«Здравствуйте, ребята! Сегодня у нас необычный урок – мы отправимся в мир света и цвета. Нас ждут маленькие открытия: мы сами сделаем радугу, заглянем в микромир с помощью лазера и даже заставим все цвета смешаться в один!»

«Но для начала давайте подумаем: что вам приходит в голову, когда вы слышите слова “свет” или “цвет”? Какие ассоциации?»

«Верно, многие из нас сразу вспоминают солнечный свет, цвета вокруг нас... Например, одна из самых красивых ассоциаций — радуга на небе после дождя. Как вы думаете, что такое радуга и откуда берутся её цвета?»

«Радуга — это солнечный свет, который разложился на разные цвета, проходя через мелкие капельки дождя. Сегодня мы разберёмся, почему белый солнечный свет может превращаться во все эти яркие цвета. Мы поговорим о том, что свет значит для физики, химии и биологии. Вы узнаете, почему трава зелёная, почему небо голубое, как мы видим цвета и много ли цветов мы не видим. А ещё своими руками проведёте эксперименты: сделаем маленькую радугу в классе, посмотрим на крошечные объекты через лазер и раскрутим «цветной волчок» Ньютона!

Итак, начнём наше путешествие в мир света. Как вы думаете, почему без света мы не видим цвета вообще?»

«Сейчас я направлю луч фонарика на призму.
Как вы думаете, что произойдёт с белым светом?» Дожидаемся версий от учеников.

Наводим луч на призму, чтобы появилась радужная полоса спектра.
Посмотрите, что получилось! Белый свет разложился на цветной спектр – мы видим радужную полосу на экране. Каждый цвет в этой полосе – часть белого света. Наш фонарик излучает белый свет, который, пройдя через призму, распался на семь основных цветов: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий и фиолетовый. То есть белый цвет состоит из всех этих цветов одновременно.

Призма преломляет (сгибает) луч света. Оказалось, что лучи разных цветов преломляются по-разному: одни отклоняются сильнее, другие слабее. Поэтому белый луч распадается на “веер” цветов. Больше всего отклоняется фиолетовый, а красный – меньше всего, поэтому цвета отделяются друг от друга. Это явление называется дисперсией света. Получается, что такое белый свет?

Ожидаем правильную версию от учеников: белый свет – это смесь всех цветов.

Действительно. Ещё сэр Исаак Ньютон в XVII веке впервые показал, что белый солнечный свет можно разложить призмой в спектр, и тем самым доказал, что белый — сложный цвет. Мы с вами сейчас повторили опыт Ньютона. Белый свет содержит все цвета — это важно запомнить.

Например:
«Давайте перечислим цвета, которые мы видим. Какие цвета вы заметили в спектре?»
Дожидаемся перечисление от учеников.

Комментируем: «Отлично. Это цвета видимого спектра. Теперь вы увидели своими глазами маленькую радугу в классе.»

Можно альтернативно показать спектр через отражение от компакт-диска или через зеркало в воде. Принцип объясняется аналогично — белый свет распадается на цвета.

Сами возьмите лазерную указку и направьте луч на каплю, чтобы он проходил через неё. Можно положить лазер на стопку из книжек и самому держать шприц с каплей воды.
Попросите кого-то из учеников выключить свет в комнате и задвинуть шторы.
Направьте лазерный луч через висящую каплю воды на белую стену или экран.
Используем следующие комментарии и вопросы:

«Сейчас мы попробуем сделать простой микроскоп с помощью лазера. У нас есть капля воды, она будет играть роль линзы. Я направляю лазерный луч через каплю на стену... Что вы видите?»

Варианты учеников могут быть следующими: «На стене какие-то точки, пятнышки... они двигаются!»

Прокомментируйте:
«Да, на экране появились светящиеся точки, некоторые из них колеблются. Каждая такая точка – это очень маленькая частица в воде, через которую проходит луч. Капля воды действует как увеличивающая линза: она преломляет лазерный луч и проецирует изображение содержимого капли на стену. Мы как будто смотрим на микромир воды.»
Если использовалась вода из пруда, из аквариума или застоявшаяся вода с зелёным налетом, можно сказать, что, возможно, некоторые движущиеся точки – это микроскопические живые организмы.

Но необходимо уточнить:
«Конечно, наш “лазерный микроскоп” — довольно примитивное изобретение. Капля увеличивает недостаточно сильно. Тем не менее, сам принцип понятен: луч света, проходя через маленькую прозрачную линзу (каплю), позволяет увидеть то, что невидимо невооружённым глазом. Настоящие микроскопы устроены сложнее, но идея та же – использовать линзы, чтобы получить увеличенное изображение микрообъектов.»

