VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Иллюзия луча света. 3D–голограмма
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Значение света в нашей жизни сложно переоценить. От него зависит вся человеческая деятельность. Более 80% информации человек воспринимает с помощью зрения.
Оптические явления светового луча изучает раздел физики - геометрическая оптика.
Законы геометрической оптики нашли своё применение в очень многих областях, имеющих важное практическое значение для общества и науки.
Изучение законов света и их применение позволяет создавать точные оптические приборы. Свойства света применяются в медицине, астрономии и геодезии, химии и биологии, кино и рекламе. Оптическое волокно используется для связи, освещения и передачи большого объема информации.
Геометрическая оптика оперирует понятием световых лучей, подчиняющихся известным законам преломления и отражения. С помощью простых наглядных опытов можно рассказать о том, как возникают некоторые удивительные природные явления.
Актуальность изучения данной темы обусловлена многими факторами, главными из которых является расширение представлений об окружающем мире, о законах физической природы и её световых явлениях.
Объект изучения: установка для демонстрации 3D голограммы.
Предмет исследования: законы геометрической оптики, знания которых, позволят объяснить появление голографического псевдоизображения в смоделированной установке.
Гипотеза исследования: зная законы геометрической оптики, можно создать оптическую иллюзию – 3D голограмму.
Цель исследования: изучить законы геометрической оптики и создать голографическое изображение с помощью четырехгранной пирамиды, планшета и программы для демонстрации 3D – видео.
Задачи исследования:
изучить литературу и интернет-источники по теме проекта;
познакомиться историей развития и изучения оптики, с явлениями преломления и отражения света;
на основе проведенных опытов увидеть, какими свойствами обладает световой луч, проходя через границу различных веществ;
разработать и продемонстрировать установку для получения 3D изображения.
Глава 1 . История развития геометрической оптики.
Понятие светового луча.
Физическая природа световых явлений становилась предметом исследования людей с древних времен.
В настоящее время оптика – это раздел физики, в котором исследуется испускание света, его распространение в различных средах и взаимодействие с веществами.
Но первые представления древних ученых о свете были весьма наивны. Считалось, что из глаз выходят тонкие щупальца и как бы «ощупывают» предметы. Тогда под оптикой понимали науку о зрении.
Более двухсот лет шли ожесточенные споры о природе света. Одни, считали, что свет – это поток мельчайших частиц. Другие полагали, что свет – это волны эфира. В 1638 году вышел в свет труд "Диоптрика", где содержались законы распространения, отражения и преломления света. Декарт положил начало оптике как науке.
Лишь в 1905 г. физик Альберт Эйнштейн доказал, что свет обладает свойствами одновременно и частиц, и волн. После этого открытия стали понятны многие явления, которые до этого никак не могли объяснить.
Свет – это форма энергии, которую мы можем видеть.
Фотоны света, проникая в листья растений, вызывают химические реакции, необходимые для всего живого на Земле. В результате этих реакций выделяется кислород и поглощается углекислый газ.
Без света на Земле не было бы жизни!
Глава 2. Законы геометрической оптики.
Каким образом мы видим предметы?
Ответ прост! В наши глаза попадают световые лучи, отражаемые поверхностью предметов. Чтобы такие лучи возникли, нужен, прежде всего, источник света. В полной темноте мы ничего не увидим. Сначала на предмет должны упасть лучи от источника света, а затем от него во все стороны направятся отраженные лучи. Эти лучи и содержат информацию о внешнем виде предмета.
Для достижения поставленной цели мы провели ряд опытов:
Опыт 1.
В стакан с водой опустили палочку. Палочка кажется переломанной в месте перехода в воду. На самом деле палочка целая. А создает эту иллюзию явление преломления света.
Вывод: Когда лучи света попадают из воздуха в какую-то другую среду, они преломляются.
Ярким примером преломления света в природе является мираж. Мираж – уникальное природное явление, которое представляет собой оптический эффект и образуется тогда, когда свет отражается между неравномерно нагретыми, а потому – различными по плотности слоями воздуха.
Опыт 2. видео https://youtu.be/9urpBAbIGzY
Усложним задачу: на поверхность воды мы налили слой масла. Палочка распалась на три части.
Вывод: Различные прозрачные вещества, в зависимости от их плотности преломляют световые лучи по разному.
Преломление света связано с тем, что в разных средах свет распространяется с различной скоростью.
