Исследовательская работа "Калейдоскоп"

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

НАЧАЛЬНАЯ ШКОЛА «ПЕРСПЕКТИВА»

Школьная конференция учебно-исследовательских работ

«Лесенка успеха»

Калейдоскоп

Учебно-исследовательская работа

                                                        Исполнитель:

 Николаев Данила Сергеевич,  

ученик 3д класса

                                                        Руководитель:

Новосад  Виктория Онуфриевна,

                                                                                  учитель начальных классов

Сургут, 2018

                                                   ОГЛАВЛЕНИЕ                                        стр.

Введение………………………………………………………………….…. 3

      Глава I. Теоретическая часть.

1. 1.  Что такое калейдоскоп…………………………………………....4

1. 2. История создания калейдоскопа……....…………………………….5

1.3. Применение калейдоскопа в современной жизни ………………….6

1.4 Виды калейдоскопов …………………………………………………  .8

Глава II. Практическая часть.

2.1.  Подбор материалов для создания калейдоскопа………………….9

2. .  Процесс изготовления калейдоскопа……….……………………10

      III. Заключение………………………………………………………........11

      Информационные источники………………..……..…………………..12

Введение.

   В наше время, когда цифровые технологии так стремительно развиваются, знания о механике и оптике и навыки  изготовления простейших приборов своими руками особенно ценны.

Удивительные картинки калейдоскопа сегодня обычно наблюдают на экране монитора, поскольку существует множество роликов, которые можно найти в сети и любоваться чудесными симметричными узорами. Настоящий же калейдоскоп, который можно держать в руках,  - это уже редкость.

Моя исследовательская работа доказывает, что изготовить калейдоскоп из подручных средств несложно и недорого, а также рассказывает о том, как и для чего можно его использовать.

Цель:

• Изучение истории создания калейдоскопа, его видов и областей применения в современной жизни, а также создание калейдоскопа своими руками  из подручных средств.

Задачи:

1. Получить сведения о калейдоскопе.
2. Вынести полезные сведения о том, как можно применять его в жизни.
3. Изготовить калейдоскоп своими руками для практического применения.

Объект исследования: оптическое устройство - калейдоскоп.

Предмет исследования: калейдоскоп.

Методы  исследования: изучение интернет – ресурсов и энциклопедий, анализ полученных сведений,  наблюдение, эксперимент.

1. Теоретическая часть.

1. Что такое калейдоскоп.

                                                                        А. Измайлов

   Калейдоскоп – это оптический прибор в виде трубки, содержащей внутри несколько продольных, сложенных под углом зеркальных стекол. При поворачивании трубки вокруг продольной оси цветные элементы (например, осколки цветного стекла), находящиеся между зеркалами, многократно отражаются и создают причудливые меняющиеся симметричные узоры.    

    Название этого прибора образовали три греческие слова «kalos» - «красивый», «eidos» - «вид», а также «skopeo», означающее «смотрю».    

   Владимир Даль очень поэтично называет каледоскоп в своем «Толковом словаре» узорником: «Узорник – это трубка, с двумя зеркальцами клином, где цветные стекляшки отражаются узорною звездою, переменною, при всяком движении или обороте трубки».

   В  основе действия калейдоскопа лежит принцип отражения света от плоских зеркал, образующих между собой угол. Внутри цилиндрической трубки, параллельно ее оси, расположены как минимум две зеркальные пластины, обращенные отражающими поверхностями друг к другу. Внутри калейдоскопа может стоять от 2-3-х зеркал до 4-х или более. Различное взаимное расположение зеркал позволяет получить разное количество дублированных изображений одного предмета: при углах между зеркалами в 45°- 8 изображений, при 60°- 6 изображений, при 90°- 4 изображения. Внутри трубки между зеркалами помещают хотя бы несколько кусочков цветного стекла. Кроме стеклышек в качестве дополнительных компонентов используют металл, пластик, бисер, камни, перламутр, перышки, и др. Желательно, чтобы предметы, которыми заполняется калейдоскоп для создания узоров, были бы разными по величине и по весу.

