Исследовательская работа по физике «Радуга»

Автор: Лузгина Зульфира Газизовна

Организация: МКОУ КСШ №3 им. И.А. Домбровского

Населенный пункт: Новосибирская область, г. Каргат

Введение.

Радуга – одно из самых красивых и необычных явлений природы. И хотя сегодня каждый понимает, что это чудесное зрелище – всего лишь игра света в каплях дождя, всякий раз, видя в небе разноцветную, или, как говорили в старину райскую радугу, мы испытываем восторг и верим, что это счастливое предзнаменование.

Многие люди, также как и я с нетерпением ждут дождя, чтобы полюбоваться радугой. Какое же это разноцветное чудо природы? Но как образуется радуга? А можно ли наблюдать эту красоту дома? Какие ещё существуют радуги? Эти вопросы заинтересовали меня.

Чтобы ответить на все возникшие вопросы, я решила провести исследовательскую работу.

 

 

Цель: узнать о природном явлении радуга, определить, как получить радугу дома.

Объектом исследования является природное явление радуга.

Задачи:

1. Изучить информационные источники о радуге.
2. Провести социологический опрос учащихся.
3. Создать радугу в домашних условиях.

Исходя из вышесказанного, я выдвинула следующие гипотезы:

1.Радуга появляется в солнечный день после дождя, когда солнечные лучи проходят через дождевые капли.

2.Ночью радугу в природе увидеть, возможно, но очень редко.

3.Если заменить солнечные лучи искусственным источником света, тоже можно получить радугу.

Основные методы, которые я использовала – изучение литературы, наблюдение, анкетирование, эксперимент.

 

Глава I. Теоретическая часть

1.1.Значение слова «радуга» в разных энциклопедических словарях

В различных словарях слово радуга истолковывается по разному.

Радуга – разноцветная дуга на небосводе. Наблюдается, когда солнце

освещает завесу дождя, расположенную на противоположной от него стороне

неба. Объясняется преломлением, отражением света в каплях дождя.

(Советский энциклопедический словарь под ред. А.М.Прохорова)

Радуга – разноцветная дугообразная полоса на небесном своде,

образующаяся вследствие преломления солнечных лучей в дождевых каплях.

(Толковый словарь русского языка Ожегова С.И.)

Радуга – оптическое явление в атмосфере, наблюдаемое при дожде, когда лучи солнца преломляются через пелену дождевых капель; на небосклоне появляется окрашенная в цвета спектра дуга, причем наружная сторона - в красный, а внутренняя – в фиолетовый цвет.

(По данным Малого Энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона)

Радуга — претерпевшее изменение слово «райдуга», или Божья дуга (По словарю В. Даля)

Название «радуга» происходит от словосочетания «райская дуга».

 

1.2 Радуга древних.

Когда-то давным-давно человек стал задумываться, почему же на небе появляются радуги. В те времена об оптике даже и не слышали. Потому люди придумывали мифы и легенды, а так же существовало множество примет.

Многие народы считали радугу мостом, связывающим небо и землю, дорогой, по которой души умерших отправлялись в загробный мир. Некоторые древние народы представляли радугу злобным существом, пожирающим души людей. Ее отождествляли также с гигантской змеей, пьющей воду из морей, рек и озер, которую она потом выпускает на землю в виде дождя. Древние славяне верили, что радуга - блестящее коромысло, с помощью которого богиня Лада Перуница черпает воду из моря-океана и орошает ею поля.
А еще с радугой связана красивая легенда о душах умерших животных, которые попадают на Мост Радуги на краю небосвода. Там они вновь становятся молодыми и здоровыми и ждут встречи со своими хозяевами, чтобы больше никогда не расставаться.
Считается, что каждый цвет радуги олицетворяет божественное проявление. Красный - гнев божий, зеленый - надежду, желтый - щедрость, синий - умиротворение, фиолетовый - величие, голубой - прощение, оранжевый - любовь.
Чаще всего радуга появляется летом во время дождя, но на самом деле ее можно увидеть в любое время года, и не только днем, но и ночью. Лунная радуга не такая яркая, как обычная дневная, но она не менее красива и загадочна. Иногда на небе можно наблюдать двойную или тройную радугу. К еще более редким явлениям относится зимняя радуга, но когда бы вы ни увидели это небесное разноцветье, радуга - знак счастья и добра.

