Ученическая научно-познавательная, исследовательская работа по физике на тему: «Прозрачность воды и удивительные свойства водяных линзы»

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Школа №51 «Центр образования» г. Рязани

Ученическая научно-познавательная, исследовательская работа по физике

на тему:

«Прозрачность воды

и удивительные свойства водяных линзы»

Выполнил:

Гребенников Алексей

ученик 10В класса

Проверил:

Куликова Г.В.

учитель физики

2013 – 2014уч.г.

Содержание.

1. Введение. Что такое линзы.Свойства линз. 2

2. Прозрачность воды. 5

3. Изменение прозрачности воды в водоёмах.Определение мутности (прозрачности) водыс помощью диска Секки.7

4. Изучение прозрачности водяных линз различной формы и условия исчезновения свойства прозрачности. 10

5. Применение водяных линз в современности 27

6. Заключение. 32

7. Литература. Интернет – ресурсы. 34

1

«Если какой-либо предмет поместить на дно сосуда и удалить
сосуд от глаз настолько, что предмет не будет виден, то он
вновь станет виден но этом расстоянии, если сосуд залить водой.»
Евклид

1. Введение. Что такое линзы. Свойства линз.

Вопрос прохождения света в воде возник перед людьми ещё с старых времён, когда рыбаку нужно было поймать рыбу в темноте или в процессе ныряния на глубину водоёма. В данной работе затронуты: вопрос прозрачности воды с точки зрения примесей, химического состава; вопрос изменения цвета воды в водоёмах; более развёрнуто исследован вопрос прохождения света через сосуды с водой (водяные линзы) в разных условиях.

Линза (нем. Linse, от лат. lens — чечевица) — деталь из оптически прозрачного однородного материала, ограниченная двумя полированными преломляющими поверхностями вращения, например, сферическими или плоской и сферической.В зависимости от форм различают собирающие (положительные) и рассеивающие (отрицательные) линзы. К группе собирательных линз обычно относят линзы, у которых середина толще их краёв, а к группе рассеивающих — линзы, края которых толще середины.

Линзы характеризуютсяоптической силой (измеряется в диоптриях), и фокусным расстоянием.

Свойства линз.

Преломление - это изменение направления распространения волн электромагнитного излучения, возникающее на границе раздела двух прозрачных для этих волн сред или в толще среды с непрерывно изменяющимися свойствами.

2

Преломление света на границе двух сред даёт парадоксальный зрительный эффект: пересекающие границу раздела прямые предметы в более плотной среде выглядят образующими больший угол с нормалью к границе раздела в то время как луч, входящий в более плотную среду, распространяется в ней под меньшим углом к нормали.

Преломление наблюдается, когда фазовые скорости электромагнитных волн в контактирующих средах различаются. В этом случае полное значение скорости волны должно быть разным по разные стороны границы раздела сред.

Явление преломления лежит в основе работы телескопов, объективов фото-, кино- и телекамер, микроскопов, увеличительных стекол, очков, проекционных приборов, приемников и передатчиков оптических сигналов, концентраторов мощных световых пучков.

Преломление и отражение света в каплях воды порождает радугу.

Многократным преломлением (отчасти и отражением) в мелких прозрачных элементах структуры (снежинках, волокнах бумаги, пузырьках) объясняются свойства матовых (не зеркальных) отражающих поверхностей, таких как белый снег, бумага, белая пена.

Отражение — физический процесс взаимодействия волн или частиц с поверхностью, изменение направления волнового фронта на границе двух сред с разными свойствами, в котором волновой фронт возвращается в среду, из которой он пришёл. Одновременно с отражением волн на границе раздела сред, как правило, происходит преломление волн (за исключением случаев полного внутреннего отражения).

Закон отражения света — устанавливает изменение направления хода светового луча в результате встречи с отражающей (зеркальной) поверхностью: падающий и отражённый лучи лежат в одной плоскости с нормалью к отражающей поверхности в точке падения, и эта нормаль делит угол между лучами на две равные части. 

3

Этот закон является следствием применения принципа Ферма к отражающей поверхности и, как и все законы геометрической оптики, выводится из волновой оптики. Закон справедлив не только для идеально отражающих поверхностей, но и для границы двух сред, частично отражающей свет. В этом случае, равно как и закон преломление света, он ничего не утверждает об интенсивности отражённого света.

Диффузное отражение света

При отражении света от неровной поверхности отраженные лучи расходятся в разные стороны. По этой причине нельзя увидеть свое отражение, глядя на шероховатую (матовую) поверхность. Диффузным отражение становится при неровностях поверхности порядка длины волны и более.

Таким образом, одна и та же поверхность может быть матовой, диффузно-отражающей для видимого или ультрафиолетового излучения, но гладкой и зеркально-отражающей для инфракрасного излучения.

Поскольку воздух, стекло, и вода имеют разную плотность, свет проходит через них с разной скоростью. Скорость распространениясвета в воде примерно на 25% ниже, чем в атмосфере. При прохождении границы между любыми двумя средами лучи света будут преломляться (если только не будут пересекать эту поверхность под прямым углом). Например, в результате при прохождении светом границ воды, стекла и воздуха, образуемых маской дайвера, у последнего будет складываться неверное представление о расстояниях (в соотношении примерно 3:4) с эффектом увеличения на треть. Так если объект находится на расстоянии 4м, дайверу будет казаться, что до него 3 м и что он примерно в 1,33 раза больше, чем на самом деле (степень увеличения зависит от расстояний между объектом и стеклом маски и между стеклом и глазом) Коэффициент преломления воды равен 1.33. а воздуха — 1.00, поэтому 1,33 — максимально возможное увеличение. Кроме того, объекты кажутся ближе только на небольшом расстоянии. По ряду причин при более значительном расстоянии человек склонен его переоценивать.

4

2.Прозрачность воды.

Прозрачность — показатель, характеризующий способность материала пропускать свет.