   Вот как о разнообразии узоров калейдоскопа пишет в своей книге «Занимательная физика» известный ученый Яков Перельман: « Допустим, вы держите в руках калейдоскоп с 20 стеклышками и 10 раз в минуту поворачиваете его, чтобы получить новое расположение отражающихся стеклышек. Сколько времени понадобится вам, чтобы пересмотреть все получающиеся при этом фигуры?

   Самое пылкое воображение не предусмотрит правильного ответа на этот вопрос. Океаны высохнут и горные цепи сотрутся, прежде чем будут исчерпаны все узоры, чудесным образом скрытые внутри вашей маленькой игрушки, потому что для осуществления всех их понадобится по крайней мере 500000 миллионов лет. Свыше пятисот миллионов тысячелетий нужно вращать наш калейдоскоп, чтобы пересмотреть все его узоры!» Когда видишь бесконечно складывающиеся узоры, понимаешь, что мир безграничен, как безгранична человеческая фантазия.

1. 2. История создания калейдоскопа

   Калейдоскоп возник гораздо раньше, чем серьезный инструмент для исследования небесных светил телескоп. Хотя природа у них одна и та же.

Дэвид Брюстер – физик из Шотландии, запатентовал это изобретение в 1816 году. Но ещё в конце 18 века калейдоскоп был изобретён нашим соотечественником Михаилом Ломоносовым. Однако вся слава досталась Брюстеру, лишь по той причине, что в России во времена, когда Ломоносов увлекался свойствами стекла, не было закона о патентах. Увидеть первые калейдоскопы, созданные Ломоносовым, вы можете и сегодня в Эрмитаже.

Любопытно, что Дэвид Брюстер заинтересовался свойствами света и стекла еще будучи ребенком, моим ровесником,  уже в 10-летнем возрасте он построил свой первый телескоп. Потом были годы учения в Университете Эдинбурга (кстати, Брюстер был вундеркиндом, студентом он стал в 12 лет), изучение оптики и физики света, множество научных открытий.  Брюстер – изобретатель двояковыпуклого стереоскопа, полигональных зеркал, поляриметра и конструктор линз для маяков, но по иронии судьбы он обрел славу через простую, казалось бы, детскую игрушку. Калейдоскоп принес Брюстеру славу первооткрывателя, но не принес ни копейки денег. Патент оформляли нерасторопно, и предприимчивые дельцы быстро освоили технологию и простые по своему исполнению игрушки появились во всех магазинах.

   Изначально калейдоскоп создавался Дэвидом Брюстером в качестве научного прибора, а вовсе не как игрушка. Но после опубликования его трактата о калейдоскопе, этим прибором заинтересовалась практически вся Европа, и он стал популярным развлечением.

Когда известие о чудном европейском изобретении докатилось до Америки, шел уже 1870 год. Американский ученый Чарльз Буш, к которому попал один из привезенных из Европы калейдоскопов, необычайно заинтересовался новой "игрушкой". На протяжении многих лет он создавал и модернизировал калейдоскопы, пробовал изменять их форму, наклон зеркал, содержимое. Именно Чарльз Буш создал первый "кабинетный калейдоскоп" - трубу из черного плотного картона, с бронзовым поворотным колечком на конце, подвижно закрепленную на красивой деревянной подставке.

   Менялось внутреннее устройство калейдоскопа, изменялись его размеры, позволяющие переносить прибор, да и «начинка» была у них самая разная. Вместо стекляшек в них были цветы, засушенные насекомые, лепестки и не только. Самые состоятельные пользователи заказывали калейдоскопы с настоящими драгоценными камнями внутри, и стоили эти приборы невероятно дорого.  При всей неприхотливости конструкции люди увлекались этим  прибором, потому что их поражала необычайная гармония, повторяющиеся фрагменты, буйство красок. Мода на калейдоскопы с постоянной периодичностью охватывает весь мир.

   Калейдоскоп и сейчас считается хорошим подарком и ребенку, и взрослому, однако если стоимость пластиковой игрушки промышленного производства сегодня может составлять менее ста рублей, то авторский калейдоскоп ручной работы стоит боле ста тысяч рублей. Так в известной в России мастерской «Русские калейдоскопы», находящейся в новгородском селе Марево, мастер Сергей Яковлев и его коллеги изготавливают неповторимые калейдоскопы на заказ из камня, бересты, металла и других материалов. Он автор идеи – заполнять узорную камеру особыми парчовыми нитями, которые создают необычайно тонкие изящные узоры.

