svet

Муниципальное образовательное учреждение
«Средняя общеобразовательная школа № 16»
О том, как свет
распространяется в веществе
Исследовательская работа по физике
Выполнил: Цвиркун Александр
ученик 4 «д» класса
Руководитель: Маханева Наталья Петровна
учитель начальных классов
Консультант: Капралов Александр Иванович
доцент кафедры ТиМОФ ЧГПУ
Оглавление:
Введение ________________________________________________________ 3
Глава 1. Что нам известно о свете и его источниках?
1.1. Свет и его восприятие ____________________________________ 5
1.2. Что такое рассеяние света, как мы его наблюдаем ____________ 6
1.3. Лазер, как источник света – изобретение двадцатого века ______ 7
Глава 2. Проведение опытов по рассеянию света при различной
концентрации раствора ____________________________________ 8
Глава 3. Применение свойства рассеяния света в осветительных
приборах ________________________________________________ 14
Заключение _____________________________________________________ 16
Список литературы ______________________________________________ 18
2
Введение
Раньше меня интересовали вопросы:
- почему в дневное время суток мы прекрасно видим все вокруг, а ночью нужно
включать свет?
- почему в темноте, освещая себе путь фонариком, мы видим лишь часть
дороги, освещенную светом фонаря, тогда как, если в комнате мы зажжем свет
от люстры, то осветится вся комната?
Все мы, конечно, понимаем, что это зависит от предмета освещения, его
размера и силы. Так, размер Солнца от лампочки превосходит во много раз.
Солнечный свет позволяет нам познать богатство форм предметов, их
цветовых тонов, оттенков, уровней яркости, которое мы встречаем в
окружающей нас природе на Земле, в атмосфере.
Наши глаза очень восприимчивы к свету, поэтому мы не можем
напрямую смотреть на сильный источник света. В настоящее время все больше
создают светильники и лампочки с «мягким» светом, то есть с функцией
рассеяния света в веществе.
Посетив в Челябинском областном краеведческом музее выставку
«Загадки окружающего мира», я заинтересовался рассказом о прохождении
светового луча через жидкость. Я предположил, что при добавлении в жидкость
различных веществ, световой луч будет меняться.
Цель моей работы:
Ответить на вопрос: «Как изменяется прохождение света через раствор при его
концентрации?»
Задачи:
 Изучить литературу по данной теме
 Провести опыты по рассеянию светового луча
концентрации раствора
 Проанализировать полученные результаты
 Изготовить светильник в домашних условиях
3
при различной
Гипотеза:
При увеличении концентрации раствора рассеяние света происходит сильнее.
Методы исследования:
 Изучение литературы
 Консультация специалиста
 Проведение опытов и наблюдений
Предмет исследования: рассеяние света.
Объект исследования: лазерный луч.
Актуальность выбранной темы:
В настоящее время разработаны современные светильники, энергосберегающие
лампы, светодиодные отражатели, которые наиболее безопасны для глаз, в них
свет взаимодействует с веществом, поэтому тема изучения света и вещества
является актуальной для современной техники.
4
Глава 1. Что нам известно о свете и его источниках?
1.1. Свет и его восприятие
Свое исследование я начал с изучения литературы по данной теме.
В энциклопедии мы нашли следующие сведения о свете.
Свет – это форма энергии, воспринимаемая глазами. На Земле её
основной источник – Солнце. Свет может происходить от разных источников:
электрической лампы, пламени свечи, даже от некоторых видов животных.
При включении электрической лампы, кажется, что свет заполняет
комнату мгновенно, это происходит потому, что он распространяется с
огромной скоростью – 300 тысяч км/сек.
Свет может проникать сквозь стекло и воду, а от многих других
материалов, особенно блестящих, он отражается. Если на пути света стоит
какая-то преграда, то в том месте, куда свет проникнуть не может, образуется
тень.
Мы видим окружающий мир потому, что у нас есть глаза и мозг. Свет,
попадая в глаз, формирует изображение на его сетчатке, а мозг – распознает это
изображение. Когда мы видим предмет, то в действительности различаем свет,
который отражается от предмета. Луна видна нам потому, что она отражает
свет от Солнца.1
С давних лет ученые знали, что горячие тела светятся, например, если
гвоздь раскалить до температуры 900ºС, то он начинает светиться.
Самым первым источником искусственного света был огонь, очаг и
факел. В то же время были созданы приспособления для разведения огня и
бокового освещения в помещениях.
Прошло много веков, прежде чем появились электрические лампочки.
Новая детская энциклопедия. Брукс Ф., Чандлер Ф., Кларк Ф. и др./Пер. с англ. С.В. Морозова, Н.С. Ляпковой,
В.В. Плешева и др. – М.:ЗАО «РОСМЭН-ПРЕСС»,2007, 320с. – стр. 206-207.