Прозра́чность воды в гидрологии и океанологии — это отношение интенсивности света, прошедшего через слой воды, к интенсивности света, входящего в воду. Прозрачность воды — величина, косвенно обозначающая количество взвешенных частиц и коллоидов в воде.Прозрачность воды определяется её избирательной способностью поглощать и рассеивать световые лучи и зависит от условий освещения поверхности, изменения спектрального состава и ослабления светового потока, а также концентрации и характера живой и неживой взвеси.

При большой прозрачности вода приобретает интенсивный синий цвет, который характерен для открытого океана. При наличии значительного количества взвешенных частиц, сильно рассеивающих свет, вода имеет сине-зелёный или зелёный цвет, характерный для прибрежных районов и некоторых мелководных морей (например, Азовское море).

В местах впадения крупных рек, несущих большое количество взвешенных частиц, цвет воды принимает жёлтые и коричневые оттенки. Речной сток, насыщенный гуминовыми и фульвокислотами, может обуславливать темно-коричневый цвет морской воды (характерный, например, для вод Белого моря).

Глядя на различные оттенки воды в морях и океанах, задаешься вопросом – а какого же цвета вода? Ведь в стакане она вообще бесцветная.
Оказывается, что чистая вода – голубая. Но эта окраска такая слабая, что в маленьком объёме она незаметна. А вот уже в большом аквариуме будет заметен голубой оттенок воды.

5

Цвет воды зависит от особенностей поглощения и отражения света молекулами воды. Белый свет, например солнечный, можно разложить на составляющие цвета. Их совокупность называется спектром. Спектр белого цвета состоит из цветов радуги. Молекулы воды поглощают цвет в красно-зеленой части спектра. А лучи его синей части отражаются молекулами. Поэтому мы воспринимаем цвет воды как голубой.

Однако в естественных водоёмах цвет воды может быть очень разнообразным. Так посреди океана вода имеет глубокий темно-синий, почти фиолетовый, цвет. Вдоль береговой линии оттенки воды меняются от голубого до зелёного и жёлто-зелёного. Разнообразие оттенков зависит от того, какие именно частицы взвешены в воде и каковаглубина водоёма.

Около берега вода океана заполнена мелкими плавающими растениями и органическими частицами, попадающими с суши. Водные растения, так называемый фитопланктон, содержит хлорофилл, который отражает зелёный цвет. Поэтому около берега вода часто имеет зелёный оттенок. На снимках из космоса хорошо видно, какие океаны изобилуют жизнью, а какие нет.

6

Так, глубокие синие воды бедны жизнью, а зеленые – ею наполнены.Поглощение света частицами, взвешенными в воде, меняет восприятие цвета под водой. Представим, что мы погружаемся под воду в известной жёлтой подводной лодке. Близко от поверхности она будет выглядеть жёлтой, но чем глубже мы погружаемся, тем большее расстояние должен преодолеть луч света от поверхности воды до лодки. Когда она опустится на глубину 30 метров, большинство лучей жёлтого, оранжевого и красного цветов будет поглощено молекулами воды. До лодки дойдут лучи синей и зелёной части спектра, и выглядеть «еллоусабмарин» будет сине-зелёной. С увеличением глубины будут отсечены и зелёные лучи, лодка будет казаться тускло-синей.
Мутные воды океана, в которых взвешены органические остатки, поглощают больше света, чем прозрачная чистая вода. Поэтому при погружении в мутную воду темнота наступает быстрее.

3.Изменение прозрачности воды в водоёмах.

На глубине водного водоёма не так светло, как на поверхности. Почему? Вода в 770 раз плотнее воздуха. Даже самая чистая природная вода примерно в тысячу раз менее прозрачна, чем воздух. То есть толща в 1 метр имеет такую же прозрачность, как километр воздуха!

Прозрачность воды зависит от того, сколько в ней растворено и взвешено частиц. В воде растворены минеральные соли, кроме того, в ней присутствуют мельчайшие фрагменты песка, ила, то есть неорганические частицы. И органические тоже: микроорганизмы, обитающие в толще воды (планктон), продукты распада. Все это, вместе c пузырьками газов и воздуха, находится в постоянном движении, перемешиваясь волнами, течениями, подчиняясь сезонным колебаниям, зависящим от фаз луны, солнца, ветров и атмосферных явлений…

Поглощение видимого света в воде происходит по двум причинам. Первая – это столкновение фотонов с молекулами воды, и, как следствие, потеря ими части энергии, которая переходит в тепло и нагревает воду. Вторая причина – поглощение света взвешенными частицами. Чем сильнее загрязнена вода, тем сильнее поглощение. В очень чистой морской воде потери света за счет поглощения могут составить 5% на каждый метр, вречной и озерной – до 99%.

7

 Определение мутности (прозрачности) воды с помощью диска Секки.

Чёрно-белый диск Секки.

Анджело ПьетроСекки (итал. Angelo Pietro Secchi, 29 июня1818 — 26 февраля1878) — итальянский священник и астроном, директор обсерватории Папского Григорианского Университета. Член Парижской Академии наук, иностранный член-корреспондент Петербургской Академии наук. Среди астрономов Секки получил неофициальный титул «отца астрофизики». Являлся директором обсерватории Римского колледжа с 1850 по 1878 года. Первым в истории экспериментально доказал, что Солнце является звездой.

Диск Секки — простое устройство для определения прозрачности воды в водоемах; представляет собой белый металлический диск диаметром 30 см. При опускании на глубину внезапно перестает быть видимым, отмечая в момент исчезновения глубину, куда проникает примерно 5 % солнечной радиации, достигающей поверхности воды.

Оптическая прозрачность— характеристика вещества толщиной 1 см, показывающая, какая доля излучения заданного спектра в виде параллельных лучей проходит через него без изменения направления. Оптическая прозрачность связана не с пропусканием излучения вообще, а с его направленным пропусканием и характеризует одновременно поглощение и рассеяние, Например, матовое стекло, оптически непрозрачное, пропускает рассеянный свет; УФ фильтры прозрачны для видимого света и непрозрачны для УФ излучения; черные ИК фильтры пропускают ИК излучение и не пропускают видимый свет.

