Дисперсия света в воде при её нагревании

    Распространение света  в холодной и горячей среде

    Турова  Анастасия Михайловна

    Г. Челябинск, МОУ СОШ  №99, класс 7

     В работе представлены результаты исследований хода лучей в капле воды при  её нагревании, для этого использовался  самодельный прибор, состоящий из цилиндрического стакана, нагревательного  элемента, лазерной указки и транспортира

     Опытным путем получена обратно пропорциональная зависимость угла преломления и  показателя преломления от температуры  воды.

     Цель  работы: изучить распространение света в воде при её нагревании

     Задачи:

1. Ознакомиться с имеющейся литературой о законах преломления и отражения света
2. Изучить явление дисперсии света
3. Исследовать зависимость показателя и угла преломления света в воде от температуры.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Распространение света в холодной и горячей среде

    Турова  Анастасия Михайловна

    Г. Челябинск, МОУ СОШ  №99, класс 7

    Введение

             О природе света очень долго  можно было судить только по  косвенным признакам, но уже  к середине XVII столетия о световых лучах было известно, что они прямолинейны и поддаются законам отражения и преломления.

           Оставалась главная загадка: что  же такое свет, как она распространяется, почему иногда окрашивается в  разные цвета? Для ответов на  эти вопросы потребовалось несколько  столетий и создание новой  картины мира.

         Пролетели года – новые версии, новые открытия и ученые нашли  ответы на те вопросы, на которые пытались ответить предшественники. Окрашивание света в разные цвета – это явления ученые назвали дисперсией. Явление дисперсии известно в стеклянной призме, но мало внимания уделяется такому случаю, как распространение света в капле воды. Впервые Р.Декарт рассматривает образование радуги в капле. Определяет угол, под которым должно находиться Солнце, чтобы наблюдать радугу. Именно это явление меня наиболее заинтересовало и вызвало желание изучить его подробнее.

          Цель работы:

         Изучить распространение света в воде при её нагревании.

        Задачи: 

1)Ознакомиться  с имеющейся литературой о  законах  преломления и отражения        света  

2)Изучить  явление дисперсии света

 3) Исследовать зависимость показателя угла и преломления света в воде от температуры.         
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Развитие взглядов  на природу света

1. История развития оптики.

         Зарождение оптики связано с  трудами английский ученых Ньютона(1643 - 1727), Роберта Гука(1635 - 1705), итальянского  ученого Гримальди (1618 - 1663), голландского  ученого Гюйгенса(1629 - 1695)

         Развитие оптики влекло за  собой эволюцию представлений о природе света. Оптика древних знала только законы световых явлений: закон прямолинейного распространения света в однородной среде(образование теней); закон отражения света от полированных и металлических поверхностей (зеркал) в форме, совпадающей с современной, явление преломления света на границе раздела двух прозрачных сред, которое было ещё известно греческому философу Аристотелю(384 – 322 до н.э.), но лишь в качественной форме. К. Птолемей (2 в. н.э.) учитывал влияние преломления света в атмосфере на положения светил. Однако измерения Птолемея, относились сравнительно к небольшим углам, поэтому он пришел к выводу о пропорциональности угла преломления углу падения.

              В середине XVII века были открыты явления, противоречащие известным закономерностям. Одно из них обнаружил Франческо Мария Гримальди(1618 - 1663), профессор и коллегии ордена иезуитов(аналог современного колледжа). Результатом его работы стал трактат: «Физическая наука о свете, цветах и радуги», вышедший в 1665 году, уже после смерти автора.

        В наше время оптика изучена довольно подробно и достигла превосходных результатов.

    1.2. Лучи света

           Что самое первое, с чем сталкивается  только что родившийся человек?  Это нахлынувший в глаза поток света, который сразу заставляет жмуриться. Всю свою дальнейшую жизнь человек будет ориентироваться в пространстве, воспринимать мир, будто ощупывая его глазами, то есть  - улавливая отовсюду свет.     

          Любой объект становиться видимы  только в двух случаях:

1. когда он сам является источником света, как, например, электрическая лампочка, свеча или звезда, и мы видим свет, испускаемый этим источником;
2. когда он отражает падающий на него свет.

              Понять, каким образом тела пропускают  свет, удалось лишь в 20-е годы  нашего века. А вот почему свет  отражается, люди узнали гораздо  раньше. Наблюдения показывают, то  свет нагревает тела, на которые  он падает, а значит, передает этим телам энергию.

           Свет – это та часть излучения, которая воспринимается нашим глазом. Вот почему свет называют видимым излучением.

    Источники света мы видим потому, что излучение, создаваемое ими, попадает в глаза, тела же, не являющиеся источниками  света, мы видим поточу, что излучение  от источников света, упав на поверхность, отражается от неё также попадает нам в глаза.

    Так что же такое свет? Сегодня ученые считают: в каких-то случаях он ведёт себя как поток микроскопических частиц,  в других как волна.

    2. Отражение и преломление  света

    2.1. Преломление света

        Свет, попав на границу раздела  двух прозрачных сред частично  отражается обратно в первую  среду ,оставшаяся же частично преломляется и проникает во вторую среду.

