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LABORATORIO SCIENTIFICO PER BAMBINI
Il sole rosso sorgerà. Laboratorio di scienze per bambini
Elenco / Laboratorio di scienze per bambini Il colore del cielo, il colore del Sole e della Luna, molti fenomeni ottici e acustici sono determinati dal fatto che onde elettromagnetiche ed elastiche di diversa lunghezza si disperdono nell'atmosfera in modi diversi, obbedendo alla legge di Rayleigh. In estate, poche persone vedono il sole nascente: sorge troppo presto. Ma i tramonti si presentano davanti a noi in tutto il loro splendore: un'enorme palla, cambiando colore dal rosso vivo al marrone, scende lentamente attraverso il cielo azzurro, colorandolo di toni gialli, verdi, rosa, e scompare oltre l'orizzonte... Quando - Si credeva che l'aria stessa avesse un colore blu e quindi l'atmosfera assorbisse i raggi rossi. Ma allora il Sole e la Luna all'orizzonte sembrerebbero più bluastri che allo zenit: i raggi di luce da essi, prima di raggiungere l'osservatore, passano attraverso quanto maggiore è lo spessore dell'aria, tanto più in basso scende il luminare. Dopo l'avvento della teoria elettromagnetica della luce, è diventato chiaro che le onde luminose nell'atmosfera devono essere disperse da particelle sospese nell'aria, come onde sull'acqua - pietre e rocce che si frappongono. Ciò fu suggerito e dimostrato sperimentalmente nel 1868 dal fisico inglese J. Tyndall. Tuttavia, tre anni dopo, J.W. Rayleigh ha dimostrato che la diffusione della luce dovrebbe avvenire anche in un'atmosfera idealmente pulita sulle sue disomogeneità ottiche - fluttuazioni di densità. Queste disomogeneità sorgono continuamente come risultato di un accumulo casuale di molecole durante il loro movimento termico e si dissolvono istantaneamente per formarsi nuovamente in un altro luogo. La luce che passa attraverso un vuoto o attraverso un mezzo assolutamente omogeneo non si disperde: le dimensioni delle molecole sono migliaia di volte più piccole della lunghezza d'onda della luce, e la luce viaggia senza "osservarle". Le disomogeneità del mezzo diventano una specie di prismi, che diffondono la luce tanto più fortemente quanto più la densità dell'aria in essi differisce dal valore medio. E, naturalmente, più tali disomogeneità. Un mezzo con disomogeneità ottiche che misurano 0,1-0,2 della lunghezza d'onda media della luce è detto torbido. In un mezzo torbido, le onde luminose di diverse lunghezze si disperdono in modo diverso: radiazione a onde corte, la parte blu dello spettro è più forte, a onde lunghe, il rosso è più debole. La dipendenza dello scattering dalla lunghezza d'onda è molto forte: è inversamente proporzionale alla quarta potenza della lunghezza d'onda. Ciò significa che la luce blu, la cui lunghezza d'onda (0,5 μm) è 1,4 volte più piccola della lunghezza d'onda della luce rossa (0,7 μm), è diffusa in un mezzo torbido in (1,4)4=4 volte più forte!
Un'onda elettromagnetica, cadendo sulle molecole di una sostanza, interagisce con i loro elettroni. Gli elettroni così debolmente legati agli atomi da poter essere notevolmente spostati dall'azione dell'onda (sono quindi chiamati "elettroni ottici") subiscono un'accelerazione periodica proporzionale al quadrato della frequenza, e generano un campo magnetico alternato. Nel campo si forma un'onda elettromagnetica secondaria, la cui ampiezza è proporzionale all'accelerazione dell'elettrone e l'intensità è proporzionale al quadrato dell'ampiezza. Pertanto, l'intensità della luce secondaria emessa è proporzionale alla quarta potenza della frequenza della luce incidente, o - ciò che è lo stesso - inversamente proporzionale alla quarta potenza della sua lunghezza d'onda. Questa radiazione secondaria è la luce diffusa in un mezzo torbido e la dipendenza della sua intensità dalla lunghezza d'onda è chiamata legge di Rayleigh.
