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LABORATOIRE SCIENTIFIQUE POUR ENFANTS
Pourquoi le ciel est bleu ?. Laboratoire scientifique pour enfants
Annuaire / Laboratoire scientifique pour enfants Par une journée claire et ensoleillée, le ciel au-dessus de nous semble d’un bleu éclatant. Le soir, le coucher du soleil colore le ciel de rouges, roses et oranges. Pourquoi le ciel est bleu ? Qu'est-ce qui rend un coucher de soleil rouge ? Pour répondre à ces questions, vous devez savoir ce qu'est la lumière et en quoi consiste l'atmosphère terrestre. Atmosphère L'atmosphère est le mélange de gaz et d'autres particules qui entourent la terre. Fondamentalement, l'atmosphère est constituée d'azote gazeux (78 %) et d'oxygène (21 %). Le gaz argon et l'eau (sous forme de vapeur, de gouttelettes et de cristaux de glace) sont les deuxièmes plus abondants dans l'atmosphère, leurs concentrations ne dépassent pas respectivement 0,93 % et 0,001 %. L'atmosphère terrestre contient également de petites quantités d'autres gaz, ainsi que les plus petites particules de poussière, de suie, de cendres, de pollen et de sel qui pénètrent dans l'atmosphère depuis les océans. La composition de l'atmosphère varie dans de petites limites selon le lieu, la météo, etc. La concentration d'eau dans l'atmosphère augmente lors d'orages torrentiels, ainsi qu'à proximité de l'océan. Les volcans sont capables de rejeter d’énormes quantités de cendres dans l’atmosphère. La pollution technologique peut également ajouter divers gaz ou poussières et suies à la composition habituelle de l'atmosphère. La densité atmosphérique à basse altitude, près de la surface de la Terre, est la plus élevée et diminue progressivement avec l'augmentation de l'altitude. Il n’y a pas de frontière nette entre l’atmosphère et l’espace. Les ondes lumineuses La lumière est une forme d’énergie transportée par les vagues. En plus de la lumière, les ondes transportent d’autres types d’énergie. Par exemple, une onde sonore est une vibration de l’air. Une onde lumineuse est une oscillation de champs électriques et magnétiques, cette gamme est appelée spectre électromagnétique. Les ondes électromagnétiques se propagent dans l’espace sans air à une vitesse de 299,792 km/s. La vitesse de propagation de ces ondes est appelée vitesse de la lumière.
L'énergie du rayonnement dépend de la longueur d'onde et de sa fréquence. La longueur d’onde est la distance entre les deux pics (ou creux) les plus proches d’une onde. La fréquence des vagues est le nombre d’oscillations des vagues par seconde. Plus l’onde est longue, plus sa fréquence est basse et moins elle transporte d’énergie. Couleurs de la lumière visible La lumière visible est la partie du spectre électromagnétique que nos yeux peuvent voir. La lumière émise par le Soleil ou une lampe à incandescence peut paraître blanche, mais elle est en réalité un mélange de différentes couleurs. Vous pouvez voir les différentes couleurs du spectre visible de la lumière en le décomposant en ses composants à l’aide d’un prisme. Ce spectre peut également être observé dans le ciel sous la forme d'un arc-en-ciel, dû à la réfraction de la lumière du Soleil dans des gouttelettes d'eau, agissant comme un prisme géant.
Les couleurs du spectre se mélangent et se déplacent continuellement les unes dans les autres. À une extrémité du spectre se trouve le rouge ou l’orange. Ces couleurs se transforment en jaune, vert, bleu, indigo et violet. Les couleurs ont des longueurs d’onde différentes, des fréquences différentes et des énergies différentes. Propagation de la lumière dans l'air La lumière voyage dans l’espace en ligne droite tant qu’il n’y a aucun obstacle sur son chemin. Lorsqu’une onde lumineuse pénètre dans l’atmosphère, la lumière continue de se propager en ligne droite jusqu’à ce que des molécules de poussière ou de gaz se mettent en travers de son chemin. Dans ce cas, ce qui arrive à la lumière dépendra de sa longueur d’onde et de la taille des particules sur son passage. Les particules de poussière et les gouttelettes d’eau sont bien plus grosses que la longueur d’onde de la lumière visible. La lumière est réfléchie dans différentes directions lorsqu’elle entre en collision avec ces grosses particules. Différentes couleurs de lumière visible sont également réfléchies par ces particules. La lumière réfléchie apparaît blanche car elle contient toujours les mêmes couleurs qu’avant d’être réfléchie. Les molécules de gaz sont plus petites que la longueur d'onde de la lumière visible. Si une onde lumineuse les heurte, le résultat de la collision peut être différent. Lorsque la lumière entre en collision avec une molécule de gaz, une partie de celle-ci est absorbée. Un peu plus tard, la molécule commence à émettre de la lumière dans différentes directions. La couleur de la lumière émise est la même que celle qui a été absorbée. Mais les couleurs de différentes longueurs d’onde sont absorbées différemment. Toutes les couleurs peuvent être absorbées, mais les fréquences plus élevées (bleu) sont beaucoup plus absorbées que les fréquences plus basses (rouge). Ce processus est appelé diffusion Rayleigh, du nom du physicien britannique John Rayleigh, qui a découvert ce phénomène de diffusion dans les années 1870. Pourquoi le ciel est bleu? Le ciel est bleu à cause de la diffusion Rayleigh. Lorsque la lumière traverse l’atmosphère, la plupart des grandes longueurs d’onde du spectre optique la traversent sans modification. Seule une petite partie des couleurs rouge, orange et jaune interagit avec l’air. Cependant, de nombreuses longueurs d’onde lumineuses plus courtes sont absorbées par les molécules de gaz. Après absorption, la couleur bleue est émise dans toutes les directions. Il est dispersé partout dans le ciel. Quelle que soit la direction dans laquelle vous regardez, une partie de cette lumière bleue diffusée atteint l’observateur. Puisque la lumière bleue est visible partout au-dessus de nous, le ciel paraît bleu.
