Проект "Мираж в роли телескопа"

Проект

Мираж в роли телескопа

                                                          Выполнил: Власенко Александр

Ученик 11 «А» класс

МБОУ г. Астрахани «СОШ № 57»

                                Учитель физики: Ю. М. Григорьев

1.Введение.

  С давних времён небо привлекало людей своей магической таинственностью. Многие учёные отдавали всю свою жизнь изучению вселенной. Но для того, чтобы лучше увидеть звёзды, познать строение планет, был нужен такой прибор, который бы увеличивал угол зрения наблюдателя. И им стал телескоп.

Впервые на небо направил телескоп в 1609г итальянский учёный Галилео Галилей и с помощью него сделал открытие, которое ещё больше продвинуло учёных к познанию вселенной. Именно с помощью телескопа Галилей обнаружил на Луне горы, кратеры, обнаружил четыре спутника у Юпитера, самой большой планеты Солнечной системы.

Оптический телескоп представляет собой очень большой и сложный инструмент, состоящий из оптических элементов, называемых линзами и зеркалами. С помощью этих элементов увеличивается угол зрения, при котором небесные тела видны увеличенными и приближёнными к наблюдателю. Кроме этого телескоп собирает во много раз больше света идущего от планеты, чем глаз наблюдателя. Эти качества телескопа и позволяют с его помощью рассматривать невидимые невооружённым глазом детали поверхности ближайших к Земле небесных тел и увидеть множество слабых звёзд.

                                                   2. Немного теории.

 Нередко все предметы через оконное стекло видятся искривлёнными. А всё дело в том, что стекло на фабрике охлаждается неравномерно. Показатель преломления в различных его точках, а следовательно и скорость света оказались различными. Лучи света выбрали скорейший путь – по кривой. Отсюда и предметы на улице стали казаться искажёнными.

          Такая картина существует и в природе. Я обратил внимание на это явление. Изучая соответствующую литературу, я понял явление мираж. За всей таинственностью сущность его объясняется довольно просто. Широкие пучки световых параллельных лучей, отражённых от предмета, находящихся порой за сотни километров, проходя через оптические неоднородности атмосферы, своего рода гигантскую воздушную «линзу», «телескоп», фокусируются ею и затем попадают нам в глаза, являя грандиозную картину.

Телескоп-рефрактор работает по такому же принципу. Рассмотрим его устройство по рис.№1.                                                                                                                                                              

окуляр

                                                корпус                                                   объектив

Рис.№1.

 Как выяснилось, можно управлять преломляющими свойствами вещества, то есть можно управлять показателем преломления света. Существуют разнообразные способы управления преломлением света; они основаны на изменении показателя преломления в зависимости от различных внешних факторов.

          Так, показатель преломления полупроводника зависит, в частности, от числа электронов проводимости в единице объёма. Теория показывает, что с увеличением числа электронов проводимости показатель преломления уменьшается.

           Можно управлять преломлением света, помещая вещество во внешнее электрическое поле и изменяя напряжённость поля. Если, например, помещать в поле жидкость, то она приобретёт свойства одноосного (положительного и отрицательного) кристалла, в котором направление внешнего поля будет являться оптической осью.

         Также возможно управление показателем преломления вещества при помощи ультразвуковых волн. Через вещество посылается ультразвуковая волна, которая в нём создаёт механические напряжения. А это свидетельствует об изменение показателя преломления в веществе.

        Показатель преломления зависит также от температуры вещества. Для одних веществ он увеличивается с ростом температуры, у других, напротив, уменьшается. Если в веществе создаётся изменение температуры при переходе от одних областей к другим, то может образоваться так называемая тепловая линза. Оптическая сила такой линзы зависит от степени нагрева и характера отвода тепла.

        Из всех этих способов следует очень важный вывод: можно управлять лучом, изменяя состояние среды. А это открывает огромные перспективы. Очевидно, есть возможность для создания особого телескопа, опираясь на это свойство лучей. Почему он особый?! Потому, что он увеличивает угол зрения наблюдателя, не прибегнув к помощи линз и зеркал. Основа его простая: металлическая труба, вращающаяся относительно своей продольной оси. В определённом месте стенку её подогревают, и от этого нагревается воздух в трубе. Благодаря вращению, температурные поля в нём располагаются симметрично, что необходимо для получения качественного изображения.

        Собранная нами установка позволяет исследовать зависимость показателя преломления твёрдого вещества (оргстекло) в зависимости от температуры. Данный выбор связан с трудностью исследования газов в школьных условиях. Сконструированная мною установка позволяет немного под другим углом зрения посмотреть на вышеуказанные явления, которые не входят в рамки школьной программы. Это позволяет мне видеть перспективы использования этого явления в научных целях и чувствовать себя не простым свидетелем, а изобретателем, творцом, который пока не сделал фундаментальных открытий, но внёс частицу нового в эту большую важную науку.

     На первый взгляд кажется, быстрее всего расстояние между двумя точками можно осилить только по прямой. Но это верно лишь для однородной среды, где скорость в любой точке одна и та же. В других случаях скорейший путь не столь прям.

