X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
УЧЕБНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕМАТИЧЕСКИХ И ХОЛЕСТЕРИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ, НАХОДЯЩИХСЯ В ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ФАЗЕ
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Необычное сочетание слов «жидкие кристаллы» многим учащимся ассоциируют с понятиями жидкокристаллические экраны телевизионных приемников, мониторы портативных компьютеров, экраны планшетов, телефонов и многих других современных электронных бытовых приборов. В настоящее время развитие ряда отраслей науки и техники немыслимы без развития исследований в области жидких кристаллов.
Несмотря на то, что жидкие кристаллы не так давно отметили столетие со дня их открытия, в школьных учебниках физики и химии имеются только некоторые упоминания об этих удивительных веществах, удачно сочетающих анизотропные свойства кристаллов и текучие свойства жидкостей. В школьных курсах физики и химии, в сети Интернет отсутствует описание учебных опытов, обеспечивающих на уроках физики доказательного и эффектного учебного эксперимента, раскрывающего сущность явлений, связанных с физическими свойствами жидких кристаллов.
Проблема исследования заключается в преодолении следующих противоречий:
между широким внедрением жидких кристаллов в разнообразную бытовую электронику и отсутствием учебного познавательного материала в школьном курсе физики;
между необходимостью обеспечения учебного процесса современными поучительными, простыми и эффектными опытами и отсутствием учебного эксперимента по изучению жидких кристаллов.
Сформулированные противоречия определяют актуальность данного исследования, которая обусловлена:
- требованиями Государственного стандарта образования по физике [14] по развитию интеллектуальных и творческих способностей учащихся при выполнении экспериментальных исследований с использованием информационных технологий;
- требованиями ФГОС по проектной учебно-исследовательской деятельности,
как обязательного компонента учебного процесса школы;
- отсутствием учебно-экспериментальной базы для изучения основных физических свойств жидкокристаллических веществ в школьных физических кабинетах;
- овладением умениями проводить наблюдения, планировать и выполнять эксперименты с жидкими кристаллами;
- применением полученных знаний для объяснения работы приборов с ЖК.
Объект исследования: учебный физический эксперимент по исследованию физических свойств жидкокристаллических веществ в средней общеобразовательной школе.
Предмет исследования: учебное исследование физических свойств нематических и холестерических жидких кристаллов.
Цельисследования:созданиесистемыучебныхопытовснематическимиихолестерическимижидкимикристаллами,обеспечивающиеэкспериментальноеподтверждениеанизотропиифизическихсвойств,какосновнойособенностижидкокристаллическихвеществ.
Анализируя информацию из учебников, дидактических материалов, а также методических работ, посвященных жидким кристаллам, дал нам совокупность фактов, которые позволили понять сущность физических явлений происходящих в жидких кристаллах и сформулировать гипотезу исследования.
Гипотеза исследования: Если разработать простой и доступный учебный измерительный комплекс с применением современных компьютерных технологий, то это обеспечит возможность исследования физических свойств жидких кристаллов, так как 1) в учебном эксперименте будут использованы современные цифровые ресурсы; 2) самостоятельное изготовление приборов будет способствовать дальнейшему пополнению знаний в области жидких кристаллов; 3) учебный эксперимент с жидкими кристаллами будет дополнен поучительными, эффектными и интересными опытами.
Сформулированная гипотеза определяет следующие задачи исследования.
Проанализировать современное состояние изучения жидких кристаллов в школе. Изучить научно-популярную и методическую литературу, посвященных учебному физическому эксперименту с жидкими кристаллами.
Разработать учебные опыты по идентификации имеющихся жидких кристаллов к известному типу.
Разработать доступные конструкции и технологии изготовления учебных приборов для изучения жидких кристаллов.
Применялись следующие методы исследования. Теоретические: 1) научной, методической, учебной литературы по изучаемой проблеме; экспериментальные: 2) опытно-конструкторская работа по созданию новых учебных приборов и экспериментальных установок; 3) внедрение результатов исследования в учебный процесс средней школы.