Le particelle più grandi della lunghezza d'onda della luce (0,5-0,7 μm) diffondono la luce principalmente nella direzione del raggio incidente e la distribuzione della sua intensità diventa piuttosto complessa.
Le particelle con una dimensione di circa 0,1 μm diffondono la luce incidente ugualmente avanti e indietro e nella direzione trasversale è due volte più debole che in quella longitudinale. Questa relazione è chiamata legge di Rayleigh. Spiega il colore rosso del sole al tramonto, il colore blu del cielo e il colore dell'acqua di mare (in acque poco profonde, il giallo, riflesso dal fondo sabbioso, si aggiunge alla luce blu diffusa e l'acqua diventa verde) . Per lo stesso motivo, le luci di avvertimento, le luci dei freni e altri segnali di pericolo sono rossi (possono essere visti da lontano) e un filtro rosso sull'obiettivo della fotocamera aiuta quando si scatta nella foschia. In tali immagini, il cielo è molto scuro, quasi nero, il fogliame è chiaro e i dettagli di oggetti distanti risultano abbastanza nitidi. (Si noti di sfuggita che i fotografi e i cineasti usano un filtro rosso per rappresentare una notte di luna durante le riprese in un luminoso pomeriggio soleggiato.) Il filtro blu, al contrario, crea la sensazione di un mondo misterioso nascosto dietro un velo nebbioso nell'immagine. Durante la guerra, gli ingressi delle case erano illuminati da pampa blu: la loro luce, che si dissipava rapidamente nell'atmosfera, non era visibile dall'aria. Particelle molto piccole diffondono la luce in modo altrettanto forte lungo il raggio incidente e contro di esso, e 2 volte più debole - nella direzione perpendicolare. Anche la saturazione del colore del cielo cambia di conseguenza. Quando le particelle diventano più grandi, questa dipendenza diventa molto più complessa. La luce inizia a diffondersi principalmente in avanti, nella direzione della luce incidente, e cambia anche la sua composizione spettrale. La dipendenza dalla lunghezza d'onda non diventa Rapey (Lambda4), ma quadratica (Lambda2). Man mano che diventano ancora più grandi, le particelle iniziano a diffondere equamente tutte le lunghezze d'onda. Questo accade quando una leggera foschia si addensa e si trasforma in una nebbia bianco latte. Per questo motivo, le luci delle auto "nebbia" giallo-arancio non funzionano realmente nella nebbia: la loro luce è diffusa lì tanto quanto il bianco. Inoltre: in una forte foschia diventa rossastra e può essere confusa con i fanali posteriori di un'auto che si allontana (a volte con le conseguenze più tristi). Nelle steppe e nei deserti, un cielo biancastro è un segnale allarmante. Dice che sta arrivando un forte vento, un uragano che solleva nell'aria nuvole di sabbia fine e polvere. E solo la pioggia, "lavando" l'aria, può restituire il cielo azzurro. Anche il segno è giusto: "La luna diventa rossa - al vento e al maltempo". Il vento mescola intensamente strati d'aria di diverse temperature; il numero di fluttuazioni aumenta notevolmente in questo caso. Impostando un semplice esperimento, puoi vedere come cambiano i colori della luce trasmessa e diffusa (vedi figura). Una soluzione debole di iposolfito viene versata in un barattolo di vetro. Un raggio di luce bianca proveniente da un proiettore per diapositive viene fatto passare attraverso un recipiente e focalizzato su uno schermo di carta per formare un cerchio di luce. Quindi l'acido cloridrico diluito viene aggiunto goccia a goccia al barattolo (la concentrazione delle soluzioni viene selezionata empiricamente). Dopo alcuni minuti, il prodotto di reazione, zolfo finemente disperso, inizierà a precipitare dalla soluzione. Le particelle di zolfo aumentano di dimensioni e allo stesso tempo il punto luminoso sullo schermo