ГАЛЕРЕЯ ПРОЕКТНЫХ, ПЕДАГОГИЧЕСКИХ И ТВОРЧЕСКИХ РАБОТ

Природа радуги

Моисеевских Матвей, учащийсяЧОУ Гимназии № 212 «Екатеринбург-Париж» г. Екатеринбурга, 10 лет

Номинация: «Исследовательский проект»
Куратор: Рюмина А.В.

Природа радуги

Введение

В прошлом году я делал исследовательский проект на тему: Как происходит лунное затмение и почему Луна краснеет при затмении? В ходе которого я выяснил, что Луна краснеет вследствие попадания на нее лучей красно-оранжевой части спектра света. И у меня возник проблемный вопрос: что такое СПЕКТР СВЕТА? Почему предметы, зачастую имея какой-либо цвет, при попадании на него света, не белого, а какого-то другого, например синего или красного, или зеленого, изменяют свой цвет, в восприятии нами, через наши органы зрения. И разобраться с этим вопросом мне поможет такое явление , как Радуга. Мир, который нас окружает, но о котором мы почти не задумываемся – это мир света и цвета. Почти 90% информации об окружающем мире мы получаем посредством органов зрения.

Мы часто говорим о таком понятии как свет, источниках освещения, цвете изображений и объектов, но не совсем хорошо себе представляем, что такое свет и что такое цвет. Пора разобраться с этими вопросами и перейти от представления к понимаю.

Задачи моего проекта:

1.Собрать информацию о свете и цвете, спектре света, как физическом явлении, чтобы понять свойства света.

2.Понять, как работает наше цветовое зрение.

3.Понять, как свет используется в нашей жизни, почему окружающий нас мир сияет всеми цветами радуги.

Цель: определить, что представляет собой радуга в природе и какую роль играет в жизни людей.

Предмет исследования: солнечный свет и простые искусственные источники света. Спектр света

Объект исследования: свойства света и цвета.

Гипотеза: я предполагаю, что солнечный свет прозрачный и не имеет никакого цвета, и он не белый. Отсюда у меня возник проблемный вопрос: от чего в небе иногда появляется радуга? Ответ на этот вопрос поможет мне более точно понять, как и где можно использовать свойства света и цвета в жизни.

Практическая часть, методы исследования:

  1. Изучение литературы по теме исследования

  2. Проведение опытов по теме исследования

  3. Анализ и синтез информации, полученной из разных источников

  4. Создание фильма.

Все перечисленные методы взаимодополняют друг друга.

1. Свет и цвет: основы основ

1.1 Мы окружены

Осознаем мы этого или нет, но мы находимся в постоянном взаимодействии с окружающим миром и принимаем на себя воздействие различных факторов этого мира. Мы видим окружающее нас пространство, постоянно слышим звуки от различных источников, ощущаем тепло и холод, не замечаем, что пребываем под воздействием естественного радиационного фона, а также постоянно находимся в зоне излучения, которое исходит от огромного количества источников сигналов телеметрии, радио и электросвязи. Почти всё вокруг нас испускает электромагнитное излучение. Электромагнитное излучение — это электромагнитные волны, созданные различными излучающими объектами – заряженными частицами, атомами, молекулами. Волны характеризуются частотой следования, длинной, интенсивностью, а также рядом других характеристик. Вот вам просто ознакомительный пример. Тепло, исходящее от горящего костра – это электромагнитная волна, а точнее инфракрасное излучение, причем очень высокой интенсивности, мы его не видим, но можем почувствовать. Врачи сделали рентгеновский снимок – облучили электромагнитными волнами, обладающими высокой проникающей способностью, но мы этих волн не ощутили и не увидели. То, что электрический ток и все приборы, которые работают под его действием, являются источниками электромагнитного излучения. Но в этой работе я постараюсь более мене простым языком объяснить, что же такое видимый свет и как образуется цвет объектов, которые мы с вами видим. Я начал говорить про электромагнитные волны, чтобы сказать вам самое главное:

Свет – это электромагнитная волна, которая испускается нагретым или находящимся в возбужденном состоянии веществом. В роли такого вещества может выступить солнце, лампа накаливания, светодиодный фонарик, пламя костра, различного рода химические реакции. Необходимо уточнить, что под понятием свет мы будем подразумевать видимый свет. Всё выше сказанное можно представить в виде вот такой картинки (Рисунок 1).