 

Издавна, наблюдая интересное красивое природное явление, народ подметил ряд признаков, относящихся к природе.

-радуга на небе – к перемене погоды

-высокая и крутая радуга – к ветру, а пологая и низкая – к дождю. -вечерняя радуга предвещает хорошую, а утренняя – дождливую погоду.

-радуга после дождя, быстро исчезающая, - к хорошей погоде.

-радуга держится долго – к ненастью.

-когда возникает 2 или 3 ярких радуги, бывает продолжительный дождь.

Существовало поверье, будто в том месте, где радуга одним из своих концов как бы уходит в землю, можно откопать горшок с золотом. А чтобы всю жизнь быть удачливым во всех делах, нужно хотя бы раз пройти под радугой босиком.

1.3. История исследования радуги учеными.

Аристотель, древнегреческий философ, пытался объяснить причину радуги. Первым понял причину радуги немецкий монах Теодорик,который в 1304 г воссоздал ее на сферической колбе с водой. Но открытие Теодорика было забыто. Общая физическая картина радуги была уже чётко описана архиепископом Марком Антонием де Доминисом в 1611 году (Рис. 2) в книге «De radiis visus et lucis in vitris perspectivis et iride».

Он объяснил, что радуга появляется в результате отражения света от внутренней поверхности капли дождя и двукратного преломления – при входе в каплю и выходе из неё. Первая попытка закончилась плачевно. Автор рукописи был заточен в тюрьму, где и умер, дожидаясь смертной казни. Инквизиция приговорила любознательного священника к смерти за то, что его теория о возникновении радуги противоречила библейскому толкованию.

Научное объяснение радуги впервые дал Рене Декарт (Рис.3) в своём труде «Метеоры» в главе «О радуге» (1635г.). Он провёл первые исследования формы радуги. Для этого ученый использовал стеклянный шар, заполненный водой, что давало возможность представить, как отражается солнечный луч в капле дождя, преломляясь и тем самым становясь видимым. В то время еще не была открыта дисперсия, поэтому радуга Декарта была белой (Рис.4).

Цвета радуги были объяснены Исааком Ньютоном (Рис.5). Исаак Ньютон доказал, что обычный белый цвет можно разложить на семь цветов.

« Я затемнил мою комнату, - писал он, - и сделал очень маленькое отверстие в ставне для пропуска соответствующего количества солнечного света». На пути солнечного луча ученый поставил особое трехгранное стеклышко - призму (слово «призма» в переводе с греческого означает распиленное).

На противоположной стене Ньютон увидел разноцветную полоску – спектр (от латинского «Спектрум» - видимое), он объяснил это тем, что призма разложила белый цвет на составляющие его цвета. Поставив на пути разноцветного пучка еще одну призму, ученый снова собрал все цвета в один обычный солнечный луч. Причём первоначально он различал только пять цветов — красный, жёлтый, зелёный, голубой и фиолетовый, о чём и написал в своей «Оптике». Но впоследствии, стремясь создать соответствие между числом цветов спектра и числом основных тонов музыкальной гаммы, Ньютон добавил к пяти перечисленным цветам спектра ещё два.

1.4. Физика радуги.

Радуга — атмосферное оптическое и метеорологическое явление, наблюдаемое обычно после дождя или перед ним. Радуга имеет вид дуги или окружности, составленной из цветов спектра. Радуга возникает из-за того, что солнечный свет испытывает преломление в капельках воды, взвешенных в воздухе. Эти капельки по-разному отклоняют свет разных цветов, в результате чего белый свет разлагается в спектр. Наблюдателю кажется, что из пространства по концентрическим дугам исходит разноцветное свечение (при этом источник яркого света всегда находится за спиной наблюдателя).

