Физическая викторина. Оптика. Энергия света
* Задачи, не требующие для решения эксперимента, отмечены звездочкой. Решая такие задачи, можно использовать рисунки (если они есть в задании), выводя их на экран.
1. Две одинаковые колбы закрыть пробками, сквозь которые пропустить два конца стеклянной П-образной трубки (рис.). В колбы налить немного воды, в которую опустить концы трубки, тоже заполненной водой. На середину стеклянной трубки надеть пробку, за которую прибор привесить к штативу на тонкой двойной бечеве. Пробку передвинуть так, чтобы трубка установилась горизонтально. Правую колбу снаружи закоптить. Если на нее направить пучок света от близко стоящего проекционного фонаря, то другая колба будет перетягивать. Если убрать световой пучок, то равновесие восстановится. Объяснить явление.
2. Продемонстрировать прибор, изображенный на рисунке. Он состоит из двух колб, плотно закрытых резиновыми пробками и соединенных между собой двумя латунными трубками. Верхняя колба закопчена, а нижняя — на одну треть заполнена подкрашенной водой. В колбу с водой - сквозь резиновую пробку пропущена до дна стеклянная трубка, верхний конец которой соединен со стеклянным тройником. К горизонтальным концам тройника присоединены стеклянные трубочки, согнутые под прямым углом. На закопченную колбу направить световой пучок от осветителя с лампой на 300 Вт. Прибор начнет вращаться. Объяснить явление.
3. Прямоугольную пластинку из плексигласа положить на стол и наэлектризовать, натирая шерстяной материей. Быстро провести безэлектродной трубкой над наэлектризованной пластинкой. Трубка при этом светится. Объяснить явление. Опыт показать в затемненной комнате.
4. Фотореле (рис.) включить так, чтобы оно срабатывало при затемнении фотосопротивления. В качестве нагрузки включить электролампу. Если этой же лампой осветить фотосопротивление, то лампа будет периодически зажигаться и гаснуть. Объяснить явление.
Как подобное приспособление, периодически включающее и выключающее электрический ток, можно использовать для практических целей?
5. Фотоэлектрический метроном.
Собрать электрическую цепь, схема которой дана на рисунке. Цепь состоит из источника постоянного тока напряжением 240 В, фотоэлемента ЦГ-4 с номинальным напряжением 240 В, конденсатора емкостью 1 мкФ, сопротивления 10 кОм, неоновой лампы типа МН-6.
Если осветить фотоэлемент, то неоновая лампа начинает периодически вспыхивать и гаснуть. Если изменить силу света, то частота вспышек неоновой лампы с увеличением силы света увеличивается. Объяснить явление.
6. Поместить перед объективом одного проекционного фонаря красное стекло, перед объективом другого — зеленое и получить на экране красное и зеленое пятна. Сдвигая фонари, добиться, чтобы эти пятна упали на одно и то же место экрана. Это место получится желтым. Убрать один фонарь. Помещая по очереди перед объективом другого фонаря красное и зеленое стекло, получить на экране сначала красное, а затем зеленое пятно. Поставить перед объективом оба стекла. Экран окажется темным. Объяснить явление.
7*. Просветление оптики.
При прохождении света через оптические системы на каждой поверхности отражается до 4% проходящего света, что заметно снижает прозрачность оптики. Для просветления оптики на каждую поверхность линзы наносят тонкую пленку вещества с показателем преломления, меньшим, чем у стекла линзы. Толщина пленки равна четверти длины волны света. Объяснить действие такой пленки.
8. В горизонтальную кюветку К размером 100 х 100 мм, на дно которой положена черная бумага, налить чистой воды. Свет от фонаря (без объектива) направить с помощью зеркала З сверху на кюветку. Отраженный от воды свет принять на линзу Л с фокусным расстоянием 12— 20 см и получить изображение поверхности воды на экране Э (рис.).
Влить в воду пипеткой 2—3 капли скипидара. Хотя скипидар и вода бесцветны, на экране появятся постепенно меняющиеся радужные узоры. Объяснить явление.
9. Показать в отраженном красном свете кольца Ньютона (рис.). Почему в центре колец наблюдается черный круг (минимум), хотя геометрическая разность хода отраженных лучей в этом месте равна нулю?
10. На стержень электрометра укрепить цинковую пластину размером 200 х 250 мм, хорошо зачищенную мелкой наждачной бумагой. Зарядить электрометр отрицательно. Осветить пластину светом дугового проекционного фонаря, установленного от нее на расстоянии 1.5—2 м. Из фонаря предварительно удалить всю оптику. Угол отклонения стрелки электрометра будет медленно уменьшаться. Поместить перед фонарем кусок оконного стекла. Разряжение электрометра прекращается. Убрать стекло и повторить опыт, зарядив электрометр положительно. При освещении цинковой пластинки электрометр разряжаться не будет. Объяснить явление.
11*. Привести примеры использования люминесцентного (холодного) свечения в мире живой природы.
Ответы
1. Свет нагревает правую колбу, давление воздуха в ней увеличивается, и часть воды переливается в левую колбу, которая станет тяжелее.
При устранении светового пучка воздух в правой колбе охлаждается, его давление падает и вода из левой колбы переливается обратно.
2. От нагревания светом колбы давление находящегося в ней воздуха увеличивается, он поступает в нижнюю колбу и вытесняет из нее воду. Прибор вращается за счет реакции вытекающих струй.
3. Наэлектризованная пластинка окружена неоднородным постоянным электрическим полем. При быстром движении трубки электрическое поле внутри нее изменяется, что приводит к ионизации и свечению наполняющего ее газа.
4. Когда лампа L осветит фотосопротивление, через него пойдет ток, реле r разорвет цепь лампы L и она погаснет. Фотосопротивление затемнится, ток, текущий через него, прервется, и якорь-реле, возвращаясь в исходное положение, замкнет цепь лампы L и т. д.
Подобное устройство можно было бы, например, использовать для управления мигающими светофорами.
5. Если на фотоэлемент попадает даже самый слабый свет, то конденсатор начинает постепенно заряжаться. Когда напряжение достигнет напряжения зажигания неоновой лампы, лампа вспыхивает, а конденсатор в этот момент разряжается. Лампа гаснет, конденсатор вновь начинает заряжаться и т. д.
6. В первом опыте происходит сложение красного и зеленого света, в результате чего получается желтый свет. Красное стекло поглощает все лучи, кроме красных, а зеленое — красные лучи и часть синих. Таким образом, сквозь оба сложенных стекла свет не проходит совсем.
7. Разность хода лучей, отраженных от верхней поверхности пленки и поверхности линзы, равна удвоенной толщине пленки, т. е. половине длины волны. В этом случае отраженные лучи гасят друг друга и свет почти без потерь проходит через прибор.
8. Узоры возникают благодаря интерференции света, отраженного верхней и нижней поверхностью пленки скипидара. По мере его испарения пленка становится тоньше, что изменяет условия интерференционных максимумов и минимумов для разных ее участков.
9. Фаза луча 1 (рис.) при отражении от стеклянной пластинки изменяется на противоположную. Таким образом, лучи 1 и 2, обладающие до отражения одинаковыми фазами, после отражения имеют фазы противоположные и, следовательно, гасят друг друга.
10. Кванты ультрафиолетового света излучения дуги выбивают из цинка электроны (фотоэффект), в результате чего отрицательный Заряд пластинки и электрометра уменьшается. Стекло задерживает ультрафиолетовые лучи. Если пластина заряжена положительно, то выбитые электроны тотчас притягиваются обратно положительным зарядом пластины и заряд электрометра остается неизменным. Примечание. Нельзя располагать пластинку близко к дуге, так как в этом случае может сказаться ее ионизирующее действие.
11. Люминесцентное свечение используют для приманки добычи глубоководные рыбы-удильщики, живущие во мраке океанской бездны. У такой рыбы на голове есть длинная удочка, которая у некоторых рыб в десять раз длиннее тела. На конце удочки дрожит приманка — небольшой шарик, светящийся в темноте. Этот шарик снаружи покрыт черным покрывалом из хроматофоров. При их расширении свет гаснет, при сокращении свет между ними пробивается наружу. Под покрывалом заложен прозрачный слой, играющий роль линзы. Полость шарика заполнена светящимися бактериями, плавающими в особой жидкости. Обманутая рыба, кальмар или рак бросаются на огонек и попадают в зубы «рыболову».
Ученые считают, что около 9⁄10 глубоководных животных имеют светящиеся органы, которые своим светом отпугивают врагов и приманивают добычу. Многие из обитателей глубин, спасаясь от преследования, выбрасывают облако светящейся слизи, ослепляющей нападающего хищника.