IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Экспериментальное исследование поглощения и рассеяния света туманом
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В последние годы в промышленно развитых странах активно ведутся работы по созданию новых типов внешних осветительных приборов различных транспортных средств. На сегодняшний день разработано множество таких осветительных приборов, но, тем не менее, данная тема по-прежнему не теряет своей актуальности и в настоящее время [1]. Осветительным приборам уделяется большое внимание в связи с достаточно большим их разнообразием. В современных автомобилях используются лампы накаливания, галогенные лампы, ксеноновые лампы и светодиоды. Особым интересом пользуются светодиодные излучатели. Мощные светодиоды имеют способность излучать с интенсивностью в 70—100 лм при электрической мощности в 1 Вт. Природные условия являются одним из важнейших факторов безопасности дорожного движения. Видимость дороги определяется временем суток, географией местности, а также погодными условиями. В частности, в Волгограде и Волгоградской области очень часто возникают туманы, что очень сильно снижает видимость дороги. Поэтому необходимо использовать фары, отвечающие требованиям ГОСТа [7]. С целью улучшения видимости дороги во время тумана автомобили оборудуют противотуманными фарами. Однако в настоящее время можно увидеть на дорогах автомобили с различным цветом противотуманных фар и светом различных оттенков.
Цель настоящей работы заключается в экспериментальном исследовании поглощения и рассеяния света различных длин волн, испускаемого светодиодам, туманом. Объектом данного исследования является поглощение и рассеяние света. Предмет исследования – световое излучение, создаваемое светодиодом. Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
проанализированы достоинства и недостатки существующих внешних осветительных приборов, используемых на различных транспортных средствах,
экспериментально исследовано и проанализировано поглощение и рассеяние света светодиодов, излучающих различные длины волн видимого света в искусственно созданном тумане,
проанализированы возможные способы применения полученных результатов, их достоинства и недостатки.
Практическое значение исследования заключается в экспериментальном исследовании поглощения и рассеяния света различных длин волн туманом, что может быть использовано при проектировании противотуманных фар для различных транспортных средств. Результаты исследования могут быть также использованы при чтении лекций в ВУЗах и на элективных курсах при изучении волновой оптики и квантовой физики в классах физико-математического профиля.
Глава 1: «Внешние осветительные приборы транспортных средств»
1.1. Основные осветительные приборы на транспортных средствах
Фара — электрический светотехнический прибор, используемый на транспортном средстве и применяющийся для освещения дороги. На специальной технике может использоваться для освещения места проведения работ. Обычно фара размещается спереди транспортного средства, на специальной технике может быть и сзади, а также иметь поворотный механизм. Каждое транспортное средство должно иметь не менее 1 пары фар установленных симметрично относительно продольной оси транспортного средства [4]. Создаваемый фарой ближний свет не слепит встречных водителей, благодаря чему включение этих фар используется при разъезде автомобилей. Использование только ближнего света на больших скоростях движения автомобиля невозможно из-за ограниченной видимости дороги, поэтому в ночное время суток при приближении водители переключают фары из режима дальнего света на ближний, а после разъезда восстанавливают дальний свет.
С 2010 года требуется использовать ближний свет при движении не только на трассах, но и в городах. Это правило пришло в Россию из стран Европы.
Дальний свет распространяется мощным пучком параллельно полотну дороги и рассчитывается для освещения большей площади дороги. Из-за этих своих особенностей дальний свет должен выключаться при сближении с встречным автомобилем во избежание ослепления водителя.
Фонари сигнала поворотов размещаются на углах автомобиля, реже по бокам. Используются для предупреждения других водителях о совершении поворота, разворота или перестроения. Цвет излучаемого фонарями света должен быть янтарный. Начиная со своего первого появления электрических поворотов в 1907 году и началом их промышленного применения с 1939 года наличие этих светотехнических приборов на автомобиле обязательно.
Задние габаритные огни используются для обозначения транспортного средства в темное время суток и в условиях недостаточной видимости. В условиях тумана и плохой видимости используются совместно с задними противотуманными фонарями. Цвет задних габаритных огней красный. На автомобилях используется пара расположенных по обе стороны на одной линии. При этом нормируются углы обзора излучаемого света и стороны. Для высоких транспортных средств, например, автобусов, обязательно наличие габаритных огней вверху как можно ближе к краям.
