Я зеркало. Я возвращаю свет

XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Я зеркало. Я возвращаю свет

Коваленко С.А. 1
1ГБОУ РФМЛИ
Милостивая Н.Ю. 1Джибилов Р.Б. 1
1ГБОУ РФМЛИ
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Актуальность выбранной темы.

Мы современные школьники - поколение, выросшее на мобильных телефонах и компьютерах, планшетах, хорошо разбираемся в гаджетах, умеем молниеносно находить информацию в Интернете, но пользуемся всеми научными достижениями и не задумываемся а как эти благо цивилизации были изобретена и какой путь они прошли до нас. Взять хотя бы исторический путь зеркал, их поразительные свойства и современное применение.

Обобщить эти материалы в одной работе, отличить мистику от реальности – было моей задачей.

Цель работы – донести до нашего поколения историю возникновения зеркал, рассказать о начальном этапе их развития, показать самые уникальные свойства зеркал и самые уникальные способы их применения.

Задачи:

экспериментальное и теоретическое изучение свойств зеркал различной формы: плоских, сферических и асферических, которые применяются в быту и технике

Основная часть

История плоских зеркал

Один из многих предметов, которыми современные люди пользуются ежедневно, являются зеркала. И мало кто задумывается, а как давно зеркала служат людям. А возраст этого привычного предмета уже более семи тысяч лет. Конечно за это время зеркало претерпело колоссальное изменение. В начале оно мало напоминало сегодняшнее, это был кусок металла ( серебро, олово, медь, бронза, и даже золото), который тщательно полировали. Правда в таком зеркале мало что увидешь. У Гомера в «Одиссее» … сражаясь с медузой Гаргоной смотрелся в свой щит как в зеркало. Очень быстро люди научились использовать и такие, зеркала чтобы рассмотреть себя со всех сторон. За такими зеркалами нужно было тщательно ухаживать: натирать до блеска, т.к. металл все время окислялся.

С появлением стекла нашли способ покрытия обычного стекла очень тонким слоем свинца. Этот опыт первоначально провел францисканец Джон Пек в 1279 году.

Это стало рождение настоящего зеркала, хотя этот процесс был крайне трудным и опасным. Ведь в работе использовалась ртуть. Оправленные в красивые рамы, такие зеркала становились предметом роскоши и зависти окружающих, хотя до чистоты изображения было еще далеко. Лишь в XIX веке появились мастера зеркальщики, которым удалось создать зеркала абсолютно чистые и ясные.

Появившаяся возможность наблюдать за собой со стороны, привела к огромным последствиям: все состоятельные граждане стали более тщательно следить не только за своим внешним видом, но и своим поведением.

История сферических зеркал.

Еще более интересна история сферических зеркал.

История возникновения сферического стеклянного зеркала уходит в глубь веков, в Венецию конца XII - начала XIII века. В то время венецианские стеклодувы научились выдувать из стекла небольшие колбы, в которые в размягченном виде заливали стенки через трубку оловом. Когда колбы остывали, их нарезали на куски в форме выпуклых линз. Эти кривые зеркала, представляющие из себя часть сферы, называли «воловий глаз». Они мало чем походили на современные зеркала. Изображение в них было искаженным, слегка уменьшенным и прямым. Чтобы представить отражение в таком зеркале, достаточно взглянуть на «Автопортрет в выпуклом зеркале» итальянского художника Пармиджанино.

Гениальный ученый Архимед в 212 году до н.э. в Сиракузах, используя полтысячи маленьких зеркал смог поджечь и уничтожить римский флот. Бегство римлян было паническим. Это сейчас мы понимаем, что необычное по тем временам оружие Архимеда и есть «распределенное» вогнутое зеркало.

Составленное из множества обычных зеркал, отражения от которых направлены в одну точку, оно способно концентрировать в своем фокусе огромную энергию. В случае с римскими кораблями это — световая и тепловая энергии.

Позже необычные свойства вогнутых зеркал были использованы в «магических» целях. И все из-за того, что вогнутые зеркала могут собрать «астральный» свет в одном. Мистики говорили, что там, "где происходит сосредоточение света, появляется эфирный фокус — узел вибраций эфирной среды".

Но есть вогнутые зеркала, назначение которых остается тайной и по сей день. К ним, например, относятся так называемые "зеркала Тулу", во множестве найденные в захоронениях вблизи всемирно известного плато Наска в Перу. Диаметром до полуметра, зеркала эти изготовлены из тщательно отполированных металлов: золота, серебра, меди и их сплавов. Для чего они были нужны? Для передачи сигналов (отраженный от них солнечный луч виден за несколько километров)? Для проецирования огромных рисунков на плато Наска? Для магических целей? А может, с помощью этих зеркал краснокожие жрецы получали те самые знания, что и сегодня поражают ученых своей точностью? Кто знает. Во всяком случае, есть сведения, что некоторые научные открытия были сделаны именно благодаря вогнутым зеркалам.

