Download
1 / 86
890 likes | 1.26k Views
DANE INFORMACYJNE. Nazwa szkoły: Gimnazjum im. Królowej Jadwigi w Zagórowie ID grupy: 98/74_MF_G2 Opiekun: mgr Agnieszka Ławniczak Kompetencja: Matematyczno - fizyczna Temat projektowy: Kolorowe Morza Semestr/rok szkolny: Rok szkolny 2010/2011, semestr III. Nazwa szkoły:
E N D
DANE INFORMACYJNE • Nazwa szkoły: • Gimnazjum im. Królowej Jadwigi w Zagórowie • ID grupy: 98/74_MF_G2 • Opiekun: mgr Agnieszka Ławniczak • Kompetencja: • Matematyczno - fizyczna • Temat projektowy: • Kolorowe Morza • Semestr/rok szkolny: • Rok szkolny 2010/2011, semestr III
Nazwa szkoły: • Zespół Szkół nr 5 Gimnazjum 40 Poznań • ID grupy: • 98/13_mf_gr 2 • Kompetencja: • matematyczno-fizyczna • Temat projektowy: • KOLOROWE MORZA • Semestr/rok szkolny: • 2010/2011 semestr 3
Wstęp • Podziwiając piękno mórz i oceanów pamiętajmy, że różnorodność barw morskich naukowcy tłumaczą załamaniem, odbiciem, pochłanianiem, rozpraszaniem i rozszczepieniem światła na powierzchni i pod wodą oraz obecnością substancji rozpuszczonych i zawieszonych w wodzie. • A co to za zjawiska i jak one się maja do określonych barw morza dowiecie się w tej prezentacji.
Spis treści Zjawiska optyczne w środowisku morskim. Jaki kolor ma czysta woda morska? Badanie przeźroczystości wody Pochłanianie światła przez wodę morską Plankton a kolor morza Falowanie i zachmurzenie a kolor morza Kolor morza a szerokość geograficzna kolorymetria Skąd się wzięły kolorowe nazwy mórz: Morze Czerwone Morze Żółte Morze Czarne Morze Białe Ciekawostki. Badanie kolorów morza. Zadania. Nasze badania. Wnioski. Autor prezentacji. Bibliografia. • Światło widzialne • Źródła naturalne i sztuczne • Światło jako fale elektromagnetyczne • Prędkość światła • Zjawiska optyczne: • Odbicie • Rozproszenie • Załamanie • Rozszczepienie • Oko i widzenie barwne. • Kinetyczno-cząsteczkowa teoria budowy materii. • Zjawiska fizyczne a budowa materii: • Parowanie, topnienie, sublimacja • Dyfuzja • Koagulacja • sedymentacja • Koloidy, emulsje, piany.
CZYM JEST ŚWIATŁO? • Teoria korpuskularno – falowa przyjmuje dwoistą naturę światła. • Światło, jak każda fala ulega zjawisku dyfrakcji (ugięciu) i interferencji (nakładaniu się). • Światło, jako strumień fotonów, tłumaczący zjawisko fotoelektryczne (zjawisko wybijania elektronów z powierzchni metalu pod wpływem padającego na nie promieniowania elektromagnetycznego).
ŹRÓDŁA ŚWIATŁA • Naturalne: • Przedmioty emitujące światło stworzone przez naturę: gwiazdy (również Słońce), czynne wulkany, błyskawica, zorza polarna, świetliki…
Sztuczne: • Świece, ogniska, żarówki, świetlówki, lasery, łuk elektryczny…
ŚWIATŁO WIDZIALNE • Zakres częstotliwości i długości fal.
PRĘDKOŚĆ ŚWIATŁA • Prędkość światła (prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w próżni) wynosi: • c = 299 792 458 m/s • c ≈ 300 000 km/s • Światło, w przeciwieństwie do dźwięku, do rozchodzenia się nie potrzebuje ośrodka materialnego (dlatego widzimy bardzo odległe gwiazdy, a nie słyszymy dźwięków z kosmosu).