    Преломление света объясняется изменением скорости распространения света при его  переходе из одной среды в другую. Впервые такое объяснение этому  явлению дал в середине XVIIвека партер Меньян.

    Чтобы определить в какую сторону будет  отклоняться луч света при  его переходе через границы раздела  двух сред, надо знать в какой  из этих сред скорость света меньше, а в какой больше. (рис.1)  

                          

    Рис.1

    Свет – это распространение электромагнитных волн.

    Скорость  света в веществе всегда меньше, чем в вакууме.

    Из  двух сред та, в которой скорость света меньше называется оптически  более плотной, а та, в которой  скорость света больше оптически  менее плотной. Опыт показывает, что попадая в среду оптически более плотную, луч света отклоняется от своего первоначального направления в сторону к перпендикуляру границы раздела двух сред (рис. 2, а), а попадая в среду оптически менее плотную луч света отклоняется в обратную сторону (рис. 2, б).

    

    Рис. 2

    Способность преломлять лучи у разных сред различна. Чем значительнее отличаются скорости света в двух  средах, тем сильнее  лучи преломляются на границе между  ними.

    Преломлением  света объясняются многие явления, например кажущийся излом ложки, опущенной в стакан с водой  более высокое, чем на самом деле положение звёзд и солнца над горизонтом и др.

2.2. Отражение света

             Попадая в глаза, свет вызывает  определённые зрительные ощущения, но это не значит, что свет  можно видеть. Мы можем видеть  источник света,  но не сам  свет. Хорошей отражательной способностью  обладает зеркало, которое способно  отражать до 90% световой энергии.

     Отражение света подчиняется определенному  закону. Этот закон, как и закон  прямолинейного распространения света, был открыт древнегреческим ученым Евклидом, который звучит так: Отраженный свет лежит в плоскости падения, причем угол падения равен углу отражения. (рис. 3)

     

     Рис. 3

2.3. Линзы

     Отражение и преломление света используют для того чтобы изменять направления  лучей или,  как говорят управлять  световыми пучками. На этом основано использование таких устройств  и приборов, как прожектора, лупы, микроскопы, фотоаппараты и др. Главной частью  большинства из них является линза.

     Линзой (от лат. Lens - чечевица) называется прозрачное (обычное стеклянное) тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями.

     Различают выпуклые линзы (рис. 4,а), у которых  середина толще, чем края, и вогнутые линзы (рис.4, б), у которых середина толще, чем края. На рис. 4 показаны такие  условные обозначения линз. Ход лучей  света в выпуклых и вогнутых линзах различен.

     

     Рис. 4

     При помощи линз можно не только собирать и рассеивать лучи света, но и получать разнообразные изображения предметов. Именно благодаря этой способности  линзы широко используются на практике. Так, например, линзы в киноаппаратах  способны давать увеличенное в сотни  раз изображение маленького кадра, а в фотоаппаратах  также линзы  дают уменьшенное изображение фотографируемого предмета.                                                                                                                                                                         

2.4. треугольная призма

     Одной из основных деталей многих оптических приборов является стеклянная треугольная  призма (рис.5, а).

     

     Рис. 5

     На  рисунке 5, б показан ход лучей  в такое призме: в результат  двукратного преломления, треугольная призма отклоняет падающий луч в сторону к своему основанию.

     На  рисунке 6 показаны некоторые типы отражательных  призм. Видно, что отражательные  призмы могут использоваться для  изменения направления светового  пучка, параллельное смещение пучка, переворачивая  изображения.

     

     Рис. 6

     Отражательные призмы используются в перископах, биноклях, фотометрах, фотоаппаратах,  оптических системах связи и локации  и т.д. 

     3. Дисперсия света

3.1. использования свойств  света учеными

     Цвет  – одно из очевидных свойств света. Очевидное, но непонятное. Теорий было много, но только Ньютон провел исследования и получил ответ на свой вопрос. Преломление света прозрачными телами и возникновение при этом радужной полосы было известно задолго до Ньютона. Явление разложения света на различные цвета называли дисперсией света. Помимо этого определения существует ещё несколько, например:

1. Дисперсия  - это зависимость показателя преломления вещества в зависимости от цветности
2. Дисперсия – это зависимость фазовой скорости от частоты.

     Исаак Ньютон выполнил целый комплекс оптических экспериментов  призмами, описав их в «Оптике, новой теории света и цветов» впервые опубликованных уже после смерти ученого.

     Правильное  представление об образовании  радуги в капле воды сформулировал Р. Декарт (рис. 7). Однако Декарт не сумел  объяснить почему наблюдатель видит  радугу именно под углом 42°.

     

     Рис.7 
 

3.2. радуга глазами  внимательного наблюдателя

     Наверное, нет человека, который не любовался  бы радугой. Её считали доброй предвестницей, приписывали ей магические свойства.

     В наши дни знают, что радуга – это  оптическое явление, связанное с  преломлением световых лучей на многочисленных капельках дождя. Однако далеко не все  знают, как именно преломление света  на капельках дождя приводит к  возникновению  на небосводе гигантской многоцветной радуги.