VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование отражательной способности поверхностей с помощью датчика света

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Солодухин А.А. 1

---

1МБОУ "Солнечная СОШ №1"

Колмагорова Т.П. 1

---

1МБОУ "Солнечная СОШ №1"

Работа в формате PDF

1.5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Аннотация.

Солнечный свет представляет собой пакет электромагнитных волн разной длины - от коротких (рентген, ультрафиолет) до длинных (инфракрасное излучение). Попадая на поверхность предмета часть солнечных лучей поглощается и энергия поглощенных фотонов разогревает предмет. Величина, характеризующая способность поверхности тела отражать падающий на неё поток света, называется отражательной способностью. Отражательная способность поверхности зависит от её цвета, текстуры, особенностей материала, из которого она состоит. Способ взаимодействия солнечного излучения с объектом определяет его отражательную способность. Все природные образования отражают солнечную радиацию определённым, характерным только для них образом. От этого важного показателя зависит, какое количество солнечной энергии будет оставаться на планете. Хотя тут роль играет уже не только одна характеристика. Неравномерность отражательной способности поверхности земного шара оказывает большое влияние на формирование климата планеты.

Актуальность: знания по данной теме развивают интерес к наукам, изучающим законы природы. Это подтверждает актуальность исследования. Эти знания очень пригодятся в повседневной жизни с результатами и выводами мы познакомили одноклассников и друзей.

Объект исследования: отражательная способность поверхностей.

Предмет исследования: зависимость отражательной способности от цвета, структуры материала и расстояния от источника излучения.

Цель: определить зависимость отражательной способности поверхностей от цвета, структуры и расстояния от источника излучения с помощью датчика света.

Задачи:

1. Изучить теоретический материал по теме

2. Измерить количество света, отражённого от бумаги разных цветов.

при помощи датчика света

3. Исследовать влияние поглощенной энергии на температуру предметов

4. Исследовать зависимость температуры тела от расстояния до источника излучения.

5. Познакомиться с особенностями влияния отражательной способности на обогрев поверхности Земли.

Проблемный вопрос: предметы, окружающие нас, отражают свет и тепло по-разному. От чего это зависит?

Гипотеза: действительно ли отражательная способность поверхностей предметов и всех природных образований зависит от её цвета, структуры, расстояния от источника излучения.

Материалы и оборудование

компьютер с установленной программой Logger Lite;

адаптер GO! Link;

датчик света TI;

листы белого, черного, голубого, зеленого картона;

скотч;

линейка;

Методы:

общелогические методы и приемы исследования: анализ и синтез

методы эмпирического исследования: эксперимент, измерение, сравнение

В результате исследования доказали:

светлые тела лучше отражают излучение, чем темные.

темные тела лучше нагреваются, чем светлые;

мощность теплового излучения сильнее в предметах с темной поверхностью.

чем ближе к источнику излучения, тем выше температура и сильнее излучение.

светоотражательная способность зависит не только от цвета поверхности, но и от структуры поверхности. Чем выше плотность тела, тем выше его отражательная способность.

В результате изучения теоретического материала и проведенных экспериментов и наблюдений мы пришли к выводу о том, что отражательная способность различных предметов неодинакова и это зависит от многих факторов. Отражательная способность поверхности зависит от её цвета, текстуры, особенностей материала, из которого она состоит. Гипотеза, определенная в начале нашей работы, подтвердилась.

Солодухин Алексей,

7 класс

МБОУ «Солнечная СОШ № 1»

п.Солнечный, Сургутского района, ХМАО-Югры

«Исследование отражательной способности поверхностей с помощью датчика света»

Руководитель: Колмагорова Т.А.(учитель географии)

Научная статья.

Введение

Тема исследования: «Исследование отражательной способности поверхностей с помощью датчика света».

Актуальность: знания по данной теме развивают интерес к наукам изучающим законы природы. Это подтверждает актуальность исследования. Эти знания очень пригодятся в повседневной жизни с результатами и выводами мы познакомили одноклассников и друзей.

