VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Модели перископа
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1.Введение
Когда нам предложили выбрать тему для проектной работы, меня заинтересовала тема «Перископ». Я ознакомилась с научно-методическим материалом по этой теме и решила попробовать сделать разные модели перископа. Это интересный оптический прибор, с помощью которого можно проводить незаметные наблюдения, сделать невидимое видимым.
Актуальность: оптические системы нашли широкое применение в медицине, промышленности, военной отрасли, науке. Необходимо познакомиться с принципами действия простейших оптических приборов, чтобы понять, как действуют более сложные. Показать как можно использовать различные модели перископов в действии ( на уроках, во время наблюдения в жизни)
2.Постановка и решение задач
Предмет исследования: оптический прибор - перископ.
Гипотеза: в основе работы перископа лежит закон отражения света.
Цель – создать модели перископа.
Задачи:
Исследовать принцип действия перископа.
Познакомиться с разными конструкциями перископа и основными законами геометрической оптики, которыми объясняется получение изображений с помощью перископа.
Смоделировать ход лучей в перископе.
Доказать при помощи перископа, что он может сделать невидимое видимым.
Решение поставленных целей и задач расширило мой кругозор, я научилась моделировать явления, научилась планированию и постановке физического эксперимента.
Методы исследования:
эмпирического уровня: наблюдение; фотографирование; измерение; сравнение.
экспериментально-теоретического уровня: лабораторный опыт; анализ; моделирование;исторический ; логический
теоретического уровня: анализ и синтез; анализ текста.
3.Теоретическая часть
Историческая справка.
Перископ — оптический прибор для скрытного наблюдения, используется преимущественно в военных условиях, а также для улучшения обзора из мест, куда доступ наблюдателя физически затруднён или опасен. Название прибора «перископ» произошло от слияния двух греческих слов, в переводе означает «смотрю вокруг».
Перископы могут быть различных конструкций. Самый простой-это труба на концах которой под углом 450 градусов закреплены два зеркала. Более сложные перископы могут вместо простого зеркала использовать зеркальную призму и, а изображение получать с помощью системы линз.
История перископа насчитывает пять веков. Впервые он был испробован в 1430-х годах на фестивале в Аахене. С помощью этого прибора пилигримы в толпе могли смотреть поверх голов. Изобретатель устройства Иоганн Гутенберг. Позднее, в 1647 году, идея перископа встречается в работе Яна Гевелия под названием «Селенография, или описание Луны» и предлагается использовать его для военных целей (Рисунок 1) В 1854 году во Франции, ученый-изобретатель Ипполит Мария-Дэви сконструировал морской перископ по простейший схеме - труба и два зеркала. В США , в годы Гражданской войны (1861—1865 гг.) впервые успешно применялся призматический перископ на борту подводной лодки. Его конструктор - Томас Х. Доути. С течением времени военное применение перископов становиться все шире. Во время Первой мировой войны солдаты прикрепляли перископ к стволам своих винтовок, в Русской императорской армии использовались в комплекте с пулеметом «Максим», в этом случае перископ называли гипоскопом. Во Вторую мировую войну перископы использовались как в наземной технике - танках (немецкие «Тигры»), так и в подводной-обеспечивали круговой обзор линии горизонта для подводных лодок.
Виды перископов.
Перископы классифицируются:
а) по форме-простые (рисунок 2 ) и ступенчатые (рисунок 3 )
б) по применению -подводные (рисунок 4) и подземные (рисунок 5 )
Теоретическая база.
В основу работы перископа легли несколько законов геометрической оптики:
Закон распространения света:
Свет в оптически однородной среде распространяется прямолинейно. Доказательством этого закона является наличие тени с резкими границами от непрозрачных предметов при освещении их точечными источниками света (источники, размеры которых значительно меньше освещаемого предмета и расстоянии до него) (рисунок 6)
Закон отражения света
Лучи, падающие и отраженные, лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным к границе раздела двух сред в точке падения луча.
Угол отражения равен углу падения.( рисунок 7)
Свойства изображения в плоском зеркале.( рисунок 8)
Когда предмет находится перед зеркалом, то кажется, что за зеркалом находится такой же предмет. Изображением предмета называется то, что мы видим за зеркалом, оно прямое, равное по размерам предмету, на таком же расстоянии от зеркала, что и предмет, левая и правая части меняются местами, мнимое.( рисунок 9, 10)
Построение изображения в плоском зеркале.
