Проект «Спектр и его применение»

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «СРЕДНЯЯ ШКОЛА № 9» города СМОЛЕНСКА

Секция «Предметы естественно-математического цикла»

«Спектр и его применение»

(научно-практический проект)

Выполнил работу: Емельянов Андрей Валерьевич

учащийся 6 класса В

Руководитель: Емельянова Елена Сергеевна,

учитель физики МБОУ «СШ № 9»

Смоленск

2021

Оглавление

1. Введение ……………………………………………………..…...…с. 3-4

1. Теоретическая часть……………………………………………...с. 4-12

   1. Что такое радуга? ……………...………...…………………....с. 4-7

   2. Первичный и дополнительные цвета…………….……….….с. 7-9

   3. Сочетание цветов……………………………………...…..…..…с.9

   4. Как глаз различает цвета………………… ………………….с.9-10

   5. Цвета предметов и световые эффекты……………………..с.10-11

   6. Светофильтры…………………………………………………..с.12

   7. Театральные эффекты, создаваемые светом………………….с.12

1. Практическая часть……………………………………….……..с.12-15

1. Заключение ……………………………………………….……….... с. 15

1. Список литературы …………………………………………..…… с. 15

1. Введение

Вся теория – от школьной физики до науки цветоведения – живет по Ньютону, приняв в качестве основных цветов Красный-Оранжевый-Жёлтый-Зеленый-Синий-Фиолетовый. Причем утверждается, что Красный, Жёлтый и Синий в этой схеме являются первичными, так как их невозможно получить никаким смешиванием и невозможно расчленить на составляющие. А Оранжевый, Зеленый, и Фиолетовый – вторичные, так как образуются при попарном смешивании цветов первичной триады. Современная же практика, имеющая непосредственное отношение к дизайну и цифровым технологиям, пользуется цветовыми моделями RGB и CMY, где ключевые цвета Пурпурный (М) – Красный (R) – Жёлтый (Y) – Зеленый (G) – Голубой (C) – Синий (B). Воспроизведение полноцветных изображений в полиграфии получают за счет всех возможных комбинаций трех первичных (совсем других «первичных»!) цветов: C (циан = голубой), M (маджента = пурпурный), Y (еллоу = желтый), к которым добавлен К (блэК = чёрный). Если попытаться «зарядить» офсетную машину красным-жёлтым-синим, цвета рекламы, буклета, книги и т.п. окажутся грязными и тусклыми. Не странно ли, что в принятой наукой модели пурпурный и голубой вовсе отсутствуют? Несмотря на то, что компьютерные технологии давно используются дизайнерами, архитекторами, издателями как основной инструмент, возникшее между теорией и практикой противоречие до сих пор не разрешено. Дизайнерам по-прежнему предлагают для изучения модели 300-200-летней давности, никак не согласующиеся с жизненными реалиями. Попробуем разобраться в сложившейся ситуации, начав с физической теории цвета Исаака Ньютона.

В свой работе я расскажу, как можно своими руками сделать миниатюрную машину по смешиванию цветов.

Актуальность темы заключается в том, что мы живём в «цветном» мире, и пока ученые не объяснили видимые природные явления, когда все цвета выстраиваются в определенном порядке или мигрируют один в другой (радуга, северное сияние), людям казалось это чем-то волшебным. Сейчас мы понимаем, что это происходит из-за преломления солнечного потока. Но давайте разберемся в этом явлении чуть глубже.  Что представляет собой дисперсия света?

Объект исследований: изготовление машины по смешиванию цветов.

Предмет исследований: солнечный спектр.

Цель работы: изготовить самодельную машину по смешиванию цветов и с её помощью практически получить различные цвета из основных.

Задачи:

1. Проанализировать научную литературу по теме проекта.

2. Рассмотреть сущность дисперсии света.

3. Рассмотреть вопрос дисперсии света в природе.

4. Рассмотреть основы сложения цветов.