Стоп-сигнал обязательно красного цвета включается при нажатии водителем на педаль тормоза. Мощность излучения стоп-сигнала выше, чем у габаритных огней. Необходима установка двух стоп-сигналов по обе стороны автомобиля.
Противотуманные фары создают широкий горизонтальный пучок света, идущий параллельно дороге, как бы подстилаясь под туман. Цвет излучаемого фарами света может быть как белый, так и отборный жёлтый. Фары используются для увеличения освещенности дорожного покрытия и обочины в темное время суток и в условиях недостаточной видимости из-за дождя, тумана, пыли или метели. Кроме того, противотуманные фары можно использовать в светлое время суток с целью обозначения вместо ближнего света фар, и ночью даже в условиях хорошей видимости, так как они благодаря широкому пучку хорошо освещают обочину. Из-за своего устройства в туман разумней их использовать отдельно от включения ближнего света, так как это уменьшает самоослепление водителя от стены тумана или падающего снега, но по правилам включение противотуманных фар в темное время суток обязательно должно сопровождаться включением ближнего или дальнего света фар [1].
1.2. Достоинства и недостатки внешних осветительных приборов
В последнее время стало популярным использование на автомобилях так называемых ксеноновых и светодиодных ламп. Ксеноновые и светодиодные лампы обладают световым потоком в два раза больше чем у стандартной галогеновой. А вот срок эксплуатации таких ламп в несколько раз больше.
Отсутствие нити накала обеспечивает высокую вибростойкость ламп. В дождливую и туманную погоду очень важно иметь хороший обзор, так как излучаемый свет большую световую интенсивность, то и водитель имеет лучший обзор дороги. Опять таки за счёт своего спектрального излучения лампы позволяют видеть объекты которые находятся на обочине дороги и на проезжей части на значительно удалённом расстоянии. Даже в туман и дождь лампы освещают полотно дороги, а не капли дождя [4].
К недостатку ламп можно отнести – дороговизну и приблизительно через 200 часов у них изменяется спектр излучения. У ксеноновых и светодиодных ламп очень велика вероятность ослепления встречных водителей.
Но, тем не менее, у ксеноновых и светодиодных лам есть ряд достоинств.
Лампы излучают в два раза больше света, чем галогеновая лампа и в то же время потребляют меньше энергии, что снижает нагрузку на генератор.
Водитель видит более отчетливо, а у автомобиля остается больше энергии для других функции.
Ксеноновое и светодиодное освещение делает автомобиль безопаснее и для окружающей среды, так как меньше потребление энергии означает уменьшение потребление топлива и снижение выбросов вредных веществ в атмосферу.
Глава №2: «Поглощение и рассеяние света в мутной среде»
При прохождении световой волны через вещество часть энергии волны затрачивается на возбуждение колебаний электронов [3, 8]. Частично эта энергия вновь возвращается излучению в виде вторичных волн, порождаемых электронами; частично же она переходит в энергию движения атомов, т. е. во внутреннюю энергию вещества. Поэтому интенсивность света при прохождении через вещество уменьшается — свет поглощается в веществе.
Опыт показывает, что интенсивность света при прохождении через вещество убывает по экспоненциальному закону:
, (1)
где I – интенсивность света на выходе из поглощающего слоя (на границе или в каком-то месте внутри вещества),
I0 - интенсивность света на входе в поглощающий слой,
l — толщина слоя,
χ — постоянная, зависящая от свойств поглощающего вещества и называемая коэффициентом поглощения.
Соотношение (1) носит название закона Бугера.
Из формулы (1) вытекает, что при l=l/χ интенсивность I оказывается в e раз меньше, чем I0. Таким образом, коэффициент поглощения есть величина, обратная толщине слоя, при прохождении которого интенсивность света убывает в e раз.
Коэффициент поглощения χ зависит от длины волны света λ. У вещества, атомы (или молекулы) которого практически не воздействуют друг на друга (газы и пары металлов при невысоком давлении), коэффициент поглощения для большинства длин волн близок к нулю и лишь для очень узких спектральных областей (шириной в несколько сотых ангстрема) обнаруживает резкие максимумы (рис. 1а).
а) б)
Рисунок 1 – Зависимость коэффициента поглощения зависит от длины волны света λ
Эти максимумы соответствуют резонансным частотам колебаний электронов внутри атомов. В случае многоатомных молекул обнаруживаются также частоты, соответствующие колебаниям атомов внутри молекул.
