Embedded Files
Дисперсія
Це відкриття стало найяскравішим моментом в історії науки, розкривши перед людством чергову таємницю природи. Осмислення явища розкладання світла на спектр не тільки змінило наше сприйняття світла, але й відкрило нові обрії для досліджень у галузі оптики та фізики в цілому.
На надгробному пам'ятнику Ньютону, поставленому 1731 року, зображені постаті юнаків, які містять емблеми найважливіших відкриттів Ньютона. У руках одного з юнаків – призма, а в написі на пам'ятнику є наступні слова: «Тут похований сер Ісаак Ньютон, який відрізнявся майже божественним складом розуму і напрочуд володів математикою. Він досліджував небесні світила, шляхи руху комет, морські припливи, природу світла, і що до нього не вдавалося жодному вченому чоловікові, він зрозумів властивості квітів. Дбайливий, прозорливий, правовірний і сумлінний у своїх дослідженнях природи, історії та Святого Письма, він довів своєю філософією велич Господа великого та добросердого і висловив у своїх працях простоту Євангелія. Порадуйтесь, смертні, що жив на світі такий великий представник людства! Він народився 25 грудня 1642 і спочив 20 березня 1727».
Історія відкриття
Відкриття явища дисперсії світла вважається одним із найважливіших в оптиці. Ньютон провів звичайний досвід зі скляною призмою та помітив розкладання світла на спектр. Направивши промінь денного світла на призму, побачив на екрані різні кольори веселки.
Після побаченого він виділив із них сім основних кольорів: червоний, помаранчевий, жовтий, зелений, блакитний, синій та фіолетовий. Ньютон вибрав лише сім кольорів з тієї причини, що були найбільш яскраві, він також говорив, що в музиці всього сім нот, але їх поєднання, різні варіації дозволяють отримати зовсім різні мелодії.
Провівши зворотний дослід, тобто отриманий спектр він направив на грань іншої призми і в результаті досліду Ньютон знову отримав біле світло.
Спектр (від латинського «spectrum» – бачення) - безперервний ряд кольорових смуг, що виходить шляхом розкладання білого променя світла на складові.
Дисперсія світла - залежність показника заломлення від довжини хвилі світла. Це явище пов’язане зі здатністю скляних лінз та призм відокремлювати білий світловий промінь на його складові кольори.
Під час вивчення дисперсії було виявлено, що ці складові білого світла мають у повітрі (вакуумі) однакову швидкість, тоді як у інших середовищах їх швидкості різні. Внаслідок того, що при проходженні світлом межі двох середовищ змінюється швидкість, вона відхиляється від свого вихідного напрямку.
У трактаті “Оптика” Ньютон написав:
“Світлові пучки, що відрізняються за кольором, відрізняються за рівнем заломлюваності”.
Як відомо, показник заломлення середовища n залежить від швидкості світла v у речовині:
Чим оптично плотніше середовище, тим більше показник заломлення, тим менше швидкість світла в речовині. Тому промені фіолетової частини спектра переломлюються сильніше (відхиляються на більший кут) порівняно з променями червоного світла, які мають більшу довжину хвилі (меншу частоту).
де c - швидкість світла у вакуумі.
Бондарев Антон, 9Б
Як запам’ятовують кольори спектра
Запам'ятати кольори спектра (або веселки) та їх послідовність допоможе така промовка, яку використовують українці: Часто Ослик Жадав З'їсти Багато Солодких Фруктів.
Або таке: Чапля Осінь Жде Завзято, Буде Сани Фарбувати.
The acronym ROYGBIV may be helpful in remembering the order of the colors that make up the visible spectrum.
So visible light has a number of colors and from lowest to highest frequency, we have Roy G Biv. So we used this fictional name, Roy G Biv, to be able to memorize the order of visible light from lowest to highest frequency. So we have Red, Orange, Yellow, Green, Blue, Indigo, and Violet.
Дослідження №1. Проходження монохроматичного світла через призму.
Пропустимо через скляну трикутну призму біле світло від сонця. На екрані ми побачимо промінь того ж кольору, що вийшов заломленим. Електромагнітна хвиля певної постійної частоти називається монохроматичною. Світло відхиляється, але нового діапазону не утворює. Саме таке світло можна вважати простим.
Дослідження №2. Дисперсія світла – розкладання у райдужний спектр пучка білого світла під час проходження через воду. Для проведення експерименту знадобиться: дзеркало, джерело світла (ліхтарик телефону), екран (аркуш білого паперу), ємність із водою.
Хід експерименту: у ємність наливаємо воду та кладемо на дно дзеркало. Направляємо на дзеркало світло, щоб відбите світло потрапляло на екран.
Дисперсія світла в науці та технологіях
В астрономії, наприклад, вона використовується для визначення складу зірок та інших космічних об'єктів за допомогою спектроскопії. В оптичній інженерії дисперсія враховується при проєктуванні лінз та оптичних систем, щоб мінімізувати хроматичну аберацію, яка може впливати на якість зображення, та іноді робляться гарні відображення.
Застосування дисперсії світла також можна знайти в інформаційних технологіях. Оптичні волокна використовують дисперсію світла для передачі сигналів на великі відстані зі збереженням інформації.
Це стало можливим завдяки розумінню фізичних процесів, що лежать в основі дисперсії світла.
Лєбєдєва Марія, 11 Бл
Колір непрозорих та прозорих тіл
Колір відіграє важливу роль у нашому житті та діяльності. У природі немає нічого безколірного.
Людина живе в різнобарвному світі. Одні кольори дуже яскраві й чисті, інші бліді й настільки невизначені, що деколи важко підібрати їм назву.
Поняття кольору та його сприйняття дуже складні. Кольорознавство охоплює питання пов'язані з фізикою, психологією, світлотехнікою, медициною, технікою, мистецтвом.
Колір — властивість тіл викликати визначені зорові відчуття у відношенні зі спеціальним спектральним складом та інтенсивністю відображеного або випроміненого видимого випромінювання.
Встановлено, що людським оком сприймаються світлові коливання з довжиною хвилі від 380 до 760 нм (1 нм = 10−9 м).
Око людини має різне відчуття до хвиль різної довжини. Найбільшу чутливість око має в області жовто-зелених променів. Максимум видимості відповідає зеленим променям з довжиною хвилі 550 нм.
Тіла білого кольору відбивають однаково промені всіх кольорів.
Тіла чорного кольору поглинають промені всіх кольорів.
Світлові промені, які потрапляють на поверхню тіла, поглинаються, відбиваються, або проходять через це тіло. Прозорі тіла володіють всіма трьома властивостями, а непрозорі – тільки поглинанням та відбиванням.
Колір поверхні непрозорих тіл буде визначатися тим, промені якого кольору в білому світлі ця поверхня відбиває, а якого кольору поглинає. Якщо поверхня поглинає, наприклад, усі промені, крім зелених, то вона за освітлення білим світлом буде зеленою.
А якщо зелену поверхню освітити будь-якими променями, крім зелених, то вона буде здаватися чорною.
Кольорові тіла, освічені кольоровим світлом.
Цікавим є ефект кольору при освітленні предметів монохроматичним світлом. У випадку білого тіла, будемо бачити освітлений предмет такого ж кольору, яким світлом його освітлюємо.
Чорний предмет у будь-якому випадку, залишиться чорним, оскільки поглинаються всі кольори. У випадку, наприклад, освітлення червоного куба червоним світлом, він залишиться червоним, оскільки червона поверхня відбиває тільки червоне світло. Навпаки, при освітленні синього куба червоним світлом, бачитимемо його чорним. Це пояснюється тим, що синій куб відбиває тільки синє світло. Оскільки в такому випадку він освітлюється червоним світлом, то все випромінювання, що падає, поглинається.
Складніша ситуація, коли маємо справу зі світлом та поверхнями неосновних кольорів. Так, при освітленні жовтого куба блакитним світлом, бачимо його в зеленому кольорі. Це пояснюється так: жовтий колір є сумішшю зеленого та червоного, а блакитний – зеленого та синього.
Отже, жовтий куб відбиває зелене та червоне світло, а інші поглинає. Тобто в такому випадку відбиватиметься тільки зелене світло.
Аналогічно, при освітлені синього куба жовтим світлом останній буде чорним. Оскільки жовте світло – це суміш зеленого та червоного, які в цьому випадку поглинаються.
Колір прозорого тіла визначається складом того світла, який проходить крізь нього.
Тіло, яке поглинає світло певних довжин і пропускає інші електромагнітні хвилі, називається світлофільтром. Світлофільтр можна використовувати, щоб поглинати частину світла, а іншу пропускати.
Фільтр основного кольору (червоний, синій або зелений) пропускатиме світло лише цього основного кольору.
Якщо дивитися через червоний фільтр, світло буде виглядати червоним або чорним, якщо цього кольору світла немає.
Аналогічну картину спостерігаємо при проходженні білого та пурпурового світла через зелений світлофільтр. Біле світло містить зелену складову, тому в око потрапляє зелене світло, а інші кольори поглинаються світлофільтром. Пурпуровий колір не містить зеленого світла, а отже, усе випромінювання поглинається. Якщо ж через зелений світлофільтр пропустити жовте або блакитне випромінювання, то на виході будемо мати зелене світло. Це спричинено тим, що ці вторинні кольори містять зелений.
Біле світло як результат синтезу трьох основних кольорів містить і зелений, і синій колір. Блакитний світлофільтр поглинає всі кольори, окрім зеленого та синього. Тому через світлофільтр пройде світло синього та зеленого кольору, які при злитті дадуть блакитний. Пурпурове є синтезом червоного та синього кольору, але блакитний світлофільтр поглинає червоне світло. Тому зображення пурпурового предмета через блакитний світлофільтр буде повністю синім. Червоне світло повністю поглинається блакитним світлофільтром. Тому зображення червоних предметів через блакитний світлофільтр будуть чорними.
Людей завжди зачаровували прозорі кольорові предмети, вони милувалися ними, намагалися прикрасити витворами з кольорового скла свій побут.
Митці минулого та сучасності використовували властивості прозорого скла для створення величних шедеврів — вітражів.
Вітраж — сюжетна або візерункова декоративна композиція з прозорого кольорового скла або інших матеріалів, які пропускають світло. Крізь них сонячні промені освітлюють інтер’єри, розливаючись яскравими святковими кольорами по стінах і підлозі приміщень.
Вітражі Шартрського собору
На півночі Японії та в лісах Китаю можна побачити, на перший погляд, звичайні квіти, проте вони мають цікаву особливість – при контакті з водою їх пелюстки стають прозорими.