Рисунок 1 – Место видимого излучения среди других видов электромагнитного излучения.

На Рисунке 1 видимое излучение представлено в виде шкалы, которая состоит из «смеси» различных цветов – это спектр света. Через весь спектр (слева направо) проходит волнообразная линия (синусоидальная кривая) – это электромагнитная волна, которая отображает сущность света как электромагнитного излучения. Грубо говоря, любое излучение – есть волна. Рентгеновское, ионизирующее, радиоизлучение (радиоприемники, телевизионная связь) – не важно, все они являются электромагнитными волнами, только каждый вид излучения имеет разную длину этих волн. На рисунке 1 вы также можете заметить, что изображенная волна как бы немного сжата в левом углу и расширена в правом. Это говорит о том, что она имеет разную длину на различных участках. Длина волны – это расстояние между двумя её соседними вершинами. Видимое излучение (видимый свет) имеет длину волны, которая изменяется в пределах от 380 до 780nm (нанометров). Видимый свет — всего лишь звено одной очень длинной электромагнитной волны.

1.2 От света к цвету и обратно. Или кто раскрасил радугу?

 Каждый из нас хотя бы раз в жизни любовался радугой.

Радуга – это оптическое явление, связанное с преломлением световых лучей на многочисленных капельках дождя. Наблюдать радугу можно на небе, около водопада, фонтана, а зимой в кристалликах льда.

От чего же появляется такая красивая, да и еще и цветная картина в воздухе?

Белый свет –это смесь нескольких разных цветов.  Если луч белого света пропустить через стеклянную призму, на выходе из нее получается 7 цветов. Цветные составляющие белого света – называются Спектром света.

То есть изначально был солнечный свет — луч белого цвета, а после прохождения через призму разделился на 7 новых цветов. Это говорит о том, что белый свет состоит из этих семи цветов. Видимый свет (видимое излучение) — это электромагнитная волна, так вот, те разноцветные полосы, которые получились после прохождения солнечного луча через призму – есть отдельные электромагнитные волны. То есть получаются 7 новых электромагнитных волн (рисунок 2).

Рисунок 2 – Прохождение луча солнечного света через призму.

Каждая из волн имеет свою длину. Видите, вершины соседних волн не совпадают друг с другом: потому что красный цвет (красная волна) имеет длину примерно 625-740nm, оранжевый цвет (оранжевая волна) – примерно 590-625nm, синий цвет (синяя волна) – 435-500nm., не буду приводить цифры для остальных 4-х волн, суть, я думаю, вы поняли. Каждая волна – это излучаемая световая энергия, то есть красная волна излучает красный свет, оранжевая – оранжевый, зеленая – зеленый и т.д. Когда все 7 волн излучаются одновременно, мы видим спектр цветов. Если математически сложить графики этих волн вместе, то мы получим исходный график электромагнитной волны видимого света – получим белый свет. Таким образом, можно сказать, что спектр электромагнитной волны видимого белого света – это сумма волн различной длины, которые при наложении друг на друга дают исходную электромагнитную волну. Спектр «показывает из чего состоит волна». Ну, если совсем просто сказать, то спектр видимого света – это смесь цветов, из которых состоит белый свет (цвет).

Впервые этот опыт проделал Исаак Ньютон. Ньютон через узкое отверстие в ставне пропускал пучок света, который падал на призму и преломлялся и на противоположной стене получалось изображение с радужным чередованием цветов.

Преломление света связано с различием скорости света в веществе, так как лучи красного цвета имеют наибольшую скорость, они преломляются меньше, а фиолетовые лучи имеют наименьшую скорость, поэтому они преломляются больше.

