Научно-исследовательский проект "Краски света"

АДМИНИСТРАЦИЯ МУНИЦИПАЛЬНОГО РАЙОНА

«ГОРОД ВАЛУЙКИ И ВАЛУЙСКИЙ РАЙОН»

БЕЛГОРОДСКОЙ ОБЛАСТИ

УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

Муниципальное общеобразовательное учреждение «Колосковская средняя общеобразовательная школа» Валуйского района Белгородской области

Муниципальный этап Всероссийского детского конкурса

научно-исследовательских и творческих работ «Первые шаги в науке»

Краски света

Таиров Мурат Мусаевич,

Корнеев Геннадий Владимирович

Научный руководитель Хазеева Нелли Васильевна

2017 год

Оглавление

Введение……………………………………………………………………………………………3

1. Техника безопасности при проведении опытов…………………………………………4

2. Преломление света…………………………………………………………………………5

3. Интерференция и дифракция света……………………………………………………….7

Заключение…………………………………………………………………………………………11

Список использованной литературы……………………………………………………………..12

Введение

Чудный дар природы вечной,

Дар бесценный и святой,

В нем источник бесконечный

Наслажденье красотой:

Небо, солнце, звезд сиянье,

Море в блеске голубом –

Всю картину мирозданья

Мы лишь в свете познаем.

И.А.Бунин

Цветные составляющие белого света будут по-разному преломляться в стекле. Фиолетовый свет преломляется сильнее всего, красный свет – наоборот. Различное преломление света называется дисперсией.

Лучше всего это явление видно, если пропустить свет через призму, трехгранную пирамиду. Белый свет разложится в цветовой спектр, в котором можно различить красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый цвета.

Если одновременно идет дождь и светит солнце, то, встав спиной к солнцу, можно увидеть радугу. Эта игра природы возникает из-за того, что свет преломляется и отражается от дождевых капель.

Цель исследования: исследовать законы геометрической оптики.

Задачи исследования:

• исследовать возможности преломления света опытным путем;

• показать практическую значимость законов отражения и преломления света;

• раскрыть суть явления интерференции и дифракции света на конкретных примерах;

• познакомиться с областью применения данного явления;

• применить теоретические знания для объяснения данного явления;

• обобщить результаты своей деятельности.

Предмет исследования: геометрические законы оптики.

Объект исследования: физические явления

Гипотеза: изучая физические явления геометрической оптики, можно утверждать, что они имеют широкое применение в повседневной жизни, лежат в основе создание новейших технологий.

Методы исследования:

1. Поисковый – сбор, обработка, обобщение и анализ полученной информации

2. Наглядный – проведение эксперимента, составление схемы

3. Словесный – формулировка выводов

В современном обществе мы привыкли пользоваться новейшими технологическими приборами, но не каждый знает, что в основе создания этих приборов лежат законы геометрической оптики. Мы хотим объяснить некоторые из них.

1. Техника безопасности при проведении опытов

При выполнении опытов необходимо соблюдать технику безопасности.

• ​Проверить исправность оборудования, приборов, целостность лабораторной посуды.

• ​Следить за исправностью всех креплений в приборах и приспособлениях.

• ​Не держите на рабочем месте предметы, не требующиеся при выполнении задания.

• Выполняйте наблюдения и измерения, соблюдая осторожность.

• ​Не оставлять без надзора невыключенные устройства и приборы.

• ​При получении травмы оказать первую помощь.

Неаккуратность, невнимательность, недостаточное знакомство с приборами и незнание правил техники безопасности могут повлечь за собой несчастные случаи.

1. Преломление света

Преломление света относится к числу физических явлений, открытых в результате непосредственных наблюдений. Впервые о нем заговорили еще в Древней Греции, но большинство физиков склоняется к тому, что этот факт был известен и ранее. Просто первым ученым, попытавшимся дать логическое объяснение целому ряду установленных опытным путем фактов, стал Клеомед, живший в I веке нашей эры на территории нынешней Греции. До него Евклид описывал данное явление, наблюдая за кольцом, лежащим на дне кувшина, которое под определенным углом не было видно наблюдателю, но если начать наливать в кувшин воду, то через некоторое время без изменения угла зрения наблюдатель мог увидеть лежащее на дне украшение. Но поскольку детального объяснения данному опыту Евклид все же не дал, первым ученым, подробно изучавшим преломление, считается Клеомед.