Автором разработаны электрооптическая ячейка и цифровой микроскоп для исследований электрооптических явлений с жидким кристаллом и получены фотографии. Собрана экспериментальная установка для исследования селективного отражения света от полимерной пленки с использованием лазеров, разработана программа для микроконтроллерной платы ArduinoUNO, получены графики в электронной таблице Excel и проведен их анализ. Результаты научной деятельности по избранной теме представлены на XLI, XLII Республиканской научно-практической конференции «Юность – науке и технике» в г. Ижевск в 2019 – 2020 годах в докладах «Учебное исследование электрооптических явлений в нематических жидкокристаллических фазах», «Учебное исследование селективного отражения света холестерическим жидким кристаллом, капсулированным в тонкой полимерной пленке». Работы представлены на районных научно-практических конференциях среди школьников и на районных методических объединениях учителей физики.
Глава 1. ФАКТИЧЕСКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ИЗУЧЕНИЯ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ В ШКОЛЕ
В учебном пособии «Информатика» [18, c.21] словосочетание «жидкий кристалл» ассоциирует с понятиями – плоский монитор, компактность и отсутствие излучения. В учебнике по физике для 10 класса [13, c. 211 - 212] дается словесный «портрет» жидким кристаллам нематической фазы, о существовании которой школьник не имеет ни какой информации. В учебнике по химии для 11 класса [5, c. 142 - 143] учащимся представлена структурная формула сравнительно простой молекулы типичного жидкого кристалла. Учащиеся узнают, что «жидкие кристаллы — это органические молекулы большой длины и сложной структуры, располагающиеся параллельно друг другу». Эти вещества обладают текучестью, как обычные жидкости, и в то же время их оптические свойства похожи на свойства кристаллов, они способны поляризовать, рассеивать и преломлять свет. Под действием света, тепла, слабого электрического поля изменяется их ориентационный порядок.
Учебному исследованию жидких кристаллов посвящены пособия для учащихся В. Д. Белиловского [1], В. А. Белякова [2], С. А. Пикина и Л. М. Блинова [15]. Авторы книг уделяют особое внимание описанию строения, их удивительных физических свойств и применение в различных областях современной техники (электронике, голографии), медицине и биологии. В методической литературе авторы статей посвятили свои работы учебным исследованиям жидких кристаллов. Так, например, А. А. Зарудний в статье «Изучение жидкокристаллического индикатора» предлагает индивидуальные и демонстрационные опыты с жидкокристаллическими индикаторами бытовой техники. Эксперименты позволяют обратить внимание учащихся на жидкие кристаллы и их свойства [8]. Применение жидкокристаллического индикатора в демонстрационном и учебном эксперименте с описаниями учебных опытов рассмотрено в статье Ю. Т. Коврижных «Использование жидкокристаллических индикаторов в учебном физическом эксперименте при изучении поляризации света» [9]. А. А. Сабирзянов предлагает использование исправного или списанного ЖК-монитора в опытах по поляризации света [17].
Анализ перечисленных работ позволяет сделать вывод, что предлагаемые авторами опыты для учебного эксперимента применяются как элементы, проявляющие различные поляризационные эффекты с использованием жидких кристаллов. Очевидно, что эти эксперименты не позволяют сделать вывод об этих веществах как о кристаллах, поскольку в них не подтверждаются их основные свойства, например, анизотропность (оптическая и электрическая, проявляющаяся в электрооптических явлениях в кристаллах), двойного лучепреломления, в пространственной упорядоченности в расположении молекул.
Демонстрация возникающих электрооптических явлений рассмотрена в статье Г. Т. Горбунова «К изучению жидкокристаллического состояния вещества» [6]. Здесь рассматривается демонстрация фазовых превращений жидкокристаллического состояния на примере органического соединения, сокращенно называемое МББА. Также затрагивается демонстрация электрооптического явления (динамического рассеяния света) в жидком кристалле. Автор предлагает демонстрационные опыты с использованием оборудования фабричного изготовления [6], которого в школах нет. Изучение электрических и оптических свойств нематического жидкокристаллического вещества планарной текстуры в учебном эксперименте рассмотрено в статье «Экспериментируем с жидкими кристаллами» [12]. Здесь авторы описывают изготовление в школьных условиях из подручных средств электрооптической ячейки и серии опытов с ней, а также явление селективного отражение света молекулами холестерических жидких кристаллов. Но в то же времяавторами не достаточно было уделено внимания на учебное исследование селективного отражения света холестерическим жидким кристаллом.
Таким образомнами установлено, что в учебной литературе для общеобразовательных школ нет системы учебных экспериментов, которые бы даливозможность учащимся изучить основные свойства сравнительно простых и доступных жидких кристаллов.