Це пояснюється тим, що в пелюстках квітки немає білого пігменту, клітинна структура пелюсток — пухка, у пелюстках — багато лакун і міжклітинних просторів, наповнених повітрям. У сонячний день відбувається дифузне відображення між сполученими бульбашками повітря та безбарвними цитолімфами, у результаті пелюстки здаються білими. У дощ вода проникає в лакуни та міжклітинні простори: вихідна пара «повітря-рідина» («повітря-цитолімфа») замінюється парою «рідина-рідина» («вода-цитолімфа»). Оскільки цитолімфа та вода мають порівняні показники заломлення світла, світлопроникність значно збільшується.
Рослина має назву - скляна квітка або дволисник Грея, наукова назва - Diphylleia grayi.
Диво природи — прозора квітка
Ми візьмемо до рук кольорові фарби,
Розмалюємо світ у яскраві барви,
Сонце світить, а ми радісні й здорові:
Добрий ранок сонечко, світ такий чудовий!
Дощик ллє цілий день, стукає в віконце,
Не виходить з-за хмар золотаве сонце,
Ми візьмемо до рук фарби кольорові:
Добрий вечір дощику, світ такий чудовий!
Темну ніч, сірий день гарно розфарбуєм,
Заспіваєм пісень, мрію намалюєм,
В небо кульки летять різнокольорові:
Добрий день країно, світ такий чудовий!
Ми візьмемо до рук кольорові фарби,
Розмалюємо світ у яскраві барви,
Сонце світить, а ми радісні й здорові:
Добрий ранок сонечко, світ такий чудовий! |
Лєбєдєва Марія, 11 Бл
Спектроскоп
Спектроскоп — це не просто науковий інструмент, а "вікно" у глибини Всесвіту, атомів та інших таємниць природи!
Спектроскоп — це прилад, який аналізує властивості світла, особливо його спектральний склад, тобто розподіл енергії світла залежно від довжини хвилі (або кольору). Світло, яке сприймає наше око як біле, насправді складається з багатьох довжин хвиль, що відповідають різним кольорам.
Він розділяє світло на складові довжини хвиль (спектр), що дозволяє вивчати властивості випромінювання, джерела світла або речовини, через яку проходить світло.
Світло потрапляє через щілину → колімується → розкладається на спектр диспергуючим елементом → проєктується на детектор для спостереження або аналізу.
Перший спектроскоп розробили німецькі вчені Роберт Бунзен і Густав Кірхгоф у 1859 році. Вони відкрили, що кожен елемент має унікальні спектральні лінії.
Принцип роботи:
1. Розкладання світла (призма або дифракційна решітка).
2. Аналіз інтенсивності кожної довжини хвилі.
Спектроскоп використовується у хімії та фізиці для вивчення складу речовин.
В астрономії для дослідження складу і руху небесних об’єктів. У медицині та біології для аналізу спектрів речовин.
Основні частини спектроскопа:
1. Вхідна щілина
Вузький отвір, через який світло надходить у прилад.
Щілина забезпечує точний і вузький потік світла для розкладання.
2. Коліматор
Лінза або система лінз, яка спрямовує світло в паралельний пучок.
Забезпечує правильне проходження світла через прилад.
3. Диспергуючий елемент
Основний елемент, що розкладає світло на спектр:
Призма — заломлює світло, розкладаючи його на складові кольори.
Дифракційна решітка — розділяє світло за принципом дифракції.
4. Об'єктивна лінза або система лінз
Спрямовує розкладене світло до детектора або візуального пристрою.
5. Спектральний детектор
○ Пристрій для реєстрації спектра:
Око (у простих спектроскопах для спостереження).
Фотопластина або сучасні сенсори (наприклад, ПЗЗ-матриці) для запису спектру.
6. Шкала довжин хвиль
Для точного вимірювання положення та інтенсивності спектральних ліній.
7. Корпус або оптична трубка
Механічна структура, яка тримає всі компоненти в правильномуположенні.
Спектр — це "райдуга", яку ми отримуємо, коли світло розкладається на його складові кольори. Це відбувається тому, що біле світло складається з різних кольорів, кожен з яких має свою довжину хвилі. Наприклад, у райдузі ми бачимо червоний, оранжевий, жовтий, зелений, блакитний, синій і фіолетовий — це і є спектр.
Неперервний спектр — спектр, у якого монохроматичні складові заповнюють без розривів інтервал довжин хвиль, у межах якого відбувається випромінювання.
Смугастий спектр — спектр, монохроматичні складові якого утворюють групи (смуги), що складаються з багатьох тісно розташованих ліній емісії. Смуги випромінювання різних хімічних елементів різні, на чому заснований спектральний аналіз речовини при аналізі сполук невідомого складу.
Лінійчатий спектр — спектр, що складається з окремих монохроматичних ліній, що не зливаються одна з одною.
Вдалий дебют: новий спектрограф знайшов суперземлю біля близької зорі.
Міжнародна група астрономів повідомила про відкриття раніше невідомого позасонячного світу, що обертається навколо близької зорі. Це перша екзопланета, виявлена за допомогою нового інструменту NEID Earth Twin Survey (NETS).
NEID — це спектрограф, встановлений на 3,5-метровому телескопі WIYN1 у Національній обсерваторії Кітт-Пік в Аризоні. Він використовується для пошуку маломасивних екзопланет біля близьких яскравих зір. Нещодавно NEID записав на свій рахунок першу знахідку — суперземлю, яка обертається навколо зорі HD 86728.
HD 86728 являє собою жовтий карлик, розташований на відстані 48,6 світлових років від Сонця. Його маса порівнянна з сонячною, а радіус перевершує радіус Сонця приблизно на чверть.
Загалом NEID спостерігав за HD 86728 протягом 137 окремих ночей протягом трьох років. Йому вдалося виявити зміну радіальної швидкості зорі, викликану наявністю в неї невидимого компаньйона. Подальший аналіз показав, що йдеться про тіло, чия маса перевершує масу Землі в 9,16 раза. Його період обертання становить 31,15 дня, орбіта пролягає на відстані 0,19 а. о. (28 млн км) від батьківського світила.
За словами дослідників, переважна більшість екзопланет (понад 88%) з аналогічними масами й орбітальними періодами перебувають у мультипланетних системах. Тому вони планують продовжити вивчення цієї системи з метою пошуку інших світів.
Цікаві факти:)
Завдяки спектроскопу були відкриті нові елементи, наприклад:
Гелій (He) вперше знайдено в спектрі Сонця, ще до того, як його виявили на Землі.
Цезій (Cs) і Рубідій (Rb) відкриті через їхні характерні спектральні лінії.
За допомогою спектроскопа астрономи відкрили явище червоного зміщення, яке підтверджує, що Всесвіт розширюється.
Спектроскоп працює за тим самим принципом, що й утворення веселки: розкладання світла на спектр через заломлення.
Біле світло складається з багатьох кольорів, які утворюють спектр. Спектроскоп використовує призму або дифракційну решітку, щоб розділити світло на складові кольори, від червоного до фіолетового.
Спектроскопія дозволяє визначати склад атмосфер далеких планет. Наприклад, в атмосфері екзопланет було виявлено сліди води, метану та вуглекислого газу.
Спектроскоп використовують для аналізу речовин на місці злочину. Наприклад, вивчають фарби, чорнила або хімічні сліди, щоб ідентифікувати їх походження.
Спектроскопія використовується для аналізу крові, тканин і діагностики хвороб. Наприклад, інфрачервона спектроскопія допомагає виявляти ракові клітини.
Спектроскопічний аналіз допомагає шукати біомаркери (воду, кисень, озон) у атмосферах далеких планет, що можуть свідчити про існування життя.
Спектроскопи дозволяють визначити температуру, склад і навіть вік зірок, аналізуючи їхнє випромінювання.
Дунай Олександра, 11Ал
Веселка
Веселка – це одне з найкрасивіших і загадкових явищ природи, яке завжди викликає захоплення.
Веселка – це атмосферне оптичне явище, яке виникає внаслідок дисперсії світла в краплях води (дощу або туману). Вона виглядає як багатокольорова дуга або коло, утворене з кольорів спектра видимого випромінювання.
Як же утворюється веселка?
Для утворення веселки необхідні три компоненти: сонце, дощ (або туман) і спостерігач, який перебуває між сонцем і дощем під кутом приблизно 42 градуси.
Сонце випромінює біле світло, яке насправді є сумішшю всіх кольорів видимого спектру.
Коли сонячне проміння потрапляє в краплю дощу, воно заломлюється (змінює свій напрямок) на поверхні краплі.
Внутрішньою поверхнею краплі світло відбивається і знову заломлюється, виходячи з краплі під іншим кутом. При цьому біле світло розкладається на складові кольори: червоний, оранжевий, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий. Саме це розділення на кольори і називається дисперсією.
Кожен колір виходить з краплі під своїм кутом, і тому ми бачимо їх у вигляді окремих смуг – веселки.
Веселка очима вчених
Перші спроби пояснити веселку мали трагічні наслідки для вченого Антоніо Домініко. Його теорія суперечила релігійним уявленням. Декарт доповнив ці знання, пов'язавши веселку із заломленням світла в краплях дощу, але не зміг пояснити її кольоровість. Лише Ньютон, відкривши дисперсію світла, повністю розкрив таємницю веселки.
Цікаві факти про веселку
Веселку можна побачити не тільки вдень, але й вночі під час повного місяця. Таку веселку називають місячною.
Найчастіше ми бачимо веселку у вигляді дуги або навіть напівдуги, але насправді це коло. Ми просто бачимо тільки якусь її частину.
Веселка – це символ надії і обіцянки кращого майбутнього в багатьох культурах.
Різноманіття веселок у природі
Первинна веселка
Найпоширеніший вид, який ми найчастіше бачимо. Вона утворюється в результаті одного внутрішнього відбиття сонячного світла всередині крапель води. Кольори в первинній веселці розташовані в такому порядку: червоний (зовні), оранжевий, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий (всередині).
Вторинна веселка
Менш яскрава і ширша веселка, яка іноді з’являється зовні від первинної. Утворюється в результаті двох внутрішніх відбиттів сонячного світла. Вторинна веселка має зворотний порядок кольорів порівняно з первинною: фіолетовий колір знаходиться зовні, а червоний – всередині. Між первинною і вторинною веселками часто спостерігається темна смуга, яка називається смугою Александра.
Туманна веселка
Цей вид веселки виникає в тумані і відрізняється більш широкою і менш яскравою кольоровою смугою. Часто туманні веселки мають пастельні або навіть білі відтінки.
Місячна веселка
Це веселка, яка виникає вночі при світлі Місяця. Вона набагато слабша за сонячну веселку і часто виглядає білою або має дуже бліді кольори. Найкраще її спостерігати в безмісячну ніч, коли Місяць знаходиться низько над горизонтом і світить через туман або дощ.
Веселка повного кола
Зазвичай ми бачимо лише дугу веселки, але якщо піднятися на висоту або спостерігати веселку з літака, можна побачити її повне коло.