Si vous regardez vers l’horizon, le ciel aura une teinte plus pâle. Cela est dû au fait que la lumière parcourt une plus grande distance dans l’atmosphère jusqu’à l’observateur. La lumière diffusée est à nouveau diffusée par l'atmosphère et moins de bleu atteint l'œil de l'observateur. Par conséquent, la couleur du ciel près de l’horizon apparaît plus pâle, voire complètement blanche.
Ciel noir et soleil blanc Depuis la Terre, le Soleil apparaît jaune. Si nous étions dans l’espace ou sur la Lune, le Soleil nous apparaîtrait blanc. Il n’y a pas d’atmosphère dans l’espace qui diffuse la lumière du soleil. Sur Terre, certaines des courtes longueurs d'onde de la lumière solaire (bleue et violette) sont absorbées par diffusion. Le reste du spectre apparaît en jaune. De plus, dans l’espace, le ciel semble sombre ou noir au lieu de bleu. Ceci est le résultat de l’absence d’atmosphère, donc la lumière ne se diffuse d’aucune façon.
Pourquoi le coucher de soleil est-il rouge ? À mesure que le soleil se couche, la lumière du soleil doit parcourir une plus grande distance dans l’atmosphère pour atteindre l’observateur, de sorte qu’une plus grande quantité de lumière solaire est réfléchie et diffusée par l’atmosphère. Puisque moins de lumière directe atteint l’observateur, le Soleil apparaît moins brillant. La couleur du Soleil semble également différente, allant de l'orange au rouge. Cela est dû au fait que davantage de couleurs de longueur d’onde courte, les bleus et les verts, sont dispersées. Seules subsistent les composantes de grande longueur d'onde du spectre optique, qui atteignent les yeux de l'observateur.
Le ciel autour du soleil couchant peut être peint de différentes couleurs. Le ciel est plus beau lorsque l’air contient de nombreuses petites particules de poussière ou d’eau. Ces particules réfléchissent la lumière dans toutes les directions. Dans ce cas, des ondes lumineuses plus courtes sont diffusées. L'observateur voit des rayons lumineux de longueurs d'onde plus longues et le ciel apparaît donc rouge, rose ou orange. En savoir plus sur l'ambiance Qu'est-ce que l'ambiance ? L'atmosphère est un mélange de gaz et d'autres substances qui entourent la Terre, sous la forme d'une fine coque généralement transparente. L'atmosphère est maintenue en place par la gravité terrestre. Les principaux composants de l'atmosphère sont l'azote (78,09 %), l'oxygène (20,95 %), l'argon (0,93 %) et le dioxyde de carbone (0.03 %). L'atmosphère contient également de petites quantités d'eau (à différents endroits sa concentration varie de 0% à 4%), des particules solides, des gaz néon, hélium, méthane, hydrogène, krypton, ozone et xénon. La science qui étudie l'atmosphère s'appelle la météorologie. La vie sur Terre ne serait pas possible sans la présence d’une atmosphère qui fournit l’oxygène dont nous avons besoin pour respirer. De plus, l'atmosphère remplit une autre fonction importante : elle égalise la température sur toute la planète. S'il n'y avait pas d'atmosphère, dans certains endroits de la planète, il pourrait y avoir une chaleur torride, et dans d'autres endroits, il ferait extrêmement froid, la plage de température pourrait aller de -170°C la nuit à + 120°C le jour. L’atmosphère nous protège également des rayonnements nocifs du Soleil et de l’espace, en les absorbant et en les diffusant. De la quantité totale d'énergie solaire atteignant la Terre, environ 30 % est réfléchie par les nuages et la surface terrestre vers l'espace. L'atmosphère absorbe environ 19 % du rayonnement solaire et seulement 51 % est absorbé par la surface de la Terre. L’air a du poids, même si nous ne nous en rendons pas compte et ne ressentons pas la pression de la colonne d’air. Au niveau de la mer, cette pression est d'une atmosphère, soit 760 mmHg (1013 millibars ou 101,3 kPa). À mesure que l’altitude augmente, la pression atmosphérique diminue rapidement. La pression chute d'un facteur 10 tous les 16 km d'altitude. Cela signifie qu'à une pression de 1 atmosphère au niveau de la mer, à une altitude de 16 km, la pression sera de 0,1 atm et à une altitude de 32 km - 0,01 atm. La densité de l'atmosphère dans ses couches les plus basses est de 1,2 kg/m3. Chaque centimètre cube d'air contient environ 2,7 * 1019 molécules. Au niveau du sol, chaque molécule se déplace à environ 1600 5 