Любое излучение можно представить в виде спектра, правда таких цветных линий в его составе не будет, потому, как человек не способен видеть другие типы излучений. Видимое излучение – это единственный вид излучений, который человек может видеть, потому-то это излучение и назвали – видимое. Однако сама по себе энергия определенной длины волны не имеет никакого цвета. Восприятие человеком электромагнитного излучения видимого диапазона спектра происходит благодаря тому, что в сетчатке глаза человека располагаются рецепторы, способные реагировать на это излучение.

Но только ли путем сложения семи основных цветов мы можем получить белый цвет? Отнюдь. В результате научных исследований и практических экспериментов было установлено, что все цвета, которые способен воспринимать человеческий глаз, можно получить смешиванием всего лишь трех основных цветов. Три основных цвета: красный, зеленый, синий. Если с помощью смешивания этих трех цветов можно получить практически любой цвет, значит можно получить и белый цвет! Посмотрите на спектр, который был приведен на рисунке 2, на спектре четко просматриваются три цвета: красный, зеленый и синий. Именно эти цвета лежат в основе цветовой модели RGB (Red Green Blue).

Проверим как это работает на практике.

Возьмем 3 источника света (прожектора) — красный, зеленый и синий. Каждый из этих прожекторов излучает только одну электромагнитную волну определенной длины. Красный – соответствует излучению электромагнитной волны длиной примерно 625-740nm (спектр луча состоит только из красного цвета), синий излучает волну длиной 435-500nm (спектр луча состоит только из синего цвета), зеленый – 500-565nm (в спектре луча только зеленый цвет). Три разных волны и больше ничего, нет никакого разноцветного спектра и дополнительных цветов. Теперь направим прожектора так, чтобы их лучи частично перекрывали друг друга, как показано на рисунке 3.

 

Рисунок 3 — Результат наложения красного, зеленого и синего цветов.

Смотрим, в местах пересечения световых лучей друг с другом образовались новые световые лучи – новые цвета. Зеленый и красный образовали желтый, зеленый и синий – голубой ( циановый), синий и красный — пурпурный ( маджента). Таким образом, изменяя яркость световых лучей и комбинируя цвета можно получить большое многообразие цветовых тонов и оттенков цвета. Если обратить внимание на центр пересечения зеленого, красного и синего цветов, то в центре мы увидим белый цвет. Тот самый, о котором мы недавно говорили. Белый цвет – это сумма всех цветов. Он является «самым сильным цветом» из всех видимых нами цветов. Противоположный белому – черный цвет. Черный цвет – это полное отсутствие света вообще. То есть там, где нет света — там мрак, там всё становится черным. Пример тому — рисунок 4.

 

Рисунок 4 – Отсутствие светового излучения

1.3 Цвет объектов

Я как-то незаметно перехожу от понятия свет к понятию цвет. Мы с вами выяснили, что свет – это излучение, которое испускается нагретым телом или находящимся в возбужденном состоянии веществом. Основными параметрами источника света являются длина волны и сила света. Цвет – это качественная характеристика этого излучения, которая определяется на основании возникающего зрительного ощущения или субъективная характеристика электромагнитного излучения. Конечно же, восприятие цвета зависит от человека, его физического и психологического состояния. Существуют такие люди, которые не способны воспринимать цвета – это дальтоники. У них нарушена структура рецепторов в зрительных органах (глазу).

Пора поговорить о том, как так получается, что окружающие нас предметы принимают свой цвет, и почему он меняется при различном освещении этих предметов.

Объект можно увидеть, только если он отражает или пропускает свет. Если же объект почти полностью поглощает падающий свет, то объект принимает черный цвет. А когда объект отражает почти весь падающий свет, он принимает белый цвет. Таким образом, можно сразу сделать вывод о том, что цвет объекта будет определяться количеством поглощенного и отраженного света, которым этот объект освещается. Способность отражать и поглощать свет определятся молекулярной структурой вещества, иначе говоря — физическими свойствами объекта. Цвет предмета «не заложен в нем от природы»! От природы в нем заложены физические свойства: отражать и поглощать.