«Мы провели три опыта и увидели много интересного. Давайте теперь разберёмся, что стоит за этими явлениями. Начнём с физики света – то есть с природы самого света и цвета.»

«Как мы выяснили, белый свет содержит все цвета видимого спектра. Свет – это электромагнитные волны. Разные цвета – это просто свет разных длин волн. Например, фиолетовый цвет имеет самую короткую длину волны (~400 нм), а красный – самую длинную (~700 нм). Наш глаз воспринимает волны в диапазоне примерно от 390 до 750 нм – это видимый спектр, от фиолетового до красного. Свет с длиной волны короче фиолетового называется ультрафиолетовым (УФ), а длиннее красного – инфракрасным (ИК); их люди глазом не видят.

Почему же призма разложила свет? Из-за явления дисперсии: показатель преломления стекла немного разный для разных длин волн. Проще говоря, лучи разных цветов преломляются по-разному, поэтому они расходятся и мы видим спектр. В нашем первом эксперименте мы сами это наблюдали.

Исаак Ньютон первым подробно изучил спектр. Он пропускал солнечный луч через призму и получил на стене вытянутый спектр – “искусственную радугу”. Он увидел, что белый свет превращается в спектр цветов: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый. Затем Ньютон провёл обратный опыт: собрал спектральные цвета снова в белый с помощью второй призмы. Так он доказал, что цвета уже содержатся в белом свете, а призма лишь разделяет их, не “окрашивая” свет сама по себе. Раньше люди думали, будто стекло призмы как-то красит свет, но Ньютон показал, что это не так.»

(При необходимости можно упомянуть, что радуга на небе возникает по тому же принципу – из-за преломления и отражения солнечного света в каплях дождя.)

«Мы также с помощью диска Ньютона убедились, что если смешать все цвета радуги, получится белый (или близкий к белому) цвет. Это называется аддитивное смешение. Мониторы и телефоны работают по этому принципу: складывают излучения трёх основных цветов (красного, зелёного, синего — Red Green Blue ) и могут таким образом воспроизводить много разных цветов. Если все три горят на полную мощность — вы видите белый цвет на экране.

Таким образом, с физической точки зрения цвет – это характеристика света, связанная с длиной волны. Свет бывает не только видимый: есть ультрафиолет (короче фиолетового) и инфракрасный (длиннее красного). Мы их не видим, но можем ощущать: инфракрасный – как тепло (нагретые предметы излучают ИК-лучи, которые чувствуются кожей), а ультрафиолет мы не чувствуем напрямую, но он может вызывать загар и ожоги на коже.»

«Хорошо, со светом разобрались. А почему разные предметы – скажем, яблоко, лист дерева или краски – имеют разные цвета? Например, почему трава зелёная, а яблоко может быть красным?»

«Цвет объекта определяется тем, какой свет он отражает, а какой поглощает. Белый свет падает на объект, и если объект, например, красный – это значит, что он отразил красные лучи, а остальные поглотил. Красное яблоко кажется красным именно потому, что поглощает все цвета, кроме красного, и отражает только красный свет. Наш глаз улавливает этот отражённый красный свет – мы видим “красное яблоко”.

Другой пример – листья растений. Почему они зелёные? В них содержится пигмент хлорофилл. Он поглощает главным образом синий и красный свет для фотосинтеза, а зелёный свет поглощается хуже всего. Зеленые лучи отражаются от листьев – вот почему до нас доходит именно зелёный цвет.

Таким образом, химия цвета – это про то, что каждое вещество имеет свои особенности поглощения света. Например, медный купорос окрашен в синий, потому что его молекулы поглощают другие части спектра, а отражают и пропускают синий. Морская вода в глубоких слоях кажется синей/голубой, отчасти потому, что вода поглощает красные лучи, а синие проходят глубже. Словом, чтобы понять цвет предмета, надо спросить: какой свет он посылает в глаз? Именно отражённый или проходящий через объект свет определяет его цвет.

Химики также изучают, как вещества могут испускать свет. Например, неоновые лампы светятся разными цветами в зависимости от газа: неон даёт оранжево-красный свет, ртутные лампы – голубоватый, натрий – жёлтый. Это потому, что атомы этих элементов при возбуждении излучают определённые длины волн (это уже квантовая природа света, углубляться не будем). Главное – запомнить: цвет предмета определяется свойствами вещества – какие длины волн оно поглощает, а какие отражает или излучает.»