Газы при высоких давлениях, а также жидкости и твердые тела дают широкие полосы поглощения (рис. 1б). По мере повышения давления газов максимумы поглощения, первоначально очень узкие (рис. 1а), все более расширяются, и при высоких давлениях спектр поглощения газов приближается к спектрам поглощения жидкостей. Этот факт указывает на то, что расширение полос поглощения есть результат взаимодействия атомов друг с другом.
Металлы практически непрозрачны для света (коэффициент χ для них имеет значение порядка 10-6 м-1; для сравнения укажем, что для стекла χ≈1 м-1).
Это обусловлено наличием в металлах свободных электронов. Под действием электрического поля световой волны свободные электроны приходят в движение — в металле возникают быстропеременные токи, сопровождающиеся выделением ленц-джоулева тепла. В результате энергия световой волны быстро убывает, превращаясь во внутреннюю энергию металла.
С классической точки зрения процесс рассеяния света заключается в том, что свет, проходящий через вещество, вызывает колебания электронов в атомах. Колеблющиеся электроны возбуждают вторичные волны, распространяющиеся по всем направлениям. Это явление, казалось бы, должно при всех условиях приводить к рассеянию света. Однако вторичные волны являются когерентными, так что необходимо учесть их взаимную интерференцию.
Вторичные волны не погашают друг друга в боковых направлениях только при распространении света в неоднородной среде. Световые волны, дифрагируя на неоднородностях среды, дают дифракционную картину, характеризующуюся довольно равномерным распределением интенсивности по всем направлениям. Такую дифракцию на мелких неоднородностях называют рассеянием света.
Среды с явно выраженной оптической неоднородностью носят название мутных сред. К их числу относятся: 1) дымы, т.е. взвеси в газах мельчайших твердых частиц; 2) туманы — взвеси в газах мельчайших капелек жидкости; 3) взвеси или суспензии, образованные плавающими в жидкости твердыми частичками; 4) эмульсии, т.е. взвеси мельчайших капелек одной жидкости в другой, не растворяющей первую (примером эмульсии может служить молоко, представляющее собой взвесь капелек жира в воде); 5) твердые тела вроде перламутра, опалов, молочных стекол.
В результате рассеяния света в боковых направлениях (рис. 2) интенсивность в направлении распространения убывает быстрее, чем в случае одного лишь поглощения. Поэтому для мутного вещества в выражении, наряду с коэффициентом поглощения должен стоять добавочный коэффициент, обусловленный рассеянием:
, (2)
где постоянная χ` - коэффициент рассеяния.
Рисунок 2. - Рассеяние света
Глава 3: «Экспериментальное исследование поглощения и рассеяния света туманом»
Для решения второй задачи данной работы была собрана установка, состоящая из светонепроницаемой трубки (медицинский шприц объемом 150 мл). На одном из торцов установлен фоторезистор, подключенный к цифровому мультиметру (приложение А). Во втором эксперименте вместо фоторезистора устанавливался датчик освещенности из лаборатории Архимед 4.0 (приложение Б), показания которого обрабатывались с помощью компьютерной программы MultiLab4.
На другом торце устанавливались светодиоды, излучающие свет различной длины волны. Светодиоды выбраны в качестве источников света, так как излучают свет в узком диапазоне частот. Туман моделировался химическим дымом, выделяемым в ходе химической реакции разложения перекиси водорода на воду и кислород, а также большим выделением тепла
. (3)
Оксид марганца в данной реакции выступает в качестве катализатора при разложении перекиси.
В первом эксперименте в качестве приемника света использовался фоторезистор, подключенный к источнику тока напряжением 4,5 В. Производилось измерение изменения силы тока на фоторезисторе, а, следовательно, и его сопротивления, в зависимости от цвета светодиода.
Зависимость величины поглощения и рассеяния света туманом от цвета оценивалась в ходе эксперимента по разнице сопротивления фоторезистора без тумана и при наличии тумана в трубке.
Результаты эксперимента представлены в таблице.