3. Применение калейдоскопа в современной жизни

   Большинство из нас считает, что калейдоскоп – это только развлечение, игрушка. Но это не так. В современной жизни его применяют в различных областях жизни человека.

   У калейдоскопа множество поклонников: и дети, которые разглядывают узоры, в качестве забавы, и художники, которые создают сложнейшие и красивейшие узоры, просчитывают невероятные композиции, подбирают материалы, инженеры, коллекционеры, врачи и философы. За рубежом калейдоскопы стали столь популярны, что в 1986 году Коузи Бейкер создала специальное общество, объединившее всех коллекционеров и профессионалов, художников и теоретиков, производителей и покупателей - Brewster Kaleidoscope Society. Оно существует и по сей день - brewstersociety.com  

   Художники используют калейдоскоп, чтобы получить вдохновение для создания узоров на ткани, коврах, рисунков для обоев и керамики, орнаментов для оформления книг и витрин.  Художник может задать этому прибору определенную программу, заполнив узорную камеру определенным содержимым,  чтобы получались узоры либо в веселых, радостных, либо, наоборот, в строгих, грустных или даже мрачных тонах.

   Медицина тоже обратила внимание на этот чудо-прибор. Мэрилл Энн Батлер – художница, изучающая воздействие цветов на организм человека, изобрела «чакроскоп» в котором задействованы цвета, влияющие на каждую из чакр. Ведь, если посмотреть внимательно на узор в калейдоскопе, – что он напоминает больше всего? Конечно мандалу! Мандала – это сакральное схематическое изображение либо конструкция, используемая в буддийских и индуистских религиозных практиках; геометрический символ сложной структуры, который интерпретируется как модель вселенной, «карта космоса». Мандалы используют для медитаций, отсюда у калейдоскопа еще одно название – медитоскоп.  Красивые, переходящие из одного в другой причудливые узоры действуют на психику как успокоительное, человек расслабляется, стресс уходит.

   Доктор Клиффорд Кун,  глава Отделения психиатрии и поведенческих наук в университете Кентукки начинал с коллекционирования калейдоскопов, а потом ввел их в свою практику лечения пациентов. Разглядывание узоров в калейдоскопе, успокаивает нервы, снимает напряжение, отвлекает от навязчивых мыслей. Калейдоскоп — это генератор положительного поля. Он способен создать настроение, разогнать тоску, улучшить самочувствие. 15 минут рассматривания картинок калейдоскопа сравнимы с 5 минутами здорового смеха.

   Калейдоскоп — это и домашний терапевт. Он помогает снять усталость зрительного нерва, что особенно важно в современном мире компьютеров и электроники. А еще он улучшает тонус при болезни и ускоряет процесс выздоровления. Сейчас во многих странах мира такой метод лечения уже не является экзотическим.

   Калейдоскоп используют музыканты и композиторы, настраиваясь на игру или улавливая появившуюся в мыслях новую мелодию. Считается, что каждому цвету соответствует музыкальная нота: наблюдая узоры в калейдоскопе, видишь музыку.

   За калейдоскопом тянется и  сомнительная слава инструмента магов. Шарлатаны убеждают доверчивых людей в том, что узоры калейдоскопа  можно читать как книгу предсказаний. Якобы посвященные, зная язык символов, могут использовать инструмент для предсказаний, для интерпретаций  представлений о судьбе человека.  Калейдоскопу задают вопросы и якобы получают ответы.

1.3. Виды калейдоскопов

   Видов калейдоскопов множество, все они существенно различаются по форме, назначению, стилю и цене. Некоторые из них – настоящие произведения искусства. Несмотря на кажущуюся простоту прибора, многие изобретатели до сих пор его усовершенствуют, внося в конструкцию что-то свое.
Мы в своей работе перечислим основные разновидности.

• Классический калейдоскоп подразумевает наличие разноцветной засыпки, которая перемещается при вращении корпуса калейдоскопа вокруг своей оси.