Опыт 1. Мы решили исследовать преломление света в воде. Если линейку опустить в воду таким образом, чтобы определенная ее часть продолжала оставаться над поверхностью, происходит визуальное преломление на границе воздуха и воды. Но на самом деле линейка остается целой. Если световой луч входит из менее плотной среды в более плотную, имея при этом косое направление (то есть, имея угол относительно границ двух сред), то среда, имеющая большую плотность, отклоняет его к отвесному направлению.

Окончательно завершил процесс исследования и описания преломления светового луча при попадании из одной среды в другую, как уже было сказано, Рене Декарт. Он привел сравнение, удивительно верно характеризующее суть самого процесса преломления света, сравнив его с летящим в воздухе мячом. Если он во время своего полета наткнется на ткань, достаточно легкую и тонкую, чтобы без труда прорвать ее и продолжить движение, то он всего лишь потеряет часть своей изначальной скорости и слегка изменит угол полета.

Опыт 2. Мы положили на дно непрозрачной чашки монету и нашли такое положение глаз сбоку, когда бока чашки полностью ее от вас закрывают. Если, однако, налить теперь в чашку воду, то монета снова станет видна.

Всё дело в том, что лучи, исходящие от монеты, преломляются на границе с воздухом, угол, под которым они идут, возрастает, и они могут уже попасть в глаз.

Вывод. Законы отражения и преломления света легли в основу целой научно-технической дисциплины, волоконной оптики: можно сделать гибкие стеклянные или полимерные волокна (тонкие цилиндры радиуса до одного микрометра), по которым свет будет распространяться под углами полного внутреннего отражения и с минимальными потерями проходить громадные расстояния. Из уложенных пучков таких волокон изготовляют, например, интроскопы, через которые можно рассмотреть детали работы живого сердца или желудка. Из них сооружают оптико-волоконные кабели: по одной нити такой толщины можно передавать одновременно десяток телевизионных программ и тысячи телефонных разговоров.

Приборы широкого назначения

1. Интерференция и дифракция света

Бензин не смешивается с водой. Поэтому, попадая, например, в лужу на дороге, он растекается по её поверхности и образует тончайшую пленку. Эта пленка обладает замечательным физическим свойством – создавать вот такие радужные картины.

Почему это происходит?

Световые лучи, попадающие на бензиновую пленку, разделяются: часть луча отражается от поверхности бензиновой пленки (границы воздуха и бензина), а часть проходит через бензиновый слой, доходит до границы бензин-вода и отражается уже от этой границы (еще одна часть уходит в глубь воды, но для нашего вопроса эта составляющая значения не имеет).

В итоге получаются два отражённых луча, причем второй из них на пути к нашему глазу отстает от первого, потому что ему дважды пришлось преодолеть толщину плёнки. Эти два луча накладываются друг на друга, в результате чего в пространстве происходит перераспределение их энергии. Результирующие колебания при этом либо усиливаются, либо ослабляются. Усиление происходит, если преломленная волна 2 (см. рисунок) отстает от отраженной волны 1 на целое число длин волн. Если же вторая волна отстает от первой на половину длины волны или нечетное число полуволн, то произойдет ослабление света.

Это явление называется в физике интерференцией света.

Интерференция света в тонких пленках знакома всем по радужным разводам, появляющимся, если пролить каплю бензина на поверхность воды. Растекаясь по поверхности, бензин образует тонную пленку. Падающий свет отражается как от передней, так и от задней поверхности тонкой пленки, создавая когерентные отраженные лучи с определенной разностью хода. В результате наблюдается интерференционная картина, состоящая из светлых и темных полос или из радужных полос (для естественного дневного света).

В природе также можно наблюдать окрашивание тонких пленок (масляные пленки на воде, мыльные пузыри, оксидные пленки на металлах), которые возникают в результате интерференции света, отраженного двумя поверхностями пленки.