5. Изготовить экспериментальную модель машины по сложению цветов.

6. Проанализировать полученные результаты и подвести итоги.

Гипотеза: знание основ природы света может объяснить наличие цветов вокруг нас.

Методы исследования:

1. Изучение литературы по данной теме.

2. Создание модели машины по смешиванию цветов.

2. Теоретическая часть

2.1. Что такое радуга?

Радуга на небе – красивое природное явление, знакомое с детства. Она встречается на страницах сказок и мифов, ее изучают на уроках физики в школе. Всё ли мы знаем про радугу? Достаточно ли хорошо понимаем её свойства и то, почему она разноцветная?

Радуга – это оптическое явление, вызванное взаимодействием солнечного света и капель воды в атмосфере. Она представляет собой светящуюся разноцветную дугу.

Людей давно интересовал вопрос, почему же появляется радуга. Мифология многих народов приписывает феномену сакральные свойства.

Первые попытки объяснить явление с точки зрения физики были сделаны еще древнегреческими философами.

На рубеже XIII–XIV веков богослов Теодорих из немецкого города Фрайберга провел опыты, используя в качестве моделей стеклянные шарики, наполненные водой. Данный метод получил распространение и в дальнейшем.

В начале XVII века описание радуги как физического явления дал в своем труде хорватский архиепископ и теолог Марк Антоний де Доминис. Проведя ряд опытов со стеклянными шарами, он также сделал вывод, что причиной феномена является преломление и отражение света в каплях влаги.

В XVII веке Рене Декарт путем исследований установил угол преломления лучей в капле относительно их изначального направления.

В 1666 году Ньютон выполнил эксперимент, противоречащий практически всем теориям цвета, существовавшим в это время. Известие об его открытии быстро распространилось, но было встречено очень резкой оппозицией и обвинениями против Ньютона.

Ради краткости и ясности процитируем собственное описание Ньютоном его знаменитого эксперимента.

«В 1666 году (когда я стал шлифовать оптические стекла несферической формы) я раздобыл себе треугольную стеклянную призму для того, чтобы с помощью ее попробовать проверить «известные» явления цвета. Для этой цели я затемнил мою комнату и сделал очень маленькое отверстие в ставне для пропуска соответствующего количества солнечного света. Я поместил мою призму у этого отверстия таким образом, чтобы она преломляла свет на противоположную стенку. Мне доставляло большое удовольствие рассматривать живые и интенсивные цвета, получающиеся таким образом».

К большому его удивлению, этот пучок выходил из его призмы в виде продолговатого пучка, состоявшего из цветной полосы, содержащей фиолетовый, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и красный цвета.
Полоса, состоящая из различных цветов, получающаяся в результате прохождения света от источника сквозь призму, называется спектром этого источника.

Ньютон был озадачен двумя особенностями этого эксперимента. Почему белый свет, входящий в призму, выходил из призмы в виде разноцветной полосы? И почему падающий круглый пучок оказывался продолговатым после преломления? Сравнив длину пучка с его шириной, он нашел, что длина в 5 раз больше.

Сначала Ньютон пытался объяснить продолговатость как результат преломления, но отказался от этой мысли, так как считал, что «свет отклонялся для этого слишком сильно».

Отбросив ряд других теорий, которые могли бы объяснить продолговатость сечения пучка, Ньютон, в конце концов, выделил каждый отдельный цвет солнечного спектра из всех других и заставил его преломляться через вторую призму.

В результате он обнаружил, что оранжевый цвет, взятый отдельно, преломлялся больше красного, желтый — больше оранжевого, зеленый — больше желтого, голубой — больше зеленого и, наконец, фиолетовый цвет преломлялся сильнее всех других.