Прозрачность воды зависит от различных взвесей, мути и толщины ее слоя.Теоретически, в дистиллированной воде диск Секки должен исчезать из вида на глубине около 80 м_.Электронный прибор для измерения прозрачности воды – турбидиметр.

8

Различная прозрачность воды в основном русле и старицахр. Сыр-Дарья. Фото Seleste_RUSa. Течениереки несёт много примесей, окрашивающих воду и снижающих её прозрачность. В старицах течение слабое, примеси здесь оседают на дно и вода становится более прозрачной.

Прозрачная вода горной реки. Южный Урал. Фото Алексея Лапина.

Воды окрашена размываемыми горными породами. Порт г. Буэнос-Айрес. Фото Дмитрия Сапарова.

9

4.Изучение прозрачности водяных линз различной формы и условия исчезновения свойства прозрачности.

Опыт1. «Водяная линза – стакан с водой»

Ещё античные художники наливали воду в стеклянные сосуды, имеющие круглое сечение. Когда такой сосуд подносили к предмету, вода увеличивала его изображение. Тысячи лет спустя пришел твой черед сделать водный увеличитель.Существуют линзы, которые увеличивают, например, только по горизонтальному направлению. По вертикальному же направлению они никакого увеличения не дают. Изображение получается приплюснутым. Эти линзы называются цилиндрическими. Сделаем такую линзу.

1. Возьмём обыкновенный (не граненый) чайный стакан и нальём в него воду. Линза готова! Чтобы посмотреть, как она работает, нужно взять кусочек белого картона и нарисовать на нем знак "плюс". Вертикальная и горизонтальная черточки должны быть одинаковой длины и пересекаться точно под прямым углом. Поместим картонку со знаком "плюс" за стаканом с водой на расстоянии примерно в два сантиметра. Мы увидим, что горизонтальная нитка по толщине не изменилась, но стала длиннее вертикальной. А вертикальная нитка не изменилась по длине, но зато стала значительно толще. Поверните картонку, чтобы нитки поменялись местами: та нитка, которая была горизонтальной, станет вертикальной, а другая - горизонтальной. И опять вы увидите ту же картину, как и в первый раз. Это произошло потому, что наша цилиндрическая линза увеличивает только в горизонтальном направлении.

2. Цилиндрическая линза, вообще говоря, собирает световые лучи в линию. Но оказывается, при некоторых условиях она способна собрать лучи в точку. Сделайте в плотной бумаге отверстие на расстоянии пяти сантиметров от края и, вставив в это отверстие стакан с водой, немного поднимите бумагу, подложив под нее что-нибудь. Укрепите перед краем бумаги расческу. Теперь теневая полоса за расческой нам уже не нужна. Лучи света, проходящие между зубьями расчески, пройдут в стакан и, преломившись в воде, выйдут из другой стороны стакана, собравшись в одну точку, а затем снова разойдутся веером.Эта точка называется фокусом. В фокусе лучи наиболее сконцентрированы. За фокусом лучи опять расходятся. Для того, чтобы лучше видеть, как идут лучи внутри стакана, добавь в воду капельку молока. Прозрачная среда материала, из которого сделана линза, отличается от воздуха и способна преломлять лучи, то есть менять их направление.

10

1. Конечно, стакан с водой далеко не идеальная цилиндрическая линза и в этом опыте нет четкого схождения лучей в одной точке, но представление об этом явлении получить можно.

Опыт 2 «Чистой воды линза».

Среди прочих многогранных талантов круглой пластиковой бутылки скрывается ее тайная страсть к явным преувеличениям. Надо полностью заполненную водой бутылку медленно прокатить по расстеленной газете, проводя при этом крупномасштабные исследования самого мелкого шрифта. Размеры увиденного превзойдут все ожидания, особенно порадовав людей со слабым зрением, которые время от времени теряют свои очки, не теряя при этом желания читать газеты.

Проведя испытания катающейся «увеличилки», можно приступить к производству меньшей по размеру, но более сильной двояковыпуклой линзы из такой же бутылки. Для этого из «плечевого пояса» бутылки надо вырезать две выпуклые заготовки одинаковой формы. Затем, склеив их между собой пластилином, глиной или жвачкой, необходимо полностью заполнить водой* (без пузырьков) весь внутренний объем будущей линзы. После заполнения линза всесторонне герметизируется. Вы можете вооруженным глазом разглядывать и изучать мельчайший окружающий мир и даже добывать огонь в туристическом походе.

Опыт 3КАК РАБОТАЕТ ЛИНЗА

Наполни прозрачный стеклянный стакан водой на три четверти и поставь его на ров­ную поверхность.
Поставь «лучевую машину» (смотри, как сделать "лучевую" машину здесь) в десяти сантиметрах от стакана. Включи фонарик и направь его луч сквозь зубья расчески. Получившиеся лучи будут видны на поверхности стола.
Подвинь стакан так, чтобы эти лучи падали на центральную часть стакана. Для этого может понадобиться поставить «лучевую машину» на книжку для того, чтобы достигнуть наилучшего угла падения Теперь посмотри на всю конструкцию сверху.

11

Что происходит с лучами, когда они достигают стакана с водой? Сколько раз меняется их направление?
Для того, чтобы лучше видеть, как идут лучи внутри стакана, добавь в воду капельку молока.
Теперь убери стакан с водой и помести на его место лупу так, чтобы лучи проходили через ее центр.

Что происходит с лучами? Похожа ли эта картина на то, что получалось со стаканом?
Когда параллельные лучи света падают на сосуд с водой, то их направление меняется. Первый раз это происходит, когда они только касаются стакана. Стенки сосуда и вода заставляют лучи собираться вместе.
В стакане с водой лучи распространяются по прямой линии. Еще одно изменение направления происходит при выходе из сосуда. Лучи начинают сходиться еще ближе друг к другу. В нескольких сантиметрах от стакана все лучи сходятся в одной точке, образуя яркое пятно. Эта точка называется фокусом. В фокусе лучи наиболее сконцентрированы. За фокусом лучи опять расходятся.