    Нередко все предметы через оконное стекло видятся искривлёнными. А всё дело в том, что стекло на фабрике охлаждается неравномерно. Показатель преломления в различных его точках, а следовательно и скорость света оказались различными. Лучи света выбрали скорейший путь – по кривой. Отсюда и предметы на улице стали казаться искажёнными. Но ведь это брак, скажет кто – нибудь. Но, оказывается, такой «брак» случается и в природе. Взять хотя бы мираж. За всей таинственностью сущность его объясняется довольно просто. Широкие пучки параллельных световых лучей, отражённых от предмета, находящегося порой за сотни километров, проходя через оптические неоднородности атмосферы, своего рода гигантскую воздушную «линзу», «телескоп» фокусируются ею и затем попадают нам в глаза, являя грандиозную картину.

     Это замечательное свойство лучей – двигаться криволинейно в неоднородной среде, то есть с различным показателем преломления, взяли на вооружение учёные. Они создали телескоп диаметром 5м. без единой линзы и зеркала. С его помощью оказалось возможным разглядеть лунные горы. Основа его – пустая металлическая труба, вращающаяся вокруг своей продольной оси. В определённом месте стенку её подогревают, и от этого нагревается воздух в трубе. Благодаря вращению, температура в ней располагается симметрично, что необходимо для получения качественного изображения.

3.Исследование распространения световых лучей в оптически неоднородной среде.

        За всей этой кажущейся простотой скрывается довольно сложный прибор, на производство которого задействованы самые высокие технологии. Создать его в условиях домашней мастерской и даже хорошо оснащённой школьной лаборатории весьма проблематично. А вот провести эксперимент, демонстрирующий удивительное свойство движения света, вполне возможно. Посмотрите на схему устройства (рис.2), которое я собрал.

        
                             Рис.2

 Рядом с лазером на деревянной подставке укреплена полоска оргстекла. К верхним и нижним граням её прижат самодельный нагреватель. Передняя грань полоски обращена к нам. Она прозрачная. Задняя сделана матовой.   Пока нагреватель не работает, параллельный пучок света, направленный на торец полоски, войдёт и выйдет из неё параллельным, не изменив своей ширины. Стоит включить нагреватель, и увидим, как пучок света постепенно начнёт искривляться. Для чистоты эксперимента полоски оргстекла должны быть прозрачными, плоскими, без завалов по краям, которые сами бы фокусировали свет.

        Из оргстекла толщиной 10 мм была вырезана полоска шириной 15 мм и длиной не менее 160 мм. Причём делать это так, чтобы не нагреть материал до размягчения, потому что будучи нагрето до 1000С, оргстекло размягчаются и после охлаждения сохраняет оптическую неоднородность. Поэтому, при работе применяли острые фрезы, да ещё поливали инструменты водой. Затем выбрали наименее царапанную грань, ту, что имеет размер 160  15 мм. Через неё наблюдали происходящее во время эксперимента. Она должна остаться прозрачной. Три другие длинные грани сделали матовыми с помощью шкурки с водой.

       Собрав установку и, включив осветитель, направили световой пучок на торец полоски, пока на матовой грани не увидели свет почти параллельного светового пучка. Затем подали напряжение на нагреватель.  Лучи начали изгибаться и в конце концов сфокусировались у противоположного торца. Таким образом, простой маленький прямоугольник прозрачного материала начинает вести себя словно линза. Из всего этого эксперимента можно сделать вывод: показатель преломления в зависимости от температуры изменяется. В этом можно убедиться, взглянув на рисунок 3, где показано изображение луча, вышедшего из полоски оргстекла. При комнатной температуре толщина световой полосы отличается от толщины световой полосы при более высокой температуре. То есть изображение светового луча сужается при повышении температуры.

       Меня заинтересовали изменения показателя преломления в зависимости от температуры. Поэтому я решила вычислить их и на опыте с помощью вычислений доказать, что с увеличением температуры показатель преломления изменяется.

       При комнатной температуре я направила лазерный луч на полоску оргстекла при определённом угле падения и зафиксировала преломлённый луч. Затем, измерив все углы, нашла показатель преломления оргстекла при комнатной температуре. Нагрев воду с полоской оргстекла до определённой температуры (приблизительно 1000С ), быстро вынимая брусок, снова направила под тем же углом лазерный луч и зафиксировала преломлённый луч. Вычислив показатель преломления, оказалось, что результаты их отличаются. Показатель преломления при 1000С меньше показателя преломления при комнатной температуре (см.рис.4). Следовательно, показатель преломления изменяется, если изменяется температура. Значит, изменяя состояние среды, можно управлять лучом. А это открывает огромные перспективы.

      Можно создать такие телескопы с принципиально новым управлением световыми лучами, в которых не надо использовать линзы или зеркала, но в которых можно добиться таких результатов изображения, каких не добьешься с помощью линз и зеркал. Или создать такие микроскопы, в которых можно увидеть самые мелкие частицы, которых не увидишь в обычном микроскопе, причём не прибегнув к использованию линз, зеркал или электроэнергии. Можно также создать такие очки, которые при действии на них температуры человека изменяли бы или даже улучшали зрение человека в очках.

       При 100С:  =49

               n===1,1698688.    

                  Вывод: при повышении температуры показатель преломления уменьшается .

              Рис.4                                                                            Рис.3

Список используемой литературы.

1.Журнал « Юный техник» №2 1993г.

2.Л.В. Тарасов «Беседы о преломлении света» (Библиотечка «Квант», выпуск 18, 1982г.)

3. Л.В. Тарасов «Оптика, рождённая лазером» (Мир знаний, 1977).