Перевернута веселка
Це досить рідкісне явище, при якому кольори веселки розташовані в зворотному порядку. Воно виникає за незвичайних умов освітлення.
Вогненна веселка
Насправді це не зовсім веселка, а оптичне явище, яке виникає внаслідок заломлення сонячного світла в крижаних кристалах перистих хмар. Вона виглядає як горизонтальна смуга яскравих кольорів і спостерігається дуже рідко.
Багаторазові веселки
Іноді можна спостерігати одразу кілька веселок, накладених одна на одну. Це дуже красиве й рідкісне явище.
Веселка в склі
Коли світло проходить через прозорий матеріал, наприклад, скло, воно заломлюється, тобто змінює свій напрямок. Якщо в склі є якісь нерівності, подряпини або внутрішні напруження, то світло розсіюється і розкладається на складові його кольори – спектр. Це явище називається дисперсією світла. Саме дисперсія створює ефект веселки, який ми бачимо на склі.
Веселка при штучному освітленні
За певних умов, наприклад, при проходженні світла через призми, дифракційні ґратки або краплі води, воно також може розкладатися на спектр, створюючи ефект веселки.
Легенди про веселку в українській культурі
Веселка як міст: В давнину люди вірили, що райдуга – це міст між небом і землею. По цьому мосту боги спускались на землю, а душі померлих піднімались на небеса.
Веселка як скарб: Існує повір’я, що в кінці райдуги захований горщик із золотом. Багато шукачів пригод вирушали на пошуки цього скарбу, але ніхто так і не знайшов його.
Веселка як знак богів: Райдуга вважалася знаком благословення богів. Її поява після дощу сприймалася як обіцянка гарної погоди і багатого врожаю.
Веселка як лук Індри: В індуїстській міфології райдуга – це лук бога Індри, за допомогою якого він перемагає демонів.
Веселка як змія: У деяких культурах райдуга асоціювалася зі змією, яка уособлювала мудрість, зцілення й родючість.
Веселка як символ надії: Після дощу райдуга з’являється як символ надії і обіцянки кращого майбутнього. Вона нагадує людям про те, що навіть після найтемніших часів приходить світло.
Веселка як знак миру: В сучасному світі райдуга часто використовується як символ миру, різноманіття і толерантності.
Сікорський Артем, 7А
ФОТОГАЛЕРЕЯ: "Веселка"
Інтерференція
Інтерференція - це одне з яскравих проявів хвильової природи світла. Це цікаве й красиве явище спостерігається при накладенні двох або декількох світлових пучків.
Інтенсивність світла в області перекривання пучків має вигляд світлих і темних смуг, що чергуються, причому в максимумах інтенсивність більше, а в мінімумах менше суми інтенсивностей пучків. При використанні білого світла інтерференційні смуги виявляються пофарбованими в різні кольори спектра. З інтерференційними явищами ми стикаємося досить часто: кольори масляних плям на асфальті, фарбування замерзаючих шибок, вигадливі кольорові малюнки на крилах деяких метеликів і жуків – усе це прояв інтерференції світла.
Інтерференція – явище накладання хвиль, унаслідок якого в деяких точках простору спостерігається стійке в часі посилення (або послаблення) результуючих коливань.
Інтерференція хвиль (лат. interferens, від inter - між + -ferens - несе, що переносить) - взаємне збільшення або зменшення результуючої амплітуди двох або декількох когерентних (скорельованих (узгоджених)) хвиль при їх накладенні один на одного. Супроводжується чергуванням максимумів (пучностей) та мінімумів (вузлів) інтенсивності в просторі. Результат інтерференції (інтерференційна картина) залежить від різниці фаз хвиль, що накладаються.
Інтерферувати можуть усі хвилі, проте стійка інтерференційна картина спостерігатиметься лише в тому випадку, якщо хвилі мають однакову частоту і коливання в них не ортогональні. Інтерференція може бути стаціонарною та нестаціонарною.
Наприклад, дві сферичні хвилі на поверхні води, що поширюються від двох когерентних точкових джерел, при інтерференції дадуть результуючу хвилю, фронтом якої буде коло.
При інтерференції енергія хвиль перерозподіляється в просторі. Це не суперечить закону збереження енергії, тому що в середньому, для великої області простору, енергія результуючої хвилі дорівнює сумі енергій хвиль, що інтерферують.
При накладенні некогерентних хвиль середня величина квадрата амплітуди (тобто інтенсивність результуючої хвилі) дорівнює сумі квадратів амплітуд (інтенсивностей) хвиль, що накладаються. Енергія результуючих коливань кожної точки середовища дорівнює сумі енергій її коливань, зумовлених усіма некогерентними хвилями окремо.
Саме відмінність результуючої інтенсивності хвильового процесу від суми інтенсивностей його складових і є ознакою інтерференції.
Картина інтерференції великої кількості кругових когерентних хвиль, залежно від довжини хвилі та відстані між джерелами
Перламутрові мушлі — дивовижні творіння природи, які зачаровують своїм м’яким райдужним блиском. Цей ефект можна пояснити явищем інтерференції світла.
Тонка плівка мильної бульбашки — це, мабуть, один із найвидовищніших і захопливих прикладів інтерференції світла. Тут, як і у випадку з плівками, різні довжини хвиль світла підсилюються або гасяться залежно від товщини плівки, створюючи яскраві райдужні кольори. Кожна бульбашка — це маленький всесвіт, укладений у прозору оболонку.
Усі знають, що мильні бульбашки мають райдужне забарвлення. Товщина стінок мильної бульбашки змінюється неоднорідно, постійно рухаючись, тому її колір постійно змінюється. Наприклад, при товщині 230 нм міхур забарвлюється в помаранчевий колір, при 200 нм - зелений, при 170 нм - синій. Коли через випаровування води товщина стінки мильного міхура стає меншою за довжину хвилі видимого світла, міхур перестає переливатися кольорами веселки і стає майже невидимим, перед тим як лопнути - це відбувається при товщині стінки приблизно 20-30 нм.
Те саме відбувається з бензином. Ця речовина не поєднується з водою, тому опиняючись у калюжі на дорозі, вона розтікається по її поверхні й утворює найтоншу плівку, яка створює гарні райдужні розводи. Цим дивом ми завдячуємо так званій інтерференції – чи, простіше кажучи, ефекту заломлення світла.
“Мильна бульбашка, кружляючи в повітрі... виблискує всіма відтінками кольорів, властивими навколишнім предметам. Мильна бульбашка, мабуть, найвишуканіше диво природи...”
Марк Твен.
Але що ми знаємо про інтерференцію світла в природі?
Перламутр складається з тонких шарів мінералів, таких як арагоніт, укладених під певним кутом і скріплених білковим матриксом. Світло, потрапляючи на поверхню мушлі, частково відбивається від кожного шару. Через різницю в товщині шарів та відстані між ними відбиті хвилі накладаються одна на одну.
Це створює явище інтерференції: світлові хвилі підсилюються в одних місцях і гасяться в інших. Таким чином виникають райдужні відтінки, які ми бачимо при зміні кута зору.
Інтерференція обумовлює райдужні переливи і поверхні компакт-дисків. Це, до речі, один із найпростіших способів «добування» веселки в домашніх умовах. За відсутності сонця підійде і настільна лампа, і ліхтарик, але в цьому випадку веселка виходить менш яскравою. Просто змінюючи кут нахилу CD-диска, можна отримати і райдужну смужку, і кругову веселку, і непосидючі райдужні зайчики на стіні або будь-якій іншій поверхні.
Крім того, чим не привід навчити дитину основ музичної грамоти? Адже спочатку Ньютон розрізняв у веселці всього п'ять кольорів (червоний, жовтий, зелений, блакитний та фіолетовий), але потім додав ще два - помаранчевий та фіолетовий. Таким чином, учений хотів створити відповідність між числом кольорів спектра і кількістю нот музичної гами.
...Але щодо крил бабки? Чому крильця бабки переливаються?
Крильця бабки переливаються через явище інтерференції. Під час руху світло буде падати під різним кутом і різні складові світла будуть посилюватися. Буде або зелене, або синє, або фіолетове. Посилюється це світло і ми бачимо, як переливаються крильця бабки.
Що можна сказати про товщину її крилець? Чому переливається внутрішня перламутрова частина мушлі?
Можна сказати, що їхня товщина порівняна з довжиною світла в цьому середовищі. Переливається тому, що бачимо явище інтерференції, а саме, що світло падає під різним кутом і в нас починає підсилюватися різна складова зі спектру. Це мікрометри. Одиниці мікрометрів. Під різним кутом падіння світла змінюється оптична різниця ходу, буде спостерігатися підсилення зі спектру іншого якогось кольору, який відповідає парному числу півхвиль.
Крім того, тонка хітинова структура крил розкладає біле світло на спектр, виділяючи різні відтінки залежно від кута зору. Така гра кольорів нагадує переливи на поверхні мильних бульбашок або масляних плям на воді.
Френель, Огюстен Жан французький фізик, один із творців хвильової теорії світла
...Але, обговорімо відкриття двох геніальних вчених? Наприклад, Френеля та його схеми досліду:
Для одержання когерентних джерел світла вдаються до штучного прийому: пучок світла від одного джерела розділяють на два або кілька пучків, які йдуть різними шляхами, і в подальшому зводяться й накладаються один на один. Якщо ці пучки пройдуть різну відстань, то між ними виникне різниця фаз. У разі накладання таких пучків і виникає стійка інтерференційна картина. Уперше такий метод використав французький фізик Огюстен Френель (1788-1827).
На малюнку наведено схему досліду Френеля для одержання когерентних джерел світла за допомогою так званої біпризми Френеля.
Біпризма Френеля - оптичний пристрій для отримання пари когерентних світлових пучків.
Біпризма - дві однакових трикутних призми, з дуже малим заломлюючим кутом, складені своїми основами.
Існують інші способи отримання когерентних джерел світла. Умови мінімумів і максимумів інтерференційної картини. Уперше явище інтерференції дослідив Томас Юнг (1773–1820) (йому належить і термін «інтерференція»). Юнг також першим виміряв довжину світлової хвилі. У своїх дослідах Юнг використав сонячне світло, що проходило одну, а потім крізь дві щілини S1 та S2.
а — максмуму; б — мінімуму інтерференційної картини.
Якщо хвилі, що випромінюються джерелами S1 і S2 , мають однакову фазу, а різниця їх ходу , то вони приходять у точку , синхронно «крокуючи в ногу». У цій точці хвилі зливаються в гармонійний резонанс, посилюючи одна одну. Як результат, амплітуда електромагнітних коливань зростає, і точка яскраво освітлюється, демонструючи максимум інтенсивності. Це явище подібне до хору, створює ідеальну гармонію світла.
