Исследовательская работа «Радуга, волшебный мост между небом и землей» - 2012 г.

Исследовательская работа по физике:

«Радуга, волшебный мост между небом и землей».

                Выполнила ученица 5«А» класса

                МБОУ КСОШ №1  Ключевского района

                                Кундиус Елена Константиновна

                                                             Руководитель: учитель физики

                                                              Старкова Галина Викторовна

с.Ключи 2012

Содержание

Введение…………………………………………………………… …3

I. Явления, связанные с преломлением света……………………...  4

1.1 Миражи………………………………………………………… ... 4

1.2. Полярные сияния…………………………………………………8

1.3.Радуга……………………………………………………………..10

а). Почему бывает радуга и  почемуона разноцветная…………….11

II.Экспериментальная часть…………………………………………16

III.Выводы…………………………………………………………….17

III.Литература…………………………………………………………18

Введение

          Во время дождя мы с нетерпением ждем появление солнечного лучика, который породит долгожданную радугу. Увидеть радугу можно, только если солнце и дождевая завеса расположены на противоположных частях неба, а вы стоите спиной к солнцу.

         Появившись на небосводе, она невольно приковывает внимание. В прежние времена, когда люди еще мало знали об окружающем мире, радугу считали «небесным знамением».  Так, древние греки думали, что радуга - это улыбка богини Ириды, которая была посредницей между богами и людьми. Радуга является символом жизни.

         Она появляется всегда неожиданно, обычно после ненастья. Она символизирует продолжение жизни. Любого человека независимо от возраста радуга зачаровывает, она поднимает настроение, возвращает радость, пробуждает от рутины и мрачных мыслей[1].

  Много раз наблюдая радугу, появляющуюся после дождя и в брызгах поливальных установок (фрегатов), я заинтересовалась этим явлением. Захотелось подробнее рассмотреть теорию радуги и поделиться своими открытиями.

Цель исследования: Познакомиться с природным явлением – радуга, выяснить, почему бывает радуга и почему она разноцветная.

Задачи: 

выяснить причину возникновения радуги, используя теоретический материал учебников, справочников, энциклопедических статей и материалов, помещенных в Интернете; на опыте убедиться в справедливости теории радуги.

Объект исследования: радуга.

Область исследования: физика.

Методы исследования: наблюдения, эксперимент, описание объекта.

I.Явления, связанные с преломлением света

Преломление света – это изменение направления распространения света при прохождении через границу раздела двух сред. Оптика (греч. optikē - наука о зрительных восприятиях, от optós - видимый, зримый), раздел физики, в котором изучаются природа оптического излучения (света), его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света и вещества. Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны, и поэтому Оптика - часть общего учения об электромагнитном поле. Оптический диапазон длин волн охватывает около 20 октав и ограничен, с одной стороны, рентгеновскими лучами, а с другой - микроволновым диапазоном радиоизлучения. Такое ограничение условно и в значительной степени определяется общностью технических средств и методов исследования явлений в указанном диапазоне. Для этих средств и методов характерны основанные на волновых свойствах излучения формирование изображений оптических предметов с помощью приборов, линейные размеры которых много больше длины волны  излучения, а также использование приёмников света, действие которых основано на его квантовых свойствах[2]

Мираж

Из большего многообразие миражей выделим несколько видов: «озерные» миражи, называемые также нижними миражами, верхние миражи, двойные и тройные миражи, миражи сверхдальнего видения.

Нижние («озерные») миражи возникают над сильно нагретой поверхностью. Верхние миражи возникают, наоборот, над сильно охлажденной поверхностью, например над холодной водой. Если нижние миражи наблюдают, как правило, в пустынях и степях, то верхние наблюдают в северных широтах.

Верхние миражи отличаются разнообразием. В одних случаях они дают прямое изображение, в других случаях в воздухе появляется перевернутое изображение. Миражи могут быть двойными, когда наблюдаются два изображения, простое и перевернутое. Эти изображения могут быть разделены полосой воздуха (одно может оказаться над линией горизонта, другое под ней), но могут непосредственно смыкаться друг с другом. Иногда возникает еще одно -  третье изображение.

