исследовательская работа поастрономии "Камера-обскура актуальность в наши дни"
творческая работа учащихся по астрономии (9 класс)

МАОУ СОШ 29 «Университетская» г.Липецк

Исследовательская работа

Направление: Естественные науки

Секция: Физика  

Камера-обскура актуальность в наши дни

Россия, Липецкая область, г. Липецк

Автор: ученик 9 А класса МАОУ СОШ №29

Припадчев Илья Игоревич

Научные руководители:

учитель физики  МАОУ СОШ №29

Османова  Н.А.

2018

Оглавление

Естественные науки 

Физика (Ф)

" Камера-обскура актуальность в наши дни"

Припадчев Илья Игоревич

Россия, Липецкая область, г. Липецк, МАОУ СОШ №29, 9 А класс

Введение

Камера-обскура  или «темная комната»  - это простейшее оптическое устройство, дающее возможность воспроизводить изображение объектов. Конструкция не изменилась за две тысячи лет.  Всего лишь ящик с темными стенками и отверстием и одной из стенок, выполняющей роль экрана. В качестве полотна экрана может выступать пергамент, плотный полиэтилен, калька промасленная или иные полупрозрачные полотна. Отверстие во фронтальной стенке является простейшим объективом. Свет, проникая через него, переносит контуры объекта на поверхность экрана. Первые камеры-обскура описываются еще в пятом веке до нашей эры китайскими авторами (Мао-Цзы), есть упоминание о них и у Аристотеля. За время своего существования она претерпела многие трансформаций  – были добавлены в конструкцию зеркала и линзы, но принцип действия остался прежним. Она является прародителем современной цифровой оптики- фотоаппараты и телескопы ее потомки.

В наш век, когда доступны фотокамеры всем, есть ли будущее у столь архаичного прибора? И будут ли интересны возможности камеры-обскура современным ученикам? Мы попробовали. Вот что у нас получилось.

1 Историческая справка

Время когда была изобретена камера-обскура и кому принадлежит сама идея ее возникновения до сих пор в точности не известны .Принцип проекции окружающего пространства на плоскость был известен очень давно многим исследователям, но никто не обращал на него особого внимания до тех пор, пока один из экспериментаторов не пожелал изучить причину данного явления и возможность его практического применения. Изобретателем камеры-обскура долгое время ошибочно считали итальянского физика Джованни Батиста Делла Порта, описавшего в "Натуральной магии" (1560 г.) сам прибор и способ повышения яркости изображения при замене отверстия линзой. На самом деле эффект, даваемый камерой-обскура был скорее замечен пытливым человеческим глазом в естественных условиях. Первым таким открытием в истории фотографии была камера обскура. Еще Аристотель заметил, что свет, который проникает через узкое отверстие, может проектировать изображение в перевернутом виде на противоположенной стене. Приблизительно в Х веке арабский ученый Альхазен создал камеру обскуру в виде затемненной комнаты и заметил связь между четкостью изображения на стене и диаметром отверстия. Большой вклад в историю фотографии и в усовершенствование камеры обскура внёс итальянский физик Джованни Порта. Сначала он предложил вставлять в отверстие камеры стекло в виде чечевицы, оно напоминало современную линзу. Затем Порта изобрел портативную камеру. В небольшом темном ящике находилось зеркало, установленное под углом 45 градусов, оно проецировало изображение на стол или лист бумаги. В 1620 году Кеплер, великий астроном и физик-оптик, ставил темную палатку в поле, устанавливал линзу в прорезь палатки и наблюдал за изображением, которое появилось на белой бумаге, прикрепленной к противоположной стенке палатки, напротив линзы. Размеры камеры-обскуры вскоре стали два фута в длину и меньше фута в высоту, линза устанавливалась с одной стороны, а у основания другой - зеркало. Рефлексный тип камеры-обскуры создал Иоханн Цан в 1685 году. Его ящик имел то преимущество, что зеркало помещалось внутри под углом 45 градусов к линзе и изображение отражалось в верхней части ящика. Здесь он помещал матовое стекло, покрытое калькой, и легко мог обводить изображение. Цан изобрел также еще меньшую по размерам рефлексную камеру-обскуру с вмонтированной линзой. Она очень напоминала камеры, которыми пользовался Ньепс сто пятьдесят лет спустя.

Первые конструкции которые сделанные в  рамках данного проекта просты в исполнении: картонная коробка, выкрашенная внутри черной матовой краской, отверстие в фронтальной стенке и экран затянутый промасленным пергаментом, а во второй коробке ПЭ пленкой. Несмотря на всю незатейливость, в такой камере получаются интересные силуэтные изображения.

Вторая камера-обскура несколько сложнее. Это фанерный короб со съемными рамками, дающими возможность экспериментировать   различными видами экранных пленок. В конструкции предусмотрена затеняющая шторка из блокирующего свет полотна. Ее роль выполнило текстильное полотно плотностью 470 грамм на квадратный метр. Что дало возможность повысить четкость и контрастность изображения на мембране. Мы экспериментировали с  тремя видами мембран: пергамент, пропитанный маслом, ПЭ пленка толщиной 150 микрон и лавсан.

2 Практическая часть

Итак, первые камеры-обскура, собранные нами, были очень простыми по конструкции. Все го лишь картонные коробочки, окрашенные изнутри краской  матового черного цвета. Во фронтальной части коробочки горячим шилом проделывается отверстие диаметром 1,5мм  ( раскаленное шило дает возможность получить отверстие с ровными краями и не размытое изображение). Вторую фронтальную стенку в первом случае мы закрывали пергаментом, пропитанным маслом, во втором плотной полиэтиленовой пленкой толщиной 150 микрон.  В камере-обскура из фанеры  мы экспериментировали с материалами, подходящими на роль  экрана.  Пергамент, пленка из полиэтилена различной толщины, пленка целлофановая, акриловая пленка и лавсан. Наиболее красочные изображения получаются на лавсане и полиэтиленовой мембране толщиной 150 микрон. Лавсан – это синтетический материал, получаемый из нефти. Его полное химическое  название – полиэтилентерефталат, он представляет собой твердое вещество, которое в аморфном состоянии бесцветно, а в кристаллическом имеет белую окраску.  Еще в коробе предусмотрена затемняющая шторка  из светонепроницаемого полотна со стороны экрана, чтобы увеличить контрастность изображения. Отверстие во фронтальной стенке имеет диаметр 2мм.  Отверстие большего диаметра дает более яркое, но менее четкое изображение. (Приложения IV,V,VI,VII, VIII)  При малой контрастности исходного изображения, на экране образуются силуэтное изображение предмета. При большой освещенности на изображении появляются оттенки  цвета. Изображения, получаемые в камере, перевернутые. (Приложения I, II, III).

Помимо интересных силуэтных изображений, что еще можно узнать с помощью камеры-обскура? Используя принцип подобия треугольников, с помощью камеры-обскура можно рассчитать высоту  стоящего напротив дома. Зная расстояние до отверстия, через которое проходит свет, высоту изображения и расстояние до дома, узнаем высоту дома.

С помощью простого отверстия в непрозрачном материале можно определять размеры и более глобальных объектов. Например, можно определить примерный диаметр Солнца.  Попутно на полученном изображении можно увидеть пятна на Солнце. В момент наблюдения 4 мая пятен не наблюдалось. Мы провели свое наблюдение таким образом. Чтобы рассчитать примерный диаметр Солнца прямой солнечный луч пропустили через малое отверстие диаметром 2мм. Измерили диаметр полученного изображения и расстояние от него до отверстия. Используя свойства подобных треугольников, высчитали приближенно диаметр Солнца. В процессе проведения этого практического наблюдения задались вопросом, можно ли сделать изображение Солнца более крупным. Дело в том, что в нашем наблюдении изображение на экране получилось диаметром около 2см. этого очень мало и различить солнечные пятна при таком масштабе изображения невозможно. Но, опять же, исходя из свойств подобия треугольников, мы поняли, что увеличить конечное изображение можно отодвинув экран от отверстия. Трудность состояла в том, что лучи солнца в полдень падают под высоким углом.  Это не давало нам возможности удалить в пространстве друг от друга отверстие и изображение. Даже если положить экран на пол, расстояние будет около двух метров и изображение небольшого диаметра.  С задачей справилось зеркало. Луч, проходящий через малое отверстие, отражался в зеркале и мы получили возможность перенаправить его на экран, находящийся на большем удалении, и получить изображение большего диаметра.  Вот так, с помощью простого отверстия в непрозрачном материале можно определять размеры и более глобальных объектов. Например, можно определить примерный диаметр Солнца.  Попутно на полученном изображении можно увидеть пятна на Солнце. Мы получили изображение диаметром около 5 см. увеличивать экспозиционное расстояние далее смысла не имело, так как терялась четкость изображения. В момент наблюдения 4 мая пятен не наблюдалось. (Приложение VII)

3 Выводы

Камера- обскура что же это? Архаическая конструкция возрастом почти  две тысячи лет или  простой аппарат, не утративший актуальности в наши дни?  В процессе выполнения наблюдений мы поняли, что хоть и конструкция неизменна много лет, но вполне практична в наши дни. Интересными и необычными получаются изображения в  камере-обскура. Причем в зависимости от типа материала мембраны изображения обладают большей или меньшей степенью прозрачности.  Камера наглядно демонстрирует законы геометрической оптики. Лучи в однородной среде распространяются прямолинейно. В процессе работы  с информацией, касающейся темы, мы выяснили что камера-обскура является прародителем огромного класса оптических и вполне бытовых приборов-  фотоаппарат, телескоп-рефлектор, камеры в телефонах. Наблюдение солнечного изображения на экране дало возможность узнать есть ли в этот день пятна на Солнце. Занимаясь изготовлением камеры-обскура мы решили  несколько задач практического характера:

 1) Продумали конструкцию.

2) Изготовили детальный чертеж.

3) Подобрали материалы для изделия (фанера шлифованная толщиной 3мм, краска на водной основе для окрашивания деревянных изделий, поэкспериментировали с различными видами мембран, подобрали светонепроницаемый материал для шторки).

4)  Изготовили камеру-обскура, пользуясь навыками и умениями, полученными на уроках технологии.

5) Обработали много познавательной информации.

4 Список литературы

1 Жданов Л.С. Курс физики. Книга 2 /Л.С. Жданов, В.А Маранджян учебное пособие для средних специальных учебных заведений. Книга 2/М.: Наука. 1966-608с.

2   Перельман Я.И. Занимательная физика. Книга 2/ Я.И. Перельман-21 изд., испр. и доп.-М.:Наука.1983-272с.

3  http://www.nat-geo.ru/photo-master/34462-kamera-obskura-obyknovennoe-fotochudo/

4 http://fotomtv.ru/stati/istoriya_razvitiya_fotografii_i_kameri_-_obskuri/

5 http://enciklopediya-tehniki.ru/promyshlennost-na-k/kamera-obskura.htm

5 Приложения

Приложение I

Приложение II

Приложение III

Приложение IV

Приложение V

Приложение VI

Приложение VII

Приложене VIII