Проблемный вопрос: предметы, окружающие нас, отражают свет и тепло по-разному. От чего это зависит?

Объект исследования: отражательная способность поверхностей.

Предмет исследования: зависимость отражательной способности от цвета, структуры материала и расстояния от источника излучения.

Цель: определить зависимость отражательной способности поверхностей от цвета, структуры и расстояния от источника излучения с помощью датчика света .

Задачи:

1. Изучить теоретический материал по теме.

2. Измерить количество света, отражённого от бумаги разных цветов при помощи датчика света.

3. Исследовать влияние поглощенной энергии на температуру предметов.

4. Исследовать зависимость температуры тела от расстояния до источника излучения.

5. Познакомиться с особенностями влияния отражательной способности на обогрев поверхности Земли.

Материалы и оборудование

компьютер с установленной программой Logger Lite;

адаптер GO! Link;

датчик света TI;

листы белого, черного, голубого, зеленого картона;

скотч;

линейка;

Методы:

общелогические методы и приемы исследования: анализ и синтез

методы эмпирического исследования: эксперимент, измерение, сравнение

Гипотеза: действительно ли отражательная способность поверхностей предметов и всех природных образований зависит от её цвета, структуры, расстояния от источника излучения.

Новизна исследования: использование современных датчиков для знакомства с окружающей средой.

Практическая значимость: способность тел по разному поглощать энергию излучения находит широкое применение в быту и технике. Поверхность дирижаблей, крылья самолетов красят серебристой краской, чтобы они меньше нагревались солнечными лучами Практически вся бытовая техника в наших домах белого цвета, чтобы не перегревалась. Поэтому мы летом предпочитаем носить светлую одежду. Если же наоборот необходимо использовать солнечную энергию, например, в солнечных батареях на искусственных спутниках Земли, на электростанциях, работающих от солнечной энергии, то эти части приборов окрашивают в темный цвет.

В результате исследования доказали:

светлые тела лучше отражают излучение, чем темные.

темные тела лучше нагреваются, чем светлые;

мощность теплового излучения сильнее в предметах с темной поверхностью .

чем ближе к источнику излучения, тем выше температура и сильнее излучение.

Теоретический обзор

Солнечный свет представляет собой пакет электромагнитных волн разной длины - от коротких (рентген, ультрафиолет) до длинных (инфракрасное излучение). Попадая на поверхность предмета часть солнечных лучей поглощается, и энергия поглощенных фотонов разогревает предмет. Другая часть волн отражается и попадая на зрительные рецепторы человека позволяет ему увидеть этот предмет.

Излучение - это перенос энергии путем испускания электромагнитных волн.
Это могут быть солнечные лучи, а также лучи, испускаемые нагретыми телами, находящимися вокруг нас.Величина, характеризующая способность поверхности тела отражать падающий на неё поток света, называется отражательной способностью. Отражательная способность поверхности зависит от её цвета, текстуры, особенностей материала, из которого она состоит. Цвет возникает из-за того, что тело поглощает видимое излучение в каком-либо диапазоне. Если тело чёрного цвета, то это значит, что оно поглощает весь видимый спектр. Энергия поглощается телом от излучения каждого диапазона, поэтому материалы чёрного цвета нагреваются сильнее всего. Если тело белого цвета, то это значит, что оно отражает все лучи видимого диапазона, а, следовательно, нагревается оно меньше всех остальных¹.

Интересные факты о тёмном и светлом²,³

На цвет обычно обращают внимание только с эстетической точки зрения (смотрится/не смотрится или маркий/немаркий). Но, между тем, от выбранного цвета зависит не только эстетическое восприятие вещи, но и то, как и сколько она прослужит. Звучит необычно, но это так. И всё это лишь благодаря различной степени поглощения/излучения тепла и света.