km/h, tout en entrant en collision avec d’autres molécules à une vitesse de XNUMX milliards de fois par seconde. La densité de l’air diminue également rapidement avec l’altitude. A une hauteur de 3 km, la densité de l'air diminue de 30 %. Les personnes vivant près du niveau de la mer éprouvent des problèmes respiratoires temporaires lorsqu’elles sont élevées à cette altitude. L'altitude la plus élevée à laquelle les gens vivent en permanence est de 4 km. La structure de l'atmosphère L'atmosphère est constituée de différentes couches, la division en ces couches se fait en fonction de leur température, de leur composition moléculaire et de leurs propriétés électriques. Ces couches n'ont pas de limites prononcées, elles changent de façon saisonnière et, de plus, leurs paramètres changent à différentes latitudes.
Séparation de l'atmosphère en couches en fonction de leur composition moléculaire
hétérosphère
Séparation de l'atmosphère en couches en fonction de leurs propriétés électriques Ambiance neutre
Ionosphère
Magnétosphère est la partie supérieure de l'ionosphère, s'étendant jusqu'à environ 70000 XNUMX km, cette hauteur dépend de l'intensité du vent solaire. La magnétosphère nous protège des particules chargées de haute énergie du vent solaire en les maintenant dans le champ magnétique terrestre. Séparation de l'atmosphère en couches en fonction de leurs températures La hauteur de la limite supérieure de la troposphère dépend des saisons et de la latitude. Il s'étend de la surface de la Terre jusqu'à une hauteur d'environ 16 km à l'équateur et jusqu'à une hauteur de 9 km aux pôles Nord et Sud. Le préfixe « tropo » signifie changement. Le changement des paramètres de la troposphère se produit en raison des conditions météorologiques, par exemple en raison du mouvement des fronts atmosphériques. Plus l'altitude augmente, plus la température baisse. L'air chaud monte, puis se refroidit et redescend vers la Terre. Ce processus est appelé convection, il se produit à la suite du mouvement des masses d'air. Les vents de cette couche soufflent principalement verticalement. Cette couche contient plus de molécules que toutes les autres couches combinées. Stratosphère - s'étend approximativement d'une hauteur de 11 km à 50 km.
Mésosphère - s'étend à des altitudes d'environ 100 km.
Exosphère - s'étend sur des centaines de kilomètres au-delà de la thermosphère, passant progressivement dans l'espace.
Expériences avec la lumière La première expérience - décomposition de la lumière en un spectre Pour cette expérience, vous aurez besoin de :
Comment mener une expérience :
Ce qui se passe : L'eau et le miroir agissent comme un prisme, divisant la lumière en son spectre de couleurs. Cela se produit parce que les rayons lumineux passant d’un milieu (l’air) à un autre (l’eau) changent de vitesse et de direction. Ce phénomène est appelé réfraction. Différentes couleurs sont réfractées différemment, les rayons violets sont plus fortement ralentis et changent plus fortement de direction. Les rayons rouges ralentissent et changent de direction dans une moindre mesure. La lumière est divisée en couleurs qui la composent et nous pouvons voir le spectre. Modeler le ciel dans un bocal en verre Matériel nécessaire pour l'expérience :
Réalisation d'une expérience :
Ce qui se passe dans cette expérience, c'est que de petites particules de lait en suspension dans l'eau diffusent la lumière provenant d'une lampe de poche de la même manière que les particules et les molécules présentes dans l'air diffusent la lumière du soleil. Lorsque le verre est éclairé par le haut, l'eau apparaît bleutée car la couleur bleue est dispersée dans toutes les directions. Lorsque vous regardez directement la lumière à travers l’eau, la lampe de poche apparaît rouge, car certains rayons bleus ont été supprimés en raison de la diffusion de la lumière. Mélange de couleurs Vous aurez besoin de:
Comment mener une expérience :
Explication du phénomène observé : les couleurs qui peignent les secteurs du disque sont les principales composantes des couleurs de la lumière blanche. Lorsque le disque tourne assez vite, les couleurs semblent se mélanger et le disque paraît blanc. Essayez d'expérimenter avec d'autres combinaisons de couleurs. Publication : the-mostly.ru
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