XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Секрет ускользающих узоров

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Кириллов В.А. 1

---

1МАОУ «СОШ № 40» г. Чебоксары

Попова С.А. 1

---

1МАОУ «СОШ № 40» г. Чебоксары

Работа в формате PDF

2.6 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Этим летом я был на дне рождения друга, ему подарили удивительную игрушку – сувенирный калейдоскоп. Меня удивили узоры поразительной красоты, которые менялись при каждом движении руки. Я заинтересовался вопросом, каким же образом работает калейдоскоп? Можно ли изготовить калейдоскоп своими руками? Это стало темой моей исследовательской работы.

Актуальность работы: многие восхищаются красотой и многообразием картинок и узоров в калейдоскопе, но не знают, на чем основан принцип работы калейдоскопа. Кроме того, полезно изготовить калейдоскоп своими руками, без больших материальных затрат, используя вторичные материалы, дать отходам «вторую» жизнь.

Цель работы: изготовление калейдоскопа из подручных материалов.

Для достижения цели, поставлены следующие задачи:

1. Познакомиться с историей возникновения калейдоскопа.

2. Выяснить, что такое калейдоскоп, и какие существуют виды.

3. Изучить устройство и принцип работы калейдоскопа.

4. Исследовать зависимость количества изображений от величины угла между зеркалами.

5. Обобщить собранный по теме материал и сделать выводы.

6. Создать презентацию по изготовлению калейдоскопа и выступить перед ребятами.

Гипотеза:

1. Количество отражений объекта в зеркалах зависит от величины угла между ними.

2. Изучив устройство калейдоскопа, я смогу изготовить его из подручных материалов.

Объект исследования: калейдоскоп.

Предмет исследования: зеркальная симметрия.

Методы исследования:

1. Поиск и изучение литературы по данной теме.

2. Анкетирование учеников младших классов.

3. Анализ и обработка информации.

4. Проведение эксперимента с зеркалами.

5. Описание полученных результатов.

Практическая значимость: изучив устройство калейдоскопа, можно изготовить калейдоскоп из подручных материалов, провести мастер-класс по изготовлению калейдоскопа на уроке технологии, провести опыт по отражению света на уроке физики, использовать калейдоскоп как учебный прибор на уроке рисования или просто как игрушку [3].

1. История возникновения калейдоскопа

Изучая литературу, мы узнали, что калейдоскоп – это оптический прибор, в основе которого лежит принцип отражения света от плоских зеркал, которые образуют между собой угол. Внутри цилиндрической трубки, параллельно ее оси, расположены как минимум две зеркальные пластины, которые смотрят друг на друга зеркальной стороной, см. Приложение 1.

Мы выяснили, что калейдоскоп появился в России в конце XVIII века. Изобрел его великий русский ученый М. В. Ломоносов (1711-1765)
см. Приложение 2, он изучал различные способы применения стекла.
К сожалению, изобретение Ломоносова не было запатентовано. В настоящее время три его калейдоскопа хранятся в Эрмитаже, один из них
см. Приложение 3.

Нам стало известно, что идея по созданию калейдоскопа принадлежит также шотландскому физику – Дэвиду Брюстеру (178-1868), см. Приложение 4. Причудливые узоры, которые получались при вращении зеркал, навели его на мысль соорудить прибор вроде подзорной трубы, которая будет удивлять многообразием картинок, которые получаются при ходе перемещения отражающих поверхностей. Новая игрушка завоевала бешеную популярность во многих странах и напоминала нынешнюю популярность смартфонов.

Изучая материалы в сети Интернет,мы узнали, что Брюстер был твердо уверен, что его изобретение будет полезно в декоративно-прикладном искусстве. Так при помощи калейдоскопа художники придумывали новые узоры для тканей и обоев. Особенно полезным стал калейдоскоп, когда появился фотоаппарат. Стало возможным фиксировать узор.

Мы узнали, что узоры калейдоскопа практически никогда не повторяются. Как сказано в известной книге учёного Я. И. Перельмана, если у вас есть калейдоскоп с 20 стеклышками, и вы будете поворачивать его 10 раз в минуту, то понадобится 500 000 миллионов лет, чтобы просмотреть все узоры [4].

2. Виды калейдоскопов

Изучая литературу, мы узнали, что существуют разные виды калейдоскопов:

1. Первый калейдоскоп Брюстера включал неподвижные кусочки стекла. (Приложение 6).

2. Телейдоскоп –калейдоскоп, узоры которого создаются из отражения частичек окружающего нас мира (Приложение 7).

3. Афанеидоскоп. В нём вместо наполнителя были цветы, насекомых, цветные камни (Приложение 8).