Радуга наблюдается в стороне, противоположной Солнцу, на фоне дождевых облаков или дождя. Разноцветная дуга обычно находится от наблюдателя на расстоянии 1-2 км, а иногда её можно наблюдать на расстоянии 2-3 м на фоне водяных капель, образованных фонтанами или распылителями воды.

Лучи солнца претерпевают в каплях два преломления и одно отражение и возвращаются обратно к наблюдателю под определённым углом.

Каковы же составные части радуги? Это капельки воды в воздухе, солнечные лучи и наблюдатель, который видит радугу. При этом должен быть соблюден целый ритуал: мало того, чтобы солнце осветило дождь, оно должно находиться низко над горизонтом, а наблюдатель должен стоять между дождем и солнцем – спиной к солнцу, лицом к дождю. В этот момент он и видит радугу. Каким образом это происходит?

Солнечный луч освещает каплю дождя. Проникая внутрь капли, луч слегка преломляется. Как известно, лучи различного цвета преломляются по-разному, то есть внутри капли луч белого цвета распадается на составляющие его цвета. Пройдя каплю, свет отражается от её стенки, как от зеркала. Отраженные цветные лучи идут в обратном направлении, ещё сильнее преломляясь. Весь радужный спектр покидает каплю с той же стороны, с которой в неё проник солнечный луч.

Свет от солнца проник в каплю со стороны наблюдателя. Теперь этот луч, разложенный в цветной спектр, к нему же и возвращается. Человек видит огромную цветную радугу, раскинувшуюся по всему небу, - свет, преломленный и отраженный миллиардами дождевых капель.

Реже можно наблюдать в небе одновременно две радуги. Как правило, вторая радуга хуже различима, иногда еле заметна. Цвета в такой радуге перевёрнуты, то есть сначала идёт фиолетовый цвет. Её появление объясняется повторным отражением световых лучей внутри капли.

Ещё мы можем видеть явление радуги, когда свет преломляется капельками тумана или испарениями с поверхности моря, а в городе – у фонтана.

Прохождение солнечных лучей через каплю сопровождается дисперсией – капли «работают» как миниатюрные призмы, разлагая свет на цвета спектра, от красного до фиолетового. Показатель преломления воды для более длинноволнового (красного) света меньше, чем для коротковолнового (фиолетового), поэтому красный свет меньше отклоняется при преломлении. Существуют компьютерные программы, которые позволяют рассчитать угол Декарта для каждой длины волны. Следует подчеркнуть, что разные цвета радуги получаются от разных капель. Красная полоса – от тех, что висят выше, а фиолетовая – от капель, висящих ниже. Очевидно, что все промежуточные цвета радуги (оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой и синий) будут находиться между фиолетовой и красной полосами радуги в соответствии с их показателями преломления. Каждый, наверное, замечал, что радуга внутри гораздо ярче, чем снаружи. Это легко объяснить, если обратить внимание на то, куда уходит большинство солнечных лучей, падающих на каплю. Видно, что все они рассеиваются по направлению к наблюдателю под углами, меньшими, чем луч Декарта. Это значит, что лучи, не вошедшие в луч Декарта, освещают небо под углами обзора, меньшими 42°, т.е. область внутри радуги.

В момент восхода солнца противосолнечная точка находится на линии горизонта, и радуга имеет вид полуокружности. По мере поднятия Солнца противосолнечная точка опускается под горизонт и размер радуги уменьшается. Она представляет собой лишь часть окружности.

Центр окружности, которую описывает радуга, всегда лежит на прямой, проходящей через солнце и глаз наблюдателя, то есть одновременно видеть солнце и радугу без использования зеркал невозможно. Для наблюдателя на земле она обычно выглядит как часть окружности, чем выше точка зрения, тем радуга полнее — с горы или самолёта можно увидеть перевернутую радугу и целую окружность.

Радуга появляется только во время ливня, когда идет дождь и одновременно светит солнце. (Рис.9) Находиться необходимо строго между солнцем (оно должно быть сзади) и дождем (он должен быть перед тобой). Иначе радуги не увидеть. Солнце посылает свои лучи, которые, попадая на капельки дождя, создают спектр. Солнце, ваши глаза и центр радуги должны находиться на одной линии.

