XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Волшебный миг заката
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Между лиловых облаков
Однажды вечером светило
За снежной цепию холмов
Краснея ярко заходило
(М.Ю. Лермонтов)
Однажды вечером у моря я смотрела на закат и у меня возник вопрос: «А почему во время заката небо окрашивается в красный цвет?» Но ведь я впервые задумалась о природе заката у моря, а в море нет ни дорог, ни светофоров. Предположила, почему небо окрашивается в оттенки красного цвета. Может быть его окрашивают в красный цвет задние фонари уезжающих машин и красные светофоры? Что-то происходит со светом солнца в атмосфере. Закат - одно из самых эмоционально значимых и визуально впечатляющих природных явлений. Его часто описывают в искусстве и связывают с народными приметами, но физические причины изменения цветовой гаммы неба и солнца при заходе известны далеко не всем. На фоне растущего интереса к взаимодействию света с атмосферой (рассеяние, состав воздуха, наличие аэрозолей и облаков) важно понять это явление научно, опираясь на физику, и одновременно учитывать культурный контекст (приметы о погоде по цвету заката). Наглядное изучение заката делает абстрактные оптические процессы понятными и может повысить интерес нас, школьников, к естественным наукам. Может быть его окрашивают в красный цвет задние фонари уезжающих машин и красные светофоры? (Приложение 1) Что-то происходит со светом солнца в атмосфере. Я расспросила свою семью, родственников, учителя и друзей. Составила план действий.
Актуальность темы: очень многие люди, смотрят на ясное голубое небо, любуются им, и немногие знают, почему же оно такое голубое днем, а на закате красное. Что придает ему такой цвет?
Цель: выяснить, почему небо окрашивается в красный цвет.
Задачи:
-
Изучить литературу по теории света.
-
Выяснить в чем состоит особенность прохождения света через атмосферу.
-
Объяснить причины, почему небо красное при закате.
Проблема исследования: закаты Солнца нередко порождают красивейшие картины. Небо и облака окрашиваются разными цветами — здесь и красный, и розовый, и желтый, и нежно-голубой. Ни один закат не повторяется! Очевидно, вся эта красота возможна благодаря тому, что заходящее Солнце меняет свой цвет с ярко-желтого на оранжевый и даже красный. Но почему так происходит? Почему солнце на закате красное?
Объект исследования: научно-популярная литература.
Предмет исследования: закат и небо, цвет солнца и неба при закате и его изменения в зависимости от условий атмосферы.
Методы исследования: наблюдение, сравнение, эксперимент, сбор информации из книг, сети Интернет, обобщение.
Гипотеза: у солнца есть лучи, которые окрашивают небо в разные цвета; красный цвет можно получить в лабораторных условиях.
-
Теоретическая часть.
I.1. Что такое свет?
Солнечный свет - это энергия. Тепло солнечных лучей, сфокусированных линзой, превращается в огонь. Свет и тепло отражаются белыми поверхностями и поглощаются черными. Вот почему белая одежда холоднее черной. Какова же природа света? Первым, кто попытался серьезно заняться изучением света, был Исаак Ньютон. Он считал, что свет состоит из частиц корпускул, которые наподобие пуль выстреливаются источником света. Но некоторые характеристики света не могли быть объяснимы этой теорией. Другой ученый, Гюйгенс, предложил другое объяснение природы света. Он разработал «волновую» теорию света. Он считал, что свет образует импульсы, или волны, наподобие того, как камень, брошенный в пруд, создает волны. Каких взглядов сегодня придерживаются ученые на происхождение света? В настоящее время считается, что световые волны имеют характерные особенности и частиц, и волн одновременно. Проводятся опыты, подтверждающие обе теории.
Свет состоит из фотонов - невесомых частиц, не обладающих массой, путешествующих со скоростью около 300 000 км/с и обладающих волновыми свойствами. Частота волновых колебаний света определяет его цвет. Кроме того, чем выше частота колебаний, тем короче длина волны. Каждый цвет обладает своей частотой колебаний и длиной волны. Белый солнечный свет состоит из многих цветов, которые можно увидеть, преломив его через стеклянную призму.
