Предметное обучение (старшая школа) - Онлайн
Колебания тела на нити
Эта простая модель наглядно демонстрирует колебания шарика, подвешенного на нити. Можно изменять длину нити, массу шарика, потери энергии и амплитуду колебаний. Дает общее представление о поведении системы вблизи состояния равновесия, если при отклонении возникают силы, стремящиеся вернуть систему в состояние покоя.
Рассмотрим физическую систему, находящуюся в устойчивом состояния равновесия. и с малыми потерями энергии. При отклонении системы от состояния равновесия возникают силы, стремящиеся вернуть систему в состояние покоя, это и значит, что положение равновесия устойчиво. При выведении системы из состояния равновесия ей сообщают энергию и поэтому, когда система оказывается в положении равновесия, она не может остановиться, т. к. обладает избыточной кинетической энергией. Система проходит через положение равновесия (или около него), отклоняется в другую сторону и это многократно повторяется. В таких случаях говорят, что система совершает колебательное движение (вблизи положения равновесия). Из-за потери энергии система в конце концов возвращается в состояние равновесия. Если бы не существовало трения, то движение шарика не прекратилось бы никогда. Механическим колебанием называется приблизительно периодически повторяющееся движение. Для колебаний характерно, что колеблющееся тело, например маятник, попеременно смещается то в одну, то в другую сторону. Такие колебания совершает шарик, подвешенный на нити (маятник). Эта системы обладают устойчивым положением равновесия - шарик неподвижен в самой низкой точке. В положением равновесия действующие на тело силы взаимно уравновешены: сила тяжести P, действующая на шарик, уравновешена силой натяжения нити T. При выведении системы из положения равновесия сила P не изменяется, а сила T действует вдоль нити и поэтому не может уравновесить силу P. На шарик начинает действовать сила F=P+T, направленная к положению равновесия. В результате действия возвращающей силы Fи возникают колебания (см. рис.). Если отклонить шарик в сторону на угол α и отпустить, то на шарик начнет действовать дополнительная сила F, модуль которой равен F=P sin(α). Эта сила направлена перпендикулярно к нити, и под ее действием шарик с ускорением F/m начнет двигаться, постепенно увеличивая скорость. При этом угол отклонения, а поэтому и сила F, будут уменьшаться. В момент, когда шарик достигнет положения равновесия (α=0), сила F станет равной нулю. Следовательно, и ускорение шарика согласно второму закону Ньютона станет равным нулю. Но к этому моменту скорость шарика уже достигнет некоторого значения. Поэтому, не останавливаясь в положении равновесия, он по инерции продолжит двигаться, увеличивая угол отклонения. В результате появляется сила F, замедляющая движение шарика. Величина этой силы, а значит, и ускорения увеличивается с увеличением угла отклонения α. Скорость убывает до тех пор, пока не обратится в нуль, шарик останавливается. После этого шарик с ускорением начнет двигаться в противоположном направлении, т. е. к положению равновесия. С уменьшением угла отклонения α сила F убывает и в положении равновесия опять обращается в нуль. Для того, чтобы описать колебания тела количественно, нужно записать второй закон Ньютона - уравнения движения шарика. Гармонические колебания присходят, когда равнодействующая всех сил направлена к положению равновесия и её величина пропорциональна смещению, т. е. F=-k x, где x - вектор смещения из положения равновесия, k - коэффициент пропорциональности. В этом случае уравнение движения имеет вид где m - масса, a - ускорение, x - отклонение от положения равновесия,
Рис. Сила натяжения T действует вдоль нити, поэтому её направление определяется положением шарика, т. е. углом отклонения α. Величина T силы натяжения T определяется условием, , т. е. тем, что шарик движется по окружности. ЧастьF' силы F действует по касательной к окружности и изменяет модуль скорости шарика, а другая её часть F-F' направлена вдоль радиуса и искривляет траекторию движения шарика (аналог центростремительной силы). Из прямоугольного треугольника с гипотенузой P и катетом F' находим F' = P sin(α).
Но шарик уже успевает набрать скорость и продолжает двигаться. Это движение приводит к увеличению угла отклонения и к появлению возвращающей силы, направленной к положению равновесия. Движение шарика замедляется до полной остановки при некотором (максимальном) значении угла отклонения, после чего весь процесс повторяется. - угловая частота колебаний. Угловая частота колебаний для малых отклонений шарика определяется соотношением
где g - ускорение свободного падения, l - длина нити.
Близорукость и дальнозоркость
Модель наглядно демонстрирует причины двух распространенных дефектов зрения – близорукости и дальнозоркости.
Есть два наиболее распространенных дефекта зрения - близорукость и дальнозоркость. Как исправить близорукость? Чтобы исправить близорукость используют очки с рассеивающими стеклами-линзами. Рассеивающая линза делает параллельный пучок света немного расходящимся. Дальнозоркость Оптическая система нормального глаза дает изображение предмета на сетчатке. Если расстояние между хрусталиком и сетчаткой меньше, чем у нормального глаза, или сам хрусталик глаза слишком вытянут, тогда изображение близкого предмета будет располагаться за сетчаткой. Глаз при этом плохо видит близкие предметы, а удаленные - хорошо. Такой дефект зрения называется дальнозоркостью . Как исправить дальнозоркость? Чтобы исправить дальнозоркость используют очки с собирающими (выпуклыми) стеклами-линзами. После преломления в собирающей линзе пучок параллельных лучей становится сходящимся и может быть сфокусирован на сетчатке.