Цвет объекта и цвет источника излучения неразрывно связаны между собой, и эта взаимосвязь описывается тремя условиями.

Первое условие: Цвет объект может принимать только при наличии источника освещения. Если нет света, не будет и цвета! Красная краска в банке будет выглядит черной. В темной комнате мы не видим и не различаем цветов, потому что их нет. Будет черный цвет всего окружающего пространства и находящихся в нем предметов.

Второе условие: Цвет объекта зависит от цвета источника освещения. Если источник освещения красный светодиод, то все освещаемые этим светом объекты будут иметь только красные, черные и серые цвета.

И наконец, Третье условие: Цвет объекта зависит от молекулярной структуры вещества, из которого состоит объект.

Зеленая трава выглядит для нас зеленой, потому что при освещении белым светом она поглощает красную и синюю волну спектра и отражает зеленую волну (Рисунок 5).

 

Рисунок 5 – Отражение зеленой волны спектра

Бананы на (рисунке 6) выглядят желтыми, потому что они отражают волны, лежащие в желтой области спектра (желтую волну спектра) и поглощает все остальные волны спектра.

 

Рисунок 6 – Отражение желтой волны спектра

Собачка, та что изображена на рисунке 7 – белая. Белый цвет – результат отражения всех волн спектра.

Рисунок 7 – Отражение всех волн спектра

Цвет предмета – это цвет отраженной волны спектра. Вот так предметы приобретают видимый нами цвет.

1.4 Сложение и вычитание цветов.

Итак, мы уже знаем что если смешать (сложить) подходящие пропорции света от красного, синего, зеленого источника. То, в результате, получится белый свет.

Сложение цветов (аддитивная модель цвета)

В спектре белого света мы выделяем 7 цветов радуги. Однако радуга содержит не все цвета, которые мы можем видеть – нет коричневого или малинового. Как же возникают неспектральные цвета?

Все дело в том, что цвет мы видим и глазами, и мозгом. Сетчатка нашего глаза содержит 3 типа цветовосприимчивых элементов – колбочек. Колбочки реагируют на длину световой волны. Каждая колбочка посылает свой сигнал в мозг. А мозг отрабатывает эти сигналы и «говорит» себе примерно так: синий сигнал слабый, а зеленый и красный одинаково сильный - значит здесь я вижу желтый цвет (опыт 5).

В соответствии с этой моделью цвет создается путем сложения цветов. Из красного, зеленого и синего света можно создать почти любой цвет, комбинируя эти три света – сколько-то красного (Red), сколько-то зеленого (Green), сколько-то синего (Blue).  Принцип составления цветов из красного, зеленого и синего цветов называется RGB –моделью цвета или аддитивной моделью цвета, потому что в соответствии с этой моделью цвет создается путем сложения основных цветов. Именно RGB –модель используется для создания цветного изображения в телевизорах и мониторах компьютеров.

Кажется, что этот же закон цветового сложения будет действовать если смешать между собой красную, зеленую и синюю краски. Однако результат такого смешивания иной – вместо белой краски мы получаем грязно коричневый цвет или черный цвет.

Почему так? Почему для красок закон цветового сложения не действует?

Потому что в данном случае происходит вычитание цветов – цвета поглощают друг друга и никакой из цветов не отражается и наш глаз воспринимает это как черный цвет – это субтрактивный метод.

Когда мы светим белым светом на красный лист бумаги, или через нее, весь рассеянный свет будет красным. Но ведь в белом луче света, исходно присутствовали и зеленый и синий цвета? Они поглотились краской, которым выкрашен лист. И в рассеянном свете их осталось мало по сравнению с красным.

И вообще, всякую поверхность, освещенную белым светом, видим не белым, а цветной, за счет того, что она поглощает цвет на одних длинах волн и рассеивает на других. Какие длины волн рассеялись от данной поверхности, такой мы ее и видим. (опыт 3)

Эти знания о свойствах цвета используются в фотографии, фотографы используют светофильтры, а также при формировании цветов в цветных печатных принтерах. В принтерах смешиваются краски в разных пропорциях для получения нужного цвета (опыт 4).