Опыт 3.
Пропустили свет от фонаря через зубья расчёски и через стакан с водой. По бумаге протянулись лучи. По краям они были совершенно прямые. Но те, что попали в стакан с водой сломались.
Вывод: В однородной среде, в данном случае в воздухе, лучи света остались прямыми.
Астрономической иллюстрацией прямолинейного распространения света и, в частности, образования тени и полутени может служить затенение одних планет другими.
Опыт 4.
Расположили зеркала таким образом, чтобы направленный на первое зеркало луч отразился в сторону второго зеркала, а затем к третьему.
Вывод: Свет не проходит через зеркальную поверхность. Он отражается от неё под прямым углом.
Благодаря зеркальному отражению на блестящих предметах появляются световые блики.
Явление полного внутреннего отражения широко используется в технике. На этом явлении основано применение гибких оптических волокон, по которым проходят световые лучи, многократно отражаясь от стенок.
Опыт 5. видео https://youtu.be/AsvCX1U9Xg0
В данном эксперименте свет проходит сквозь воздух, стекло, воду, снова через стекло, а затем обратно. И всякий раз, когда свет проходит из одной среды в другую, он преломляется.
Вывод: мы увидели не только преломление луча, но и его отражение от банки с водой как от линзы. Изображение стало перевернутым.
Таким образом, лучи света прямолинейны, могут преломляться и отражаться.
Глава 3. Моделирование установки для показа голографического видео.
Чтобы изготовить пирамиду для получения трехмерного изображения нам понадобились:
- схема изделия,
- пластиковая упаковка от CD-дисков, канцелярский нож , клей;
- планшет для запуска приложения;
- черный экран для лучшей видимости.
Голограмма, которую мы получаем в собранной голографической установке, - это четыре части видео, которые отражаются в четырех гранях призмы, сливаясь в одно объемное изображение.
Свет исходит с экрана планшета, падает на каждую грань пирамиды. Световые лучи частично преломляются, частично отражаются. Поэтому в центре пирамиды возникает мнимое изображение, как будто оно находится внутри. Мы буквально видим реальный объект, который на самом деле является объемной картинкой. Его можно обойти и рассмотреть со всех сторон.
Демонстрация пирамиды.
Проекционная 3D голограмма наглядна и реалистична, визуализирует любую идею, интерактивна, вовлекает и развлекает.
Так как контент создается в графических редакторах, видеоряд может быть абсолютно любым. Мы использовали готовое видео для демонстрации.
Приятного просмотра! https://youtu.be/f2z28kdKtxM
Заключение.
Мы создали проект на тему: «Иллюзия луча света. 3D–голограмма», так как эта тема показалась нам очень интересной и увлекательной.
В ходе проекта были рассмотрены вопросы о развитии и значении геометрической оптики в современном мире.
Практическим путем мы познакомились с явлениями преломления и отражения света. Доказали, что лучи света имеют прямолинейную направленность. Убедились, что световой луч, проходя через границу различных веществ преломляется, а от зеркальных поверхностей – отражается.
Мы изучили понятие голограммы, схему сборки установки для получения голографического изображения и смогли сделать рабочую модель данной установки для получения 3D видео.
Цель достигнута. Гипотеза подтверждена.
Список литературы
Булах С.: Голограмма. / https://infourok.ru/prezentaciya-individualniy-proekt-na-temu-gologramma-1400165.html
Буслова П.П.: Загадки оптики – голограммы / Международный школьный научный вестник. – 2017г., № 3 – 176 с.
Геттис Э.: Физика в школе / Физика классическая и современная. Геометрическая оптика. - №47, 2004 г. – с.35
Как создать голограмму своими руками? / http://iteach.vspu.ru/07-2016/10479/
Оптика. / https://studfiles.net/preview/5513038/
Прохоров А.М.: Преломление света // Большая советская энциклопедия / гл. ред. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия - 1978 г. – с 214
Зверева С.В.: В мире солнечного света. - Л.: Гидрометеоиз – 1988 г. – с. 65
Приложение 1.
Опыт 2 – просмотреть ВИДЕО https://youtu.be/9urpBAbIGzY
Опыт 5 - просмотреть ВИДЕО https://youtu.be/AsvCX1U9Xg0
Приложение 2.
Демонстрация пирамиды. ВИДЕО > https://youtu.be/f2z28kdKtxM