4. Дебускоп и типоскоп, о них сегодня известно только специалистам-историкам.

5. Большой калейдоскоп из журнала «Юный техник № 11, 1980 г.» [3], на него можно было любоваться двумя глазами, см. Приложение 9.

6. Недавно был создан калейдоскоп Тесла (Приложение 10) на основе катушки тесла и стеклянных шаров с инертными газами, который был изготовлен для музея зеркал в Канаде.

3. Практическое применение калейдоскопа

Изучая литературу, мы узнали, что оригинальный вариант калейдоскопа был внедрен инженером-изобретателем К. Петкунасом на ковровой фабрике. Конец трубки прибора был сделан из прозрачного органического стекла, а ее торец закрыт непрозрачным кружком. Мелкие предметы: стеклышки, камешки, кольца освещались только боковым светом и хорошо отражались зеркалами трехгранной призмы. Узоры получались еще разнообразнее и оригинальнее [3].

В настоящее время калейдоскопы успешно применяются в медицине для восстановления психического здоровья людей, а изготовление калейдоскопа – это популярный мастер-класс в Японии. Много людей на Западе занимаются их коллекционированием. А слово «калейдоскоп» в русском языке стало отличной метафорой, а не просто детской игрушкой.

4. Устройство и принцип работы калейдоскопа

Изучив литературу, мы выяснили, что калейдоскоп – это зеркальное устройство, использующее принцип многократных отражений, очень похожее на подзорную трубу. Оптическая схема калейдоскопа состоит из двух (или более) плоских зеркал (при трёх зеркалах образуют треугольную призму), расположенных под углом 60 °. Разноцветные предметы расположены в дальнем конце трубки в двойном прозрачном пластиковом дне, подсвечиваются через матовый диск. При вращении калейдоскопа предметы меняют свое расположение, и их рисунок отражается в двух зеркалах (или более), образуя симметричный орнамент (Приложение 1).

Когда угол между зеркалами равен 90 ° мы видим 4 изображения, когда угол 60 ° – 6, 45 ° – 8. Если продолжать сдвигать зеркала, то картина усложниться, причем общее число изображений на единицу меньше частного от деления 360 ° на величину угла между зеркалами. Так как один из секторов картины образован разноцветными предметами, которые мы непосредственно видим на прозрачном пластиковом диске между зеркалами, то, например, при угле 30 ° будет одиннадцать отраженных, а всего двенадцать изображений [5].

При фиксации калейдоскопа из предметов складывается картинка в треугольной призме. Она многократно отражается в стенках зеркалах, и наблюдатель через окуляр видит симметрично правильный разноцветный узор. При повороте калейдоскопа предметы пересыпаются, возникает новый, тоже правильный узор.

Самый распространённый калейдоскоп с равносторонним треугольником в сечении призмы, у которого углы равны 60 °, см. Приложение 1.

В основе принципа работы калейдоскопа лежит зеркальная симметрия. В переводе с греческого слово «симметрия» означает «соразмерность, пропорциональность, одинаковость в расположении частей». Если посмотреть на лист, снежинку или бабочку, см. Приложение 11, мы увидим, что они симметричны. Если поставить зеркальце вдоль прочерченной на каждом рисунке прямой, то отраженная в зеркале половинка фигуры дополнит ее до целой. Потому такая симметрия называется зеркальной. [1].

5. Мои исследования

1. Эксперимент с зеркалами проведем, чтобы понять принцип работы калейдоскопа см. Приложение 12. Цель: получение многократных изображений. Оборудование: два зеркала, транспортир, линейка, карандаш, предмет (в данном случае Лего-человечек). Ход эксперимента: Взял зеркало и положил перед ним Лего-человечка. Увидел два человечка: одного в оригинале и одного в отражении «за зеркалом». Взял два зеркала расположенных под углом 120 ° друг к другу и повторил эксперимент. Увидел три человечка: одного в оригинале и два в отражении. Затем сделал прямой угол между зеркалами – получил изображение четыре раза. А два зеркала, угол между которыми составляет 72 °, дали пятикратное изображение. Если угол между зеркалами 60 °, то изображений 6, при 30 ° – 12. Все данные занес в таблицу 1.

Таблица 1. Зависимость величины угла между зеркалами и количества изображений

Выводы: 1. Изображение в плоском зеркале мнимое («за зеркалом»), прямое (неперевернутое), в натуральную величину и расположено симметрично источнику относительно плоскости зеркала; 2. Количество изображений в зеркалах зависит от величины углов между зеркалами. Число изображений равно результату деления 360° на величину угла между зеркалами, то есть
180 °, 120 °, 90 °, 72 °, 60 °, 30 °. В зависимости от числа, на которое производится деление, мы видим Лего-человечка 2, 3, 4, 5, 6 и 12 раз, соответственно; 3. С помощью этих опытов мы узнали, что в основе принципа работы калейдоскопа действительно лежит зеркальная симметрия. Зеркало не просто копирует объект, а меняет местами (переставляет) передние и задние по отношению к зеркалу части объекта. Таким образом, наша гипотеза № 1 подтвердилась.