1
5
Первые электрические лампы накаливания сделали П.Яблочков и
А.Лодыгин в середине ХIХ века. От этих ламп и произошли те лампочки,
которыми мы пользуемся сегодня.
1.2. Что такое рассеяние света, как мы его наблюдаем
Рассеяние света – это явление, когда луч света виден во всевозможных
направлениях.2
Универсальность процесса рассеяния поистине удивительна. Свет от
самых разнообразных источников рассеивается в атмосфере постоянно и
повсеместно. Где бы мы ни находились, под открытым небом или в помещении,
в каком бы направлении ни посмотрели, мы отовсюду встречаем потоки
рассеянного света.
Перечислим только некоторые из них. Это голубой купол небосвода,
различные
оптические
явления
во
время
сумерек,
красочные
зори,
сопровождающие восходы и заходы Солнца, радуга и другие световые явления,
наблюдаемые в облаках или выпадающих осадках.
Мы пользуемся рассеянным светом внутри зданий и на открытом воздухе
в дневные часы, когда Солнце закрыто облаками.
Благодаря рассеянию света в атмосфере переход ото дня к ночи и от ночи
ко дню совершается не мгновенно, а растягивается на некоторый промежуток
времени. Ночью Земля продолжает получать рассеянный свет от различных
источников.
2
Большой энциклопедический словарь.
6
1.3. Лазер, как источник света – изобретение двадцатого века
Слово «Ла́зер» составлено из первых английских слов, означающих
«усиление света посредством стимулированного излучения».3
Лазеры испускают узкий луч яркого света. Обычно свет представляет
собой смесь цветов.
В настоящее время лазеры нашли применение в самых различных
областях
деятельности
людей
—
от
коррекции зрения до
управления
транспортными средствами, от технических космических систем до бытовых
устройств. Они широко применяются в повседневной жизни: считывают коды
на товарах в супермаркете, исполняют музыку, записанную на компьютерных
дисках, передают телефонные сигналы на большие расстояния и создают
трехмерные изображения. Лазер стал одним из самых значимых изобретений
ХХ века.
Лазерный луч может помочь нам узнать свойства света, который
излучается обычной лампочкой, но надо помнить, что лазерное излучение
опасно при попадании в глаза. В лучшем случае лазерные указки оказывают
только раздражающее воздействие. Но последствия будут опасными, если луч
попадает в чей-то глаз или направлен в водителя или пилота и может отвлечь
их или даже ослепить.
Есть еще удивительное свойство света – свет может быть источником
электричества. При попадании на солнечную батарею (фотоэлемент) на ней
появляется напряжение, которое мы может фиксировать электрическим
прибором, например, мультиметром. Если освещение уменьшается, то
уменьшается количество электричества на солнечной батарее.
Поэтому для проведения своих оптических опытов я приобрел лазерную
указку.
Большая энциклопедия школьника. Оксфорд/Пер. с англ. У.В. Сапциной, А.И. Кима, Т.В. Сафроновой и др. –
М.: ЗАО «РОСМЭН-ПРЕСС», 2009, 664 с. – стр. 277.
3
7
Глава 2. Проведение опытов по рассеянию света при различной
концентрации раствора
Для начала я составил схему проведения моих опытов.
коробка
фотоэлемент
лазерная
указка
подставка
под фотоэлемент
уподставка
под
лазерную
указку
мультиметр
лазерный
луч
стакан с
жидкостью
основание
Основание и подставки под лазерную указку и
фотоэлемент сделали из дерева.
Фотоэлемент мы взяли от садового фонаря на солнечных
батарейках. Элементы питания подключили к прибору
«Мультиметр», используемый в быту, который позволяет
измерить постоянное напряжение.
Принцип работы проекта:
1. Закрепили лазерную указку на подставке, включили лазерный луч и
направили его на фотоэлемент, подключенный к прибору Мультиметр
8
2. В центр поместили стеклянный стакан с плоскопараллельными гранями,
в который при проведении опытов наливали различные вещества
3. Коробкой накрыли всю установку, чтобы внутрь не поступал свет от
других источников
4. На приборе Мультиметр наблюдали значение постоянного напряжения.
Описание проведенных опытов и наблюдений
Опыт № 1.
Измерение напряжения, которое получается при прямом направлении
лазерного луча на фотоэлемент.
Значение показаний Мультиметра при таком опыте равно 2,45 вольт.
Опыт № 2.
Проверка пропускной способности света через стакан.
Описание: свет от лазерного луча направляем через стекло на фотоэлемент,
внутри стакана луч лазера не виден.