Глава 2. УЧЕБНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ
Научное познание осуществляется в экспериментальном цикле, который можно представить так: условия (имеющаяся информация из литературы, образцы жидких кристаллов) —> результат (разработка доступных конструкций приборов, постановка серии учебных экспериментов) — анализ (сравнение полученных результатов с известными, по описаниям в учебной и научной литературе) [16]. Конечным пунктом выполненного нами исследования явилась разработанная серия доступных учебных экспериментов с жидкими кристаллами.
§ 1. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕМАТИЧЕСКИХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ
Определение типа жидкокристаллической фазы исследуемого вещества
Исследование неизвестного соединения проведем в следующей последовательности. Переведем исследуемое вещество в кристаллическое состояние при его охлаждении, например, в бытовом холодильнике. Температура кристаллизации оказалось примерно равным -120С, рис. 1, а. После полной кристаллизации вещество из холодильной камеры переводят в помещение комнатной температуры. При повышении температурыкристаллическое вещество испытывает первый фазовый переход первого рода, переходя из твердого состояния в мутный расплав, рис. 1, б. Осветим вещество лучом зеленого лазера, при этом наблюдается сильное рассеяние падающего излучения, рис. 2, а. Дальнейшее нагревание (примерно до + 380С) приводит к «просветлению» расплава (рис. 1, в) (наблюдается второй фазовый переход первого рода), и луч лазера распространяется внутри вещества, испытывая незначительное рассеяние, рис.2, б. При охлаждении жидкости все превращения происходят в обратном порядке и точно при тех же температурах.
Мутный расплав, который предположительно представляет собой жидкокристаллическую фазу, по своим свойствам существенно отличается от жидкостей, хотя обладает наиболее характерным свойством жидкости — текучестью. Наиболее резкое отличие жидкокристаллической фазы от обычной жидкости проявляется в ее оптических свойствах, аналогично обычным кристаллам. Это различие обусловлено оптической анизотропией жидкокристаллической фазы, которая приводит к двойному лучепреломлению и как следствие, к явлению вращения плоскости поляризации падающего поляризованного света и его интерференции [10, с. 380 - 399].
Оптическую анизотропность исследуемого вещества можно подтвердить следующим экспериментом. Готовят поляризационный микроскоп [10; 20, с. 421], в котором плоскости поляризации двух поляроидов устанавливают перпендикулярно, рис. 3. К тубусу микроскопа устанавливают цифровой фотоаппарат. Каплю исследуемого вещества наносят на предметное стекло и накрывают вторым таким же стеклом. Подготовленные стеклянные пластины осторожно разогревают над пламенем спиртовки до появления прозрачной жидкости и размещают на предметный столик микроскопа. Наблюдения показывают, что освещенность поля в этом случае не изменяется, следовательно, вещество находится в изотропном состоянии. По мере охлаждения вещество приобретает мутный оттенок и в поле зрения микроскопа появляется разноцветная текстура, которая постоянно изменяется, рис. 4.Образование разноцветного рисунка объясняется интерференцией поляризованных лучей света [10; 20, с. 223 - 224], следовательно, вещество находится в анизотропном состоянии.
Каплю исследуемого вещества, находящегося в жидкостно-кристаллической фазе, помещают на предметное стекло и наблюдают с помощью микроскопа в поляризованном свете. При этом наблюдается удивительная текстура капли изрезанная линиями, схожие на нити, рис. 5. Наблюдаемые нити – это разрывы оптической непрерывности в тонком слое жидкого кристалла, наблюдаемые с помощью оптического поляризационного микроскопа. При нагревании стеклянной пластины нити исчезают, а при охлаждении вновь появляются. Нитевидная структура характерна для данного жидкого кристалла.
Электрооптика нематиков и динамическое рассеяние света. Изготовление электрооптической ячейки
Исследование анизотропии электрических свойств жидкого кристалламожно осуществить на основе электрооптического эффекта динамического рассеяния света. Механизм возникновения электрооптического эффекта динамического рассеяния света в электрооптической ячейке на доменах Капустина – Вильямса подробно рассмотрено в литературе [1; 2; 3, c.78].
