ТВОРЧЕСКИЙ ПРОЕКТ Радуга своими руками 7 кл Мязин Василий

1. Введение

1.1. Обоснование темы.

Уроки химии и физики отличаются от других тем, что там можно экспериментировать. Вот учебники выдали, а наборы «Юный химик» почему то не выдают Что такое спектрометр в школе только расскажут. Ведь это оборудование дорогое и его можно найти в лабораториях, а не как не в школе.

Тема дифракции интересна и занимательна, ведь даже элементарный спектр люминесцентной лампы очень красив и удивителен (рис.1 и 2). Многие школьники не изучали эту тему, а взрослые попросту забыли, но всё-таки необходимо приблизиться к раскрытию этой темы с помощью печатного материала и незамысловатых приборов собственного изготовления.

Многие от не понимания совершенно не видят результата, а он ведь очень велик. Даже самое примитивное, выгода, к примеру, скажите мне, зачем покупать современный спектрометр (рис.3) который стоит больше 3000 $, если можно собрать немного уступающий в точности спектрограф всего за 48 рублей?

Следующее, не все учителя знают, что можно заменить редкую спектрально - голографическую решётку обычным CD или DVD диском, который заметьте, не уступает средней (1 к 500) спектрально - голографической решётке.

А ещё можно, вместо обычного диска в школу принести готовую конструкцию спектрографа, а я очень сомневаюсь, что в какой-то школе есть стационарный цифровой прибор для проведения подобных измерений, хотя это возможно.

Если то, что было перед этим для вас не результат, то можно затеять всё это ради интереса, ведь ни кто не знает, что получиться у вас и что вы придумаете, чтобы добиться цели.

А теперь мы рассмотрим проблемы, которые решает этот прибор:

1. Дефицит приборов в школах на целый класс при проведении практической части урока.

2. Проблема растраты средств на средне стоящие спектрометры, которые по качеству изображения не отличаются от самодельного спектроскопа

3. Проблема понимания материала о дифракции учениками, за отсутствием наглядного примера.

Так для кого же предназначен этот проект?

В первую очередь для педагогов, потом для учеников, а после для обычного взрослого человека, если он этим увлекается, как хобби, например. Несмотря на то, что дифракцией начали заниматься с XIX века, она очень занимательна, хотя не продвинута в массы, а этот проект подтверждает её занимательность, и продвигает в массы.

1.2. Цели и задачи проекта.

1. Это изделие разработано для педагогов, учеников и обычного взрослого человека, это устройство им необходимо, чтобы повысить интерес к жизни.

2. С помощью этого устройства мы сможем развить и усовершенствовать навыки нахождения спектра света.

3. Получение опыта применения подобных устройств

4. Развитие познавательных интересов связанных с проектом

1.3. Разделы программ, используемые в проекте.

1. Физическая оптика.

2. Химия.

3. Технология. Разделы конструирование и моделирование из различных материалов.

1.4. Историческая справка.

Наука спектроскопия первоначально была инструментом исследованием спектра (рис.4) источников света, а также изучения взаимодействия между излучением и различными образцами вещества в видимом диапазоне длин волн электромагнитного излучения.

Первым был Исаак Ньютон, который в своём труде «Оптика», вышедшем в 1704 году, опубликовал результаты своих опытов разложения с помощью призмы белого света на отдельные компоненты различной цветности и преломляемости, то есть получил спектры солнечного излучения, и объяснил их природу, показав, что цвет есть собственное свойство света, а не вносятся призмой, как утверждал Роджер Бэкон в XIII веке. Фактически, Ньютон заложил основы оптической спектроскопии: в «Оптике» он описал все три используемых поныне метода разложения света — преломление, интерференцию и дифракцию, а его призма с коллиматором, щелью и линзой была первым спектроскопом.

Следующий этап наступил через 100 лет, когда Уильям Волластон в 1802 году наблюдал тёмные линии в солнечном спектре, но не придал своим наблюдениям значения. В 1814 году эти линии независимо обнаружил и подробно описал Фраунгофер (сейчас линии поглощения в солнечном спектре называются линиями Фраунгофера), но не смог объяснить их природу. Фраунгофер описал свыше 500 линий в солнечном спектре и отметил, что положение линии D близко к положению яркой жёлтой линии в спектре пламени.

В 1854 году Кирхгоф и Бунзен начали изучать спектры пламени, окрашенного парами металлических солей, и в результате ими были заложены основы спектрального анализа, первого из инструментальных спектральных методов — одних из самых мощных методов экспериментальной науки.