2. Практическая часть.

Опыт 1- Опыт Ньютона Разложение белого света на составляющие.

Давайте повторим опыт Ньютона. Если нет призмы, то получить радугу дома можно с помощью зеркала.

Оборудование и материалы: стеклянная ёмкость, вода, зеркало, источник света.

Ход работы:

  1. В чашку наливаем воду,
  2. В воду устанавливаем зеркало под углом,
  3. На зеркало направим луч света
  4. В результате преломления луча в воде и его отражения от зеркала на стене возникла радуга. ( см. ПРИЛОЖЕНИЕ, фото 1)

Опыт 2 Разложение белого света

Оборудование и материалы: DVD диск, фонарик.

Ход работы: Опыт надо делать в темном помещении.

  1. Берем диск, направляем на него свет от фонарика.
  2. На стене получается радуга ( см. ПРИЛОЖЕНИЕ, фото 2).

Можно сделать также радугу и в светлом помещении, но она не будет такой яркой.

Этот эффект можно использовать в фотографии – чтобы предметы получались радужными.

Опыт 3 Поглощение цветов (вычитание)

Оборудование и материалы: красная и синяя листы бумаги, фонарик.

Ход работы: сложим вместе красную и синий листы бумаги. Фонарик просвечивает и сквозь красный лист ( см. ПРИЛОЖЕНИЕ, фото3) и сквозь синий ( см. ПРИЛОЖЕНИЕ, фото 4), а вот через оба листа сразу он практически не просвечивает ( см. ПРИЛОЖЕНИЕ, фото 5) красный лист хорошо пропускает красную часть спектра, немного пропускает зеленую и почти не пропускает синюю часть спектра. А синий лист хорошо пропускает синюю часть спектра, немного пропускает зеленую и почти не пропускает красную.

В результате, через двойной фильтр, ни на каких волнах свет практически не проходит.

Опыт 4 Вычитание цветов – Субтрактивная модель

Оборудование и материалы: красная и синяя и желтая карточки, синий, зеленый и красный светодиоды.

Ход работы:

  1. Направим все светодиоды в одну область, так чтобы их свет пересекался друг с другом. Центральная часть пересечения света от трех светодиодов будет белой ( см. ПРИЛОЖЕНИЕ, фото 6).
  2. Приложим красную карточку сначала под зеленое освещение, потом под синее. Красная карточка в зеленом или синем освещении становится очень темной, так как красная краска не рассеивает ни зеленого, ни синего цвета ( см. ПРИЛОЖЕНИЕ, фото 7, 8). Также и зеленая карточка темнеет в красном и в синем свете. 
  3. А желтая карточка не рассеивает только синее освещение. В синем свете она становится темной, в красном красной, а в зеленом зеленой ( см. ПРИЛОЖЕНИЕ, фото 9-12).

Именно так и формируются цвета при цветной печати на белой бумаге.

Опыт 5 Сложение цветов – Аддитивная модель

Оборудование и материалы: синий, зеленый и красный светодиоды, белый экран – лист.

Ход работы:

  1. Осветим экран одновременно зеленым и красным светом. При этом пересечение двух кругов окрасилось в желтый цвет. Но надо понимать, что в наш глаз от этого пятна поступают только красный и зеленый спектральные цвета. Однако мозг говорит нам – это желтый. И мы видим желтый цвет. ( см. ПРИЛОЖЕНИЕ, фото 13)
  2. Включим вместе зеленый и синий светодиоды. В сумме они дают цвет голубой, а профессионалы называют его циановым. (см. ПРИЛОЖЕНИЕ, фото 14)
  3. Теперь включим вместе синий и красный диоды. Пересечение двух пятен дает цвет, который называют фиолетовый или маджента. ( см. ПРИЛОЖЕНИЕ, фото 15)
  4. И включим все три источника света. Пересечение всех трех пятен получилось белым. ( см. ПРИЛОЖЕНИЕ, фото 16)

Опыт 6 Сложение цветов

Оборудование и материалы: белый диск, красный карандаш, зеленый карандаш, синий карандаш, моторчик с вращателем.