Значение напряжения: 2,10 вольт.
Вывод: напряжение снизилось на 0,35 вольт, свет поглотился стеклом.
9
Опыт № 3.
Измерение напряжения, возникающего на фотоэлементе от лазерного луча,
проходящего через воду. Для опыта использовалась дистиллированная вода.
Описание: лазерный луч проходит через воду, на боковых стенках стакана
луч невиден.
Значение напряжения: 2,09 вольт.
Вывод: напряжение снизилось на 0,01 вольт, наблюдается незначительная
потеря света в воде.
Кроме того, при замене дистиллированной воды на воду из-под крана, я
заметил, что в воде лазерный луч стал виден из-за его рассеяния на мелких
частичках, также видны крупные частички.
Поэтому я делаю вывод, что с помощью светового луча можно узнать о
чистоте воды (ее прозрачности).
Опыт № 4.
Исследование пропускной способности растворов солей от их концентрации.
Для этого в стакан с водой я добавлял солевой раствор, приготовленный из
хвойного концентрата, используемого в бытовых назначениях как соль для
ванны. Я развел кристаллы соли в воде, пока они не перестали растворяться,
получив тем самым готовый солевой концентрат.
10
1)
Описание: добавляем 1 чайную
ложку солевого концентрата.
Значение напряжения: 2,06 вольт.
Наблюдение: лазерный луч едва виден в растворе
при дневном свете. Ширина луча осталась той
же. Напряжение снизилось на 0,03 вольт из-за рассеяния света в веществе,
однако, пока рассеяние не видно глазами.
2)
Описание: добавляем еще 1 ложку
солевого концентрата.
Знание напряжения: 2,04 вольт.
Наблюдение: лазерный луч в веществе виден
ярче, он стал шире, появляется свечение вдоль
луча. Снизилось напряжение на 0,02 вольт.
Начинает проявляться небольшое рассеяние света.
3)
Описание: добавляем еще 2 ложки солевого
концентрата.
Значение напряжения: 1,97 вольт.
Наблюдение: снизилось напряжение на 0,07 вольт.
Лазерный луч стал более широким. Рассеяние света стало
более заметным, в темноте глаза менее раздражительно
реагируют на лазерный луч.
4)
Описание:
добавляем
еще
4
солевого концентрата.
Значение напряжения: 1,87 вольт.
11
ложки
Наблюдение: снизилось напряжение луча на 0,1 вольт. Луч стал шире. В
темноте раствор освещается практически весь.
5)
Описание: добавляем еще 12 ложек
солевого концентрата. В результате в
жидкость я добавил 20 ложек солевого
концентрата.
Значение напряжения: 1,67 вольт.
Наблюдение: свет от лазерного луча в
жидкости рассеялся, светится весь раствор. В общей сложности напряжение
снизилось на 0,42 вольт.
Вывод: получив необходимую концентрацию солевого раствора, луч света
рассеялся равномерно по всей жидкости. За счет рассеяния лазерного луча
напряжение света снизилось, получился «мягкий» свет, глаза спокойно
реагируют.
Опыт № 5.
В следующем опыте я решил проверить,
как будет рассеиваться лазерный луч в
более темном растворе. Для этого я взял
растворимый кофе.
1)
Описание:
добавляем
в
воду
одну
щепотку кофе.
Значение напряжения: 1,84 вольт.
Наблюдение: хорошо видно рассеяние света, однако,
свет мутный. За счет того, что у меня с одной щепотки
кофе получился темный раствор, свет заметно рассеялся. Напряжение луча
сразу потеряло 0,25 вольт (от первоначального с чистой водой – 2,09 вольт).
12
2)
Описание: добавляем вторую щепотку
кофе.
Значение напряжения: 0,28 вольт.
Наблюдение: лазерный луч стал более тусклым,
рассеяние света видно только до половины жидкости в
стакане. Напряжение снизилось на 1,56 вольт.
3)
Описание:
добавляем
еще
щепотку кофе.
Значение напряжения: 0,00 вольт.
Наблюдение: Лазерный луч при
дневном свете в стакане не виден,
в темноте едва заметен. На фотоэлемент свет от лазерного луча не поступает.
Вывод: при добавлении в жидкость темного концентрата, такого как кофе,
лазерный луч не проходит в растворе.
Опыт № 6.
Я решил проверить, как будет рассеиваться
свет
в
жидкости
с
более
крупными
частичками. Для этого я взял обычный мел и
покрошил его на наждачной бумаге.
Описание: при небольшом количестве тертого
мела, лазерный луч в растворе освещается
сильнее, отчетливо видны мелкие частички.