W próżni prędkość światła uzyskuje wielkość maksymalną. • Przybliżone prędkości światła w niektórych ośrodkach materialnych: • woda 225 000 km/sszkło 197 000 km/spleksi 201 000 km/sdiament 124 000 km/s • Prędkości te ulegają zmianom w zależności od barwy świata.
ODBICIE, rozproszenie, pochłanianie promieni światła • W ośrodkach jednorodnych światło porusza się po liniach prostych. • Światło padając na gładką, wypolerowaną powierzchnię (lustro) ulega odbiciu – dlatego widzimy swój obraz w lustrze. • PRAWO ODBICIA: Światło odbija się od wypolerowanej powierzchni ciała zawsze w takim kierunku, że kąt odbicia jest równy kątowi padania. Promień padający, odbity i normalna leżą w jednej płaszczyźnie. α=β
Przedmioty, które nie są źródłem światła widzimy dlatego, że padające na nie światło zostaje rozproszone i część promieni świetlnych dociera do naszych oczu. • Ściany widzimy żółte, gdy odbijają one światło żółte, które dociera do naszego oka, a pozostałe barwy pochłaniają. • Analogicznie kubek widzimy czerwony, gdy odbija on światło czerwone, a pozostałe barwy zostają pochłonięte.
ZAŁAMANIE ŚWIATŁA • Zjawisko załamania światła polega na zmianie kierunku jego rozchodzenia się przy przejściu z jednego ośrodka przezroczystego do drugiego. Zmiana kierunku promienia na granicy dwóch ośrodków spowodowane jest tym, że światło w różnych ośrodkach rozchodzi się z różnymi szybkościami. • Promień przechodzi z ośrodka, w którym szybkość światła jest większa do ośrodka, w którym jest mniejsza. • β < α • Promień przechodzi z ośrodka, w którym szybkość światła jest mniejsza do ośrodka, w którym jest większa. • β< α
ZAŁAMANIE ŚWIATŁA NA GRANICY POWIETRZE-WODA Kiedy promień świetlny znajduje się na granicy powietrza i wody, rozdziela się na dwa nowe promienie: odbity i załamany. Nowe promienie są prostoliniowe. Zmiana kierunku biegu promieni następuje jedynie na granicy ośrodków. Kąt padania jest równy kątowi odbicia. Kąt załamania jest mniejszy od kąta padania. Mówimy o tym, że przy przejściu od powietrza do wody promień załamuje się ku prostopadłej. Promień padający, odbity i załamany leżą w jednej płaszczyźnie.
ZAŁAMANIE ŚWIATŁA NA GRANICY WODA - POWIETRZE Gdy światło przechodzi z wody do powietrza, to pojawiają się dwa nowe promienie - odbity (wewnątrz wody) i załamany (w powietrzu). Promień załamuje się teraz od prostopadłej, kąt załamania w powietrzu jest większy niż kąt padania w wodzie. Gdy kąt padania światła na powierzchnię wody wynosi 0o zjawisko załamania nie zachodzi. Światło przechodzi z powietrza do szkła bez zmiany kierunku. Załamanie światła przechodzącego z wody do powietrza powoduje, że zanurzone w niej przedmioty wydają się być wyżej, niż są w rzeczywistości.
Współczynnik załamania światła Współczynnik załamania światła jest wielkością opisującą załamanie światła przy przejściu z jednego ośrodka do drugiego. Liczbowo współczynnik załamania wyraża się poprzez stosunek prędkości światła V1 w jednym ośrodku do prędkości V2 w drugim ośrodku, n=V1/V2.
