светодиодов разных цветов.

Спектры, полученные при помощи спектроскопа, можно фотографировать веб-камерой или цифровым фотоаппаратом.

Опыт 4. Изучение расположения цветов в радуге.

Оборудование и материалы: лист фанеры, нож, фонарь, лист белой бумаги, компакт-диск, карандаши, фотоаппарат.

Ход работы:

Возьмите лист фанеры, пластмассы или другого легкообрабатываемого непрозрачного материала. Его размеры должны быть примерно 300 на 300 миллиметров, толщина не критична. Прорежьте в его середине прямую щель длиной около 100 и шириной порядка 4 миллиметров.

Расположите лист вертикально. Сделайте для него подставку, чтобы его не требовалось держать в руках, ведь вам придется удерживать в них еще два предмета, затемните помещение.

Включите точечный источник света с непрерывным спектром. Это может быть, например, карманный фонарик на основе лампочки накаливания. Расположите его примерно в 500 миллиметрах от щели.

С противоположной стороны щели разместите под углом в 90 градусов лист обычной бумаги. Закрепите его.

Возьмите обычный компакт-диск (темный, например, RW, не подойдет). Расположите его между щелью и листом бумаги так, чтобы на него проецировался спектр.

Удерживая фонарик и диск, попросите помощника сфотографировать получившуюся радугу.

Держите фонарик и диск так, чтобы спектр не сдвигался. Обратите внимание на то, что к сдвигу диска он заметно чувствительнее, чем к сдвигу фонарика.

Затем попросите помощника взять цветные карандаши или фломастера. Пусть помощник обведет спектр карандашами или фломастерами тех цветов, которые соответствуют проецируемым.

Снимите получившийся лист, после чего отключите фонарь и разберите установку. Включите свет в помещении. Сравните получившиеся фотографию и рисунок между собой.

Ответьте на вопрос, почему цвета в любом спектре всегда расположены в одинаковом порядке?

Опыт 5. Радужный фонтан.

Оборудование и материалы: консервная банка, ножницы, электрическая лампочка, вода.

Ход работы:

В высокой консервной банке на высоте 5 см от дна надо просверлить круглое отверстие диаметром 5 - 6 мм. Электрическую лампочку с патроном надо аккуратно обернуть целлофановой бумагой и расположить ее напротив отверстия. В банку надо налить воды. Открыв отверстие, получим струю, которая будет освещена изнутри. В темной комнате она ярко светится и опят выглядит очень эффектно.

Мы с мамой и папой дома проделали опыты, описанные в пункте 2.1. Результаты, полученные в ходе экспериментальной части работы можно описать следующим образом:

Опыт 1. Радуга в тазике.

Наполнили стеклянную чашку водой. Затем опустили в воду зеркало и осветили его фонариком. Подвигали зеркало, и нашли такое положение, при котором на стенках комнаты образовалась радуга. Когда вода успокоилась, радуга получилась более отчетливой.

Наблюдения:

Мы получили вид радуги, отражающийся на зеркале (приложение 1). Пучок света, отражённый зеркалом на выходе из воды, преломляется. Цвета, составляющие белый цвет, имеют разные углы преломления, поэтому они падают в разные точки и становятся видимыми.

Опыт 2. Радуга на белом листе.

Все осталось из опыта 1, только дополнительно поставили перед чашкой с водой лист белой бумаги, направили свет фонарика на зеркало, радуга появится на листе бумаги.

Наблюдения:

Нам удалось поймать зеркалом лучик, который подарил нам вот такую радугу... (приложение 2).

Опыт 3. Радуга в коробке.

Мы взяли большую картонную коробку. В ее боковой стенке прорезали вертикальную щель, на противоположной стенке коробки поместили чистый компакт-диск. В боковой стенке коробки прорезали отверстие под трубку для наблюдения спектра.

Вставили трубку в отверстие. Направили источник света на щель. Заглянули в трубку, и, поворачивая ее, нашли спектр.

Мы сфотографировали спектры, полученные при помощи домашнего спектроскопа, и сравнили их.

Наблюдения:

Освещая диск разными источниками света(фонариком, лампой накаливания) мы получили спектры одинакового состава, что видно на фотографиях (приложение 3).

