STEM дослідження "Веселка"

Смолінська Уляна Євгеніївна, викладач фізики та астрономії

Мороз Софія, учениця другого курсу професії

«Оператор з обробки інформації та програмного забезпечення»

Львівського ВПУ інформаційно-комп’ютерних технологій

 

STEM дослідження «Веселка»

 Проектна діяльність на сьогоднішній день має дуже вагоме значення у навчанні сучасного молодого покоління. Важливим є не тільки побачити красу природи навколо, а й зуміти знайти пояснення чому саме ми цю красу бачимо і чи можемо ми відтворити її самостійно.Таким чином, відбувається більш ефективне засвоєння навчального матеріалу; комплексне розуміння предметів та процесів; навчальний процес цікавий і є мотивація вчитися. І, мабуть найголовніше, з’являється уміння формулювати дослідницьке питання та пошук комплексного його рішення.

 

Якщо хочете веселку, доведеться змиритися з дощем

Е. Зелінські

Поява веселки здавна привертає увагу людей своєю красою. Ви, безперечно, дивлячись на веселку, яка постає на небі після дощу, милувалися нею.

Звідки береться таке прегарне, та ще й кольорове видиво у повітрі? Чи можна побачити веселку будь де і будь коли?З чим пов’язана прикмета: «Веселка – кінець дощу»?У чистому повітрі ніякої веселки не було б. Утворюється вона завдяки найдрібнішим краплинкам води, тому й видно її лише після дощу. Зверніть увагу, що найчастіше бачити веселку щастить, коли Сонце невисоко над горизонтом, а ви стоїте спиною до нього і обличчям до дощу, що вже закінчується.

Яка причина появи кольорів на небосхилі? Заломлюючись у крихітних прозорих краплинках води, біле світло зазнає, як кажуть, розкладання в спектр. І тоді стає цілком зрозуміло, що складається він з групи кольорів.

Чи можна отримати веселку в «домашніх» умовах? Можна зробити так, як свого часу І. Ньютон. Крізь маленький отвір у віконниці чи шторі треба пропустити вузенький пучок світла. Якщо на його шляху поставити скляну трикутну призму, то промені, зломившись у ній, вийдуть уже розділеними на кольори. Це буде видно на протилежній стіні.

Як називається отримане явище? Дисперсія світла. Веселкова смужка, названа спектром, показує, що найсильніше заломлюються призмою фіолетові промені, а найменше – червоні.

Яка послідовність кольорів у веселці?Вивчити кольори дуже зручно одним із способів запам’ятовування – утворенням асоціативних спрощених комбінацій. Асоціативні фрази – перші літери кожного слова фрази є першими буквами слів того переліку, який потрібно запам’ятати. Наприклад:

  

Чепурний ошатний жук з’їв барвистий свіжий фрукт.

Чи можна наблизитися до веселки? Ні, тому що веселка – це не предмет, а оптичне явище.

Отож, як же ж утворюється Веселка? Переглянемо пізнавальне відео, де все чудово та швидко пояснено. (https://www.youtube.com/watch?v=RmzbSYKsk1k)

Дощ пройшов, через ставок

Перекинувся місток.

Кольорів у нього сім,

Він подобається всім!

Веселка – оптичне явище в атмосфері, що представляє собою одну, дві чи декілька різнобарвних дуг (або кіл, якщо дивитися з повітря), що спостерігаються на тлі хмари, якщо вона розташована проти Сонця.

Райдуга – одна з найкрасивіших явищ в природі, яке пояснюється розкладанням білого світла на кольори внаслідок заломлення. На завісу в повітрі краплину води, що виникає після дощу, падає сонячний промінь. На межі повітря–вода промінь заломлюється, потім відбивається від внутрішньої поверхні краплин, ще раз заломлюється й виходить із краплини. Оскільки промені фіолетового кольору заломлюються сильніше, ніж червоні, після виходу з краплин вони розходяться. Тому цікавим є те, що червоний колір ми бачимо з зовнішнього боку первинної веселки, а фіолетовий – із внутрішнього.