Чтобы получить электрооптические эффекты с жидким кристаллом, необходимо изготовить электрооптическую ячейку. Технология сборки электрооптической ячейкиподробно описана в методическом пособии [1, с. 90 - 94], но изготовить ее в школьных условиях достаточно сложно, поскольку в школе нет нужных химических реактивов и оборудования. Нами разработана более упрощенная технология изготовления ячейки, с которой можно получить аналогичный результат [12, с. 21 - 35]. Опыт работы изготовления прозрачных электродов из зеркал по предложенной технологии не всегда дает положительные результаты. Вероятно, это связано с качеством покрытия отражающей поверхности зеркал. Поэтому нами был опробован вариант изготовления ячеек из стекол жидкокристаллических символьных индикаторов от вышедших из строя бытовой аппаратуры - калькуляторов, часов, с большими сегментами символов. Качество полученных электродов выше по сравнению с зеркалами.
Процесс изготовления может быть следующим. Вынимают жидкокристаллический индикатор с устройства, с передней и тыльной стороны аккуратно удаляют поляризационные пленки. Пластины индикатора осторожно разъединяют, затем удаляют следы клея и жидкого кристалла. Если посмотреть поверхность стекла в отраженном свете, то можно разглядеть дорожки прозрачных электродов. Выбирают на поверхности стеклянных пластин участки с наибольшей площадью прозрачных электродов и с помощью стеклореза вырезают эти участки нужных размеров. С помощью приготовленной токопроводящей пасты [12, с. 21 - 35] тонкий луженный в оловянном припое медный проводник склеивается к прозрачному электроду, и выжидают полного высыхания клеевой консистенции. Технология сборки электрооптической ячейки изображена на рис. 6 а, б. Внутренний зазор между пластинами устанавливается с помощью полиэтиленовой пленки от «файлов» толщиной 25 мкм.
Постановка эксперимента динамического рассеяния света жидким кристаллом
На предметный столик микроскопа кладут электрооптическую ячейку и подключают к выходу «600 Ом» школьного звукового генератора ГЗМ через резистор сопротивлением 3 МОм. Частоту переменного напряжения устанавливают примерно 20 Гц. Плавно увеличивая амплитуду выходного напряжения генератора через окуляр микроскопа наблюдают за образованием доменов Капустина - Вильямса, рис. 7. Наблюдаемое явление называется динамическим рассеянием света на образующихся в жидком кристалле доменах Капустина-Вильямса. Дальнейшее увеличение напряжения вызывает турбулентное движение жидкости, которое сопровождается разрушением доменов и возникновением вихрей, что приводит сильному светорассеянию, рис. 8. Образование доменов Капустина-Вильямса и динамическое светорассеяние на доменах наглядно представлено в видеоприложении [22, 23]. Значительное увеличение амплитуды переменного напряжения приводит к разложению молекул из-за электролиза при протекании значительного тока и при снятии напряжения жидкое вещество теряет свойства жидкокристаллической фазы.
На размеры доменов сильное влияние оказывает толщина жидкокристаллического вещества. С увеличением толщины размеры доменов уменьшаются. В ходе проведенных экспериментов какое-либо действие магнитного поля на электрооптический эффект не обнаружен.
КРАТКИЕ ВЫВОДЫ
Исследуемое жидкокристаллическое вещество относится к термотропному типу и при изменении температуры претерпевает два фазовых превращения первого рода.
Жидкая мутная фаза обладает оптической анизотропией, характерной для кристаллов.
Ориентация молекул вещества хаотичным образом изменяется областями, что приводит скачкообразному изменению показателя преломления и граница перехода в поляризованном свете проявляется в виде «нитей».
Электрическое поле электрооптической ячейки, вследствие анизотропии электропроводности, приводит к динамическому рассеянию света, вызванное движением жидкокристаллического вещества.
Размер доменов зависит от толщины зазора между электродами и приложенного напряжения.
Сделанные выводы полностью согласуются со свойствами нематической фазы жидких кристаллов. Следовательно, наблюдаемая жидкокристаллическая фаза (мутная фаза) называется нематической или просто нематиком [2, с. 17].
Таким образом, исследуемый нами жидкий кристалл относится к нематическому типу.
§2.ИССЛЕДОВАНИЕХОЛЕСТЕРИЧЕСКИХЖИДКИХ
КРИСТАЛЛОВ
Холестерические жидкие кристаллы – это жидкие кристаллы, обладающие свойством спиральности [7, 11]. От шага спирали зависит длина отражаемой структурой волны – капля холестерика может мгновенно поменять свой цвет, напоминая при этом кожный покров хамелеона. Используя высокую чувствительность некоторых холестерических жидких кристаллов к температуре, можно с их помощью визуализировать картину распределения температуры человеческого тела. Для этих целей, например, используются холестерики, капсулированные в тонкие полимерные пленки. Это – пленки, в объеме которых имеется множество маленьких полостей (диаметром 1 – 10 мкм), заполненных холестерическим жидким кристаллом [3, 4]. Характерной особенностью холестерических жидких кристаллов является их избирательная отражательная способность падающего на них светового потока [1, 2, 7]. Селективная отражательная способность определенной длины световой волны зависит от многих физических факторов, таких как температура, давление, радиоактивное излучение и так далее. Существуют устроенные на таком принципе медицинские термометры. Некоторые из этих термометров представлены на рис. 9.