I.2. Явление дисперсии света.
Явление дисперсии света первым начал изучать И. Ньютон и считается одной из важнейших его научных заслуг. Недаром на его надгробном памятнике, поставленном в 1731 году и украшенном фигурами юношей, которые держат в руках эмблемы его главнейших открытий, одна фигура держит призму, а в надписи на памятнике есть слова: «Он исследовал различие световых лучей и появляющиеся при этом различные свойства, чего ранее никто не подозревал». Последнее утверждение не совсем точно. Дисперсия была известна и ранее, но обстоятельно она не изучалась. Занимаясь усовершенствованием телескопов, Ньютон обратил внимание на то, что изображение, даваемое объективом, по краям окрашено. Исследуя окрашенные при преломлении края, Ньютон сделал свои открытия в области оптики. При разложении луча белого цвета в призме образуется спектр, в котором излучения разных длин волн преломляются под разным углом. Цвета, входящие в спектр, то есть такие цвета, которые могут быть получены световыми волнами одной длины (или очень узким диапазоном), называются спектральными цветами. Солнце одновременно светит всеми семью цветами спектра, но прежде, чем попасть на Землю, лучи должны пройти через защитный газовый слой атмосферы, которая так или иначе искажает их восприятие. Ведь любой свет представляет собой электромагнитную волну, от которой зависит, каким нам покажется цвет предмета. Наиболее короткими являются волны синего спектра, а наиболее длинными - красного. В течение дня Солнце занимает разные положения относительно той точки Земли, где находится предполагаемый наблюдатель. Следовательно, и толщина атмосферы, которую приходится преодолевать солнечным лучам, тоже разная. В полдень лучи проходят по короткому пути, падают отвесно и не успевают рассеяться. Поэтому, находясь в зените, Солнце кажется нам белым. (Приложение 2)
Вечером солнечным лучам приходится преодолевать более толстый слой атмосферы, так как они падают на поверхность Земли под углом. Попав в атмосферу, в первую очередь рассеивается синяя часть спектра, затем остальные и наших глаз достигают только длинные красные волны - как наиболее устойчивые к помехам. Именно по этому принципу выбирали цвета для дорожных светофоров. Но на процесс рассеивания солнечных лучей влияет не только толщина атмосферы. Большую роль играет присутствие в воздухе невидимых человеческому глазу частиц пыли и пара. Они обычно скапливаются в атмосфере при высоком давлении, связанным с сухой погодой. Зарождающийся ветер перемешивает их, формируя определенную зону, где частиц содержится больше, чем в спокойной атмосфере.
Когда Солнце садится за горизонт, его лучи падают на этот участок и тем самым подсвечивают его. При особенно плотном содержании пыли даже желтому и оранжевому спектру сложно добраться до человеческого глаза. Поэтому закат приобретает ярко-красные тона. Закаты Солнца нередко порождают красивейшие картины. Небо и облака окрашиваются разными цветами - здесь и красный, и розовый, и желтый, и нежно-голубой. Ни один закат не повторяется! Очевидно, вся эта красота возможна благодаря тому, что заходящее Солнце меняет свой цвет с ярко-желтого на оранжевый и даже красный. Но почему так происходит? Почему солнце на закате красное?