Особенно удивительны миражи сверхдальнего видения. К. Фламмарион в своей книге «Атмосфера» описывает пример подобного миража: «Опираясь на свидетельства нескольких лиц, заслуживающих доверия, я могу сообщить  про мираж, который видели в городе Вервье (Бельгия) в июне 1815 г. Однажды утром жители города увидели в небе войско, и так ясно, что можно было различить костюмы артиллеристов и даже, например, пушку со сломанным колесом, которое вот-вот отвалится… Это было утро сражения при Ватерлоо!»  Описанный мираж изображен в виде цветной акварели одним из очевидцев. Расстояние от Ватерлоо до Вервье по прямой линии составляет более 100км. Известны случаи, когда подобные миражи наблюдались и на больших расстояниях – до 1000км. «Летучего голландца»(рис.1) следует отнести именно к таким миражам[3]. 

                             Рис.1   Мираж «Летучий голландец».

Объяснение нижнего («озерного») миража. Если воздух у самой поверхности земли сильно нагрет и, следовательно, его плотность относительно мала, то показатель преломления у поверхности будет меньше, чем в более высоких воздушных слоях. Световые лучи вблизи поверхности земли будут в данном случае изгибаться так, чтобы их траектория была обращена выпуклостью вниз. Световой луч от некоторого участка голубого неба попадет в глаз наблюдателя, испытав указанное искривление. А это означает, что наблюдатель увидит соответствующий участок небосвода не над линией горизонта, а ниже ее. Ему будет казаться, что он видит воду, хотя на самом деле перед ним изображение голубого неба.

Если представить себе, что у линии горизонта находятся холмы, пальмы или иные объекты, то наблюдатель увидит и их перевернутыми, благодаря отмеченному искривлению лучей, и воспримет как отражения соответствующих объектов в несуществующей воде. Так возникает иллюзия, представляющая собой «озерный» мираж (рис.2)[4]. 

                       Рис.2 «Озерный» мираж

Простые верхние миражи

Можно предположить, что воздух у самой поверхности земли или воды не нагрет, а, напротив, заметно охлажден по сравнению с более высокими воздушными слоями. Световые лучи в рассматриваемом случае изгибаются так, что их траектория обращена выпуклостью вверх. Поэтому теперь наблюдатель может видеть объекты, скрытые от него за горизонтом, причем он будет видеть их вверху как бы висящими над линией горизонта. Поэтому такие миражи называют верхними.

Верхний мираж может давать как прямое, так и перевернутое изображение. Показанное на рисунке   прямое изображение возникает, когда показатель преломления  воздуха уменьшается с высотой относительно медленно. При быстром уменьшении показателя преломления образуется перевернутое изображение. Верхний мираж дает перевернутое изображение объекта. В действительности нет скачкообразной границы между слоями воздуха, переход совершается постепенно. Но если он совершается достаточно резко, то верхний мираж даст перевернутое изображение (рис.3).                  

                  Рис.3 Верхний мираж даст перевернутое изображение.

                              Мираж сверхдальнего видения

Природа этих миражей изучена менее всего. Ясно, что атмосфера должна быть прозрачной, свободной от водяных паров и загрязнений. Но этого мало. Должен образоваться устойчивый слой охлажденного воздуха на некоторой высоте над поверхностью земли. Ниже и выше этого слоя воздух должен быть более теплым.  Световой луч, попавший внутрь плотного холодного слоя воздуха, как бы “запертым” внутри него и распространяется в нем как по своеобразному световоду. Траектория луча все время обращена выпуклостью в сторону менее плотных областей воздуха.

Возникновение сверхдальних миражей(рис.4)можно объяснить распространением лучей внутри подобных «световодов», которые иногда создает природа[5]. 

                     Рис.4.Сверхдальний мираж.

Полярные сияния

                                             Рис.5. Полярное сияние.

Одним из красивейших оптических явлений природы является полярное сияние(рис.5).

В большинстве случаев полярные сияния имеют зеленый или сине-зеленый оттенок с изредка появляющимися пятнами или каймой розового или красного цвета.

Полярные сияния наблюдают в двух основных формах – в виде лент и в виде облакоподобных пятен. Когда сияние интенсивно, оно приобретает форму лент. Теряя интенсивность, оно превращается в пятна. Однако многие ленты исчезают, не успев разбиться на пятна.  Ленты как бы висят в темном пространстве неба, напоминая гигантский занавес или драпировку, протянувшуюся обычно с востока на запад на тысячи километров. Высота этого занавеса составляет несколько сотен километров, толщина не превышает нескольких сотен метров, причем так нежен и прозрачен, что сквозь него видны звезды. Нижний край занавеса довольно резко и отчетливо очерчен и часто подкрашен в красный или розоватый цвет, напоминающий кайму занавеса, верхний – постепенно теряется в высоте и это создает особенно эффектное впечатление глубины пространства.

