VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Свет и цвет
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Глава 1. Теоретическая часть.
1.1 Что такое свет
Представьте, что вы стоите на освещенной солнцем поляне. Сколько вокруг ярких красок: зелёная трава, жёлтые одуванчики, красная земляника, синие колокольчики! Но мир ярок и красочен только днём, в сумерках все предметы становятся одинаково серыми, а ночью и вовсе невидимыми. Именно свет позволяет увидеть окружающий мир во всём его разноцветном великолепии.
Главный источник света на Земле — Солнце, громадный раскалённый шар, в глубинах которого непрерывно идут ядерные реакции. Часть энергии этих реакций Солнце посылает нам в виде света.
Что же такое свет? Учёные спорили об этом на протяжении столетий. Одни считали, что свет — поток частиц. Другие проводили опыты, из которых с очевидностью следовало: свет ведёт себя как волна. Правы оказались и те и другие. Свет — это электромагнитное излучение, которое можно представить, как бегущую волну. Волна создаётся колебаниями электрического и магнитного полей. Чем выше частота колебаний, тем большую энергию несёт излучение.
Человеческий глаз (к сожалению, а может быть, и к счастью) способен воспринимать электромагнитное излучение только в очень узком диапазоне длин волн, от 380 до 740 нанометров. Этот видимый свет излучает фотосфера — относительно тонкая (менее 300км толщиной) оболочка Солнца. Если разложить «белый» солнечный свет по длинам волн, получится видимый спектр — хорошо известная всем радуга, в которой волны разной длины воспринимаются нами как разные цвета: от красного (620—740 нм) до фиолетового (380—450 нм). Излучение с длиной волны больше 740 нм (инфракрасный) и меньше 380—400 нм (ультрафиолетовый) для человеческого глаза невидимо. В сетчатке глаза есть специальные клетки — рецепторы, отвечающие за восприятие цвета. Они имеют коническую форму, поэтому их называют колбочками. У человека три типа колбочек: одни лучше всего воспринимают свет в сине-фиолетовой области, другие — в жёлто-зелёной, третьи — в красной.
Как мы видим цвет
Что же определяет цвет окружающих нас вещей? Для того чтобы наш глаз увидел какой-либо предмет, нужно, чтобы свет сначала попал на этот предмет, а уже затем на сетчатку. Мы видим предметы, потому что они отражают свет, и этот отражённый свет, пройдя через зрачок и хрусталик, попадает на сетчатку. Свет, поглощённый предметом, глаз, естественно, увидеть не может. Сажа, например, поглощает почти всё излучение и кажется нам чёрной. Снег, напротив, равномерно отражает почти весь падающий на него свет и потому выглядит белым. А что будет, если солнечный свет упадёт на выкрашенную синей краской стену? От неё отразятся только синие лучи, а остальные будут поглощены. Поэтому мы и воспринимаем цвет стены как синий, ведь у поглощённых лучей просто нет шанса попасть на сетчатку глаза.
Разные предметы, в зависимости от того, из какого вещества они сделаны (или какой краской покрашены), поглощают свет по-разному. Когда мы говорим: «Мячик красный», то имеем в виду, что отражённый от его поверхности свет воздействует только на те рецепторы сетчатки глаза, которые чувствительны к красному цвету. А это значит, что краска на поверхности мячика поглощает все световые лучи, кроме красных. Предмет сам по себе не имеет никакого цвета, цвет возникает при отражении от него электромагнитных волн видимого диапазона. Если вас попросили отгадать, какого цвета бумажка лежит в запечатанном чёрном конверте, вы нисколько не погрешите против истины, если ответите: «Никакого!». И если красную поверхность осветить зелёным светом, то она покажется чёрной, потому что зелёный свет не содержит лучей, отвечающих красному цвету. Чаще всего вещество поглощает излучение в разных частях видимого спектра. Молекула хлорофилла, например, поглощает свет в красной и голубой области, а отражённые волны дают зелёный цвет. Благодаря этому мы можем любоваться зеленью лесов и трав.