Спостерігач, що стоїть спиною до джерела світла, бачить різнобарвне світіння, що виходить із простору по концентричному колу (дузі). Найяскравіша дуга (первинна веселка) утворена променями, що зазнали одного відбивання всередині крапель. Радіус цієї дуги становить 42°. Промені, що двічі відбилися від стінок краплі зсередини, утворюють вторинну веселку, радіус якої більший приблизно на 10°. Порядок кольорів у ній зворотний. Центр кола, дугу якого описує веселка, завжди лежить у напрямку, протилежному до напрямку на Сонце (Місяць), тобто одночасно бачити Сонце й веселку без використання дзеркал неможливо.

Поява веселки – найяскравіший приклад явища зумовленого дисперсією. За допомогою Ar-Book можна переглянути експеримент Дисперсія – пояснення явища дисперсії та механізм виникнення веселки. (мал.. з Ar-Book)

Кільцева веселка: Для людини на землі вона виглядає зазвичай як частина дуги кола; чим він вищий, тим веселка повніша – з гори або літака можна побачити й суцільне коло.

Якщо водяні крапельки, що висять у повітрі, дуже дрібні (туман), веселка виглядає дещо по-іншому; це пояснюється хвильовими властивостями світла. Така веселка (відома як біла райдуга) ширша і значно слабше забарвлена. Різнобарвна дуга зазвичай знаходиться від спостерігача на відстані 1-2 км, а іноді її можна спостерігати на відстані 2-3 м на тлі водяних крапель, утворених фонтанами або розпилювачами води.

Аристотель виклав уявлення про веселку в спеціальному розділі своєї «Метеорології». Він вважав, що веселка виникає завдяки відображенню світла, але не просто від усіх хмар, а від крапель. У 1637 році знаменитий французький філософ і вчений Декарт дав математичну теорію веселки, засновану на ламанні світла Згодом ця теорія була доповнена Ньютоном на підставі його дослідів по розкладу світла на кольори за допомогою призми.

У лютому 1672 року на засіданні королівського наукового товариства Ісаак Ньютон виступив із повідомленням на тему «Нова теорія світла і кольорів». У цьому повідомленні він стверджував, що «найбільш дивовижна та чудова суміш кольорів – біле світло». Причиною є те, що природнє світло складається з суміші кольорів.

Якщо пучок світла пропустити через тригранну призму, на екрані побачимо різнокольорову смужку – спектр.

Спектр – це кольорова картинка, яка складається з семи кольорів, розташованих у строго визначеному порядку.

Отримати такий же ж спектр можна і за допомогою віртуальної лабораторії Vascak – Дисперсія (мал.. з лабораторії).

Доречі, в цьому експерименті можна міняти розташування джерела світла, його кут, спостерігати за зміною розташування розкладеного пучка світла на кольори і навіть змінювати показник заломлення як для червоно, так і для фіолетового променів.

Задача 1: Показник заломлення для червоного світла у склі дорівнює , а для фіолетового – . Знайти різницю кутів заломлення в склі, якщо кут падіння дорівнює .

Отож, розв’яжемо задачу звичним методом та водночас налаштуємо і перевіримо результати за допомогою віртуальної лабораторії.

 

 

 

Отже,

Аналізуємо малюнок отриманий із віртуальної лабораторії. Показники заломлення у склі для червоного та фіолетового променів . Кути заломлення для червоного та фіолетового кольорів позначені , а їхні значення заломлення у склі .

Як бачимо, різницяβЧого і слід було очікувати.

 

Задача 2:Промінь світла падає на одну з граней скляної призми під кутом α = 45° і виходить з призми у повітря під кутом β = 61°. Заломлюючий кут призми = 60°.

1. Знайти формулу кута заломлення призми. Перевірити результат за допомогою віртуальної лабораторії.
2. Знайти на який кут відхиляється промінь від початкового напряму пройшовши призму. Перевірити результат за допомогою віртуальної лабораторії.
3. Визначити коефіцієнт заломлення матеріалу призми для червоного та фіолетового променів окремо. Перевірити результат за допомогою віртуальної лабораторії.