На самом деле физика процесса очень простая. Как известно, Земля окружена атмосферой. И это очень хорошо, ведь мы ею дышим! Атмосфера состоит в основном из двух газов - азота и кислорода. Кроме того, в небольших количествах в ней присутствуют аргон, пары воды и углекислый газ. Все это существует в виде беспорядочно летающих вокруг нас и сталкивающихся друг с другом молекул. Свет Солнца, прежде чем попасть в наши глаза, должен вначале преодолеть 150 миллионов километров - расстояние от Солнца до Земли, а затем пройти сквозь толщу атмосферы. И вот здесь у солнечного света начинаются проблемы. Свет, который излучает Солнце, практически белый. Возможно, чуть-чуть желтоватый. А что это значит? Это значит, что в пучке солнечного света присутствует свет самых разных длин волн — от фиолетового до красного. Больше всего в солнечном свете зеленого и желтого света, но, сливаясь и перемешиваясь с фиолетовым, синим, оранжевым и красным, он становится белым. Но что происходит со светом, когда он проходит через земную атмосферу? Он сталкивается с беспорядочно летающими тут и там молекулами воздуха! Молекулы эти очень маленькие, но и длина волны видимого света такая же маленькая. Следовательно, часть света будет рассеяна в разные стороны и не дойдет до наших глаз. Одинаково ли рассеивается свет разных длин волн? Оказывается, нет, не одинаково. Чем короче длина волны, тем труднее избежать свету столкновения со встретившейся на его пути молекулой. Длинноволновому свету легче обогнуть препятствие, чем коротковолновому. Следовательно, голубой и фиолетовый свет, идущий от Солнца будет лучше рассеиваться в небе, чем оранжевый и красный. А теперь посмотрим днем на небо. Какого оно цвета? Конечно, голубого, если только не затянуто облаками. А Солнце какого цвета? Скорее всего, желтое! Почему? Потому что ему не хватает того самого голубого и синего света, который был отнят и рассеян атмосферой Земли, чтобы быть белым! Что же происходит на закате Солнца? А происходит очень интересная вещь: свет звезды проходит через бо́льшую толщу атмосферы, чем днем. Значит, солнечный свет потеряет еще больше коротковолнового света, пока дойдет до нас! Доходит до того, что даже желтый и зеленый свет Солнца, рассеивающийся хуже, чем синий, также рассеивается в достаточных количествах, окрашивая небо в самые разные оттенки. В итоге непосредственно от Солнца доходит до нас только самый длинноволновый красный свет! И сама наша дневная звезда на закате бывает совсем не яркая. Ведь большая часть его света была отобрана атмосферой! Вот почему при закате Солнце красное! (Приложение 3) Но почему же тогда один закат отличается от другого? Почему заходящее Солнце бывает ярко оранжевым и даже желтым? Это зависит от состояния атмосферы у горизонта в конкретный вечер. Взвешенные в воздухе мелкие частички усиливают эффект. Например, в степи закаты летом часто очень красивые из-за мелкой пыли в воздухе. Пыль легко отбирает у Солнца почти весь свет, так как ее частички гораздо крупнее, чем молекулы воздуха. Если посмотреть на Солнце сквозь пыль или дым пожара, оно всегда будет красным. Самая крупная, обычная пыль, как и водяной пар, будет рассеивать весь свет Солнца равномерно. У моря роль пыли часто играют частички соли.
I.3. Почему восход и закат красные?
Во время восхода и заката Солнце находится низко над уровнем горизонта, свет падает не прямо сверху, а уже под большим углом и поэтому, прежде чем достигнуть наших глаз, должен пройти значительно больший слой атмосферы, чем днем. Рассеянный кислородом голубой свет (да и не только голубой) уже не способен пробиться через такой толстый слой атмосферы, а вот красный свет, не встречая преград, проходит напрямую. Все небо не становится красным потому, что при прохождении сквозь атмосферу красного света не наблюдается такого эффекта рассеивания, как в случае с голубым светом. Однако области неба вокруг солнца могут принимать красноватый, оранжевый или розовый оттенок из-за содержащихся в атмосфере пыли и молекул воды, которые обладают возможностью несколько рассеивать красный свет.