Физика сферических зеркал.

Изображение в плоском зеркале

Рассмотрим как создаются изображения предметов в плоском зеркале. Лучи света, падающие на зеркало, отражаются от него и попадают нам в глаз. Характеристика изображения, получаемого в плоском зеркале: закон отражения света говорит о том, что угол падения равен углу преломления. Если взять несколько лучей от источника света, то после отражения от зеркальной поверхности лучи расходятся. Но если продолжить ход лучей за зеркало, то они опять сойдутся и в этом месте будет изображение источника. Характеристика изображения, получаемого в плоском зеркале : изображение мнимое ( прересекаются не сами лучи, а их продолжение), не перевернутое и находится на таком же расстоянии, что и сам предмет до зеркала. В действительности световые лучи не проходят за зеркало. Нам только кажется, что свет исходит от изображения, поскольку наш мозг воспринимает попадающий к нам в глаза свет как свет от источника, находящегося перед нами Если в то место где нам кажется есть изображение поместить фотопленку, то там не окажется изображения вообще. Если бы изображение было действительным, то оно отразилась бы на пленке.. Как мы увидим в дальнейшем, действительные изображения можно формировать с помощью линз и кривых зеркал

Сферическое зеркало.

Отражающими поверхности не обязательно должны быть плоскими. Изогнутые зеркала чаще всего бывают сферическими, т. е. имеют форму сферического сегмента. Сферические зеркала бывают вогнутыми и выпуклыми.

Сферическое вогнутое зеркало представляет собой тщательно отполированную шаровую поверхность, имеющую центр сегмента на ее поверхности и вершину зеркала. Прямая линия, проходящая через центр зеркальной поверхности и вершину зеркала , является оптической осью зеркала. Если на зеркало падают параллельные лучи света, то отразившись они соберутся в одной точке- точке фокуса вогнутого зеркала, которая лежит на оптической оси. Множество точек фокуса образуют ( как и плоского зеркала) в пространстве фокальную плоскость. Лучи света обладают свойством обратимости как и у плоского зеркала. А значит если источник света поместить в фокус вогнутого зеркала, то отразившись от зеркала они пройдут параллельно оптической оси. Расстояние  от вершины зеркала до фокуса называется фокусным расстоянием зеркала, оно равно половине радиуса  сферической поверхности зеркала. Если приблизить к вогнутому зеркалу , взятую в качестве источника света зажженную свечу, то изображение буде мнимым, увеличенным и прямым. При удалении источника света от зеркала изображение увеличивается и становится действительным. При еще большем увеличении расстояния источника света от зеркала его изображение теперь будет уменьшаться, но при этом действительные изображения будут перевернутыми.

Таким образом, расположение и размеры изображения, получаемого с помощью вогнутого зеркала, зависят от положения предмета относительно зеркала.

Используя данные знания о ходе лучей в вогнутом зеркале можно строить изображения предметов находящихся перед фокусом, в фокусе и за фокусом, подобно тому, как строятся изображения предметов в собирающей линзе. 

Удивительное свойство вогнутых зеркал, таких как фокусировать параллельный их оси пучок света используется в телескопах-рефлекторах. Используя свойства На явлении обратимости световых лучей , а именно преобразовании в зеркале пучка света от источника, находящегося в фокусе, в параллельный пучок — основано действие прожектора. А если подключить в систему еще и линзы, так называемую зеркально – линзовую систему то получаем очень разнообразную группу оптических приборов. В лазерах зеркала применяют в качестве элементов оптических резонаторов. Помимо измерительных и оптических приборов, зеркала применяют и в других областях техники, например в гелиоконцентраторах, гелиоустановках и установках для зонной плавки (действие этих устройств основано на свойстве вогнутых зеркал концентрировать в небольшом объёме энергию излучения). В медицине из зеркал наиболее распространён лобный рефлектор — вогнутое зеркало с отверстием посередине, предназначенное для направления узкого пучка света внутрь глаза, уха, носа, глотки и гортани.

Вогнутые зеркала используют для изготовления прожекторов: источник света помещают в фокусе зеркала, отраженные лучи идут от зеркала параллельным пучком. Если взять вогнутое зеркало больших размеров, то в фокусе можно получить очень высокую температуру ( Именно по такому принципу Архимед выстроил небольшие зеркала превратив их в вогнутое зеркала и сжег флот римлян). А еще можно разместить резервуар с водой для получения горячей воды, например, для бытовых нужд за счёт энергии Солнца.

Вогнутые зеркала служат источником света в качестве прожекторов в автомобильных фарах, карманных фонариках.  Крупный прожектор может освещать предметы, находящиеся на расстоянии 10—12 км от него. Такой прожектор виден с очень больших расстояний, если глаз окажется в области посылаемого прожектором светового пучка. Мощные прожекторы используются при устройстве маяков. Кроме того, вогнутые зеркала применяются в телескопах-рефлекторах, с помощью которых наблюдают небесные тела.

