ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА РАДУГА

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

РАДУГА

Ижевск 2016

Оглавление

1. Введение                                                                                          2 стр.
2. Физика  радуги                                                                                4 стр.
3. Практическая  часть                                                                        9 стр.
4. Литература                                                                                      15 стр.

Введение

"Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан"

Огромная в полнеба арка – дуга из переходящих друг в друга семи цветов.

От красного до фиолетового – одно из самых красивых явлений в природе.

Люди давно задумывались над происхождением радуги.  Еще  в  древности  люди  заметили,  что  если  на  пути  света  поставить  призму  из  стекла,  то  мы  увидим  вместо  одного  белого  определенный  набор  цветов.  Это полоса цветных линий называется “спектр”.  В воздухе после дождя роль призмы выполняют капельки воды.  Радуга появляется только после ливня, когда атмосфера насыщена множеством водяных капель и одновременно светит солнце.  Чтобы  увидеть  радугу,  надо  находиться  между  солнем  и  дождем.  При  вечерней  радуге  солнце  находится  на  западе,  а  дождь  на  востоке.

Цель: доказать,  что  получить  радугу (оптическое явление  природы)  можно  только  при  помощи  трехгранной  призмы  от  мощного  источника  света.

Задачи:  1. При  помощи  разных  источников  света  и  разных  видов  стекла  научиться  получать  радугу.

2. Доказать,  что  радугу  можно  получить  только  при  помощи  яркого  источника  света  и  только  при  помощи  трехгранной  призмы.

3. Провести  исследование  литературных  источников  с  целью  научного  объяснения  радуги.

 Гипотеза:  радугу  можно  получить  только  при  использовании  луча  света  от  мощного  электрического  источника  и  только  при  использовании  трехгранной  призмы.

Объект  исследования  -  радуга,  предмет исследования – источники  света:  свеча,  фонарь  белого  света  и  фонарь  с  красным  лучом,  лупа,  граненый  стакан,  призма трехгранная,  четырехгранная,  выпуклая,  каплевидная.

 Место проведения исследования:

Ванная  комната  и  зал.

 Методы и методики исследования -  эксперимент.

Радуга у всех на виду - она обычно наблюдается в виде двух окрашенных дуг (двух соцветных луков, о которых пишет Данте), причем в верхней дуге цвета располагаются в таком порядке сверху вниз: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый, красный, а в нижней дуге наоборот - от красного до фиолетового.

Для запоминания их последовательности есть мнемонические фразы, первые буквы каждого слова в которых соответствуют первым буквам названия цвета.

Правда, традиция выделять в радуге 7 цветов не всемирна. Например, у болгар в радуге 6 цветов.

Принято считать, что радуга состоит из семи основных цветов: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового. Считается, что семь цветов радуги впервые выделил Исаак Ньютон, изначально он обозначил только пять (красный, желтый, зеленый, голубой и фиолетовый), но затем увеличил количество цветов до семи, что соответствует количеству нот в гамме.

Радуга - оптическое явление в атмосфере в виде одной или нескольких разноцветных дуг, видимых на небосводе на фоне освещаемой Солнцем завесы дождя, находящейся в противоположной стороне от Солнца.

Оно выглядит как разноцветная дуга или окружность, составленная из цветов спектра (глядя снаружи — внутрь дуги: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый).  Возникновение радуги объясняется преломлением, отражением и дифракцией света в каплях дождя.

Эти семь цветов — основные названия цветов, которые принято выделять в радуге в русской культуре (возможно, вслед за Ньютоном), но следует иметь в виду, что на самом деле спектр непрерывен, и цвета эти в радуге переходят друг в друга с плавным изменением через множество промежуточных оттенков.

Радуга даёт уникальную возможность наблюдать в естественных условиях разложение белого света в спектр.

Радуга обычно появляется после дождя, когда Солнце стоит довольно низко. Где-то между Солнцем и наблюдателем ещё идёт дождь. Солнечный свет, проходя сквозь капли воды, многократно отражается и преломляется в них, как в маленьких призмах, и лучи разного цвета выходят из капель под различными углами. Это явление называется дисперсией (т. е. разложением) света. В результате образуется яркая цветная дуга (а на самом деле круг; целиком его можно увидеть с самолёта).