1. Пусть перед зеркалом находится светящаяся точка S.
2.Из всех лучей, падающих из этой точки на зеркало, выделим три луча: SO, SO1 и SO2.
3.Каждый из этих лучей отражается от зеркала по закону отражения света
4.После отражения эти лучи расходящимся пучком попадают в глаз наблюдателя.
5. Продолжим отраженные лучи назад, за зеркало, они сойдутся в некоторой точке S1. Эта точка и является изображением точки S.(рисунок 11)
Лучи при отражении от зеркальной поверхности попадают к нам в глаз, создавая мнимое, прямое изображение в натуральную величину.
Глава II.
1.Исследование
Практическая работа №1
«Закон распространения света»
Цель: Проверить выполнение закона распространения света
Задачи: Познакомиться с законом распространения света. Выполнить работу по проверке закона распространения света.
Оборудование :лампа, источник тока, ключ, провода соединительные ,три экрана со щелью, линейка.
Ход работы:
Собрать электрическую цепь.(рисунок 12)
Получить тонкий световой пучок.
Расположить три экрана вдоль одной прямой.
Сдвинуть средний экран по отношению к крайним..
Сделать вывод.
Выполнение работы:
Собрали цепь по схеме.
Получила световой пучок
Видим, что луч свободно проходит сквозь три щели экрана.
Сдвинем средний экран с общей прямой. Луч не проходит. Если вернуть экран на одну линию с другими -свет опять проходит.
Вывод: Убедилась в выполнении закона распространения света: Свет в однородной прозрачной среде распространяется прямолинейно.
Практическая работа №2
«Исследование закона отражения света»
Цель: Проверить выполнение закона отражения света
Задачи: Познакомиться с законом отражения света.
Выполнить работу по проверке закона отражения света.
Оборудование :лампа, источник тока, ключ, провода соединительные ,экран, зеркало, диск-транспортир.
Ход работы:
Собрать электрическую цепь. Получить тонкий световой пучок.
Установить угол падения 150,300,450
Измерить углы отражения.
Сделать вывод.
Выполнение работы:
Собрали цепь по схеме.
Проведение измерений, данные в таблице .
|
Номер опыта |
Угол падения |
Угол отражения |
|
1 |
150 |
150 |
|
2 |
300 |
300 |
|
3 |
450 |
450 |
Вывод: Убедилась в выполнении закона отражения света: Лучи, падающие и отраженные, лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным к границе раздела двух сред в точке падения луча. Угол отражения равен углу падения.
Практическая работа №3
«Моделирование хода светового пучка в перископе»
Цель: Получить ход лучей в перископе.
Оборудование : лампа, источник тока, ключ, провода соединительные ,экран со щелью, два зеркала.
Ход работы:
Собрать электрическую цепь
Получить тонкий световой пучок.
Установить зеркало под углом450к направлению распространения светового пучка. Получить отраженный луч.
Поставить второе зеркало под углом 450 к направлению распространения отраженного луча.
Сделать вывод.
Вывод: Зеркало, расположенное под углом 450 к направлению распространения луча, разворачивает его на 900 , второе зеркало, выставленное под углом 450 к направлению распространения отраженного луча, поворачивает его еще на 900.Двойное отражение поворачивает и смещает луч, что позволяет проводить наблюдение из другого места, именно так идут лучи в перископе.
Глава III.
1.Модели перископов.
I. Схема простейшего перископа (рисунок 13)
Развертка перископа (рисунок 14)
1) Для перископа лучше взять более плотный картон или лист ватмана, чем больше формат, тем длиннее труба перископа.
2) Измерить линейкой длину и ширину зеркала.Например,2 зеркальца с длиной стороны4х5 см.
3) На картоне расчертили развертку. Ширина основных полос равна стороне зеркала (5 см). Оставить припуски для склеивания.
4) Все склеить клеем. Перископ готов. (рисунок 15)
II. Модель перископа с выдвижной трубой:
1.По размеру зеркала (10х10 см) были склеены несколько «коробок», которые могли без склеивания, как «Матрешки», быть соединены друг с другом (рисунок 16)
2.В одну из картонок вставлен поворотный механизм для зеркала, это позволяет изменять угол обзора.
