ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МАЛАЯ АКАДЕМИЯ НАУК «ИСКАТЕЛЬ»

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«МАЛАЯ АКАДЕМИЯ НАУК «ИСКАТЕЛЬ»
Всеукраинского открытого интерактивного конкурса
«МАН-Юніор Дослідник»
Номинация: «Техник-Юниор»
Проектный этап
Тема работы:
ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА
Работу выполнил
Сухановский Николай
Учащийся 7 класса
МБОУ
«Симферопольская академическая гимназия»
Руководитель
Лавут Е.С. –
Педагог доп.образования.
Симферополь
2015
ПЛАН РАБОТЫ
1. Введение.
2.Теория о тепловых свойствах света.
3.Инфракрасное излучение.
4.Проведение экспериментов и расчет мощности приборов.
 Солнечная печка
 Световой отражатель
 Влияние черной и белой окраски поверхности светоприёмника на
эффективность нагревания.
5. Вывод.
2
Введение
Моя работа посвящена исследованиям тепловых свойств света.
Солнечный свет является источником энергии всего на Земле. Научившись
понимать природу света и применять её для каких-либо технологий
мы
разрабатываем новые источники энергии из света и преобразования её в
другие типы энергии
такие как: электрическая, тепловая, химическая.
Солнце как источник инфракрасного излучения передает нам тепловую
энергию через космическое пространство. Поэтому я в своей работе
рассмотрел свойства, источники и приемники инфракрасного излучения.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Цель моей работы провести эксперименты, исследующие тепловые
свойства света, создать и измерить эффективность приборов, которые
используют световое тепло
Я исследовал преобразование света в тепловую энергию с помощью
солнечного отражателя и печи, сравнивал тепловые процессы для чёрного и
белых цветов.
3
Теория о физических и химических свойствах света
Свет — в физической оптике электромагнитное излучение, воспринимаемое
человеческим глазом. В качестве коротковолновой границы спектрального
диапазона, занимаемого светом, принят участок с длинами волн в вакууме
380—400 нм (750—790 ТГц), а в качестве длинноволновой границы —
участок 760—780 нм (385—395 ТГц).
Рисунок шкалы электромагнитных волн
В широком смысле, используемом вне физической оптики, светом
часто называют любое оптическое излучении есть такие электромагнитные
волны, длины которых лежат в диапазоне с приблизительными границами от
единиц нанометров до десятых долей миллиметра. В этом случае в понятие
«свет» помимо видимого излучения включаются как инфракрасное, так и
ультрафиолетовое излучения.
Единицей световой энергии является фотон. Фотон в зависимости от
способа его фиксирования наблюдателем имеет свойства либо частицы, либо
электромагнитной волны.
Такое приставление о свете называется кватнтово-волновой дуализм
4
Источники света.
Тела, от которых свет исходит, называются источниками света.
Различают естественные и искусственные источники света. Самый известный
абсолютно всем жителям нашей планеты естественный источник света – это
Солнце.
Солнце – это не только источник видимого света, но и тепла,
вследствие которого и возможна жизнь на Земле. Другие естественные
источники света – это звезды, атмосферные явления типа молнии, живые
существа, такие как светлячки, и так далее.
Благодаря человеку существуют также и искусственные источники.
Раньше для людей основным источником света в темное время был огонь:
свечи, факелы, газовые горелки и так далее. В наше время наиболее
распространенными являются электрические источники света. Причем они
подразделяются в свою очередь на тепловые (лампы накаливания) и
люминесцентные (лампы дневного света, газосветовые лампы).
Когда-то в древности люди считали, что наша способность видеть
обусловлена некими лучами, исходящими из глаз и как-бы
«ощупывающими» поверхность предметов. Каким бы смешным сегодня не
казалось подобное представление, задумайтесь – а вы знаете, что такое свет?
Откуда он берется? Как мы воспринимаем его, и почему разные предметы
имеют разный цвет?
Цвет — качественная субъективная характеристика электромагнитного
излучения оптического диапазона, определяемая на основании возникающего
физиологического зрительного ощущения и зависящая от ряда физических,
физиологических и психологических факторов. Восприятие цвета
определяется индивидуальностью человека, а также спектральным составом,
цветовым и яркостным контрастом с окружающими источниками света, а
также несветящимися объектами. Очень важны такие явления, как
метамерия, индивидуальные наследственные особенности человеческого
глаза (степень экспрессии полиморфных зрительных пигментов) и психики.