Физика  радуги

     Радуга возникает из-за того, что солнечный свет испытывает преломление в капельках воды дождя или тумана, парящих в атмосфере. Эти капельки по-разному отклоняют свет разных цветов (показатель преломления воды для более длинноволнового (красного) света меньше, чем для коротковолнового (фиолетового), поэтому красный свет меньше отклоняется при преломлении — красный на 137°30’, фиолетовый на 139°20’ и т. д.), в результате чего белый свет разлагается в спектр. Наблюдателю кажется, что из пространства по концентрическим кругам (дугам) исходит разноцветное свечение (при этом источник яркого света всегда должен находиться за спиной наблюдателя).  Для одного отражения внутри капли такой угол имеет одно значение, для двух — другое, и т. д. Этому соответствует первичная, вторичная и т. д. радуга. Первичная — самая яркая, она уносит из капли большинство света. Радугу большого порядка обычно не удается увидеть, так как она очень слаба. Чаще всего наблюдается первичная радуга, при которой свет претерпевает одно внутреннее отражение. Ход лучей показан на рисунке справа вверху. 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.

В яркую лунную ночь можно наблюдать и радугу от Луны. Поскольку человеческое зрение устроено так, что при слабом освещении наиболее чувствительные рецепторы глаза — «палочки» — не воспринимают цвета, лунная радуга выглядит белесой; чем ярче свет, тем «цветнее» радуга (в её восприятие включаются цветовые рецепторы — «колбочки»).

Схема образования радуги:

1) сферическая капля,

2) внутреннее отражение,

3) первичная радуга,

4) преломление,

5) вторичная радуга,

6) входящий луч света,

7) ход лучей при формировании первичной радуги,

8) ход лучей при формировании вторичной радуги,

9) наблюдатель,

10-12) область формирования радуги.

Чем больше капли воды, тем ярче и насыщеннее цвета радуги. Два человека, стоящих рядом, не могут увидеть абсолютно одинаковую радугу, т.к. размер и плотность капель в различных местах могут быть разными.

Постепенно количество и размер капелек воды уменьшается, они либо испаряются, либо падают на землю, радуга теряет свою яркость, а затем и вовсе исчезает.

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

Лунная радуга (также известная как ночная радуга) — радуга, порождаемая луной в большей степени, чем солнцем. Лунная радуга сравнительно более бледная, чем обычная. Это объясняется тем, что луна производит (отражает от солнца) меньше света, чем солнце. Лунная радуга всегда находится на противоположной от луны стороне неба. Лучше всего лунная радуга видна при полной луне, или на фазе луны, близкой к полной, так как в это время луна бывает самой яркой. Для появления лунной радуги, кроме тех, что вызваны водопадом, луна должна находиться невысоко в небе и небо должно быть тёмным. И конечно же должен идти дождь напротив луны. Эта комбинация необходимых требований делает лунные радуги намного более редкими, чем радуги, тоже появившиеся под действием дождя, но порождённые солнцем.

Округло-горизонтальная дуга («огненная радуга») — относительно редкий оптический эффект в атмосфере, выражающийся в возникновении горизонтальной радуги, локализованной на фоне лёгких, высоко расположенных перистых облаков.

Существует  еще  одна  разновидность  радуги  -  туманная. Туманная дуга - отражение солнечного света капельками воды. Она похожа на радугу, однако не окрашена в разные цвета.  Сам туман не образует дугу, туман в основном прозрачный и относительно однородный. Форма туманной дуги создается капельками, которые преломляют солнечный свет на определеный угол, в направлении наблюдателя.

Отсутствие окраски туманной дуги объясняется относительно малыми размерами капелек воды. Преломляющие свет капельки настолько малы, что их размеры сравнимы с длиной волны света, рассеяние подчиняется законам квантовой механики, и все цвета смешиваются. Если капельки больше, то они действуют как маленькие призмы, преломляющие солнечный свет, и возникает окрашенная радуга.