diventa prima giallo, poi rosso e infine cremisi, ricordando il sole al tramonto. La soluzione nel recipiente, che all'inizio dell'esperimento era completamente trasparente, acquista un colore blu, che alla fine diventa biancastro, come la nebbia. Se aspetti che le particelle di zolfo si depositino sul fondo, la soluzione diventerà nuovamente trasparente e il punto luminoso diventerà bianco. Le onde sonore e le onde sull'acqua si comportano in modo simile: anche le loro basse frequenze sono diffuse molto più deboli di quelle alte. Le vibrazioni sonore interagiscono con il mezzo in un modo completamente diverso rispetto alle vibrazioni elettromagnetiche: "oscillano" non singoli elettroni nelle molecole d'aria, ma intere aree di maggiore densità e particelle sospese in esso. La nebbia dissipa e assorbe il suono in modo particolarmente forte. I suoni nella nebbia diventano ovattati, bassi ed è difficile determinare da dove provengano. A volte accadono cose interessanti con il suono riflesso da oggetti distanti: un'eco. J. Rayleigh ha indagato sul caso in cui il suono di una voce riflessa dal muro di una pineta è salito di un'ottava. È abbastanza ovvio che la frequenza delle vibrazioni sonore non può aumentare solo a causa del riflesso di un ostacolo inamovibile. Ma la voce umana, oltre al tono fondamentale, contiene molti armonici aggiuntivi di frequenza più alta, che di solito non percepiamo. I pini, con i loro aghi sottili e radi, fungono da "mezzo fangoso" per il suono, che trasmette bene le basse frequenze e riflette quelle alte. Solo gli armonici della sua voce tornano all'osservatore, e sembra che l'intero suono sia diventato improvvisamente più acuto. Le persone con una percezione creativa accresciuta - scrittori, poeti, compositori - sono ben consapevoli di questa caratteristica dell'acustica atmosferica. Nella storia di A.P. Cechov "Dottore" c'è una frase straordinaria: "In quel momento, dal cortile si sentivano distintamente i suoni di un'orchestra che suonava nel circolo della dacia. Non si sentivano solo trombe, ma anche violini e flauti". All'aria aperta, il flauto e il violino possono davvero essere ascoltati da lontano solo in condizioni particolarmente favorevoli. E i compositori, raffiguranti l'orchestra militare uscente, non solo riducono il volume del suo suono, ma prima di tutto rimuovono gradualmente tutti i suoni alti. La musica si fa più tranquilla, la melodia gradualmente scompare e rimangono solo i battiti ovattati della grancassa e i sospiri sbiaditi dell'helicon del basso. Il reggimento è andato... Il sole rosso sta sorgendo... La luce bianca cambia colore
Molti dei fenomeni ottici che vediamo quotidianamente sono dovuti al fatto che la luce di diverse lunghezze d'onda si disperde in modo diverso lungo il suo percorso. Il sole vicino all'orizzonte - all'alba e al tramonto - è sempre rosso. Il cielo serale è blu o blu molto raramente, solo quando l'aria nello strato superficiale è completamente priva di polvere e umidità. I colori dell'alba creano, mescolandosi, onde luminose di diversa lunghezza disseminate in un'atmosfera polverosa. La palla di latte della lampada sulla scala mobile della stazione della metropolitana Mayakovskaya e il cappuccio smerigliato della lampada da tavolo. Il vetro lattiginoso, contenente un colorante opaco estremamente fine, funge da "mezzo fangoso" per la luce, disperdendo fortemente la parte a lunghezza d'onda corta dello spettro. Un filamento di lampada incandescente appare quindi rosso scuro. Graffi ruvidi sul vetro smerigliato disperdono equamente le onde elettromagnetiche di qualsiasi lunghezza e l'intero coperchio della lampada si illumina di luce bianca.
Autore: S.Trankovsky
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