Умова інтерференційного максимуму:
Коли хвилі надходять у точку в однаковій фазі, то в точці увесь час спостерігаються коливання зі збільшеною амплітудою – інтерференційний максимум. Це відбудеться за умови, що на відрізку ∆d укладатиметься будь-яке ціле число довжин хвиль (парне число пів-хвиль)
Умова інтерференційного мінімуму:
Коли хвилі надходять у точку М у протилежних фазах, вони гаситимуть одна одну у точці М спостерігається інтерференційний мінімум. Це відбудеться за умови, що на відрізку ∆d укладатиметься непарне число півхвиль.
Але не поспішайте, ще один із найвідоміших учених вирішив прикласти руку до розкриття таємниці, і відкрив інтерференційну картину – кільця Ньютона!
Ісаак Ньютон
У 1672 Ісаак Ньютон довів, що звичайний білий колір - це суміш променів різного кольору. "Я затемнив свою кімнату, - писав він, - і зробив дуже маленький отвір у віконниці для пропуску сонячного світла". На шляху сонячного променя вчений поставив особливе тригранне скло - призму. На протилежній стіні він побачив різнобарвну смужку, яку згодом назвав спектром.
Ньютон пояснив це тим, що призма розклала біле світло на його кольори. Потім на шляху різнокольорового пучка він поставив ще одну призму. Цим учений знову зібрав усі кольори в один звичайний сонячний промінь.
Щоб повторити дослід ученого, не обов'язково потрібна призма – можна використовувати те, що знайдеться під рукою. У хорошу погоду поставте склянку з водою на стіл поблизу вікна на сонячному боці приміщення. Розташуйте аркуш звичайного паперу на підлозі неподалік вікна таким чином, щоб на нього падали сонячні промені. Змочіть вікно гарячою водою. Потім змінюйте положення склянки та аркуша паперу, доки на папері не заграє маленька веселка.
Веселка із задзеркалля
Експеримент також можна проводити як у сонячну погоду, так і в похмуру. Для його проведення потрібні неглибока миска з водою, невелике дзеркало, ліхтарик (якщо за вікном немає сонця) та аркуш білого паперу. Зануріть дзеркальце у воду, а саму миску розташуйте так, щоб на неї потрапляли сонячні промені (або направте на дзеркало промінь ліхтарика). За потреби змінюйте кут нахилу предметів. У воді світло повинне переломитися й розбитися на кольори, тому листом білого паперу можна буде «зловити» невелику веселку.
Перший експеримент у лабораторних умовах по спостереженню інтерференції світла належить також І. Ньютону. Він спостерігав інтерференційну картину, що виникає при відбитті світла в тонкому повітряному прошарку між плоскою скляною пластиною й плоскоопуклою лінзою великого радіуса кривизни. Інтерференційна картина мала вигляд концентричних кілець, що одержали назву кілець Ньютона.
Кі́льця Нью́тона — кольорові кільця, які можна спостерігати за допомогою випуклої скляної пластинки внаслідок інтерференції світла, відбитого від різних поверхонь.
Аналогічні кольорові розводи можна часто спостерігати на різного типу поверхнях, вкритих прозорою плівкою, наприклад, на масляних плямах в калюжах.
Для монохроматичного світла з довжиною хвилі λ радіус m-го кільця Ньютона задається формулою:
R — радіус кривизни поверхні.
Кільця Ньютона в білому світлі
Утворення кілець Ньютона
Кільця Ньютона використовуються при виготовленні лінз для визначення правильності кривизни, оскільки вони дуже чутливі до щонайменших дефектів.
Застосування інтерференції в техніці доволі велике:
Просвітлення оптики
Інтерферометри
Контроль якості полірованих та шліфованих поверхонь.
В основі голографії (в т.ч. оптичної, акустичної або НВЧ-голографії).
У складних випромінюючих системах (антеннах).
Отримання високовідбивних діелектричних дзеркал.
Тож прояви чудового фізичного явища інтерференції ми можемо спостерігати в побуті, на виробництві та в природі.
Грінько Єлизавета, 11Бл
Дифракція світла
Дифракція світла – один з проявів хвильових властивостей. Здавалося б, промінь світла завжди повинен поширюватися по прямій. Але зустрічаючи перешкоду, світло відхиляється від первинного напряму, як би огинаючи перешкоду.
Багато років вчені спостерігали дифракцію світла і проводили досліди. Значних успіхів досяг Томас Юнг. Він виконав дослід з дифракції світла, за допомогою якого були вивчені довжини хвиль, що відповідають світловим променям різного кольору. Вивчення дифракції отримало своє завершення в працях Огюстена Френеля, який і побудував теорію дифракції, що дозволяє розраховувати дифракційну картину, яка виникає внаслідок огинання світлом будь-яких перешкод. Завдяки його дисертації, поданій на розгляд Академії наук у 1818 році, була встановлена хвильова природа світла. Френелю належить поняття довжини хвилі.
Томас Юнг (1773 - 1829)
Огюсте́н Жан Френе́ль (1788 - 1827)
Відхилення від прямолінійного поширення хвиль, огинання хвилями перешкод називають дифракцією (від лат. difractus - «розламаний»). Дифракція виявляється не тільки для світла, але і для інших хвиль і спостерігається у випадках:
- розмір перешкоди (або отворів, через які хвиля поширюється) на які падає хвиля, порівняні з довжиною хвилі.
- відстань від перешкоди до місця спостереження набагато більша ніж розмір перешкоди.
Умова спостереження дифракції:
r≥ d2 /λ
d – розмір перешкоди
λ – довжина хвилі.
Якщо від джерела S пропустити пучок світла крізь отвір АВ, то на екрані отримаємо світлову пляму.
Діаметр плями відповідає ширині світлового пучка, що падає на екран.
Дослід з виявлення залежності вигляду світлової плями від розмірів отвору:
У випадку, коли хвиля падає на екран зі щілиною, вона проникає за перешкоду завдяки дифракції, проте спостерігається відхилення від прямолінійного розповсюдження хвиль. Інтерференція хвиль за екраном призводить до виникнення темних та світлих областей, розташування яких залежить від напрямку, у якому ведеться спостереження, віддалі від екрана тощо.
Для спостереження явища дифракції використовується спеціальний прилад – дифракційна решітка.
Дифракційна решітка
Дифракційна решітка являє собою систему перешкод, які за розміром можна порівняти з довжиною хвилі. Це спеціальні паралельні штрихи, вигравірувані на поверхні металевої або скляної пластини. Відстань між краями сусідніх щілин решітки називається періодом решітки або її постійною.
Що відбувається зі світлом при проходженні дифракційної решітки? Потрапляючи на решітку і зустрічаючи перешкоду, світлова хвиля проходить через систему прозорих і непрозорих областей, у результаті чого розбивається на окремі пучки когерентного світла, які після дифракції інтерферують один з одним.
Дифракція світла на решітці
Кожна довжина хвилі відхиляється при цьому на певний кут, і відбувається розкладання світла в спектр. У результаті ми спостерігаємо дифракцію світла на решітці.
Дифракцію досить легко спостерігати в природних умовах, якщо подивитися ввечері на ліхтарі крізь прозору тканину або, примруживши очі, подивитися на яскраве джерело світла, то можна побачити веселку. Пір'я деяких птахів мають природні дифракційні решітки, які створюють конструктивні перешкоди, надаючи пір'ям райдужний ефект.
Дифракційна решітка оперення павлину
Зчитувана поверхня компакт-диска включає спіральну доріжку, намотану досить щільно, щоб змусити світло дифракціюватися в повний видимий спектр.
Можливо, ви навіть не здагадуєтесь, але дифракція світла має значний вплив на наші буденні взаємодії зі світом. Ось, наприклад:
- Райдужні кольори на компакт-дисках. Коли світло від джерела падає на поверхню компакт-диска, він проходить через крихітні доріжки на диску, що діють як дифракційна решітка. Це розділяє світло на спектр кольорів.
- Яскраві кільця навколо ламп у тумані. Краплі туману діють як невеликі перешкоди для світла, викликаючи його дифракцію і утворюючи ореоли навколо джерел світла.
- Якщо, примружившись, подивитися на сонячне світло, то можна побачити райдужне забарвлення навколо вій. Наші вії діють у даному випадку як прозорі дифракційні грати
- Природне явище «сяйво Будди» виникає внаслідок дифракції світла на дрібнесеньких крапельках води, коли сонячне світло пробивається крізь туман або хмару.
«Сяйво Будди» є різновидом природного явища, що виникає в результаті дифракції світла. Воно зазвичай з'являється, коли сонячні промені проникають через хмари і туман.
Аврахова Вікторія, 10Бі
Оптичні методи вимірювання
Оптичні методи аналізу є одними з найбільш поширених та ефективних способів дослідження речовин у різних галузях науки та промисловості. Вони базуються на взаємодії світла з речовиною, що дозволяє отримувати інформацію про структуру, склад та властивості матеріалів. Основні переваги оптичних методів — це висока чутливість, швидкість вимірювань та можливість безконтактного аналізу.
Основні типи оптичних методів аналізу
1. Спектроскопія
Спектроскопічні методи ґрунтуються на вивченні спектрів поглинання, випромінювання або розсіювання світла речовиною. До них належать:
Ультрафіолетова (УФ) та видима спектроскопія: використовуються для визначення електронної структури молекул.
Інфрачервона (ІЧ) спектроскопія: дозволяє досліджувати коливальні та обертальні рівні молекул.
Терагерцова спектроскопія.
Раманівська спектроскопія: базується на ефекті розсіювання світла зі зміною довжини хвилі, що дає інформацію про молекулярні зв'язки.
ЯМР-спектроскопія (ядерний магнітний резонанс): використовує ядерний магнітний резонанс для аналізу структури речовин.
2. Рефрактометрія
Метод ґрунтується на визначені показника заломлення світла в речовині. завдяки вимірюванню кута заломлення світла при проходженні через досліджувану речовину. Використовується для визначення концентрації розчинів, чистоти речовин та їхньої структури. Так як показник заломлення світла визначається швидкістю поширення світла в речовині, яка пов’язана з її будовою, то рефрактометрія дозволяє вивчати будову речовини. Якщо речовина є непрозорою, то методи рефрактометрії дозволяють її досліджувати через віддзеркалене світло.
Рефрактометрію ділять по діапазонах електромагнітного випромінювання на від УФ до терагерцового діапазону (ТГц). Рефрактометрія один з найстаріших оптичних методів.
Класичні методи рефрактометрії:
Метод призм. Вимірюються кут заломлення світла при проходженні світла через виготовлену призму.
Заломлення променів у призмі: а – за умови мінімального відображення;
б – під час роботи шляхом автоколімації; в – спосіб ковзного входження променів
Метод граничного кута. Вимірюється граничний кут падіння, при якому промінь не потрапляє з речовини з більшою оптичною густиною в речовину з меншою оптичною густиною.