Почему одни вещества поглощают зелёный свет, а другие — красный? Это определяется структурой молекул, из которых вещество состоит. Взаимодействие вещества со световым излучением происходит таким образом, что за один приём одна молекула «заглатывает» только одну порцию излучения, иначе говоря, один квант света или фотон (вот нам и пригодилось представление о свете как о потоке частиц!). Энергия фотона напрямую связана с частотой излучения (чем выше энергия — тем больше частота). Поглотив фотон, молекула переходит на более высокий энергетический уровень. Энергия молекулы повышается не плавно, а скачком. Поэтому молекула поглощает не любые электромагнитные волны, а только те, которые подходят ей по величине «порции».
Вот и получается, что ни один предмет не окрашен сам по себе. Цвет возникает из выборочного поглощения веществом видимого света. А поскольку способных к поглощению веществ — и природных, и созданных химиками — в нашем мире великое множество, мир под Солнцем расцвечен яркими красками.
1.2. Краткая история развития науки о цвете
С древних времен ученые пытались объяснить природу цвета. Однако вплоть до 60–х гг. XVII в. Существовали самые неправдоподобные теории этого явления.
Еще Аристотель (384–322 гг. до н.э.) считал, что причиной возникновения цветов является смешение света с темнотой. Подобные теории выдвигались и значительно позднее такими учеными, как Рене Декарт (1596–1650), Иоган Кеплер (1571–1630), Роберт Гук (1635–1703). Причину цвета многие ученые того времени связывали со свойствами самого света, а не с работой глаза.
В 1664–1668 гг. Исаак Ньютон (1643–1727) провел серию опытов по изучению солнечного света и причин возникновения цветов. Результаты исследований были опубликованы в 1672 г. Под названием "Новая теория света и цветов". Этой работой Ньютон заложил основу современных научных представлений о цвете.
Хотя с тех пор наука о цвете получила большое развитие, многие положения, установленные Ньютоном, не утратили своего значения до наших дней.
В 1665 году Исаак Ньютон направил на призму узкий пучок дневного света и получил на противоположной стене радужную полоску, которую он назвал «spectrum» (в переводе с латыни — образ). Ньютон понял, что обычный дневной свет является смесью лучей разного цвета — от красного до фиолетового. Лучи с разной длиной волны, преломляясь в призме, отклоняются на разные углы, и «белый» свет расщепляется на разноцветный пучок, похожий на радугу.
Впервые наиболее близко к объяснению трехцветной природы зрения подошел великий русский ученый М.В. Ломоносов (1711–1765) в своем сочинении "Слово о происхождении света, новую теорию о цветах представляющую" (1765г.).
Но только Томас Юнг (1773–1829, английский физик и врач) в 1802 г. Впервые объясни многообразие воспринимаемых цветов строением глаза. Юнг считал, что в глазу находятся три вида светочувствительных окончаний нервных волокон. Действие света приводит к их раздражению. При раздражении волокон каждого отдельного вида возникают ощущения красного, зеленого и фиолетового цвета. При раздражении нервных волокон всех видов возникают ощущения всевозможных других цветов, которые можно рассматривать как смеси трех цветов основных раздражений.
Юнг первый правильно назвал одну из триад основных цветов: красного, зеленого, фиолетового. Для определения сложных цветов он предложил пользоваться графиком, подобным цветовому кругу, но имеющим форму треугольника, в вершинах которого находятся точки трех основных цветов.
Свое подтверждение и дальнейшее развитие трехцветная теория получила в середине XIXв. в работах Германа Гельмгольца (1821–1894, немецкий физик и физиолог, впервые дал математическую формулировку закона сохранения энергии) и Джеймса Клерка Максвелла (1831–1879, английский физик, открыл электромагнитную природу света.).