Почему это было так, Ньютон не знал, но это объясняло, почему сечение преломленного пучка было длиннее в одном направлении, чем в другом.
Кроме того, этот эксперимент показывал, что белый цвет в действительности состоит из шести (по современным данным - из семи) различных цветов. Именно против этого вывода и возражало большинство.
Критическая проверка такого заключения была проста. Дадут ли эти шесть различных цветов света при их смешении вновь белый свет?
Когда Ньютон сложил эти цвета, поместив вторую призму за первой, он убедился, что вновь получается белый свет.

Ньютону было достаточно этого эксперимента для доказательства его теории. Однако его противники не были удовлетворены и в течение более 100 лет возражали против этой теории.

Причины возникновения радуги кроются в неоднородной природе света. Видимый нами белый свет состоит из волн различной длины, воспринимаемых глазом как разные цвета. При определенных условиях световой поток раскладывается на составляющие, так получается разноцветная дуга.

Ее образование связано с двумя оптическими явлениями:

• дифракция – отклонение луча света от первоначального направления при переходе в среду с иной плотностью;

• дисперсия – разложение света на части в спектр – из-за разного угла отклонения световых волн различной длины.

Дисперсия — это зависимость показателя преломления от длины волны, или зависимость скорости света в веществе от длины волны

Луч Солнца, сталкиваясь с дождевой каплей, меняет траекторию движения. Часть света отражается обратно, остальной свет проходит внутри капли, под углом к первоначальному лучу. При этом слабее всего отклоняются красные составляющие видимого спектра, у которых длина волны максимальная. А самый большой угол преломления получается у волн короткой длины – фиолетовых. Достигнув внутренней поверхности капли, свет отражается от нее и выходит обратно.

Открытие Ньютона, что белый цвет получается из смешения различных цветов солнечного спектра, повлекло за собой много новых экспериментов с цветами.

Вот примеры таких экспериментов: какого цвета получится свет, если загородить красный, фиолетовый, зеленый, желтый или какой-нибудь другой отдельный цвет и не дать ему складываться с остальными цветами солнечного спектра?

Какой цвет получится, если сложить какие-нибудь два-три или более цветов?

В результате получилась целая наука о сложении и вычитании (изъятии) различных цветов и полученных результатах.

Если из солнечного спектра изъять красный цвет, то в результате получится голубовато-зеленый свет.

Если изъять голубой, то получится желтый свет.

Если изъять зеленый, то получится пурпурный.

С другой стороны, если сложить голубовато-зеленый и красный цвета, то в результате опять получится белый свет.

Точно так же желтый вместе с голубым цветом дает белый свет.

Что получится, если сложить зеленый и пурпурный цвета?

Ньютон назвал два цвета, дающие при сложении белый свет, дополнительными цветами.

Венцом эксперимента Ньютона было доказательство того, что белый свет является комбинацией всех видимых цветов света.

Но в 1807 г. Томас Юнг сделал столь же важное открытие, что и Ньютон. Напомним, что Юнг — этот тот молодой гений, который открыл интерференцию света и фактически создал волновую теорию света.

Юнг обнаружил, «то белый или серый цвета можно получить комбинацией красного, зеленого и голубого цветов и что все другие цвета видимого спектра можно получить различными комбинациями этих трех цветов.

Красный, зеленый и голубой цвета были названы первичными цветами света. Ни один из этих первичных цветов не мог быть получен никакой комбинацией других цветов.

Можно легко проверить эти открытия, проецируя три пятна голубого, зеленого и красного цвета на белый экран таким образом, чтобы эти пятна налагались друг на друга.

Посмотрите на результат:

В том месте, где все три цвета налагаются друг на друга, получается белый цвет.

Там, где налагается красный и голубой, получается пурпурный;
там, где налагаются красный и зеленый, получается желтый;
там, где накладываются друг на друга голубой и зеленый, получается голубовато-зеленый (так называемый, цвет морской волны).

Цветовой треугольник

Для того чтобы показать, какой цвет получится при сложении любых других цветов света, Ньютон сделал таблицу, из которой с первого взгляда видно, каков будет результирующий цвет.