Принципова схема рефрактометра, заснованого на вимірі граничного кута
Рефрактометри типу Пульвріха – один з основних приладів, що застосовуються для дослідницьких робіт у галузі хімічних досліджень та для контролю якості оптичного скла з кінця XIX ст. Характерною особливістю рефрактометрів Пульфріха є використання джерел світла з лінійчастим спектром (газові розрядні трубки і спектральні лампи) і вимірювальних призм з заломлюючим кутом /2.
Хід променів у вимірювальній призмі (а) та кювету для роботи з рідинами рефрактометра Пульфріха.
Рефрактометри типу Аббе. Створений понад більше півтора століття тому (1869 р.) цей тип рефрактометрів, завдяки дотепним конструктивним рішенням, відкрив можливість широкого застосування рефрактометрії, залишається найбільш поширеним. В основі роботи рефрактометра Аббе лежить явище повного відзеркалення і заломлення світла у двох призмах. Особливості цих рефрактометрів полягають у пристрої вимірювальної призми, наявності додаткової, так званої освітлювальної призми, використання для вимірювання «білого» (денного або штучного) світла і в конструкції шкали.
Схема призм рефрактометра Аббе:
1 – вимірювальна призма;
2 – освітлювальна призма;
3 – досліджувана рідина
Інтерферометричні рефрактометри. Інтерференційні методи дають можливість вимірювати показник заломлення з точністю до 10⁻⁶:
Інтерферометр Релея
Інтерферометр Жамена
Інтерферометр Майкельсона
Інтерферометр Фабрі-Перо
Оригінальні методи рефрактоскопії:
Метод Обреімова
Компенсаційний метод Рискина
Інтерференційно-поляризаційний метод
Іммерсійний метод
В іммерсійному методі показник заломлення досліджуваної речовини знаходиться порівнянням з показником заломленням деяких еталонних середовищ, і в кінцевому підсумку шляхом підбору середовища, показник заломлення якого лежить у межах точності методу і дорівнює показнику заломлення досліджуваної речовини. Великою перевагою іммерсійного методу є можливість його застосування до мікроскопічних явищ.
Сучасні методи рефрактометрії постійно вдосконалюються, стають більш автоматизованими, точними та чутливими. Використання цифрових та оптичних технологій дозволяє значно розширити сферу застосування рефрактометрії, роблячи її незамінною в багатьох галузях науки та промисловості.
3. Поляриметрія
Поляриметричні методи дозволяють вивчати оптично активні речовини. Оптична активність речовин полягає в зміні площини поляризації електромагнітної хвилі, що проходить через цю речовину. Вона обумовлена будовою кристалічної решітки або будовою молекул. Відповідно методами поляриметрії можна вивчати будову речовини, вимірювати концентрацію оптично активних молекул. Методи поляриметрія охоплюють від рентгенівського до субміліметрового діапазону електромагнітних хвиль. На даний час проста поляриметрія в наукових дослідженнях використовується вкрай рідко. Її замінили методи дисперсії оптичного обертання (ДОВ) та кругового дихроїзму (КД), які дозволяють вивчати повніше характеристики оптично активних речовин.
4. Фотометрія
Фотометричні методи використовують вимірювання інтенсивності світла, що поглинається або випромінюється зразком. До них належать:
Колориметрія: використовується для визначення концентрації речовин у розчинах.
Флуоресцентна спектроскопія: дозволяє досліджувати флуоресцентні властивості молекул.
5. Інтерферометрія
Метод ґрунтується на вивченні інтерференції світлових хвиль, що дозволяє вимірювати відстані, товщину плівок та інші параметри з високою точністю. Інтерферометрія частіше використовуються разом з іншими оптичними методами такими як рефрактометрія та поляриметрія.
Принцип роботи інтерферометра Майкельсона полягає в тому, що світло, що проходить через нього, поділяється на дві частини: одна проходить через призму, а інша через дзеркало. Потім ці дві частини світла знову поєднуються і проходять через іншу призму. У результаті виходить інтерференційна картина, яка показує, наскільки різняться фази двох світлових хвиль.
Інтерференційна картина може бути використана для вимірювання довжини хвилі світла, швидкості світла, показника заломлення середовища та інших фізичних параметрів. Прилад широко використовується в різних галузях науки та техніки, таких як оптика, фізика, астрономія та інші.
6. Мікроскопія
Оптична мікроскопія дозволяє досліджувати структуру матеріалів на мікро- та нанорівні. До неї належать:
Світлова мікроскопія: використовує видиме світло для отримання зображень.
Конфокальна мікроскопія: забезпечує високу роздільну здатність за рахунок використання лазерного джерела світла.
7. Оптичні методи вимірювання відстані
Оптичний далекомір — це прилад, що використовується для вимірювання відстаней до об'єктів за допомогою оптичних методів.
Основні фізичні принципи, на яких базується його робота, включають:
Тригонометрія та паралаксовий ефект: Далекоміри використовують принцип паралаксу – зміщення положення об'єкта при спостереженні з різних точок. У двооб’єктивних далекомірах, відомий базис (відстань між об'єктивами) дозволяє обчислити відстань до об'єкта за допомогою тригонометричних формул.
Інтерференція та фазовий метод: У деяких оптичних далекомірах застосовуються лазери, що випромінюють когерентне світло. Вимірювання фази відбитого сигналу дозволяє визначити відстань на основі довжини хвилі випромінювання.
Час проходу імпульсу (Time-of-Flight, ToF): Лазерний імпульс посилається до об'єкта, а потім фіксується час його повернення. Шлях обчислюється як половина добутку швидкості світла на виміряний час.
8. Оптичні методи вимірювання температури
Оптичний вимірювач температури, або пірометр, визначає температуру об'єкта безконтактним способом, аналізуючи його електромагнітне випромінювання.
В основу роботи таких приладів лежать закон Стефана-Больцмана, закон зміщення Віна, Планківський закон випромінювання та спектральний аналіз.
Таким чином, існує багато оптичних методів аналізу, які можуть використовуватися окремо або вкупі з іншими оптичними методами. Оптичні методи аналізу є потужним інструментом для дослідження речовин та матеріалів. Вони поєднують у собі високу точність, швидкість та широкий спектр застосувань, що робить їх незамінними в сучасній науці та промисловості.
Методи і принципи роботи сенсорів у смартгодинниках
В останній час популярними стали смартгодинники, у яких застосовуються оптичні методи вимірювання частоти серцевого скорочення (ЧСС), температури шкіри, артеріального тиску, насичення крові киснем.
Розглянемо фізичні принципи таких приладів.
Основним джерелом електромагнітного випромінювання є напівпровідниковий лазер або світлодіод, як правило зелений. Як саме працює напівпровідниковий лазер та світлодіод, і як перетворюється за допомоги помножувачів частоти червоне світло в зелене виходить за рамки цього проєкту.
Вимірювання частоти серцевих скорочень (ЧСС):
Фотоплетизмографія (PPG): Сенсори фіксують зміни в кількості відбитого світла залежно від кровонаповнення судин під час кожного серцевого циклу.
HRV (Heart Rate Variability): Деякі пристрої аналізують варіабельність серцевого ритму, визначаючи проміжки між ударами серця для оцінки стресу або фізичного стану.
Вимірювання температури шкіри:
Лазерні пірометри або інфрачервоні сенсори фіксують теплове випромінювання від шкіри, використовуючи принципи теплової радіації. Лазер вказує на точку вимірювання, а сенсор аналізує випромінювання, що надходить від об’єкта.
Термопари або термістори: Контактні сенсори вимірюють зміну електричного опору або термоелектричний ефект у відповідь на температуру.
Вимірювання артеріального тиску:
Комбінуючи PPG із алгоритмами обробки сигналів, можна оцінювати швидкість поширення пульсової хвилі (Pulse Wave Velocity, PWV), яка корелює з артеріальним тиском. Додатковий аналіз змін у формі сигналу допомагає більш точно визначити показники тиску. Деякі пристрої потребують одноразового калібрування за допомогою традиційного тонометра.
Вимірювання насиченості крові киснем (SpO2):
Пульсоксиметрія: Червоне та інфрачервоне світло проходять крізь тканини. Вимірюючи співвідношення поглинання світла оксигенованим і деоксигенованим гемоглобіном, сенсор визначає рівень SpO2.
Падюков Нікіта, 10Бм
Поляризація світла
Поляризація світла — це фізичне явище, при якому світлові хвилі упорядковуються в певному напрямку. Світло є поперечною хвилею, де електричне та магнітне поле коливається перпендикулярно до його поширення. У звичайному (неполяризованому) світлі ці коливання хаотичні, тоді як у поляризованому вони обмежуються площиною.
Де може відбуватися поляризація світла?
1. Природні явища:
1) Відбиття світла від поверхні (Чому появляються сонячні зайчики?)
Коли світло відбивається від гладкої поверхні (води, скла, асфальту), воно частково або повністю поляризується:
Механізм: Відбите світло залежно від кута падіння, пізнає поляризацію. Якщо кут падіння дорівнює такому самому куту Брюстера (близько 53° для води), відбите світло стає повністю поляризованим.
2) Розсіяння світла в атмосфері (Чому небо синє?)
Проміння сонця, проходячи через атмосферу, розсіюється молекулами повітря, пилом й іншими частинками.
Механізм: Під час розсіювання частина світла стає поляризованою, залежно від кута між джерелом світла (Сонцем) і точкою спостерігається. Найбільша поляризація проявляється під кутом 90° до сонячного проміння.
Приклад: Поляризація світла є причиною того, що небо виглядає синім у різних відтінках. Поляризоване світло використовується птахами та комахами для навігації.
3) Веселка (де ж насправді скарб леприконів?)
Світло, що утворює веселку, пізнає поляризацію під час відбиття і заломлення всередині краплин води.
Механізм: Краплі води в атмосфері заломлюють, відбивають і розщеплюють світло на спектр. При цьому відбитті світло частково поляризується.
Приклад: Якщо дивитися на веселку через поляризаційний фільтр, деякі кольори можуть стати більш яскравими.
4) Світіння океану (Правда Атлантиди!)
Світло, випромінюване організмами (наприклад, планктоном), може бути поляризованим.
Механізм: Мікроорганізми, які випромінюють світло, часто розташовані в певному напрямку, що впливає на поляризацію випромінюваного світла.
Приклад: Біолюмінесцентний планктон, що світиться вночі, випромінює світло з поляризаційними характеристиками.
5) Північне сяйво та аврора ( Правда судного дня)
Світло, яке створюється при взаємодії заряджених частинок з магнітним полем Землі, також частково поляризується.