Из числа представленных термометров особо выделяется образец 9, г (температурный индикатор быстрого действия FEVERTEST). Данный термометр характеризуется насыщенными цветами свечения символов. Термометр представляет собой прозрачную полимерную пленку с капсулированным в нем жидкокристаллическим веществом в виде букв N и F. Каждая буква содержит жидкий кристалл с различной температурной границей интервала существования жидкокристаллической фазы. Так, например, капсулированный жидкий кристалл буквы N, имеет нижнюю температурную границу существования жидкокристаллической фазы совпадающей с нормальной температурой кожного покрова рук человека. Поэтому, нагреваясь при соприкосновении пленки с руками до температуры кожного покрова, капсулированное вещество оказывается в жидкокристаллической фазе и придает яркую изменяющуюся окраску пленки, рис. 10. Жидкий кристалл, размещенный в букве F, имеет нижнюю температурную границу существования жидкокристаллической фазы выше нормальной температуры кожного покрова. Наблюдения, проведенные с термометром, дают предположение о наличии в пленке холестерического жидкого кристалла.
При освещении холестерической пленки белым светом, имеющей температуру t1, максимум отраженного излучения будет приходиться на длину волны λ1, а при температуре t2 на длину волны λ2. Для того, чтобы прибор мог зафиксировать избирательную отражательную способность холестерика в определенной области спектра световых волн, можно воспользоваться лазерным диодом, так как его излучение характеризуется узким спектром. Длина волны излучения лазера может быть определена дифракционной решеткой, температура термоэлектрическим преобразователем, а максимальное отражение излучения от пленки с холестериком можно фиксировать фотометрическим датчиком. Поскольку исследуемые процессы протекают достаточно быстро и в узком температурном интервале, требуется автоматизировать эксперимент с помощью компьютера и микроконтроллера.
Таким образом, объектом нашего исследования является жидкокристаллическое вещество, предположительно холестерической фазы, а предметом исследования – полимерная пленка медицинского термометра с капсулированным жидким кристаллом. Целью данной работы явилось создание компьютерного измерительного комплекса на базе микроконтроллерной платы Arduino UNOR3 для выполнения учебного эксперимента по исследованию селективного отражения полимерной пленки с капсулированным в нем жидкокристаллическим веществом.
2.1. Функциональная схема экспериментальной установки
На рис. 11 представлена функциональная схема установки, обеспечивающая экспериментальное доказательство существования селективного отражения света полимерной пленкой с капсулированным жидким кристаллом. Общая схема установки представлена на рис. 12. В качестве источника света, освещающий поверхность пленки 1, применяются лазерные указки 2 с длинами волн излучения, соответствующие красному, зеленому и синему цвету.
Поскольку весь видимый спектр отражаемых лучей жидким кристаллом происходит в узком температурном интервале (примерно от 27 0С до 37 0С), то необходим нагреватель с плавным и регулируемым изменением температуры.
Равномерный и плавный нагрев полимерной пленки с жидким кристаллом производится с помощью термоэлектрического модуля (ТЭМ) 3, работающего как элемент Пельтье. Термоэлектрический модуль запитывается от регулируемого источника тока, выходное напряжение которого устанавливается с помощью цифроаналогового преобразователя (ЦАП) [19]. Управление ЦАП производится микроконтроллерной платой Arduino UNOR3. Во время протекания электрического тока, одна из поверхностей термоэлектрического преобразователя нагревается, а противоположная сторона охлаждается. ТЭМ крепится к радиатору 4 охлаждающейся поверхностью. В нашем случае радиатор дополнительно снабжен куллером 5. Температура поверхности элемента Пельтье определяется термоэлектрическим измерителем температуры 6. Измерение интенсивности отраженного излучения лазера от полимерной пленки, производится с помощью фотометрического датчика 7.