В настоящее время применяют много различных видоизменений этой таблицы, такими таблицами или цветовыми схемами пользуются художники, дизайнеры, веб-мастера и прочие специалисты, работающие с цветом.

Цветовой треугольник:

Сложение двух цветов, находящихся по углам треугольника, дает цвет, указанный в промежутке.

Цвета, расположенные в треугольнике противоположно друг другу, являются дополнительными; иначе говоря, пары голубой и желтый, зеленый и пурпурный и голубовато-зеленый и красный при сложении дают белый свет.

Дома, костюмы, шляпы, платья, хотя бы и очень дорогие, могут казаться очень простыми и даже смешными, если в них неправильно применены комбинации цветов.

С другой стороны, хорошее сочетание цветов может значительно усилить очарование и привлекательность вещей.

Многим интересно узнать: какие цвета можно сочетать друг с другом?
Различные тона и оттенки какого-либо одного цвета заведомо гармонируют друг с другом в костюме или в отделке дома. Но некоторое добавление цветов белого, черного или их обоих вместе значительно оживит это сочетание.
Так, например, костюм, имеющий несколько оттенков голубого цвета, очень привлекателен, но он будет улучшен добавлением черного или белого, или обоих вместе.

Голубой костюм имеет очень хороший вид с белой рубашкой, белой шляпой и черным галстуком.

Цвета, расположенные рядом в цветовом треугольнике и имеющие в своем составе общий цвет, обычно хорошо сочетаются друг с другом. Примером может служить сочетание зеленого, желтого и оранжевого.
Другим примером является сочетание голубого, голубовато-зеленого и зеленого. Только голубой и зеленый цвета могут дисгармонировать друг с другом, но если добавить для смягчения голубовато-зеленый, то можно получить приятное сочетание.

Яркие дополнительные цвета резко дисгармонируют и очень неприятны. Но если уменьшить их интенсивность и значительно сократить площадь, занимаемую одним цветом, по отношению к площади другого, то один цвет будет обогощать противоположный ему и создавать одно из наилучших сочетаний.

Имеются два основных закона гармонического сочетания цветов:
1) цвета должны быть в каком-нибудь определенном отношении родственны;
2) один цвет должен быть господствующим.

Если только нет желания специально бить на эффект, то следует возможно реже применять яркие цвета. Да и в этих случаях нужно сочетать их с белым, черным или серым.

Если мы хотим покрасить ставни дома ярко-зеленым цветом, то нужно выкрасить дом белым или бледно-серым цветом.

2.4. Как глаз различает цвета

Сетчатка глаза устлана светочувствительными элементами, которые называются «палочки» и «колбочки».

Все палочки одинаковы и реагируют только на степень освещенности, а вот колбочки бывают трех типов: «красные», «зеленые» и «синие». Соответственно, красные колбочки воспринимают красный цвет, зеленые - зеленый, синие - синий.

Мозг принимает сигналы, посылаемые в него тремя типами колбочек, и в результате мы видим все многообразие цветов.

Если в глаз попадает, к примеру, желтый цвет, на него одинаково реагируют красные и зеленые колбочки и в результате получается ощущение желтого цвета. Если попадает фиолетовый цвет, то реагируют красные и синие колбочки - и мы видим фиолетовый.

Аналогично зеленый и голубой цвета дают ощущение голубовато-зеленого, красный и голубой дают ощущение пурпурного.

Дальтонизм - цветовая слепота — это особенность зрения, при которой человек неспособен различать один или несколько цветов.

Название происходит от имени Джона Дальтона, который не различал красный цвет, но не знал о своей цветовой слепоте до 26 лет. Дальтон подробно описал свой дефект зрения в небольшой книге.

Благодаря его публикации и появилось слово «дальтонизм», которое стало синонимом любого нарушения цветового зрения.

У человека, страдающего дальтонизмом, один из типов колбочек не реагирует на соответствующий цвет. Бывают люди, не различающие красный, зеленый или голубые цвета. Около 4% мужчин являются дальтониками, у женщин процент меньше - около 0,5%.

