XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке. Летняя площадка 2022
Оптические явления
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Вступление
1. Введение.
Весь наш мир построен на законах физики: на законах сохранения (энергии, импульсов), законах термодинамики, законах Ньютона, всемирного тяготения и.т.д. Они играют ключевую роль в понимании нашего мира и вселенной.
Нас со всех сторон окружают физические явления. И это касается не только нашей любимой природы. Особенно заметна роль физики в эпоху новых технологий, урбанизации и глобализации, когда, просыпаясь, мы спешим не проверять домашний скот во дворе, а интегрироваться в общество социальных сетей, включить телевизор и разогреть свой завтрак в микроволновке.
И пусть для большинства населения раннего возраста не понятны различные физические явления, сегодня мы поговорим об одних из них: оптические явления. Мы обсудим такие как миражи, радуга, полярные сияния, частично разберём их геометрические и физические составляющие, а также постараемся репродуцировать некоторые из них.
Перед началом нам нужно выявить определение слова оптика. Оптика - раздел физики, описывающий свойства света и объясняющий связанные с ним физические явления.
1.1 Актуальность.
Я считаю, что моя тема достаточно актуальна, так как она может вызвать интерес у потенциального потребителя, тем более, когда речь заходит про оптические иллюзии в природе.
1.2 Цель проекта.
Пробудить интерес у потребителя к изучению нашего мира со стороны физики. Получение информации про оптику и оптические явления.
1.3 Задачи проекта.
-прийти к пониманию, что такое свет.
-познакомиться с основными законами и явлениями физической и геометрической оптики.
-объяснить возникновение многих оптических явлений в природе.
-научиться репродуцировать некоторые из оптических явлений.
Теоретическая часть
2. Глава 1
2.1 Что изучает оптика? Определение света.
Оптика изучает излучение электромагнитных волн видимого спектра для глаз человека, а также инфракрасное и ультрафиолетовое излучение.
Она также изучает появление, распространение света, его взаимодействие со средами и веществом, закономерности световых явлений.
Давайте поймём, что же такое свет. Свет — это электромагнитные волны, длины волн, которых лежат для глаза среднестатистического человека в пределах 400-760 нанометров. Это промежуток видимого света. По мере уменьшения длины волны, свет будет плавно переходить от красного цвета к фиолетовому, включая все знакомые цвета радуги. Частота волны при этом будет увеличиваться. Почему? Потому что длина волны находится в обратно пропорциональной зависимости от частоты λ=с/ν. Свет с большей длиной волны называется инфракрасным. Наш глаз не способен его уловить, зато коже отлично удаётся. Солнечное тепло, которое мы получаем и является инфракрасным излучением. Если длина волны меньше, то свет называется ультрафиолетовым.
Мы разобрались с физической природой света, утверждая, что свет — это волна. Но свойства, которыми он обладает не могут отрицать того, что свет — это поток частиц. Доказательством этого занимались ещё в новое время, когда Исаак Ньютон пытался доказать Корпускулярную теорию света. Он считал, что свет подчиняется законам механики. Его теория в дальнейшем была отвергнута и восторжествовало волновое описание света.
Однако и оно оказалось неполным, когда Эйнштейн объяснил фотоэффект, опираясь на новую квантовую теорию Макса Планка, которая утверждает, что свет с определённой длиной волны излучается и поглощается исключительно определёнными порциями. Эта порция – квант света, позднее названная фотоном - переносит энергию E пропорциональную частоте ν световой волны с коэффициентом h – постоянная Планка. E=νh
Таким образом, используя теорию Корпускулярно-волнового дуализма, мы убедились, что свет проявляет как свойства классических волн, так и классических частиц. Это нам позволит ввести 3 оптических модели:
Геометрическую - свет представляется в виде пучка лучей, передвигаемых по прямой и изгибаемых вследствие обхода препятствий.
Физическую - рассматривает видимое излучение как электромагнитную волну.
Квантовую - свету приписываются квантовые свойства.
Но на сегодня мы затронем только две из них, а именно: геометрическую и физическую.
2.2 Геометрическая оптика.
В этом разделе пренебрегают волновыми свойствами света. Мы познакомимся с основными законами геометрической оптики и процессами, связанными с ними. Но давайте перед эти введём такое понятие, как показатель преломления n - эта величина показывает, насколько скорость распространения света в вакууме больше скорости света в среде n=c/v.