Различают четыре типа полярных сияний:

1.Однородная дуга – светящаяся полоса имеет наиболее простую, спокойную форму. Она более ярка снизу и постепенно исчезает кверху на фоне свечения неба ;

2.Лучистая дуга – лента становится несколько более активной и подвижной, она образует мелкие складки и струйки;

3.Лучистая полоса – с ростом активности более крупные складки накладываются на мелкие.

При повышении активности складки или петли расширяются до огромных размеров, нижний край ленты ярко сияет розовым свечением. Когда активность спадает, складки исчезают и лента возвращается к однородной форме. Это наводит на мысль, что однородная структура является основной формой полярного сияния, а складки связаны с возрастанием активности.

              4.Часто возникают сияния иного вида. Они захватывают весь полярный район и оказываются очень интенсивными. Происходят они во время увеличения солнечной активности. Эти сияния представляются в виде беловато-зеленой шапки. Такие сияния называют шквалами.

По яркости сияния разделяют на четыре класса, отличающиеся друг от друга на один порядок (то есть в 10 раз). К первому классу относятся сияния, еле заметные и приблизительно равные по яркости Млечному Пути, сияние же четвертого класса освещают Землю так ярко, как полная Луна.

Надо отметить, что возникшее сияние распространяется на запад со скоростью 1 км/сек. Верхние слои атмосферы в области вспышек сияний разогреваются и устремляются вверх, что сказалось на усиленном торможении искусственных спутников Земли, проходящих эти зоны.

Во время сияний в атмосфере Земли возникают вихревые электрические токи, захватывающие большие области. Они возбуждают дополнительные неустойчивые магнитные поля, так называемые магнитные бури. Во время сияний атмосфера излучает рентгеновские лучи, которые, по-видимому, являются результатом торможения электронов в атмосфере.

Интенсивные вспышки сияния часто сопровождаются звуками, напоминающими шум, треск. Полярные сияния вызывают сильные изменения в ионосфере, что в свою очередь влияет на условия радиосвязи. В большинстве случаев радиосвязь значительно ухудшается. Возникают сильные помехи, а иногда полная потеря приема.

Как возникают полярные сияния

Земля представляет собой огромный магнит, южный полюс которого находится вблизи северного географического полюса, а северный - вблизи южного. Силовые линии магнитного поля Земли, называемые геомагнитными линиями, выходят из области, прилегающей к северному магнитному полюсу Земли, охватывает земной шар и входят в него в области южного магнитного полюса, образуя тороидальную решетку вокруг Земли.

Долго считалось, что расположение магнитных силовых линий симметрично относительно земной оси. Теперь выяснилось, что так называемый «солнечный ветер» – поток протонов и электронов, излучаемых Солнцем, налетаю на геомагнитную оболочку Земли с высоты около 20000 км, оттягивает ее назад, в сторону от Солнца, образуя у Земли своеобразный магнитный «хвост».

Электрон или протон, попавшие в магнитное поле Земли, движутся по спирали, как бы навиваясь на геомагнитную линию. Электроны и протоны, попавшие из солнечного ветра в магнитное поле Земли, разделяются на две части. Часть из них вдоль магнитных силовых линий сразу стекает в полярные области Земли; другие попадают внутрь тороида и движутся внутри него, как это можно по правилу левой руки, вдоль замкнутой кривой АВС. Эти протоны и электроны в конце концов по геомагнитным линиям также стекают в область полюсов, где возникает их увеличенная концентрация. Протоны и электроны производят ионизацию и возбуждение атомов и молекул газов. Для этого они имеют достаточно энергии, так как протоны прилетают на Землю с энергиями 10000-20000эВ (1эВ= 1.6 10   Дж), а электроны с энергиями 10-20эВ. Для ионизации же атомов нужно: для водорода – 13,56 эВ., для кислорода  - 13,56 эВ., для азота – 124,47 эВ., а для возбуждения еще меньше.

Возбужденные атомов газов отдают обратно полученную энергию в виде света, наподобие того, как это происходит в трубках с разреженным газом при пропускании через них токов.