В новом подходе для управления экспериментом предлагается ис-пользовать микроконтроллерную плату Arduino UNOR3, в задачи которого будут входить: нагревание ТЭМ, измерение температуры поверхности ТЭМ, измерение интенсивности отраженного полимерной пленкой света. Для реализации этого подхода необходимо написать управляющую программу на языке C/C++ для микроконтроллерной платы Arduino UNOR3. Измеренные значения через СОМ-порт выводятся на компьютер и затем импортируются в Excel. По этим данным в электронной таблице Excel производится построение графика зависимости сигнала фотодиода от температуры полимерной пленки с исследуемым жидким кристаллом.
2.2. Экспериментальное доказательство существования селективного
отражения холестерической спиралью
Собирают экспериментальную установку по схеме, изображенной на рис. 11, 12. Электрическая схема измерительного устройства представлена на рис. 13. ТЭМ 1 устанавливают на радиатор 2 таким образом, чтобы разогревающаяся поверхность находилась сверху. На эту поверхность устанавливают термопреобразователь 3 и пленку 4 с исследуемым жидким кристаллом. Для обеспечения надежного теплового контакта используют термопасту. Примерно на расстоянии 15 – 20 мм от поверхности пленки, напротив символа «N», устанавливают фотодиод 5. Подключают все устройство к источнику питания. Для устранения разогрева жидкого кристалла падающим излучением лазера его луч с помощью собирающей линзы расширяют так, чтобы диаметр был примерно равен 1 см на поверхности пленки. Излучение лазерного диода 6 направляют на выбранный символ «N» так, чтобы светящееся пятно находилось напротив фотодиода. Загружают скетч в микроконтроллер (рис. 14) и приступают к измерениям. В ходе измерений лазеры включают по отдельности. Угол падения излучения лазеров на пленку одинаков и в ходе эксперимента не изменяли. Полученные данные в эксперименте загружают в электронную таблицу Excel для построения графиков.
Результаты проведенных исследований представлены на рис. 15, 16. Позиционные номера 1, 2, 3 означают, соответственно, излучения красного, зеленого, синего лазеров. На рис. 15 изображены графики селективного отражения излучения лазеров полимерной пленки с жидким кристаллом, размещенным в букве N, а на рис. 16 - с жидким кристаллом, размещенным в букве F. На графиках явно выражены максимумы отраженного излучения лазеров жидким кристаллом, капсулированным в тонкой полимерной пленке, при определенных значениях температуры. Полученные результаты проведенных исследований действительно подтверждают избирательный характер отражения света пленочным медицинским термометром. Следовательно, чувствительным элементом к температуре действительно является один из представителей холестерических жидких кристаллов. На рис. 15 для зеленого лазера эксперимент выдал два максимума, соответствующие различным длинам волн. Присутствие двух спектральных линий в излучении лазера связано с его устройством и принципом работы [10, с. 837 – 845; 21]. Более длинная волна излучения соответствует излучению инфракрасного лазера, более короткая волна (излучение зеленого цвета) генерации кратной гармоники в одноосном кристалле дигидрофосфата калия (KDP), расположенного внутри зеленой лазерной указки. На рис. 16 в спектре излучения зеленого лазера отсутствует длинноволновая область, вызванная действием инфракрасного фильтра, установленного на выходе лазерной указки.
КРАТКИЕ ВЫВОДЫ
Полученные результаты проведенных исследований действительно подтверждают избирательный характер отражения света пленочным медицинским термометром. Следовательно, чувствительным элементом к температуре действительно является один из представителей холестерических жидких кристаллов. В букве «N» капсулирован холестерический жидкий кристалл, характеризующийся более низкой температурой жидкокристаллической фазы, а в букве «F», имеет более высокую температуру.
Приобретаемая радужная окраска букв медицинского термометра при нагревании, обусловлена селективным отражением молекулярной структурой холестерического жидкого кристалла определенных длин волн видимого света. Избирательный характер падающего излучения характерен для кристаллических веществ и описывается аналогично хорошо известным условиям дифракции рентгеновских лучей в кристаллах соотношением Брегга-Вульфа [7, 10, 20].
