Исследовательская работа по физике по теме: «Необычное в обычном через объектив фотоаппарата»

ВВЕДЕНИЕ.

Природа необычайно разнообразна, она по истине неисчерпаема. В нашей жизни мы встречаемся с разными природными явлениями, на которые я смотрю через объектив своего фотоаппарата. Получаются очень красивые фотографии. Ведь в жизни мы зачастую сталкиваемся с этими явлениями и знаем лишь самую малость о них, когда в жизни народа их значение безгранично и неоценимо. И я решила сделать работу в комплексе, и заодно более углублённо изучить это великолепие.

Изучение физики природных явлений имеет, прежде всего, огромную познавательную ценность. Природа - это гигантская физическая лаборатория наглядно демонстрирует относительность всевозможных «перегородок» в предмете «физика», условность разделения физики на отдельные самостоятельные разделы, единство физической карты мира, взаимосвязь физических явлений.

Готовя, эту работу я многое узнала о явлениях природы и что изучение физики природы очень важно и в других отношениях с давних времён творения природы интересуют историков, художников, физиков, поэтов.

Актуальность выбранной темы состоит в следующем: природа - гигантская физическая лаборатория, в которой все мы живем, поэтому знание физики природных явлений важно как ученому-натуралисту, так и обычному человеку.Наблюдение окружающего мира позволяют расширить наш кругозор и углубить свои познания.

Проблема исследования заключается в изучении физики природных явлений.

Объект исследования: природные явления.

Предмет исследования: физика различных природных явлений.

Решение данной проблемы определило цель исследования: изучение природных явлений. Привести примеры загадок, которые преподносит нам природа. Показать всю красоту природных явлений, через объектив фотоаппарата.

На основе проблемы и цели исследования сформулирована рабочая гипотеза исследования: фотография, предоставляет возможность остановить запечатленное на ней мгновенье, является стимулом познания природы.

На основе гипотезы определены следующие задачи:

Рассмотреть и понаблюдать за природными явлениями.

Изучить физику природных явлений и ответить на вопросы созданные природой, используя научную литературу.

Запечатлеть некоторые явления природы на фотографии.

ФИЗИКА ПРИРОДНЫХ ЯВЛЕНИЙ.

Р адуга.

Радуга — атмосферное оптическое и метеорологическое явление, наблюдаемое обычно в поле повышенной влажности. Оно выглядит как разноцветная дуга или окружность, составленная из цветов спектра. Глядя снаружи — внутрь дуги: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый. Эти семь цветов — основные названия цветов, которые принято выделять в радуге в русской культуре, 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. Уже в древности пытались разгадать загадку радуги, почему она появляется. Аристотель назвал, например, всего три цвета радуги: красный, зелёный, фиолетовый. Ньютон вначале выделил в радуге пять цветов. Позднее он говорил о десяти цветах : алом, киновари, лимонном, шафрановом, желтоватой зелени, травянистом, лазурном, голубом, индиго, фиолетовом. В конечном счёте, Ньютон остановился на семи цветах – тех самых, которые и по сей день принято выделять в радуге. Выбор именно этого числа объясняется не физикой, а скорее тем, что число семь издавна считалось «магически» (семь чудес света, семь смертных грехов и т.д). Цвета в радуге расположены в последовательности, соответствующей спектру видимого света. Было замечено, что радугу можно увидеть не только на небе. Если внимательно следить за листом бумаги, когда пишешь ручкой с прозрачным корпусом, то можно увидеть мини-радугу. Тем самым можно сделать вывод, что это оптическое явление. Дело в том, что солнечный луч — это скопление всевозможных цветов, но мы не видим этого в природе.

