Исследовательская работа по теме " Оптические свойства света" 2 класс

Городская научно-практическая конференция

Магнитогорского научного общества учащихся

«Первые открытия»

Направление (секция): мир точных наук (физика)

Тема: «Оптические свойства света»

Учреждение:	МОУ «Гимназия № 53», 2 класс
Автор работы:
Научный руководитель:	Агаркова  Ольга  Леонидовна, учитель начальных классов

Магнитогорск

2017

Содержание                                                                                                             стр

Введение………………………………………………..…………………………….3

ГЛАВА I. Теоретическая часть…………………………..…………………………3

1.1 Что же такое свет?.................................................................................................4

1.2 Так что же знают люди о свете и его роль в окружающей среде.....................4

1.3 Свойства тел……………………………………………………….......................5

ГЛАВА II. Практическая часть…………………………………………………..…6

2.1 Опыт № 1. Известняк и лазер………………..…………………………….…....6

2.2 Опыт № 2. Кварц и лазер…….…………………………………………….…....8

2.3 Опыт № 3. Сломанная ложка…………………………………………………...9

2.4 Опыт № 4. Серебристое яйцо………………………………………………..….9

Заключение…………………………………………………………………………12

Библиографический список……………………………………………………….13

Приложение………………………………………………………………………...14

Введение

Я однажды спросил маму: «Почему стекло пропускает свет?» К тому времени я узнал, что свет – это поток частиц, называемых фотонами, и мне казалось удивительным, как такая маленькая частица может пролетать сквозь толстое стекло. Мама ответил: «Потому что оно прозрачное». Я промолчал, т. к. понимал, что «прозрачное», есть всего лишь синоним выражения «пропускает свет». Изучая школьные учебники для второго класса ответа я не нашел, а знать хотелось бы. Почему же стекло пропускает свет?

Предлагаемая вниманию исследовательская работа посвящена оптическим свойствам света.

Актуальность выбранной темы обусловлена интересом объяснить это явления. Найти ответ на интересующий меня вопрос.

Гипотеза – предположим, что твердые вещества (например, камень или бетон) свет не пропускают, а сквозь стекло можно видеть. Свет имеет способность преломляться, так ли это?

Предмет исследования – свет как физическое явление.

Цель исследования: выяснить происхождение света и его значение в нашей жизни.

Для достижения поставленной цели нам необходимо решить следующие задачи:

·          собрать теоретический материал по теме: «свет»;

·          провести опыты с твердыми, жидкими и газообразными  веществами и светом, объяснить их;

·          выяснить проявление света в окружающей среде,

Методы работы: 

1. Теоретический

2. Анализ-синтез собранной информации

3. Проверки или опровержения гипотез и теории.

ГЛАВА 1. Теоретическая часть

1.1 Что же такое свет?

Чтобы найти ответ на этот вопрос, мы решили собрать теоретический материал по интересующей меня проблеме и изучить его. Для этого мы изучили литературу из домашней библиотеки, обратился к материалам сайта интернета.

На официальном сайте интернет – энциклопедии «Википедия», мы нашли следующее определение термина света: любое оптическое излучение, то есть такое электромагнитное излучение, длины волн которого лежат в диапазоне с приблизительными границами от единиц нанометров до десятых долей миллиметра.

Сергей Иванович Ожегов в толковом словаре русского языка  определяет свет, как лучистая энергия, делающая окружающий мир видимым.

Из книги «Я знаю всё» мы узнали, что свет – это форма энергии, которую мы можем видеть. Свет излучают некоторые предметы, такие, как звезды, электрические лампы и некоторые химические вещества.

1.2 Так что же знают люди о свете и его роль в окружающей среде.

Что же такое – свет? По этому поводу у ученых не было единого мнения. Больше двухсот лет шли ожесточенные споры.  Одни, в том числе И. Ньютон, считали, что свет – это поток мельчайших частиц – корпускул, вылетающих  из светящегося тела. Другие полагали, что свет – это волнообразные колебания особого вещества – эфира, заполняющего все мировое пространство. Эту точку зрения защищали  М.В. Ломоносов и Х. Гюйгенс.

Лишь в 1905 г. физик Альберт Эйнштейн доказал, что свет обладает свойствами одновременно и частиц, и волн. После этого открытия стали понятны многие явления, которые до этого никак не могли объяснить. Свет мчится с самой большой скоростью, какая только возможна в природе: 300 000 км в секунду.