Механізм: Заряджені частинки, зіткнувшись із молекулами повітря, випромінюють світло, яке поляризується залежно від напрямку поширення і магнітного поля.
Приклад: Північне сяйво часто має виражену поляризацію, яка досліджується за допомогою спеціальних інструментів.
6) Поляризація в поверхневих водах
Світло, що проходить через воду, частково поляризується через відбиття від частинок у воді або самого дна.
Механізм: При відбитті частинок у воді або дна, світло пізнає поляризацію. Це створює ефект, який сприяє розвитку тварин і комах, орієнтованих у водному середовищі.
Приклад: Деякі комахи, наприклад, бабки, шукають поляризацію світла для знаходження водойми, який для них є місцем розмноження.
7) Льодові кристали в хмарах
Льодові кристали в атмосфері можуть заломлювати й поляризувати сонячне світло, утворюючи оптичні явища.
Механізм: Світло заломлюється й відбивається в льодових кристалах, що формує ефекти, такі як гало, паргелії (сонячні "собаки") або світлові стовпці. Ці явища часто мають поляризаційні властивості.
Приклад: Гало, що видно навколо Сонця чи Місяця, може продемонструвати поляризацію, яку можна спостерігати за допомогою поляризаційного фільтра.
Ефекти:
Гало
Паргелія
Сонячна собака (Аномалія)
8) Навігація за допомогою поляризації (природний компас тварин)
Деякі живі організми здатні розрізняти поляризоване світло й використовують це для орієнтації в просторі.
Механізм: Поляризація світла в небі, яка змінюється залежно від положення Сонця, дає тваринам інформацію про напрямок. Це особливо корисно, коли Сонце за закритими хмарами.
Приклад: Бджоли використовують поляризацію світла для навігації. Крім того, якщо небо захмарене, вони починають вишукувати положення Сонця за характером поляризації світла.
2. Технічне застосування:
Поляризація світла містить численні застосування в техніці та комунікаціях завдяки здатності впорядковувати світлові хвилі в певному напрямку. Це дозволяє підвищити ефективність роботи пристроїв і збільшити нові функції.
1) Поляризаційні окуляри
Принцип роботи: Окуляри містять поляризаційні фільтри, які пропускають лише світло з певною орієнтацією хвиль, зазвичай вертикальною. Горизонтально поляризоване світло (наприклад, відблиски від води чи мокрої дороги) блокується.
Застосування:
Водії автомобілів: зменшення відблисків від асфальту.
Рибалки: покращення видимості крізь водну поверхню.
У щоденному використанні: зниження напруги очей під час яскравого освітлення.
2) Рідкокристалічні дисплеї (LCD)
Принцип роботи: LCD-дисплей вимагає двох поляризаційних фільтрів і шар рідких кристалів між ними. Коли на рідкі кристали подається напруга, вони змінюють орієнтацію, що впливає на проходження світла. Це дозволяє контролювати яскравість кожного пікселя.
Застосування:
Смартфони, телевізори, комп'ютери.
Екрани медичних та промислових приладів.
3). Фотографія та відеозйомка
Принцип роботи: Поляризаційні фільтри, встановлені на камері об'єктивів, усувають небажані відблиски і збільшують контрастність.
Застосування:
Фотографування води, вікон чи інших відбиваючих поверхонь.
Фотографування неба, щоб зробити його глибшого синього кольору.
4) Оптичні прилади
Принцип роботи: Поляризація використовується для підвищення контрастності та деталізації зображення в мікроскопах і телескопах.
Застосування:
Біологічні дослідження: вивчення кристалів або клітин.
Астрономія: спостереження за поляризованим світлом далеких об'єктів.
Зображення будови цукриметра
5). Аналіз матеріалів
Принцип роботи: Поляризоване світло досліджує механічні напруження в матеріалах. Наприклад, у пластиках або склі.
Застосування:
Контроль якості: виявлення дефектів.
Наукові дослідження: вивчення оптичних властивостей матеріалів.
3. Комунікаційне застосування:
1) Супутниковий зв'язок
Принцип роботи: Антени вибирають поляризовані сигнали (лінійну, кругову або еліптичну поляризацію) для зменшення перешкод між каналами. Наприклад, один канал може передавати вертикально поляризований сигнал, а інший — горизонтально.
Застосування:
Передача телевізійних сигналів.
Супутниковий Інтернет.
GPS-навігація.
2) Радіозв'язок
Принцип роботи: У радіозв'язку використовується різна поляризація сигналів для покращення якості передачі та прийому даних. Наприклад, перехресна поляризація дозволяє одночасно передавати два незалежні сигнали.
Застосування:
Мобільний зв'язок.
Радари: зменшення перешкод і покращення точності виявлення.
3) Оптоволоконний зв'язок
Принцип роботи: Поляризаційні режими у волокнах контролюють розповсюдження світлових хвиль, зменшуючи втрату сигналу.
Застосування:
Передача даних на великій відстані.
Інтернет-зв'язок у високошвидкісних мережах.
4) Квантова криптографія
Принцип роботи: Поляризація світла використовується для передачі квантових ключів у системах захищеного зв'язку. Орієнтація поляризованих фотонів (горизонтальна, вертикальна чи діагональна) є основою для створення унікальних криптографічних ключів.
Застосування:
Ультразахищені канали передачі даних.
Банківські системи та військовий зв'язок.
5) Лазерні системи
Принцип роботи: Поляризація контролює характеристики лазерного променя, що забезпечує його ефективне використання у зв'язку і техніці.
Застосування:
Лазерний Інтернет.
Оптичні сканери та передавачі.
Отже, можна зрозуміти, що багато давніх міфів та легенд пов’язані з поляризацією світла. Вона має велике значення для екології, біології, атмосферних явищ та навігації. Вивчення цих явищ дає змогу краще зрозуміти природні процеси та вдосконалити технічні рішення для їх імітації.
Крім того, у сучасному світі поляризація має значні переваги, зокрема:
підвищення ефективності передачі сигналу;
зменшення перешкод у високошвидкісних системах зв'язку;
захист даних у квантових комунікаційних системах.
Поляризація світу є ключовим фактором у розвитку сучасних технологій, забезпечуючи точність, надійність та нові функціональні можливості. Також ця тема є надзвичайно цікавою з точки зору дослідження природи та історії.
Мельник Іван, 10Аі
Поляризоване світло в природі.
Орієнтування тварин за допомогою поляризованого світла
Поляризоване світло - це світло, у якому коливання електричного поля відбуваються переважно в одному напрямку.
У звичайному (неполяризованому) світлі коливання електричного поля відбуваються у всіх напрямках, перпендикулярних напрямку поширення світла.
Поляризація ж упорядковує ці коливання, роблячи їх переважно лінійними, круговими або еліптичними.
Поляризоване світло в природі
Поляризація світла в природі пов’язана із взаємодією світлових хвиль з поверхнями і середовищем.
Дане явище важливо для екосистеми та навігації тварин. Ось деякі приклади поляризованого світла в природі:
Відображення від поверхонь. Світло, відбите від води, скла або асфальту, частково поляризоване.
Розсіювання світла в атмосфері. Сонячне світло розсіюється молекулами повітря, і розсіяне світло стає частково поляризованим.
Світло під водою. Вода поглинає і поляризує світло, особливо ближче до поверхні.
Лід. Відбиття світла від крижаних поверхонь призводить до часткової поляризації, що помітно в яскравий сонячний день.
Кристали та мінерали
Природні кристали, такий як ісландський шпат, викликають подвійне заломлення, створюючи два поляризовані промені світла.
Поляризаційні візерунки на небі
Світло, розсіяне молекулами повітря, утворює поляризаційні візерунки на небі
Веселка
Світло, що заломлюється і відбивається в краплях дощу, частково поляризується, особливо поблизу країв веселки.
Як тварини використовують поляризоване світло для орієнтації
Багато тварин використовують поляризоване світло для орієнтації в просторі. Ось декілька прикладів.
Поляризаційні візерунки в небі.
Бджоли та пустельні мурахи використовують ці візерунки для навігації. Бджоли, бачать поляризацію світла за допомогою спеціалізованих клітин у своїх очах (омматідіях).
Поляризація - це як "прихований компас" для бджіл, який дозволяє їм орієнтуватися в складних умовах, знаходити їжу та передавати інформацію з високою точністю.
Мурашині очі оснащені спеціальними фоторецепторами, чутливими до поляризації, які допомагають зчитувати цю інформацію. Мурахи здатні знаходити дорогу додому, навіть якщо стежку не видно, орієнтуючись лише по візерунках поляризації. Так само завдяки поєднанню інформації, яку вони отримують з поляризаційних візерунків у небі, про напрямок і відстані, мурахи повертаються до свого гнізда прямим шляхом, навіть якщо маршрут до місця пошуку їжі був звивистим.
Орієнтація по відбитому світлу від води.
Водомірки, можуть розпізнавати поляризоване світло.
При перельоті між водоймами вони орієнтуються на поляризоване світло, яке відбивається від водних поверхонь. Водомірки використовують цю властивість світла, щоб знаходити нові водойми, уникаючи сухих або невідповідних місць.
Підводні візерунки поляризації.
Кальмари і каракатиці використовують це для полювання та навігації. Кальмари і каракатиці, як представники головоногих, мають складні очі, які чутливі до поляризації світла. Вони можуть створювати візерунки на своїй шкірі, видимі лише в поляризованому світлі. Ці сигнали помітні іншим кальмарам і каракатицям, але залишаються невидимими для більшості хижаків, які не сприймають поляризацію. Деякі риби та ракоподібні мають поляризоване відображення на своєму тілі, а поляризаційне бачення дозволяє кальмарам і каракатицям бачити здобич навіть в умовах слабкого освітлення або в каламутній воді.
Навігація в умовах обмеженої видимості.
Поляризоване світло допомагає тваринам орієнтуватися та знаходити дорогу, навіть у сутінках, коли сонце за хмарами або горизонтом, тому що світло зберігає свою структуру, навіть якщо самого сонця - немає.
Поляризоване світло - це важливе явище природи, яке має значний вплив на життя багатьох тварин. Здатність сприймати поляризацію є перевагою, особливо в складних умовах навколишнього світу. Вивчення цього явища допомагає не тільки зрозуміти природу, але й розвивати такі технології, як оптичні системи, засновані на принципах поляризації.
Ретунська Єлизавета, 10Бм
Поляризаційні окуляри
Поляризаційні окуляри – це спеціальні окуляри, які допомагають зменшити яскравість світла, усунути відблиски та зробити зображення більш чітким. Їх носять, щоб краще бачити та як захист від сяючого сонця.
Поляризаційні окуляри були винайдені в 1936 році американським ученим Едвіном Лендом.
Він розробив спеціальний поляризаційний фільтр з матеріалу, який назвав "полароїд", та запатентував свою технологію.