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, в результате чего белый свет разлагается в спектр. Данное явление вызвано дисперсией. Наблюдателю кажется, что из пространства по концентрическим кругам (дугам) исходит разноцветное свечение (при этом источник яркого света всегда должен находиться за спиной наблюдателя). Радуга представляет собой каустику, возникающую при преломлении и отражении (внутри капли) плоскопараллельного пучка света на сферической капле. Свет имеет максимальную интенсивность для некоторого угла между источником, каплей и наблюдателем (и этот максимум весьма «острый», то есть большинство преломлённого с отражением в капле света выходит практически точно под одним и тем же углом). Дело в том, что угол, под которым уходит из капли отражённый и преломлённый в ней луч, немонотонно зависит от расстояния от падающего (первоначального) луча до оси, параллельной ему и проходящей через центр капли (эта зависимость довольно проста, и её нетрудно явно вычислить), и зависимость эта имеет гладкий экстремум. Поэтому «количество лучей», выходящих из капли с углами, близкими к экстремальному значению угла, — «гораздо больше», чем остальных. При этом угле (который немного различается для разных показателей преломления для лучей разного цвета) и возникает отражение-преломление максимальной яркости, составляющее (от разных капель) радугу («яркие» лучи от разных капель образует конус с вершиной в зрачке наблюдателя и осью, проходящей через наблюдателя и Солнце). 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 большего порядка обычно не удаётся увидеть, так как она очень слаба. Чаще всего наблюдается первичная радуга, при которой свет претерпевает одно внутреннее отражение. 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. Также возможно наблюдение радуги и более высоких порядков, но уже, преимущественно, в лабораторных условиях. 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»).

Общая физическая картина радуги была описана в 1611 году Марком Антонием де Доминисом. На основании опытных наблюдений он пришёл к заключению, что радуга получается в результате отражения от внутренней поверхности капли дождя и двукратного преломления — при входе в каплю и при выходе из неё.

Р ене Декарт дал более полное объяснение радуги в 1635 году в своём труде «Метеоры» в главе «О радуге».

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) область формирования первичной радуги, 11) область формирования вторичной радуги.

Туман.

Внаше время туманами интересуются не только поэты и художники. Пожалуй, особенно сильно туманы волнуют сегодня диспетчеров аэропортов, работников морских и речных портов, лётчиков, капитанов кораблей, водителей автомашин и, конечно же, огромную армию метеорологов, синоптиков. « Внимание! Видимость на дорогах до 1 км», - предупреждает нас служба погоды. Это значит, что ожидается слабый туман. При умеренном тумане видимость уменьшается до сотен метров, а при сильном – до нескольких десятков метров.

А как важно было предвидеть появление тумана в дни боевых действий во время Великой Отечественной войны! Сколько дерзких операций провели, как говорится, перед носом у противника наши бойцы и партизаны под прикрытием тумана!

Туманы хорошо знакомы как живущим в сельской местности, так жителям города. Сельский житель обычно рад туману. Он знает, что туман ранней весной предвещает потепление, что туман на утренней заре летом связан с выпадением росы, которая напитывает растения влагой. Иначе воспринимают туман жители больших современных городов с сильно загрязнённым воздухом. Городскому жителю в сильный туман не только трудно ходить по улицам, но и трудно дышать; его физическое состояние резко ухудшается, портится настроение. В довольно мрачных тонах описывает Э. Верхарн туман, сгустившийся в большом городе над загрязнённой рекой:

Сплошными белыми пластами

Туман залёг между домов…

Туман сырой, туман холодный,

Туман, как белый войлок плотный,

Окутал низкие челны.

Они, закинув якоря,

Туман кровавя нимбом фонаря,

В безумье тихое сейчас погружены…

Седая ночь миры в туманах прячет

И в тусклых душах монотонно плачет.

К счастью в нашей местности не бывает таких мрачных, унылых туманов. Зато с ними знакомы жители Лондона и Парижа, Лос-Анджелеса и Токио, где слово «туман» нередко связывают со страшным словом «смог».

Физика тумана.

Туман представляет собой скопление мелких капелек воды (или мелких ледяных кристалликов), возникающих при определённых условиях в непосредственной близости от поверхности земли или водной поверхности. Туман стелется над самой поверхностью земли или воды, образуя слой толщиной примерно от метра до десятков метров (иногда до сотен метров). Влажной зимой дни часто бывают туманными.

Принято считать, что туман имеет серый цвет, но это не всегда так. Французский художник Клод Моне приехал в Лондон и написал Вестминстерское аббатство. В работе Моне готические очертания аббатства едва выступают из тумана. Написана картина виртуозно. Когда картина была выставлена, она произвела смятение среди лондонцев. Они были поражены, что туман окрашен у Моне в багровый цвет, тогда, как всем известно, что цвет тумана серый. Дерзость Моне вызвала сначала возмущение. «Но возмущавшиеся, выйдя на лондонские улицы, вгляделись в туман и впервые заметили, что он действительно багровый» , - так писал К. Паустовский в своей книге «Золотая роза».