После Максвелла многие исследователи производили измерения для выражения всех спектральных цветов количествами трех основных. Достаточно точные данные были получены только в 1930–1931гг. Райтом и Гилдом, которые выполняли свои измерения независимо друг от друга. При этом в качестве излучений трех основных цветов они брали совершенно разные излучения: в опытах Райта это были однородные излучения, в опытах Гилда — сложные излучения, проходящие через светофильтры. Их опытные данные после пересчета на единую триаду основных цветов очень хорошо совпали. В 1931 г. Конгресс МОК (Международная Осветительная Комиссия) принял эти данные в качестве основы для международных систем измерения цветов RGB и XYZ. Система XYZ остается до сего времени основной практической системой измерения цветов.
Р ядом исследователей были рассчитаны спектральные чувствительности трех приемников глаза. В 1947г. Гранит провел опыты на живом глазу у некоторых животных, обладающих цветовым зрением. В результате опытов он обнаружил наличие в глазу животных трех видов приемников: сине–, зелено– и красно–чувствительного. Таким образом подтвердилась трехцветная теория Юнга, которая хотя и была очень достоверной, но все же оставалась гипотезой.
Попытки применить на практике научные открытия в области природы цвета предпринимались еще на основании работ Ньютона. Так, через три года после смерти Ньютона (в 1730г.) французский гравер Ле Блон пытался получить многоцветные гравюры, используя семь основных цветов Ньютона. Однако он убедился, что при этом можно ограничиться всего тремя цветами.
В 1855г. Максвелл впервые указал на возможность применения принципов трехцветной теории зрения в практике воспроизведения цветных изображений. В 1861г. Он впервые продемонстрировал цветную фотографию, полученную трехцветным способом. Эта фотография была получена аддитивным смешением.
В конце XIXв. Дю–Орон разработал принципы способов цветовой субтрактивной репродукции, включая схему современного способа цветной фотографии на трехслойных пленках и цветной печати. Однако общий уровень развития техники того времени не позволял широко их применить. Раньше других способов начала применяться на практике цветная печать (в конце XIX — начале XXв.). Однако цветную печать скорее можно было отнести к искусству хромолитографии, чем к технике. Лишь в середине 30–х годов началось освоение современных промышленных методов цветной печати и цветной фотографии, основанных на методах трехцветного воспроизведения. В настоящее время эти методы нашли широчайшее применение в цветном телевидении и компьютерной технике, и, конечно, в интересующей нас область — представление информации в Интернет [1].
2 Глава Практическая часть. Волны света. Цвета.
2.1. Разложение света на цвета. Длина волн света.
Видимый свет — электромагнитные волны с частотой и длиной, которые определяют его цвет.
Длину волны света принято измерять в нанометрах.
1 нанометр (нм) — единица измерения длины, равная одной миллиардной доле метра (10-9м).
В одном миллиметре содержится миллион нанометров.
Частоту колебаний измеряют в герцах (Гц). 1 Гц — это одно колебание в секунду.
Видимый свет — это лишь малая часть электромагнитного излучения Солнца, включающего радио- и микроволновое, инфракрасное, видимое (от 380 до 740 нанометров), ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение. У радиоволнового излучения длины волн — от нескольких дециметров до нескольких километров, а у гамма-лучей длина волны составляет сотые и тысячные доли нанометра. Видимый свет испускается не только Солнцем, но и другими источниками — лампами, пламенем костра, раскалённым куском металла [2].
Люди и животные видят большой спектр электромагнитного излучения. Большинство людей и животных, например, реагируют на видимый свет, а некоторые животные — еще и на ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Способность различать цвета — не у всех животных — некоторые, видят только разницу между светлыми и темными поверхностями. Наш мозг определяет цвет так: фотоны электромагнитного излучения попадают в глаз на сетчатку и, проходя через нее, возбуждают колбочки, фоторецепторы глаза. В результате по нервной системе передается сигнал в мозг. Кроме колбочек, в глазах есть и другие фоторецепторы, палочки, но они не способны различать цвета. Их назначение — определять яркость и силу света.