Пізніше він заснував компанію "Polaroid Corporation", яка почала масове виробництво таких лінз.
Згодом технологія удосконалювалася, і поляризаційні лінзи набули широкого застосування в повсякденному житті.
Як вони працюють?
Як ми знаємо, звичайне світло розповсюджується в усіх напрямках, але при відбитті від поверхонь воно стає поляризованим.
Поляризаційні окуляри мають спеціальний фільтр, який пропускає світло лише в одному напрямку та блокує відбиті промені. Це допомагає усунути відблиски й зробити зображення чіткішим.
Завдяки цій властивості очі менше втомлюються, а зір стає комфортнішим навіть при тривалому носінні таких окулярів.
Поляризаційні окуляри знайшли застосування в таких сферах:
Водіння – зменшують відблиски від сонця та фар зустрічних автомобілів, особливо корисні під час руху в сонячну погоду.
Риболовля – дають змогу бачити крізь воду, усуваючи віддзеркалення, що робить процес ловлі риби зручнішим.
Спорт – захищають очі від яскравого світла, особливо в горах, на воді та під час занять зимовими видами спорту.
Медицина – використовуються в діагностиці зору та деяких терапевтичних процедурах.
Ось декілька переваг перед звичайними окулярами.
1. Покращують зір і контрастність зображення.
2. Зменшують навантаження на очі та запобігають втомі.
3. Знижують вплив яскравого світла, особливо в сонячні дні.
4. Захищають очі від шкідливого ультрафіолетового випромінювання.
Тож визнаємо, що поляризаційні окуляри – це дуже корисний аксесуар. Вони допомагають захистити очі, зробити зображення чіткішим і зменшити втому від яскравого світла. Завдяки своїй ефективності, такі окуляри застосовуються в різних сферах – від відпочинку та спорту до професійної діяльності. Їх використання робить зір комфортнішим, а повсякденні справи – безпечнішими.
Ретунська Єлизавета, 10Бм
Фото за допомогою поляризаційних фільтрів
Поляризаційний фільтр складається з двох шматків скла із поляризаційною плівкою, затиснутою між ними. Структура плівки представлена у вигляді решітки з тонких паралельних щілин, невидимих неозброєним оком, які пропускають (поглинають) світло в певному напрямку. Зазвичай світло розходиться хаотично, але, пройшовши через PL-фільтр, воно «поляризується» в одному напрямі
Більша частина світла, відбитого від поверхні об'єкта (вода або скло), поляризується в одному напрямі.
Оправу фільтра можна обертати, щоб змінювати кут нахилу поляризаційної решітки на плівці, керуючи у такий спосіб відбиттями світла відповідно до сюжетних потреб та умов зйомки.
Більшість PL-фільтрів, представлених нині на ринку, є циркулярними (в основному використовуються абревіатури C-PL або CIR-PL). У минулому PL-фільтри були лінійними. У міру появи на ринку камер з напівдзеркалами, які володіють тими самими властивостями, що й поляризаційна плівка, перешкоди між напівдзеркалом камери та поляризаційною плівкою PL-фільтра призводили до помилок у вимірюванні освітленості та відстані, тому було створено вдосконалену циркулярну версію фільтра.
Розглянемо варіанти застосування поляризаційного фільтра. Якого ефекту він допоможе досягти фотографу?
Ефект 1: Управління відбитим світлом (видалення відблисків)
Одним із найпоширеніших ефектів PL-фільтрів є «управління відблисками». Без фільтра відблиски на воді або вологих поверхнях призводять до сильного засвічення. При використанні PL-фільтра відображення поглинаються і кольори передаються більш яскраво. Це дає змогу отримувати чіткі зображення водойм або потоків води з ефектом прозорості. Подібним чином фільтр поводиться зі склом, листям, камінням, будівлями, вологою землею тощо. Однак фільтр не має ефекту в разі віддзеркалень від металевих поверхонь і дзеркал.
Поляризаційний фільтр може бути винятково потужним інструментом з видалення віддзеркалень і виділення об'єктів, які вкриті вологою, перебувають під водою або за склом.
Правило використання поляризаційного фільтра для видалення відображень. Найефективніший спосіб - знімати з фільтром, розташованим під кутом 30-40° до рівня землі. Поляризаційний ефект не виникає під час зйомки з фронтальної позиції або на тлі дзеркал і металевих поверхонь.
Ефект 2: Робить блакитне небо яскравішим (ефект посилення контрасту)
Ще один типовий ефект поляризаційних фільтрів полягає в тому, щоб зробити блакить неба глибшою і яскравішою. Коли сонячні промені потрапляють на зважені частинки в атмосфері, відбувається розсіювання світла. За допомогою поляризаційного фільтра можна значно зменшити ефект розсіювання світла та отримати більш контрастне зображення.
Правило використання поляризаційного фільтра для посилення контрасту неба.
Щоб посилити контраст блакитного неба найважливіше значення має положення Сонця. Найкраще положення - це коли світило перебуває збоку або над головою фотографа під кутом 90° (ефект зводиться до мінімуму під час зйомки в похмуру погоду або за контрового світла).
PL-фільтри використовуються не тільки для усунення небажаних відображень. Бувають ситуації, коли вони, навпаки, служать для збільшення відображень видимого світла.
Під час повороту передньої оправи на 90° з положення максимального ефекту, відображення на зображенні можуть стати навіть сильнішими, ніж під час зйомки без фільтра.
За допомогою PL-фільтра фотограф може зробити кольори веселки більш вираженими. Аналогічним чином він працює з райдужними хмарами та льодом.
Незважаючи на те, що поляризаційні фільтри дуже корисні, у них є свої недоліки:
- експозиція може вимагати в 4-8 разів більше світла, ніж зазвичай.
- вимагають певного кута по відношенню до сонця для отримання максимального ефекту.
- збільшують час підбору композиції, оскільки вимагають обертання.
- з ними може бути складно орієнтуватися за видошукачем камери.
- можуть знизити якість зображення (якщо фільтр не ідеально чистий).
- зазвичай їх не можна використовувати для панорамних або ширококутних знімків.
- це одні з найдорожчих фільтрів.
Крім того вони не є універсальними. Іноді небажаним є зменшення кількості відблисків. У наведеному нижче прикладі художня мета полягала в тому, щоб виділити звивисту дорогу, зобразивши її в різкому контрасті з навколишнім середовищем. Використання поляризатора заважало досягненню цієї мети.
Сиромятніков Михайло, 10Бм
Шкала електромагнітних хвиль
Світло, яке ми бачимо щодня, є частиною електромагнітного спектра. Воно має ті ж властивості, що й інші електромагнітні хвилі: може відбиватися, заломлюватися, дифрагувати. Людське око здатне сприймати лише маленьку частину електромагнітного спектра – видиме світло. Інші типи випромінювання (радіохвилі, ультрафіолет, рентген) невидимі для нас, але відіграють важливу роль у природі та технологіях.
Хвильові властивості світла
Світло є хвилею, яка складається з коливань електричного та магнітного полів. Як і всі хвилі, воно здатне:
Відбиватися (дзеркало).
Заломлюватися (лінзи, призма).
Дифрагувати (огинати перешкоди).
Світло може передавати енергію без потреби в матеріальному середовищі (наприклад, сонячне світло доходить до Землі через космічний вакуум).
Світло проявляє подвійну природу:
Як хвиля – поширюється в просторі, має довжину хвилі та частоту.
Як частинка (фотон) – переносить енергію та може взаємодіяти з атомами, вибиваючи електрони (ефект Ейнштейна).
Експериментально підтверджено, що світло поводиться і як хвиля, і як частинка, залежно від умов спостереження.
Відкриття світла як електромагнітної хвилі
Ісаак Ньютон (XVII ст.) – досліджував розклад світла на спектр.
Джеймс Максвелл (1865) – математично довів, що світло є електромагнітною хвилею.
Альберт Ейнштейн (1905) – пояснив фотоефект, показавши, що світло складається з фотонів.
Генріх Герц (1887) – експериментально підтвердив існування електромагнітних хвиль.
Сучасні дослідження використовують світло для вивчення Всесвіту, комунікацій, медицини та нанотехнологій.
Що таке електромагнітні хвилі?
Електромагнітні хвилі – це коливання електричних і магнітних полів, які поширюються в просторі зі швидкістю світла.
Вони не потребують середовища для розповсюдження та можуть передавати енергію.
Основні властивості електромагнітних хвиль:
Електромагнітні хвилі мають хвильову та корпускулярну природу.
Вони поширюються у вакуумі зі швидкістю світла ≈ 3×10⁸ м/с
Характеризуються довжиною хвилі (λ) та частотою (ν).
Шкала електромагнітних хвиль — це безперервний діапазон електромагнітних випромінювань, що класифікується за довжиною хвилі (λ) та частотою (ν).
Включає всі можливі електромагнітні коливання від найдовших радіохвиль до надкоротких гамма-променів.
Основні параметри шкали:
Довжина хвилі (λ): змінюється від кілометрів (радіохвилі) до пікометрів (гамма-промені).
Частота (ν): змінюється від кГц (радіохвилі) до сотень ексагерців (гамма-промені).
Порівняння електромагнітних хвиль.
Радіохвилі – найдовші, найменша енергія.
Гамма-промені – найкоротші, найвища енергія.
Діапазони електромагнітних хвиль.
Поділяються на: радіохвилі, мікрохвилі, інфрачервоне випромінювання, видиме світло, ультрафіолет, рентгенівські та гамма-промені.
Радіохвилі - Найдовші хвилі в спектрі.
Використовуються в радіозв’язку, телебаченні, мобільному зв’язку, GPS.
Діапазони радіохвиль.
Довгі (LF) – 30-300 кГц, середні (MF) – 300-3000 кГц, короткі (HF) – 3-30 МГц, ультракороткі (VHF) – 30-300 МГц.
Використання радіохвиль.
Радіо, телебачення, мобільний зв’язок, супутниковий зв’язок.
Мікрохвилі. Використовуються в радарах, супутниковому зв’язку, мікрохвильових печах. Діапазон: 1 мм – 1 м.
Інфрачервоне випромінювання - виділяється нагрітими тілами.
Виділяється нагрітими тілами. Використовується в тепловізорах, пультах дистанційного управління, медицині.
Застосування ІЧ-випромінювання. Нічне бачення, термографія, лікування.
Видиме світло. Діапазон довжин хвиль: 380-750 нм. Включає всі кольори спектра (червоний, помаранчевий, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий).
Ультрафіолетове випромінювання впливає на шкіру людини (викликає засмагу, може спричиняти рак шкіри). Використовується в стерилізації, фототерапії.
Рентгенівське випромінювання використовується в медицині для діагностики. Генерується рентгенівськими трубками, природними джерелами (космос, радіоактивні елементи).