Таблица 1. – Изменение силы тока и сопротивления фоторезистора в зависимости от цвета светодиода
|
Цвет |
I1, мкА |
I2, мкА |
ΔI, мкА |
ΔR, МОм |
|
Белый |
1200 |
39 |
1161 |
0,003876 |
|
Желтый |
230 |
15 |
215 |
0,02093 |
|
Синий |
145 |
17 |
128 |
0,035156 |
|
Красный |
200 |
135 |
65 |
0,069231 |
|
Зеленый |
36 |
16 |
20 |
0,225 |
I1 – величина силы тока, протекающего через фоторезистор, в момент отсутствия тумана в трубке,
I2 – величина минимального значения силы тока, протекающего через фоторезистор, в процессе впускания тумана в трубку,
ΔI – изменение силы тока на фоторезисторе в процессе пропускания тумана,
ΔR – изменение сопротивления фоторезистора в процессе пропускания тумана.
Полученные результаты эксперимента наглядно представлены с помощью диаграммы (рис. 3).
Рисунок 3. - Диаграмма зависимости разности сопротивлений фоторезистора от длины волны света, проходящего сквозь туман
В ходе первого исследования получены следующие результаты:
Свет, соответствующий длине волны красного и зеленого цвета, проходит сквозь туман с наименьшим поглощением и рассеянием.
Результаты исследования убедительно показывают, что цвет противотуманных фар необходимо делать ближе к красному. Зеленый цвет с еще меньшим рассеянием не подходит, так как при таких же параметрах обладает самой маленькой интенсивностью. Но так как красный цвет спереди автомобиля запрещен, то в качестве противотуманных фар можно использовать оранжево-желтые цвета, которые также обладают достаточно высокой интенсивностью света.
Таким образом, результаты работы объясняют установку на автомобили противотуманных фар желтого цвета, в чем и заключается практическая значимость проведенного исследования.
Во втором эксперимента были получены графические зависимости освещенности, даваемой светодиодом, с течением времени от концентрации тумана в воздухе, создаваемого химической реакцией. В качестве источников светов взяты светодиоды, излучающие в областях синего, желтого, красного и зеленого цветов, а также светодиод, излучающий белый свет.
Результаты опытов показаны на графиках (рис. 3, 4, 5, 6, 7).
Рис. 3 – Зависимость освещенности, даваемой белым цветом, от времени.
Рис. 4 – Зависимость освещенности, даваемой красным цветом, от времени.
Рис. 5 – Зависимость освещенности, даваемой синим цветом, от времени.
Рис. 6 – Зависимость освещенности, даваемой желтым цветом, от времени.
Рис. 7 – Зависимость освещенности, даваемой зеленым цветом, от времени.
Данные графики показывают, что когда туман постепенно поступал в трубку, во всех случаях освещенность падала не мгновенно, а с определенной скоростью. Причем время для всех цветов примерно одинаковое, т.е. концентрация кислорода (образование тумана) увеличивалась с одинаковой скоростью. Во всех случаях изменение освещенности происходило по экспоненте. Это видно из рисунка 8. Во всех случаях экспоненциальная аппроксимация наиболее правильно описывала полученный результат. Различные пики и резкие падения на графиках связаны с тем, что в процессе эксперимента туман неравномерно заполнял все пространство. Как следствие, поглощение и рассеяние света в каждой точке пространства происходило со скоростями, которые отличались друг от друга по значению.
а) б) в) г) д)
Рис. 8. – Аппроксимация графиков функции освещенности для а) белого цвета, б) красного цвета, в) синего цвета, г) желтого цвета, д) зеленого цвета
Если брать усредненные максимальные и минимальные значения освещенности во всех опытах, то, используя закономерность Бугера, получаются для всех случаев усредненные значения коэффициента, включающегося в себя одновременно поглощение и рассеяние света.
Результаты, полученные с помощью графиков, представлены в таблице.
Таблица 2. – Зависимости изменения освещенности, времени, коэффициента поглощения и рассеяния от цвета светодиода.
|
Цвет |
E0, лк |
E, лк |
E0/E, лк |
χ, м-1 |
Δt, с |
|
Зеленый |
1,9 |
0,88 |
2,159091 |
10,2625 |
1 |
|
Синий |
33,99 |
10,99 |
3,092812 |
15,05441 |
1,68 |
|
Красный |
11,28 |
2,64 |
4,272727 |
19,36336 |
2,44 |
|
Белый |
48,06 |
6,74 |
7,130564 |
26,19187 |
2,44 |
|
Желтый |
23,15 |
1,17 |
19,78632 |
39,79988 |
1,52 |
В таблице E0 – освещенность, даваемая светодиодом в отсутствии тумана, E – минимальная освещенность, ΔE – изменение освещенности, Δt – время, в течение которого освещенность падает с максимального значения до минимального, χ – коэффициент, который включает в себя сумму коэффициентов поглощения и рассеяния света.