Самая короткая длина волны видимого света — 380 нанометров. Это фиолетовый цвет, за ним следуют синий и голубой, затем зеленый, желтый, оранжевый и, наконец, красный. Белый свет состоит из всех цветов сразу, то есть, белые предметы отражают все цвета. Это можно увидеть с помощью призмы. Попадающий в нее свет преломляется и выстраивается в полосу цветов в той же последовательность, что в радуге. Эта последовательность — от цветов с самой короткой длиной волны, до самой длинной. Зависимость скорости распространения света в веществе от длины волны называется дисперсией.
Радуга образуется похожим способом. Капли воды, рассеянные в атмосфере после дождя, ведут себя так же как призма и преломляют каждую волну. Цвета радуги настолько важны, что во многих языках существуют мнемоника, то есть прием запоминания цветов радуги, настолько простой, что запомнить их могут даже дети. Многие дети, говорящие по-русски, знают, что «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан». Некоторые люди придумывают свою мнемонику, и это — особенно полезное упражнение для детей, так как, придумав свой собственный метод запоминания цветов радуги, они быстрее их запомнят.
Свет, к которому человеческий глаз наиболее чувствителен — зеленый, с длиной волны в 555 нм в светлой среде и 505 нм в сумерках и темноте. Различать цвета могут далеко не все животные. У кошек, например, цветное зрение не развито. С другой стороны, некоторые животные видят цвета намного лучше, чем люди. Например, некоторые виды видят ультрафиолетовый и инфракрасный свет. [3]
Инфракрасный свет.
У змей, в отличие от людей, не только зрительные рецепторы, но и чувствительные органы, которые реагируют на инфракрасное излучение. Они поглощают энергию инфракрасный лучей, то есть реагируют на тепло. Некоторые устройства, например приборы ночного видения, также реагируют на тепло, выделяемое инфракрасным излучателем. Такие устройства используют военные, а также для обеспечения безопасности и охраны помещений и территории. Животные, которые видят инфракрасный свет, и устройства, которые могут его распознавать, видят не только предметы, которые находятся в их поле зрения на данный момент, но и следы предметов, животных, или людей, которые находились там до этого, если не прошло слишком много времени. Например, змеям видно, если грызуны копали в земле ямку, а полицейские, которые пользуются прибором ночного видения, видят, если в земле были недавно спрятаны следы преступления, например, деньги, наркотики, или что-то другое. Устройства для регистрации инфракрасного излучения используют в телескопах, а также для проверки контейнеров и камер на герметичность. С их помощью хорошо видно место утечки тепла. В медицине изображения в инфракрасном свете используют для диагностики. В истории искусства — чтобы определить, что изображено под верхним слоем краски. Устройства ночного видения используют для охраны помещений.
Ультрафиолетовый свет.
Некоторые рыбы видят ультрафиолетовый свет. Их глаза содержат пигмент, чувствительный к ультрафиолетовым лучам. Кожа рыб содержит участки, отражающие ультрафиолетовый свет, невидимый для человека и других животных — что часто используется в животном мире для маркировки пола животных, а также в социальных целях. Некоторые птицы тоже видят ультрафиолетовый свет. Это умение особенно важно во время брачного периода, когда птицы ищут потенциальных партнеров. Поверхности некоторых растений также хорошо отражают ультрафиолетовый свет, и способность его видеть помогает в поиске пищи. Кроме рыб и птиц, ультрафиолетовый свет видят некоторые рептилии, например черепахи, ящерицы и зеленые игуаны (на иллюстрации).