• Гелевые (или масляные) калейдоскопы существуют в нескольких вариантах исполнения. Объединяет их всех наличие гелеобразного вещества, в котором присутствует разноцветная засыпка, иногда в виде бисера, цветных стекол, фигурных элементов из фольги и других материалов. В них перед глазами возникает эффект движения благодаря перетеканию гелевого раствора с разноцветной засыпкой, который отражается в системе зеркал.

• Калейдоскоп с вращающимися кольцами больше известен в странах Востока, чем в России. Традиционная оптическая схема из трёх зеркал внутри отражает узоры, которые создаются вращением одного или двух колец на торце трубки.

• Талейдоскопы (или теледоскопы) — изделия с традиционной оптической схемой, не имеющие внутри цветной засыпки. Их секрет кроется в другом: узоры создаются из отражения частичек окружающего нас мира. Фрагмент изображения, на который направлена труба талейдоскопа, увеличивается благодаря линзе и многократно отражается от зеркальной внутренней призмы. Внутри талейдоскопа привычное нам окружение трансформируется в необыкновенный мир.
• Пневматический калейдоскоп имеет внутри вместо обычных цветных стекляшек разноцветные перышки. К калейдоскопу присоединена "груша", с помощью которой в калейдоскоп накачивается воздух. Перышки хаотично вращаются, создавая чудесную картинку.
• Параскоп дает объемную картинку. В этом случае узор образуется из отражений предметов окружающего мира и одновременно стеклышек, заключенных внутри калейдоскопа.

   Если говорить о рекордах в мире калейдоскопов, то самый большой калейдоскоп построили в Японии в 2005 году во время выставки ЭКСПО. В павильоне в Нагое построили Башню Земли. По стенам этой трехгранной башни 47 метров в высоту сверху вниз стекала вода, образуя различные узоры, в зависимости от направления солнечных лучей. В местах соединения стен башни выходили струи воздуха, имитирующие ветер. В павильоне раздавались мелодичные звуки, которые исходили от трех ветряных мельниц, установленных рядом с башней. Внутри башни располагался самый большой в мире калейдоскоп.

   В Париже в 1900 году был выстроен павильон, получивший название "Дворец миражей". Зал состоял из шести зеркальных стен, в местах соединения которых размещались на вращающихся подставках тропические растения, колонна восточного храма или фрагмент колоннады знаменитой "Альгамбры"из Испании. Благодаря "зеркальному” эффекту посетитель ощущал себя внутри храма или восточного дворца, а то и в тропическом лесу. Зеркальный зал становился огромным и наполнялся толпой, так как посетитель и фрагменты убранства отражались в стенах более 450 раз.

                                                Глава II. Практическая часть.

2.1.  Подбор материалов для создания калейдоскопа

   Поскольку моей целью было создание калейдоскопа из подручных материалов, я сначала изучил интерент-источники и энциклопедии, в которых приводились примеры аналогичных работ. Оказалось, что изготовить калейдоскоп можно из бросового материала, используя старую пластиковую упаковку, картон, фольгу, трубки от бумажных полотенец или тубы-упаковки из-под чипсов. Для наполнения узорной камеры также не требуется особых материалов: это могут быть как бусины, бисер, так и любые  цветные осколки и обломки елочных и ювелирных украшений, которые обычно просто выбрасывают.

   Главным элементом, от которого зависит четкость и выразительность изображения, является зеркальная призма. Ее можно создать из прямоугольных кусков картона, обернутых обычной кулинарной фольгой; стекол, окрашенных с одной стороны в черный цвет или даже обычных пластиковых линеек. Но самым лучшим материалом все же являются настоящие зеркала. Сначала это решение показалось мне нереализуемым. Где взять три продолговатых зеркальных полоски одинаковой длины и ширины? Как оказалось, это несложно и ничего не стоит. Мы с родителями зашли в мастерскую по нарезке стекол и зеркал и спросили, нет ли у мастеров ненужных обрезков. Сначала нам дали возможность поискать подходящие зеркальные кусочки в огромном ящике с обрезками, но узнав о нашей идее создания калейдоскопа, мастера предложили разрезать специальным стеклорезом  один из крупных обломков на равные части. Так мы получили идеальный материал для создания призмы. Но надо отметить, что данный вариант хорош для исследовательской работы, но для создания детской игрушки все же лучше было бы использовать другие вышепредложенные небьющиеся безопасные материалы.