Свет - это всего лишь различаемый человеческим глазом участок в довольно узком диапазоне спектра электромагнитных волн. В этом диапазоне граничные позиции занимают красный и фиолетовый цвета, постепенно переходя с увеличением длины волны излучения в инфракрасное и ультрафиолетовое излучение. Благодаря низкой способности к рассеянию в атмосфере, красный цвет применяется в качестве сигнального цвета на объектах, различение которых важно в условиях недостаточной видимости. Это сигнальные огни, размещаемые на высотных объектах, на наружной части бортов самолетов. Соответственно, цвета, обладающие высокой способностью к рассеянию в атмосфере, применяются для светомаскировки. Чаще всего это синий и фиолетовый цвета. О цветах заката, именно по причине плохой способности к рассеянию красного света солнце на закате переливается всеми оттенками этого цвета. В момент, когда солнце находится у горизонта, его лучам на пути к нашему глазу приходится проходить слой атмосферы гораздо толще обычного. В обычных условиях цвет солнца при взгляде на него кажется ослепительно-белым. Проходя через толстый слой атмосферы, цвета, за исключением всех оттенков красного, сильно рассеиваются или поглощаются атмосферой.
Соответственно, солнце на горизонте будет тем краснее, чем толще слой атмосферы лежит между ним и нашим глазом, либо чем беспокойнее и, соответственно, запыленнее будет этот самый слой атмосферы. Наши предположения оказываются верными. Чем ближе солнце к горизонту, тем толще слой атмосферы, через который к нам стремится его свет, и тем, соответственно, краснее его оттенки. Верно также и следующее утверждение: чем багровее закат, тем ненастнее и ветренее окажется следующий день.
А чем обусловлен голубой цвет неба? Голубой и синий цвета лежат в спектре между зеленым и фиолетовым. Все они обладают способностью к рассеянию в атмосфере. Рассеяние какого-либо цвета в определенной среде приводит к окрашиванию среды в этот цвет. Воздух прозрачен и бесцветен, но в толще атмосферы в ясный день он голубого цвета, так как солнечные лучи рассеиваются в воздухе. Свет, или солнечные лучи, - это распространяющиеся электромагнитные волны. Фиолетовые, синие и голубые - лучи с короткой длиной волны. В ясный день они интенсивно рассеиваются молекулами воздуха и становятся доступными глазу, а у лучей красного и жёлтого цветов длина волны почти вдвое больше, поэтому рассеиваются они молекулами воздуха значительно меньше. В облаках и тумане содержится много различных примесей, капелек воды, кристалликов льда, здесь лучи всех длин волн рассеиваются одинаково сильно, поэтому облака и туман белого цвета. На закате небо часто окрашивается в красные и жёлтые цвета. Это происходит потому, что вечером Солнце стоит низко над горизонтом и солнечные лучи проходят очень длинный путь в атмосфере. Они активно рассеиваются, теперь нашему взгляду становятся доступны красные и жёлтые лучи.
-
Практическая часть.
II.1. Опыт №1. Я стала проводить эксперименты со светом и различными предметами. Понаблюдала за предметом (цветочек) через стеклянную треугольную призму и обнаружила, что если, глядя на предмет поставить между собой и ним треугольную призму, то мы цветок не замечаем, а если ставим его сбоку от призмы, то он смотрит прямо на нас. Потом посветила на призму лазерной указкой и обнаружила, что свет проходит не прямо через неё, а поворачивает.
Сделала вывод: Проходя через разные материалы свет может менять направление. (Приложение 4)
II.2. Опыт №2. Понаблюдала за светом через подаренную папой дифракционную решетку и увидела в ней радугу. Оказывается, что белый солнечный свет состоит из семи цветов радуги, и различные материалы и процессы могут разделить свет по цветам. (Приложение 5)
Вывод: солнечный белый свет состоит их 7 цветов радуги.
II.3. Опыт №3. Я стала светить фонариком на разные предметы и наблюдать что происходит, и обнаружила, что если просветить фонариком через голубой опал, то выходящий свет буде красно-оранжевым. Причем, чем толще камень, тем темнее цвет. Мне это напомнило цвет заката. (Приложение 6)
Вывод: Свет, проходя через различные материалы может менять цвет.
