НАБЛЮДАЯ ЗА ТЕНЬЮ

II Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

НАБЛЮДАЯ ЗА ТЕНЬЮ

Мамаев М.В. 1
1МБОУ "Лицей"
Баландина Ж.В. 1
1МБОУ "Лицей"
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

 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).

  1. 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.

  1. Экспериментальная часть проекта.

    1. Подготовка к эксперименту

      1. Планирование эксперимента

  •  
    1. Измерение тени в Новомосковске 5 августа 2015 года с11.00. до 14.00.

Определение направления на север.

  •  
    1. Измерение тени 6 августа в 12 часов 35 минут (остановка в пути из Новомосковска в Анапу).

    2. Измерение тени в Анапе 8 августа 2015 года с11.00. до 14.00.

Определение направления на север.

  •  
    1. Измерение тени в Новомосковске 22 декабря 2015 года.

    2. Измерение тени в Новомосковске 20 марта 2016 года.

    3. Измерение тени в Казани 22 марта 2016 года.

    4. Измерение тени за Северным полярным кругом.

  1.  
    1.  
      1. 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.

  1.  
    1.  
      1. 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.

  1.  
    1. Ход экспериментальных измерений

      1. 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

  1. Самая короткая тень в разных точках, расположенных примерно на одном меридиане примерно в одно и то же время

  2. Чем точка южнее, тем тень короче.

  1.  
    1.  
      1. 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

  1. Самая короткая тень в Казани наблюдалась раньше по времени, чем в Новомосковске, потому что Казань восточнее, а оба города живут по московскому времени.

  2. В астрономический полдень в Казани тень длиннее, чем в Новомосковске, так как Казань севернее Новомосковска (см. таблицу выше).

  1.  
    1.  
      1. 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

  1. Самая короткая тень летом, самая длинная - в декабре.

  2. Самая короткая тень в любое время года в интервале 12:25 – 12:35

  3. Время, когда зафиксирована самая короткая тень – астрономический полдень.

  4. Направление тени не совпадает с направлением стрелки компаса.

  1.  
    1.  
      1. 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

  1. Самая длинная тень в Ямбурге.

  2. Самая короткая тень в Новомосковске.

  3. В Новомосковске и Москве самая короткая тень примерно в одно и то же время в 12:32.

  4. Самая короткая тень по измерениям в Ямбурге в 9:57 (по московскому времени).

  5. Самая короткая тень – астрономический полдень.

  1.  
    1. Анализ проделанной работы

    2. 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.

  1.  
    1. 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.

  1. 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.

  1. Список используемой литературы

  •  
    1. Из истории отношения к тени у разных народов: http://www.rutalk.co.uk/showthread

    2. Википедия - свободная энциклопедия. ― URL: http://ru.wikipedia.org/

    3. Как образуется тень? - Школьные Знания.com: znanija.com›task/7465703

    4. В.И.Даль Толковый словарь

    5. С.И.Ожегов Толковый словарь

Просмотров работы: 9171