Спектральное исследование показывает, что зеленое и красное свечение принадлежит возбужденным атомам кислорода, инфракрасное и фиолетовое – ионизованным молекулам азота. Некоторые линии излучения кислорода и азота образуются на высоте 110 км, а красное свечение кислорода – на высоте 200-400 км. Другим слабым источником красного света являются атомы водорода, образовавшие в верхних слоях атмосферы из протонов прилетевших с Солнца. Захватив электрон, такой протон превращается в возбужденный атом водорода и излучает красный свет.

Вспышки сияний происходят обычно через день-два после вспышек на Солнце. Это подтверждает связь между этими явлениями. Исследование при помощи ракет показало, что в местах большей интенсивности сияний имеется более значительная ионизация газов электронами.

В последнее время ученые установили, что полярные сияния более интенсивны у берегов океанов и морей.

Но научное объяснение всех явлений, связанных с полярными сияниями, встречает ряд трудностей. Например, неизвестен точно механизм ускорения частиц до указанных энергий, не вполне ясны их траектории в околоземном пространстве, не все сходится количественно в энергетическом балансе ионизации и возбуждения частиц, не вполне ясен механизм образования свечения различных видов, неясно происхождение звуков.

Радуга

Радуга – это частный случай каустики, игры света. Каустика – это сложная и порой очень красивая картина, создаваемая сходящимися световыми лучами в результате их (многократных) преломлений и отражений на поверхностях раздела сред с различной оптической плотностью.

С земли радуга напоминает дугу (Ра -дуга), а с самолета или возвышенности она напоминает круг, т.е. радуга представляет собой полную окружность. Мы не видим полного круга потому, что нам «мешает» линия горизонта, и мы не видим дождевые капли, падающие под нами.

Возможно, если бы древние люди умели летать, они назвали бы радугу «Ра – круг». (Ра – бог Солнце в Египетской мифологии.)

           Обычно солнечный луч и дождевые капли строят одну радугу. Но бывает, что, всем на радость и удивленье, в небе сразу появляются две радуги. Одна из них ярче, другая бледней! Это бывает тогда, когда солнечный луч дважды отражается в каплях воды.

           Еще реже на небе сияют сразу целых четыре или пять радуг, — это случается только над большими реками, озерами, заливами, потому что тут происходит сложное отражение солнечных лучей от воды.

           Иногда радугу можно увидеть ночью, когда после дождя из-за туч выглядывает луна. В ее тусклых лучах тоже рождается лунная радуга, разумеется, не такая яркая, как солнечная.

           Удивительное зрелище — радуга зимой! Очень это странно и необыкновенно. Трещит мороз, на бледно-голубом небе сияет холодное зимнее солнце, а в воздухе парят крохотные кристаллики льда. Луч солнца проходит через эти кристаллики, преломляется, и отражается в небе красивой радугой.

Почему бывает радуга и почему она разноцветная?

                                             Рис.6 Радуга

            Через все небо перекинулась разноцветная дуга, словно огромные ворота в небе(рмс.6). Откуда они взялись? Кто их построил так быстро и так красиво?

 Это луч солнца и дождевые капли. Ведь радуга — это и есть солнечный луч. Он проходит через дождевые капли, преломляется и отражается на противоположной стороне неба в виде огромной, разноцветной дуги. Вот почему можно сказать, что построили радугу солнечные лучи и дождевые капли.

Первая попытка объяснить радугу как естественное явление природы была сделана в 1611 г. архиепископом Антонио Доминисом. Его объяснение радуги противоречило библейскому, поэтому он был отлучен от церкви и приговорен к смертной казни.

Научное объяснение радуги впервые дал Рене Декарт в 1637 г. Декарт объяснил радугу на основании законов преломления и отражения солнечного света в каплях выпадающего дождя. В то время еще не была открыта дисперсия — разложение белого света в спектр при преломлении. Поэтому радуга Декарта была белой.

           Рис.7 Рисунок из работы Р. Декарта, поясняющий наблюдение радуги.

          Спустя 30 лет Исаак Ньютон, открывший дисперсию белого света при преломлении, дополнил теорию Декарта, объяснив, как преломляются цветные лучи в каплях дождя. По образному выражению американского ученого А. Фразера, сделавшего ряд интересных исследований радуги уже в наше время, «Декарт повесил радугу в нужном месте на небосводе, а Ньютон расцветил ее всеми красками спектра». Несмотря на то, что теория радуги Декарта — Ньютона создана более 300 лет назад, она правильно объясняет основные особенности радуги: положение главных дуг, их угловые размеры, расположение цветов в радугах различных порядков.