Оптический линейчатый эмиссионный спектр азота

Спектроскоп Кирхгоффа-Бунзена, (1860).

Работа Кирхгофа позволила объяснить природу фраунгоферовых линий в спектре Солнца и определить химический (или, точнее, элементный состав) его атмосферы.

Фактически, спектральный анализ открыл новую эпоху в развитии науки — исследование спектров как наблюдаемых наборов значений функции состояния объекта или системы оказалось чрезвычайно плодотворным и, в конечном итоге, привело к появлению квантовой механики.

В 1910 году были получены первые неэлектромагнитные спектры: Дж. Дж. Томсон получил первые масс-спектры, а затем в 1919 году Астон построил первый масс-спектрометр.

С середины XX века, с развитием радиотехники, получили развитие радиоспектроскопические, в первую очередь магниторезонансные методы — спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР-спектроскопия, являющаяся сейчас одним из основных методов установления и подтверждения пространственной структуры органических соединений), электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), циклотронного резонанса (ЦР), ферромагнитного (ФР) и антиферромагнитного резонанса (АФР).

Другим направлением спектральных исследований, связанным с развитием радиотехники, стала обработка и анализ первоначально звуковых, а потом и любых произвольных сигналов.

Исторически первые спектроскопы строились на принципе использования видимого света, подвергнутого разложению с помощью призмы, это устройство было изобретено германским учёным Йозефом Фраунгофером в начале XIX века. В 1821—1822гг. Фраунгофер описал явления в оптической дифракционной решетке и ее применение к определению длины световых волн.

Принцип работы.

Когда-то спектроскопы строились на принципе использования видимого света, подвергнутого разложению в спектр с помощью оптических призм или дифракционных решёток. Длина волны фиксировалась с помощью встроенной в прибор шкалы, её положение устанавливали по известным ярким спектральным линиям эмиссионного излучения отдельных веществ. Позже понятие было расширено, и теперь оно включает любые измерения интенсивности излучения как функции длины волны излучения (или частоты). Таким образом спектроскопия позволяет изучать взаимодействие излучения с веществом в переменной области частот. В дальнейшем возможности исследований были расширены.

С изобретением фотографической пленки был создан более точный прибор: спектрограф. Работая по такому же принципу, он имел фотокамеру вместо наблюдательной трубки. В середине двадцатого века камера сменилась трубкой электронного фотоумножителя, что позволило значительно увеличить точность и проводить анализ в реальном времени.

Современные спектрометры оснащены цифровыми камерами для просмотра в реальном времени, работают с компьютерами и коммутаторами, обладают встроенными охладителями и контрольными системами.

Предком спектрометра и спектрографа является спектроскоп.

Определение понятий.

• Спектроскоп — настольный прибор, позволяющий вручную просматривать различные участки спектра.

• Спектрометр — оптический прибор, используемый в спектроскопических исследованиях для накопления спектра, его количественной обработки и последующего анализа с помощью различных аналитических методов.

• Спектрограф — спектроскоп, оснащенный камерой для непрерывного

з
аписывания спектра.

Рис.4. Диапазон спектра.

Подробнее о главном компоненте - оптической призме и дифракционной решётке.

1. Оптическая призма.

Призма — оптический элемент из прозрачного материала (например, оптического стекла) в форме геометрического тела — призмы, имеющий плоские полированные грани, через которые входит и выходит свет. Свет в призме преломляется.

Д
исперсионные призмы используют в спектральных приборах для пространственного разделения излучений различных длин волн.

Рис.5. Принцип преломления

• Простая трехгранная призма (рис.5)

• Призма Броунинга-Рузерфорда

• Дисперсионная призма Аббе

• Призма Амичи (призма прямого зрения)

1. Дифракционная решётка.

Дифракционная решётка — оптический прибор, работающий по принципу дифракции света, представляет собой совокупность большого числа регулярно расположенных штрихов (щелей, выступов), нанесённых на некоторую поверхность.

Виды:

• Отражательные: Штрихи нанесены на зеркальную (металлическую) поверхность, и наблюдение ведется в отраженном свете

• Прозрачные: Штрихи нанесены на прозрачную поверхность (или вырезаются в виде щелей на непрозрачном экране), наблюдение ведется в проходящем свете.

Принцип действия:

Фронт световой волны разбивается штрихами решётки на отдельные пучки когерентного света (свет у которого разность фаз остается постоянной). Эти пучки претерпевают дифракцию на штрихах и интерферируют друг с другом. Так как для каждой длины волны существует свой угол дифракции, то белый свет раскладывается в спектр.

