# физика | Видимая и невидимая энергия Солнца
Солнечная инженерия является одним из направлений, над которым работают ученые. Состоит она в создании структур и процессов, позволяющих улавливать солнечную энергию, а затем использовать ее для нужд человеческой цивилизации. Солнечная энергия — это энергия, излучаемая светилом, вокруг которого вращается наша Земля. Сегодня мы узнаем о свойствах видимой и невидимой солнечной радиации и даже научимся «заваривать» чай с ее помощью.
Зримый и незримый свет
Поверхности Земли достигает преимущественно инфракрасная и ультрафиолетовая радиация, а также видимый свет. Инфракрасная радиация является невидимой для человека энергией излучения, которую кожа человека ощущает как тепло. Ее часто называют тепловыми волнами. Ультрафиолетовая радиация тоже невидима человеку. Кожа загорает под воздействием этой энергии, но ее излишек может быть вреден.
Видимый свет — это единственный тип энергии излучения, который способен различить человеческий глаз. Разные типы видимого света располагаются в порядке, определяемом своим энергетическим уровнем, формируют видимый спектр. Цвета видимого спектра располагаются в порядке от самого слабого до самого сильного: красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, индиго и фиолетовый.
Энергия излучения может впитываться материалами, отражаться от них или проходить через них в зависимости от того, является ли материал прозрачным, полупрозрачным или непрозрачным.
Сквозь прозрачный материал, например, сквозь стекла очков, видимый свет проходит легко. Материал, позволяющий энергии излучения проходить через него, но рассеивающий его в разных направлениях, называют полупрозрачным. Примером такого материала может служить покрытое изморозью стекло. Если смотреть сквозь него, то все предметы будут размытыми.
Через непрозрачные материалы энергия излучения проходить не может. Впрочем, тот или иной материал является «непрозрачным» лишь для определенного типа энергии излучения, поэтому данное определение довольно относительно. К примеру, вы не можете видеть сквозь книгу. Это значит, что книга непрозрачна для видимого света.
Предметы могут быть прозрачными для одного типа энергии излучения и непрозрачными для другого. Например, стекло прозрачно для видимого и ультрафиолетового света, но непрозрачно для инфракрасной радиации.
В повседневной речи категория прозрачности применяется исключительно к видимому свету. Непрозрачные материалы могут либо впитывать, либо отражать энергию излучения, либо частично делать и то и другое. Это зависит от покрытия материала и нанесенной на него краски. Материалы с темным, тусклым и неровным покрытием впитывают больше энергии. Светлые, яркие и ровные предметы в большей степени отражают энергию.
Через чистое оконное стекло поступает больше света. Впитанный в материал видимый свет заставляет частицы двигаться быстрее и тем самым повышает температуру материала. Работающие над солнечными технологиями инженеры изучают особенности реакции тех или иных материалов на солнечную радиацию, чтобы затем использовать соответствующие задачам материалы в структурах, улавливающих солнечную энергию и позволяющих ее в дальнейшем использовать для обогрева и выработки электричества.
Оборудование и материалы
1 мерный 250-миллилитровый стакан; холодная вода из-под крана; 2 одинаковые стеклянные литровые банки с крышками; 2 чайных пакетика; алюминиевая фольга.
Ход эксперимента
Влейте по 250 миллилитров холодной воды в каждую из банок. Поместите в каждую из них по чайному пакетику. Закройте обе банки крышками. Оберните одну из банок алюминиевой фольгой, оставив необернутой только крышку. Обе банки поставьте под прямой солнечный свет. Спустя 15 минут осторожно встряхните каждую банку для того, чтобы сделать их содержимое однородным. Снимите с банок крышки. Освободите обернутую банку от алюминиевой фольги. А теперь сравните цвет «заварки».
«Чай» в обернутой фольгой банке будет лишь слегка коричневатым. В банке, которая оставалась прозрачной и открытой солнечным лучам, цвет «заварки» будет значительно темнее.
Почему так произошло?
В пакетиках содержатся небольшие кусочки чайных листов, содержащих коричневые частицы, которые быстрее растворяются в теплой воде, чем в холодной. Чем больше этих частиц растворилось, тем темнее «заварка».