Близорукость
Для получения резкого изображения предметов, находящихся на разных расстояниях, кривизна поверхности хрусталика изменяется так, чтобы изображение предмета попало на сетчатку. Иногда хрусталик не может перестроиться, чтобы дать резкое изображение удаленных предметов Значит расстояние между хрусталиком и сетчаткой больше, чем наименьшее возможное фокусное расстояние хрусталика. В этом случае изображение удаленного предмета (начиная с какого-то расстояния) образуется в фокальной плоскости перед сетчаткой. Глаз будет видеть удаленные предметы не резко (расплывчато), но изображение близких предметов глаз может поместить на сетчатку. Такой дефект зрения называется близорукостью .
Теперь, после преломления в хрусталике, пучок света может быть сфокусирован на сетчатке.
Формирование изображения в глазу
Формирование изображения в глазу
Модель наглядно демонстрирует строение глаза и принцип его действия.
Мозг и глаза позволяют нам видеть, ориентироваться в пространстве, создавая пространственные образы окружающих нас предметов. Если луч света попадает в глаз, мы видим точку, из которой он вышел. Если мы видим предмет, то это означает, что в глаз попадает свет от каждой точки предмета. Наш мозг воспринимает все лучи, попадающие в наши глаза, как распространяющиеся прямолинейно. В тех случаях, когда свет не распространяется прямолинейно, возникают иллюзии, мнимые изображения. Рассмотрим глазное яблоко, разрез которого показан на рисунке. Наружная оболочка глаза, склера, сформирована из плотных соединительных волокон. Склера защищает глаз и обеспечивает его жесткость. В передней части склера переходит в прозрачную роговицу. Роговица - оптически наиболее плотная среда глаза, она пропускает свет. За роговицей находится радужная оболочка, содержащая пигмент, определяющий цвет глаза. В центре радужной оболочки находится зрачок, который кажется черным, потому, что из глаза выходит очень мало света. Зрачок, сужаясь или расширяясь, изменяет количество световой энергии, попадающей в глаз (аналогично диафрагме в фотоаппарате). За радужной оболочкой находится прозрачное эластичное тело - хрусталик, напоминающий по форме двояковыпуклую линзу. С помощью мышцы, способной натягиваться и расслабляться, хрусталик крепится к краям глаза. Натягиваясь, мышца увеличивает кривизну хрусталика и, следовательно, его фокусное расстояние, а расслабляясь - уменьшает его. Полость между роговицей и хрусталиком заполнена прозрачной жидкостью. Почти вся область глаза за хрусталиком заполнена стекловидным телом, студенистой, бесцветной массой. Роговица, прозрачная жидкость, хрусталик и стекловидное тело - все вместе составляют оптическую систему глаза. Итак, глаз человека состоит из глазного яблока, соединенного зрительным нервом с головным мозгом, и некоторых вспомогательных частей. Внутренняя оболочка глаза, сетчатка, содержит слои зрительных клеток (аналог пленки в фотоаппарате), преобразующих попавшую в глаз световую энергию в нервные импульсы - электрические сигналы, которые по нервным волокнам передаются в мозг, где и формируется зрительный образ. Итак, грубо оптическая система глаза аналогична системе фотоаппарата. Она состоит из объектива и поверхности, на которой должно быть сфокусировано изображение рассматриваемого предмета. Для четкого восприятия объекта его изображение должно попасть на сетчатку, иначе глаз видит предмет расплывчатым, нерезким. Фокусировка достигается изменением фокусного расстояния оптической системы глаза. Когда мы рассматриваем далекие предметы мышцы глаза расслабляются, делая хрусталик тоньше. Если мы смотрим на близкие предметы мышцы глаза напрягаются, кривизна хрусталика увеличивается, его фокусное расстояние уменьшается. Считается, что нормальный (здоровый) глаз дает резкое изображение объектов, находящихся на расстоянии от 25 см до бесконечности. Наименьшее расстояние между глазом и предметом, на котором глаз еще дает резкое изображение, называется расстоянием наилучшего зрения. Считается, что оно равно 25 см, но у разных людей оно различно и обычно меняется с возрастом.
Оптические приборы
Модель наглядно демонстрирует принцип действия простейших оптических приборов: фотоаппарата, проекционного аппарата и лупы.