Взять, к примеру, тёмные цвета (в идеале - чёрный): предметы тёмного цвета быстрее нагреваются. Что это нам даёт? Например, то, что грязный снег тает быстрее чистого. Хотите быстрее убрать весной снег с территории - окрасьте его в тёмный цвет (например, посыпьте золой) или накройте тёмной плёнкой - будет таять на глазах. Или бак для душа - блестящий, конечно, смотрится просто великолепно, но и вода в нём солнцем будет нагреваться слабо (если вообще будет). В баке же чёрного цвета вода будет нагреваться довольно быстро - лишь бы день был солнечный (хотя и остывать будет тоже быстрее). Бытовую технику/электронику тёмного цвета из-за этого свойства нежелательно оставлять на солнце - вполне может и выйти из строя. Обилие асфальта перед домом (дорожки или площадка) тоже создаёт парниковый эффект - бетон и песок в этом отношении будут получше (про газон уже и не говорю). [2]
Так же предметы тёмного цвета быстрее и остывают, т.е. отдают тепло. Это может пригодиться, к примеру, при выборе или окраске радиатора отопления - у тёмного будет гораздо большая теплоотдача, чем у светлого. В том числе, широко распространённая окраска серебрянкой или белой краской - довольно неудачный вариант с точки зрения отопления. Разным тоном окраски можно даже при необходимости выравнивать тепловой фон в квартире: в комнате потеплее - светлый радиатор, в комнате похолоднее - тёмный (не обязательно чёрный - вполне подойдёт и тёмно-синий или зелёный, например). Вода (да и не только) в тёмной посуде остывает заметно быстрее, да и чай с заваркой за счёт своего тёмного оттенка будет остывать быстрее чистой воды - мелочь, но иногда так необходимая (например, когда спешишь на работу). Или взять двигатели с воздушным охлаждением, охлаждающие части которых принято делать из сплава алюминия или магния. Конечно, коэффициент теплопередачи у этих материалов неплохой, но серебристый цвет - не лучшее решение с точки зрения охлаждения (особенно в жаркую погоду). А между тем, достаточно окрасить цилиндры в чёрный цвет, чтобы можно было без проблем гонять на мотоцикле в жаркий день, не опасаясь перегрева. Нужно очень постараться, чтобы перегреть такой движок. На тяжёлой технике, конечно, перегрев может проявиться, но значительно позже, чем обычно. Если обратить внимание на модели мототехники последних лет - немало моделей именно с черными цилиндрами. Да и охлаждающие радиаторы холодильников делаются исключительно чёрными.
Теперь о светлых цветах. Они хуже нагреваются, поэтому бензобак мотоцикла лучше окрасить в светлый цвет - в жаркий день это или хотя бы светлое покрытие на время стоянки (мешок, ткань и т.д.) позволит реально сэкономить бензин, который в жару испаряется в буквальном смысле литрами. Также в доме со светлыми наружными стенами в жару будет намного комфортнее. Пошли в поход в жаркий день - берите палатку светлого оттенка - в тёмной будет, как в духовке (хотя в прохладный, но солнечный день она будет в самый раз), да и в автомобиле светлой окраски будет в жаркий день покомфортнее, чем в тёмном. То же самое касается и одежды.
Отдают тепло светлые предметы намного меньше, чем тёмные, поэтому, если бак для воды должен сохранить температуру, лучше выбрать светлый (в идеале - зеркальный). Также и чайник (особенно заварочный) предпочтительнее белый - он позволит дольше сохранить температуру. Да и вода в посуде со светлыми стенками нагреется быстрее, т.к. больше тепла будет уходить именно на нагрев воды, а не окружающего воздуха. Лучшим вариантом в данном случае будет посуда со светлыми стенками/крышкой и тёмным дном - она позволит и нагреть содержимое побыстрее, и сохранить температуру подольше. Моя старшая сестра решала задачу по физике. Искала ответ на вопрос. Горячий чайник какого цвета — чёрного или белого — при прочих равных условиях будет остывать быстрее и почему? Оказывается, в физике существует понятие абсолютно черного тела – это тело, которое полностью поглощает тепловое излучение, не отражая его. То есть черное тело больше поглощает тепловой энергии, чем белое. При остывании происходит обратный процесс, черное тело также хорошо отдает тепло, как и поглощает его, по сравнению с белым телом. Следовательно, черный чайник остынет быстрее белого, так как тепловое излучение от него более интенсивное. Все эти факты еще более усилили наш интерес к изучаемой теме. И мы решили провести опыты, наблюдения и эксперименты чтобы подробнее узнать действительно ли разные предметы отражают свет и тепло по-разному.