Все знают, что туман часто образуется в низинах, оврагах, болотистых местах, где воздух достаточно влажный. Туман может образоваться утром, но может появиться и вечером – после захода солнца. Иногда туман не прекращается целые сутки.

Из огромного разнообразия мы выделим пять конкретных примеров.

Предположим, что имеется хорошо прогреваемый солнцем водоём – пруд, озеро, мелководная бухта. За ночь воздух над поверхностью воды охлаждается в большей степени, чем сама вода, и его температура оказывается существенно ниже. Над водой возникает утренний туман. Этот утренний туман весьма нестоек. Взойдёт солнце, и он растает без следа.

Холодный воздух переносится ветром в горизонтальном направлении и оказывается над тёплой водой. И тут же над водой начинает образовываться туман. Такой туман можно наблюдать, например, в Артике, когда слои холодного воздуха над льдами перемещается на открытую воду.

Тёплый воздух переносится ветром в горизонтальном направлении и оказывается над холодной поверхностью. При этом он охлаждается, и в результате возникает туман.

Находящиеся над нагретой водой тёплые слои воздуха поднимаются по склону горы вверх и попадают в область относительно холодного воздуха. И уже там, наверху, в процессе охлаждения поднявшегося тёплого воздуха образуется туман, который по склону горы опускается затем вниз, к воде.

После захода солнца нагретая за день земля остывает быстрее, чем воздух. Приповерхностные слои воздуха оказываются теплее; они начинают отдавать теплоту земле и, как следствие охлаждаются. Возникает вечерний туман.

Гром и гроза.

Г ром — акустическое явление, сопровождаемое электрическими разрядами молнии во время грозы.

Откуда же берется гром? Все просто. С одной стороны – заряженное небо (в тучах много воды, в воде полно электрических зарядов). С другой же – заряженная Матушка-Земля. Когда очень много энергии, необходимо, чтобы она куда-то выплеснулась и никак иначе, так как будет катастрофа (мощный взрыв). Энергия скапливается, и в один прекрасный момент высвобождается, образуя при этом большую искру, которую мы видим на небе. В тот же самый момент она ударяет, проходит через воздух, который в свою очередь, под влиянием резкого повышения давления мгновенно нагревается до 30000 °С (для сравнения температура Солнца 6000 °С), расширяется и мы слышим гром. Так как звук распространяется медленнее света, то сначала мы видим вспышку, а потом слышим удар. Кстати, очень просто рассчитать, как далеко от тебя гроза - свет от молнии мы видим мгновенно, а гром слышится через несколько секунд. Скорость звука в воздухе около 300 метров в секунду (скорость звука очень изменчива, зависит от температуры воздуха, чем она ниже, тем меньше скорость). Если посчитать секунды между молнией и звуком и разделить это число на 3, то получится расстояние до сверкнувшей молнии в километрах.

Как вы уже поняли, гром - явление совершенно не опасное. Гораздо опаснее такое явление, как молния, которая неразрывно связана с громом. Все вместе эти явления можно озаглавить, как гроза.

Гроза - это природное физическое явление, сопровождаемое молнией и громом, сильным порывистым ветром, ливневыми осадками, иногда градом, шквалом. Гроза возникает в мощных кучево-дождевых облаках. Различают фронтальные (при прохождении теплого или холодного фронта) и внутримассовыегрозы (в результате местного прогревания воздуха). Обычно гроза бывает в теплый период года, редко зимой. Чаще возникает между 15 и 18 часами, хотя начинаться может и утром. Средняя продолжительность около 2 часов, наибольшая 18-19 часов.

Облака и дождь.