CAŁKOWITE WEWNĘTRZNE ODBICIE Całkowite wewnętrzne odbicie to zjawisko fizyczne zachodzące dla fal (najbardziej znane dla światła) występujące na granicy ośrodków o różnych współczynnikach załamania. Polega ono na tym, że światło padające na granicę od strony ośrodka o wyższym współczynniku załamania pod kątem większym niż kąt graniczny, nie przechodzi do drugiego ośrodka, lecz ulega całkowitemu odbiciu.
ROZSZCZEPIENIE ŚWIATŁA • Światło białe przechodząc przez pryzmat ulega rozszczepieniu (barwy przechodzące w sposób ciągły jedna w drugą od czerwieni do fioletu – widmo światła białego). • Każda z barw rozchodzi się z inną prędkością, a więc również załamuje pod innym kątem. Najszybciej rozchodzi się światło czerwone, najwolniej fioletowe.
TĘCZA • Tęcza powstaje w wyniku rozszczepienia światła załamującego się i odbijającego się wewnątrz kropli wody.
Człowiek widzi barwy dzięki komórkom światłoczułym w siatkówce oka zwanym pręcikami i czopkami. Pręciki są wrażliwe na stopień jasności, czopki na barwę. Są trzy rodzaje czopków, każdy wrażliwy na inną barwę (RGB), ale ponieważ ich zakresy nachodzą na siebie możemy widzieć wszystkie barwy. Największe skupienie czopków w środkowej części siatkówki to plamka żółta, odpowiedzialna również za widzenie szczegółów. Pręciki odpowiedzialne są za widzenie w nocy oraz za odróżnianie kształtów i zarysów przedmiotów. • Źrenica odpowiedzialna jest za ilość światła wpadającego na siatkówkę.
Kinetyczno-cząsteczkowa teoria budowy materii Otaczająca nas materia - substancje mogące się znajdować w trzech stanach skupienia-składa się z atomów lub cząsteczek (drobin) różnie ułożonych w różnych odległościach od siebie, -oddziaływania międzycząsteczkowe są różne w zależności od rodzaju substancji i stanu skupienia , -cząsteczki tej samej substancji są identyczne ; cząsteczki różnych substancji różnią się od siebie miedzy innymi wielkością , -cząsteczki są w ciągłym ruchu , czego skutkami są takie zjawiska, jak: ruchy Browna , dyfuzja , rozpuszczanie, czyli powstawanie roztworów , rozszerzalność cieplna ciał, -ruch cząsteczek jest chaotyczny , -poruszające się cząsteczki zderzają się ze sobą ,podobnie jak sprężyste piłki , -prędkość cząsteczek zależy od temperatury ciała; im wyższa temperatura tym szybciej poruszaj się cząsteczki.
Kinetyczno-cząsteczkowa teoria budowy materii pokazana rysunkowo
Zjawiska fizyczne Niektóre zjawiska fizyczne łatwo wytłumaczyć na podstawie kinetyczno-cząsteczkowej teorii budowy materii. Topnienie - polega na rozluźnianiu wiązań między cząsteczkami ciała stałego pod wpływem ogrzewania. Cząsteczki poruszają się szybciej i odrywają się od siebie. Ciało traci więc swój określony kształt charakterystyczne dla ciała stałego zamieniając się w ciecz. Dla ciał stałych o budowie krystalicznej, np. lód topnienie zachodzi w stałej temperaturze, zwanej temperaturą topnienia (dla lodu 0 °C) Jeśli natomiast ogrzanie ciała stałego powoduje że cząsteczki odrywają się od siebie i zaczynają się poruszać jak cząsteczki gazu, zajdzie wówczas zjawisko sublimacji. Krzepnięcie - polega na tym, że (pod wpływem oziębienia) poruszające się coraz wolniej cząsteczki cieczy łączą się ze sobą, tworząc ciało stałe. Parowanie - zachodzi wtedy, gdy cząsteczki cieczy mają dostatecznie dużą prędkość, pozwalającą im na opuszczenie ciecz. Uwolnione w ten sposób cząsteczki tworzą gaz, który wypełnia całą dostępną objętość naczynia. .(Wrzenie – parowanie zachodzące w całej objętości cieczy po doprowadzeniu jej do odpowiedniej temperatury zwanej temperaturą wrzenia – dla wody t. w. wynosi 100 °C) Skraplanie - następuje wtedy gdy gaz zostaje odpowiednio oziębiony . W takich warunkach cząsteczki poruszają się wolniej, zbliżają się do siebie, a siły przyciągania między cząsteczkami powodują ,,przyklejanie” się ich do siebie. Szybkość z jaką poruszają się cząsteczki, jest jednak zbyt duża, aby mogły się one połączyć w sztywną strukturę - ciało stałe.