«Теперь переходим к биологии: как мы видим все эти цвета. У нас есть замечательный “прибор” – глаза. Сетчатка глаза состоит из светочувствительных клеток. Есть палочки – они очень чувствительные, но не различают цвета (только свет и тьму). А есть колбочки – они отвечают за цветное зрение, но работают хорошо при ярком свете. Поэтому в сумерках мы почти не различаем цветов – когда темно, работают только палочки.

Колбочек в глазу человека три типа, и каждый тип настроен на свой диапазон длин волн: “синий” (короткие волны), “зелёный” (средние) и “красный” (длинные волны). Их ещё называют S, M, L – от английского short, medium, long. Именно поэтому для воспроизведения цветов достаточно три основных цвета (RGB) – потому что у нас три типа цветовых рецепторов. Когда свет попадает в глаз, каждый из трёх видов колбочек посылает сигнал в мозг в зависимости от интенсивности определённого диапазона волн. Мозг комбинирует эти сигналы и «собирает» конечный цветовой образ. Например, если сильно возбуждаются “красные” и “зелёные” колбочки, а “синие” нет – мы видим жёлтый цвет. Если все три типа возбуждаются примерно одинаково – мы видим белый или сероватый цвет, если не возбуждается никакой – чёрный (отсутствие света). Так формируется наше цветовое зрение.

Интересно, что не у всех живых существ зрение устроено так же. (Слайд: как животные видят) У многих млекопитающих, например, у собак, всего два типа колбочек – они дальтоники по сравнению с нами, не различают некоторые цвета так, как мы. Зато некоторые птицы и насекомые видят ультрафиолетовый свет, которого мы не видим. Например, пчёлы могут видеть узоры на цветах, которые невидимы человеку, – эти узоры отражают УФ-лучи и указывают насекомым, где нектар. Для пчел цветок выглядит иначе, у него как бы есть “секретные” отметки ультрафиолетом!

Некоторые животные не различают красный цвет – кстати, та же пчела не видит красный (для неё цветок, который мы видим красным, выглядит чёрным или другим тоном), зато ультрафиолет она видит. Змеи (например, питоны, гадюки) не различают многие цвета, но могут через специальные органы чувствовать инфракрасное излучение – по сути, “видеть тепло” от тёплокровных животных, что помогает им охотиться в темноте.

А ещё в природе есть существа с просто фантастическим зрением. Например, рачки-богомолы имеют до 12 типов фоторецепторов – представляете, их цветовой мир гораздо богаче нашего! (Правда, ученые до конца не уверены, как именно мозг богомола обрабатывает их сигналы.) Но такой пример показывает, насколько по-разному эволюция развила цветовое зрение у разных видов.

И наконец, биология знает примеры, когда живые существа сами излучают свет. Например, светлячки – это жуки, которые испускают зеленоватый свет в тёмное время. У них происходит химическая реакция (биолюминесценция): вещество люциферин окисляется ферментом люциферазой, и в результате выделяется квант света. Таким образом, в теле живого организма протекает химический процесс, который даёт свет! Другие примеры – глубоководные рыбы с “фонариками”, светящиеся медузы, некоторые грибы и бактерии тоже могут светиться. Это удивительное сочетание биологии и химии света.»

«Давайте сопоставим наши эксперименты с этими объяснениями:

• Призма и спектр: мы убедились, что белый свет – смесь цветов, а физика объясняет это разной длиной волны и показателем преломления.

• Лазерный микроскоп: он показал, как свет помогает видеть невидимое. Кстати, этот опыт напоминает метод, который учёные использовали в XIX веке: первые проекции микробов на экран. Сегодня, конечно, используют сложные микроскопы и даже лазерные сканирующие микроскопы, но принцип действия линзы мы проверили.

• Диск Ньютона: мы подтвердили, что восприятие цвета зависит от свойств глаза: за счёт инерции зрения наши рецепторы и мозг сливают быстрые цветовые вспышки в одно впечатление. Это явление – персистенция зрения (инерция зрительного восприятия). Благодаря этому работают кино и мультфильмы (быстрая смена кадров даёт иллюзию непрерывного движения) и смешение цветов на диске даёт белый цвет.

Также мы узнали, почему предметы имеют цвет – с точки зрения химии (разные вещества — пигменты — и выборочное поглощение/отражение света). Например, теперь мы можем объяснить, почему яблоко красное или почему небо голубое.