О блака – часть нашей атмосферы, которые мы видим на небе почти каждый день. Процесс образования облака начинается с того, что масса влажного воздуха поднимается вверх. Кроме всего прочего, облака — известный лирический образ, используемый многими поэтами (Державин, Пушкин) в своих произведениях, писатели часто обращаются к этому образу, если требуется описать нечто высокое, мягкое или недосягаемое. Они ассоциируются с покоем, мягкостью и безмятежностью. Облака часто олицетворяют, придавая им мягкие черты характера. Подъемами на воздушных шарах и наблюдениями при восхождениях на горы был констатирован другой факт, что строение облаков первой группы, когда наблюдатель окружен таким облаком со всех сторон, ничем не отличается от обыкновенного тумана, наблюдаемого вблизи земной поверхности; что наблюдателю внизу казалось облаками, держащимся на склоне горы или на некоторой высоте в атмосфере, то наблюдателю, попавшему в такое облако, представлялось туманом. Со времен Галлея и Лейбница было уже известно и подтверждено непосредственным наблюдением, что отдельные частицы тумана, а, следовательно, и облака, имеют шарообразную форму. Для объяснения того, почему эти шарики держатся в воздухе в равновесии, была предложена гипотеза, что эти шарообразные частицы тумана состоят из воздушных пузырьков, окруженных тончайшей водяной оболочкой (везикюлей — как такие пузырьки были названы); при достаточных размерах пузырьков и достаточно тонкой оболочке (расчёт, сделанный Клаузиусом показал, что толщина водяной оболочки должна быть не более 0,0001 мм) сопротивление воздуха их падению должно быть настолько значительно, что падение везикюлей может совершаться очень медленно, и они должны представляться плавающими в воздухе, а при самом слабом восходящем потоке их падение может перейти даже в восходящее движение. По мере подъема происходит расширение воздуха и понижение его температуры. Когда температура охлаждающегося воздуха понизится до точки росы, начинается процесс конденсации пара и образование облаков, т. е. мелких капелек воды. На нашей планете существует много природных явлений , одним из них является дождь ,который появляется впоследствии конденсации водяного пара в облаках. Дождь – это атмосферные осадки, которые выпадают в виде влаги (капель), капли могут достигать до 1 см. в диаметре (в зависимости от интенсивности дождя). Что касается интенсивности осадков, то здесь можно выделить такое понятие, как морось, это всем известное, довольно неприятное явление. При мороси, осадки очень мелкие и похожи на водяную пыль. Чаще в сего морось образовывается из низких слоистых облаков или из тумана.

Дабы полностью уяснить для себя, что такое дождь, нужно разобраться в том, как образуется данное атмосферное явление. Образование дождя происходит так:

Дождь выпадает из слоистых облаков, сначала капли находятся в виде кристаллов, которые находятся в таком состоянии из-за низкой температуры в облаке.

Двигаясь в этом воздушном потоке, кристаллы влаги начинают укрепляться, тяжелеть. Вследствие этого начинают двигаться вниз облака, где ещё примораживают к себе влагу с большей температурой. Под действием земного притяжения, своей массы и меняющейся температуры, кристаллы начинают опускать с облака и превращаться в дождевые капли. Понятно, чтобы дождь пошел, нужны конкретные условия. Пребывая в нижних слоях атмосферы, вода (влага) находится в трех своих агрегатных состояниях и потому очень легко меняет свой вид (от газообразного состояния к дождевым каплям). Следует отметить, что выпадение дождя зависит от местности. Будь то море, где дождь может пойти с маленькой тучки или пустыня, где нет нужного количества влаги и дожди здесь редкое явление. 

Почему капля воды имеет такую форму? Весь секрет в силах поверхностного натяжения. Они стремятся придать капле воды максимально компактную форму, а самая компактная форма в природе — это шар.

Снег.

С нег — форма атмосферных осадков, состоящая из мелких кристаллов льда.

Снег образуется, когда микроскопические капли воды в облаках притягиваются к пылевым частицам и замерзают. Появляющиеся при этом кристаллы льда, не превышающие поначалу 0,1 мм в диаметре, падают вниз и растут в результате конденсации на них влаги из воздуха. Основной кристалл воды имеет в плоскости форму правильного шестиугольника. На вершинах такого шестиугольника затем осаждаются новые кристаллы, на них — новые, и так получаются разнообразные формы звёздочек-снежинок, которые могут, растут со временем образования все новых и новых кристаллов. При высокой термике кристаллы неоднократно вертикально передвигаются в атмосфере, частично тая и кристаллизуясь заново. Из-за этого н арушается регулярность кристаллов, и образуются смешанные формы. Кристаллизация всех шести лучей происходит в одно и то же время, в практически идентичных условиях, и поэтому особенности формы лучей снежинки получаются столь же идентичны.

Белый цвет происходит от заключённого в снежинке воздуха. Свет всех возможных частот отражается на граничных поверхностях между кристаллами и воздухом и рассеивается. Снежинки состоят на 95 % из воздуха, что обуславливает низкую плотность и сравнительно медленную скорость падения (1 км/ч).