Zjawisko dyfuzji Dyfuzja – samorzutne przemieszczenie się cząsteczek danej substancji z obszaru o dużej koncentracji do obszarów o małej koncentracji. Dyfuzja umożliwia zjawisko mieszania się substancji pozostających w fazie gazowej lub ciekłej. Siłą napędową dyfuzji przy mieszaniu jest dążenie układu do równowagi termodynamicznej przez osiągnięcie jak najwyższej entropii i jak najniższej energii swobodnej. Efektem wolnej, nieskrępowanej dyfuzji w gazach i cieczach jest wyrównywanie się stężeń wszystkich składników w całej objętość fazy. Osiągnięcie stanu równowagi nie oznacza jednak zatrzymania dyfuzji. Trwa ona nadal, tyle że dzięki dokładnemu wymieszaniu się wszystkich składników nie prowadzi już do zmian stężenia. Przykładem tego rodzaju dyfuzji może być rozchodzenie się zapachów w nieruchomym powietrzu.
Koagulacja Koagulacja to proces polegający na łączeniu się cząstek fazy rozproszonej koloidu w większe agregaty tworzące fazę ciągłą o nieregularnej strukturze. Istnieje koagulacja odwracalna i nieodwracalna, a także spontaniczna i wymuszona. W wyniku koagulacji może następować zjawisko żelowania, tworzenia się past i materiałów stałych , sedymentacji lub pokrywania powierzchni mieszaniny warstwą fazy rozproszonej. Typowe struktury koagulacyjne to dyspersje polimerów, niektóre rodzaje farb, tworzyw sztucznych, oraz produkty koagulacji białek , takie jak np. jogurt. Koagulacja białka występuje na skutek zniszczenia jego trzeciorzędowej struktury, prowadzącego do łączenia się rozpuszczalnych w wodzie białek w nierozpuszczalne strzępki i całkowitej utraty ich aktywności biologicznej. Koagulacja białek może następować pod wpływem temperatury lub czynników chemicznych (np. wysokiego stężenia soli, tzw. wysalanie). W procesie oczyszczanie ścieków za pomocą koagulacji uzyskiwany jest dość znaczny efekt np. redukcja BZT5może osiągnąć 85%, a zawiesin do 90%. Z tego względu koagulację określa się jako pośredni stopień między oczyszczaniem mechanicznym a biologicznym. Ujemną stroną tego procesu jest powstawanie dużej ilości osadów, głównie o charakterze nieorganicznym. Koagulacja stosowana jest najczęściej do oczyszczania ścieków przemysłu włókienniczego, garbarskiego, chemicznego i innych, niekiedy jako proces wstępny przed oczyszczaniem biologicznym.
Sedymentacja cieczy Sedymentacja – proces opadania zawiesiny ciała stałego w cieczy w wyniku działania siły grawitacji lub sił bezwładności. Sedymentacji ulegają zawiesiny o gęstości większej niż gęstość cieczy. Sedymentacja prowadzi więc do rozdziału substancji niejednorodnych, a kryterium podziału jest gęstość.
Układ koloidalny Układ koloidalny (koloid) – niejednorodna mieszanina zwykle dwufazowa, tworząca układ dwóch substancji, w którym jedna z substancji jest rozproszona w drugiej. Rozdrobnienie substancji rozproszonej jest tak duże, że fizycznie mieszanina sprawia wrażenie substancji jednorodnej, jednak nie jest to wymieszanie na poziomie pojedynczych cząsteczek .
Emulsja Emulsja - dwufazowy układ dyspersyjny ciecz-ciecz dwóch nie mieszających się wzajemnie cieczy - polarnej i niepolarnej. Jest to układ termodynamiczne nietrwały. Kinetycznie trwałe emulsje można jedynie otrzymać w obecności emulgatora. Emulsja jest szczególnym przypadkiem układu koloidalnego.
Piany Piana – mieszanina, w której ośrodkiem rozpraszającym jest ciecz a fazą rozproszoną gaz. Powstawaniu piany sprzyja obecność substancji powierzchniowo czynnych (poroforów), które zmniejszają w cieczy jej napięcie powierzchniowe a zwiększają lepkość. Zastosowanie pian: jako środki czyszczące, jako środki gaśnicze oraz w procesach flotacyjnych. Piana jest również wykorzystywana w trakcie produkcji pianobetonu, gumy porowatej, szkła porowatego, porowatych tworzyw sztucznych itp. jednak nie pozostaje w gotowym wyrobie, jest jedynie nośnikiem pęcherzyków gazu. Istnieją również układy koloidalne w postaci pian stałych, które nazywa się często aerożelami, gdzie ośrodkiem rozpraszającym gaz jest ciało stałe. Przykładem piany stałej jest pumeks.
Jaki kolor ma czysta woda morska? • … błękitny. Ale tylko w niewielkim stopniu jest ona odbiciem koloru nieba. Znacznie bardziej wpływają na nią procesy, jakie obserwujemy, gdy na niebie pojawia się tęcza. Na granicy dwóch różnych ośrodków – powietrza i wody – światło zmienia swój kierunek (załamuje się). Załamanie jest różnie w zależności od barwy. Gdy promień światła pada na wodę, to pochłania ona „czerwoną” część widma, powodując, że woda nabiera w naszych oczach granatowej barwy. • Światło jest też tłumione przez rozpuszczone w wodzie sole, związki organiczne, rozmaite pyły, piasek. Już na pierwszy rzut oka jesteśmy w stanie ocenić przejrzystość wody morskiej. • Do celów bardziej naukowych używa się krążka Secchiego.
KRĄŻEK SECCHIEGO KrążekSecchiego - skonstruowany w 1865 przez włoskiego astronoma ks. Pietro Angelo Secchiego przyrząd do pomiaru przezroczystości (mętności) wody. Składa się z białego (lub biało-czarnego) krążka opuszczanego na wyskalowanej linie lub pręcie. Odczyt głębkości, na której krążek przestaje być widoczny, wskazuje na stopień zmętnienia wody.
WADY KRĄŻKA SECCHIEGO Odczyty z krążka Secchiego nie dają dokładnych wyników; błędy powodować mogą takie czynniki, jak odblaski słońca na wodzie czy różnice w jakości wzroku dokonujących pomiaru, stąd też dokładne pomiary mętności wody przeprowadza się przy pomocy nefelometru.
NEFELOMETR Nefelometr – przyrząd optyczny służący do pomiaru natężenia światła rozproszonego przez zawiesiny w cieczach lub gazach. Umożliwia oznaczenie stężenia zawiesiny w roztworze oraz rozmiarów i masy jej cząstek. Używany jest także do badania atmosfery. Głównymi elementami przyrządu są źródło światła i fotodetektor ustawione w stosunku do siebie pod pewnym kątem różnym od 180° (najczęściej 90°).
Barwne zjawiska w środowisku morskim • Co się dzieje, jeśli promień białego światła pada pionowo na powierzchnię morza? Niewielka część światła zostanie odbita z powrotem, natomiast większość przeniknie w głąb wody. Ponieważ woda w niejednakowym stopniu przepuszcza promienie różnych barw będące składowymi światła białego, światło barwy czerwonej i żółtej zostanie dość silnie pochłonięte nawet przez cienkie warstwy wody, ale już niebieskie i fioletowe znacznie słabiej. Tak więc światło przenikające coraz głębiej nabiera wyraźnego zielonkawoniebieskiego koloru. W rzeczywistości to zjawisko komplikuje się, gdyż światło jest pochłaniane nie tylko przez cząsteczki wody, ale również przez substancje w niej rozpuszczone lub zawieszone. A w wodzie morskiej można znaleźć prawie wszystkie pierwiastki występujące na Ziemi. Oprócz soli, w morzu są rozpuszczone również substancje organiczne, które pochłaniają więcej energii świetlnej niż roztwory soli.
Pochłanianie światła przez wodę • Światło ulega również rozproszeniu w wodzie we wszystkich kierunkach najsilniej promienie niebieskie, najsłabiej czerwone. Ponadto w wodzie światło jest rozpraszane przez mikroorganizmy, przez zawiesiny nierozpuszczalnych minerałów, cząstki emulsji tłuszczu oraz przez wahania gęstości wody. • Biegnące w głąb światło rozprasza się we wszystkie strony, pewna jego część także ku górze, wydostając się na powierzchnię. Właśnie to światło odgrywa szczególnie istotną rolę w zabarwieniu morza. • Ponieważ promienie niebieskie są słabo pochłaniane przez wodę, natomiast silnie się w niej rozpraszają, zostają najszybciej skierowane w górę i dzięki niewielkiemu pochłanianiu nie osłabną tak bardzo jak promienie innych kolorów.
Co by było gdyby w morzach występowało tylko zjawisko rozpraszania lub tylko pochłaniania • Podczas nagrzewania się wody morskiej jej zdolność rozpraszająca wzrasta, a podczas ochładzania obniża się. Przyczyną tego jest rosnąca wraz z temperaturą rozpuszczalność gazów w wodzie. Tak więc "własną barwę" morza tworzą oba procesy - pochłanianie i rozpraszanie światła. Gdyby w morzu następowało tylko rozproszenie (bez odbicia), jego barwa byłaby mlecznobiała, ponieważ całe światło wpadające do wody musi w końcu z niej wyjść. Morze, w którym następowałoby tylko pochłanianie światła, w praktyce powinno być czarne jak atrament (na zewnątrz wychodziłyby tylko te promienie, które dosięgły dna i od niego się odbiły). Morza z wodami przezroczystymi mają przepiękny, intensywny niebieski kolor, natomiast z zamąconymi są niebieskozielone.
Plankton a kolor morza • Zielona barwa występuje w płytkich i przybrzeżnych wodach mórz szerokości umiarkowanych, a także w wodach polarnych. W sierpniu i wrześniu w Morzu Azowskim zazwyczaj kwitnie plankton. Z powodu jego obfitości woda jest wówczas zielona nawet w małej objętości, np. w wiadrze.
Falowanie i zachmurzenie a kolor morza • Jednak na barwę wody wpływa również inny czynnik, a mianowicie falowanie. Tutaj pochłanianie i odbijanie promieni zależy od charakteru fali. Powierzchnia morza przestaje być wtedy pozioma, a staje się falista. Wtedy promienie, zarówno słoneczne jak i z oka obserwatora, padają pod inny kątem na powierzchnię, wywołując wrażenie innego zabarwienia wody. Biel spienionej powierzchni to skutek znacznie większej ilości światła odbitego niż wychodzącego. • Na zabarwienie wpływa również zachmurzenie nieba. Promienie słoneczne dochodzą do powierzchni morza już rozproszone i przefiltrowane przez chmury, obłoki czy krople wody z powietrza.