Ах да, почему же небо голубое, кстати? Кто догадается, опираясь на наши знания о свете?»

«Небо голубое из-за рассеяния лучей солнца в атмосфере. Воздух состоит из мельчайших частиц (молекул), которые рассеивают свет. Короткие волны (синий, фиолетовый) рассеиваются сильнее, чем длинные (красный). Поэтому дневное небо, куда бы мы ни посмотрели, освещается рассеянным синим светом со всех сторон – оно кажется голубым. А солнце, когда низко на горизонте, наоборот краснеет – потому что синие лучи по пути к нам раскидываются во все стороны, и до глаз доходит преимущественно красный. Отсюда красивые красные закаты.»

Наш мир очень разноцветный, и теперь вы знаете, как тесно переплетены физика (волны, преломление, рассеяние), химия (поглощение света веществами) и биология (зрение), когда речь о таком явлении, как свет!»

«Если у нас есть ещё несколько минут, я расскажу пару интересных фактов о свете и цвете, которые выходят за рамки основ:

• Как я упоминал, есть ультрафиолет и инфракрасный свет. Люди их не видят, но могут ощущать по-другому (например, инфракрасный свет как тепло). Некоторые цветы для нас однотонные, а для насекомых имеют контрастный «рисунок» в ультрафиолете! С другой стороны, многие животные плохо различают красный цвет – например, быки на корриде реагируют не на красный цвет плаща (они его видят как серый), а на движение.

• Биолюминесценция вокруг нас: мы уже упоминали светлячков. Химики научились использовать гены светлячков – например, вводить ген люциферазы в культуры клеток, чтобы те светились и можно было отслеживать определённые процессы. А еще существуют специальные растворы – хемилюминесцентные, например светящиеся палочки (химические фонарики), которые светятся без электричества за счёт реакции (похожей на биолюминесценцию, но вне организма).

• Современные исследования света: физика света – очень актуальная область. Лазеры сейчас используются повсюду: в медицине (лазерные операции на глаз, например), в технике (лазерные дальномеры, резка металлов), в коммуникациях (оптоволокно передаёт информацию световыми импульсами). Учёные создают новые источники света – например, светодиоды (LED) почти вытеснили лампы накаливания. А в биологии недавно разработали методику оптогенетики – с помощью световых импульсов можно “включать” или “выключать” гены или отдельные нейроны мозга у подопытных животных, чтобы изучать работу мозга.

Теперь подведём итоги и проведём небольшую самооценку. Давайте ответим на несколько вопросов:

• «Что нового вы узнали сегодня?» – Каждый может назвать 1 факт или идею, которые ему запомнились. Например: белый свет – это смесь цветов, у человека три типа колбочек в глазах, можно сделать простейший микроскоп из лазера и капли, и т.д.

• «Какой эксперимент вам больше всего понравился?» – Пусть учащиеся поделятся впечатлениями, какой из трёх опытов их удивил или порадовал сильнее всего, и почему.

• «Какой вопрос про свет и цвет вам было бы интересно исследовать дальше?» – Это помогает понять, что особенно заинтересовало. Например, почему хамелеон меняет цвет, как делают лазеры, можно ли увидеть ультрафиолет, и т.д. наставник может кратко прокомментировать ответы, поощряя любопытство.

• «Могли бы вы теперь объяснить эту тему другому человеку?

Представьте, что дома вас спросят: о чём был урок? Попробуйте в двух-трёх предложениях объяснить, почему свет и цвет – это и физика, и химия, и биология. Что бы вы сказали?»
Учащиеся формулируют, например, «Я бы рассказал, что цвет – это свойство света, белый свет состоит из цветов, а предметы кажутся цветными из-за того, как отражают свет, и что у нас в глазах есть рецепторы трёх видов для цветов». Таким образом, они проговаривают ключевые моменты своими словами.

«Если вам понравились сегодняшние опыты, вот вам идея, что можно попробовать дома (конечно, с разрешения родителей!).»

Эксперимент: «Радуга дома» – создание радуги с помощью зеркала и воды.

При правильном положении на бумаге должна появиться радужная полоса. Белый свет фонарика, отражаясь от зеркала и проходя через воду, разлагается на составные цвета – получается небольшая радуга у вас в комнате!

«Когда будете делать этот опыт, подвигайте зеркальце под разными углами – радуга может менять своё положение и размер. Попробуйте провести “радугой” по листу. Таким образом вы дома своими руками повторите опыт с призмой, только роль призмы выполняют вода и зеркало.»