Опыт 3.

Опустим проволочное кольцо в мыльный раствор. На проволочном кольце получается мыльная плёнка. Расположите её вертикально. Наблюдаем светлые и тёмные горизонтальные полосы, изменяющиеся по ширине по мере изменения толщины плёнки. Появление светлых и темных полос объясняется интерференцией световых волн, отраженных от поверхности пленки. Разность хода световых волн равна удвоенной толщине плёнки. При вертикальном расположении пленка имеет клинообразную форму. Разность хода световых волн в верхней её части будет меньше, чем в нижней. В тех местах пленки, где разность хода равна четному числу полуволн, наблюдаются светлые полосы. А при нечетном числе полуволн – темные полосы. Горизонтальное расположение полос объясняется горизонтальным расположением линий равной толщины пленки. 

Освещаем мыльную пленку белым светом (от лампы). Наблюдаем окрашенность светлых полос в спектральные цвета: вверху – синий, внизу – красный.

Объяснение. Такое окрашивание объясняется зависимостью положения светлых полос о длины волн падающего цвета.

Наблюдаем также, что полосы, расширяясь и сохраняя свою форму, перемещаются вниз.

Объяснение. Это объясняется уменьшением толщины пленки, так как мыльный раствор стекает вниз под действием силы тяжести.

Опыт 4. Выдуем мыльный пузырь и внимательно рассмотрим его. При освещении его белым светом наблюдаем образование цветных интерференционных колец, окрашенных в спектральные цвета. Верхний край каждого светлого кольца имеет синий цвет, нижний – красный. По мере уменьшения толщины пленки кольца, также расширяясь, медленно перемещаются вниз. Их кольцеобразную форму объясняют кольцеобразной формой линий равной толщины.

А какие прекрасные радужные цвета видны при отражении света от компакт-диска. Особенно, если посветить на диск фонариком и отбросить эту радужную картину на стену, получаются целых три радуги.

Рассмотрим внимательно под разными углами поверхность компакт-диска (на которую производится запись).

Яркость дифракционных спектров зависит от частоты нанесенных на диск бороздок и от величины угла падения лучей. Почти параллельные лучи, падающие от нити лампы, отражаются от соседних выпуклостей между бороздками в точках А и В. Лучи, отраженные под углом равным углу падения, образуют изображение нити лампы в виде белой линии. Лучи, отраженные под иными углами имеют некоторую разность хода, вследствие чего происходит сложение волн.

Поверхность компакт-диска представляет собой спиральную дорожку с шагом соизмеримым с длиной волны видимого света. На мелкоструктурной поверхности проявляются дифракционные и интерференционные явления. Блики компакт- дисков имеют радужную окраску.

Интерференция обусловливает радужные переливы на поверхности компакт-дисков.

Радужность мыльных пузырей – тоже результат интерференции. Толщина стенки мыльного пузыря немногим больше длины волн видимого спектра. По мере уменьшения толщины стенки пузырь постепенно меняет цвет. Толщина пленки меняется неоднородно, поэтому она имеет пятнистый вид. Когда из-за испарения воды толщина стенки мыльного пузыря становится меньше длины волны видимого света, пузырь перестает переливаться цветами радуги, становится почти невидимым, перед тем как лопнуть.

Вывод. Явление интерференции применяется также для улучшения качества оптических приборов (просветление оптики) и получения высокоотражающих покрытий. Поведение тела в электромагнитном поле. Вынужденные колебания заряженных частиц. Применение интерференции и дифракции света в промышленности. Обращение волнового фронта и динамическая голография. Процесс производства высококачественных голограмм.

Дисперсия света предоставила возможность впервые достаточно достоверно обосновать составную сущность белого света. Так же этот феномен можно увидеть, к примеру, при преломлении света в частицах воды, на траве или в атмосфере при формировании радуги или же около фонарей в тумане.

Один из наиболее убедительных маркеров дисперсии – разложение белого света при пропускании его сквозь призму (опыт Ньютона). Ньютон устремил луч солнечного света сквозь небольшой просвет на стеклянную призму.