Опыт 4 ВОДНЫЙ УВЕЛИЧИТЕЛЬ

Наполните чистую прозрачную емкость (стеклянный флакон, или пробирку с крышечкой от пробника духов, или прозрачный пластиковый контейнер от контактных линз) водой до краев и закрой ее крышкой так, чтобы вода не выливалась. Салфеткой сотрите все капли, которые остались на внешней поверхности сосуда.Положите наполненный водой, но сухой, сосуд боком на газетную страницу. Внимательно посмотрите на буквы под ним. Что вы видите? Подвигайте сосуд вверх и вниз по листу.

12

Как при этом ведет себя изображение? Вода в сосуде с круглым сечением приняла искривленную форму, напоминающую линзу. Лучи света, попадающие в такую водяную линзу, отклоняются. Это отклонение и создает увеличенное или растянутое изображение букв.

Опыт 5 ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ ЛИНЗА

Увеличительные стекла - линзы применяются во многих приборах и служат для рассматривания маленьких предметов.
Обыкновенные линзы, увеличивая, не дают искажений — они увеличивают равномерно по всем направлениям.
Но существуют цилиндрические линзы, которые увеличивают, например, только по горизонтальному направлению. По вертикальному же направлению они никакого увеличения не дают. Изображение получается приплюснутым.

13

14

Возьмите обыкновенный (не граненый) чайный стакан и налейте в него воду. Вертикальная цилиндрическая линза готова!
Чтобы посмотреть, как она работает, нужно взять кусочек белого картона и черным фломастером провести на нем знак «плюс». Вертикальная и горизонтальная черточки должны быть одинаковой длины и пересекаться точно под прямым углом. Поместите картонку со знаком «плюс» за стаканом с водой на расстоянии примерно в два сантиметра. Вы увидите, что горизонтальная линия по толщине не изменилась, но стала длиннее вертикальной. А вертикальная линия не изменилась по длине, но зато стала значительно толще. Поверните картонку, чтобы линии поменялись местами: та линия, которая была горизонтальной, станет вертикальной, а другая — горизонтальной. И опять вы увидите ту же картину, как и в первый раз. Это произошло потому, что наша цилиндрическая линза увеличивает только в горизонтальном направлении.

Цилиндрическая линза, вообще говоря, собирает световые лучи в линию. Но оказывается, при некоторых условиях она способна собрать лучи в точку. Сделайте в плотной бумаге отверстие на расстоянии пяти сантиметров от края и, вставив в это отверстие стакан с водой, немного поднимите бумагу, подложив под нее что-нибудь. Укрепите перед краем бумаги расческу. Теперь теневая полоса за расческой нам уже не нужна. Лучи света, проходящие между зубьями расчески, пройдут в стакан и, преломившись в воде, выйдут из другой стороны стакана, собравшись в одну точку, а затем снова разойдутся веером. Прозрачная среда материала, из которого сделана линза, отличается от воздуха и способна преломлять лучи, то есть менять их направление.

Конечно, стакан с водой далеко не идеальная цилиндрическая линза и в этом опыте нет четкого схождения лучей в одной точке, но представление об этом явлении получить можно.

Опыт 6 ДВУХЭТАЖНАЯ ЛИНЗА

Разные прозрачные вещества преломляют по-разному световые лучи.
Сделаем двухэтажную линзу. В ней будут два разных преломляющих вещества, и поэтому увеличивать они будут по-разному.

15

На поверхность воды в стакане налейте слой касторового или постного масла толщиной один сантиметр. Хорошо осветите стакан. Возьмите иголку и проткните слой масла в центре стакана. Пройдя масло, иголка должна войти в воду примерно на один сантиметр. Сбоку видно одну сплошную иголку, но... состоящую из частей разной толщины: нижняя часть иголки (в воде) стала толще верхней (в воздухе), а средняя (в масле), - самой толстой.
Но сдвиньте немного иголку влево или вправо к стенке стакана, и она неожиданно «распадется» на три части...

Продолжайте двигать иголку. Видно, что быстрее всех движется средняя часть, затем — нижняя и, наконец, медленнее всех — верхняя часть иголки, находящаяся в воздухе.

Отчего?
Дело в том, что в воздухе преломления лучей, идущих от иголки, не происходит; в масле же и в воде, благодаря преломлению света в этих веществах, мы видим отдельные части иголки как бы не там, где они на самом деле находятся. В воде это смещение меньше, чем в масле, ведь преломляющее свойство воды меньше.

Опыт 7 РАССЕИВАЮЩАЯ ЛИНЗА

Линзы не только дают увеличение, есть еще линзы, предназначенные и для уменьшения изображения. Их называют рассеивающими, и у них обязательно есть одна или две вогнутые поверхности.

16

Сделаем рассеивающую линзу.
Возьмите маленький цилиндрический флакончик из-под лекарства с прозрачным стеклом и резиновой пробкой. Налейте в него воду до самого края и закупорьте пробкой. Пока получилась небольшая собирательная цилиндрическая линза. Если ее приложить к расческе, хорошо видно, как она увеличивает зубья. Приложите нашу линзу к строчкам газеты — увидите увеличенные буквы.
А теперь сделаем из нее рассеивающую линзу, для этого надо, чтобы одна сторона у нее была вогнутой. Выньте пробку и отлейте каплю воды. Закройте флакончик пробкой и поверните его набок. Под стенкой флакончика появился пузырек воздуха. Нужно добиться, чтобы он был очень маленький и совсем круглый.

Этот пузырек воздуха и образовал нужную нам вогнутость в поверхности воды. В этом месте наша линза стала рассеивающей. Разглядывая через нее зубья расчески или буквы газеты, вы увидите, что она уменьшает изображение. Но на эту рассеивающую линзу влияет выпуклая стенка флакончика с другой стороны. Поэтому лучший результат получится, если рассеивающую линзу изготовить из плоского флакона.