Ход работы: Нарисуем на круглом диске три основные цвета: красный, синий, зеленый. И начнем быстро вращать этот диск, то благодаря энерции глазов (картинка в глазу запаздывает), мы в каждый момент в глазу будем видеть и синий и зеленый и красный одновременно. В глазу суммируются эти цвета. И получается суммирующий цвет – белый.

Заключение

В ходе проделанной мной работе у меня получилось обширно пополнить свои знания о свете и цвете и их свойствах.

Я узнал, что светом в узком смысле называют доступное для зрительного восприятия электромагнитное излучение. В общем значении свет – это не только видимое излучение, но также инфракрасное и ультрафиолетовое.

Цвет – это характеристика, связанная с особыми зрительными ощущениями, которые возникают в том числе и при воздействии на глаз световых волн.

Свет представляет собой энергию, источниками которой являются раскаленные или пребывающие в возбужденном состоянии вещества. Он способен распространяться даже в вакууме, что, к примеру, нехарактерно для звука. Свет излучается в виде волн. Благодаря его действию мы можем видеть окружающие нас вещи. И, соответственно, без света все погружается в темноту.

Теперь я понял, при каких условиях мы можем видеть цвета? Прежде всего, когда на глаз воздействуют световые волны, относящиеся к видимому диапазону. Дело в том, что свет, кажущийся нам прозрачным, заключает в себе целый красочный спектр. Доказательством этого является расщепление проходящего через призму луча на разноцветные составляющие.

Свидетельством того, что свет состоит из цветовых волн, будет также радуга. Она появляется, когда лучи пробиваются сквозь находящиеся в воздухе дождевые капли и при этом преломляются.

Итак, достигая глаз, световые волны, прямые или отраженные от различных объектов, воспринимаются специальными рецепторами - колбачками. В этот момент появляется ощущение цвета. А каким именно видится нам предмет, красным, синим или оранжевым, зависит от его способности отражать те или иные волны светового спектра.

Однако воздействие излучения не обязательно для возникновения цветового ощущения. Последнее появляется также, если надавить на глаз при закрытых веках, вследствие сильного удара, во сне или в результате электрического раздражения.

Из сказанного сформулируем общий вывод о том, в чем разница между светом и цветом. Свет – это излучение, существующее в окружающем мире. Цвет является его характеристикой. Цвет также выступает в качестве субъективного зрительного ощущения, возникающего как под воздействием излучения, так и в его отсутствие.

Если смешивать все цвета радуги, наш глаз воспринимает это как – белый свет.

Но если смешать краски разных цветов, то результат их смешивания будет черный цвет. Так как происходит вычитание цветов – цвета поглощают друг друга и никакой из цветов не отражается и наш глаз воспринимает это как черный цвет.

Все мы пользуемся компьютерами, печатаем фотографии, но мы не задумываемся как складывается их картинка, в которой и смешиваются в разных пропорциях три основных цвета: красный, синий, зеленый. Это свойство используется еще в цветных принтерах и фотографии.

Список литературы

  1. https://ru.wikipedia.org/wiki/Цвет
  2. https://habr.com/post/202966/
  3. https://thedifference.ru/chem-otlichaetsya-svet-ot-cveta/
  4. Зверева С.В. В мире солнечного света. – Л.: Гидрометеоиздат, 1988.
  5. Тарасов Л.В. Физика в природе. – М.: Просвещение, 1988.
  6. Булат В.Л. Оптические явления в природе. М.: Просвещение, 1974 г., 143 с.

Приложение

24.04.2019 в 03:20
25
Добавил NikElena
Рейтинг 5.0 / 1
Загрузок нет
Комментариев нет
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
Регистрация | Вход

Свидетельство о регистрации средства массовой информации - Эл № ФС77 - 75208 от 07 марта 2019 г. Зарегестрированно в Роскомнадзоре. 0+

Разработано в Divine Draft