Говоря простым языком, цвет — это ощущение, которое получает человек
при попадании ему в глаз световых лучей. Одни и те же световые
воздействия могут вызвать разные ощущения у разных людей. И для каждого
из них цвет будет разным. Отсюда следует, что споры, «какой цвет на самом
деле», бессмысленны, поскольку для каждого наблюдателя истинный цвет —
тот, который видит он сам.
5
Дисперсия света (разложение света) — это явление, обусловленное
зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от частоты
(или длины волны) света (частотная дисперсия), или, то же самое,
зависимость фазовой скорости света в веществе от длины волны (или
частоты). Экспериментально открыта Ньютоном около 1672 года, хотя
теоретически достаточно хорошо объяснена значительно позднее.
Как такового цвета в природе не существует. Цвет — продукт умственной
переработки информации, которая поступает через глаз в виде световой
волны.
Человек может отличить до 100 000 оттенков: волны от 400 до 700
миллимикрон. Вне различимых спектрах лежат инфракрасный ( с длинной
волны более 700 н/м) и ультрафиолет (с длинной волны меньше 400 н/м).
В 1676 г И. Ньютон провел эксперимент по расщеплению светового луча с
помощью призмы. В результате он получил 7 явно различимых цветов
спектра.
Цвет
Красный
Оранжевый
Желтый
Зеленый
Голубой
Синий
Фиолетовый
Длина волны в н/м
800-650
640-590
580-550
530-490
480-460
450-440
430-390
Эти цвета часто сокращают до 3 основных
Получив непрерывный спектр, Ньютон пропустил его через собирающую
линзу и получил белый цвет. Тем самым доказав:
1 Белый цвет состоит из всех цветов.
2 Для цветовых волн действует принцип сложения
3 Отсутствие света ведет к отсутствию цвета.
4 Черный – это полное отсутствие цвета.
ЧЁРНЫЙ –
БЕЛЫЙ –
Это отсутствие
Это сложение (отражение)
(поглощение) всех цветов
всех цветов радуги
радуги
6
В ходе экспериментов было выяснено, что сами предметы цвета не имеют.
Освещенные светом, они отражают часть световых волн, а часть поглощают,
в зависимости от своих физических свойств. Отраженные световые волны и
будут цветом предмета.
(Например, если на синюю кружку посветить светом, пропущенным через
красный фильтр, то мы увидим, что кружка черная, потому что синие волны
блокируются красным фильтром, а кружка может отражать только синие
волны)
Получается, что ценность краски в ее физических свойствах, но если вы
решите смешать синий, желтый и красный (потому что остальные цвета
можно получить из комбинации основных цветов , то получите не белый
цвет (как если бы вы смешали волны), а неопределенно темный цвет, так как
в данном случае действует принцип вычитания.
Если смешать желтый и красный, то получится оранжевый, длина волны
которого меньше длины волны красного. При смешивании красного, желтого
и синего получается неопределенно темный цвет – отражение, стремящееся к
минимальной воспринимаемой волне.
7
Этим свойством объясняется маркость белого цвета. Белый цвет – отражение
всех цветовых волн, нанесение любого вещества ведет к уменьшению
отражения, и цвет становится не чисто белым.
Черный же цвет наоборот. Чтобы выделиться на нем, нужно повысить длину
волны и количество отражений, а смешивание ведет на понижение волны
Чёрным цветом обладают те холодные предметы, которые поглощают весь
диапазон видимого света.
Белым цветом обладают те холодные предметы, которые отражают весь
диапазон видимого света.
Поэтому белые предметы сложнее нагреть, чем чёрные. Это я докажу в
экспериментах.
Цветные холодные предметы обретают цвет, соответствующей тем длинам
волн, которые вещество отражает. Поэтому цвет холодного предмета не
определяет его температуру.
Температуру тела, который сам является источником света можно
определить по его цвету. Так как каждая волна определенного цвета имеет
свою энергию. Поэтому холодные звёзды красные, а холодные голубые.
Таким образом, звёзды делятся на спектральные классы.