 

1. Робимо малюнок. Рисуємо переріз призми площиною, перпендикулярною до її бічних ребер.

Проводимо перпендикуляр до лівої грані в точці падіння променя. Оскільки коефіцієнт заломлення призми (скло) більший за коефіцієнт заломлення повітря, то кут заломлення і кут падіння .

Проводимо перпендикуляр до правої грані призми в точці виходу променя з призми.

Ставимо точку на перетині перпендикулярів і , точку – на перетині продовження променів.

Кут – кут відхилення променя від початкового напряму після виходу з призми.

Сума кутів дорівнює , сума кутів чотирикутника – ,

Запишемо систему рівнянь

Віднімаючи перше рівняння від другого, одержуємо:

Тоді

Перевіримо результат скориставшись віртуальною лабораторією.

Отже, для червоного кольору

,

=+

Аналогічно для фіолетового кольору

,

=+

 

2. Оскільки кут є зовнішнім кутом , то

Підставивши отримаємо

Остаточно
 

 

Перевіримо результат скориставшись віртуальною лабораторією.

Для фіолетового кольору: , , +

Як бачимо результат співпадає.

Також можна зробити обчислення і для червоного кольору: , , +

 

Використавши закон заломлення світла, запишемо його для лівої та правої граней призми:

   

Із першої рівності закону заломлення матимемо: .

Використовуємо співвідношення і визначаємо

Тепер підставляємо усе у другу формулу закону заломлення:

Після спрощень

Звідси

Остаточно

Обчислюємо

=

 

Перевіримо результати використавши дані віртуальної лабораторії.

 

Досліди Ньютона полягали у розкладанні білого світла у спектр за допомогою призми. Очевидно, що якщо скласти всі кольори отриманого спектру, світло буде білим.

Це легко перевірити за допомогою «диска Ньютона» (круг, на якому нанесено кольори спектру). Якщо обертати його з певною швидкістю, ми побачимо, що диск має білий колір. Переконатися в цьому можна також за допомогою віртуальної лабораторії Vascak – Диск Ньютона.

 

Як зробити веселку у себе в дома?

Дослід №1:

Це дуже легко і просто.

Для цього нам потрібно CD-диск, аркуш паперу та ліхтарик. Бажано робити цей дослід пізно ввечері або в ночі. Для того щоб вийшла веселка, потрібно взяти листок паперу(бажано білого) покласти на любу поверхню. Взяти в руку диск і направити ліхтарик на нього. На аркуші нам зразу відображається веселка.

Тому зробити веселку в домашніх умовах дуже просто.

Навіть миючи посуд вдома, можна спостерігати веселку, як на цьому фото.

 

Дослід №2: Тепер відтворимо веселку за допомогою лінзи, склянки води та аркушу паперу, ну і звісно з хорошою сонячною  погодою. Для цього в склянку з водою поміщаємо лінзу і покладемо паралельно аркуш паперу на будь яку поверхню (звісно бажано там де яскраво світить сонце), щоб нам відбилась сама веселка. Поставити склянку на край стола, а сам аркуш паперу можна положити на поверхню підлоги.

Веселка утворюється завдяки розсіюванню та відбиванню світла у краплинах води. Лінза або склянка, яка має форму краплини, може фокусувати світло, роблячи його швидше взаємодіяти з водою і утворювати веселку. Коли сонячне світло пройде через краплини води, воно відбивається від задньої стінки краплини та розсіюється. Після цього світло виходить з краплини під кутом та утворює веселку.

Лінза або склянка може змінити шлях світла, допомагаючи збільшити ефективність утворення веселки.Так за допомогою лінзи можна корегувати відбиття сонячного проміння для кращого ефекту.

 Кажучи просто, можна тримати склянку з лінзою в руці, де є сонячне проміння та положити аркуш паперу, можна запросто отримати веселку та корегувати, чим ближче до аркушу, тим яскравіша виходить веселка