3. С собранном виде перископ выглядит так (рисунок 17) Наблюдение объекта в перископ: попугай в клетке.(рисунок 18, 19)
III. Призматический перископ:
Вместо верхнего зеркала в нем используется зеркальная четырехугольная призма. Это позволяет получать картинку с четырех сторон - получается панорама(рисунок 20). Призма крепится сначала на плотном основании (картон, оргалит), а потом устанавливается на стойках, сделанных из тонкой, прочной проволоки. Если проволока будет толстой , то при наблюдении появятся «мертвые зоны» и обзор ухудшится Проволочные стойки укреплены по углам трубы. Они должны быть достаточно высоки, чтобы не затенять нижнее зеркало (рисунок 21). Сама призма должна иметь такие размеры граней, чтобы при склеивании они составляли с горизонтом угол 450. Одни из возможных параметров грани показаны в (рисунок 22)
В собранном виде перископ выглядит так (рисунок 23)
Заключение.
В результате выполнения проектной работы я узнала много нового и интересного. Познакомилась со свойствами световых лучей, проверила некоторые законы геометрической оптики экспериментально (закон прямолинейного распространения света и закон отражения света). Я узнала, как получается изображение в зеркале, и какими свойствами оно обладает. Смоделировала ход лучей в перископе и доказала, что в основе работы перископа лежит закон отражения света. Теперь я знаю, почему перископ может сделать невидимое видимым.
Сначала я хотела сделать одну модель, но при выполнении проекта узнала о возможных других конструкциях перископа и решила сделать и их модели. Я, как в кружке умелые руки, научилась читать простые чертежи, пользоваться стеклорезом, вырезать и склеивать детали перископа, а главное, добиваться, чтобы модель действовала.
Мои перископы можно демонстрировать на уроках физики и не только. Перископом можно воспользоваться для наблюдения. Если кто-то захочет выполнить проект, например по биологии, и ему будет необходимо незаметно провести наблюдения за животными, то он сможет воспользоваться моим прибором. Перископ можно взять на спортивные соревнования, на фестивали, туда, где много народа, и смотреть панораму над головами людей.
Очень часто, начиная знакомиться с простыми вещами узнаешь, что не так все просто, и становиться интересно понимать и объяснять происходящие явления.
Оптические явления разнообразны и проявляются во многих областях нашей жизни. Я хочу продолжить изучение оптических явлений и свойств света, которыми они объясняются, сделать модели других оптических приборов, смоделировать в лабораторных условиях оптические явления, которые лежат в основе их работы.
Библиография.
1.http://www.fizika.ru/laborant/index.php?theme=14&id=14301 Лабораторная работа по отражению света
2.https://www.yaklass.ru/p/fizika/8-klass/svetovye-iavleniia-131515/otrazhenie-sveta-zakon-otrazheniia-ploskoe-zerkalo-156192/re-4842a7c4-f573-4a74-8f69-71d5d1e7b437?allowOld=true теория по отражению света (доступно)
3.https://multiring.ru/lesson/view/800/izuchenie-svojstv-izobrazheniya-v-ploskom-zerkale#!show виртуальная лабораторная по изучению свойств изображения в плоском зеркале
4.http://www.fmclass.ru/phys.php?id=48f5fb32d124b теория изображение предмета в плоском зеркале
5.http://phscs.ru/physics9g/mirror расширенная теория
6.http://optika8.narod.ru/2.Pryamolineinoe_rasprostranenie.htm опыт по прямолинейному распространению света
7.http://www.eduspb.com/node/1800 теория закон прямолинейного распространения света
8.https://www.youtube.com/watch?v=PC4nl83jf4s видео создание модели перископа простого
9.http://the-mostly.ru/misc/vzglyad_na_vse_chetyre_storony.html описание перископа всестороннего
10.http://rifmovnik.ru/lib/4/book09.htm технический кружок, ветряной двигатель
https://ru.wikihow.com/%D1%81%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D0%B0%D1%82%D1%8C-%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B8%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%BF
https://ru.wikihow.com/сделать-перископ
11.https://www.google.ru/searchсхема электрической цепи
Приложение
Рисунок 1
Рисунок 2
Рисунок 3
Рисунок 4 Рисунок 5
Рисунок 6 Рисунок 7
Рисунок 8 Рисунок 9
Рисунок 10
Рисунок 11 Рисунок 12
Рисунок 13 Рисунок 14
Рисунок 15 Рисунок 16
Рисунок 17 Рисунок 18
Рисунок 19 Рисунок 20
Рисунок 21 Рисунок 22
Рисунок 23