Почему радуга так быстро исчезает? Если бы капли всё время висели в воздухе, то можно было бы наблюдать радугу в течение всего времени, пока солнце опускается с высоты 42° над линией горизонта до заката и такой же промежуток времени после восхода. Ну а там, где солнце не поднимается выше 42°, радугой можно было бы наслаждаться целый день. Почему же этого не происходит? Да потому, что капли испаряются или, слившись друг с другом, падают на землю. На самом деле радуга исчезает задолго до того, как все капли превратятся в пар. Когда диаметр капель становится меньше 10 мкм, радуга становится слабой и бесцветной, а при дальнейшем уменьшении капли и вовсе исчезает.

 

1.5. Виды радуги.

Чаще всего наблюдается первичная радуга, при которой свет претерпевает одно внутреннее отражение. В первичной радуге красный цвет находится снаружи дуги, её угловой радиус составляет 40—42°.

Иногда можно увидеть ещё одну, менее яркую радугу вокруг первой. Это вторичная радуга, в которой свет отражается в капле два раза. Во вторичной радуге «перевёрнутый» порядок цветов — снаружи находится фиолетовый, а внутри красный. Угловой радиус вторичной радуги 50—53°. Небо между двумя радугами обычно имеет заметно более тёмный оттенок (Рис 10). Ещё реже можно увидеть три разноцветные дуги (Рис.10).

Оказывается существует лунная радуга. Подобно тому, как радуга после дождя появляется в результате солнечного освещения, лунные радуги появляются из-за освещения Луной. Поскольку Солнце значительно ярче Луны, то солнечные радуги также более яркие и наблюдаются чаще лунных. На приведенной фотографии (Рис.11) изображена лунная радуга над Соленым озером в Сэйнт-Джоне на Вирджинских островах. Слева видны парусные лодки. Так как лунный свет представляет собой отраженный солнечный, то цвета радуги почти совпадают. Как солнечные, так и лунные радуги возникают в результате преломления света на мельчайших капельках воды, которые играют роль миниатюрных призм. Еще бывает туманная радуга, которая появляется при туманной погоде. Она практически белая (Рис.12). Радуга над водопадами. Причина появления такого вида радуги – непрерывный водяной туман над водопадами (Рис.13). «Огненная» радуга. Она, фактически, совсем не связана с огнем. Только красивый оптический эффект (Рис.14). «Огненная радуга» — очень редкое и удивительно красивое атмосферное явление. Научное название огненной радуги — «округло-горизонтальная дуга» (ircumhorizontal arc), на самом деле это оптический эффект – один из видов гало, образуемый кристалликами льда на фоне легких, высоко расположенных облаков.

 

1.6. Мнемонические фразы

Цвета в радуге расположены в последовательности, соответствующей спектру видимого света.

Для запоминания последовательности цветов радуги есть мнемонические фразы, первые буквы каждого слова в которых соответствуют первым буквам названия цвета. Глядя сверху вниз по радуге, снаружи внутрь дуги:
Красный, Оранжевый, Жёлтый, Зелёный, Голубой, Синий, Фиолетовый.
Самой известной запоминалкой такого рода является фраза:
Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан.

Или:
Как Однажды Жак-Звонарь Головой (Городской) Сломал Фонарь.

И более современные, интернет - варианты:))
Каждый Оформитель Желает Знать, Где Скачать Фотошоп!
Каждый Одмин Желает Знать Где Системный Файл
Каждый Образованный Жжист Знает Где Смотреть Френдленту

И вот так:
Кот Ослу Жирафе Зайке Голубые Сшил Фуфайки
Карлсон Опять Жизнерадостно Задумал Гадость С Фрикадельками.
Каждая Образованная Женщина Завтракает Горячими Сырыми Фрикадельками.
Крадётся Осень. Жара Затмилась Глубиной. Синеет Фудзияма. (в стиле хокку)
Как видите, придумано много новых вариантов))

На английском языке:
Roygbiv — акроним в английском языке, используемый для запоминания основных цветов спектра светового излучения.
Это имя вымышленного персонажа, каждая буква имени которого соответствует первой букве каждого цвета радуги:
Roy G. Biv (Red, Orange, Yellow, Green, Blue, Indigo, Violet)
Red — Красный, Orange — Оранжевый, Yellow — Жёлтый, Green — Зелёный, Blue — Голубой, Indigo — Индиго, Violet — Фиолетовый.