Используя связь между освещенностью и интенсивностью света (4), а также формулу (2), получено выражение для определения коэффициента χ (включает в себя сумму коэффициентов поглощения и рассеяния света):
(5),
где l – расстояние от светодиода до датчика освещенности (в данном случае l=0,15 м).
С помощью программы Excel построена диаграмма, в которой видно, как меняется коэффициент поглощения и рассеяния света туманом в зависимости от длины волны.
Рис. 9 - Диаграмма зависимости коэффициента поглощения и рассеяния света от длины волны света, проходящего сквозь туман
В ходе второго исследования получены следующие результаты:
Свет, соответствующий длине волны красного, синего и зеленого цвета, обладает наименьшим коэффициентом поглощения и рассеяния, чем белый и желтый цвета, что совпадает с результатами первого эксперимента.
Результаты второго исследования также убедительно показывают, что цвет противотуманных фар необходимо делать по спектру ближе к красному, несмотря на то, что у синего и зеленого цветов коэффициент поглощения и рассеяния меньше. Синий и зеленый цвета, как показывает теория и практика, по сравнению с красным цветом, при одинаковых внешних параметрах, обладают меньшей интенсивностью.
Заключение
Внешние осветительные приборы на автотранспортных средствах устанавливают согласно ГОСТам. Большое значение при этом уделяется вопросу, насколько хорошо они освещают дорогу при движении. По этой причине, одной из проблем также является освещение дороги при неблагоприятных условиях, например, в тумане. В работе экспериментально показано, что происходит со светом различных длин волн при возникновении тумана.
Показаны зависимости поглощения и рассеяния света туманом от его длины волны. В обоих экспериментах наименьшим рассеянием и поглощением обладает свет зеленого цвета. Экспериментально подтвержден закон Бугера . Во втором эксперименте освещенность и, следовательно, интенсивность света уменьшалась экспоненциально.
К недостаткам работы можно отнести, что в обоих экспериментах невозможно учесть внешние факторы: ограниченные размеры трубки, что приводит к дополнительным поглощениям света, исходящего от светодиода; размеры фоторезистора и датчика освещенности имеют ограниченные размеры, из-за чего не все излучение ими воспринималось.
Необходимо также отметить, что результаты, полученные в проведенном исследовании, могут быть использованы на элективных курсах по физике и факультативах при изучении волновой оптики.
Литература.
ГОСТ Р51709-2001 «Автотранспортные средства. Требования безопасности к техническому состоянию и методы проверки»
Гуторов М. М. Основы светотехники и источники света: Учеб. пособие для вузов. — 2-е изд., доп. и перераб. — М.: Энергоатомиздат, 1983, с. 384
Туревский И.С., Соколов В.Б., Калинин Ю.Н. Электрооборудование автомобилей: учебное пособие. – М: ИД «ФОРУМ»: ИНФА –М, 2009. – 368с: ил.
Енохович, А.С. Справочник по физике и технике [текст] // А.С. Енохович - М.: Просвещение, 1989г.
Самин, Д. К. Сто великих научных открытий [текст] // Д. К. Самин - М.: Вече, 2002 г.
ГОСТ 8769-75 (CT СЭВ 4122-83) Приборы внешние световые автомобилей, автобусов, троллейбусов, тракторов, прицепов и полуприцепов. Количество, расположение, цвет, углы видимости.
Шифрин К.С. Рассеяние света в мутной среде: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1951, с. 288
Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М: Физматлит, 2005. — Т. IV. Оптика. — С. 636
Савельев И. В. Курс общей физики: Учеб. пособие. В 3-х т. Т. 2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. — 3-е изд., испр. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. — с. 496
Приложения
Приложение А. – Установка для проведения первого эксперимента по изучению поглощения и рассеяния света туманом.
Приложение Б. – Установка для проведения второго эксперимента по изучению поглощения и рассеяния света туманом.