Расстояние, через которое повторяются штрихи на решётке, называют периодом дифракционной решётки. Обозначают буквой d.

Если известно число штрихов - N, приходящихся на 1 мм решётки, то период решётки находят по формуле: d = 1 / N мм.

Условия интерференционных максимумов дифракционной решётки, наблюдаемых под определенными углами, имеют вид:

, где d — период решётки,

α — угол максимума данного цвета,

k — порядок максимума,

λ — длина волны.

Характеристики:

Одной из характеристик дифракционной решётки является угловая дисперсия. Предположим, что максимум какого-либо порядка наблюдается под углом φ для длины волны λ и под углом φ+Δφ — для длины волны λ+Δλ. Угловой дисперсией решётки называется отношение D=Δφ/Δλ. Выражение для D можно получить, если продифференцировать формулу дифракционной решётки

Таким образом, угловая дисперсия увеличивается с уменьшением периода решётки d и возрастанием порядка спектра k.

Рис.6. Нарезка компакт-диска может считаться дифракционной решёткой.

Хорошие решётки требуют очень высокой точности изготовления. Если хоть одна щель из множества будет нанесена с ошибкой, то решётка будет бракована. Машина для изготовления решёток прочно и глубоко встраивается в специальный фундамент. Перед началом непосредственного изготовления решёток, машина работает 5-20 часов на холостом ходу для стабилизации всех своих узлов. Нарезание решётки длится до 7 суток, хотя время нанесения штриха составляет 2-3 секунды.

Дифракция на компакт-дисках. (Рис.6)

Поверхность компакт-диска представляет собой рельефную спиральную дорожку на поверхности полимера, шаг которой соизмерим с длиной волны видимого света. На такой упорядоченной и мелкоструктурной поверхности должны проявляться дифракционные и интерференционные явления, что и является причиной радужной окраски бликов компакт-диска, наблюдаемых в белом свете. Луч лазера занимает на компакт-диске настолько малую площадь,

Рис.7. Снятие металлического слоя.

что этот участок можно считать одномерной дифракционной решеткой, причем в этом случае решетка является фазовой. Она характеризуется постоянным шагом d, и условие максимумов определяется по формуле. Формула справедлива при нормальном падении луча на прозрачный диск. В случае СD - диска наблюдаются по два дифракционных максимума с каждой стороны падающего луча, в случае DVD - диска имеется только по одному максимуму с каждой стороны, что определяется различным расстоянием между дорожками. Для наблюдения дифракционных порядков на просвет используются диски со снятым металлическим слоем (рис.7). В случае металлизированных дисков, применяемых для записи информации, дифракцию можно наблюдать при отражении.

Дифракционную решётку применяют в спектральных приборах, также в качестве оптических датчиков линейных и угловых перемещений (измерительные дифракционные решётки), поляризаторов и фильтров инфракрасного излучения, делителей пучков в интерферометрах и так называемых «антибликовых» очках.

Применение спектроскопии

Применение спектроскопии может оказаться чрезвычайно увлекательным. Известно, что листья некоторых растений отражают только в определённом окне видимого диапазона волн, например лепестки орхидеи - 650–750 нм. Некоторые птицы и насекомые склонны к восприятию в ближнем ультрафиолетовом спектре.
Ещё в начале 1880-х гг. было замечено, что в присутствии УФ-излучения муравьи переносят свои личинки в более темные места или в те, что освещены светом с более длинными волнами.
Затем в середине 1900-х гг. было доказано, что пчелы и муравьи не только видят ультрафиолет как отдельный цвет, но и пользуются им как своеобразным небесным компасом. По результатам исследований последних 35 лет птицы, ящерицы, черепахи и многие рыбы обладают УФ-рецепторами в сетчатке. Совы видят мочу мышей отражающую ультрафиолет.
Кошки прекрасно видят ночью. Щелевидный зрачок полностью защищает кошачье зрение от избытка света днём. А для изучения спектра зрения, наши подопытные друзья всегда рядом. Разумеется, что экспериментировать надо аккуратно, не позволяя мощным сфокусированным потоком поражать зрение питомцев.

Обычное оконное стекло имеет свойство поглащать ультрафиолет, пропуская лишь самую ближнюю его часть спектра с заметным ослаблением. Разумеется, это зависит от толщины и марки стекла.

Спектроскопы часто используются в астрономии и некоторых направлениях химии. Их основные области применения:

• Научные исследования

• Контроль качества на производстве

• Экология и охрана окружающей среды: определение тяжелых металлов в почвах, осадках, воде, аэрозолях и др.