Гамма-випромінювання
Найкоротші хвилі з найвищою енергією.
Джерела: радіоактивні речовини, ядерні реакції, космос.
Використовується в медицині (променева терапія).
Дослідження в космосі: рентгенівські телескопи та радіоастрономія.
Рентгенівські телескопи дозволяють спостерігати високотемпературні процеси у Всесвіті, такі як чорні діри, нейтронні зірки та вибухи наднових.
Рентгенівські обсерваторії: Чандра, XMM-Newton.
Радіоастрономія використовує радіохвилі для вивчення космосу.
Важливі об’єкти: пульсари, галактики, космічний фон. Прилади: РАДІОтелескопи (Arecibo, FAST, ALMA).
Використання електромагнітних хвиль у сучасних технологіях
Комунікації: мобільний зв’язок, супутниковий зв’язок, Wi-Fi.
Медицина: рентгенографія, МРТ, лазерна хірургія.
Енергетика: сонячні панелі, бездротова передача електроенергії.
Промисловість: мікрохвильові печі, лазери в обробці матеріалів.
Безпека: рентгенівські сканери, інфрачервоні камери.
Роль електромагнітних хвиль у майбутніх дослідженнях
Квантові технології: квантова телепортація, квантова криптографія.
Нові методи передачі інформації: терагерцовий зв’язок, 6G технології.
Астрономія: дослідження екзопланет через спектральний аналіз.
Нанотехнології: контроль над електромагнітними хвилями на атомному рівні.
Біомедицина: розробка безпечних методів діагностики.
Захист від шкідливого випромінювання:
Ультрафіолет: сонцезахисні креми, УФ-фільтри в окулярах.
Рентгенівське випромінювання: свинцеві екрани, спецодяг.
Гамма-випромінювання: бетонні укриття, свинцевий захист.
Електромагнітне поле: екрани Фарадея, захист мобільних пристроїв.
Важливість обмеження впливу: зменшення ризику радіаційного ураження.
Вплив технологій на екологію та здоров’я.
Позитивний вплив:
Медична діагностика (МРТ, рентген).
Відновлювана енергія (сонячні панелі, вітряні турбіни).
Негативний вплив:
Викиди електромагнітного випромінювання (вишки 5G, високовольтні лінії).
Радіаційне забруднення від атомних випробувань.
Вплив мобільних телефонів на мозкову активність (дослідження тривають).
Міфи та реальність про електромагнітні хвилі:
Міф: 5G випромінювання викликає рак.
Реальність: немає наукових доказів зв’язку між 5G та раком.
Міф: Мікрохвильова піч робить їжу “радіоактивною”.
Реальність: мікрохвилі лише нагрівають воду в продуктах, не змінюючи їхню структуру на молекулярному рівні.
Міф: Сонячна енергія неефективна.
Реальність: сучасні сонячні батареї здатні забезпечувати великі міста електроенергією.
Міф: Рентгенівське випромінювання одразу шкідливе.
Реальність: у малих дозах (як у медицині) воно безпечне, але часті обстеження слід обмежувати.
Перспективи використання електромагнітного спектра в науці
Космічні дослідження: виявлення нових екзопланет, аналіз випромінювання чорних дір.
Медицина: розробка нових методів лікування раку (протонна та лазерна терапія).
Енергетика: вдосконалення бездротової передачі електроенергії (розробка нових стандартів, таких як TESLA Tower 2.0).
Штучний інтелект: використання електромагнітних хвиль для аналізу даних у реальному часі (автономні транспортні системи, розпізнавання об’єктів).
Висновки: важливість знань про електромагнітні хвилі:
Електромагнітне випромінювання є невід’ємною частиною природи та технологій.
Безпека та ефективність використання електромагнітних хвиль залежать від знань та правильного застосування.
Технологічний прогрес у цій сфері відкриває нові можливості для комунікацій, медицини, науки та енергетики.
Необхідно зберігати баланс між використанням технологій і мінімізацією потенційних ризиків для здоров’я та довкілля.
Мельнік Андрій, 9Б
Трансформатор Тесла
20 травня 1891 року Нікола Тесла виступив з лекцією в Колумбійському університеті, де представив новий спосіб отримання світла.
Тесла використовував для цього струми високої частоти та високої напруги.
Трансформатор Тесла, або котушка Тесла - пристрій, винайдений Миколою Тесла. Є резонансним трансформатором, що виробляє високу напругу високої частоти.
Сучасні енергозберігаючі люмінесцентні лампи працюють саме на принципі, який запропонував для отримання світла Тесла.
Принцип дії резонансного трансформатора можна дізнатися із патентів Миколи Тесли.
Ось його схема:
Суть роботи трансформатора Тесли полягає в наступному: конденсатор первинного контуру заряджається від відповідного джерела високої напруги, потім він з'єднується комутатором з первинною обмоткою і так повторюється багато разів на секунду.
У результаті кожного циклу комутації виникають затухаючі коливання в первинному контурі. Але первинна котушка є для вторинного контура індуктором, тому електромагнітні коливання збуджуються відповідно й у вторинному контурі.
Оскільки вторинний контур налаштований у резонанс з первинними коливаннями, то на вторинній обмотці виникає резонанс напруг, а значить коефіцієнт трансформації (співвідношення витків первинної обмотки і охоплених нею витків вторинної обмотки) потрібно помножити ще і на Q - добротність вторинної напруги від вторинного контура, тоді вийде напруга на первинній.
А оскільки довжина дроту вторинної обмотки дорівнює чверті довжини хвилі коливань, що індукуються в ній, то саме на тороїді буде знаходитися пучність напруги (а в точці заземлення — пучність струму), і саме там може мати місце максимально ефектний пробій.
Якщо коротко, то принцип роботи трансформатора Тесли заснований на двох обмотках: первинна обмотка з малою кількістю витків створює іскровий контур, а вторинна обмотка являє собою пряму котушку дроту. Резонанс частот коливання обмоток викликає високу змінну напругу між двома кінцями котушки.
Трансформатор Тесли має три основні характеристики: резонансну частоту вторинного контуру, коефіцієнт зв'язку первинної та вторинної обмоток, добротність вторинного контуру.
Коефіцієнт зв'язку визначає, наскільки швидко енергія з первинної обмотки передається у вторинну, а добротність - наскільки довго коливальний контур може зберігати енергію.
Зараз у продажу є іграшки та декоративні світильники на основі трансформатора Тесли (котушки Тесли).
Музична скринька Тесла.
При включенні котушка Тесли генерує електричний розряд у повітрі, що викликає фактичну детонацію та звукову хвилю. Використовуючи описаний принцип і включаючи котушку Тесли з потрібною частотою, ми можемо програвати музичні ноти послідовністю «мікровибухів».
ArcAttack - це музичний гурт, і не єдиний у світі, що спеціалізується на оригінальній музиці, поєднуючи саморобні, високотехнологічні інструменти з традиційними. Головна привабливість їх виконання гурту ArcAttack – у використанні двох котушок Тесла, що були модифіковані для відтворення музичних нот шляхом модуляції їх іскрового виходу.
Цікаво зауважити, що деякі іонні хімічні речовини, нанесені на розрядний термінал, здатні змінювати колір розряду. Наприклад, іони натрію змінюють звичайне забарвлення спарка на помаранчевий, а бору - на зелений, марганцю - на синій, літію - на малиновий окраси.
Робота резонансного трансформатора супроводжується характерним електричним тріском. Це пов'язано з перетворенням стримерів в іскрові канали, які супроводжуються різким зростанням сили струму й енергії, що виділяється в них.
Плазмова лампа (або куля Тесли) - декоративний прилад, що складається зазвичай зі скляної сфери зі встановленим всередині електродом. На електрод подається змінна висока напруга із частотою близько 30 кГц. Усередині сфери знаходиться розріджений газ. Використовують цей газ для зменшення напруги пробою. Як наповнення можуть вибиратися різні суміші газів для надання «блискавкам» певного кольору. Так звані «блискавки» є напругою, що вивільняється, з верхівки вторинної обмотки.
Декоративний світильник «Плазмова куля»
Можна використовувати цю кулю для демонстрації електромагнітного поля. Якщо до плазмової лампи, що працює, на відстані 5-20 см тримаючи в руці піднести неонову, люмінесцентну (у тому числі і несправну, але не розбиту) або будь-яку іншу газорозрядну лампу, то вона загориться. Газ усередині таких ламп почне взаємодіяти з полем, від чого і засвітиться.
Трансформатор використовувався Теслою для генерації та розповсюдження електричних коливань, спрямованих на керування пристроями на відстані без проводів (радіоуправління), бездротової передачі даних (радіо) і бездротової передачі енергії.
На даний час трансформатор Тесла використовується для запалювання газорозрядних ламп і для пошуку протікань у вакуумних системах. Тим не менш, основне його застосування в наші дні – пізнавально-естетичне.
Під час роботи котушка Тесла створює гарні ефекти, пов'язані з утворенням різних видів газових розрядів. Багато людей збирають трансформатори Тесла заради того, щоб подивитися на ці вражаючі, красиві явища. Загалом котушка Тесла виробляє 4 види розрядів:
1. Стрімер (від англ. Streamer) - тонкі розгалужені канали, що тьмяно світяться, які містять іонізовані атоми газу і відщеплені від них вільні електрони. Протікає від терміналу (або від найбільш гострих, викривлених частин) котушки прямо в повітря, не йдучи в землю, тому що заряд рівномірно стікає з поверхні розряду повітря в землю. Стрімер - це, по суті, видима іонізація повітря (світіння іонів), створювана полем трансформатора.
2. Спарк (від англ. Spark) - це іскровий розряд. Іде з терміналу (або з найбільш гострих, викривлених частин) безпосередньо в землю або в заземлений предмет. Являє собою пучок яскравих ниткоподібних, що швидко зникають або змінюють один одного, часто сильно розгалужених смужок — іскрових каналів. Також має місце особливий вид іскрового розряду - ковзний іскровий розряд.
3. Коронний розряд—світіння іонів повітря в електричному полі високої напруги. Створює красиве блакитнувате свічення навколо частин конструкції з сильною кривизною поверхні.
4. Дуговий розряд - утворюється в багатьох випадках. Наприклад, при достатній потужності трансформатора, якщо до його терміналу близько піднести заземлений предмет, між ним і терміналом може спалахнути дуга (іноді потрібно безпосередньо доторкнутися предметом до терміналу і потім розтягнути дугу, відводячи предмет на більшу відстань). Особливо це властиво ламповим котушкам Тесли. Якщо котушка недостатньо потужна і надійна, спровокований дуговий розряд може пошкодити її компоненти.
Банкнота Югославії із зображенням Миколи Тесли та трансформатора Тесли:
Кирюхін Владислав, 10Аб
Page updated
Google Sites
Report abuse