Опыт 4. Изучение расположения цветов в радуге.

Из листа фанеры мы сделали подставку. В середине одной стороны прорезали прямую щель. Расположили лист белой бумаги вертикально. Затемнили помещение. Компакт-диск разместили между щелью и листом бумаги так, чтобы на него падали лучи света. Карманным фонариком осветили щель.

Наблюдения:

На листе бумаги появляется радуга (приложение 4), цвета в любом спектре всегда расположены в одинаковом порядке.

Опыт 5. Радужный фонтан.

В высокой консервной банке папа просверлил круглое отверстие. В банку мы налили воды. Электрическую лампочку с патроном аккуратно расположили напротив отверстия. В темной комнате открыли отверстие.

Наблюдения:

Получили струю, которая освещена изнутри, она ярко светится. На пути струи подставили палец, и вода разбрызгивалась в виде фонтан, у которого выбрасываемые струи освещаются изнутри (приложение 5).

Выполнив эту работу, я убедилась, как много удивительного, поучительного, полезного для практики может заключаться, в хорошо знакомом явлении преломлении света.

В ходе своего исследования я сформулировала следующие выводы:

1. Для получения радуги в лабораторных условиях существует множество способов и методик.

2. В экспериментальной части приведено описание нескольких установок, с помощью которых искусственная радуга была получена в домашних условиях.

3. Полученные результаты при исследовании радуги могут быть интересны и полезны как для стороннего наблюдателя, так и для школьников.

В заключении необходимо отметить, что радуга – очень интересное явление, изучение которого требует больших усилий и является очень познавательным, а практическая ценность работы состоит в том, что полученные материалы могут быть использованы учителями начальных классов при проведении уроков и занятий по ознакомлению с окружающим миром.

1. «Большая Энциклопедия Кирилла и Мефодия».

2. Белкин И.К. Что такое радуга? – «Квант» 1984, № 12, С. 20.

3. Булат В.Л. Оптические явления в природе. М.: Просвещение, 1974 г., 143 с.

4. Гегузин Я.Е. «Кто творит радугу?» – «Квант» 1988г., № 6, С. 46.

5. Зверева С.В. В мире солнечного света. – Л.: Гидрометеоиздат, 1988.

6. Майер В.В., Майер Р.В. «Искусственная радуга» – «Квант» 1988 г., № 6, С.48.

7. Тарасов Л.В. Физика в природе. – М.: Просвещение, 1988.

8. http://www.allbest.ru

Фотографии результатов опыта 1

Рисунок 1. Подготовка оборудования к работе.

Рисунок 2. Устанавливаем зеркало в тарелку с водой.

Рисунок 3. Общий вид радуги на стене.

Рисунок 4. Увеличенное отражение радуги.

Фотографии результатов опыта 2

Рисунок 5. Отражение радуги на листе бумаги.

Рисунок 6. Вид радуги на листе белой бумаги.

Фотографии результатов опыта 3

Рисунок 7. Подготовка спектроскопа из картонной коробки.

Рисунок 8. Подготовка спектроскопа из картонной коробки.

Рисунок 9. Освещение диска с помощью фонарика.

Рисунок 10. Наблюдаем за появлением радуги в коробке.

Рисунок 11. Сектор радуги, который мы получили при освещении фонариком со светодиодными лампами.

Рисунок 12. Сектор радуги, который мы получили при освещении фонариком со светодиодными лампами.

Рисунок 13. Сектор радуги, который мы получили при освещении лампой накаливания.

Рисунок 14. Сектор радуги, который мы получили при освещении лампой накаливания.

Фотографии результатов опыта 4

Рисунок 15. Макет из фанеры.

Рисунок 16. Компакт-диск, с помощью которого будет преломляться свет.

А

Б

Рисунок 17. Радуга на листе бумаги (А и Б).

Фотографии результатов опыта 5

Рисунок 18. Установка для получения радужного фонтана.

Рисунок 19. Наливаем воды в установку для получения радужного фонтана.

Рисунок 20. Открываем отверстие и получаем радужную струю.

Рисунок 21. Получение радужного фонтана.

29