Ловушка для солнечного зайчика
В. ИЛАТОВСКИЙ, кандидат физико-математических наук
Мысль о ловле солнечных зайчиков может вызвать у взрослого человека только снисходительную усмешку – прошли те счастливые времена, когда непосредственность детского восприятия мира и отсутствие излишних знаний позволяли отважно браться за столь сложные и необычные задачи. Однако за здравый смысл – гордость технократа – нередко выдаются ограниченность и нехватка фантазии. Ведь совсем не обязательно пытаться накрыть световое пятно ладонью, существуют и более «взрослые» способы захватить пучок света, заставив зайчик метаться в ограниченном пространстве, как можно дольше не позволяя ему выйти за пределы «ловушки». И, как выяснилось, пойманный световой зайчик оказался важным инструментом физико-химического анализа.
Многие фундаментальные свойства природы столь привычны и так откровенно проявляются в обыденной жизни, что мы просто не замечаем их грандиозности. Например, радужный блик на стене комнаты, отброшенный поверхностью зеркала, – уже повод для серьезных размышлений. Радующие глаз синие, зеленые, красные полоски – все это проявление волновых свойств света, преломленного ограненной поверхностью стекла. Каждому из таких цветов соответствует своя длина волны, а любой источник излучения характеризуется определенным набором волн – спектром. Для Солнца этот спектр очень широк, а, например, у гелий-неонового лазера всего одна длина волны – 632,8 нанометра (красный цвет).
Окраска предметов окружающего мира зависит от их способности избирательно поглощать излучение, отражая и рассеивая свет с «ненужными» длинами волн. Это относится и к бесцветным объектам, таким, как воздух, стекло, вода, а «бесцветны» они просто потому, что спектр их поглощения охватывает недоступные человеческому глазу инфракрасную и ультрафиолетовую области излучений. Уже этот факт наводит на мысль, что, изучая поглощение света в различных средах – твердых телах, жидкостях и газах, – можно получить детальную информацию об их свойствах. Такой метод исследования веществ стал известен еще в XIX веке и получил название «спектроскопия».
Каждый тип молекул поглощает вполне определенные участки из всего широкого спектра излучений, на чем и основано спектроскопическое изучение состава вещества. Правда, взаимодействие излучения с молекулами определяется уже не волновыми, а квантовыми свойствами света: в соответствии с квантовыми представлениями световой луч представляет собой пучок элементарных частиц – фотонов. Освещая исследуемый объект светом с различной длиной волны и регистрируя количество поглощенных фотонов, можно не только точно определить, какие именно вещества входят в его состав, но и в каких количествах. Однако здесь есть трудность: если концентрация некоторых молекул будет очень мала, то доля поглощенных фотонов может оказаться незаметной для спектроскопического прибора. Можно увеличивать толщину объекта, соответственно возрастет и вероятность взаимодействия фотонов с рассеянными молекулами, но этот путь не всегда удобен, а в некоторых случаях он вообще оказывается тупиковым.
Таким способом экологи и спектроскописты пытались контролировать чистоту воздуха, прошивая светом многокилометровые трассы и набирая информацию о мельчайших вредных примесях. А как быть при исследовании свойств разреженных газов, микроскопических количеств веществ или, скажем, процессов, протекающих в очень ограниченных объемах? Исследовать-то надо, но как получить большую протяженность пути светового пучка в небольшой кювете спектрального прибора? Иными словами, как сделать такой прибор изящным, компактным и одновременно очень чувствительным?
В 1942 году американскому физику Джону Уайту удалось создать такую конструкцию ив зеркал, в которой свет, многократно отражаясь, десятки раз проходил через изучаемый образец. Восторженная реакция спектроскопистов на это изобретение обеспечила Уайту славу и приличное состояние. Вскоре практически все спектроскопические приборы, которые должны были обладать высокой чувствительностью, стали собираться по схеме Уайта. В руках искусных экспериментаторов эта схема творила чудеса, однако при рутинных измерениях, когда очевидные недостатки такой схемы – малая светосила (то есть, грубо говоря, большие потери света), накопление угловых ошибок при отражениях и неустойчивость луча света по отношению к вибрациям – не компенсировались терпением, изобретательностью и настойчивостью исследователя, требовалась более совершенная зеркальная система. Эйфория первого успеха сменилась упорными попытками модернизировать схему Уайта, но задача оказалась весьма сложной, и многие исследовательские центры (в том числе компания, организованная самим Уайтом) за несколько десятилетий практически не продвинулись в совершенствовании первоначального варианта, многоходовой зеркальной системы – ловушки для солнечного зайчика.
Все чаще в статьях по оптике схема Уайта называлась классическом – для науки это дурной симптом, предвещающий застой. Казалось, что ничего принципиально нового придумать уже нельзя. И действительно, зеркалами занимались еще в Древней Греции (вспомним легенду об Архимеде, сжегшем вражеские корабли), законы геометрической оптики сложились столетия назад, стереотипы мышления вбивались в головы специалистов еще в период обучения. Найти необычный подход в столь «распаханной» области необычайно трудно.
Может быть, именно в такой обстановке оригинальные решения часто появляются у непрофессионалов. Случайное стечение обстоятельств привело С.М. Чернина, специалиста по двигателям внутреннего сгорания, в спектроскопическую лабораторию МГУ. Решение сменить профессию пришло в болезненных колебаниях. В жестоком цейтноте, на ходу осваивая новую область, Чернин занялся модификацией оптических установок, недостатки которых были ему очевидны – пригодился прежний опыт машиностроителя. Почти как разминка перед стайерским забегом был сконструирован фотопистолет с объективом совершенно новой конструкции (см. «Наука и жизнь» №4, 1964 г., стр. 130. 131).
Это была, пожалуй, последняя попытка изобретателя работать с обычной линзовой оптикой. Завораживали зеркала – совершенные творения современной технологии, и знаменитая система Уайта вызывала уважение, но не хотелось соглашаться с мнением специалистов, что это предел совершенства. Вскоре изобретателя пригласили на работу в Институт химической физики АН СССР, расширились возможности экспериментов и независимых конструкторских поисков. Чернин все-таки сделал то, что специалисты считали невозможным: его «ловушка для зайчика» обошла систему Уайта по ряду параметров. Ощущение настоящей победы пришло вместе с извещением Государственного комитета по делам изобретений и открытий о присвоении новой многоходовой зеркальной системе имени Чернина.
Тесный контакт с современной лазерной техникой потребовал дальнейшего совершенствования системы Чернина. Казалось бы, малая расходимость светового пучка лазера должна была предоставлять неограниченные возможности увеличивать число проходов луча через кювету спектрального прибора, однако тут же появились принципиальные трудности. При очень большом числе проходов малейшие изменения в положении зеркал приводили к такому смещению луча на выходе прибора, что свет вовсе не попадал на регистрирующее устройство. В стационарных условиях, когда нет никакой вибрации, смещение луча можно скомпенсировать дополнительной юстировкой, но где в реальном мире можно найти место, не подверженное вибрации? Даже брошенная на стол в соседнем помещении книга выводила спектрометр из строя. Стало ясно, что столь высокая чувствительность возможна только для оптической схемы, способной саморегулироваться, компенсировать вибрацию зеркал благодаря своим внутренним ресурсам, а не за счет хитроумных внешних приспособлений и массивных фундаментов для гашения колебаний.
Именно такая многоходовая матричная зеркальная система (ММС) и была недавно создана в Институте химической физики АН СССР С.М. Черниным совместно с сотрудницей Государственного оптического института Е.Г. Барской. Система состоит всего из шести зеркал – четырех сферических объективов, плоской матрицы промежуточных изображений и небольшого вспомогательного зеркала. Луч лазера более пятисот раз пронизывает пространство между отражателями, при этом вся оптическая схема сконструирована так, что даже очень сильная вибрация не меняет положения луча на выходе прибора. ММС можно использовать не только в лабораторных условиях, но и, например, на самолете или любом другом тряском транспорте. Это позволяет проводить исследования в полевых условиях, причем с недосягаемой ранее чувствительностью. Если к одному кубическому метру однородного газа добавить всего один кубический «миллиметр инородной примеси, спектрометр на базе ММС точно определит ее состав и концентрацию.
Уникальные свойства матричной многоходовой системы позволили создать гигантский 110-метровый спектрометр для исследования газов в Институте оптики атмосферы в Томске. На основе ММС Центральной аэрологической обсерваторией Госкомгидромета совместно с другими институтами разработан прецизионный прибор для определения состава воздуха на разных высотах – ведь сегодня проблема загрязненности атмосферы вблизи промышленных центров приобрела исключительную остроту. Даже криминалистам и таможенникам может оказаться необходимым прецизионный спектрометр на базе ММС, первым – для определения следов преступления, но не по отпечаткам сапог и брошенным окуркам, а по оставленным преступником молекулам, вторым – для обнаружения наркотиков и взрывчатых веществ.
Источник
Детский мир
С олнечные лучи двумя руками не поймаешь, ладошкой не прихлопнешь. Он ни кому в руки не дается. А вот если взять зеркало – тогда другое дело.
Зеркальцем поймать солнечные лучи ничего не стоит. Тут он становится послушным. Пустил зайчик на стенку, и он по твоему желанию будет бегать и прыгать. Весело играть с солнечным зайчиком.
Но пойманными солнечными лучами можно не только играть. Им можно поручать много разных нелегких и очень важных дел.
Есть одна история-легенда про солнечные лучи
Вот она. Было это давным-давно. По средиземному морю к скалистому острову Сицилия плыли военные корабли могучего государства древних римлян. Ветер играл в парусах, скрипели огромные, тяжелые весла. Наконец корабли подошли к белокаменным стенам Сиракуз – столицы Сицилии. На берег высадились отряды солдат, были выгружены тяжелые метательные машины, чтобы кидать через стены большие камни и метать огромные стрелы. Город был окружен. Мужественно сражались горожане, но силы были не равны. Все меньше защитников оставалось на городских стенах. И тогда военачальники обратились к своему знаменитому земляку, великому ученому Архимеду, и сказали: «О, мудрый, теперь только ты сможешь спасти город. Ты придумал немало удивительных машин, помогающих людям в труде. Придумай же такие, чтобы помогли нам в битве».
И ответил Архимед: «Пусть жены и сестры павших воинов возьмут их медно кованные щиты и принесут на стены. Но прежде следует начистить щиты до зеркального блеска».
Удивились военачальники причуде мудреца, однако безропотно объявили горожанам его волю.
И вот в назначенный час собрались сотни женщин со сверкающими щитами. Архимед повел их на стену и построил полумесяцем. Затем ученый указал на ближайший римский корабль, и вскоре его черные деревянные борта задымились. Потом показалось пламя, и через несколько минут в море полыхал огромный костер.
– Теперь направьте на другой корабль! – скомандовал Архимед. Спустя некоторое время с воплями заметались по палубе солдаты, матросы этого корабля. Не помня себя от ужаса, они стали прыгать в море. Потом задымил третий костер, четвертый, пятый. Те корабли, которых не настигли огненосные лучи, подняли якоря и попытались уйти в открытое море. Но ветра не было, неуклюжие тяжелые галеры сталкивались, проламывая друг другу борта, и тонули, закрывая выход из гавани остальным судам.
Могучий флот древних римлян был разгромлен, и долго еще волны прибивали к берегу обгоревшие обломки. Так гласит легенда.
Веками люди считали ее вымыслом. И верно – что могут сделать простые солнечные лучи? От него не то, что огня – заметного жара и то не получишь. Но совсем другое дело, если собрать десятки, сотни, тысячи солнечных лучей и все их направить в одну точку. Каждый лучик принесет и от. И тогда мгновенно вспыхнет и дерево, и уголь – словом, все, что может гореть, а то, что не может, – расплавится.
Потому-то сегодня в тех местах, где много солнца и редки пасмурные дни, все чаще появляются огромные зеркала. Издали они напоминают гигантские сказочные цветы. Эти зеркала тоже собирают все падающие на них солнечные лучи и посылают их в одну точку. В этом месте над чашей, так горячо, что если сюда поместить бак с водой, вода сразу же закипит. Очень удобно: насосы гонят к зеркальным солнечным ловушкам холодную воду, а вытекает и бежит по трубам в поселки горячая!
Можно накачивать в баки над солнечными ловушками соленую воду. Вода испарится, соль останется на дне, а пар охладившись в других баках, станет опять водой, но уже пресной, пригодной для питья, и для того, чтобы поливать сады и поля.
Можно такой «солнечный пар» и в работу запрячь – заставить крутить турбины и добывать электричество.
Солнечная электростанция работает неподалеку от столицы Узбекистана города Ташкента, где из 365 дней в году 300 – солнечных. Ей не надо ни угля, ни торфа, ни нефти. Ни тебе дыма, ни копоти. Очень чистая (для здоровья людей безвредная), очень выгодная электростанция – солнышко же бесплатное!
А еще зеркала – солнечные печи – могут сваривать самые тугоплавкие металлы.
Наденет сварщик темные очки, рукавицы, поднесет щипцами металлические детали к точке, в которой собираются вместе огражденные зеркальной чашей солнечные лучи, и тотчас засверкает металл, раскалится добела, а там и плавится, начнет. Соединит сварщик детали – готово. Крепко-накрепко приварились друг к другу. Остынут – никакой силой не оторвать.
Источник
Эксперимент во второй младшей группе «Солнечный зайчик»
Валерия Рябко
Эксперимент во второй младшей группе «Солнечный зайчик»
— расширять представления детей о явлениях природы;
— поддерживать интерес ребенка к приобретению опыта и знаний о явлениях окружающей среды;
— познакомить с естественным источником света – солнцем;
— познакомить с происхождением солнечных зайчиков, их движением, предметами, от которых они отражаются;
— развивать смекалку, любознательность
Материал: маленькие зеркала, солнечный свет.
Словарная работа: солнечный зайчик.
Ход эксперимента
1. Постановка исследовательской задачи.
Воспитатель: Ребята, сегодня мы с вами немного поиграем ы юных исследователей. А что мы будем исследовать – подскажет моя загадка.Вот послушайте:
Ты весь мир обогреваешь
И усталости не знаешь,
Улыбаешься в оконце,
А зовут тебя все. (СОЛНЦЕ)
Воспитатель: Правильно, ребята! Солнышко! Скажите, а где живёт солнце? (на небе, высоко) Скажите, какое наше солнышко? (ласковое, тёплое, жёлтое, весёлое и т. д.) К нам в гости, в садик, оно заходит? (да) Как солнышко заходит к нам в гости? (через окошко)
— Действительно, солнышко часто дарит нам свои озорные лучики. А ещё, юные исследователи,я вам открою большую тайну: солнышко умеет с нами играть. И вот что получается!
Я всегда со светом дружен.
Если солнышко в окне,
Я от зеркала, от лужи,
Пробегаю по стене.
2. Выполнение эксперимента.
Воспитатель. Зеркало отражает луч света, и само зеркало становится источником света. Пускать солнечные «зайчики» можно только в освещенном помещении (воспитатель демонстрирует появление солнечного «зайчика», сопровождая свои действия словами)
— Выбрав момент, когда солнце заглядывает в окно, поймаем с помощью зеркальца лучик. Посмотрите, как солнечный «зайчик» прыгает по стене, по потолку, со стены на диван. Попробуйте поймать убегающего «зайчика» (воспитатель показывает детям, как пускают солнечных «зайчиков»)
3. Уточнение правил безопасности.
Во время выполнения эксперимента детьми: аккуратно обращаться с зеркалами; крепко их держать.
4. Выполнение эксперимента детьми.
Дети пробуют пускать солнечных «зайчиков». Затем воспитатель показывает, как спрятать «зайчика» (прикрыть зеркало ладошкой). Дети пробуют спрятать «зайчика». Далее воспитатель предлагает детям поиграть с «зайчиком» в прятки и догонялки. Дети выясняют, что управлять «зайчиком», играть с ним трудно (даже от небольшого движения зеркала солнечный «зайчик» перемещается на стене на большое расстояние).
Воспитатель предлагает детям пустить «зайчиков» в помещении, где нет яркого солнечного света.
— Почему солнечные «зайчики» не появляются? (Нет яркого света).
5. Фиксирование результатов эксперимента.
Поместить картинку с изображением способа создания солнечного «зайчика».
Вывод: Солнечный «зайчик» появляется путем отражения света от блестящих поверхностей.
Конспект игры с детьми первой младшей группы «Солнечный зайчик» Задачи :учить детей понимать содержание произведения, включаться в игру по содержанию стихотворения. развивать мышление, способствовать.
Конспект занятия в средней группе детского сада «Солнечный зайчик» ЦЕЛИ: Учить детей логически мыслить. Формировать у них практические навыки ориентации в элементарном плане. Закреплять навык действия по.
Конспект занятия по рисованию в нетрадиционной технике во второй младшей группе «Зайчик-русак» Воспитатель: Муха С. Г. Цель: закрепление знаний и представлений детей об изменении окраса зайца в весенний период, освоение нетрадиционной.
Конспект НОД «Солнечный зайчик» для детей 4–5 лет по художественному конструированию в технологии оригами Цель: Закреплять и расширять представления детей о признаках весны, о явлениях природы: солнечный свет, солнечное тепло; побуждать детей.
Конспект ООД по краеведению во второй младшей группе «Зайчик из Томской писаницы» (лепка) Интегрирующая тема недели: «Животные в Томской писанице».Цель:Знакомить с обитателями леса Томской писаницы. Учить передавать в лепке образ.
Конспект занятия по рисованию в нетрадиционной технике во второй младшей группе «Зайчик-русак» Воспитатель: Муха С. Г. Цель: закрепление знаний и представлений детей об изменении окраса зайца в весенний период, освоение нетрадиционной.
Празднование юбилея детского сада «Солнечный зайчик» 30 октября 2015 года в детском саду «Солнечный зайчик» станицы Кировской состоялось празднование 55-летнего юбилея детского сада. На празднике.
Репортаж с традиционного празднования Дня Ивана Купала в детском саду «Солнечный зайчик» 07 июля, утро, 10-00. Участники празднования собрались на полянке перед «Пушкинским» Дубом, роль которого в нашем детском саду исполняет.
Сценарий досуга для детей младшей группы «Солнечный зайчик нас зовет играть» Развлечение для детей младшей группы «Солнечный зайчик нас зовет играть». Цель: Вызвать положительный эмоциональный отклик. Развитие познавательного.
Эксперимент по выращиванию лука во второй младшей группе ДОУ с целью формирования экологических представлений у воспитанников Актуальность. Большинство современных детей редко общается с природой. Экологическое образование начинается со знакомства с объектами ближайшего.
Источник