Стекло непрозрачно для инфракрасной радиации (тепловых волн), но прозрачно для видимого света. Вода нагревается, впитывая проходящий через нее видимый свет. Чем теплее вода, тем быстрее коричневые частицы растворятся в ней. Алюминиевая фольга непрозрачна для видимого света и, следовательно, он не проникает в обернутую ею банку. Вода в этой банке холоднее и частицы растворяются в ней медленно. В итоге цвет «заварки» светлее.
Чай особенно актуален в свете того, что кофе, любимый напиток миллионов, может стать редкостью.
Источник
Исследовательское занятие на тему «Свет. Прозрачные и непрозрачные предметы»
Свет. Прозрачные и не прозрачные предметы.
Цель : провести исследование и выяснить: все ли предметы пропускают свет.
— познакомить детей с профессором Познайкиным;
-узнать правила поведения и безопасности на исследовательских занятиях;
-вовлечь в активную познавательную деятельность;
-развить навыки исследовательской деятельности: учиться выдвигать гипотезы, предположения и подтверждать их опытным путем;
-формировать умение самостоятельно проводить опыты, размышлять, обобщать результаты;
-познакомить со свойствами света: есть предметы пропускающие свет (прозрачные) и есть предметы не пропускающие свет (не прозрачные).
-развивать у детей наблюдательность, изобретательность, познавательную активность в процессе экспериментирования;
-активизировать и обогащать словарный запас и умение отвечать полным ответом;
-прививать бережное отношение к природе;
-развивать социальные навыки: умение работать в группе, учитывать мнение партнера, отстаивать собственное мнение, доказывать свою точку зрения;
-воспитывать аккуратность при исследовательской работе, осторожность, соблюдение правил безопасности.
— Костюм профессора Познайкина;
-коробка (можно использовать большую коробку для обуви, в ней есть удобное отверстие);
-листы бумаги, тетрадь;
— прозрачное белое стекло (банка);
— прозрачное цветное стекло (ваза);
-Здравствуйте ребята! Давайте с вами познакомимся. Разрешите представиться – Профессор Познайкин. А вы – ребята студии «Умка», я вас знаю. Знаю, что вы любознательные, активные и умные, и пришел я к вам не случайно. Мне срочно нужны помощники – младшие научные сотрудники. Вы знаете, кто такие – научные сотрудники? (ответы детей) Это люди, которые занимаются разными науками и помогают профессорам и ученым делать новые открытия, проводить опыты и эксперименты, разные исследования и изобретения. Хотите стать моими младшими научными сотрудниками? (да!)
— Я очень рад! Тогда мне нужно рассказать вам несколько правил, без которых нельзя быть настоящим ученым.
-соблюдать порядок и дисциплину; (не шуметь, не толкаться, не торопиться)
— внимательно слушать друг друга и не перебивать собеседника;
-аккуратно относиться к предметам исследования;
-соблюдать правила безопасности при использовании разных предметов при исследовании.
-Вы можете соблюдать эти правила? (да) Тогда я, Профессор Познайкин приглашаю вас в свою исследовательскую лабораторию. Торжественно вручаю вам специальную форму и предлагаю приступить к работе. (Дети получают фартуки, нарукавники и шапочки, примеряют их и рассаживаются на лавочки)
— Младшие научные сотрудники, нам с вами нужно выяснить, что находится в этой коробке. Как это можно сделать?
— Открыть коробку и посмотреть.
-Правильно, открыть или заглянуть в коробку. Я предлагаю вам заглянуть в коробку через специальную прорезь. (дети по очереди заглядывают в коробку через прорезь и в ней ничего невидно, темно)
-Удалось нам с вами увидеть содержимое коробки?
-В коробке темно, и ничего разглядеть нельзя.
-Что нам нужно сделать, что бы разглядеть содержимое коробки не поднимая ее?
-Открыть крышку, посветить фонариком.