    В качестве трубы, в котором будет закреплена призма, я использовал старую картонную упаковку  цилиндрической формы.

   Для диска с «глазком» -  круглым отверстием, в которое зритель будет смотреть, я припас плотную упаковку от календаря, подметив, что в ней есть красиво обрамленной металлическое отверстие подходящего диаметра.

   Для кружка со стороны узорной камеры также была использована ненужная упаковка из прозрачной пластмассы.

   В узорную камеру было решено засыпать не только бисер, бусины, стразы и обломки ювелирных украшений, но и тонкую проволочку, скрученную в спираль, пружинку, гвоздик, кусочек цепочки, сережку в виде паучка.

2. .  Процесс изготовления калейдоскопа

   Изготовление калейдоскопа заняло три вечера, что в сумме составило около 9 часов работы с учетом ожидания просыхания клея.

   Три стекла были зафиксированы мной при помощи родителей скотчем, а затем склеены силиконовым герметиком. Полученная трехгранная зеркальная призма уже сама по себе представляла интерес, играя роль телейдоскопа. В нее было интересно рассматривать окружающие предметы, смотреть в окно, разглядывать различные источники света. Угол в 60 градусов позволял изображениям повторяться по шесть раз, при этом еще и многократно отражаясь от стенок призмы.

   Следующим этапом было закрепление призмы в картонной трубе. Для этого мы использовали упаковочный пенопласт. Продолговатые кусочки были плотно вставлены между стенками трубы и призмой. Размер подбирался произвольно, на глаз.

   На один конец трубы мы приклеили при помощи клея «Момент» картонный диск с отверстием. Диаметр кружка – 5 см., диаметр отверстия – 1 см. Это смотровое отверстие калейдоскопа.

   На другой конец трубы непосредственно над призмой, которая углублена в трубу на 2 см.,  приклеили  диск из призрачного пластика. Это начало создания узорной призмы. Оставив треугольный просвет по размеру призмы, мы декорировали остальное пространство цветным картоном. После этого в трубу на поверхность прозрачного круга были засыпаны декоративные элементы.

   Завершающим этапом работы стало приклеивание прозрачного кружка, закрывающего узорную камеру. Мы решили оставить его прозрачным, потому что так наш прибор играет роль и калейдоскопа, и отчасти телейдоскопа. При желании можно приклеить на прозрачный круг матовую бумагу, и тогда прибор станет выполнять лишь роль калейдоскопа: кроме узоров не будет видно ничего, то есть окружающих предметов.

III. Заключение

   По завершении работы над созданием калейдоскопа, я могу отметить, что прибор получился удачным. Он выполняет главную функцию – доставляет удовольствие смотрящему. Узоры в калейдоскопе яркие, сочные, разнообразные, непредсказуемые, удивительные.

   Отдельно отмечу, что стоимость прибора оказалась нулевой – ни один из использованных материалов не был приобретен в магазине специально, все оказалось дома под рукой.

Самым сложным было аккуратно сделать зеркальную призму и зафиксировать ее внутри цилиндра. Эту часть работы трудно выполнить без помощи родителей. Также требует осторожности работа по вырезыванию пластика и обрезанию картонной трубки острыми инструментами (в моем случае – ножницы и канцелярский нож).

   В перспективе можно изготовить подставку под калейдоскоп, чтобы можно было вращать его плавно, наблюдая за постепенным переходом одного узора в другой.

   Сейчас я могу утверждать, что простой калейдоскоп вполне может самостоятельно и бесплатно изготовить обычный школьник. Я намерен и дальше на новом уровне изучать калейдоскопы и другие оптические приборы, потому что взаимодействие стекла и света, его преломление – очень интересная тема.

Информационные источники:

1. Я. Перельман «Занимательная физика»
2. brewstersociety.com – международный сайт любителей калейдоскопов
3. youtube.com «Как сделать калейдоскоп» https://youtu.be/itKAKLncSNk 
4. https://youtu.be/VlnOaLw2p0Y 
5. https://youtu.be/AzYwPyYiVoA 
6. Сайт «Класс!ная физика» http://class-fizika.ru/caled4.html 
7. Сайт «Русские калейдоскопы» http://kaleydos.ru/