Свет в геометрической оптике распространяется прямолинейно, согласно закону прямолинейного распространения света. Если он попадает на плоскую границу раздела двух сред, частично отражается и частично проходит дальше. Другими словами - преломляется.
Чтобы убедиться в правоте этих суждений, давайте условно представим луч света, который падает на стекло какой-то толщины. Его поведение будет очевидным: какая-то часть испускаемого нами света отразится, при чём под таким же углом, каким он падал на границу раздела двух сред. Об этом гласит закон отражения света. Другая его часть пройдёт дальше, сквозь стекло. Но пройдёт она не прямолинейно, а изменит свою траекторию, немножко прижавшись к перпендикуляру, проведённому в точку падения.
У стекла абсолютный показатель преломления больше, чем у воздуха, отсюда следует, что стекло - оптически более плотная среда. Если луч света будет входить в оптически менее плотную среду (например, из стекла в воздух), то он наоборот станет отдаляться от перпендикуляра.
2.3 Физическая оптика.
Чтобы иметь полное представление о волновой природе света, мы познакомимся с некоторыми явлениями.
Дифракция - способность световых волн (как и любых других) огибать какие-либо препятствия, при этом меняя направление распространения, а также проникать в область геометрической тени. Это явление приходится отклонением от закона геометрической оптике о прямолинейном распространении света. Наблюдать дифракцию можно, если световой луч проходит через отверстие, примерно равное длине самой волны.
Дисперсия - способность света, проходящего через объект не только преломляться, но и рассеиваться. Белый свет состоит из всех цветов видимого спектра и когда он проходит через призму, каждый из этих цветов преломляется по-разному. Красный меньше, а фиолетовый сильнее.
Интерференция - волны обладают суперпозицией, то есть могут накладываться друг на друга и взаимодействовать друг с другом: усиливать или ослабевать.
2.4 Откуда появляются цвета?
Почему небо голубое, а трава зелёная? Весь наш мир ярок и красочен, он наполнен множеством разных цветов. Всё что мы видим вокруг – игра света. Отражённые лучи попадают на сетчатку глаза, и мы видим соответствующее изображение. Но что же такое цвет?
Только что мы узнали, что свет обладает волновыми свойствами, а любая волна, будь то механическая или электромагнитная, обладает длиной волны. У каждого из 7 основных цветов видимого спектра своя длина волны. У красного самая большая, а у фиолетового наименьшая. У белого света нет определённой длины волны, потому что это смесь всех цветов. Зная это, можно предположить, что у предметов, окружающих нас, нет цветов. У них есть только способность отражать свет определённой волны при освещении.
Если перед нами зелёное яблоко, то оно поглощает все цвета света, кроме зелёного. Если мы видим белый снег, то он отражает весь свет, который на него попадает. Если асфальт чёрный, то он поглощает весь свет, падающий на него. Получается, цвет условного предмета, который мы видим, зависит от молекулярного состава его поверхности.
3. Глава 2
Итак, вся нужная нам теория позади, мы ответили на волнующие нас вопросы. Теперь мы можем приступить к объяснению природных оптических явлений, для кого-то загадочных, для кого-нибудь непонятных, но от этого не становящихся менее интересными.
3.1 Вероятнее всего вы когда-нибудь, прогуливаясь по парку или путешествуя на машине после дождя, встречали на небе разноцветную и дугообразную фигуру. Конечно же, без сомнений это радуга. Она известна всем нам ещё с самого детства, но, несмотря на всю простоту этого явления, мы не можем объяснить её возникновение.
По сути, радуга — это явление дисперсии, с которым мы столкнулись ещё ранее. Только вместо призмы у нас есть водяные капельки дождя, а источник света - наше Солнце. Когда его белые лучи попадают в каплю, они расщепляются на спектр - цвета радуги. А потом отражаются от неё же, как от плоского зеркала. Благодаря миллиону капель в небе, мы и можем восхищаться этим прекрасным световым явлением. Главное, чтобы Солнце находилось низко и позади наблюдателя, который бы смотрел на место, где шёл или идёт дождь. Посмотрим, как эта информация пригодится нам в дальнейшем.