Практическая часть

1. Исследование параллельных лучей.

Цель: Показать, что параллельные лучи, отраженные от вогнутого зеркала сходятся в его фокусе и точечный источник света, помещенный в точку фокуса, создает в вогнутом зеркале параллельный пучок света.

Приборы и материалы: вогнутое зеркало, источник света, собирающая линза,

Ход работы:

  1. На вогнутое зеркало от источника света направляем три параллельных луча. Наблюдаем где эти лучи сходятся.

  2. Измеряем линейкой расстояние от точки пересечения лучей до вершины вогнутого зеркала, это и будет фокусное расстояние. Для иллюстрации принципа обратимости света поместили «точечный» источник света в фокус вогнутого зеркала. Наблюдаем образование параллельного пучка света.

Если на вогнутое зеркало падают параллельные между собой лучи, которые не параллельны главной оптической оси, то они сфокусируются в точке, которая лежит прямо под точкой фокуса. Множество таких точек образуют фокальную плоскость.

Вывод: лучи, идущие параллельно оптической оси пересекаются в точке фокуса.

  1. Фокус и радиус кривизны вогнутого зеркала.

Цель: измерить фокусное расстояние вогнутого зеркала

Приборы и материалы: вогнутое зеркало, источник света ( горящая свеча), белый экран,

Ход работы:

1.Направляем вогнутое зеркало на пламя свечи, а белый экран –помещаем за свечу.

2. Перемещением экрана добиваемся на нем четкого изображения не перевернутого пламени свечи. Это произошла тогда, когда экран окажется в фокальной плоскости. Измеряем линейкой расстояние от зеркала до экрана (d= 12 см, f = 30 см).

3. Подсчитываем по формуле значение фокусного расстояния вогнутого зеркала. Оно равно 20 см

5.На главной оптической оси существует точка, все лучи, исходящие из нее, падают на зеркало нормально (перпендикулярно) и отражаются через эту же точку. Эта точка называется центром кривизны  зеркала и является центром сферы, частью которой является это зеркало. Расстояние от полюса зеркала до центра кривизны известно как радиус кривизны вогнутого зеркала.

По формуле R = 2F вычисляем радиус кривизны зеркала. R= 20 см.

Вывод: Мы показали теоретически и экспериментально, что радиус кривизны зеркала равен двойному фокусному расстоянию, это означает, что фокусное расстояние вогнутого зеркала также может быть подсчитано по формуле : радиус кривизны делим пополам.

4.Создание прожектора.

Цель : практическое создание макета прожектора

Приборы и материалы: мощный источник света, большое вогнутое зеркало,

Ход работы:

  1. Для того, чтобы построить модель прожектора взяли в качестве источника света энергосберегающую лампу.

  2. Принцип действия прожектора состоит в следующем: в фокусе параболического зеркала помещаем лампочку - на выходе получается хорошо сколлимированный пучок света. для большей эффективности лампочка прикрывается зеркалом с внешней стороны

  3. Hа картинке нарисован ход лучей в этой системе: красным – лучи, напрямую отраженные от параболического зеркала, синим – отраженные сначала от сферического зеркала, центр которoго совпадает с центром лампочки: такое зeркало точно возвращает луч тогда, откуда он пришел – но запускает в обратном направлении.

Вывод: Даже макет прожектора созданный на не очень мощной лампе и небольшом вогнутом зеркале дает усиление света

Заключение

В данной работе сделана попытка в историческом аспекте проследить очень важного изобретения человечества- зеркала, его поразительных свойств и современного применения в жизни человека, в его быту и технике. Практически определено фокусное расстояние и радиус вогнутого зеркала, а так же попытка сделать прожектор на основе энергосберегающей лампы.

Литература и Интернет -источники:

  1. Учебники Физика – 11 кл. (раздел геометрическая оптика) В.А. Касьянов.

  2. А. Шабанов Справочник фельдшера, издательство «Медицина», Москва, 1976г.

  3. Электронное пособие «Открытая физика 1.1» под редакцией профессора МФТИ С.М. Козела.

  4. Гершун А. Л.,. Электрический прожектор // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.

  5. Прожектор в Большой советской энциклопедии

  6. Карякин Н. А. Световые приборы прожекторного и проекторного типов, М.: 1966.

  7. Применение сферических зеркал http://kaf-fiz-1586.narod.ru/11bf/dop_uchebnik/curved_mirrors.htm

  8. История возникновения зеркал http://www.klintsy.ru/music/istorija-vozniknovenija-zerkal_2538.html

  9. История о сферическом зеркале http://inlavka.ru/ideas/history/183/

  10. http://globalphysics.ru/physics/svet/250-vognutoe-zerkalo.html

  11. http://f33.ucoz.ru/publ/11-1-0-12

Просмотров работы: 67