На рис. 15 для зеленого лазера эксперимент выдал два максимума, соответствующие различным длинам волн. Присутствие двух спектральных линий в излучении лазера связано с его устройством и принципом работы [10, 21]. На рис. 16 в спектре излучения зеленого лазера отсутствует длинноволновая область, поскольку на его выходе установлен инфракрасный фильтр.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенное исследование показало, что процесс изучения основных свойств жидких кристаллов в школе возможно, если разработать учебные опыты с доступными жидкокристаллическими веществами, сделать доступным изготовление приборов для его получения и дополнить существующую систему учебного эксперимента опытами с жидкими кристаллами. Эти эксперименты интересны для учащихся, их использование способствует развитию экспериментальной подготовленности и формированию знаний о строении и свойствах жидкокристаллических веществ. В исследовании решены следующие задачи.
1) Посредством изучения научной, научно-популярной, учебной литературы и полученных результатов в проведенных исследованиях, позволяют идентифицировать типы жидкокристаллических веществ, с которыми непосредственно был проведен эксперимент.
2) Разработаны доступные для сборки в школьных условиях учебные приборы на основе микроконтроллерной платы Arduino и компьютера, разработаны учебные опыты по изучению физических свойств жидких кристаллов.
3) Разработана технология изготовления простейшей электрооптической ячейки, как основного элемента жидкокристаллических цифровых дисплеев. Исследован механизм образования доменов Капустина-Вильямса и динамическое рассеяния света в электрооптической ячейке.
4) Изучен на экспериментальном уровне механизм селективного отражения света холестерическим жидким кристаллом капсулированным в тонкой полимерной пленке и возможность применения этого явления для регистрации температуры.
5) Разработанное оборудование апробировано в школе в 10 – 11 классах на элективном курсе «Микроконтроллерные устройства и их применение в натурном компьютерном эксперименте» в 2019 – 2020 годах.
Таким образом, поставленные в исследовании задачи решены, справедливость гипотезы доказана, цель исследования достигнута.
Библиографический список
Белиловский В. Д. Эти удивительные жидкие кристаллы [Текст]: кн. для внеклас. чтения учащихся 8 – 10 кл / В. Д. Белиловский. — М.: Просвещение, 1987. — 112 с.
Беляков В. А. Жидкие кристаллы [Текст] / В. А. Беляков. — М.: Знание, 1986. — 160 с.
Блинов Л. М. Электрооптические эффекты в жидких кристаллах [Текст] / Л. М. Блинов // Успехи физических наук. Том 114, вып. 1, 1974 г, с. 67—96.
Бобылев Ю. В. Демонстрация твист-эффекта в жидких кристаллах на примере ЖК ячейки [Текст] / Ю. В. Бобылев, А. И. Грибков, Р. В. Романов // Проблемы учебного физического эксперимента: Сборник научных трудов. Выпуск 30. — М.: ИСРО РАО, 2019. — С. 37- 38.
Габриелян О. С. Химия [Текст]: 11 класс: В 2 ч. Ч. II: Настольная книга учителя / О. С. Габриелян, Г. Г. Лысова, А. Г. Введенская. — М.: Дрофа, 2003. — 320 с.
Горбунов Г. Т. К изучению жидкокристаллического состояния вещества [Текст] / Г. Т. Горбунов // Физика в школе. — 1989. — № 5. — С. 78 – 80.
Де Жён П. Физика жидких кристаллов. Мир, М., 1977. http://www.read.in.ua/book152045/?r=15&p=2&s=%C4. (дата просмотра 18.09.2018 г).
Зарудний А. А. Изучение жидкокристаллического индикатора [Текст] / А. А. Зарудний, Н. Ф. Полях // Учебная физика. — 2000. — № 6. — С. 29 – 32.
Коврижных Ю. Т. Использование жидкокристаллических индикаторов в учебном физическом эксперименте при изучении поляризации света [Текст] / Ю. Т. Коврижных, П. В. Зуев, Н. С. Снигирев // Учебная физика. — 2007. — № 1. — С. 101 – 102.
Ландсберг Г. С. Оптика [Текст] / Г. С. Ландсберг. — М.: Наука, 1976. — 928 с.
Леман Отто. Жидкие кристаллы и теории жизни. http://www.mathesis.ru/book/lehmann. (дата просмотра 15.02.2019 г).
Марков С. В. Экспериментируем с жидкими кристаллами [Текст] / С. В. Марков, Е. С. Маркова // Учебная физика. — 2009. — № 1. — С. 21 – 35.
Мякишев Г. Я. Физика [Текст]: учеб. для 10 кл. общеобразоват. учреждений / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев. — М.: Просвещение, 2011. — 366 с.
Новые государственные стандарты школьного образования.— М.:ООО «Издательство Астрель»: ООО «Издательство АСТ», 2004. — 446 с.