Фотоаппарат Фотоаппарат служит для получения изображения на фотопленке или матрице, преобразующей изображение в цифровой сигнал (цифровое отображение). Простейший объектив - это собирающая линза, но обычно он представляет собой сложную систему линз, подобранных так, чтобы уменьшить искажения изображения. Объектив создает на пленке четкое действительное, уменьшенное, перевернутое изображение. Расстояние между объективом и пленкой можно изменять. Количество света, проходящего через объектив, регулируется диафрагмой (это непрозрачная перегородка с круглым отверстием, диаметр которого можно изменять). Чтобы зафиксировать изображение на фотопленке необходимо воздействие лучей на пленку в течении определенного времени, зависящего от яркости изображения и чувствительности фотопленки. При нажатии на кнопку спуска затвора он открывается, и свет попадает на фотопленку. Чем ярче фотографируемый предмет, тем меньше выдержка. Продолжительность выдержки варьируется от нескольких секунд, до тысячных долей секунды. Для освещения близких предметов используется лампа-вспышка. В современных аппаратах электронное устройство автоматически регулирует расстояние между объективом и пленкой, положение диафрагмы и выдержку с учетом чувствительности пленки и освещенности объекта. Проекционный аппарат Проекционный аппарат служит для получения увеличенных изображений на экране (с пленки, бумаги, электронно-лучевой трубки). Простейший объектив проекционного аппарата - это собирающая линза, вогнутое зеркало-рефлектор отражает свет в нужном направлении, конденсатор концентрирует световую энергию на оригинале. Изображение-оригинал располагается за фокусным расстоянием объектива, поэтому объектив дает действительное перевернутое изображение. Увеличение тем больше, чем дальше находится экран. Лупа Лупа - собирающая линза с небольшим фокусным расстоянием. Применяется для рассматривания мелких объектов. Размер изображения на сетчатке глаза определяет, насколько детально виден предмет, и зависит от угла, под которым он виден. Чем больше угол, тем лучше видны детали предмета. Поэтому, чем ближе предмет к глазу, тем больше угол, тем лучше видны мелкие части. Но глаз не дает резкого изображения слишком близких предметов (ближе в среднем 25 см). Лупа позволяет глазу четко видеть очень близкие предметы. Действительно, для предмета, помещенного вблизи фокуса, но перед ним, линза дает мнимое увеличенное изображение,
находящееся на расстоянии наилучшего зрения (это 25 см) для глаза. Поэтому лупа дает увеличение изображения предмета в 25/F раза, где F - фокусное расстояние лупы в сантиметрах. Например, лупа с фокусным расстоянием 2,5 см увеличивает изображение в 10 раз. Для увеличения в десятки и сотни раз используются микроскопы, которые, как и лупа,
создают мнимое увеличенное изображение, находящееся на расстоянии наилучшего зрения от глаза.
Построение изображения в линзе
Построение изображения в линзе
Модель наглядно демонстрирует построение изображения в собирающей и рассеивающей линзе.
Существуют простые правила построения луча, преломленного тонкой линзой, если известны главная оптическая ось и главные фокусы линзы. Собирающая линза Направим на линзу параллельно главной оптической оси пучок света. Предположим, что, после преломления в линзе, лучи пучка пересекают главную оптическую ось в одной точке F . Проделайте следующие опыты. 1. Свеча расположена далеко от линзы d > 2F . Где расположено изображение удаленной свечи? Какое оно? 2. Переместим свечу ближе к точка 2F . Как изменилось изображение свечи? 3. Поставим свечу на расстоянии до линзы d = 2F . Какое изображение свечи дала линза? Где оно расположено? 4. Расположим свечу на расстоянии d от линзы, чтобы было F < d < 2F . Какое изображение свечи дала линза? Сравните этот случай и случай 2. 5. Поместим свечу в фокус линзы d = F . Как идут преломленные линзой световые лучи? Где они пересекутся? Сравните результат с результатом в случае 1. 6. Поместим свечу между оптическим центром линзы и ее фокусом d < F . Каким является изображение свечи сейчас? Где оно находится? Пересекаются ли вышедшие из линзы лучи? Итак, свойства изображения зависят от положения предмета: Если предмет находится за двойным фокусом собирающей линзы, то его изображение является действительным, уменьшенным, обратным (перевернутым). Если предмет находится между фокусом и двойным фокусом собирающей линзы, то его изображение является действительным, увеличенным, обратным (перевернутым). Если предмет находится между собирающей линзой и ее фокусом, то его изображение является мнимым, увеличенным, прямым (неперевернутым). Рассеивающая линза Направим на линзу параллельно главной оптической оси пучок света. Видно, что после преломления в линзе лучи пучка расходятся, причем их продолжения пересекаются Проделайте следующие опыты. 1. Расположим свечу на расстоянии d от линзы. Пересекаются ли вышедшие из линзы световые лучи? Каким является изображение предмета? Где оно находится? 2. Изменим расстояние d от свечи до линзы. Как меняется изображение свечи? Итак, рассеивающая линза при всех положениях предмета дает мнимое, уменьшенное и прямое изображение.
Линза собирает преломленные лучи, поэтому такие линзы называются собирающими. Например, двояковыпуклые линзы являются собирающими. Точка F, в которой пересекаются преломленные линзой лучи, падающие параллельно оптической оси, называется главным фокусом линзы . У собирающей линзы фокус действительный. Т. к. параллельные лучи можно пустить и с одной, и с другой стороны линзы, то и главных фокусов у линзы два. Оба лежат на главной оптической оси. Лучи, идущие под углом к главной оптической оси, линза собирает в точке F1. Эта точка находится в плоскости AA1 , проходящей через главный фокус перпендикулярно главной оптической оси. Эта плоскость AA1 называется фокальной плоскостью, а точка F1 в отличие от главного фокуса называется просто фокусом. Расстояние от оптического центра до главного фокуса называется фокусным расстоянием. Его также принято обозначать буквой F .
в одной точке F лежащей на главной оптической оси. Линза рассеивает преломленные лучи, поэтому такие линзы называются рассеивающими . Точка F , в которой пересекаются продолжения преломленных линзой лучей, падающих параллельно оптической оси, называется главным фокусом линзы . Преломленные в рассеивающей линзе лучи не пересекают фокус, поэтому его называют мнимым. Фокусное расстояние рассеивающей линзы считается отрицательным.
Оптическая сила линзы
Модель наглядно демонстрирует различие между двумя линзами различной оптической силы.
Тонкая линза характеризуется своим фокусным расстоянием F, которое иногда для удобства можно считать положительным или отрицательным для собирающей или рассеивающей линз соответственно. Реальные линзы характеризуются также своим диаметром и другими необходимыми параметрами. Офтальмологи характеризуют линзу не фокусным расстоянием, а обратной к фокусному расстоянию величиной. Она называется оптической силой (D) где фокусное расстояние (в метрах) берется со знаком "+" для собирающих линз и со знаком "-" для рассеивающих. Оптическая сила измеряется в диоптриях (сокращенно дптр ) или в обратных метрах: 1 дптр = 1 м-¹. Итак, оптическая сила собирающей линзы положительна, а рассеивающей - отрицательна. Например, линза с фокусным расстоянием 0,5 м имеет оптическую силу D = 1/0,5 = 2 дптр.
