Учебно-исследовательская работа "Свойства инфракрасного излучения"

Российская  Федерация

Ханты – Мансийский  автономный  округ – Югра

город  Покачи

МОУ  СОШ  №2

Свойства  инфракрасного  излучения

Выполнила: Барбарова  Анастасия

Ученица  9 "В"  класса

Руководитель: Акулова  Ирина

Григорьевна

Учитель  физики

г. Покачи

Оглавление

1. Введение        стр.3

1.1. Инфракрасное излучение – это…        стр.3

1.2. Оптические свойства веществ в инфракрасном излучении        стр.3

1.3. Источники инфракрасного излучения                                стр.4

1.4. История открытия инфракрасного излучения        стр.5

1.5. Применение        стр.5

             1.6. Цель работы        стр.6

2. Основная часть        стр.7

2.1. Методика проведения эксперимента        стр.7

2.2. Свойство пульта дистанционного управления (ПДУ)        стр.7

2.3. Наблюдение инфракрасного излучения от нагретых тел        стр.7

2.4.Отражение ИК – волн от плоского зеркала        стр.8

2.5. Наблюдение преломления ИК – волн        стр.8

2.6. Наблюдение дисперсии ИК – излучениям        стр.8

2.7. Наблюдение дифракции. Определение длины волны

ИК –  излучения                                                                        стр.9

2.8. Наблюдение поляризации         стр.9

2.9. Наблюдение жидкостей различных цветов в ИК  лучах         стр.9

3. Заключение, выводы                                                                 стр.10

4. Список литературы.                                                                  стр.11

       5. Приложения.                                                                                     стр.12

1. Введение

1.1. Инфракрасное излучение – это…

Любое раскаленное тело излучает свет, но специальные исследования показывают, что от раскаленного тела наряду с видимым световым излучением исходят невидимые излучения. Такие излучения называются  инфракрасными. Инфракрасное излучение - это одна из составляющих частей солнечного света, и из теории инфракрасного излучения следует, что любое нагретое до определенной температуры тело само становиться излучателем инфракрасных волн. С инфракрасными волнами мы встречаемся каждый день, они проникают во все уголки нашего быта. Солнце, радиаторы, русская печь, нагретые на солнце камни, человеческое тело, даже ледяная вода и айсберги – все это излучатели инфракрасных волн. Но чем выше температура тела, тем в большей мере от него исходит инфракрасное излучение, и тем большее тепловое действие оно оказывает на другие тела.  Это излучение не имеет ничего общего с рентгеновским или ультрафиолетовым излучением. Оно абсолютно безопасно для человека. Кроме того, обогрев инфракрасными лучами – это древнейший вид обогрева, он же – самый универсальный.

Солнечные лучи проходят миллионы километров через открытый холодный космос, и все же они прогревают поверхность нашей планеты до оптимальных для нас температур (изначально прогревается именно поверхность, и уже от нагретой земли - воздух).                                                                                

Нагретые твёрдые и жидкие тела испускают непрерывный инфракрасный спектр. Нагретое твёрдое тело излучает в очень широком интервале длин волн. При низких температурах (ниже 800 К) излучение нагретого твёрдого тела почти целиком расположено в инфракрасной области, и такое тело кажется тёмным. При повышении температуры доля излучения в видимой области увеличивается, и тело вначале кажется тёмно-красным, затем красным, жёлтым и, наконец, при высоких температурах (выше 5000 К) — белым; при этом возрастает как полная энергия излучения, так и энергия инфракрасного излучения.