На уроках географии мы познакомились с влиянием подстилающей поверхности Земли на обогрев поверхностей при изучении темы «Климат Земли». Оказывается, поверхность нашей планеты также обладает отражательной способностью. При этом водная поверхность, снег и лёд обладает очень большой отражательной способностью, благодаря чему почти 90 % солнечного света возвращается в космос. Покрытые растительностью участки суши, наоборот, имеют низкую отражательную способность и поглощает большое количества энергии. Неравномерность отражательной способности поверхности земного шара оказывает большое влияние на формирование климата планеты.⁴,⁵

Отражение и излучение поверхности Земли

Способ взаимодействия солнечного излучения с объектом определяет его отражательную способность. Все природные образования отражают солнечную радиацию определённым, характерным только для них образом. Яркость почти всех природных образований в области до 3,0 мкм определяется свойством этих образований отражать и рассеивать электромагнитную радиацию. Кроме того, все природные образования обладают собственным тепловым излучением. Но, так как их температура сравнительно невысока, то максимумы спектрального распределения плотности их радиации регистрируются в длинноволновой области спектра. В диапазоне 3,0–80 мкм сосредоточено около 99 % теплового излучения земной поверхности. Таким образом, спектр излучения поверхности Земли имеет днём два максимума – один на длине волны около 0,5 мкм, обусловленный отраженной солнечной радиацией, и второй – на длине волны около 9,0–10,0 мкм, обусловленный собственным тепловым излучением. Ночью спектр излучения земной поверхности изменяется, сохраняется только максимум в области собственного излучения, а в области отражения максимум исчезает.⁶

Упав на поверхность Земли часть солнечной энергии поглотиться. Эту часть называют поглощенная радиация. Именно она идет на обогрев поверхности. Часть радиации отразится (отраженная) и уйдет назад в космос. Способность различных поверхностей по-разному отражать радиацию называют альбедо [2]

Альбедо - это показатель отражательной способности какой-либо поверхности.
При этом существует несколько различных видов альбедо, а ещё они различаются между собой в различных диапазонах (ультрафиолетовый, инфракрасный, оптический).

Виды альбедо

Альбедо бывает истинным и плоским. Это определяется отношением отражённого светового потока к потоку света, попадающему на поверхность. Измерения проводятся, в основном, при помощи альбедометра - такого светоизмерительного прибора.
Истинное альбедо также иногда называют нормальным. К примеру, истинное альбедо не загрязнённого снега колеблется около 0,9. То есть, чем ближе к 1, тем лучше отражательная способность.

Значение альбедо

От этого важного показателя зависит, какое количество солнечной энергии будет оставаться на планете. Хотя тут роль играет уже не только одна характеристика. Так, смотря на показатели, можно подумать, что наша планета отражает только треть солнечных лучей. Возможно, так и есть, но тут в игру вступает парниковый эффект Земли. Если в двух словах, то это такое явление, при котором загрязнённая земная атмосфера пропускает солнечные лучи внутрь, но не выпускает их наружу. То есть, возле поверхности планеты всё теплее и теплее становится.⁷ Чем выше температура - тем меньше снега - тем ниже отражательная способность - тем больше тепла остаётся у поверхности планеты - тем выше температура. Вот такая не очень приятная образуется зависимость. Но поскольку существует множество других способов регуляции климата планеты, то и беспокоиться особо не о чем, пока что.

Практическая часть.

Эксперимент №1.

Цель: выяснить, действительно ли, отражательная способность зависит от цвета поверхности.

Методы исследования: наблюдение, измерение,описание.

Наблюдение №2.

Цель: выяснить,действительно ли,тела с темной поверхностью лучше нагреваются.