Для лучшего запоминания, англоязычные дети заучивают расшифровку этого акронима:
«Richard Of York Gave Battle In Vain».
Перевод: "Ричард Йоркский дал бой (битву) напрасно".
В этих фразах начальная буква каждого слова соответствует начальной букве названия определённого цвета.

Каждый — Красный

Охотник — Оранжевый

Желает — Жёлтый

Знать — Зелёный

Где — Голубой

Сидит — Синий

Фазан — Фиолетовый

Цвета во фразе перечисляются в соответствии с порядком цветов в радуге, от красного (видимый свет с наибольшей длиной волны) до фиолетового (видимый свет с наименьшей длиной).

 

1.7. Это интересно.

Может, когда-нибудь будет возможным подарить на день рождения радугу. В наши дни организовать настоящую разноцветную радугу уже реально. Обычно от нас не зависит, когда мы сможем увидеть радугу. Это происходит крайне редко. Мы бежим друг к другу – посмотри, радуга! Это зрелище по-настоящему захватывающе. Майкл Джонс Мак Кин (профессор одного американского колледжа и по совместительству художник, «не отличается терпеливостью и не способен ждать, когда природе станет угодно показать радугу» (как он утверждает), поэтому он решил изобрести машину, которая производила бы радугу всего одним щелчком рычажка. И он изобрел ее. Профессор Мак Кин изучал радугу и проводил различные эксперименты еще с 2002 года. И, в конце концов (к 2010 году!), его труды увенчались успехом – изобретением настоящей машины, производящей искусственную радугу. Искусственная радуга ничем не хуже настоящей, при этом у нее есть преимущество – она готова в любой момент порадовать человеческий глаз.

Машина по производству искусственной радуги Мак Кина состоит из реактивных насосов и специально спроектированных носиков, которые распыляют плотную стену воды в небо. Ведь радуга – это освещенная солнцем завеса дождя. Вы можете увидеть это чудесное явление, поливая растения в саду. Но искусственная радуга из машины Мак Кина – более впечатляющих размеров, равных природным.

Следует отметить, что машина «по производству радуги» имела успех на американском рынке. Ведь это не только оригинальный подарок , но это еще и способ привлечь внимание потребителей. Так, на крыше одного из торговых центров в штате Небраска (Nebraska) (Рис. 20) была установлена такая машина по производству искусственной радуги, и теперь центр ежедневно в течение 15 минут дарит людям радость повидать радугу, спускающуюся прямо с крыши здания.

 

Глава II. Практическая часть

2.1 Анкетирование

Узнав столько интересного о радуге, я решила выяснить: а что знают ребята нашей школы о радуге. Для этого мною была проведена анкета среди обучающихся 8 классов. Ребятам было предложено 6 вопросов:

1. Что такое радуга?
2. Знаете ли вы причины появления радуги?
3. Бывает ли радуга без дождя?
4. Знаете ли вы последовательное расположение цветов радуги?
5. Можно ли получить радугу дома?
6. Как можно получить радугу дома?

Анализ проведенного социологического опроса.

Проанализировав ответы обучающихся и сопоставив их с тем, что узнала я о радуге, я пришла к выводу, что надо выступить перед ребятами со своей исследовательской работой и рассказать об удивительном явлении природы – радуге.

 

 

1. Эксперименты по получению радуги в домашних условиях.

Цель: показать, что можно самостоятельно, в домашних условиях расщепить видимый солнечный свет на отдельные цвета, воспроизведя эффект радуги.