Цветовая слепота может ограничить возможности человека при исполнении выборе профессии. Зрение врачей, водителей, моряков и лётчиков тщательно исследуется, так как от его правильности зависит жизнь многих людей.

2.5. Цвета предметов и световые эффекты

Почему лист бумаги мы видим белым, а листья растений зелеными? Почему предметы имеют различный цвет?

Цвет любого тела определяется его веществом, строением, внешними условиями и процессами, протекающими в нем. Этими разнообразными параметрами задают способность тела поглощать падающие на него лучи одного цвета (цвет определяется частотой или длиной волны света) и отражать лучи другого цвета.

Те лучи, которые отражаются, попадают в глаз человека и определяют цветовое восприятие.

Лист бумаги кажется белым, потому что он отражает белый свет. А так как белый свет состоит из фиолетового, синего, голубого, зеленого, желтого, оранжевого и красного, то белый предмет должен отражать все эти цвета.

Поэтому если на белую бумагу падает только красный свет, то бумага его отражает, и мы видим ее красного цвета.

Точно так же, если на белый предмет падает только зеленый свет, то предмет должен отражать зеленый свет и казаться зеленым.

Если бумагу покрасить красной краской, изменится свойство поглощения света бумагой - теперь отражаться будут только красные лучи, в все остальные будут поглощаться краской. Теперь бумага будет казаться красной.

Листья деревьев, трава кажутся нам зелеными, потому что хлорофилл, содержащийся в них, поглощает красные, оранжевые, синие и фиолетовые цвета. В результате отражается от растений середина солнечного спектра - зеленый цвет.

Опыт подтверждает предположение, что цвет предмета есть не что иное, как цвет света, отраженного предметом.

Что будет, если красную книгу осветить зеленым светом?

Сначала предполагали, что зеленый свет книга должна превратить в красный: при освещении красной книги только одним зеленым светом этот зеленый свет должен превратиться в красный и отразиться так, что книга должна казаться красной.

Это противоречит эксперименту: вместо того чтобы казаться красной, в этом случае книга кажется черной.

Поскольку красная книга не превращает зеленый цвет в красный и не отражает зеленого света, красная книга должна поглощать зеленый свет, так что никакой свет не будет отражен.

Очевидно, что предмет, не отражающий никакого света, кажется черным. Далее, когда белый свет освещает красную книгу, книга должна отражать только красный свет и поглощать все другие цвета.

В действительности, красный предмет отражает немного оранжевый и немного фиолетовый цвета, потому что применяемые при производстве красных предметов краски никогда не бывают совершенно чистыми.

Точно так же зеленая книга будет отражать главным образом зеленый свет и поглощать все другие цвета, а голубая книга будет отражать главным образом голубой и поглощать все другие цвета.

Напомним, что красный, зеленый и голубой — первичные цвета. С другой стороны, поскольку желтый свет состоит из смеси красного и зеленого, желтая книга должна отражать как красный, так и зеленый свет.

В заключение повторим, что цвет тела зависит от его способности по-разному поглощать, отражать и пропускать (если тело прозрачное) свет различных цветов.

Некоторые вещества, например прозрачное стекло и лед, не поглощают никакого цвета из состава белого света. Свет проходит сквозь оба эти вещества, и лишь небольшое количество света отражается от их поверхностей. Поэтому, оба эти вещества кажутся почти столь же прозрачными, что и сам воздух.

С другой стороны, снег и мыльная пена кажутся белыми. Далее, пена некоторых напитков, например лимонада, может казаться белой, несмотря на то, что жидкость, содержащая воздух в пузырьках, может иметь другой цвет.

По-видимому, эта пена бела потому, что пузырьки отражают свет от своих поверхностей так, что свет не проникает достаточно глубоко в каждый из них, чтобы быть поглощенным. Вследствие отражения от поверхностей мыльная пена и снег кажутся белыми, а не бесцветными, как лед и стекло.