Самая крупная снежинка была засвидетельствована 28 января 1887 года во время снегопада в Форт-Кео, Монтана, США; она имела диаметр в 15 дюймов (около 38 см), опубликовано в Weather Monthly Review, 1915, 73. Обычно же снежинки имеют около 5 мм в диаметре при массе 0,004 г.

Северное сияние.

Северное сияние одно из самых красивых природных явлений. Полярное сияние (северное сияние) — свечение (люминесценция) верхних слоёв атмосфер планет, обладающих магнитосферой, вследствии их взаимодействия с заряженными частицами солнечного ветра.В очень ограниченном участке верхней атмосферы сияния могут быть вызваны низко энергичными заряженными частицами солнечного ветра, попадающими в полярную ионосферу через северный и южный полярные каспы. В северном полушарии каспенные сияния можно наблюдать над Шпицбергеном в околополуденные часы. При столкновении энергичных частиц плазменного слоя с верхней атмосферой происходит возбуждение атомов и молекул газов, входящих в её состав. Излучение возбуждённых атомов в видимом диапазоне и наблюдается как полярное сияние. Спектры полярных сияний зависят от состава атмосфер планет: так, например, если для Земли наиболее яркими являются линии излучения возбуждённых кислорода и азота в видимом диапазоне, то для Юпитера — линии излучения водорода в ультрафиолете. Поскольку ионизация заряженными частицами происходит наиболее эффективно в конце пути частицы и плотность атмосферы падает с высотой в соответствии с барометрической формулой, то высота появлений полярных сияний достаточно сильно зависит от параметров атмосферы планеты, так, для Земли с её достаточно сложным составом атмосферы красное свечение кислорода наблюдается на высотах 200—400 км, а совместное свечение азота и кислорода — на высоте 110 км. Кроме того, эти факторы обусловливают и форму полярных сияний — размытая верхняя и достаточно резкая нижняя границы. Полярные сияния наблюдаются преимущественно в высоких широтах обоих полушарий в овальных зонах-поясах, окружающих магнитные полюса Земли — авроральных овалах. Диаметр авроральных овалов составляет ~ 3000 км во время спокойного Солнца, на д невной стороне граница зоны отстоит от магнитного полюса на 10—16°, на ночной — 20—23°. Поскольку магнитные полюса Земли отстоят от географических на ~12°, полярные сияния наблюдаются в широтах 67—70°, однако во времена солнечной активности авроральный овал расширяется и полярные сияния могут наблюдаться в более низких широтах — на 20—25° южнее или севернее границ их обычного проявления. Например, на острове Стюарт, лежащем лишь на 47° параллели, сияния происходят регулярно. Маори даже назвали его «Пылающие небеса».

В спектре полярных сияний Земли наиболее интенсивно излучение основных компонентов атмосферы — азота и кислорода, при этом наблюдаются их линии излучения как в атомарном, так и молекулярном (нейтральные молекулы и молекулярные ионы) состоянии. Самыми интенсивными являются линии излучения атомарного кислорода и ионизированных молекул азота.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

«Чем больше знаешь, тем интереснее жить!»

К.Г. Паустовский

Каждый крупный исследователь был универсалом. Благодаря этому последствий открывались общие законы, фундаментальные законы природы, истории физики знает примеры, когда были разработаны общие методы исследований.

По словам Л.Д.Ландау, физика развивается не вглубь, а вширь. К фундаментальным относятся законы сохранения, например: я в своей работе хотела выявить некоторые общие закономерности, которые служат следствиями из фундаментальных законов природы. Но такой панацеи пока нет в науке, поэтому в моей работе всего лишь систематизированы некоторые явления природы Земли с попыткой обосновать их причины возникновения и остановить запечатленное мгновенье на фотографии.

ЛИТЕРАТУРА

Л.В. Тарасов «Физика в природе»

В.Л. Булатов «Оптические явления в природе»

М. Миннарт «Свет и цвет в природе»

Зверев А. С., Туманы и их предсказание, Л., 1954;

Хргиан А. Х., Физика атмосферы, М., 1969.

Интернет-сайты: Википедия.

Фотографии сделаны с помощью фотоаппарата NikonD3100.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/43699-issledovatelskaja-rabota-po-fizike-po-teme-ne