3.2 Всем нам известны истории, про путников из пустыни, жаждущих напиться водой. Истощённые зноем, они видят вдалеке спасение - оазис с тенью и водой. Наделённые надеждой в своё спасение, начинают продвигаться быстрее, чтобы утолить жажду, при этом тратя всё больше сил. И, казалось бы, пройден большой путь, но райский островок не приближается, а спустя время совсем исчезает. Все уже поняли, что речь идёт про миражи. Что же такое миражи? Плод нашего воображения? Или быть может что-то мистическое? На самом деле нет, это очередное световое явление, в котором нам помогут разобраться законы физики.
Миражи — это световое явление, которое появляется ввиду игры света и воздуха, а если быть точнее, то тёплого и холодного воздуха. Мы уже поняли, что свет распространяется прямолинейно и преломляется, если попадает в более или менее оптически плотную среду. Разница в температуре и вызывает преломление на границах двух сред. Из-за многочисленных искривлений траектории света, мы видим действительно существующее изображение, но на очень большом расстоянии.
Миражи появляются по причине разницы нижнего слоя атмосферы с верхним. Пусть сверху будет тёплый воздух (по причине конвекции), а снизу холодный. Верхний слой начинает отражать лучи солнечного света под углом, играя роль “атмосферного зеркала”, которое отзеркаливает изображения, порой даже очень массивные - горы, корабли, города.
3.3 Неимоверное зрелище, которое можно наблюдать на полюсах нашей прекрасной планеты. Оно буквально завораживает своей красотой и загадочностью. Это явление поражает наши глаза световым шоу, состоящими из самых разных цветов. Речь идёт про полярные сияния. Да, именно полярные сияния, а не северные, ведь они появляются и на южном полюсе. Этот удивительный феномен имеет другую природу, но я не мог бы не затронуть это чудо.
Полярные сияния образуются из-за взаимодействия Солнца и Земли. А если быть конкретнее, то ввиду солнечного ветра, то есть заряженных частиц, выбрасываемых Солнцем, и магнитного поля Земли. Эти частицы сталкиваются с азотом, кислородом и другими атомами, составляющими основную часть атмосферы планеты. А после этого выделяют фотоны света.
Цвета, образующиеся в результате соприкосновения, будут зависеть от самого атома. Если это кислород, то сияние будет красным. Если азот - синеватым.
Практическая часть
4. Глава 1
4.1 Введение.
Световые явления представляются нам очень интересными и красивыми. Они встречаются во всём нашем мире, от неизведанного космоса, до нашей любимой планеты. Оптика, безусловно, один из самых важных разделов физики для нашего понимания, ведь многое происходящее в природе можно объяснить именно благодаря её законам. Но слова зачастую подводят и очень сложно усваиваются, особенно когда дело доходит до физики. Поставив перед собой такую гипотезу, я пришёл к выводу, что необходимо продемонстрировать разнообразные световые явления наглядно. Да, масштаб происходящего будет гораздо меньше, что-то реализовать будет очень сложно, а что-либо даже невозможно. Но это не помешает впечатлениям превзойти ожидания.
4.2 Задумка.
Можно полностью погрузиться в физику, бесконечные формулы, расчёты, погрешности в измерениях и так далее, но для большинства людей это будет сложно, муторно и вызывать скукоту. К тому же, человек, который не собирается связывать свою дальнейшую жизнь с физикой не должен быть уведомлён о происходящем вплоть до малейших мелочей. Поэтому, ему будет достаточно увидеть это своими глазами.
Испускать световой луч и наблюдать за преломлением и отражением было бы слишком скучно, поэтому я поставил ориентир к более масштабным оптическим явлениям, с которыми мы сталкиваемся в природе. Что если повторить миниатюрную радугу или северное сияние? Я считаю это было бы интригующе.
4.3 Задумка реализации.
Воплотить эту идею в жизнь можно в рамках школьного мероприятия, согласованного с администрацией. Одним из способов осуществления может быть разработка учебного квеста, где участники сначала получат всю необходимую теорию, им предоставятся приборы и материалы. После чего они будут преследовать цель репродуцирования световых явлений в реальность. Если им это не удаётся с первого раза, организатор даёт подсказки. Если и вторая попытка проваливается, то он же демонстрирует данный феномен собственноручно.
Важно!!! Процессы, в которых может использоваться электрический ток или что-то, что может вызвать риск дееспособности участника, должны проводиться под полным контролем организатора.
4.4 Анализ аудитории.