2.6. Светофильтры

Если пропустить белый свет через обычное бесцветное прозрачное оконное стекло, то белый свет пройдет сквозь него. Если стекло красное, то свет красного конца спектра пройдет насквозь, а другие цвета будут поглощены или отфильтрованы.

Точно так же зеленое стекло или какой-нибудь другой зеленый светофильтр пропускает главным образом зеленую часть спектра, а голубой светофильтр пропускает главным образом голубой свет или голубую часть спектра.

Если приложить друг к другу два светофильтра различных цветов, то пройдут только те цвета, которые пропускаются обоими светофильтрами. Два светофильтра—красный и зеленый—при сложении их практически не пропустят никакого света.

Таким образом, в фотографии и цветной печати, применяя светофильтры, можно создавать желаемые цвета.

2.7. Театральные эффекты, создаваемые светом

Многие любопытные эффекты, которые мы наблюдаем на театральной сцене, являются простым применением тех принципов, с которыми мы только что познакомились.

Например, можно заставить почти совершенно исчезнуть фигуру в красном, находящуюся на черном фоне, если переключить свет с белого на соответствующий оттенок зеленого.

Красный цвет поглощает зеленый, так что ничего не отражается, и, следовательно, фигура кажется черной и сливается с фоном.

Лица, раскрашенные красной жирной краской или покрытые красными румянами, кажутся естественными в свете красного прожектора, но кажутся черными при освещении зеленым прожектором. Красный цвет поглотит зеленый, так что ничего не будет отражено.

Точно так же красные губы кажутся черными в зеленом или голубом свете танцевального зала.

Желтый костюм превратится в ярко-красный в малиновом свете. Малиновый костюм покажется голубым в лучах голубовато-зеленого прожектора.

Изучив поглощающие свойства различных красок, можно добиться множества различных других цветовых эффектов.

3. Практическая часть

Для изготовления модели машины по смешиванию цветов понадобятся: электронный конструктор «Знаток», клеевой термопистолет, цветные карандаши, фломастеры, белый картон, ножницы, циркуль, транспортир.

Изготовление модели машины по смешиванию цветов

1. Соберём электрическую цепь, состоящую из элементов питания, ключа, электродвигателя.

2. Изготовим из картона диски, раскрашенные разными сочетаниями цветов.

3. При помощи клеевого термопистолета закрепим диски на роторе электродвигателя и приведём его во вращение. Получим следующие сложения цветов:

Достоинства модели: легка в сборке, не требует больших материальных затрат, позволяет получить цвета разных оттенков.

Недостатки: при сложении цветов наибольшую трудность представило получение белого цвета. Пришлось подбирать разные оттенки голубого, красного и зелёного, чтобы получился приемлемый результат.

4. Заключение

Целью моей работы являлось изготовить самодельную машину по смешиванию цветов и с её помощью практически получить различные цвета из основных.

В начале работы была сформулирована гипотеза: знание основ природы света может объяснить наличие цветов вокруг нас. Гипотеза доказана.

При изготовлении прибора я узнал много нового об истории развития представлений о свете и цвете, о сущности явления дисперсии, о применении знаний о спектре в различных областях деятельности человека.

«Не знаю, как меня воспринимает мир, но сам себе я кажусь только мальчиком, играющим на морском берегу, который развлекается тем, что время от времени отыскивает камешек более пёстрый, чем другие, или красивую ракушку, в то время как великий океан истины расстилается передо мной неисследованным» (И. Ньютон).

5. Список литературы

1. http://video-sam.ru/color3.html

2. http://video-sam.ru/color.html

3. http://video-sam.ru/color2.html

4. http://video-sam.ru/color4.html

5. http://video-sam.ru/temnota.html

6. http://ency.info/earth/etapi-astronomii/17

7. http://design.bmstu.ru/ru/metodichki/Bakalavriat/TCvetovedenie.pdf

15