Характеристики линз
Линзы используются для преобразования пучков света в оптических приборах. Модель наглядно демонстрирует основные свойства собирающих и рассеивающих линз: главная оптическая ось, фокальная плоскость, фокус.
Для преобразования пучков света в оптических приборах используются линзы. Линза представляет собой прозрачное тело, ограниченное двумя криволинейными (чаще всего сферическими) поверхностями. Материалом для линз обычно служит оптическое или органическое стекло. В зависимости от комбинации ограничивающих поверхностей линзы бывают двояковыпуклыми, двояковогнутыми, плосковыпуклыми и т.д. Различают выпуклые линзы, у которых середина толще, чем края, и вогнутые линзы, у которых середина тоньше, чем края. Ход лучей света в выпуклых и вогнутых линзах различен. Выпуклые стеклянные линзы, находящиеся в воздухе, преобразуют параллельный пучок световых лучей в сходящийся; Как линза преломляет падающие на нее лучи? Только тонкие линзы обладают простыми свойствами, и в дальнейшем все линзы предполагаются тонкими. Свойства тонкой линзы зависят от радиусов ограничивающих ее сферических поверхностей. Для построения преломленных линзой лучей света вводятся следующие геометрические элементы. Главной оптической осью линзы называется прямая, проходящая через центры ограничивающих линзу сферических поверхностей. Оптический центр линзы - точка пересечения линзы с главной оптической осью. Важно, что линза тонкая. Луч, проходящий через оптический центр линзы не изменяет своего направления. Оптическая ось - прямая, проходящая через оптический центр. Фокус - точка, в которой пересекаются преломленные линзой лучи (или их продолжения). Главные фокусы линзы - фокусы, лежащие на главной оптической оси. Фокальная плоскость - плоскость, на которой лежат фокусы линзы. Их две, с одной стороны линзы и с другой.
поэтому их называют также собирающими}. Вогнутые стеклянные линзы при этом создают расходящийся пучок света, поэтому их называют рассеивающими}.
Ход лучей в призме
Модель наглядно демонстрирует прохождение через призму луча света. Луч проходит две плоскости раздела сред и направление вышедшего из призмы луча зависит от угла падения и угла между граничными поверхностями призмы.
При прохождении через призму луч света проходит две плоскости раздела сред. Направление вышедшего из призмы луча зависит от угла падения и угла между граничными поверхностями призмы. Показатель преломления среды равен отношению скорости света в вакууме к скорости света в этой среде. Следовательно, скорость света в оптически более плотных средах меньше, чем в оптически менее плотных.
Преломление света в нескольких слоях
Преломление света в нескольких слоях
Модель наглядно демонстрирует как световой луч, проходит несколько сред с различными коэффициентами преломления.
Не все среды однородны и пропускают свет так же хорошо, как воздух, стекло или чистая вода. Есть такие среды, которые плохо пропускают свет. Причиной этого может быть оптическая неоднородность среды. Простейшим примером неоднородной среды служит среда, составленная из нескольких однородных, хорошо пропускающих свет сред, причём границы раздела сред являются плоскими. При рассмотрении распространения луча света в такой среде можно считать, что луч последовательно проходит (отражаясь и преломляясь) встречающиеся на его пути плоские границы раздела. Модель показывает ход светового луча, проходящего несколько сред с различными коэффициентами преломления.
Соотношение между углами падения и преломления
Соотношение между углами падения и преломления
Модель наглядно демонстрирует соотношение между углами падения, преломления и отражения света.
Изменение направления распространения света при переходе его через границу раздела двух сред называется преломлением. Скорость света в прозрачных средах всегда меньше, чем в вакууме. Отношение скорости света в вакууме к скорости света в данной среде называется показателем преломления n этой среды. Показатели преломления воды n = 1,33; стекла n= 1,46 -1,58; алмаза n= 2,42. Говорят, что n характеризует оптическую плотность среды, чем больше n, тем больше оптическая плотность. Показатель преломления среды зависит от цвета распространяющегося света. Этим, например, объясняется появление радуги. Когда луч света падает на границу раздела двух прозрачных сред (падающий луч), в каждой среде образуется новый луч. Луч, идущий в первой среде называется отраженным, а луч во второй среде - преломленным. Угол между перпендикуляром к границе раздела (в точке падения луча) и одним из этих трех лучей называется углом падения, углом отражения и углом преломления, соответственно. Законы преломления и отражения
Преломление света объясняется изменением скорости распространения света при его переходе из одной среды в другую. Из двух сред та, в которой скорость света меньше, называется оптически более плотной, а та, в которой скорость света больше, - оптически менее плотной. Способность преломлять лучи на поверхности между разными средами различна. Чем значительнее отличаются скорости света в двух средах, тем сильнее преломляются лучи на границе между ними.
1. Падающий, отраженный, преломленный лучи и перпендикуляр в точке падения лежат в одной плоскости.
2. Угол отражения равен углу падения.
3. Угол преломления меньше угла падения при переходе из оптически менее плотной среды в оптически более плотную (преломленный луч прижимается к нормали). Угол преломления больше угла падения при переходе из оптически более плотной среды в оптически менее плотную (преломленный луч отходит от нормали).
4. Угол преломления зависит от угла падения и от отношения коэффициентов преломления обеих сред.
Преломление света
Модель наглядно демонстрирует законы преломления и отражения света.
Изменение направления распространения света при переходе его через границу раздела двух сред называется преломлением. Скорость света в прозрачных средах всегда меньше, чем в вакууме. Отношение скорости света в вакууме к скорости света в данной среде называется показателем преломления n этой среды. Показатели преломления воды n = 1,33; стекла n= 1,46 -1,58; алмаза n= 2,42. Говорят, что n характеризует оптическую плотность среды, чем больше n, тем больше оптическая плотность. Показатель преломления среды зависит от цвета распространяющегося света. Этим, например, объясняется появление радуги. Когда луч света падает на границу раздела двух прозрачных сред (падающий луч), в каждой среде образуется новый луч. Луч, идущий в первой среде называется отраженным, а луч во второй среде - преломленным. Угол между перпендикуляром к границе раздела (в точке падения луча) и одним из этих трех лучей называется углом падения, углом отражения и углом преломления, соответственно. Законы преломления и отражения
Преломление света объясняется изменением скорости распространения света при его переходе из одной среды в другую. Из двух сред та, в которой скорость света меньше, называется оптически более плотной, а та, в которой скорость света больше, - оптически менее плотной. Способность преломлять лучи на поверхности между разными средами различна. Чем значительнее отличаются скорости света в двух средах, тем сильнее преломляются лучи на границе между ними.
1. Падающий, отраженный, преломленный лучи и перпендикуляр в точке падения лежат в одной плоскости.
2. Угол отражения равен углу падения.
3. Угол преломления меньше угла падения при переходе из оптически менее плотной среды в оптически более плотную (преломленный луч прижимается к нормали). Угол преломления больше угла падения при переходе из оптически более плотной среды в оптически менее плотную (преломленный луч отходит от нормали).
4. Угол преломления зависит от угла падения и от отношения коэффициентов преломления обеих сред.
Теория света
Модель наглядно демонстрирует, как можно представлять себе свет в виде волн или частиц
Ньютон в XVII веке предположил, что свет - это поток частиц (корпускул), испускаемых светящимся телом. Эти частицы движутся по линиям (лучам света), могут отражаться от предметов, а попадая в глаз, делают предметы видимыми. В дальнейшем для объяснения оптических явлений были предложены другие теории. Согласно волновой теории, свет -это волны, распространяющиеся от источников света или отражающих их тел. Аналогично распространяются звуковые волны в воздухе или волны от упавшего камня по поверхности воды. Но волновые свойства света обычно не проявляются, т. к. длина световых волн очень мала (порядка 10-6 м, точнее, длина волны видимого нашим глазом света лежит в интервале от 0,0004 до 0,0007 мм, или 410-710 нм). Современная теория света основана на квантовой теории и свет в ней сочетает одновременно и волновые (электромагнитная волна), и корпускулярные свойства (поток фотонов). Один из упрощенных подходов (геометрическая оптика) --считать свет состоящим из лучей. Точечный источник света излучает свет во всех направлениях, т.е. от него во все стороны расходятся лучи света. Источник света -предмет, испускающий свет. Остальные предметы лишь (частично или полностью) отражают или поглощают падающий на них свет. Свет обладает энергией. В источнике света происходит превращение какого-либо вида энергии в световую. Примеры такого преобразования тепловой энергии - свечение раскаленного предмета (спираль электрической лампочки), химической, электрической - светодиод (полупроводниковый лазер), световой - флуоресценция.
Отражение в плоском зеркале
Модель наглядно демонстрирует построение изображения предмета в плоском зеркале.
Зеркало, поверхность которого представляет собой плоскость, называют плоским зеркалом. Если смотреть на плоское зеркало и предмет, находящийся перед зеркалом, то кажется, что за зеркалом находится еще один такой же предмет. Используя закон отражения, построим изображение предмета в плоском зеркале. Если источник света (свеча) протяженный, построим изображение двух крайних точек A и B. Итак, для построения (мнимого) изображения точки A достаточно взять два луча, направленных к зеркалу, и построить их отраженные лучи. Тогда пересечение A' продолжений отраженных лучей и будет мнимым изображением точки A. Удобно один из лучей направить перпендикулярно зеркалу. Для построения мнимого изображения всего предмета нужно построить изображения его основных точек.
Предмет, который, как нам кажется, мы видим за зеркалом, называется изображением предмета-оригинала. Мы видим предмет там, где его на самом деле нет. Поэтому изображение в зеркале называют мнимым.
Для построения изображения A' точки A можно использовать любые два луча, например 1 и 2. Отраженные лучи 1 и 2 выводят из точек на поверхности зеркала и не пересекаются, но их продолжения пересекаются в точке A'. Аналогично можно построить изображение B' точки B.
Повышающий и понижающий трансформаторы
Повышающий и понижающий трансформаторы
Эта совсем простая модель демонстрирует работу идеального трансформатора, повышающего или понижающего напряжение. Можно изменять число витков в обмотках. К обмоткам трансформатора подключены гальванометры, которые (при очень низкой частоте переменного тока) показывают напряжение на обмотках.
Переменный ток отличается от постоянного тем, что относительно легко (с небольшими потерями энергии) можно изменять его напряжение (и ток). Для этого используются трансформаторы. Трансформатор представляет собой несколько обмоток с общим магнитным полем (обычно намотанные на общем замкнутом ферромагнитном сердечнике, магнитопроводе). Обмотка, на которую подается входное напряжение, называется первичной. Остальные обмотки называют вторичными, с них снимается преобразованное напряжение. См. рис. Ток в первичной обмотке создает переменное магнитное поле в сердечнике трансформатора. Обозначим φ(t) поток магнитной индукции через поперечное сечение сердечника в момент времени t и предположим, что вторичная обмотка охватывает этот же сердечник и, следовательно, магнитный поток через каждый виток вторичной обмотку также равен φ(t). По закону электромагнитной индукции при изменении φ в каждом витке возникает ЭДС Поскольку витки в обмотке соединены последовательно, то ЭДС во всей обмотке пропорциональна числу витков в обмотке. Поэтому ЭДС в первичной обмотке равна n1 U0 и приблизительно равна поданному напряжению U1. Аналогично, ЭДС во вторичной обмотке равна n2 U0 и приблизительно равно напряжению U2 на вторичной обмотке. Отсюда получаем простое соотношение между напряжениями и числом витков в обмотках:
Рис. Обозначение трансформатора на принципиальных схемах, вертикальная линия обозначает общий сердечник обмоток трансформатора. Этот трансформатор имеет три обмотки: первичную 1, и две вторичных 2 и 3.
Это отношение называют коэффициентом трансформации, k. Если k>1, то трансформатор называют повышающим, если же k<1, то трансформатор называют понижающим. Итак, в повышающем трансформаторе , т. е. в трансформаторе, повышающем напряжение электрического тока, вторичная обмотка содержит витков больше, чем первичная, поэтому и напряжение на ней больше, чем на первичной. В понижающем трансформаторе, наоборот, вторичная обмотка содержит меньше витков, чем первичная, поэтому и напряжение на ней меньше.
Отражение света
Модель наглядно знакомит с отражением света, с понятиями угол падения и угол отражения.
Не все среды пропускают свет так же хорошо, как воздух, стекло или чистая вода. Есть такие среды, которые практически не пропускают свет. Они называются непрозрачными. Поверхности (не обязательно непрозрачных) тел отражают свет по-разному. Хорошо известно отражение света от поверхности зеркала: падающий луч в точке поверхности зеркала изменяет свое направление. При падении луча на зеркальную поверхность образуется еще один луч, выходящий из точки падения. Параллельные лучи и после отражения остаются параллельными. Отраженный луч виден, только если глаз находится в определенном положении относительно отражающей поверхности (виден , не виден ). Зеркальные поверхности встречаются очень редко. Большинство поверхностей шероховаты. Пучок света, попавший на шероховатую поверхность, отражается в различных направлениях. Т. е. вместо одного луча получается бесконечно много лучей, выходящих из точки падения. Такое отражение называется \emph{диффузным} (или рассеянным). Отраженные лучи видны при любом положении глаза со стороны отражающей поверхности (виден, виден). Большинство окружающих нас тел отражают свет диффузно и поэтому хорошо видны при дневном свете. Металлы очень хорошо отражают свет. Это объясняется тем, что они проводят электрический ток, а свет --- электромагнитная волна. Используя модель, проведите опыт. На оптическом диске укрепим плоское зеркало. Направим на зеркало пучок света из осветителя. Для хорошего зеркала световой луч практически полностью отразится. Проведем в точке падения луча перпендикуляр к поверхности зеркала. Угол α между падающим лучом и перпендикуляром к отражающей поверхности в точке падения луча, называется углом падения. Угол γ между отраженным лучом и перпендикуляром к отражающей поверхности в точке падения луча, называется углом отражения. Опыт 1 1. Изменяйте угол падения светового луча α = 30º, 60º, 90º. 2. Сравните в каждом случае углы падения и отражения. Отраженный луч лежит в плоскости падения, а угол падения равен углу отражения. Если мысленно изменить направление движения луча на противоположное, то луч, идущий по пути отраженного луча, отражается и идет по пути падающего луча. Это свойство называют обратимостью световых лучей при зеркальном отражении. Заметим, что при диффузном отражении такой обратимости нет.
Закон отражения света:
Трансформатор. Принцип действия
Трансформатор. Принцип действия
Переменный ток отличается от постоянного тем, что относительно легко и с небольшими потерями энергии можно изменять его напряжение. Для этого используются трансформаторы. Модель демонстрирует работу идеального трансформатора. Можно изменять число витков в обмотках и входное напряжение. Показаны графики входного и выходного напряжений, линии магнитного поля в сердечнике трансформатора.
Переменный ток отличается от постоянного тем, что относительно легко (с небольшими потерями энергии) можно изменять его напряжение (и ток). Для этого используются трансформаторы. Трансформатор представляет собой несколько обмоток с общим магнитным полем (обычно намотанные на общем замкнутом ферромагнитном сердечнике, магнитопроводе). Обмотка, на которую подается входное напряжение, называется первичной. Остальные обмотки называют вторичными, с них снимается преобразованное напряжение. См. рис. Ток в первичной обмотке создает переменное магнитное поле в сердечнике трансформатора. Обозначим φ(t) поток магнитной индукции через поперечное сечение сердечника в момент времени t и предположим, что вторичная обмотка охватывает этот же сердечник и, следовательно, магнитный поток через каждый виток вторичной обмотку также равен φ(t). По закону электромагнитной индукции при изменении φ в каждом витке возникает ЭДС Поскольку витки в обмотке соединены последовательно, то ЭДС во всей обмотке пропорциональна числу витков в обмотке. Поэтому ЭДС в первичной обмотке равна n1 U0 и приблизительно равна поданному напряжению U1. Аналогично, ЭДС во вторичной обмотке равна n2 U0 и приблизительно равно напряжению U2 на вторичной обмотке. Отсюда получаем простое соотношение между напряжениями и числом витков в обмотках:
Рис. Обозначение трансформатора на принципиальных схемах, вертикальная линия обозначает общий сердечник обмоток трансформатора. Этот трансформатор имеет три обмотки: первичную 1, и две вторичных 2 и 3.
Это отношение называют коэффициентом трансформации, k. Если k>1, то трансформатор называют повышающим, если же k<1, то трансформатор называют понижающим. Итак, в повышающем трансформаторе , т. е. в трансформаторе, повышающем напряжение электрического тока, вторичная обмотка содержит витков больше, чем первичная, поэтому и напряжение на ней больше, чем на первичной. В понижающем трансформаторе, наоборот, вторичная обмотка содержит меньше витков, чем первичная, поэтому и напряжение на ней меньше.
Измерение скорости света
Модель наглядно демонстрирует принцип действия установки Майкельсона для измерения скорости света.
Опыты по измерению скорости света проводились с древних времен, но эта скорость настолько велика, что даже оценить ее порядок долго не удавалось. Считалось, что свет распространяется мгновенно. Впервые конечность скорости света связали с зависимостью видимого движения спутника Юпитера от изменения расстояния до Земли. Затем наиболее точные измерения были сделаны А. Майкельсоном в опытах, проведенных с 1880-х по 1920-е годы. Майкельсон использовал вращающуюся восьмигранную призму с зеркальными гранями. Схема установки показана на рисунке. Свет от источника направляется на одну из граней призмы. При определенных положениях призмы отраженный от грани призмы луч проходит большой путь (35 км) и, отразившись там от зеркала, возвращается назад к призме. Отразившись от призмы, луч попадает в регистрирующее устройство, но только при определенном положении призмы. Призма должна повернуться из первого положения во второе, пока свет проходит 70 км. Это дает соотношение, связывающее скорость вращения призмы, угол поворота призмы, и скорость света c. Майкельсон получил значение скорости света: c = 299 700км/с. Обычно значение скорости света округляют до 300 000 км/с = 3 · 108 м/с. Измерение скорости света основано на том, что свет от источника попадает в телескоп, только если призма вращаетсяс определенной скоростью. При меньшей или большей скорости зеркальная грань отражает пришедший луч мимо. Модель установки Майкельсона для измерения скорости света демонстрирует принцип измерения скорости света. Чтобы учесть скорость распространения света, луч показан в виде потока частиц.vСкорость частиц и скорость вращения отражающей призмы можно регулировать. Измерение скорости света основано на том, что свет от источника попадает в телескоп, только если призма вращается с определенной скоростью. Зеленые метки над шкалой скорости вращения отмечают те значения, при которых свет попадает в телескоп. При меньшей скорости вращения зеркальная грань не успевает занять нужное положение, а при большей - грань поворачивается слишком сильно. При дальнейшем увеличении скорости вращения следующая грань успевает занять нужное положение.
Осциллограф
Осциллограф используется для исследования зависимости электрических сигналов от времени. Модель наглядно демонстрирует устройство и работу простейшего осциллографа, состоящего из электронно-лучевой трубки, усилителя сигнала, генератора развертки, источника сигнала. Позволяет выводить на экран осциллографа различные сигналы.
Осциллограф предназначен для исследования зависимости электрических сигналов от времени. Выводит на экран график сигнала и позволяет измерять амплитудные и временные параметры периодического сигнала по форме графика. Электронно-лучевой осциллограф имеет экран, на котором отображается график входного сигнала. Для измерения параметров сигнала на экране нанесена разметка в виде сетки. Для получения графика входного периодического сигнала необходима синхронизация развертки, иначе изображение на экране будет выглядеть «бегущим» или вообще размазанным. Это происходит потому, что в этом случае осциллограф отображает различные участки наблюдаемого сигнала на одном и том же экране. Синхронизация обеспечивает совпадение этих графиков (но только для периодически изменяющихся сигналов, частота развертки должна быть целочисленно кратна частоте сигнала). На пластины горизонтального отклонения подается пилообразный сигнал, развертка. Для получения стабильного изображения запуск развёртки и ее частота связаны с наблюдаемым сигналом. Это называют синхронизацией развертки. При подаче на Y-вход осциллографа переменного напряжения Конструкция осциллографа. Основными частями осциллографа являются: лучевая трубка, усилитель (вертикального отклонения), генератора развертки, блок питания. В лучевой трубке электронная пушка создает пучок электронов, который, попадая на экран, создает светящуюся точку. Экран обладает некоторым послесвечением, т. е. экран некоторое время продолжает светиться и после ухода луча. Поэтому при достаточно быстром движении луча мы видим не движущуюся точку, а сплошную линию. Горизонтальные и вертикальные пластины отклоняющей системы позволяют отклонять этот пучок так, что светящаяся точка может перемещаться по всему экрану. Чем больше напряжение, приложенное к отклоняющим электродам, тем сильнее электрическое поле между пластинами и тем сильнее отклоняется пучок электронов. При подаче на вертикальные пластины X пилообразного напряжения мы создаем развертку - на экране видна горизонтальная светящаяся линия. То есть луч равномерно движется слева направо, а потом резко, скачком, возвращается обратно и возобновляет снова равномерное движение. На горизонтальные пластины Y подается (усиленный) изучаемый периодический сигнал u. Теперь двигаясь слева направо, луч отклоняется вверх или вниз в соответствии с напряжением на Y-пластинах. При этом на экране мы получаем изображения графиков функции u(t) многократно наложенные друг на друга. И только подбирая частоту развертки, можно добиться того, что на экране будет четкое изображение графика функции сигнала. Модель демонстрирует работу упрощенного осциллографа. Состоит из электронно-лучевой трубки, Y-усилителя, генератора X-развертки. Электронно-лучевая трубка: электронная пушка, создающая тонкий пучок электронов, отклоняющие луч пластины и экрана размещены в баллоне, из которого откачан воздух. Отклоняющая система состоит из вертикальных (X) и горизонтальных (Y) пластин, двух плоских конденсаторов, внутри которых проходит электронный луч. Электрическое поле внутри конденсаторов отклоняет луч вверх и вниз соответственно. Экран - слой материала на стекле, который светится при попадании на него электронов. Усилитель Y и слайдер с ползунком вверх-вниз, меняет усиление усилителя. Усиление служит для масштабирования сигнала по оси Y. При изменении коэффициента усиления вертикальный размер сигнала изменяется. Обычно есть шкала, показывающая масштаб изображения, т. е. сколько вольт приходится на одно деление сетки (по оси Y). Аналогично, изменение частоты развертки меняет ширину изображения сигнала, причем известно, сколько мили- или микросекунд приходится на одно деление сетки (по оси X). Работая с моделью, надо менять настройку (крутить ручки), пытаться разобраться с процессами, происходящими с электронным лучом и и изображением на экране осциллографа. Все станет понятно.
Точнее, запускает развёртку всегда с одного и того же места сигнала, только тогда изображение сигнала на осциллограмме выглядит стабильным и неподвижным.мы получаем на экране осциллографа синусоиду. Можно измерить амплитуду сигнала u0 и частоту, но для измерения фазы φ нужен еще один сигнал, т. к. фаза сигнала развертки не измеряется.
Прямолинейное распространение света
Прямолинейное распространение света
Модель наглядно демонстрирует прямолинейность распространения света, понятие луч света.
Мозг и глаза позволяют нам видеть, ориентироваться в пространстве, создавая пространственные образы окружающих нас предметов. Если луч света попадает в глаз, мы видим точку, из которой он вышел. Если мы видим предмет, то это означает, что в глаз попадает свет от каждой точки предмета. Наш мозг воспринимает все лучи, попадающие в наши глаза, как распространяющиеся прямолинейно. В тех случаях, когда свет не распространяется прямолинейно, возникают иллюзии, мнимые изображения. Луч света- геометрическая линия, вдоль которой распространяется свет. Световой луч не имеет толщины. Реально мы имеем дело с пучками света, состоящими из лучей. Вдоль луча света переносится энергия, определяющая яркость луча. В процессе распространения луча его яркость может изменяться. Если яркость становится равной нулю, то луч исчезает, поглощается. Говорят и о скорости распространения лучей света. У света есть еще цвет, но связанные с ним явления (распространение цветных лучей) здесь не рассматриваются. Итак, понятие луч света- это идеализированное, сильно упрощенное понятие и некоторые важные световые явления не могут быть поняты при таком упрощении. Прямолинейностью распространения света объясняются многие явления, например, образование тени и полутени. Проделайте опыт Тень и полутень можно получить от одного источника, если он не является точечным.
1. Выберите один точечный источник света.
2. Нажмите кнопку "СТАРТ".
3. Что вы наблюдаете на экране?
4. Выберите два точечных источника света.
5. Нажмите кнопку "СТАРТ".
6. Что вы теперь наблюдаете на экране?
Простейший генератор постоянного тока
Простейший генератор постоянного тока
Модель наглядно демонстрирует работу генератора постоянного тока, применение явления электромагнитной индукции. Приведен график ЭДС, вырабатываемой генератором. Скорость вращения ротора генератора можно изменять.
На явлении электромагнитной индукции основано действие индукционных генераторов - устройств, вырабатывающих электрический ток. Основой такого генератора является катушка, в которой изменяется магнитное поле. Генератор преобразует механическую энергию в электрическую. Бывают генераторы переменного тока и генераторы постоянного тока. В простейшей модели индукционного генератора переменного тока проволочная рамка, вращается в поле постоянного магнита. Поток магнитной индукции через виток равен: Рис. 1. Прямоугольная проволочная рамка в магнитном поле (показана красным цветом). Серым цветом показана охватываемая рамкой часть плоскости, её площадь равна S. Здесь n - единичный вектор нормали к плоскости рамки, φ угол между векторами n и B. Синим цветом условно показан коллектор и щётки. При вращении рамки с угловой частотой ω, поток магнитной индукции через контур равен. В реальных генераторах вместо проволочной рамки используются катушки с ферромагнитными сердечниками, а вместо постоянных магнитов часто используются электромагниты, имеющие несколько пар полюсов. Вращающаяся часть генератора называется ротором, а неподвижная - статором. Для получения постоянного тока используется коллектор, изменяющий в нужные моменты направление выходящего тока. Из формулы (2) видно, что направление тока меняется на противоположное в момент, когда плоскость рамки параллельна полю. Рис. 2. График напряжения, снимаемого с генератора постоянного тока, см. рис. 1. Синим цветом показана перевёрнутая коллектором часть полупериода, пунктиром - напряжение без переключающего коллектора. где B - индукция магнитного поля (для простоты считается постоянной в области пространства, где вращается рамка), S - площадь, охватываемая витком (площадь рамки), φ - угол между вектором индукции магнитного поля B и вектором нормали n к плоскости витка, см. рис.
Изменение потока φ возбуждает в рамке ЭДС индукции, величина и направление которой зависят от угла поворота φ= ωt рамки: