Jak rozchodzi się światło, kiedy powstaje cień, cień w malarstwie i fotografii, które zwierzę ma czapkę „niewidkę”, jak zrobić własny kompas i zegar słoneczny…
Propozycja zajęć prowadzonych w szkole i w terenie, pokazujących jak integrować wiedzę z takich dziedzin jak fizyka, astronomia, matematyka, historia oraz sztuka. Drugą częścią są zajęcia z matematyki autorstwa Aleksandry Opaski, pt. „W cieniu z matematyką”
Kilka słów o źródłach światła…
Źródła światła to ciała, które świecą. Dzielimy je na:
naturalne – gwiazdy – np. nasze Słońce, czynne wulkany, błyskawice,
żywe organizmy: świetliki, ryby głębinowe,
sztuczne: świece, ogniska, pochodnie, lampy naftowe, latarki itp.
Jak rozchodzi się światło?
Doświadczenie 1. Do plastikowego przeźroczystego pojemnika wypełnionego wodą wlewamy kilka kropel mleka lub Sidoluxu. Następnie kierujemy na zmętnioną ciecz promień ze wskaźnika laserowego. (Można wykonać inną wersję tego doświadczenia, wykorzystując wytwornicę dymu i wskaźnik laserowy).
Możemy to zaobserwować wokół nas.
Do samodzielnego wykonywania doświadczeń, możemy przygotować wraz z dziećmi zestawy składające się z ekranu, który wykonujemy laminując kartkę grubszego, białego papieru, dużego biurowego klipsa (50 mm), który pozwoli utrzymać nasz ekran w pionie , dwóch zalaminowanych, bajkowych postaci, (jedna przeźroczysta, druga nie), drzewa i dwóch lub więcej latarek.
Doświadczenie 2. Dwie identyczne figury (jedną wyciętą z przeźroczystej folii, drugą z kartonu) ustawiamy za pomocą małego biurowego klipsa lub plasteliny na tle ekranu, w odległości 2 cm od niego. Następnie oświetlamy je latarką. Dzieci odpowiadają na pytanie:
Która z figur rzuca cień?
a. przeźroczysta
b. nieprzeźroczysta
Doświadczenie 3. Zabawkę ustawiamy na tle przygotowanego ekranu lub ściany i oświetlamy jedną latarką, następnie dwiema lub trzema.
Odpowiadamy na pytanie: Od czego zależy ilość cieni danego przedmiotu?
Oświetlając ciało LED-ową taśmą otrzymujemy tyle cieni, ile jest na niej świecących punktów.
Cień na wesoło
Doświadczenie 4. Mając do dyspozycji latarkę oraz zabawkę sprawdzamy gdzie powinno być ustawione źródło światła, żeby cień przedmiotu powstał:
a. pod oświetlonym ciałem
b. za oświetlonym ciałem
c. przed oświetlanym ciałem
Doświadczenie 4a. Pozwoli nam sprawdzić czy długość cienia jakiegoś przedmiotu w ciągu dnia jest zawsze jednakowa?
Papierowe drzewo, którego podstawę pełni biurowy klips ustawiamy na białej kartce papieru i oświetlamy latarką pod różnymi kątami. Latarka pełni rolę naszego Słońca.
Doświadczenie 4b. Kartkę formatu A3 przyklejamy do drzwi mebli. Ustawiamy ucznia w taki sposób, żeby jego profil znalazł się na tle tej kartki. Włączamy lampkę, która oświetli twarz. Obrysowujemy kontury cienia buzi, który powstał na kartce. Możemy wypełnić go dowolnym kolorem, lub wyciąć wnętrze konturu i nakleić pozostałą część kartki na ciemny karton. W ten sposób powstał niepowtarzalny portret cieniowy!
Doświadczenie 4c. Portret cieniowy można zrobić jeszcze w inny sposób. Musimy w tym celu zabrać ze sobą na spacer w słoneczny dzień aparat fotograficzny. Wykonujemy nim zdjęcie własnego cienia, ustawiając się w taki sposób, żeby słońce mieć za plecami. To będzie ciekawe zdjęcie w albumie.
Zadanie 1. Cień także doceniali i wykorzystywali malarze w swoich dziełach. Uczniowie mogą wyszukać i przedstawić przykłady takich obrazów.
Przykłady obrazów:
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Johannes_Vermeer_(1632-1675)-_The_Girl_With_The_Pearl_Earring(1665).jpg
Bernardo Bellotto zwany Canaletto – Krakowskie Przedmieście w stronę Placu Zamkowego
www.touchofart.eu/Zbigniew-Matysek/imat11-Cien/
Doświadczenie 5. Podczas zajęć możemy przygotować teatrzyk cieni. Wystarczy włączyć lampkę stojącą na biurku, a na tle ściany za pomocą rąk wyczarowywać różne kształty.
Zadanie 2. Który cień jest cieniem zajączka?
Co wpływa na to, że nieraz oprócz cienia na ekranie powstaje półcień?
Doświadczenie 6. Oświetlamy nieprzezroczysty przedmiot dwoma źródłami światła. Podobny efekt można uzyskać gdy zastosujemy jedno, duże źródło światła. Na ekranie widoczny jest także półcień.
Obszar cienia obejmuje punkty, do których w ogóle nie dochodzi światło.
Obszar półcienia oświetlony jest jedynie przez część źródła , przy czym nie ma ostrej granicy między pomiędzy cieniem i półcieniem
Doświadczenie 7. Teraz możemy rozwiązać następny problem. Po której stronie człowiek praworęczny powinien mieć ustawioną na biurku lampkę?
Oczywiście, że po lewej, by ręka nie rzucała cienia na pisany tekst.
Zjawisko zaćmienia Słońca i Księżyca to przykład występowania cienia w przyrodzie.
Całkowite zaćmienie Słońca widziane jest w obszarze cienia, zaćmienie częściowe widzą obserwatorzy znajdujący się w obszarze półcienia. Większość mieszkańców Ziemi nie widzi żadnego zaćmienia.
Zaćmienie Słońca
Natomiast zaćmienia Księżyca następują, gdy Księżyc wchodzi w stożkowaty cień Ziemi. Mogą je obserwować wszyscy mieszkańcy tej części globu ziemskiego, gdzie aktualnie panuje noc.
Zaćmienie Księżyca
Księżyc ma średnicę 400 razy mniejszą od średnicy Słońca, a równocześnie leży 400 razy bliżej nas. Wskutek tego oba te ciała niebieskie widziane z Ziemi wyglądają tak, jakby miały jednakową średnicę. Dzięki temu gdy Księżyc przechodzi dokładnie między Ziemią a Słońcem może je całkowicie zasłonić. Mamy wówczas do czynienia z całkowitym zaćmieniem Słońca. Te zaćmienia to taka zabawa niebieskich ciał w chowanego.
Zdarza się, że Księżyc zasłania tylko część Słońca, powodując tym samym mniejsze lub większe zaćmienie częściowe. Wiedząc, że Księżyc krąży po elipsie wokół Ziemi, obliczono iż odległość Ziemia-Księżyc waha się od 350 000 do 400 000 km. Kiedy Księżyc znajduje się najdalej, jego widoczna średnica jest trochę mniejsza niż średnica Słońca. Tym samym, nawet w czasie idealnego ustawienia na linii prostej, tarcza Księżyca nie może całkowicie przesłonić Słońca. Następuje wówczas zaćmienie obrączkowe, podczas którego widać jasną obręcz Słońca wokół Księżyca!
Podczas całkowitego zaćmienia Słońca można zobaczyć rozświetloną koronę otaczającą gwiazdę.
W przeszłości wykorzystywano niewiedzę ludzi na temat zaćmień do ich zastraszania. Można o tym przeczytać w książce B. Prusa pt. „Faraon” i obejrzeć fragment filmu pt. ”Faraon”
Czy można wykorzystać cień w życiu codziennym?
Zjawisko powstawania cienia wykorzystano w zegarach słonecznych. Pierwszym zegarem słonecznym był gnomon – czyli zwykły kij wbity w ziemię. Ludzie obserwowali jego cień w ciągu całego dnia. Oczywiście tylko w słoneczny dzień!
Dzięki niemu możemy wyznaczyć kierunek północny. Staje się pożytecznym narzędziem do nawigacji.
Doświadczenie 8. Na dużej kartce papieru ułożonej poziomo, rysujemy współśrodkowe okręgi mające stałą różnicę długości promieni. W widocznym miejscu umieszczamy zegar. Doświadczenie trwa od wschodu do zachodu słońca. Oczywiście może być przeprowadzone tylko w słoneczny dzień.
Co godzinę musimy zaznaczać na kartce punkt, który wskazuje koniec cienia rzucanego przez gnomon. Po całym dniu pracy , możemy wreszcie połączyć ze sobą te punkty. Warto zwrócić uwagę na to, że najkrótszy cień wypada w południe. Pamiętajmy, że my mamy czas letni! Wyznaczenie kierunku północ-południe odbywa się poprzez wyznaczenie osi symetrii paraboli powstałej z połączenia zaznaczonych punktów.
Opis doświadczenia jest autorstwa Kingi Janusz (Zespół Szkół Specjalnych nr 3, Kraków) i pochodzi ze strony: www.pl.euhou.net/index.php/wiczenia-mainmenu-13/mierzymy-otaczajcy-nas-wiat-mainmenu-139/72-gnomon-czyli-zegar-soneczny
Doświadczenie 8a. Warto z uczniami wykonać słoneczny kompas. Trzeba tylko dysponować zegarkiem i znać szerokość geograficzną naszego miejsca (na przykład 50° N). W szablonie załączonym w dalszej części artykułu wycinamy dwie szczeliny. Jedną, poziomą z przodu kompasu, na wysokości naszej szerokości geograficznej (50° N). Drugą, pionową z tylu kompasu, przez którą będzie przechodziło światło. Następnie całość składamy go tak jak pokazuje zdjęcie. Kompas ustawiamy w taki sposób, żeby promień światła wpadający przez pionową szczelinę pokazywał odpowiednią godzinę na podstawie kompasu (pamiętajmy, że musimy uwzględnić poprawkę na czas letni!) i przecinała się z odpowiednią linią pokazującą nasze położenie (50° N). Jeśli dokładnie to wykonamy to strzałki narysowane na podstawie pokażą nam kierunek N-S.
Doświadczenie 8b. Możemy także zrobić własny zegar słoneczny, wycinając elementy zamieszczone na szablonie. Na wskazówce zostały naniesione szerokości geograficzne. Opole leży na 50° N. Wskazówkę musimy złożyć na pół i skleić, pozostawiając „skrzydełka” zagięte wzdłuż linii z liczbą 50. Po wycięciu w tarczy szczeliny wkładamy w nią wskazówkę i przyklejamy „skrzydełka” pod tarczą. Teraz wystarczy za pomocą kompasu skierować wskazówkę zegara na północ i odczytać godzinę, patrząc, gdzie pada cień wskazówki na tarczę zegara. Pamiętajmy, że w lecie przechodzimy na czas letni i trzeba to uwzględnić.
Wykonanie łatwiejszej wersji zegara zajmuje ok. 10 minut plus cały dzień obserwacji i znajduje się w książce:
Rożek Tomasz; Nauka to lubię, Wydawnictwo W.A.B., Warszawa 2012, s.174-175
Zadanie 3. Czy wiesz gdzie w Twoim mieście znajdują się zegary słoneczne?
Planując wycieczkę możemy uwzględnić zegary słoneczne znajdujące się w danym mieście, do którego się udajemy. Na pewno też w miejscowości, w której mieszkamy znajdziemy jakieś zegary słoneczne. Uczniowie mogą oprócz fotografii wyszukać informacje na temat ich pochodzenia. Jest to przykład integracji fizyki i astronomii z historią.
Niewidzialni w przyrodzie (Na podstawie artykułu: Wiedza i Życie nr 6, Żywa latarka, 2004)
Które zwierzę, nie rzuca cienia? Tym stworzeniem jest mątwa (Euprymna scolopes). Jest to rodzaj mięczaka żyjący w ciepłych wodach otaczających Hawaje.
Miejsca, które wybiera są inne niż kryjówki jej krewniaczek. Nie lubi morskich głębin. Zazwyczaj można ją znaleźć w wodzie mającej głębokość zaledwie kilku centymetrów. Dzień spędza zakopana w piasku na dnie.
Nocą wyrusza na łowy, a kiedy zauważy smaczną krewetkę unosi się z podłoża okryta piaskowym płaszczem. Pozwala on mątwie wtopić się w otoczenie i skutecznie zaatakować przyszły posiłek. Niestety, wychodząc z ukrycia , głowonóg naraża się na atak drapieżnych ryb. Jednak mątwie udaje się ocalić skórę, bo potrafi być niewidoczna i to wcale nie dzięki oklepanym sztuczkom z maskującym ubarwieniem.
„Niewidzialność” zapewniają mątwie… świecące bakterie, które mieszkają wewnątrz jej ciała. Oświetlając dno morskie, likwidują rzucany cień, który mógłby zdradzić drapieżnikom jej położenie!
Mają swego rodzaju czapkę niewidkę nie rzucającą cienia.
Wersja rozszerzona
(Zespół naukowców pod kierownictwem Wendy J. Crookes doniósł, że oczy, skóra wokół nich oraz narząd świetlny mątwy zawierają twory zbudowane z zupełnie do tej pory nieznanej grupy białek – lusterek. To właśnie dzięki nim mały morski zwierzak potrafi bardzo precyzyjnie kierować światło emitowane przez bakterie. Białek tych nazwanych reflektynami, nie spotykano do tej pory w żadnym innym organizmie.
Reflektyny są bardzo dziwnie zbudowane – cztery stosunkowo rzadkie aminokwasy: tyrozyna, metionina, arginina i tryptofan, budują niemal 60% całego białka Z kolei kilka powszechnych aminokwasów, np. alanina czy leucyna, nie pojawia się w rodzinie reflektyn w ogóle. Białka te działają jak maleńkie lusterka, skupiając i odbijając światło. Naukowcy planują wykorzystać je w nanotechnologii. Obecnie w mikroskopijnych układach bioelektronicznych wykorzystuje się już cząsteczki pochodzenia biologicznego, np. bakteriorodopsynę. Barwnik ów, produkowany przez niektóre drobnoustroje jest wykorzystywany jako czujnik światła Badaniami nad mątwą zainteresowani są lekarze studiujący zjawisko symbiozy zwierząt z bakteriami Mikroorganizmy współżyjące z Euprymna scolopes nie są wprawdzie szkodliwe, ale wiele innych krętków np. Przecinkowiec cholery może wywoływać choroby u ludzi. Wyniki tych badań nie są do pogardzenia także dla wojska – chodzi tu o tą „czapkę niewidkę !” )
Literatura:
[1]. Bułat W., Zjawiska optyczne w przyrodzie, WSiP, Warszawa 1978
[2]. Pieryszkin A.W, Czemakin W.P; Fizyka – zajęcia fakultatywne kurs podstawowy, WSiP, Warszawa 1979
[3]. Hewitt P.; Fizyka wokół nas, Wydawnictwa Naukowe, Warszawa 2000
[4]. Pejčochová,V.: Hračky ve výuce fyziky, Matematika, fyziky, informatika, 2015,č.3, s 206-218
[5]. Raczkowska-Tomczak K.; Zabawy Prosiaczka z cieniem, czyli łamanie praw fizyki w bajkach,
http://www.fizyka.uni.opole.pl/moja_fizyka/numer5/artykuly/prosiaczek.html
[6]. Rożek T.; Nauka to lubię, Wydawnictwo W.A.B., Warszawa 2012, s.174-175
[7]. Współczesny świat w nauce; Świat Książki, Warszawa 2003
[8]. Wiedza i Życie nr 6, Żywa latarka, 2004
Zadanie 2: Drabik M i W; Rozrywkowy łamacz głowy cz.3, Wydawnictwo SKRZAT, Kraków 2009
Zdjęcia:
[1]. Cień i półcień, zaćmienie Słońca i Księżyca: A. Noweta, J. Swiryd; Fizyka wokół nas, podręcznik do gimnazjum, Respolona, 1999, s.20,21,22
[2]. Mątwa: http://www.hawaiisfishes.com/photosales.htm
[3]. Vera Pejcochoa-Bdinkova – (Základní škola, Brno, Novolíšeňská 10) zdjęcie kompasu słonecznego
[4]. Zegary słoneczne:
www.tuwroclaw.com/wiadomosci,zegar-sloneczny-stanal-przy-aquaparku,wia5-3266-4108.html
http://149.156.165.8/weiner/zegary_www/zegarsloneczny/zegar.html
Strony www:
http://adonai.pl/relaks/cienie/ – teatrzyk cieni
http://www.pl.eu-hou.net/index.php/wiczenia-mainmenu-13/mierzymy-otaczajcy-nas-wiat-mainmenu-139/72-gnomon-czyli-zegar-soneczny – opis doświadczenia
www.lakamatravel.com/travel-articles/island-hopping-hawaiian-style Hawaje_mapa
www.wykop.pl/link/2781685/eng-cztery-stworzenia-ktore-swieca-four-creatures-that-glow/ mątwy
www.stare-miasto.com/canaletto.html
Autor: Krystyna Raczkowska-Tomczak
Publikowane:
Raczkowska-Tomczak Krystyna; Biuletyn Polskiego Stowarzyszenia Nauczycieli Przedmiotów Przyrodniczych , „Tajemnice cienia”, Nauczanie Przedmiotów Przyrodniczych, 2/2015, Toruń 2015, s.14-24