Пикин С. А. Жидкие кристаллы [Текст] / С. А. Пикин, Л. М. Блинов. — М.: Наука, 1982. — 208 с.
Разумовский В.Г. Физика в школе [Текст]. Научный метод познания и обучение / В. Г. Разумовский, В. В. Майер. — М.: Владос, 2004. — 463 с.
Сабирзянов А. А. Использование ЖК-монитора в опытах по поляризации света [Текст] / А. А. Сабирзянов, В. А. Семериков // Проблемы учебного физического эксперимента: сборник науч. трудов. Вып. 26. — М.: ИСМО РАО, 2016. — С. 109-110.
Угринович Н. Д. Информатика [Текст]: учеб. для 7 класса / Н. Д. Угринович. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005. — 173 с.
Федорков Б. Г. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение [Текст] / Б. Г. Федорков, В. А. Телец. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 320 с.
Физический энциклопедический словарь [Текст] / гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Сов. энциклопедия, 1984. — 944 с.
http://hi-ip.com/green_laser.html. Принцип работы зеленого лазера (дата просмотра 18.10.2019 г).
https://yadi.sk/i/v_cGJVhBnmlhJA. Образование доменов Капустина-Вильямса.
https://yadi.sk/i/fruoOU15TB_Xow. Динамическое рассеяние света.
Приложения
а) б) в)
Рис. 1. Агрегатные состояния жидкого кристалла: а) твердая кристаллическая фаза; б), в) жидкая фаза
состояние
а) б)
Рис. 2. Фазовые состояния жидкого кристалла: а – анизотропное состояние;
б – изотропное состояние.
Рис. 3. Поляризационный микроскоп с фотоаппаратом
а) б)
в)
Рис. 4. Наблюдаемые фазовые изменения жидкого кристалла в поляризационном микроскопе: а) изотропное состояние; б) и в) анизотропное состояние, интерференция поляризованного света
Рис. 5. Изображение нитевидной структуру нематиков в поляризационном микроскопе
Рис. 6. Элементы учебной электрооптической ячейки: 1, 5 - дюралевые пластины; 2 – стеклянные пластины с прозрачным электродом; 3 – медная проволока, приклеенная к прозрачному электроду; 4 – полиэтиленовая рамка
Рис. 7. Домены Капустина-Вильямса в учебной электрооптической ячейке
а) б) в)
г) д) е)
Рис. 8. С увеличением напряжения, прикладываемое к электрооптической ячейке, наблюдается разрушение доменов Капустина-Вильямса
а) б) в) г)
Рис. 9. Бытовые медицинские термометры
Рис.10. Изменение окраски буквы N температурного индикатора быстрого действия FEVER TEST
Рис. 11. Функциональная схема установки для исследования селективного отражения полимерной пленки с капсулированным в нем жидким кристаллом
Рис. 12. Общий вид установки для исследования селективного отражения света полимерной пленки с капсулированным в нем жидким кристаллом
Рис. 13. Электрическая схема электронного термометра и фотометрического датчика
int val1 = 0;
int val2 = 0;
int s;
const int RPin =2;
const int XPin =3;
const int ZPin =4;
void setup() {
Serial.begin(9600);
pinMode(A0, INPUT);
pinMode(A1, INPUT);
pinMode(RPin, OUTPUT);
pinMode(XPin, OUTPUT);
digitalWrite(ZPin, LOW);
delay(10);
digitalWrite(ZPin, HIGH);
}
Рис.14. Скетч для микроконтроллерной платы ARDUINO UNOR3
void loop() {
digitalWrite(XPin, LOW);
delay(10);
digitalWrite(XPin, HIGH);
delay(1000);
digitalWrite(RPin, LOW);
delay(5000);
val1 = analogRead(A0);
val2 = analogRead(A1);
digitalWrite(RPin, HIGH);
Serial.print(((5.0/1023.0)*val1)*10);
Serial.print("\ ");
Serial.println((5.0/1023.0)*val2);
delay(10);
}
Рис. 15. Графики построенные в Excel по измеренным данным для буквы «N»
с жидким капсулированным в тонкой полимерной пленке кристаллом: 1-красный лазер; 2 – зеленый лазер; 3 – синий лазер
Рис. 16. Графики построенные в Excel по измеренным данным для буквы «F»
с жидким кристаллом капсулированным в тонкой полимерной пленке: 1-красный лазер; 2 – зеленый лазер; 3 – синий лазер
26