Попадая на призму, луч преломлялся и образовывал на противостоящей стене растянутый рисунок радужной последовательности цветов – спектр.

Приборы широкого назначения

Заключение

Наша гипотеза подтвердилась. Законы отражения и преломления света легли в основу целой научно-технической дисциплины, волоконной оптики: можно сделать гибкие стеклянные или полимерные волокна (тонкие цилиндры радиуса до одного микрометра), по которым свет будет распространяться под углами полного внутреннего отражения и с минимальными потерями проходить громадные расстояния. Из уложенных пучков таких волокон изготовляют, например, интроскопы, через которые можно рассмотреть детали работы живого сердца или желудка. Из них сооружают оптико-волоконные кабели: по одной нити такой толщины можно передавать одновременно десяток телевизионных программ и тысячи телефонных разговоров.

Явление интерференции применяется также для улучшения качества оптических приборов (просветление оптики) и получения высокоотражающих покрытий. Поведение тела в электромагнитном поле. Вынужденные колебания заряженных частиц. Применение интерференции и дифракции света в промышленности. Обращение волнового фронта и динамическая голография. Процесс производства высококачественных голограмм.

Каждая капелька воды разлагает свет в цветовой спектр. Так как красный цвет преломляется меньше всего, то с падающим лучом он образует наибольший угол. Поэтому наружный слой радуги красный, а внутренний – фиолетовый.

Солнце посылает нам не только свет, который мы видим, но и то излучение, которое охватывает невидимые части спектра.

Видимый свет начинается с красного света – это длинные волны, и кончается фиолетовым – короткие волны.

Область спектра, примыкающая к красному свету – это тепловое или инфракрасное излучение. К фиолетовой части спектра примыкает ультрафиолетовое излучение. Это излучение коротковолновое и оно обладает очень большой энергией. От этого сильного ультрафиолетового излучения нас защищает озоновый слой, который находится на расстоянии примерно 30 км от поверхности Земли.

Список использованной литературы

1.     Тюрин Ю.И., Чернов И.П., Крючков Ю.Ю. Физика. Ч. 3. Оптика. Квантовая физика: учебное пособие для технических университетов. – Томск: Изд-во Томского ун-та, 2004. – 738 с.

2.     Савельев И.В. Курс общей физики: в 5 кн.: Квантовая оптика. – М.: АСТ: Астрель, 2006. – 368 с.: ил.

3.     Суханов А.Д., Голубева О.Н. Лекции по квантовой физике: учебное пособие. – М.: Высш. шк., 2006. – 300 с.: ил.

12

Таиров Мурат

Корнеев Геннадий

Научный руководитель: Хазеева Нелли Васильевна

Чудный дар природы вечной,

Дар бесценный и святой,

В нем источник бесконечный

Наслажденье красотой:

Небо, солнце, звезд сиянье,

Море в блеске голубом –

Всю картину мирозданья

Мы лишь в свете познаем.

И.А.Бунин

Цель исследования: исследовать геометрические законы оптики.

Задачи исследования:

исследовать возможности преломления света опытным путем;

показать практическую значимость законов отражения и преломления света;

раскрыть суть явления интерференции и дифракции света на конкретных примерах;

познакомиться с областью применения данного явления;

применить теоретические знания для объяснения данного явления;

обобщить результаты своей деятельности.

Предмет исследования: геометрические законы оптики.

Объект исследования: физические явления

Гипотеза:

Техника безопасности при проведении опытов

• ​ Проверить исправность оборудования, приборов, целостность лабораторной посуды.
• ​ Следить за исправностью всех креплений в приборах и приспособлениях.
• ​ Не держите на рабочем месте предметы, не требующиеся при выполнении задания.
• Выполняйте наблюдения и измерения, соблюдая осторожность.
• ​ Не оставлять без надзора невыключенные устройства и приборы.
• ​ При получении травмы оказать первую помощь.

Интерференция

Интерференция

спектр

Дисперсия - зависимость показателя преломления света от частоты колебаний (или длины волны)

• И.Ньютон.

Белый свет состоит из семи цветов.

Приборы широкого назначения