Опыт 8САМОДЕЛЬНАЯ СФЕРИЧЕСКАЯ ЛИНЗА

Есть возможность быстро изготовить сферическую плосковыпуклую линзу. К сожалению, у нее большой недостаток: она получается очень маленького размера.
Возьмите небольшое стекло. Хорошо его вымойте, вытрите, а затем немного потрите пальцем какой-нибудь небольшой его участок или смажьте его тончайшим слоем любого жира. На это место капните из пипетки маленькую каплю воды — и линза готова. Если ее приблизить к кусочку тонкой проволоки или нитки, будет хорошо видно, насколько проволока увеличилась по сравнению с находящимся рядом ее продолжением.
Наша линза, конечно, очень несовершенна и по краям дает сильные искажения. Различные прозрачные вещества по-разному преломляют световые лучи, например, касторовое или постное масло преломляют сильнее, чем вода. Сильно преломляющим световые лучи является также глицерин. Он густой, и его капля хорошо сохраняет выпуклую форму. А чем выпуклее линза, тем она сильнее увеличивает. Глицерин надо капнуть на стекло, и у вас будет сильно увеличивающая плосковыпуклая линза.

17

Опыт 10 МОНОКЛЬ ИЗ ВОДЯНОЙ ЛИНЗЫ

Как изготовить линзы со спиртом и водой?

Нужны следующие материалы:
1).два стекла, одно из которых должно быть выпуклым,
2). специальный спирто-водостойкий силикон или другой клей, например эпоксидный,
3). оправа с резьбовым соединением. В качестве стекла использовать защитное стекло от перегоревшей лампы, а в качестве оправы кусок черного шланга и одно из удлинительных колец.
4).шприц, игла и спирт идистилированная вода ( шприц из набора для заправки чернил в картридж принтера).

Склеив стекла, вставил их в оправу из одного из удлинительных колец и обрезка гофрированного шланга. Получилась конструкция. Внизу оставить отверстие для заливки жидкости.

Опыт 11КОГДА ЛИНЗА ПЕРЕСТАЕТ РАБОТАТЬ?

Линза перестанет увеличивать, если ее окружить тем же веществом, из которого она изготовлена.
Возьмите стакан с водой и посмотрите сквозь него на пуговицу, приставленную к другой стороне стакана. Пуговица получится увеличенной и растянутой вправо и влево. Увеличение произошло только в горизонтальном направлении, вот она и вытянута по горизонтали.
Теперь опустите пуговицу в таз с водой, положите ее на дно. Погрузите в горизонтальном положении стакан в воду и, держа его горизонтально, посмотрите, как выглядит пуговица.
Хотя стакан и наполнен водой, но увеличивать он перестал: вы увидите пуговицу не увеличенной и не приплюснутой, как это было в начале опыта. Просто на дне таза лежит пуговица нормального размера. Это значит,   что   наша  цилиндрическая линза перестала действовать.
Теперь закройте рукой отверстие стакана, чтобы вода из нет не выливалась, и немного приподнимите его из воды. Линза сразу же опять начнет увеличивать.
А вот рассеивающая линза, если ее тоже опустить в воду, не только не перестанет уменьшать рассматриваемый предмет, а превратится в две рассеивающие линзы, обращенные вогнутыми сторонами друг к другу. Их будет разделять только пузырек воздуха. При проведении этого опыта пузырек воздуха должен быть небольшим и по возможности круглым.

18

Опыт 12 РАССЕЯНИЕ СВЕТА

Частицы вещества, пропускающего свет, ведут себя подобно крохотным антеннам. Эти «антенны» принимают   световые  электромагнитные волны, и передают их  в новых направлениях. Этот процесс называется рэлеевским рассеянием по имени английского физика лор­да Рэлея (Джон Уильям Стретт, 1842— 1919).
Положите лист белой бумаги на стол, а рядом с ним фонарик таким образом, чтобы  источник света располагался посередине длинной стороны листа бумаги.
Наполните два бесцветных прозрачных пластиковых стакана  водой.  С помощью маркера обозначьте стаканы буквами А и В.
 Добавьте каплю молока в стакан В и размешайте.
Сложите лист  белого картона  размером 15х30 см вместе короткими концами и согните его пополам в виде шалашика. Он будет служить вам экраном. Установите экран напротив фонарика, с противоположной стороны листа бумаги.

Затемните комнату, включите фонарик и заметьте цвет светового пятна, образованного фонариком на экране.
Поставьте стакан А в центре листа бумаги, перед фонариком, и сделайте следующее: заметьте цвет светового пятна на экране, которое образовалось в результате прохождения света от фонаря через воду; внимательно посмотрите на воду и отметьте, как изменился цвет воды.
Повторите действия, заменив стакан А на стакан В.
В результате цвет светового пятна, образованного на экране лучом света фонаря, на пути которого нет ничего, кроме воздуха, может быть белым или слегка желтоватым. Когда луч света проходит через чистую воду, цвет пятна на экране не меняется. Не меняется также и цвет воды.
Но после прохождения луча через воду, в которую добавлено молоко, световое пятно на экране кажется желтым или даже оранжевым, а вода становится голубоватого оттенка.
Почему? Свет, как и электромагнитное излучение вообще, обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Распространение  света имеет волнообразный характер, а его взаимодействие с веществом

19

происходит так, как будто световое излучение состоит из отдельных частиц. Световые  частицы – кванты (иначе фотоны), представляют собой сгустки энергии с различными частотами. Фотоны  имеют свойства как частицы, так и волны. Поскольку фотоны испытывают волновые колебания, за размер фотона принимается длина волны света соответствующей частоты.
Фонарь является источником белого света. Это видимый свет, состоящий из всевозможных оттенков цветов, т.е. излучения разных длин волн — от красного, с наибольшей длиной волны, до голубого и фиолетового, с наиболее короткими длинами волн в видимом диапазоне. Когда световые колебания разных длин волн смешиваются, глаз воспринимает их и мозг интерпретирует эту комбинацию как белый цвет, т.е. отсутствие цвета. Свет проходит через чистую воду, не приобретая никакого цвета.