Значение напряжения: 2,01 вольт.
Вывод: чем крупнее частички вещества в растворе, тем ярче световой луч.
Однако рассеяние света происходит неравномерно. Напряжение снизилось на
0,8 вольт за счет красящего вещества, добавленного в мел.
13
Глава 3. Применение свойства рассеяния света в осветительных
приборах
Светильник – искусственный источник света, прибор, перераспределяющий
свет
лампы.
Основной
задачей
светильника
является
рассеивание
и
направление света для освещения зданий, их внутренних помещений,
прилегающих к зданиям территорий, улиц и пр. Светильники также могут
выполнять декоративную функцию и функцию сигнализации.
Для создания нового светильника необходимо знать, что уже существуют
множество светильников:
 Светильник общего освещения – применяется для освещения помещений
и открытых пространств
 Светильник местного освещения – для освещения рабочих поверхностей
 Светильник комбинированного освещения – выполняет функции как
светильника общего, так и местного освещения или одновременно обе
функции
 Ночник – предназначен для создания освещения, необходимого для
ориентации в помещении в темное время суток
 Экспозиционный светильник – предназначен для освещения отдельных
объектов
 Люстра – многоламповый подвесной светильник общего освещения для
жилых или общественных помещений
 Светильник прямого света – направляет в нижнюю полусферу
пространства более 80% светового потока
 Светильник преимущественно прямого света – направляет в нижнюю
полусферу пространства более 60, но не более 80% светового потока
 Светильник рассеянного света – направляет в нижнюю полусферу
пространства более 40, но не более 60% светового потока
14
 Светильник преимущественно отраженного света – направляет в нижнюю
полусферу пространства не более 20% светового потока
 Светильник для жилых помещений – для общего и (или) местного
освещения квартир жилых домов
 Декоративный светильник – является в основном архитектурным
элементом
интерьера
и
играет
ограниченную
роль
в
создании
необходимых условий освещения
 Светильники для сцен, для съемок и другие виды (всего 30 видов).4
Среди светильников рассеянного света различают светильники, основанные
на взаимодействии света с веществом, например жидкостью или пористого
прозрачного материала. Принцип их работы заключается в подсветке
светодиодом предмета, наполненного жидкостью.
Для разнообразия и привлечения интереса детей, в жидкость добавляют
различные предметы: цветы, игрушки и др. – таким образом получаются
забавные, а главное безвредные для детских глаз, детские ночники.
4
ГОСТ 16703-79 Межгосударственный стандарт. Приборы и комплексы световые.
15
Заключение
Изучив литературу и проделав опыты, я очень многое узнал для себя и
сделал выводы:
 Все окружающее вокруг нас мы видим только за счет света;
 Яркий источник света мы можем приглушить за счет рассеяния;
 Чем больше рассеяние света, тем менее раздражительно для глаз.
Исходя из проведенных мною опытов, я подтвердил свою гипотезу: луч
света, проходя через различные вещества, рассеивается по-разному – луч
становится шире, если добавлять раствор, то есть рассеяние света происходит
сильнее. Однако, если увеличивать концентрацию раствора либо использовать
темные вещества в растворе, то жидкость не будет пропускать луч света –
поглотит свет.
Изучив свойства рассеяния света, нами был изготовлен светильник в
домашних условиях.
Мы взяли банку ёмкостью 900 миллилитров с закручивающейся крышкой.
Банку наполнили жидкостью – шампунем для мытья волос.
Закрепили на крышке банки светодиод и батарейку, приобретенные в
магазине
электронных
товаров,
получился
рассеивающего излучения для освещения комнаты.
16
эффективный
источник
Главное, что свет от такого светильника очень приятен для глаз, а значит, не
портит зрение, что очень важно в современном мире.
В процессе подготовки моей темы по рассеянию света я узнал, какое
множество интересных свойств имеет свет. В дальнейшем я собираюсь изучить
подробно все свойства света, думаю, что это будет моей следующей
исследовательской работой.
17
Список литературы
1.
Новая детская энциклопедия. Брукс Ф., Чандлер Ф., Кларк Ф. и др./Пер. с
англ. С.В. Морозова, Н.С. Ляпковой, В.В. Плешева и др. – М.:ЗАО «РОСМЭНПРЕСС»,2007, - 320с.
2.
Большой энциклопедический словарь.
3.
Большая энциклопедия школьника. Оксфорд/Пер. с англ. У.В. Сапциной,
А.И. Кима, Т.В. Сафроновой и др. – М.: ЗАО «РОСМЭН-ПРЕСС», 2009, - 664 с.
4.
ГОСТ 16703-79 Межгосударственный стандарт. Приборы и комплексы
световые.
18