Человеческий глаз, как и глаза животных, поглощает ультрафиолетовый свет, но не может его обработать. У людей он разрушает клетки глаза, особенно в роговице и хрусталике. Это, в свою очередь, вызывает различные заболевания и даже слепоту. Несмотря на то, что ультрафиолетовый свет вредит зрению, небольшое его количество необходимо людям и животным, чтобы вырабатывать витамин D. Ультрафиолетовое излучение, как и инфракрасное, используют во многих отраслях, например в медицине для дезинфекции, в астрономии для наблюдения за звездами и другими объектами и в химии для отверждения жидких веществ, а также для визуализации, то есть для создания диаграмм распространения веществ в определенном пространстве. С помощью ультрафиолетового света определяют поддельные банкноты и пропуска, если на них должны быть напечатаны знаки специальными чернилами, распознаваемыми с помощью ультрафиолетового света. В случае с подделкой документов ультрафиолетовая лампа не всегда помогает, так как преступники иногда используют настоящий документ и заменяют на нем фотографию или другую информацию, так что маркировка для ультрафиолетовых ламп остается. Существует также множество других применений для ультрафиолетового излучения [4].
Практический опыт:
Разложили свет на цвета с помощью графина с водой и зеркала.
2.2. Почему небо синее
"Почему небо синего цвета?» - это одни из самых распространенных физических вопросов.
Главная причина, почему небо голубое, кроется в зависимости интенсивности рассеянного света от частоты. Оказывается, что синий свет рассеивается каждым атомом гораздо сильнее, чем например, красный. Почему небо на закате красное?» Красный цвет неба на закате объясняется тем, что проходя через большую толщу воздуха, синий цвет очень сильно поглощается и остается только красный.
А когда солнце высоко - поглощение мало, и небо голубое. Это можно проверить на опыте. Возьмем стеклянную банку с водой и лампу. Добавим в воду несколько капель молока и перемешаем. Направим пучок света от лампы через воду так, чтобы видеть пучок либо в рассеянном на молекулах молока свете (наблюдение под углом), либо глядя прямо на пучок через воду. Обратите внимание на синюю окраску рассеянного света (при наблюдении под углом) и на красноватый оттенок при наблюдении источника света по прямой линии через банку.
2.3 Смешивание цветов.
Оптическое смешение цветов.
Белый цвет можно получить не только сложением семи цветов. В 1807 году Т. Юнг 9анг. Физик заметил, что белый цвет можно получить сложением трех спектральных цветов - красного, зеленого и синего. Это можно увидеть в театре или в цирке, наблюдая за тремя лучами прожектора (красный, синий, зеленый).
В результате оптического сложения этих лучей получится белый цвет. В зависимости от того, в каких пропорциях складывать эти цвета можно получить разнообразные цвета и их оттенки, но красный, зеленый и синий цвета нельзя получить смешением других цветов. Поэтому эти три цвета были названы основными.
На сложении этих трех цветов основаны цветное кино, цветное телевидение, цветная фотография.
Интересно: В эпоху чёрно-белого телевидения в камерах часто применялись красные фильтры, из-за чего красная помада делала губы на экранах телевизоров бледными. Поэтому дикторш и актрис гримировали зелёными румянами и помадой.
Механическое смешение цветов.
Механическое смешение цветов происходит тогда, когда мы смешиваем краски на палитре.
Основными красками являются малиновая, желтая и голубая, которые при смешении дают краску черного цвета.
Складывая желтый и голубой спектральных цвета (луча), мы получаем белый цвет, т.к. эти цвета дополнительные. Но смешивая желтую и голубую краски, мы получаем зеленую краску. Т.е., оптическое сложение цветов не совпадает с механическим.
Практический опыт: смешали в воде желтый и черный цвета. Получили темно-зеленый оттенок.
2.4. Нагревание воды разного цвета
Практический опыт:
нагрели на свету воду разных цветов.
Вода черного цвета нагрелась больше, чем белого за одинаковый период времени.
Глава 3. Применение знаний о цвете в оформлении комнаты школьника
3.1 Теплые и холодные цвета.
“Цвет способен на все: он может успокоить и возбудить, он может создать гармонию или вызвать потрясение, от него можно ждать чудес, но он может вызвать и катастрофу” – так говорил французский ученый Жак Вьено.
Поэтому художникам, дизайнерам, модельерам следует это учитывать.