8
Инфракрасное излучение
Инфракрасное излучение –один из диапазонов электромагнитного излучения,
занимающее спектральную область между красным концом видимого света
и микроволновым радиоизлучением
Инфракрасное излучение называют «тепловым» излучением, так как
инфракрасное излучение от нагретых предметов воспринимается кожей
человека как ощущение тепла. При этом длины волн, излучаемые телом,
зависят от температуры нагревания: чем выше температура, тем короче
длина волны и выше интенсивность излучения. Источниками инфракрасного
излучения являются тела температура, которых выше окружающей среды. На
этом свойстве основано действие приборов ночного видения. В них
наблюдаются только места излучения телами инфракрасного излучения. С
помощью этих лучей совершается процесс переноса тепловой энергии от
солнца к поверхности земли. И мощность этого излучения можно вычислить
опытным путем, если пренебречь потерю энергии от атмосферного
рассеивания.
9
Мои эксперименты
1. Солнечный отражатель. Измерение мощности света.
2. Цветная белая юла.
3. Чёрная и чистая вода. Термические свойства света. Свойства белого и
черного цвета.
4. Вода в разных условиях. Влияние чёрного цвета и покрытие пакетом на
изменения температуры.
5. Прохождение инфракрасного излучения через разные материалы и
цвета.
6. Солнечная печка. Термические свойства света.
7. Расчет мощности печки и отражателя.
8. Опыты с прибором ночного видения.
1. Солнечный отражатель. Измерение мощности света.
Мощность — физическая величина, равная в общем случае скорости
изменения, преобразования, передачи или потребления энергии системы. В
более узком смысле мощность равна отношению работы, выполняемой за
некоторый промежуток времени, к этому промежутку времени
Для этого я использовал формулу .
Q-теплота. C-удельная теплоемкость.∆t-разница температур. Удельная
теплоемкость воды-. Разница температур ∆t, .N-мощность. Джоульединица измерения работы.
10
За 15мин в отражателе вода массой 11 грамм нагрелась на 2°больше чем
без отражателя. Поэтому измеренная энергия является полезной работой.
Таким образом, мощность отражателя 0.1 ватта или 0.6 ват/час.
9. Расчет мощности световой печи
Для расчета мощности печи я измерял теплоту, потраченную на нагревание
воды установленной в печи.
За 15мин в печи вода массой 26 грамм нагрелась на 2°больше чем без печи.
Поэтому измеренная энергия является полезной работой. Таким образом,
мощность печи 0.2 ватта или 1.2 ват/час.
После наблюдений стало ясно, что мощность световой печи на 100% больше
чем у солнечного отражателя.
11
3.Расчет мощности эффективности нагревания чёрной воды
За 20 мин 110г окрашенной воды
нагрелись на 7°.А 110г не окрашенной
воды на 3 °. Это доказывает то, что
чёрный цвет поглощает весь свет,
который на него попадает.
Вода в разных условиях. Влияние чёрного цвета и покрытие пакетом
на изменения температуры.
12
За 10 мин 110г воды нагрелись на 2°.А вода находящиеся под пакетом и
стоящая на чёрной бумажке на 3°.Это доказывает то, что инфракрасное
излучение проходит через полиэтилен, и то, что черный цвет поглощает
веси на него попавший свет, следственно, и инфракрасное излучение.
Прохождение инфракрасного излучения через разные материалы и
цвета.
В ходе эксперимента выяснилось ,что картон любого цвета не пропускает
инфракрасное излучение и вода не нагревалась. Когда вода была покрыта
бумагой, вода нагрелась, следовательно, бумага пропускает инфракрасное
излучение. Был взят картон белого, черного и зеленого цвета.
13
14
Цветная белая юла.
Я сделал самодельную юлу с цветами радуги и в момент того как я крутил её
она была белая. Этот опыт доказывает то ,что белый цвет является
сложением всех цветов радуги.
15
Выводы
В результате провиденных экспериментов были выявлены следующие
тепловые свойства света.
Белый цвет состоит из всех цветов радуги.
Нагревает не видимый свет, а инфракрасное излучение.
Картон не пропускает инфракрасное излучение, а бумага и полиэтилен
пропускают.
Чёрный цвет поглощает все цвета, а белый отражает.
Были собраны два прибора для концентрации тепловой энергии света и
рассчитана их мощность.
В своих опытах я находил объяснения в следующей Литературе:
1.А.В.Перышкин Н.А.Родина Физика 7
2.Я.А.Смородинский Температура
3.У.Кок Звуковые и световые волны
4.М.И.Блудо Беседы о физике
5.Я.И.Перельман Занимательная физика
16