Опыт с мыльным пузырем.

Оборудование: мыльный раствор

Ход опыта. Приготовила мыльный раствор и надула мыльный пузырь. На пузыре появилась радуга. Свет, проходя через мыльный пузырь, преломляется и распадается на цвета, в результате появляется радуга. Мыльный пузырь – это призма.

Получение радуги с помощью мыльного пузыря.

 

Опыт со стаканом.

Оборудование: лист бумаги, хрустальный стакан с водой.

Ход опыта. Необходимо поставьте хрустальный стакан с водой на белый лист бумаги. Попробовать поймать стаканом солнечный свет. На листе бумаги появятся цветные полосы радуги.

Получение радуги с помощью стакана.

 

Опыт с фонариком и зеркалом.

Оборудование: банка с водой, белый лист бумаги, зеркальце, фонарик.

Ход опыта: Для этого опыта я взяла банку с водой, фонарик, лист белой бумаги и маленькое зеркальце. Выбрала тёмное помещение, поставила банку с водой на белый лист бумаги, опустила зеркальце в банку с водой. Взяла фонарик и направляла свет в зеркальце под таким углом, где хорошо видно радужную полоску.

Опыт с призмой.

Оборудование: прозрачная трехгранная призма.

Ход опыта. Если рассматривать сквозь призму предметы белого цвета, они выглядят цветными. С помощью призмы я получила изображение радуги на стене. Для этого я «поймала» призмой солнечные луч. Таким образом, получила радугу в «домашних» условиях И. Ньютон.

Этот опыт легко повторить и с искусственным источником света.

Получение радуги с помощью призмы.

 

ВЫВОД: радугу можно получить в домашних условиях даже с помощью искусственного источника света.

 

3. Заключение.

Осуществление данного проекта позволило мне развить свои навыки работы с дополнительной литературой, умение проводить эксперименты, проводить анализ полученных результатов, обосновывать итоги исследований.

Во время работы над проектом я узнала о природном явлении радуге: как появляется радуга и почему она разноцветная, определила, какая существует связь между дождем, солнцем и появлением радуги, узнала, что радуга может быть одной дугой, а может быть двойная или даже тройная. Существует ночная радуга (лунная) и зимняя, но она бывает очень редко и не такая красочная как летняя.

Из истории изучения радуги я выяснила, что многие пытались объяснить природу этого явления, но полно это явление раскрыл Исаак Ньютон.

Опытным путём я доказала, что эффект радуги можно получить в домашних условиях и в любое время года любоваться этим красивейшим природным явлением, которое всё ещё хранит много загадок.

Цель - узнать о природе атмосферного оптического явления – радуга, была мною достигнута, выдвинутые мною гипотезы подтвердились.

В дальнейшем в этом направлении хочу продолжить исследовать природу цветов радуги.

Практическая ценность работы состоит в том, что полученные материалы могут быть использованы при проведении недели физики в школе, а так же учителями при проведении уроков по физике.

 

4. Список литературы.

1. Абелюк Е.С. Мифологический словарь школьника. – М.: РОСТ, МИРОС, 2000. – 256 с.

2.Трифонов Е.Д. Ещё раз о радуге. – Соросовский образовательный журнал, 2000, т. 6, № 7

3.Декарт Р. Рассуждение о методе (с приложениями Диоптрика, Метеоры, Геометрия). М.: Изд-во АН СССР, 1953. 656 с.

4. Ньютон И. Лекции по оптике. М.: Изд-во АН СССР, 1945. 280 с.

5.Тарасов Л.В Физика в природе. М.: Просвещение,1988. - 352с.

6.Зверева В.Л. "Солнечный свет в атмосфере", М.- 1988.

7. Клиффорд Суорц. Необыкновенная физика обыкновенных явлений. том 2. М., Наука. 1987. 384 с.

8.O`Нейлл «А. Где, что и когда?» Энциклопедия для любознательных. М.: 2007.

 

Полный текст статьи см. в приложении.
 

1. file0.docx.. 4,5 МБ

Опубликовано: 05.02.2021