Красный, оранжевый, желтый и их оттенки человеческий глаз воспринимает как теплые; голубой, синий, фиолетовый – как холодные тона; зеленый цвет – нейтральный, хотя и у него есть холодные и теплые оттенки.
Тёплые и холодные цвета
Цвета бывают тёплые и холодные. Тёплые цвета названы так, потому что ассоциируются с огнём, жарой, солнцем. К тёплым цветам относятся красный, оранжевый, жёлтый, коричневый, песочный, а также тёплые оттенки зелёного и розового.
Холодные цвета названы так, потому что ассоциируются с зимой, льдом, водой, глубиной. К холодным цветам относятся синий, голубой, бирюзовый, фиолетовый, сиреневый и их холодные оттенки.
Такие цвета, как зелёный, коричневый, розовый, фиолетовый могут быть тёплыми и холодными. Так, зелёный будет тёплым, если в нём больше жёлтого, а если больше голубого, — он становится холодным. Определять холодные и тёплые цвета можно по цветовому кругу.
Теплые цвета, как правило, вызывают бодрое настроение – их очень часто называют активными, холодные же, наоборот, успокаивают, их называют пассивными.
Большая интенсивность цвета, действующая на человека длительное время, утомляет зрение, яркая окраска надоедает и раздражает. Помещение со слабым освещением лучше всего отделывать в светло-желтые и светло-розовые тона. Белый цвет значительно уступает этим цветам, т. к. при слабом освещении белые поверхности кажутся тусклыми и серыми. Хорошо освещенные помещения, обращенные на юг можно отделывать более темными и даже холодными цветами. Не следует забывать, что освещенность нижних этажей, всегда меньшая, чем верхних, поэтому цвет окраски нижних этажей должен быть светлее верхних.
Исследования показывают, что больше всего утомляет сетчатку глаза фиолетово-синий, несколько менее красный и менее всех – зеленый цвет.
3.2. Цвета для оформления комнаты школьника.
Спальное место лучше оформить в бежевых, светло-серых, серо-зеленых, серо-голубых цветах
Игровой уголок в синих, оранжевых, голубых, розовых, белых, бежевых, красных цветах. Учебное место в зеленых, желтых цветах.
Пол в светло-коричневых, бежевых, зеленых, голубых цветах.
Потолок в белых, бежевых, желтых, голубых цветах.
Заключение.
В ходе работе мы убедились, что, несмотря на противоположность научного и художественного подходов, ни один из них не может существовать без другого. И как подтверждение следует вывод: «Цвет является результатом взаимодействия света, объекта и наблюдателя. Чтобы цвет существовал, необходимо присутствие всех трёх этих элементов».
Цветом может пользоваться каждый, но только беззаветно преданным ему он позволяет постичь свои тайны. Учитесь не смотреть, а видеть, и вы поймете, что мир света откроется перед вами в цветном многообразии.
Фундамент здоровья человека закладывается в детском возрасте, в период обучения в школе. Поэтому проведение мероприятий, направленных на сохранение здоровья школьников является важным делом. Цвет – мощное средство воздействия на психику человека. Соответственно современный человек должен знать и понимать, как цвет воздействует на его организм и психику, чтобы лучше ориентироваться в окружающем мире. Цвет может привлекать и отталкивать, вселять чувство спокойствия и комфорта или возбуждать и тревожить. Цвета обращаются к чувствам, а не к логике человека.
Мной установлено, что каждый цвет имеет свою символику и свои психологические особенности. Так же установлено, что уравновешенная в цветовом отношении среда привлекает, создает творческую атмосферу, успокаивает и улучшает работоспособность школьников. Цвет существенно влияет на состояние ученика, на поведение, самочувствие и работоспособность.
Список используемой литературы:
"История физики", Б.И. Станков.
Оптика, 4 изд., М., 1957 (Общий курс физики, т. 3), Ландсберг Г. С.
Колебания и волны, 2 изд., М. — Л., 1959, Горелик Г. С.
Спектральные приборы. Изд-во «Машиностроение», 1968, Тарасов К. И.