-Давайте проведем исследование, что случится, если посветить фонариком в отверстие коробки? Можно ли будет увидеть её содержимое? (дети по очереди светят фонариком в коробку и рассматривают, что в ней спрятано)
-Что нам помогло рассмотреть содержимое коробки?
-Почему нам ничего не было видно в коробке без дополнительного источника света, ведь в кабинете светло?
-Стенки коробки не пропускают свет внутрь.
-Можем ли мы с вами проверить предположение, что стенки коробки не пропускают свет с помощью другого эксперимента?
-Как это сделать?
-Поместить фонарик внутрь коробки.
-Давайте попробуем. (Положить включённый фонарик в коробку и закрыть её, убедится, что света фонарика не видно снаружи, можно даже выключить свет в кабинете, открыть коробку еще раз и посмотреть, что фонарик включен и стенки коробки не пропускают свет)
-Нам было видно свет фонарика?
-Что нам показал это эксперимент?
-Показал, что стенки коробки не пропускают свет ни внутри ни снаружи.
-Значит какой мы сделаем вывод?
-Стенки коробки не пропускают свет, они не прозрачные.
-Давайте попробуем поместить фонарик в другие предметы и понаблюдаем, что будет происходить. Все ли предметы не пропускают свет? (Поместим фонарик в стеклянную банку.)
— Посмотрите, что мы сейчас можем сказать о прозрачности?
-Банка прозрачна, она пропускает свет.
-Правильно, какие еще есть прозрачные предметы пропускающие свет?
-Окно, стекло, пленка, и т.д.
-Как мы можем проверить прозрачность предметов?
-Посветить через них лучом света.
-Давайте проведем исследование и выявим прозрачные и не прозрачные предметы окружающие нас. (Дети могут самостоятельно выбрать предмет и провести эксперимент с ним)
-Давайте проверим, пропускает ли свет ваша учебная тетрадь? (светим фонариком через тетрадь)
-Пропускает свет? (нет) Тетрадь не прозрачная. А что будет, если мы попробуем просветить 1 тетрадный лист, как вы думаете? (ответы детей)
-Тогда давайте проведем эксперимент, возьмем тетрадный лист и посветим фонариком через него. Что вы можете сказать, прозрачный лист бумаги или нет?
-Лист тетради сам не прозрачный, но яркий свет пропускает, потому, что тонкий.
— Сейчас самое время немного размяться, даже для самых важных ученых разминку никто не отменял! (фискультминутка)
Приступаем. Для начала
Только корпусом вращаем.
Все знакомые движенья. (Вращение туловищем вправо и влево.)
Разминаем наши плечи,
Руки двигаем навстречу:
Вверх летит одна рука,
А другая вниз пока. (Одна рука вверх, другая вниз, рывками руки меняются.)
Корпус влево поверни.
И руками помогай,
Поясницу разминай. (Повороты туловища в стороны.)
А теперь прыжки у нас.
Дружно скачет целый класс.
За прыжком — ещё прыжок,
Прыг да скок, прыг да скок. (Прыжки.)
-Молодцы! Передохнули и снова к нашим исследованиям.
— Какого цвета был свет, когда мы светили фонариком на стеклянную банку?
-А как вы думаете, изменится ли цвет света, если мы посветим на цветную вазу? (ответы детей)
-Давайте проведем еще один эксперимент, и узнаем, изменит ли цвет луч света, преломленный цветной стеклянной вазой? (светим фонариком через вазу из цветного стекла и получаем свет того цвета, в который окрашена ваза.)
-Что мы с вами видим? Свет приобрел цвет того прозрачного предмета, через который он прошел, в нашем случае свет стал розовым, потому, что ваза сделана из розового стекла. Какой мы сделаем вывод?
-Свет приобретает цвет того предмета, через который просвечивает.
(такой же эксперимент можно провести с пластиковыми бутылками разных цветов)
-А сейчас отгадайте загадку:
Если солнце заслоняется,
Она сразу появляется.
Нам она несёт прохладу,
В ней мы все укрыться рады
В очень жаркий летний день
Потому, что это . ТЕНЬ.
— Подумайте и скажите, как появляется тень?
-Тень появляется, когда свет попадает на непрозрачные предметы и свет не может проникнуть и появляется тень.
— А мы с вами сможем сами сделать тень? Как?
-Направить луч света на непрозрачный предмет и получится тень. Давайте попробуем её сделать сами. Возьмем фонарик и нашу тетрадь, направим луч света на тетрадь и поставим свою руку между фонариком и тетрадью, вот и тень, и двигаться она будет вслед за вашими движениями, так можно устроить театр теней. Я научу вас показывать собачку.
-Молодцы помощники! Теперь выключаем фонарики и убираем тетради. Наша исследовательская лаборатория заканчивает на сегодня свою работу.
Что вы сегодня узнали о свете?
— Свет может просвечивать некоторые предметы, а некоторые нет, поэтому есть прозрачные и не прозрачные предметы. Еще свет может менять свой цвет в зависимости от того, какого цвета просвечиваемый предмет. И не прозрачные предметы отбрасывают тень.
-Вот сколько нового мы сегодня узнали и проверили опытным путем. Вам было интересно? (да) Понравилось быть моими помощниками- младшими научными сотрудниками?(да) Дома с мамой и папой вы сможете провести несколько экспериментов и найти еще прозрачные и непрозрачные предметы. Придете еще в мою лабораторию? (да) Тогда, до новых встреч, юные исследователи!
Источник
Почему предметы бывают прозрачными?
Отвечает Георгий Юрьевич Шахгильдян, кандидат химических наук, лектор культурно-просветительского проекта «Архэ».
Мы привыкли, что через окно можно посмотреть на улицу или во двор, а вот через стены и двери мы видеть не можем. Если они, конечно, не прозрачные. А что вообще значит «прозрачные»? Вопрос кажется наивным: материал прозрачный, если он способен пропускать через себя свет. Все мы с легкостью назовем прозрачные материалы: стекла, кристаллы, пластики. И еще проще назвать непрозрачные — все остальные. Вроде бы все просто: если мы видим через материал, то он прозрачный, если не видим, то непрозрачный.
Но давайте будем более точными в определениях. Что такое свет? Свет солнца, лампы или экрана телефона — все это часть электромагнитного излучения (ЭМИ). ЭМИ представляет собой распространяющееся изменение состояние электромагнитного поля, которое характеризуют различными показателями: длиной волны, частотой, энергией фотонов (квантов ЭМИ). В соответствии с этими показателями все ЭМИ условно делят на диапазоны: от «жесткого» гамма- и рентгеновского излучения к ультрафиолету (УФ), видимому, инфракрасному (ИК) и до радиоволн.
Практически со всеми видами ЭМИ мы сталкиваемся каждый день: в кабинете рентгенолога — с рентгеновским, греясь на солнце — с ультрафиолетовым, рядом с обогревателем — с инфракрасным, говоря по телефону или слушая радио — с радиоволнами. И, конечно же, мы непрерывно ощущаем видимое излучение — область ЭМИ, на прием которого «настроены» наши глаза. Вне зависимости от названия диапазонов разные виды излучения являются волнами и одновременно потоками квазичастиц — фотонов, которые непрерывно бомбардируют все и вся вокруг нас.
Свет может быть разный. Отсюда логично сделать вывод, что и прозрачность тоже может быть разной, в зависимости от того, о каком свете идет речь
Теперь давайте по-новому посмотрим на привычные нам прозрачные материалы, например на стекло. Для видимого диапазона ЭМИ стекло прозрачно, свет проходит через стекло, и мы отлично все видим сквозь этот материал. Однако для других диапазонов ЭМИ стекло перестает быть прозрачным материалом. Задумайтесь, можете ли вы загореть, сидя в солнечный день возле закрытого окна, сделанного из обычного стекла? Нет, и причина в том, что обычное (натрий-кальций-силикатное) стекло не пропускает излучение УФ-диапазона.
А если кто-то будет следить за вами в тепловизор (как в фильме «Хищник»), то вы сможете легко скрыться от наблюдателя, просто находясь за стеклом. Опять же потому, что стекло не прозрачно для большей части излучения ИК-диапазона, в котором человеческое тело излучает тепло и на которое настроены детекторы тепловизоров. Так одно и то же стекло может быть и прозрачным, и непрозрачным в зависимости от того, какое излучение через него проходит. Этот вывод распространяется и на другие известные нам прозрачные материалы: ведь то, что мы видим глазами, — лишь малая часть ЭМИ.
Теперь мы можем ответить на вопрос, который вынесли в начало текста: почему предметы бывают прозрачными? Если отвечать кратко и поверхностно, то потому, что эти предметы не поглощают ЭМИ. Причину прозрачности мы рассмотрим на заведомо упрощенных частных примерах.
Все твердые тела можно условно классифицировать в зависимости от их электронного строения на три типа: проводники, полупроводники и диэлектрики
Эта классификация находится в рамках зонной теории, которая вводит понятия энергетических зон: валентной, запрещенной и зоны проводимости. Стекла являются типичными диэлектриками. «Ширина» их запрещенной зоны (выраженная в энергии в электронвольтах) велика, и электроны из валентной зоны при обычных условиях никак не могут попасть в зону проводимости (кстати, именно поэтому стекло не проводит электрический ток).
Однако, когда мы облучаем наше стекло светом (то есть ЭМИ), падающие фотоны начинают взаимодействовать с электронами валентной зоны стекла. В упрощенном случае такое взаимодействие может быть выражено в том, что электрон поглотит энергию фотона, возбудится и перейдет в зону проводимости, после чего релаксирует («спустится») обратно в валентную зону. Однако для такого поглощения фотона электроном необходимо, чтобы фотон обладал энергией большей, чем ширина запрещенной зоны. В противном случае подобного поглощения не произойдет. Это наглядно демонстрируется при сравнении прозрачности стекла для видимого и УФ-излучения.
Энергия фотонов видимого излучения меньше, чем ширина запрещенной зоны стекол (или других прозрачных материалов). Поэтому они не поглощаются электронами материала и видимый свет проходит через стекло, делая его прозрачным. В то же время энергия фотонов УФ-излучения больше, чем ширина запрещенной зоны. Происходит поглощение энергии фотонов и возбуждение электронов, и стекло становится непрозрачным для УФ-излучения.
Необходимо отметить, что есть стекла, прозрачные в ультрафиолете (до определенного предела), например кварцевые, состоящие из чистого SiO2. Их структура такова, что ширина запрещенной зоны превышает энергию фотонов УФ-излучения.
В то же время есть много прозрачных, но окрашенных стекол — это результат химической технологии стекла. В состав стекол вводят ионы или наночастицы, которые взаимодействуют с фотонами видимого света с определенной энергией. В результате происходит поглощение света на определенной длине волны, что выражается в видимой нами окраске стекла. Также есть стекла, прозрачные только в УФ-диапазоне и непрозрачные в видимом диапазоне ЭМИ. В их состав введены красители, которые поглощают все фотоны видимого света. При этом ширина запрещенной зоны такого стекла достаточна для прохождения фотонов УФ-диапазона (стекла марки УФС).
Более того, прозрачными могут быть не только привычные нам диэлектрики, но и материалы, которые на первый взгляд совсем непрозрачны в видимом диапазоне. Пример тому — оптическая керамика, которая, как и обычная керамика, представляет собой спеченные частицы кристаллической фазы. Любая керамика является типичным диэлектриком и удовлетворяет требованиям ширины запрещенной зоны: она достаточно велика, чтобы фотоны видимого света не поглощались электронами. Однако непрозрачность обычной керамики связана с тем, что размер спеченных частиц очень велик и свет рассеивается на границах этих частиц. В оптической керамике для спекания используются нанопорошки. В результате материал состоит из спеченных нанокристаллов с размерами, во много раз меньшими длины волны видимого света, что позволяет ему проходить через материал, делая его прозрачным.
Георгий Юрьевич Шахгильдян, кандидат химических наук, ассистент кафедры химической технологии стекла и ситаллов РХТУ имени Д. И. Менделеева, участник конкурса «Первая кафедра», лектор культурно-просветительского проекта «Архэ»
Источник