Мною был проведён опрос с целью выявить основную аудиторию, её понимание этой темы, а также то, что интересует её больше всего. В нём поучаствовало относительно много человек, благодаря чему можно считать его результаты достаточно объективными.
Я выявил, что у 83,3% моей аудитории возраст 13-17 лет. Природа интересует целых 91,7% опрошенных, а вот физика небезразлична только 50% (33,3 её любят, 16,7 не знают). Это значит, что я принял правильное решение повторять более масштабные природные явления, а не многочисленные опыты и расчёты. Я намерен показать, что физика – это не сложно, а очень интересно. Северное сияние оказалось более интересующим аудиторию, чем другие явления, набрав 50%.
83,3% хотели бы увидеть оптические явления в природе. Повторить их в миниатюре хотели бы 50%, остальные 50% заинтересованы, но немного сомневаются.
5. Глава 2
Перед началом репродуцирования оптических явлений, нужно провести исследование и выявить для этого всё самое необходимое: приборы, материалы, оборудование и основные затраты.
5.1 Радуга очень проста в своём репродуцировании, при чём существует множество способов её повторения. Мы же испробуем во время квеста 2 из них. Один будет подобен опыту Исаака Ньютона 1672 года, а другой воплотиться в реальность при помощи воды и зеркала.
Приборы и материалы:
Треугольная призма.
Источник света - фонарик.
Ёмкость с водой.
Плоское зеркало (подойдёт любое).
Белый лист бумаги.
5.2 Мы поняли, что северное сияние - тлеющий разряд, который образуется ввиду того, что ионизированные газы в нашей атмосфере начинают проводить электрический ток под воздействием заряженных частиц солнечного ветра. Опираясь на этот факт, можно предположить, что, пропустив электрический ток, через воздух или другое газообразное вещество, появится свечение, подобное полярным сияниям.
После поиска достоверной информации, я понял, что это суждение истинно. Доказательством этого занимался ещё Ломоносов, используя пары газов, стеклянный шар и электрический разряд. И того, чтобы повторить настоящее северное сияние нам пригодится разное оборудование и множество его вариаций.
Приборы и материалы:
Стеклянная колба или любая другая полость.
Вакуумный насос.
Высоковольтный генератор.
Баллон с другим газом, например азотом (необязательно).
Самодельная подставка для колбы.
5.3 Подсчёт затрат.
Так как разрабатываемый мной квест некоммерческий, то и прибыль он приносить не будет. Его главная цель - образовательный и частично развлекательный процесс для школьников. Все издержки состоят из приборов и материалов и моего потраченного времени.
Затраты на повторение радуги:
Треугольная призма обойдётся в 500-1500 рублей. Фонарик 500-1150 рублей. Белый лист бумаги формата А3 стоит 15-20 рублей. Стоимость оцинкованного корыта примерно 1200-1500 рублей. Плоское зеркало по стоимости получится примерно в 500-2000 рублей. Стоимостью технической воды можно пренебречь.
Затраты на повторение полярного сияния:
Вакуумный насос (одноступенчатый) – 3315-7968 рублей. Высоковольтный генератор 3780-5140 (минимальной стоимости). Стоимость стеклянной колбы 300-1250 рублей. Баллон с азотом – 4650-6005 рублей.
По итогу общая стоимость будет находиться в районе 14706-26533 рублей.
Заключение
6. Итоги.
В ходе данной работы мы достигли поставленной цели, выполняя задачи проекта. Мы получили множество информации и ответили на изрядное количество вопросов. Научились понимать оптические явления в природе, а также воспроизводить их своими руками. Разработали учебный квест, который поможет получить более детальное представление про оптические явления, окружающие нас со всех сторон в этом прекрасном мире.
6.1 Список используемых интернет-ресурсов.
Светящийся воздух своими руками. Северное сияние в пробирке (usamodelkina.ru)
Миражи: что это за явление, как и где появляются, какие бывают (tainaprirody.ru)
https://educon.by/index.php/materials/phys/optika
https://ru.m.wikipedia.org/wiki/Корпускулярно-волново...
Оптические явления: примеры в природе и интересные факты :: SYL.ru
6.2 Справка.
λ – длина волны
с – скорость света в вакууме
ν – частота
E – энергия
h – постоянная Планка
n – показатель преломления света
v – скорость света в среде