Но при прохождении света через воду, подкрашенную молоком, мы замечаем, что вода стала голубоватой, а световое пятно на экране — желто-оранжевым. Это произошло в результате рассеяния (отклонения) части световых волн. Рассеяние  может быть упругим (отражение), при котором фотоны сталкиваются с частицами и отскакивают от них, совершенно так же, как два бильярдных шара отскакивают друг от друга. Наибольшему рассеянию подвергается фотон, когда он сталкивается с частицей примерно такого же, как он сам, размера.
Маленькие частицы молока в воде лучше всего рассеивают излучение коротких длин волн — синее и фиолетовое. Таким образом, при прохождении белого света через воду, подкрашенную молоком, ощущение бледно-голубого цвета возникает из-за рассеяния коротких длин волн. После рассеяния на частицах молока коротких длин волн из светового пучка в нем остаются в основном длины волн желтого и оранжевого цвета. Они и проходят дальше, к экрану.
Если размер частицы больше, чем максимальная длина волны видимого света, рассеянный свет будет состоять из всех длин волн; такой свет будет белым.
20

Как зависит рассеяние от концентрации частиц?
Повторите опыт, используя разные концентрации молока в воде, от 0 до 10 капель. Понаблюдайте изменения оттенков цветов воды и света, пропущенного водой.
Зависит ли рассеяние света в среде от  скорости  света  в этой среде?
Скорость света зависит от плотности вещества, в котором распространяется свет. Чем больше плотность среды, тем медленнее распространяется в ней свет.
Помните, что рассеяние света в разных веществах можно сравнить, наблюдая за яркостью этих веществ. Зная, что скорость света в воздухе составляет 3 х 108 м/с, а скорость света в воде 2,23 х 108 м/с, можно сравнить, например, яркость мокрого речного песка с яркостью сухого песка. При этом надо иметь в виду тот факт, что свет, падающий на сухой песок, проходит через воздух, а свет, падающий на мокрый песок, — через воду.
Насыпьте песок в разовую бумажную тарелку. Налейте с края тарелки немного воды. Отметив яркость разных участков песка в тарелке, сделайте вывод, в каком песке рассеяние больше: в сухом (в котором песчинки окружены воздухом) или в мокром (песчинки окружены водой). Можно попробовать испытать и другие жидкости, например, растительное масло.

Опыт 13 «Исчезновение предмета в воде».

21

Оборудования: аквариум, банка(1.5 или 3 литра), предмет, фонарь.

План проведения:

1.Поставить банку в аквариум, а в банку предмет.

2.Направить свет на нашу конструкцию.

3.Налить воду в банку.

4.Сделать вывод.

5.Налить воду в аквариум.

6.Сделать вывод.

Описание.

Поставим предмет в банку, которая стоит внутри аквариума и направим свет, для луча света не представляет ни какого затруднения пройти сквозь аквариум и банку. И мы видим тень предмета на стене. Когда мы наливаем воду в банку, то банка превращается в линзу, которая рассевает лучи света, и мы видим только силуэт банки без какой – либо информации о внутреннем содержании банки. Когда мы наливаем воду в аквариум, то банка и аквариум стали одним целом с точки зрения света так как плотность воды в них одинакова. И отсюда следует, что для луча света эта конструкция является одним параллелепипедом из воды в котором находится предмет. У аквариума стенки параллельны, он не является линзой и свет не рассевает.

22

23

24

Физическое объяснение.

Полная тень может образоваться только при полном поглощении (что в данном случае не возможно), либо при преломлении и рассеивании светового потока в совершенно другом направлении, либо, в результате полного внутреннего отражения от стенок банки внутри в совокупности с первой и второй причиной (френелевском отражении и преломлении) что понятно - все это происходит одновременно.
На френелевском отражении теряется порядка 4-5% потока на входе и выходе (итого - около 10% и это при перпендикулярном к поверхности потоке). Поглощение в стекле пренебрежительно мало (толщина стенки мала) но при проходе луча ближе к краю значительно растет.

На 10 мм толщины стекла потеря составляет порядка 0,7%. Т.е. в стекле потеряется порядка 2-3%. В воде значительно больше - общее где-то 20% от потока. Сумма потерь приблизительно равна 30 - 33%. Вот и получили полутень.
Теперь к эффекту полного внутреннего отражения и френелевскогоотражения. Этот эффект возникает при переходе луча из более плотной оптически среды в менее плотную (под определенным углом падения (синус угла определяется отношением коэффициентов преломления). Соответственно на противоположной стороне банки направлению света весь свет попавший на границу ( не относится к середине банки) отразится в стороны. Но и это не результирующий фактор. Потери здесь не превзойдут 10 - 15%. Оставшийся фактор это преломление света.

25

Как видно из рисунка сразу после банки свет рассеивается будучи сильно сконцентрированным своей кривизной и на определенном расстоянии это рассеяние почти полностью отводит входящий поток. Пример: лупа - при концентрировании за лупой образуется сплошная тень кроме точки фокуса. Итак, со всеми факторами было бы удивительнее не увидеть тень за банкой на определенном расстоянии (не считая диффузионного света), поскольку прозрачность не говорит об отсутствии тени.

Пояснения. Огюсте́н Жан Френе́ль(фр. Augustin-Jean Fresnel; 10 мая1788 — 14 июля1827), французскийфизик, один из создателей волновой теории света.Фо́рмулыФрене́ля определяют амплитуды и интенсивности преломлённой и отражённой электромагнитной волны при прохождении через плоскую границу раздела двух сред с разными показателями преломления. Названы в честь Огюста Френеля, французского физика, который их вывел. Отражение света, описываемое формулами Френеля, называется френелевским отражением.Формулы Френеля справедливы в том случае, когда граница раздела двух сред гладкая, среды изотропны, угол отражения равняется углу падения. В случае неровной поверхности, особенно когда характерные размеры неровностей одного порядка с длиной волны, большое значение имеет диффузное рассеяние света на поверхности.

На двух фото: капля воды – линза.

26

На фото слева: В капле воды –перевёрнутое изображение моста.

На фото справа: водяная линза как устройство для просмотра старого телевизора.

5.Применение водяных линз в современности

Разработана камера с водяной линзой

Ученые из Ренсселарского политехнического института в США разработали новую жидкостную цифровую камеру, фокусирующуюся под воздействием звука высокой частоты. По словам исследователей, данная разработка может найти применение в самой разнообразной технике.

Ученые из Ренсселарского политехнического института, штат Нью-Йорк, разработали новую цифровую камеру, оптическая линза которой состоит из воды. Закрепленные на определенных позициях капли двигаются под воздействием звука высокой частоты, издаваемого крошечным динамиком. Сдвигаясь со своей первоначальной позиции в стороны, капли варьируют фокусное расстояние камеры. В течение этого времени световой сенсор фиксирует изображение со скоростью 250 кадров в секунду. Далее программное обеспечение выявляет четкие снимки и удаляет размытые.

«Такими линзами очень легко манипулировать, они не требуют много энергии и всегда позволяют сфокусироваться на объекте, как бы далеко или близко он ни находился по отношению к камере, - рассказывает руководитель проекта, профессор кафедры механики, аэрокосмических и ядерных разработок Ренсселарского политехнического института Амир Хирса (AmirHirsa). – В подобной системе не требуются ни высокое напряжение, ни какие-либо экзотические механизмы активации. Это означает, что подобная камера может использоваться в самой разнообразной технике».

27

В жидкостных линзах, разработанных ранее, процесс фокусировки, как правило, вовлекал механическое изменение размеров и формы участка, на котором находились капли жидкости. На это требовалось больше энергии и больше времени, говорят инженеры. Новая камера лишена этих недостатков.

Закрепленные на определенных позициях капли двигаются под воздействием звука высокой частоты, издаваемого крошечным динамиком

Скорость работы системы зависит от размера капель – чем они меньше, тем с большей частотой может осуществляться вибрация. Теоретически скорость работы камеры можно повысить до 100 тыс. кадров в секунду.

«Благодаря нашей разработке вы можете создать новую оптическую систему из жидкостных линз и небольшого динамика. Никто до нас не делал ничего подобного», - говорит Хирса. По его словам, к разработке уже проявили внимание производители мобильных телефонов. Тем не менее, подобные системы могут использоваться не только в портативной технике, но и в медицине, и в небольших подвижных роботах, обеспечивающих безопасность в общественных местах. Такие машины разрабатывает правительство США. Однако о том, будет ли технология запущена в коммерческое производство, не говорится.

Иммерсия (микроскопия)

Иммерсия (иммерсионный метод микроскопического наблюдения) в оптической микроскопии — это введение между объективоммикроскопа и рассматриваемым предметом жидкости для усиления яркости и расширения пределов увеличения изображения.

28

Иммерсионная система — оптическая система, в которой пространство между первой линзой и предметом заполнено жидкостью. Применяемая таким образом жидкость называется иммерсионной.

Принцип действия

Однако для «сухого» объектива, с показателем преломления среды перед его передней линзой n=1, максимальное значение числовой апертуры объектива не может превысить значение около 0,95.

Для решения этой проблемы берут иммерсионную жидкость, показатель преломления которой n₂ и показатель преломления фронтальной линзы n₃ выбраны определённым образом. Исходящие от одной точки объекта OP лучи проходят без преломления через иммерсионную пленку и могут «приниматься» фронтальной линзой объектива.

Дополнительные преимущества

• Возникающие на поверхностях покровного стекла и фронтальной линзе объектива паразитные отражения существенно меньше, нежели у «сухих» объективов, а в некоторых случаях паразитные рефлексы могут быть полностью устранены. Это улучшает контраст изображения и позволяет поднять освещённость препарата без вредного влияния на изображение.

• Толщина слоя жидкости между объективом и препаратом может меняться, и за счет этого можно в некоторых пределах изменять компенсацию сферической аберрации.

Иммерсионные жидкости

В расчёте объективов микроскопа оптические параметры иммерсионной жидкости (показатель преломления и дисперсия) учитываются при коррекции аберраций оптической системы (исправление кривизны поля, сферических и хроматических аберраций).Применяются:

• Кедровое или минеральное масло (показатель преломления 1,515)

• Водный раствор глицерина (1,434)

• Физиологический раствор (1,3346)

• Вода (1,3329)

• Монобромнафталин (1,656)

• Вазелиновое масло (1,503)

• Йодистый метилен (1,741)

29

Считается, что первый серийный микроскоп с рассчитанным объективом масляной иммерсии появился в 1878 году.

Глицерин — применение в качестве иммерсионной жидкости нашёл благодаря пропусканию ультрафиолетового диапазона электромагнитных волн. Используется в виде водного раствора определённой концентрации. Первый объектив глицериновой иммерсии был рассчитан в 1867 году.

Используется дистиллированная вода. Считается, что впервые в серийный микроскоп рассчитанный объектив водной иммерсии был введён в 1850 году.

Коррекционные оправы

В конструкцию ряда иммерсионных объективов входят коррекционные оправы. Их установка определяет точное взаиморасположение линзовой системы объектива и покровного стекла. Наибольшее влияние точность задания этого взаиморасположения оказывает на компенсацию сферической аберрации оптической системы микроскопа.

Толщина покровного стекла

Работа со стандартным покровным стеклом (n = 1,52) требует корректировки и на толщину покровного стекла, если объектив рассчитан на водную (n = 1,33) или глицериновую (n=1,47) иммерсию. Такие аппараты имеют на корпусе буквенные метки, указывающие правильное положение коррекционного кольца для конкретного типа жидкости, а в пределах этой метки указываются толщины покровных стекол, для которых компенсация сферической аберрации минимальна.

Техника работы

На готовый высушенный препарат наносят 20-25 мкл монтирующей жидкости. Покрывают препарат обезжиренным покровным стеклом. На покровное стекло наносят каплю иммерсионного масла, и наблюдают с иммерсионным объективом (маркировка — чёрная полоса ближе к фронтальному компоненту).

Водная иммерсия

На готовый препарат наносят каплю 20 м/моль фосфатного буфера, рН 7,4. Микроскопируют объективом для водной иммерсии (маркировка — белая полоса ближе к фронтальному компоненту).

30

Значение

Введение в микроскопию иммерсионных объективов (водная иммерсия, 1850, масляная, 1878) имело большое значение для цитологии, позволило решительно увеличить контраст изображения отдельных частей клетки.

Гидрооптика

Круг вопросов, которыми занимается гидрооптика, с каждым годом расширяется. Сейчас уже есть все основания говорить об одном из таких направлений — оптике ночного моря,— которое своим возникновением во многом обязано быстро растущим запросам морской биологии. Роль проникающего в водную толщу лунного света пока еще не ясна.  Почему яркий свет, нарушающий подводную тьму, приманивает к себе рыб и животных? Этому существует несколько объяснений. Так, Никаноров и Беляева, например, объясняют способность приманиваться светом исследовательским рефлексом рыб и животных. В некоторых странах, в том числе и у нас, лов рыбы на электрический свет осуществляется в промышленном масштабе. Привлеченные подводным  светильником  скопления  кильки засасываются насосом и серебристой рекой текут на палубу корабля. Дальневосточная сайра также привлекается мощным источником электрического света.  Вместе с тем известна и отрицательная реакция рыб на свет. Угри, избегая света, совершают свои дальние странствования только в ночное время.  Для приманки некоторых рыб служат люминесцентные светильники — лампы дневного света, как называют их в обиходе. Оптические исследования биолюминесценции, по всей вероятности, позволят биофизикам и биохимикам создать новые, более совершенные источники люминесцентного света: ведь любое светящееся существо — миниатюрная живая модель химического реактора с очень высоким выходом световой энергии. Для бионики — науки, изучающей возможности использования в технике лучших достижений живой природы, будет интересно и исследование света как средства пространственной ориентации.  Расширение круга вопросов, которыми занимается оптика моря, неизбежно влечет за собой развитие новых и совершенствование старых методов исследования океана. С помощью специальной оптической аппаратуры, установленной на самолете, определяется важная характеристика — яркость поверхности моря. Вместе с тем оптика моря становится подводной наукой. Для проведения исследований гидрооптики опускаются в глубины океана. 31 6.Заключение. Вопроспрозрачности водыи водяных линз различной формы, условия проявления и исчезновения свойства прозрачностив данной работе рассматривался с разных сторон. В ходе исследования показаны следующие вопросы:что такое линзы,свойства линз, преломление света, отражение,диффузное отражение света, прозра́чность воды в гидрологии и океанологии. Стало ясно, что прозрачность воды  с одной стороны - это величина, косвенно обозначающая количество взвешенных частиц и коллоидов в воде; с другой стороны - прозрачность воды определяется её избирательной способностью поглощать и рассеивать световые лучи и зависит от условий освещения поверхности, изменения спектрального состава и ослабления светового потока, а также концентрации и характера живой и неживой взвеси. При большой прозрачности вода приобретает интенсивный синий цвет, который характерен для открытого океана. При наличии значительного количества взвешенных частиц, сильно рассеивающих свет, вода имеет сине-зелёный или зелёный цвет. Цвет воды зависит от особенностей поглощения и отражения света молекулами воды. Молекулы воды поглощают цвет в красно-зеленой части спектра. А лучи его синей части отражаются молекулами. Поэтому мы воспринимаем цвет воды как голубой.Разнообразие оттенков зависит от того, какие именно частицы взвешены в воде и каковаглубина водоёма. В ходе работы происходило изучение прозрачности водяных линз различной формы и условия исчезновения свойства прозрачности.Стало понятно, что поглощение света в воде происходит по двум причинам. Первая – это столкновение фотонов с молекулами воды, и, как следствие, потеря ими части энергии. Вторая причина – поглощение света взвешенными частицами. Чем сильнее загрязнена вода, тем сильнее поглощение. При детальном проведении опыта 13 «Исчезновение предмета в воде» выяснилось,что действительно картина теней зависит от формы сосуда(линзы), от окружающей среды, от материала линзы. Полная тень может образоваться только при полном поглощении (что в данном случае не возможно), либо при преломлении и рассеивании светового потока в совершенно другом направлении, либо, в результате полного внутреннего отражения от стенок банки внутри в совокупности с первой и второй причиной (френелевском отражении и преломлении), 32 что понятно - все это происходит одновременно. В опытах проявился и эффект полного внутреннего отражения. Этот эффект возникает при переходе луча из более плотной оптически среды в менее плотную. Оставшийся фактор рассеивания света - это преломление света. В случае неровной поверхности сосуда, большое значение имеет диффузное рассеяние света на поверхности. Вопрос прохождения света в воде показался очень занимательным, хотелось бы изучить его на более глубоком научном уровне с применением полных знаний по оптике.

33

7.Литература:

1. Мякишев Г. Я. Физика 11: Учеб.для общеобразоват. учреждений /

Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский. – М. Просвещение, 2011

2. Касьянов В.А.Физика 11:Учеб.для общеобразоват. учреждений–М.Дрофа,2010

3. О. В. Егорова, Иммерсионный метод микроскопического наблюдения. Гостстандарт, Москва,Россия 2005.

Интернет – ресурсы:

1. a-lapin.narod.ru

2. www.fotodiver.ru

3. www.gismeteo.ru

4.ru.wikipedia.org

5.www.photoshop.in.

6.science.viniti.ru

7.www.homemadecamera.blogspot.com

8.sweet211.ru

9.www.cnews.ru

10.http://www.opticsinfobase.org

11. http://aco.ifmo.ru

34