                В тайну солнечного луча в 1666 году проник знаменитый английский ученый Ньютон. Это было замечательное открытие. Ньютон первый разгадал, что солнечный луч многоцветный.

« 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 он увидел разноцветную полоску – спектр (от латинского «Спектрум» - видимое). Ньютон 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.

                                                     Рис. 8 Дисперсия света.

Когда лучи солнечного света проходят через воздух, мы видим их как белый свет. Но когда на их пути встречается дождевая капля (рис.8, она по форме близка к призме), и солнечный свет проходит через стеклянную призму или через каплю, составляющие его разноцветные лучи изменяют свое направление, отклоняются на неодинаковые углы - расходятся в виде веера (преломляются)[2].      

Рис.9 Прохождение солнечного света через стеклянную призму или через каплю.

Причем каждый цвет преломляется по-разному - меньше всего отклоняется от своего первоначального направления красный, а больше всего – фиолетовый(рис.9). Именно поэтому наружный край дуги обычно красный, а внутренний – фиолетовый. Посередине располагаются остальные цвета - оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий. Цветные полосы отличаются по яркости, но их последовательность всегда одинакова - у каждого цвета свое строго закрепленное за ним место. Чем крупнее дождевые капли, тем ярче радуга. Если капли мелкие, радуга кажется бледной, еле заметной.

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 ее можно наблюдать на расстоянии 2-3 м на фоне водяных капель, образованных фонтанами или распылителями воды.

III.Экспериментальная часть

Эксперимент№1  Получение спекра.
Цель : Подтвердить, что призма действительно разлагает белый свет в спектр.

Описание эксперимента: Взяли проекционный аппарат, призму. Получили  помощью проекционного аппарата и призмы яркий и четкий сплошной спектр на экране.

Рис.10 Получение спекра.

Вывод: белый свет имеет сложную структуру.

Эксперимент №2  «Какого цвета солнечный луч»

 Цель: В домашних условиях доказать, что свет (солнечный луч) имеет сложную структуру

Описание эксперимента:

Сделала круг с дырочкой посредине, нарисовала на нем все цвета радуги, насадила этот круг на ось и стала быстро его вращать.

Вывод: Из разноцветного круга он стал  одноцветным, потому что цвета при вращении сливаются, смешиваются. К сожалению, я не увидела  круг по-настоящему белым, таким, как солнечный луч, потому что наши краски не такие чистые и сочные, как цвета природы. Но, во всяком случае, круг стал одноцветным, а значит белый свет имеет сложную структуру.

III.Выводы

1.Радуга – это оптическое явление, связанное с преломлением световых лучей на многочисленных капельках дождя. Весь вид радуги — ширина дуг, наличие, расположение и яркость отдельных цветовых тонов, положение дополнительных дуг очень сильно зависят от размера капель дождя. Чем крупнее капли дождя, тем радуга получается уже и ярче, особенно характерным для крупных капель является наличие насыщенного красного цвета в основной радуге. При рассмотрении образования радуги учитывается неодинаковое преломление волн света различной длины, то есть световых лучей разного цвета. Это явление носит название дисперсии. Вследствие дисперсии углы преломления и угла отклонения лучей в капле различны для лучей различной окраски. Нередки случаи, когда на небосводе появляются одновременно две радужные полосы, расположенные одна за другой; наблюдают и еще большее число небесных дуг – три, четыре и даже пять одновременно. Отметим, что радуга может наблюдаться только в стороне, противоположной Солнцу. В природе встречаются белые радуги. Они появляются при освещении солнечными лучами слабого тумана, состоящего из капелек радиусом 0,025 мм или менее. Аналогично солнечным могут возникнуть и лунные радуги. Они более слабые и появляются при полной Луне.

Искусственные радуги создаются в лаборатории.

2. Проведя эксперименты я убедилась, что призма действительно разлагает белый свет в спектр, а свет (солнечный луч) имеет сложную структуру

Работая над данной темой, я изучила литературу, провела эксперименты, подтвердила выдвинутые гипотезы.

IV.Литература.

1.http://radugalife.com/o-nas/o-raduge-zhizni/

2. http://www.bestreferat.ru/referat-184059.html

3. http://copypast.ru

4. http://www.vseznaniya.ru

5./http://ru.wikipedia.org/wiki/

6.Л.В.Тарасов Физика в природе. М.Просвещение,1988-351 с.