Положим под лоскутки черной и белой ткани термометр и пронаблюдаем в течение определенного времени за изменением температуры. Результаты измерения занесены в таблицу.

Эксперимент №5

Цель: проверить отражательную способность поверхностей в природе.

(На примере чистого и грязного снега, льда).

Светоотражательная способность чистого снега.

Светоотражательная способность грязного снега.

Светоотражательная способность льда.

Выводы по результатам наблюдений и экспериментов:

светлые тела лучше отражают излучение, чем темные.

темные тела лучше нагреваются, чем светлые;

мощность теплового излучения сильнее в предметах с темной поверхностью.

чем ближе к источнику излучения, тем выше температура и сильнее излучение.

отражательная способность поверхности в природе под влиянием солнечного света подтверждает гипотезу.

Заключение. В результате изучения теоретического материала и проведенных эспериментов и наблюдений мы пришли к выводу о том, что отражательная способность различных предметов неодинакова и это зависит от многих факторов. Отражательная способность поверхности зависит от её цвета, структуры, особенностей материала, из которого она состоит, от расстояния до источника излучения. Гипотеза определенная в начале нашей работы подтвердилась. Светлые тела лучше отражают излучение, чем темные; темные тела лучше нагреваются, чем светлые; мощность теплового излучения сильнее в предметах с темной поверхностью; чем ближе к источнику излучения, тем выше температура и сильнее излучение.

Способность тел по разному поглощать энергию излучения находит широкое применение в быту и технике. Поверхность дирижаблей, крылья самолетов красят серебристой краской, чтобы они меньше нагревались солнечными лучами Практически вся бытовая техника в наших домах белого цвета, чтобы не перегревалась. Поэтому мы летом предпочитаем носить светлую одежду. Если же наоборот необходимо использовать солнечную энергию, например, в солнечных батареях на искусственных спутниках Земли, на электростанциях, работающих от солнечной энергии, то эти части приборов окрашивают в темный цвет. Способ взаимодействия солнечного излучения с объектом определяет его отражательную способность. Все природные образования отражают солнечную радиацию определённым, характерным только для них образом. От этого важного показателя зависит, какое количество солнечной энергии будет оставаться на планете. Хотя тут роль играет уже не только одна характеристика. Неравномерность отражательной способности поверхности земного шара оказывает большое влияние на формирование климата планеты.

Познакомившись с материалами данной темы, я узнал много нового и интересного, что раньше не замечал. Эти знания очень пригодятся в повседневной жизни с результатами и выводами мы познакомили одноклассников и друзей. Знания по данной теме развивают интерес к наукам, изучающим законы природы. Это подтверждает актуальность исследования. Эти знания очень пригодятся в повседневной жизни с результатами и выводами мы познакомили одноклассников и друзей.

Используемая литература:

Балашов М.М. «О природе-7» М.: Просвещение 1991

Кабардин О.Ф. Справочные материалы по физике.- М.: Просвещение, 1991г.-367с.

Учебник География 7 класс М.: Просвещение 2014г.

Краткая географическая энциклопедия А.А.Григорьев «Советская энциклопедия» Москва 1961 г

https://collectedpapers.com.ua/ru/air_environment_of_the_earth/albedo-zemnoyi-poverxni - Альбедо земной поверхности.

http://class-fizika.ru/bib.html- Классная физика.

https://znanija.com/task/19607163 - Как зависит поглощение энергии излучения от цвета поверхности тела?

Приложение 1

Коэффициент отражения света разных по цвету поверхностей

Приложение 2

Словарь.

Излучение- это перенос энергии путем испускания электромагнитных волн.
Это могут быть солнечные лучи, а также лучи, испускаемые нагретыми телами, находящимися вокруг нас.

Светоотражение - отражение, при котором световой поток возвращается в 

направлении, близком направлению, по которому он излучался.

Используя датчик света и нетбук с программой Logger Lite, исследуем картон разного цвета и его светоотражательную способность.

Альбедо - это показатель отражательной способности какой-либо поверхности.