• Геология и минералогия: качественный и количественный анализ почв, минералов, горных пород и др.

• Металлургия и химическая индустрия: контроль качества сырья, производственного процесса и готовой продукции

• Лакокрасочная промышленность: анализ свинцовых красок

• Ювелирная промышленность: измерение концентраций ценных металлов

• Нефтяная промышленность: определение загрязнений нефти и топлива

• Пищевая промышленность: определение токсичных металлов в пищевых ингредиентах

• Сельское хозяйство: анализ микроэлементов в почвах и сельскохозяйственных продуктах

• Археология: элементный анализ, датирование археологических находок

• Искусство: изучение картин, скульптур, для проведения анализа и экспертиз

2.Поисково-исследовательский этап.

2.1.Выбор изделия.

Я выбрал изготавливать именно это изделие, потому что первый опытный образец, который я нашёл на просторах интернета, после собрал, в силу своей конструкции и составных элементов не отличался точностью и качеством. У этого прибора очень незамысловатое назначение, разбивать луч света на спектр. Этот прибор в основном применяется в физической оптике.

Проще всего в домашних условиях изготовить дифракционный спектрометр. Простейший спектрометр можно сделать из коробки от конфет и доступной дифракционной решетки. Простую дифракционную решетку можно изготовить из обычного компакт-диска (DVD или СD).

Можно сделать вот такой: из любого телефона с камерой

Но я выбрал другую конструкцию и другой материал, более прочный и современный – черные металлопластиковые трубы в качестве корпуса спектрометра. Сложность проекта можно оценить исходя из 10 бальной системы, примерно 7/10, т.к. необходимо было совместить щель с дифракционной решёткой, а это всё с отводом в 45º.

С технической точки зрения, сам подбор и сборка были не простыми т.к. основные принципы изготовления изделия написаны на английском языке, потому что в Росси не слишком развита эта ветвь.

Что касается научной сложности, её можно оценить 9/10 т.к. до сборки этого прибора и составления описания совершенно не был знаком с этой частью науки, но ведь почти у каждого человека, есть «волшебная книга» в виде интернета, где всё описано и рассказано и именно он помог мне всё это осмыслить и сделать практически.

2.2. Выбор элементов и материала

Нам пригодятся следующие изделия:

1. Пластиковая труба — 250мм, Ø50мм

2. Отвод — 45º, Ø50мм

3. Прозрачный диск

4. Изолента

5. Чёрный картон

6. Чёрная бумага

7. Клей (универсальный)

8. Лезвие от бритвы

2.3.Инструменты и оборудование:

Из инструментов требуется:

1. Циркуль — для того, чтобы нарисовать два ровных круга с разным диаметром.

2. Линейка — для того, чтобы измерять длину линий, их чертить и расчерчивать отверстия в кругах.

3. Карандаш — для того, чтобы разметить отверстия в картонных кругах.

4. Тонкий маркер — необходим, чтобы отметить ровный квадрат на диске, т.к. по такой поверхности карандаш не пишет

5. Ножницы — чтобы вырезать эти два круга и проделать отверстия в них, ещё, чтобы вырезать из диска нужный кусок.

6. П
   лоскогубцы — для того, чтобы разломить лезвие от бритвы на две части.

3.Технолого-конструкторский этап.

3.1.Технология изготовление спектрометра

После того как я изучил конструкцию и технологию изготовления спектрометра, я смело взялся за, вооружившись материалами и инструментами. Итак, последовательность моих действий:

1. Согласно имеющимся трубам я создал сборочный чертеж своей конструкции

Чертёж изделия:

1. Затем измерил диаметры переднего и заднего отверстий трубы. (Они разные т.к. передние отверстие предназначено для состыковки с предполагаемой трубой.)

2. На основе полученных данных, я начертил два круга . И выполнил прорисовку необходимых отверстий внутри кругов.

1. Далее выполнил разметку нужного квадрата диска и вырезание этого квадрата.

5. Потом я вырезал отверстия в кругах картона и приклеил квадрат к меньшему кругу с прямоугольным отверстием

6. На большем круге уже есть щель, но т.к. у меня в качестве материала картон, а это волокнистая материя и после прорезания щели она может размохриться, я намеренно делаю эту щель шире. Вот здесь мне и пригодится лезвие бритвы.

7. Лезвие затем разламываю плоскогубцами на 2 половинки (аккуратнее оно может быть очень острым), и состыковываю их острыми сторонами друг к другу, так чтобы они образовывали щель до 1 мм - 1,5 мм (лезвия закрепляю изолентой).