Почему, например, на фотопленке светлые места выходят темными, а темные - светлыми? Оказывается, потому что эмульсию, которой покрыта пленка, бомбардируют частички света – фотоны. Под их воздействием вещество эмульсии темнеет. Там, куда фотонов попало много, пленка чернеет больше, там, где мало – меньше.

Фотоны, проникая в листья растений, вызывают химические реакции, необходимые не только для развития растений, но и всего живого на Земле. В результате этих реакций выделяется кислород и поглощается углекислый газ.

А почему все вокруг разноцветное? Почему краски бывают разными? Здесь всё уже зависит от волновых свойств света. Волны света – это электромагнитные волны, такие же, как радиоволны, только значительно более короткие.

Красный свет имеет одну длину волны, зеленый – другую (его волны короче), волны синих лучей короче зеленых. Белый свет – это смесь цветных лучей. Когда он попадает на предмет, одни волны поглощаются, а другие отражаются. Какие волны отразились – такой цвет мы и видим. Белая бумага одинаково хорошо отражает световые волны любого цвета, и потому она воспринимается как белая; черный бархат, наоборот, поглощает световые волны, и потому он видится черным.

Без света не было бы жизни на Земле. Невидимый инфракрасный свет несет нам тепло Солнца, и только поэтому наша планета не превращается в холодный кусок льда. Благодаря свету живут растения, их листья выделяют кислород, и воздух становится пригоден для дыхания живых существ.

1.3 Свойства тел.

Из курса «Окружающий мир» я узнал, что тела имеют три состояния: твердое, жидкое и газообразное. В твердом теле молекулы плотно притянуты друг к другу. Они буквально слиплись вместе. В жидкостях молекулы соединены друг с другом более свободно. Они скользят и смещаются относительно друг друга. В газах молекулы совершенно не связаны друг с другом. Они с высокими скоростями разлетаются во всех направлениях.

На основании вышесказанного предположим, что сквозь газы можно видеть, а сквозь твердые тела это невозможно. Но некоторые твердые вещества, например такие, как стекло, столь же прозрачны, как воздух. Как это получается? Молекулы стекла поглощают фотоны падающего на него света. В тот же момент молекулы стекла испускают в том же направлении такие же фотоны. Вот таким образом стекло оказывается прозрачным, то есть фактически оно пропускает свет. С водой и другими практически бесцветными жидкостями происходит та же история. Большая часть падающего света переносится молекулами. В газах молекулы находятся на дальних расстояниях друг от друга. Лучи света могут пройти сквозь газовое облако, не встретив на своем пути ни одной молекулы.

Год назад, когда я выступал на научно-практической конференции по теме «Статическое электричество» я узнал, что все тела состоят из молекул, а молекулы – из атомов. В центре каждого атома находится ядро, состоящее из протона и нейтронов, а вокруг, по кругу вращаются электроны.

Свет тоже устроен довольно просто. Свет состоит из частиц, называемых фотонами.

ГЛАВА II. Практическая часть

Возникают вопросы: когда фотон поглощается веществом, а когда проходит сквозь вещество?

Взаимодействие света и вещества – это взаимодействие фотонов с электронами. Электрон может поглощать фотон и может испускать фотон.

Выдвинем предположение, что сквозь известняк свет не пропускается, а сквозь стекло можно видеть.

2.1 ОПЫТ № 1. Известняк и свет.

В качестве материала для исследования мы взяли кусок известняка и лазер.

На фото № 1 вы можете видеть, как мы взяли кусок известняка и направили на него луч света. Фотоны не проходят сквозь него потому, что электроны вращаются так быстро, что фотон не проникает сквозь электронную орбиту к ядру, а отскакивает. (Приложение № 1, фото № 1,2).

Все дело в том, как происходят столкновения атомов с фотонами. Вся энергия фотона передалась атому известняка. Этот атом получил дополнительную энергию (которую нес с собой фотон) и от этой дополнительной энергии он подскочил на более высокую орбиту и стал летать дальше от ядра.

Рис.1 Поглощение фотона электроном и переход последнего на более высокую орбиту

2.2 ОПЫТ № 2. Кварц и свет.

А теперь вместо известняка возьмем кусок кварца и тот же лазер.

На фото № 3 вы видите, как свет проходит сквозь стеклянную стену. (Приложение № 2, фото № 3,4). Почему же это происходит? Ведь внутри стеклянного кварца тоже молекулы и атомы, и если взять достаточно толстое стекло, любой фотон рано или поздно должен столкнуться с каким-нибудь из них.

Вот тут и кроется разгадка прозрачности стекла!

Все атомы в стекле имеют электроны на таких орбитах, что для перехода на более высокую орбиту, им необходим толчок энергии, которой не достаточно у фотонов видимого света. Поэтому он проходит сквозь стекло, практически не сталкиваясь с его атомами.

Рис.2 Стекло

Итак, фотоны видимого света пролетают сквозь стекло, потому что они не обладают соответствующей энергией для перехода электронов на более высокий энергетический уровень, и стекло видится прозрачным.

В ходе исследования, мы можем сказать, как поведёт себя свет при встрече с веществом (поглотился или пройдёт насквозь) зависит от среды, в которую он попадает. Прозрачные вещества свет пропускают, не прозрачные – поглощают. Вещество выглядит прозрачным, когда фотоны света проходят сквозь него, не поглощаясь.

2.3 ОПЫТ № 3. Сломанная ложка.

Когда лучи света попадают из воздуха в какую-то другую среду, они преломляются. Преломление света – это явление изменения направления движения светового луча при переходе из одной среды в другую.

В качестве материала для исследования мы взяли стакан с водой и ложку. На фото № 6 вы можете видеть, как ложка сломалась. Это Вас очень удивило?

Ничего удивительного, это происходит потому, что оптическая плотность у воздуха, воды и стекла разная. Преломление лучей света происходит на границе двух сред (воздуха с водой). Чем больше отличаются оптические плотности двух сред, тем более преломляется свет на границе их раздела. Другими словами, чем больше изменяется скорость света на границе раздела двух сред, тем сильнее он преломляется.

2.4 ОПЫТ № 4. Серебристое яйцо.

Рассмотрим еще один опыт, подтверждающий тот факт, что свет действительно преломляется.

Для этого нам понадобится емкость с водой, спички, свеча и вареное яйцо. Возьмем яйцо и поставим его под горящую свечу до тех пор, пока оно не закоптится и не покроется черным цветом. (Приложение № 4, фото № 7, 8).

После чего опустим яйцо закопченной стороной в емкость с водой. Едва яйцо оказалось в воде, оно засверкало серебром. И этому волшебству есть научное объяснение! (Фото № 9,10).

Сажа полностью состоит из углерода. Вода не касается скорлупы, так как на саже остается тонкая прослойка воздуха. Ученые называют это границей раздела – здесь соприкасаются два вещества.

Мы видим черный цвет, когда лучи света поглощаются веществом. Если же свет отражается от тела полностью, то мы видим зеркальную поверхность.

На границе раздела воды и воздуха на закопченной яичной скорлупе происходит полное отражение света: свет, который попал на скорлупу, отражается, как от зеркала. Вот почему яйцо кажется серебряным, а сажи не видно.

Когда мы, стоим на берегу водоема, стараемся на глаз определить его глубину, она всегда кажется меньшей, чем есть на самом деле. Это явление объясняется преломлением света. Следствием преломления света в атмосфере Земли является тот факт, что мы видим Солнце и звезды немного выше их реального положения (рис. 3). Преломлением света можно объяснить еще много природных явлений: возникновение миражей, радуги и др.

Рис.3 Преломление света

Полное внутреннее отражение наблюдается при переходе света из среды оптически более плотной в оптически менее плотную среду (например, из воды в воздух) и под определенным углом падения лучей (поэтому передняя сторона яйца кажется черной, а боковые стороны серебряными).

Явление полного отражения можно наблюдать на примере, если налить в стакан воду и поднять её выше уровня глаз, то поверхность воды при рассмотрении её снизу кажется посеребрённой вследствие полного отражения света.

Если мы попытаемся из-под воды взглянуть на то, что находится в воздухе, то при определённом значении угла, под которым мы смотрим, можно увидеть отражённое от воды дно.

Угол падения, при котором свет не преломляется в другую среду, а отражается и скользит вдоль раздела двух сред (т.е. угол преломления равен 90⁰), называется предельным углом полного отражения.

На явлении полного внутреннего отражения основано появление раздела волоконной оптики, в котором изучается формирование изображений при распространении света по световодам. Волоконная оптика применяется  для передачи большого объема информации в компьютерных сетях, для освещения недоступных мест, в рекламе, бытовой осветительной технике, а также в медицине. Волоконная оптика широко используется в медицинской эндоскопии. Различные эндоскопы (гастроскоп, трахеобронхоскоп, цистоскоп, лапароскоп и т.п.) дают возможность наблюдать внутренние органы в диагностических целях и делать фотографии внутренних органов. Один пучок волокон используется, чтобы освещать изучаемую область, а по другому пучку изображение передаётся к человеческому глазу или фотокамере.

Таким образом, когда я, проходил обследование, я понял, как врач, используя эндоскоп, может увидеть все внутренние органы человека. Все это происходит благодаря полному внутреннему отражению света.

Проведенное исследование позволило нам сделать следующие выводы:

·       твердые непрозрачные вещества свет поглощают;

·       прозрачные вещества (стекло) свет пропускают;

·       свет имеет способность преломляться.

Заключение

Подводя итог, можно сказать, что поставленные задачи выполнены. Изучив специальную литературу и проведя ряд опытов, мы можем объяснить, почему сквозь твердые тела свет не проходит, а сквозь стекло можно видеть. А также, почему свет может преломляться.

Все дело в том, как происходят столкновения электронов с фотонами. В твердых телах электроны вращаются очень быстро. Фотоны света поглощаются электронами твердого тела, поэтому свет сквозь него не пропускается. В свою очередь фотоны видимого света пролетают сквозь стекло, потому что они не обладают соответствующей энергией для перехода электронов на более высокий энергетический уровень, и стекло видится прозрачным.

Световой пучок, падая на границу раздела двух сред, имеющих разную оптическую плотность, делится на два пучка. Один из них – отраженный – отражается от поверхности. Второй – преломленный – проходит через границу раздела в другую среду, изменяя свое направление.

Причина преломления света – изменение скорости света в случае перехода из одной среды в другую.

Полученные знания и результаты нашего исследования могут помочь одноклассникам в понимании некоторых явлений. Полученный   опыт можно использовать для сообщений и докладов при изучении курса «Окружающий мир».

Библиографический список

1.     Алексеев С.П., Алексин С.П. Что такое. Кто такой. Том 3. – М.: Издательство «Педагогика-Пресс», 1994.

2.     Алексеева М. Н.. Физика – юным: Свет. 7 кл. – М.: Просвещение, 1980.

3.     Колтун М.М. Мир физики – СПб.: Издательство. Детская литература., 1987.

4.     Мейяни А.; перевод с итальянского Мотылёвой Э. И.. Большая книга экспериментов для школьников – М.: «РОСМЭН-ПРЕСС», 2003

5.     Миттон С., Миттон Ж.; перевод с английского Викторовой И.И.. Оксфордская библиотека. Астрономия – М.: «Росмэн», 1995.

6.     Молькова К.И., О.О. Озерова: Я знаю все – Москва: Эксмо, 2015.

7.     Ожегов С. И. и Шведова Н. Ю. Толковый словарь русского языка: 80000 слов и фразеологических выражений / Российская АН.; Российский фонд культуры; - 2-е изд., 1995.

8.     Официальный сайт «Словари и энциклопедии». Режим доступа: http://dic.academic.ru

9.     Официальный сайт теоретического и научно-практического журнала «СВЕТ». Режим доступа: http:// www.svet.ru.

10. Официальный сайт универсальной интернет-энциклопедии. Режим доступа: http: // www.wikipedia.ru.  Свет.

11. Хинн О.Г.. Я познаю мир: Детская энциклопедия: Физика – М.: ТКО «АСТ», 1995.

Краткое описание документа:

Исследовательская работа посвящена "Оптическим свойствам света" на уровне 2 класса. Цель исследования: выяснить происхождение света и его значение в нашей жизни. Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:1)собирали теоретический материал по теме: «свет»; 2)проводили опыты с твердыми, жидкими и газообразными веществами и светом; 3)выясняли проявление света в окружающей среде.

Полученные знания и результаты исследования могут помочь в понять некоторые явления. Полученный опыт можно использовать для сообщений и докладов при изучении курса «Окружающий мир».