Практическая  часть.

Исследование  я  начала  с  двояковыпуклой  линзы.

1. В  первом  эксперименте  я  использовала  свет  люстры  и  находилась  в  хорошо  освещаемой  комнате.  При  любом  угле  наклона  линзы, независимо  от  расстояния  линзы  до  люстры  я  получала   пятна  разной  формы,  но  белого  или  желтоватого  оттенка:
2. Второй  эксперимент  я  проводила  уже  при  полном  отсутствии  света  в  ванной  комнате,  так  же  с  двояковыпуклой  линзой,  но  использовала  разные  источники  света.

а) Свеча:

Она  дала  расплывчатое  пятно  с  желтым  центром  и  красными  краями.

б) Дальше  я   использовала  фонарь  с  красным  лучом.

Этот  эксперимент  дал  четкое  пятно  красноватого  оттенка.

в)  Следующий  эксперимент  я  проводила  с  фонарем  белого  света:

Получила  в  результате  расплывчатое  пятно  голубоватого  оттенка.

Вывод:  таким  образом,  линза  не  дает  разложение  света  на  спектр.

3.  Следующими   на  очереди  были четырехгранные  стекла  прозрачного  стекла  разных  форм.  Они  дали  разложение  на  спектр  светового  луча,  но  только  при  условии,  если  луч  света  проходил  через  грань.  Наиболее  яркую  и  четкую  радугу  я  получила,  когда  использовала  четырехгранную  призму.

а) Серповидная  призма  дала  желтый  и  оранжевый  свет  с  правого  бока  и  зеленый,  голубой  и  фиолетовый  с  левого  с  белым  пятном  по  середине,  окрашенным  в  нежные  блеклые  цвета  розового, сиреневого  света.

 б)  Линза  в  форме  овала  дала  разложение  белого  луча  света  лишь  четырех  светов:  зеленый,  желтый,  оранжевый  и  красный  -  лишь  начало  спектра.  И  под  каким  бы  углом  свет  не  проходил  через  нее,  света  с  более  короткой  волной  не  получались.

в)  Каплевидная  форма  линзы,  несмотря  на  то,  что  она  похожа  на  каплю  воды,  ожидаемого  эффекта  так  же  не  дала.  По  левому  и  правому  краю  линза  давала  узкие  полосы  световой  гаммы,  четкий  фиолетовый  так  же  не  получился,  да  и  в  центре  просматривается  бесцветное  белое  пятно.

г)  И  лишь  трехгранная  линза  в  виде  трапеции  дала  четкое  разложение  белого  светового  луча  на  спектр  не  зависимо  от  угла  ее  наклона.

 Выводы: Гипотеза,  поставленная  в  начале  исследования,  оправдалась.  Слабый  источник  света  не  дает  расщепление  белого  луча  света,  а  дает  лишь  размытое  пятно. Источник  красного  света  дает  пятно  аналогичного  света,  независимо  от  вида  стекла.  Только  луч  мощного  источника  белого  света,  проходящий  через  трехгранную  призму,  дает  семь  цветов  радуги,  все  остальные  виды  стекла  дают  лишь  размытые  разноцветные  пятна.

Литература

1. Булат В. Л.  Оптические явления в природе.  Издательство «Просвещение», Москва, 1974 год.
2. Википедия  -  свободная энциклопедия. Сайт: https://ru.wikipedia.
3. Мякишев Г. Я.,  Буховцев Б. Б.  «Физика 10».  Издательство «Просвещение», Москва, 1987 год.
4. Миннарт М. Свет и цвет в природе. — М.: «Наука», 1969. — С. 182. — 344 с.
5. Ромашкевич А.И. Физика. Оптика. Квантовая природа света. 11 класс. Учимся решать задачи. Издательство: М.: Дрофа. 2009
6. Тарасов Л. В. Физика природных явлений. Книга для учащихся. Издательство «Просвещение», Москва, 1988 год.
7. Шахмаев  Н. М., Шахмаев  С. Н., Шодиев Д. Ш. «Физика 11» Издательство «Просвещение», Москва, 1991 год