8. Беру лист чёрной бумаги, скручиваю его в рулон, вставляю его в трубу, вынимаю, полученный диаметр листа закрепляю изолетой, а после снова вставляю в трубу рулон, обмазывая его клеем. (Эта мера необходима для того, чтобы свет менее отражался (пример с белым листом).

9. Теперь я имею 2 основные части этого прибора.

Отмечаю на шве трубы точку (по ней будем ориентироваться). В переднее отверстие трубы вставляю большой круг с разрезом и лезвиями (отверстие должно одним из концов показывать на точку), закрепляю изолентой. В заднее отверстие вставляю меньший круг с прямоугольником диска, закрепляем также изолентой. Необходимо, чтобы одна из больших сторон была перпендикулярна тому узкому отверстию. Важно, чтобы эта закрытая конструкция не пропускала свет, за исключением двух отверстий в кругах, поэтому использую изоленту.

10. И последнее, вставляю отвод в 45º со стороны маленького круга с прямоугольным отверстием, для удобности просмотра, т.к. дифракция через диск происходит только под оперделённым углом, как раз ~ в 45º.

3.2.Техническая карта

4.Заключительный этап.

4.1.Экономический расчёт

По этой таблице можно судить о малой стоимости прибора, который будет востребован и необходим.

4.2.Экологическая экспертиза

Это изделие абсолютно безопасное, потому что во-первых изделие никогда ни чем не красилось, во вторых основная несущая конструкция выполнена из металлопластиковой трубы, ведь она предназначена и для холодной и горячей воды, для питьевой и сточной, а если через эту трубу предположительно должна была проходить питьевая вода, то при любых условия эксплуатирования они абсолютно безопасны. Самое опасное из составных частей это бритва, потому что можно порезаться.

При использовании этого оптического прибора необходимо помнить, что опасно смотреть на Солнце не защищённым взглядом, советую при таких опытах одевать тёмные очки или просто смотреть через фотоаппарат или через видеокамеру. В остальном это полностью безопасный предмет из экологически чистых материалов.

4.3.Самооценка творческого проекта

Поначалу я самостоятельно нашёл, осмыслил и собрал изделие. А потом учитель технологии в нашей школе Татьяна Егоровна предложила написать мне творческий проект на это изделие и поучаствовать в олимпиаде, я. конечно, согласился. Вскоре, после упорных трудов получился целостный проект, в деталях описывающий собранное изделие. И тут у меня мелькнула мысль, а вдруг кто-нибудь захочет задать такой вопрос: «А если бы пришлось выполнять проект снова, чтобы вы изменили?» Я бы ответил: «Ничего, потому что этот проект можно назвать цельной сформировавшейся структурой в которой всё взаимосвязано.»

Я считаю, что проект получился на славу т.к. он хорошо проиллюстрирован, отлично воспринимается неподготовленным человеком, и ещё в него вложено много моих сил и усердия. Я практически создал прибор для кабинета физики. И я получил огромное удовольствие и удовлетворение от выполненной работы.

Ещё я получил множество знаний о дифракции и вообще оптической физики в целом, хотя в школе я только начал знакомиться с предметом «Физика».

Я буду очень рад, если человек, прочитавший этот проект, получит для себя много интересного и полезного в жизни.

4.4. Реклама

Создай свой спектрометр и…

Используемая литература и сайты: (к 1 и 2 этапу)

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/ Фраунгофер,_Йозеф

2. http://ru.wikipedia.org/wiki/ Спектроскоп

3. http://ru.wikipedia.org/wiki/ Спектрометр

4. http://ru.wikipedia.org/wiki/ Дифракционная_решётка

5. http://ru.wikipedia.org/wiki/ Дисперсия_света

6. http://ru.wikipedia.org/wiki/ Призма_(оптика)

7. Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Т. IV. Оптика.

8. Тарасов К. И., Спектральные приборы, 1968

9. http://licrym.org/index.php/ Дифракционный_спектроскоп

Содержание

1. Введение

1. Обоснование темы.

2. Цели и задачи проекта

3. Разделы программ, используемые в проекте

4. Историческая справка

1. Поисково-исследовательский этап

   1. Выбор изделия

   2. Выбор элементов и материала

3. Технолого-конструкторский этап

3.1. Технология изготовление спектрометра

3.2.Техническая карта

4. Заключительный этап.

4.1.Экономический расчёт

4.2.Экологическая экспертиза

4.3.Самооценка творческого проекта

4.4. Реклама

Используемая литература и сайты