1.2.Оптические свойства веществ в инфракрасном излучении

Оптические свойства веществ (прозрачность, коэффициент отражения, коэффициент преломления) в инфракрасной области спектра, как правило, значительно отличаются от оптических свойств в видимой и ультрафиолетовой областях. Многие вещества, прозрачные в видимой области, оказываются непрозрачными в некоторых областях инфракрасного  излучения и наоборот. Например, слой воды толщиной в несколько сантиметров непрозрачен для инфракрасного излучения с λ > 1 мкм (поэтому вода часто используется как теплозащитный фильтр).  Пластинки германия и кремния, непрозрачные в видимой области, прозрачны в инфракрасной (германий для λ > 1,8 мкм, кремний для λ > 1,0 мкм). Проходя через земную атмосферу, инфракрасное излучение ослабляется в результате рассеяния и поглощения. Азот и кислород воздуха не поглощают инфракрасное излучение и ослабляют его лишь в результате рассеяния, которое, однако, для инфракрасного излучения значительно меньше, чем для видимого света. Пары воды, углекислый газ, озон и др. примеси, имеющиеся в атмосфере, селективно поглощают инфракрасное излучение. Особенно сильно поглощают инфракрасное излучение пары воды,  полосы поглощения которых расположены почти во всей инфракрасной области спектра, а в средней инфракрасной области — углекислый газ. В приземных слоях атмосферы в средней инфракрасной области имеется лишь небольшое число «окон», прозрачных для инфракрасного излучения. Наличие в атмосфере взвешенных частиц — дыма, пыли, мелких капель воды (дымка, туман) — приводит к дополнительному ослаблению инфракрасного излучения,  в результате рассеяния его на этих частицах, причём величина рассеяния зависит от соотношения размеров частиц и длины волны инфракрасного излучения. При малых размерах частиц (воздушная дымка) инфракрасное излучение рассеивается меньше, чем видимое излучение (что используется в инфракрасной фотографии), а при больших размерах капель (густой туман) инфракрасное излучение рассеивается так же сильно, как и видимое.

1.3.Источники инфракрасного излучения

Мощным  источником инфракрасного излучения является Солнце, около 50% излучения которого лежит в инфракрасной области. Значительная доля (от 70 до 80%) энергии излучения ламп накаливания с вольфрамовой нитью приходится на инфракрасное излучение. При фотографировании в темноте и в некоторых приборах ночного наблюдения лампы для подсветки снабжаются инфракрасным светофильтром, который пропускает только инфракрасное излучение. Мощным источником инфракрасного излучения  является угольная электрическая дуга с температурой ~ 3900 К, излучение которой близко к излучению чёрного тела, а также различные газоразрядные лампы (импульсные и непрерывного горения). Для радиационного обогрева помещений применяют спирали из нихромовой проволоки, нагреваемые до температуры ~ 950 К. Для лучшей концентрации инфракрасного излучения  такие нагреватели снабжаются рефлекторами. В научных исследованиях, например, при получении спектров инфракрасного поглощения в разных областях спектра применяют специальные источники инфракрасного излучения: ленточные вольфрамовые лампы, штифт Нернста, глобар, ртутные лампы высокого давления и др. Излучение некоторых оптических квантовых генераторов — лазеров также лежит в инфракрасной области спектра; например, излучение лазера на неодимовом стекле имеет длину волны 1,06 мкм, лазера на смеси неона и гелия — 1,15 мкм и 3,39 мкм, лазера на углекислом газе — 10,6 мкм, полупроводникового лазера на InSb — 5 мкм и др.

Приёмники инфракрасного излучения основаны на преобразовании энергии инфракрасного излучения в другие виды энергии, которые могут быть измерены обычными методами. Существуют тепловые и фотоэлектрические приёмники инфракрасного излучения. В первых, поглощённое инфракрасное излучение вызывает повышение температуры термочувствительного элемента приёмника, которое и регистрируется. В фотоэлектрических приёмниках поглощённое инфракрасное излучение  приводит к появлению или изменению электрического тока или напряжения. Фотоэлектрические приёмники, в отличие от тепловых, являются селективными приёмниками, т. е. чувствительными лишь в определённой области спектра. Специальные фотоплёнки и пластинки — инфрапластинки — также чувствительны к инфракрасному излучению (до λ = 1,2 мкм), и потому в инфракрасном излучении могут быть получены фотографии.

1.4 История открытия инфракрасного излучения

Инфракрасное излучение впервые было обнаружено в 1870 году ученым Уильямом Гершелем за красной полосой спектра.

Гершель на экране получил спектр солнечного света и с помощью очень чувствительного термометра исследовал различные его части. Он обнаружил, что в фиолетовой части спектра термометр нагревался на 2°С выше окружающей среды, в зеленой – на 3,5°С и в красной – на 7°С. Но когда он передвинул термометр за красную часть спектра, то термометр показал температуру на 9°С выше, чем в фиолетовой части спектра.

Этот опыт Гершель проводил в воздухе, поэтому можно было допустить, что термометр за красной частью спектра нагревался не под действием инфракрасного излучения, а от воздуха, нагретого различными частями солнечного спектра. Тогда опыт Гершеля проделали в безвоздушном пространстве, и оказалось, что в вакууме тепловое действие инфракрасного излучения на термометр в три раза больше, чем в воздухе. Таким образом, было установлено, что невидимое  инфракрасное излучение в пространстве распространяется как свет.

1.5. Применение

Внедрение инфракрасных излучений в нашу жизнь началось в двадцать первом веке. Сейчас оно широко используется в научных исследованиях, при решении большого числа практических задач, в военном деле и пр. Исследование спектров испускания и поглощения в инфракрасной области используется при изучении структуры электронной оболочки атомов, для определения структуры молекул, а также для качественного и количественного анализа смесей веществ  сложного молекулярного состава, например моторного топлива. В промышленности инфракрасное излучение применяется для сушки и нагрева материалов и изделий при их облучении, а также для обнаружения скрытых дефектов изделий. На основе фотокатодов, чувствительных к инфракрасному излучению (для λ  < 1,3 мкм), созданы специальные приборы — электронно-оптические преобразователи, в которых не видимое глазом инфракрасное изображение объекта на фотокатоде преобразуется в видимое. На этом принципе построены различные приборы ночного видения (бинокли, прицелы и др.), позволяющие при облучении наблюдаемых объектов инфракрасным излучением от специальных источников вести наблюдение или прицеливание в полной темноте. Создание высокочувствительных приёмников инфракрасного излучения позволило построить специальные приборы — теплопеленгаторы для обнаружения и пеленгации объектов, температура которых выше температуры окружающего фона (нагретые трубы кораблей, двигатели самолётов, выхлопные трубы танков и др.), по их собственному тепловому инфракрасному излучению. На принципе использования теплового излучения цели созданы также системы самонаведения на цель снарядов и ракет. Специальная оптическая система и приёмник инфракрасного излучения, расположенные в головной части ракеты, принимают его от цели, температура которой выше температуры окружающей среды (например, собственное ИК – излучение самолётов, кораблей, заводов, тепловых электростанций), а автоматическое следящее устройство, связанное с рулями, направляет ракету точно в цель. Инфракрасные локаторы и дальномеры позволяют обнаруживать в темноте любые объекты и измерять расстояния до них.

 Также, для наземной и космической связи используются оптические квантовые генераторы, излучающие в инфракрасной области.

1.6. Цель работы

Инфракрасное излучение относится к электромагнитным волнам. Оно представляет собой излучение длиной волны от 770нм до 1мм и, следовательно, наряду с другими волнами, оно должно обладать свойствами, присущими всем электромагнитным волнам.

Целью нашей работы являлось:

 1) обнаружение свойств инфракрасного излучения, общих для всех электромагнитных волн: отражения, преломления, поглощения, дифракции;

2) изучение особенностей, присущих именно инфракрасному излучению.

2. Основная часть

2.1. Методика проведения эксперимента

Инфракрасное излучение – это излучение тепловое, т.е. испускается нагретыми телами. ИК – излучение невооруженным глазом не видно. Для его обнаружения и регистрации можно воспользоваться электронно-оптическим преобразователем (ЭОП) или прибором с зарядовой связью (ПЗС). К сожалению, в школе нет ни ЭОП, ни ПЗС. Зато ПЗС является одним из основных элементов всех цифровых фотоаппаратов. Им мы и воспользовались для проведения экспериментов.

Для начала мы изучили особенности ИК – излучения некоторых источников.

2.2. Свойство пульта дистанционного управления (ПДУ)

Пульт дистанционного управления посылает  управляющие сигналы к аппаратуре в виде электромагнитных импульсов ИК – диапазона. Их источник – инфракрасный светодиод. Мы попробовали зарегистрировать это излучение. Для этого нам понадобился цифровой фотоаппарат. Установив на фотоаппарате автоматический режим съемки, и отключив фотовспышку, мы поместили  пульт дистанционного управления напротив объектива фотоаппарата на расстоянии примерно 20 сантиметров, направив его на объектив. Нажали произвольно одну из кнопок на ПДУ, и в этот момент сделали снимок. На дисплее фотоаппарата мы видели световую вспышку (светло - фиолетовое пятно на фотографии ), простым глазом невидимую. (Фото1,2)

 2.3. Наблюдение инфракрасного излучения от нагретых тел

При проведении опыта мы использовали нагретое тело (Солнце, спираль лампы накаливания, зажженную свечу), «двойной»  светофильтр (два светофильтра, сложенных вместе, из набора по оптике: красный и зеленый), эбонитовую пластинку толщиной около 0,5 мм, цифровой фотоаппарат. При применении эбонитового светофильтра  фотоаппарат настраивали  вручную: устанавливали чувствительность матрицы ISO – 400, а скорость срабатывания затвора около 5 секунд.. При использовании «двойного» светофильтра  фотоаппарат устанавливали в режиме автоматической съемки. Мы сфотографировали источники света, предварительно прижав к объективу фотоаппарата светофильтр. Изображения нагретых тел видны на фотографиях 3 - 9.

 Однако не все нагретые тела излучают инфракрасные волны. Например, от люминесцентной лампы, газовой плиты и жала паяльника свечение зарегистрировать не удается. Это объясняется тем, что свечение люминесцентной лампы обусловлено явлением фотолюминесценции (холодное свечение), а его спектр максимально приближен к спектру белого света, и инфракрасного излучения в нем практически нет. Пламя от газовой плиты кажется нам голубым потому, что наибольшая интенсивность приходится на длину волны голубого цвета, поэтому, несмотря на то, что это нагретое тело, его инфракрасное излучение слабое. От жала паяльника свечение не видно, так как излучаемая его светом длина волны выходит за пределы диапазона чувствительности прибора с зарядовой связью фотоаппарата.

2.4.Отражение ИК – волн от плоского зеркала

Для того чтобы проверить свойство отражения ИК- излучения мы использовали ПДУ, зеркало и цифровой фотоаппарат.

ПДУ и фотоаппарат расположили перед зеркалом таким образом, чтобы можно было фиксировать изображение  ИК - диода пульта дистанционного управления. Нажимали на пульте  кнопку и видели  на дисплее фотоаппарата изображение вспышки в зеркале. (Фото 10,11)

2.5. Наблюдение преломления ИК – волн

Свет, проходя через границу раздела сред, преломляется. Чтобы доказать, что ИК - волны тоже преломляются, мы провели следующий опыт: расположили ПДУ напротив фотоаппарата, разместив между ними параллельно объективу  стеклянную трапецеидальную призму, и сделали снимок, нажав на кнопку ПДУ. Затем мы повернули призму на  некоторый угол и снова сделали снимок. На фотографии видно, что ИК - лучи отклоняются  от прямолинейного пути.     ( Фото 12,13 )

2.6. Наблюдение дисперсии ИК – излучения

В ходе эксперимента мы хотели сравнить показатели преломления ИК – излучения и видимого света. Для этого использовали карманный фонарик, оптические светофильтры (красный и зеленый), фотоаппарат, треугольную преломляющую призму. С помощью призмы разложили видимый свет в спектр (явление дисперсии). Установили перед объективом фотоаппарата зеленый светофильтр и направили на место выхода лучей из призмы. На фотографии мы наблюдаем  разделение пятнышек зеленого и светло – фиолетового (ИК) цветов, полученных после прохождения света через треугольную преломляющую призму. (Фото 14,15) Также мы наблюдали разделение ИК - лучей и красного света спектра при использовании красного светофильтра. На фотографии  хорошо видна светло-фиолетовая полоска , расположенная за красной линией. (Фото 16,17) Из опытов следует, что показатель преломления видимого света больше, чем ИК – излучения.

2.7. Наблюдение дифракции.

 Определение длины волны инфракрасного излучения

Для наблюдения дифракции ИК –излучения мы использовали фонарик с лампой накаливания, дифракционные решетки (с 50 штрихами на 1 мм и со 100 штрихами на 1 мм), фотоаппарат, красный светофильтр. Помещали фотоаппарат, прикрытый светофильтром,  напротив включенного фонарика, разместив между ними дифракционную решетку таким образом, чтобы  на дисплее фотоаппарата были видны хотя бы первые максимумы красного и ИК –излучений. Делали снимок. (Фото 18,19) На фото 20 показана картина дифракции красного и ИК –красного излучения: В – главный максимум; С – первый максимум красного излучения; D – первый максимум ИК – излучения. На рис.1 показан ход лучей после прохождения дифракционной решетки (точка А). Мы измерили расстояния ВС и ВД на фотографии 20 .Так как мы не знаем длину волны, которую пропускает красный светофильтр, то для выполнения вычислений по определению длины волны ИК – излучения взяли среднее значение для красного света 700 нм. Используя формулу d sinφ  = kλ  , рассчитали  параметры треугольника АВС, а затем и треугольника АВD. Зная угол φ, определили длину волны ИК –излучения. Расчетная длина волны равна 1020 нм (т.е. она укладывается в пределы ИК – излучения от 750 нм до 1100 нм).  

2.8. Наблюдение поляризации

Для опыта нам понадобилась лампа накаливания, два пленочных поляроида, фотоаппарат. Лампу накаливания мы поместили напротив объектива фотоаппарата, а между ними два поляроида. Поворачивали один из поляроидов до того момента, когда видимый свет переставал проходить через них. Но, тем не менее, мы обнаружили, что спираль накаливания от лампочки все равно четко видна сквозь поляроиды. Повторив опыт с ПДУ, обнаружили, что ИК – излучение проходит через поляроиды даже тогда, когда видимый свет через них не проникает.(Фото 21,22)

2.9. Наблюдение жидкостей различных цветов в ИК - лучах

Для проведения опыта мы использовали «двойной» светофильтр,  фотоаппарат, цветную жидкость (раствор йода, раствор бриллиантина зеленого, молоко). На цифровом фотоаппарате устанавливали максимальную чувствительность матрицы  ISO 400, а скорость срабатывания затвора  - 15 с.  ИК – светофильтр плотно прижимали  к объективу фотоаппарата,  направив  его на пузырек с жидкостью. При этом объект изучения дополнительно освещали  лампой накаливания. Делали снимок. Для сравнения фотографировали объект при дневном освещении в автоматическом  режиме работы фотоаппарата. В результате, сравнивая фотографии, мы  наблюдали, что на фотографиях, сделанных через ИК – светофильтр, некоторые объекты становятся прозрачными. (Фото 23-28)

3. Заключение, выводы

  Мы изучили свойства инфракрасных волн.  На основе проведенных  опытов пришли к выводу, что инфракрасному излучению присущи  свойства, характерные всем электромагнитным волнам - это  поглощение, преломление, отражение. Так же мы выяснили, что инфракрасное излучение, как и видимое излучение, обладает дисперсией и дифракцией.  Длина волны инфракрасного излучения больше длины волны видимой части спектра.  Фотографии, полученные в инфракрасном излучении, обладают рядом особенностей по сравнению с обычными фотографиями. На снимках в инфракрасных лучах часто видны детали, невидимые на обычной фотографии. Мы убедились в том, что некоторые тела, не прозрачные при обычном освещении, становятся прозрачными в инфракрасных лучах.

Инфракрасное излучение находит применение в промышленности и в медицине, в военном деле, в быту и сельском хозяйстве. Оно универсально и может применяться для самых разнообразных целей. Нет такой области, где - бы не пригодился природный метод передачи тепла. Ведь всем известно, умнее природы человеку не стать,  мы можем лишь подражать ей.

4. Список литературы.

1.Перышкин А.В., Чемакин В.П. Факультативный курс физики: 7 кл. Пособие для учащихся.– 2-е изд., перераб. и доп. -   М., Просвещение, 1980.- 142 с., ил.

2.Мякишев Г.А.., Буховцев Б.Б. Физика: Учеб. Для 11 кл. общеобразоват. учреждений. – 12-е изд. – М.: Просвещение, 2004. – 336с., 2 л. ил.

3.Исупов Д.Ю., Лобастова А.А.. Изучение свойств инфракрасного излучения: Физика. Первое сентября, - № 15, 2008, с.31-33.