2. Изготовление калейдоскопа. После изучения устройства и принципа работы калейдоскопа, мы решили изготовить калейдоскоп. [6]. Необходимые материалы и инструменты представлены в Приложении 13. Все этапы работы занесли в таблицу 2.

Таблица 2. Пошаговое изготовление калейдоскопа, см. Приложение 14.

Итак, нам удалось изготовить калейдоскоп своими руками из подручных материалов (Приложение 15), тем самым наша гипотеза№ 2 подтвердилась.

3. Опрос одноклассников. В процессе исследовательской работы мне стало интересно, что знают мои одноклассники о калейдоскопе. В опросе приняло участие 28 человек, он включал три вопроса: 1. Что вы знаете о калейдоскопе? 2. На чем основан принцип работы? 3. Хотели бы вы изготовить его собственными руками?

Из ответов на 1-ый вопрос: «Что вы знаете о калейдоскопе?» я получил такие ответы: (Приложение 16, Диаграмма 1): 1.Это игрушка, труба с узорами – 16 чел. (57 %). 2.Это прибор, чтобы рассматривать узоры – 12 чел. (43%). Вывод: 100 % ребят знают, что такое калейдоскоп.

Из ответов на 2-ой вопрос: «На чем основан принцип работы?» ребята ответили, что (Приложение 16, Диаграмма 2): 1. Не знаю – 19 чел. (67,9 %). 2. Рассматривать узоры – 8 чел. (28,6 %). 3.Калейдоскоп состоит из разноцветных камушков и зеркал – 1 чел. (3,5 %). Вывод:Оказалось, что ни один одноклассник не знает, что принцип работы калейдоскопа основан на зеркальной симметрии. Скорей всего потому, что уроков физики у нас еще нет.

Из ответов на 3-ий вопрос: «Хотели бы вы изготовить его собственными руками?» мне ответили следующее (Приложение 16, Диаграмма 3): 1. Да – 22 чел. (78,6 %). 2. Конечно, да! – 5 чел. (17,9 %). 3. Ну,нет! – 1 чел. (3,5 %). Вывод: В результате опроса я убедился, что ребята заинтересовались изготовлением калейдоскопа (27 человек), и я решил выступить перед ними со своим исследовательским проектом.

6. Мои выводы

Таким образом, в результате проделанной нами работы, можно сделать выводы, что:

1. С помощью опыта с зеркалами мы узнали, что в основе принципа работы калейдоскопа лежит зеркальная симметрия. Зеркало не просто копирует объект, а меняет местами (переставляет) передние и задние по отношению к зеркалу части объекта.

2. Количество отражений объекта в зеркалах зависит от величины угла между ними.

3. Знания о зеркальной симметрии, полученные при исследовании, дали ответ на многие вопросы, теперь понятна работа зеркал в интерьере - расширяют пространство, оказывают большую помощь художникам в создании различных симметричных узоров для обоев, ковров, тканей, ювелирных украшений.

4. В процессе опроса мы выяснили, что ребята не знают принцип работы калейдоскопа, но заинтересовались процессом его изготовления.

Заключение

Я считаю, что с поставленными задачами мы справились, так как мы познакомились с историей возникновения калейдоскопа, выяснили какие существуют виды, изучили устройство и принцип его работы, узнали, где применяется калейдоскоп в современном мире. И, наконец, мы изготовили калейдоскоп своими руками из подручных материалов. Итак, цель нами достигнута, гипотезы подтвердились.

Я понял, что заинтересовал своих одноклассников, и выступил с презентацией. В планах на будущее на уроке технологии изготовить калейдоскоп вместе с ребятами. Теперь-то я знаю, в чем секрет ускользающих узоров!

Список использованной литературы

1. Глюк И. И все это делают зеркала: – М.: Мир, 1970.

2. Иванов Б. Энциклопедия самоделок юного мастера: – М.: Молодая гвардия, 1992.

3. Пегоров П. Игрушка для взрослых. «Юный техник»: – 1980, № 11.

4. Перельман Я. И. Занимательная физика и механика. Книга 1: – М. РИМИС, 2009.

5. Тарасов Б. Самоделки школьника: – М.: Просвещение, 1968.

6. https://ya.ru/video/preview/12595867569603973121?ask_summarization=1&t=73