II.4. Опыт №4. В школе на уроках окружающего мира учительница рассказывала нам о том, что земля круглая и вращается вокруг солнца. Из-за этого вращения наступает день и ночь. Ещё я знаю, что земля окружена атмосферой, состоящей из воздуха, пыли, облаков и других летающих веществ. Я взяла глобус и стала светить на него под разными углами. Я обнаружила, что если светить под углом, то пятно света длиннее. (Приложение 7)
Вывод: На закате солнечные лучи проходят в атмосфере большее расстояние чем днем.
II.5. Опыт №5. Я решила это проверить и в школьном кабинете физики попросила прямоугольную стеклянную призму. Посветила в нее лазерной указкой сначала прямо, потом под углом и измерила линейкой. Когда светила под углом расстояние, пройдённое светом, было больше. (Приложение 8)
Заключение.
В результате исследовательской работы я выяснила интересные факты о закате солнца. Закатом считают момент, когда над горизонтом исчезает верхняя точка солнца. Солнечные лучи проходят через огромный слой воздуха, прежде, чем попасть на Землю. Человеческим взглядом цвет солнца в зените воспринимается как белый. На самом деле спектр солнечного света состоит из семи основных цветов и их оттенков. Опускающееся за горизонт Солнце окрашивается в красноватый оттенок, а цвет неба при этом меняется с синего на ярко-оранжевый. Подобные изменения вызваны тем, что при нахождении светила низко над горизонтом, его лучи проходят через более плотные слои атмосферы. Когда его яркий свет затемняется, проходя через среду с высокой оптической плотностью, человеческий глаз воспринимает его как красный. На Земле есть места, где каждый день наблюдать закат не получится: это территории за полярным кругом, где наблюдаются явления полярного дня (ночи). Оно объясняется наклоном земной оси и приплюснутостью Земли у полюсов. Наблюдая закаты, мы сделали много фотографий, похожие были, но одинаковых не было. Это объясняется изменчивостью и непостоянством тропосферы. Для презентации отобрали самые лучшие фотографии, которые передают удивительные моменты заката в нашей местности. В ходе исследования проводили наблюдения не только за закатами, но и следили за погодой следующего дня, проверяя народные приметы. Солнечный закат предсказывал хорошую погоду. Светлый золотистый цвет заката на безоблачном небе – признак спокойного состояния атмосферы, чистого сухого воздуха и сохранения хорошей погоды. Красная заря бывает при большой влажности воздуха, что увеличивает вероятность перемены погоды – усиление ветра, появление облаков, но не обязательно резкого её ухудшения. Если же солнце заходит за облака, появившиеся на горизонте, то очевидна вероятность изменения погоды, связанного с приходом этих облаков. Но указанные приметы по нашим наблюдениям не всегда сбывались. Солнце кажется нам красным утром и вечером (в это время оно находится низко над горизонтом) от того, что лучи его встречают препятствия: пылинки в воздухе и капельки влаги. На закате солнечный свет проходит большее расстояние в атмосфере, чем днем, а поскольку атмосфера неоднородна и в ней содержатся различные вещества, часть цветов, из которых состоит солнечный свет, задерживается, и мы видим в основном оттенки красного.
Список использованной литературы
1. Физика. Химия. 5-6 кл. Учебник. М.: Дрофа, 2009, стр.106
2. Булат явления в природе. М.: Просвещение, 1974г., 143 с.
3. Лекции по оптике. Тарасов в природе. – М.: Просвещение, 1988г
Интернет-ресурсы:
1. http://potomy. ru/ Почему цвет у неба голубой
2. http://expirience. ru/category/obrazovanie/
Приложение 1.
Приложение 2.
Приложение 3.
Приложение 4.
Приложение 5.
Приложение 6.
Приложение 7.
Приложение 8.