Проекто по ф!зике. Электромагнитный спектр

• Название: Электромагнитный спектр
• Анкор: Проекто по ф!зике
• Дата: 15.03.2023
• Размер: 4.4 Mb.
• Имя файла: PROEKT_PO_FIZIKE_ZA_9_KLASS.docx
• Тип: Документы; #992294

То, чем мы сегодня занимаемся - спектрометр из телефона. Это очень интересный эксперимент по физике, на который не прочь посмотреть как учителя, так и ученики.

Мы знаем, что основными свойствами света являются частота и длина волны, а теперь мы на наглядном примере это увидим. Лампочки влияют на наше здоровье своим светом, и именно с помощью спектрометра мы сможем оценить их ламп.

Я уверен, вы не раз замечали на окнах сине-фиолетовые лампы над рассадой, как раз таки именно сине-фиолетовый свет стимулирует в росте растения. А красный свет стимулирует цветение. Имея спектрометр, вы можете погружаться в эту тему еще больше.



Фототропизм - явление поворота растений в сторону источника света. Источник: https://ru.wikipedia.org/wiki/Фототропизм

Мы выполним несколько опытов с разными источниками света и посмотрим на приборе отличия между разными лампочками: энергосберегающими, светодиодными и накаливания, а также посмотрим на разные светодиоды, на дисплей телефона и на свет солнца. Если не приглядываться, то кажется, что практически всегда оно одинаковое, но на спектрометре отличия гораздо сильнее.



Спектры различных источников света: ЭФЛ-лампочка, светодиодная лампочка, лампочка накаливания, фонарик, экран смартфона, солнце

Электромагнитный спектр

Согласно волновой теории света, свет — это частный случай волн электромагнитного излучения. У каждой волны есть свойство, называемая длиной — это просто расстояние между двумя пиками волны.



Источник: https://evantoh23.wordpress.com/2011/07/29/general-wave-properties-rope-wave/

Как вы можете видеть, это не большой участок всех электромагнитных излучений, но все, что мы наблюдаем, в действительности находится в этом диапазоне. Прочее - невидное для нас.





Сегодня мы рассмотрим видимый диапазон. У каждого цвета есть своя волна, своя длин волны. Цвета распределены неравномерно: мы видим, что одного цвета меньше, чем другого, хотя эти цвета – базовые, цвета, которые мы запоминаем фразой «Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан».

Спектрометрия

Как же длинны волн связаны со светом, который мы видим? Свет — это чаще всего смесь разных цветов. Из школьного курса физики мы знаем опыт Ньютона с призмой. Исаак Ньютон пропускает луч света через призму, и луч стелиться в радугу. Эту цветную картинку он назвал спектром. Раздел физики, который изучает спектры, называется спектроскопия.



В то время еще не были известны точные характеристики данного спектра. Первый измерять их начал немецкий физик Йозеф Фраунгофер. Для солнечного света он измерял спектральные линии – выделяющиеся участки спектра. Так появилась спектрометрия, не только наблюдение спектра, но и измерение длин волн его составляющих и их интенсивности.

Спектрометр — это прибор, который делит свет на разные цвета и измеряет их интенсивность. Такой график называется - спектрограммой. Типичный результат работы спектрометра выглядит как этот спектр дневного неба: вверху фактический спектр света, внизу график, на котором по горизонтали отложена длина волны в нанометрах, а по вертикали - интенсивность в процентах.

Собираем спектрометр

Делать спектрометр сегодня мы будем по чертежу Public Lab. Это некоммерческая образовательная организация, которая заинтересована экологическими проектами, а спектрометрию они используют для измерения чистоты воздуха. Их сайт - форум и сообщество где люди показывают друг другу свои эксперименты со спектрометром.

Что-бы откалибровать спектрометр и анализ снимков используем веб-инструмент Spectral Workbench. Самое интересное, что этот инструмент всегда имеет актуальную версию и бесплатно размещен в свободном доступе.

Спектрометр собирается из трех частей:

1. 
   1.Корпус
   
2. 
   2.Оптическая щель
   
3. 
   3.Дифракционная решетка
   

Из этого всего непонятно только “дифракционная решетка”. Во времена Ньютона открыли, что распределять цвета может не только призма, но и пластина с множеством штрихов, и чем эти штрихи тоньше, тем лучше. Вот как это работает с перьями птиц.



Источник: https://www.nhm.ac.uk/visit/wpy/community/peoples-choice/2016/14/rainbow-wings.html

Дифракционная решетка может не только пропускать что-либо, но и отражать. Так спектрометр тоже работает.



Источник: https://www.edmundoptics.cn/resource-page/application-notes/optics/all-about-diffraction-gratings/

Мы будем делать решетку из кусочка DVD-диска.

Корпус

Есть два варианта: сделать из картона, или же напечатать на 3D-принтере. Мы покажем оба. Как мне кажется, бумажный спектрометр ничем не хуже пластикового, а стоит гораздо дешевле. Поэтому рекомендую сделать бумажный.

Бумажный спектрометр

Скачать чертеж можно на сайте Public Labs, на данный момент актуальна версия с номером 2.10.0.



Развертку напечатаем на принтере, можно на черно-белом, формат листа на котором печатаем - А4. Что бы хоть как то укрепить наш спектрометр, есть два варианта: 1) сразу наносить печать на плотную бумагу 2) наклеить готовый лист А4 на картон.

Печать на 3D-принтере

Это 2-ой вариант - корпус, который я напечатал на 3D-принтере. Пластиковый корпус хорош тем, что его не получится случайно смять, или же намочить.



Для печати я взял черный пластик, и напечатал эту модель:



Понравился он мне тем, что компактен и печатается без поддержек. Дизайн привлекательный, но у меня возникли проблемы с креплением к телефону. Скотч не справляется с достаточно тяжелым корпусом. Именно поэтому, если захотите делать такой-же, то думайте, как прикрепить его к телефону.

Дифракционная решетка

Использовать будем самый дешевый и доступный вариант - часть DVD-диска.

Структура диска имеет множество очень тонких бороздок в виде спирали, и каждая бороздочка имеет толщину около 1 микрометра.



Источник: https://www.researchgate.net/figure/Grating-extraction-from-a-DVD_fig5_231110353

Поскольку диск имеет форму круга, то и картинка у нас получится изогнутая.



Источник: https://publiclab.org/wiki/revisions/desktop-spectrometry-kit-3-0/27513

Нам нужен диск DVD-R. Диски DVD-RW и CD-R нам не подходят. Важный момент: он должен быть полностью чистым без записанных файлов.

На следующем слайде изображена структура диска, нам нужен самый нижний его слой, другими словами, подложка.



Источник: https://it.wikireading.ru/1000000777

Мы должны делать все аккуратно и не пачкать диск. Желательно чтобы руки были в резиновых перчатках. Ножницами вырезаем кусок DVD-R диска. Из одного диска может выйти несколько дифракционных решеток.



Ножом аккуратно подцепляем край диска и разделяем его на пластины.



Нам понадобится нижняя прозрачная часть диска.



На ней останется фиолетовая краска. Поместим в теплую воду и отмоем краску спиртом.



После этой процедуры решетка станет полностью прозрачной.



После чего можем вложить решетку в спектрометр.

Оптическая щель

Последняя деталь в спектрометре это - оптическая щель. Она должна быть размером всего лишь в 1 миллиметр, а еще лучше - сделать ее меньше (но сделав ее слишком маленькой, мы потеряем яркость картинки). В самодельных спектрометрах часто используют бритвенные лезвия, но мы не будем его использовать, во избежание порезов. Я рекомендую взять пластиковые полоски, допустим от визитной карточки, и приклеить их как можно уже. Полоски должны быть тоже черного цвета.



Приклеиваем изолентой или скотчем к телефону наш спектрометр. Самое главное хорошо его зафиксировать, а еще лучше, если у вас есть старый ненужный телефон, можете навсегда оставить его в роли спектрометра.

В процессе приделывания спектрометра к смартфону, слежу, чтобы в камеру была видна "радуга", которая образуется при прохождении света через щель. Нужно приклеить так, чтобы радугу было четко видно, и находилась по центру.

Калибровка

На экране мы уже видим спектр лампочки и можно приступать делать спектрограммы, но не нужно упускать один очень важный шаг - калибровку.

Нам понадобится:

1. 
   Смартфон
   
2. 
   Спектрометр
   
3. 
   Энергосберегающая люминесцентная лампочка
   

В энергосберегающих лампочках используются пары ртути. Когда я буду подавать напряжение они излучают хорошо известный спектр с очень четкими, узнаваемыми пиками. Вот такой красивый спектр я увидела в свой спектрометр:



В данном спектре - две хорошо заметные линии синего цвета и одна зеленого. Эти пики всегда имеют одинаковую длину волны, поэтому мы можем распознать их по цвету и порядку, а также сравнить наш спектр с известным эталоном, чтобы определить длину волны каждого пикселя нашего спектра.

Процесс калибровки:

Мы зарегистрировались на сайте PublicLab.org. Это бесплатно. Потом перешли на их сервис работы со спектрограммами Spectral Workbench.



Вверху справа есть кнопка Capture Spectra - нажав эту кнопку, прямо на сайте мы можем заснять спектрограмму с веб-камеры, или телефона. По умолчанию выбирается Capture версии 1, который нам не подходит, потому что он на телефоне выберет фронтальную камеру. Нам нужно сразу выбрать версию Capture v2. Хоть это и бета-версия, но зато в ней можно менять камеру на фронтальную или основную.



Вам покажут предпросмотр того, что видит камера. Поместим желтую линию в центр цветных полос, как показано на примере, и нажмите Capture. 



Программа начнет строить график и спектр немедленно. Если вы видите лишние отсветы и отражения, то скорее всего свет проникает сбоку. В этом случае тщательно заклейте черной изолентой место прилегания спектроскопа к телефону. Второй вариант того, что может произойти, - это засветка, если вы направляете спектрометр прямо на лампочку, тогда увидите интенсивность доходящую до 100% и на графике пики, подсвеченные желтым. Старайтесь направлять его чуть в сторону от лампочки.

Важно, что синий цвет должен быть слева, а красный справа: по оси Х длина волны нарастает слева направо. Если это не так, то в приложении на сайте немедленно переверните камеру, иначе потом будет сложнее делать калибровку. 



Когда увидите график, похожий на радугу, и когда экран внизу полностью заполнится измерениями, нажмите “Сохранить” и укажите, что вы используете это для новой калибровки.

Эксперименты

Светодиодная лампочка

Посмотрим на разные источники света через наш спектрометр. Прежде всего, заменим энергосберегающую люминесцентную лампочку на светодиодную:

Спектр “люминесцентной” лампочки

Это как раз тот самый синий свет, о котором мы говорим. Вы видите, насколько он коварный, ведь прячется даже в белом свете. