Луч от солнца через лупу

Исследовательская работа «Волшебное стекло — лупа».

Цель данного исследования — изучение вопроса о том, почему лучи солнца, проходя через лупу, выжигают дерево.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №6»

Корсаковского городского округа

Тема: «Волшебное стекло — лупа»

2. Основная теоретическая часть……………………………………………….4

2.1.Общее представление об увеличительном стекле……………………4

2.2. Принцип работы лупы………………………………………………. 6

2.3. Практическое значение лупы………………………………………….7

Однажды мы с папой искали специальный клей для склеивания деревянных поверхностей, и мое внимание привлекло увеличительное стекло в пластмассовом футляре. Это – лупа, сказал папа, и она обладает очень интересным свойством – с помощью этого предмета можно выжигать по дереву. Это меня очень заинтересовало, и я стала с помощью разных источников выяснять, что это за необычное стекло.

Цель исследования : изучение вопроса о том, почему лучи солнца, проходя через лупу, выжигают дерево.

1. Узнать, что такое лупа.
2. Сравнить выжигание лупой в пасмурный и солнечный день.
3. Выжечь свое имя.

Объект исследования: лупа.

Предмет исследования: прохождение лучей солнца через лупу.

1. Предположим, что лучи солнца, проходя через лупу, сходятся в одной точке, в которой собирается тепло всех этих лучей.
2. Допустим, что лупа нагревает лучи солнца.
3. Возможно, что мне попалась волшебная лупа.

Методы исследования : 1. Подбор и анализ литературы.

1. Основная теоретическая часть

2.1. Общее представление об увеличительном стекле

Папа рассказал мне историю из своего детства, что с помощью лупы он выжигал на дереве. Папа также сказал: «Осторожно! Если ты захочешь повторить мой эксперимент, то обязательно нужно надеть темные очки, чем темнее, тем лучше. Горячее пятно, которое образуется на древесине слишком яркое! Старайся не смотреть на саму точку, а где-то 3 см от нее, чтобы не повредить глаза».

Я сразу же захотела осуществить этот эксперимент прямо дома. Взяла дощечку и подошла к окну. Но мама сказала: «Солнечный свет не должен быть рассеянным, тюль на окне или дымка в небе является серьезным препятствием. Солнце должно быть достаточно высоко над землей – лучи горячее, то есть утро и вечер не подходят для выжигания, а также вряд ли получится выжечь в квартире, стоя у окна. Хотя бывают случаи, что оставленная на подоконнике бутылка с водой, которая приобретает свойства лупы, вызывала пожары».

Папа также вспомнил, что в одном из рассказов писателя Жуля Верна герои смогли добыть огонь с помощью отшлифованного куска льда. Это оказался рассказ «Путешествия капитана Гаттераса». [5; 158-160]. Я очень внимательно перечитала этот фрагмент.

Конечно же, я уже и сама имела представление об увеличительном стекле и наблюдала некоторые факты с ним связанные:

1. У лупы много общего с каплей воды: они прозрачные, выпуклой формы и увеличивают предметы. (Приложение № 1).

1. Я знаю, что туристы добывают огонь с помощью выпуклого стекла. (Приложение № 2).

3. Увеличительное стекло также может быть встроено в микроскоп. (Приложение № 3).

Но этих знаний явно не достаточно, чтобы понять, что является причиной выжигания с помощью лупы? Поэтому я обратилась к источникам научных знаний:

В энциклопедии написано, что «Лупа — самый простой увеличительный прибор. Главная его часть — увеличительное стекло, выпуклое с двух сторон и вставленное в оправу. С помощью лупы мы видим изображение предмета, увеличенное от 2 до 25 раз». [4]

В учебнике биологии определение лупы звучит так: «Лупа – это круглый кусочек прозрачного стеклянного материала, утолщенный в середине и тонкий по краям». [1]

Так, как же лупа все-таки может выжечь дерево?

Источник

Можно ли добыть огонь с помощью лунного света и лупы?

На первый взгляд вопрос кажется довольно простым.

Лупа собирает свет в крохотном пятнышке. Любой шкодник скажет, что для розжига хватит увеличительного стекла размером с крышечку от газировки. Слегка погуглив, мы узнаем: Солнце ярче Луны в 400 000 раз. Следовательно, нам нужно стекло площадью примерно так с 400 000 крышечек. Да?

Нет. На самом деле, лунным светом пламя не разжечь, и размер линзы здесь не поможет. Причины тому весьма неочевидны. Объяснение потребует привести много справедливых доводов, звучащих как выдумки, и заманит в кроличью нору оптических эффектов.

Для начала озвучим эмпирическое правило: линзы и зеркала не могут сделать объект теплее, чем поверхность источника света. Так что раскалить что-то выше температуры поверхности Солнца, используя солнечный свет, не получится.

Оптика предлагает массу способов доказать это утверждение, но проще — хотя и скучнее — обратиться к термодинамике:

Линзы и зеркала работают «бесплатно», не потребляя энергии. Если солнечное тепло передается системой линз и зеркал к точке на Земле, разогревая ее сильнее Солнца, получается, что тепловой поток идет из холодного места в теплое без затрат энергии. Согласно второму постулату термодинамики такого быть не может, в противном случае мы могли бы построить вечный двигатель.

Температура Солнца порядка 5 000 °C, поэтому нельзя солнечным светом и линзами нагреть что-либо свыше 5 000 °C. На дневной стороне Луны чуть больше 100 °C, так что, сфокусировав лунный свет, больше сотни градусов не получишь. А этого слишком мало, чтобы поджечь большинство материалов.

«Стоп! — скажете вы. — Свет Луны совсем не похож на солнечный. Солнце — абсолютно черное тело: оно светится из-за своей высокой температуры. Луна же отражает солнечный свет с „температурой“ в тысячи градусов. Приведенный довод некорректен!»

Оказывается, он все же корректен — по причинам, которые будут озвучены далее. Но постойте — работает ли этот довод в случае с Солнцем? Конечно, трудно спорить с законом термодинамики, но с ним сложно и согласиться, если вы подкованы в физике и привыкли мыслить в терминах потоков энергии. Почему нельзя нагреть точку, сфокусировав в ней много солнечного света? Линзы же могут собирать излучение в маленькую точку, так? Почему же нельзя собирать в одной точке все больше и больше энергии Солнца? В нашем распоряжении свыше 1026 ватт — любая температура нам по плечу, так ведь?

Вот только линзы не фокусируют свет в точке, разве что источник — тоже точка. Они фокусируют его на площади — уменьшенном изображении Солнца. Важная разница. И вот почему:

Эта линза направляет весь свет из точки A в C. Если б линза могла собрать свет Солнца в точку, она направляла бы свет также и из точки B в C:

Теперь у нас проблема. Что, если свет отразится из точки C назад, к линзе? Оптические системы нечувствительны к направлению луча — свет должен вернуться в ту точку, из которой пришел. Но как линза поймет, где был порожден этот луч: в A или B?

Общий принцип здесь такой: невозможно «скрестить» лучи света системой линз, поскольку ход лучей не должен зависеть от направления. Так что «уплотнить» свет не получится и существует ограничение на то, сколько света можно передать от источника к приемнику.

Ладно, перекрестить лучи света нельзя. Быть может, у нас получится как бы собрать их, чтобы вместить побольше бок о бок? Можно направить в цель такую «связку», собрав в нее лучи, падающие под разными углами.

Нет, так не получится.

Оказывается, любая оптическая система подчиняется закону conservation of étendue (закону сохранения фактора пучка излучения). Он гласит: если свет входит в систему с различных углов через некую входную область, то произведение площади входной области на входной угол равно произведению выходной площади на выходной угол. Если свет собирается в небольшую выходную область, то он должен «развернуться» по бо́льшему выходному углу.

Другими словами, «собранные» лучи света становятся менее параллельны — вы не сможете направить их вместе в некую дальнюю точку.

Это свойство линз можно описать и так: они могут заставить источники света занимать больше места на небосклоне, но не могут заставить отдельно взятую точку светить ярче. Можно доказать, что увеличение яркости света из заданного источника нарушает закон сохранения étendue. Другими словами, система линз может лишь связать каждое направление взгляда с некоторой точкой на поверхности источника света, как если бы этот источник окружил вас. https://chtoes.li/uploads/145-fire-from-moonlight/linesight_.

Если вас «окружает» поверхностная материя Солнца, вы, по сути, плаваете внутри Солнца и быстро нагреетесь до его температуры.

Если вас окружит дневная поверхность Луны, до какой температуры вы разогреетесь? Возьмем лунные камни: их температура достигает той, что мы привели для поверхности Луны (ведь они, собственно, и есть поверхность Луны). Так что система линз, которая фокусирует лунный свет, не нагреет ничего сильнее камешка, уютно устроившегося на лунной поверхности.

Это дает нам еще одно доказательство, что зажечь огонь с помощью лунного света невозможно: Базз Олдрин еще жив.

Источник

Как развести огонь с помощью лупы, а также линзы из презерватива, бутылки или льда?

Разведение огня лупой настолько удобно и просто, что зачастую этот способ более предпочтителен, чем использование спичек.

Разведение огня с помощью лупы основано на том, что солнечные лучи и тепловая энергия, которую они несут, благодаря преломлению света стенками линзы концентрируются в одной точке. Если в этой точке поместить легковоспламеняемый трут, он быстро нагреется и начнет тлеть. После этого разжечь костер будет лишь делом техники.

Используя этот принцип, можно добыть огонь практически любым предметом, способным выполнять роль линзы. Так можно разжечь костер презервативом, стеклами от очков, увеличительным стеклом, куском льда и даже донышком от стеклянной бутылки.

Нужно отметить, что получить линзовый огонь можно только с помощью собирающих линз, у которых центральная часть толще периферийной. Рассеивающие линзы для этого не пригодны.

В общем же при наличии лупы или другой линзы такой способ разведения огня можно считать одним из наиболее предпочтительных из всех, для которых не требуется применения спичек или зажигалки. Он прост, не требует больших физических усилий и расхода каких бы то ни было невозобновляемых запасов у туриста, достаточно быстр. Нельзя его реализовать только ночью или в пасмурную погоду, когда на небе нет солнца. Поэтому иметь при себе линзу в походе в любом случае будет полезно. Но даже если специальной линзы для разжигания огня нет, её можно сделать из многих подручных материалов.

Давайте рассмотрим некоторые способы получения огня, основанные на описанном принципе.

Разведение огня с помощью линзы

В туристском походе линзу для огня можно извлечь из имеющегося в наличии снаряжения. Для этого подходят лупа, очки, бинокль или фотоаппарат.

В некоторых моделях планшетных компасов также предусмотрена линза. На старых пластмассовых линейках, на некоторых книжных закладках и даже на заднем стекле автомобиля иногда можно найти так называемую линзу Френеля, представляющую собой плоскую пластмассовую линзу, состоящую как бы из фрагментов одной целой линзы. Она тоже вполне пригодна для разжигания огня.

Для разведения огня линзу из такого компаса даже не нужно вынимать — её достаточно просто повернуть так, чтобы сфокусировать лучи на труте.

Чем больше будет диаметр линзы, тем соответственно будет больше ее площадь, а значит и эффект будет от такой линзы тоже больше.

Для того, чтобы разжечь огонь с помощью линзы, необходимо следовать следующему алгоритму:

1. Заготавливается растопка.
2. Делается трут.
3. Линза располагается между солнцем и трутом перпендикулярно солнечным лучам.
4. Подбирается нужное расстояние от линзы до трута, при котором все солнечные лучи, проходящие через линзу, сконцентрируются в одной точке на труте. В этот момент произойдет нагревание трута и начало тления.
5. Тлеющий трут раздувается и переносится в растопку.
6. Растопка раздувается до появления огня.

Этот метод является самым простым и эффективным. Я бы рекомендовал использовать его в солнечные дни для экономии спичек. В общем он реализуется так:

Далее я расскажу, как изготовить линзу из подручных средств, когда под рукой не оказалось ее в готовом варианте.

Линза из презерватива

Презерватив — вообще очень полезная вещь в туристской аптечке. Его можно использовать как по прямому назначению, так и для множества других целей (это и герметичный чехол на мобильный телефон, и емкость для переноса воды, и средство для защиты повязок от намокания, и многое другое), при том, что места он практически не занимает, веса почти не имеет и за исключением нескольких задач (по понятным причинам) вполне может применяться многократно. Именно поэтому я рекомендую брать с собой в поход минимум 2–3 презерватива.

Я также использовал резину презерватива в качестве растопки, намотав на небольшую палочку. Горит такая «спичка» недолго, но все же дольше обычной и кроме прочего не боится влаги.

Презервативы отличаются толщиной стенок. Бывают тонкие, средней толщины и ультрапрочные с максимальной толщиной стенок. Я рекомендую брать последние — они более надежные.

Чтобы разжечь костер презервативом, нужно сделать из него линзу по следующему алгоритму:

1. Презерватив аккуратно распечатывается.
2. В него заливается вода (обычно хватает 1,5 литра). Для этого презерватив надевается на горлышко ПЭТ бутылки, и вода из бутылки с силой выдавливается в презерватив. Если бутылки нет, можно попробовать оттянуть нижний край презерватива вниз, заливая в него воду. Вода для этого нужна температуры окружающей среды: холодная вода будет способствовать запотеванию и снижению эффективности будущей линзы.
3. Презерватив завязывается либо на обычный узел, либо на бегущий простой узел в петлю которого вставляется небольшая палочка, чтобы узел не развязался. Все — линза готова.

При использовании полного презерватива в качестве линзы его стоит подвесить на что-то, поскольку в руках он постоянно будет менять форму, из-за чего нагревающий луч будет двигаться и эффективность его снизится.

1. Получать тлеющие угли таким способом стоит в стороне от растопки, чтобы случайно порвавшийся презерватив не замочил ее.
2. При вскрытии презерватива нежелательно пользоваться острыми предметами, чтобы не повредить целостность изделия.
3. Презервативы следует правильно хранить, не допуская сильного нагрева и охлаждения, отчего резина быстро теряет свои эластичные свойства и приходит в негодность.

Вообще, презерватив, однажды использованный для разведения огня, полезно хранить для этих целей на протяжении всего похода. Он уже растянут, для некоторых других целей непригоден, но зажечь костер им ещё несколько раз вполне получится. И не придется расходовать для этого другие презервативы.

Весь процесс разведения огня презервативом показан на видео:

Линза из ПЭТ бутылки

Обычно в ПЭТ бутылках туристы переносят воду. Такая тара не бьется, в пустом состоянии может быть сжата для меньшего объема, занимаемого в рюкзаке. ПЭТ бутылки могут быть использованы в качестве грелки или холодного компресса, из них можно сделать ленту для связывания чего-либо, прозрачные очки для защиты глаз от песка и пыли, изготовить ловушку для рыб или плавательное средство, в них можно обеззаразить или вскипятить воду. Другими словами, это многофункциональная вещь, которая кроме прочего может быть использована для разведения огня.

Но не все ПЭТ бутылки пригодны для этого способа. Так, не стоит использовать:

• Темные бутылки. Они плохо пропускают солнечные лучи, снижая эффективность линзы.
• Потертые и деформированные бутылки. Их шероховатая неровная поверхность отрицательно скажется на эффективности линзы из-за рассеивания проходящего через линзу света. Именно поэтому для этого способа скорее всего не подойдет бутылка, случайно найденная среди мусора.
• Бутылки малого объема (до 0,75 л). Из них получаются небольшие маломощные линзы.
• Бутылки с узорами и изображениями, сделанными на пластмассе. Линза, сделанная из такой бутылки, вряд ли сможет сконцентрировать проходящие через нее лучи в один пучок.

Для розжига огня с помощью бутылки следует выполнить следующие действия:

1. В бутылку наливается чистая вода либо берется не использованная полная бутылка.
2. Бутылка очищается от наклейки и остатков клея.
3. Бутылка переворачивается вверх дном и упирается пробкой в грунт.
4. Путем поворота бутылки вокруг своей оси, изменения наклона и расстояния до растопки подбирается положение, при котором трут начинает тлеть.

Этот способ хорошо работает в средних широтах в летнее время. Весной и осенью развести огонь этим методом все же возможно, однако могут возникнуть трудности.

О том, как реализовать этот способ, я снял отдельное видео:

Линза из донышка стеклянной бутылки

Стеклянные бутылки, хоть и нечасто, но все же встречаются даже в дикой природе среди прочего мусора. Отделенное от остальной части бутылки донышко само по себе является линзой. Однако эффективное использование его для разведения огня возможно только в низких широтах. В средних широтах есть смысл изготовить линзу из двух таких донышек.

Алгоритм изготовления линзы из двух бутылок следующий:

1. От бутылки отбивается горлышко и средняя часть. То же самое проделывается со второй бутылкой.
2. Берутся две тонкие соломинки и отламываются так, чтобы через них мог пройти воздух.
3. Со ствола сосны собирается вязкая смола и размягчается разминанием.
4. Оба донышка прислоняются одно к другому, а между ними вставляются соломинки.
5. Смолой покрывается щель между донышками.
6. Через одну из соломинок в полость между донышками ртом впрыскивается чистая вода (вторая соломинка нужна для выхода воздуха).
7. Соломинки удаляются, а отверстия после них покрываются смолой — получается линза.

Ниже показано, как реализовать этот способ в северном лесу:

Данный способ достаточно трудоемкий и сложный в исполнении. Кроме того, такая линза очень ненадежна и может разломаться на две части при неосторожном движении.

Линза изо льда

Это, пожалуй, самый трудоемкий способ из всех описанных и требует наличия прозрачного льда и инструмента для его обработки.

Алгоритм действий такой:

1. Выдалбливается лед круглой формы не менее 40 см в диаметре. При меньшем диаметре добыть огонь будет сложнее.
2. Отбивается все лишнее до образования линзы.
3. Поверхность полируется ножом и руками.

В видео ниже видно, как много усилий нужно приложить для реализации данного способа:

Этот способ сложен и, как по мне, доступен далеко не каждому. Если рядом есть дрова для костра, лучше попробовать разведение огня трением — заодно можно и согреться. Но и это лишь в том случае, если нет возможности сделать огонь более простыми методами.

Разведение огня с помощью вогнутого зеркала

Вогнутое зеркало, как и выпуклое стекло (линза, лупа), может концентрировать солнечную энергию в одной точке, заставляя тлеть трут.

Как и в случае с линзой, чем больше и чище зеркало, тем лучше. Именно в этом случае больше солнечной энергии будет собрано в одну точку и даст более высокую температуру.

В походе вогнутое зеркало можно найти в аптечке. Обычно это двустороннее зеркало, одна часть которого ровная, а другая вогнутая. Такое зеркало кладут для проведения гигиенических процедур с лицом и самостоятельного устранения инородного предмета, попавшего в глаз. В некоторых ситуациях с помощью такого зеркала можно подавать сигналы помощи пролетающим мимо самолетам.

Отражатель фонарика или автомобильной фары также представляет собой вогнутое зеркало. Дно газового баллона, который берут в поход для приготовления еды на горелке, также с легкостью может быть использовано в качестве зеркала для розжига костра. Вогнутая часть половника тоже неплохо справляется с этой задачей.

Для разведения огня вогнутым зеркалом необходимо следующее:

1. Зеркало, как и линза, располагается перпендикулярно солнечным лучам для максимального эффекта.
2. Трут крепится на тонкой «ножке», чтобы сильно не заслонять зеркало от солнечных лучей. Для этого можно взять проволоку, нитку либо соломинку, в изгибе которой зажать трут.
3. Растопка располагается между солнцем и зеркалом: именно тут солнечные лучи собираются в пучок, обеспечивая максимальный нагрев.
4. Производится поиск оптимального расстояния от зеркала до растопки, на котором пучок солнечных лучей будет наименьшим — трут начинает тлеть.
5. Трут переносится в растопку и раздувается до появления огня.

Пример такого разведения огня показан в видео ниже — здесь в качестве вогнутого зеркала используется отражатель от фонарика:

Разжигание огня с помощью линзы или вогнутого зеркала, как по мне, — один из лучших способов в весенне-летний период, хотя в некоторых случаях такими способами с легкостью удается добыть огонь и зимой. Метод разведения костра от солнца бережет спички, которые могут понадобиться в трудную минуту, когда на небе не будет солнца и не будет времени на применение других нестандартных методов получения огня.

Узнайте также:

Интересное видео: Самодельная линза, прожигающая фанеру, из подручных материалов

Источник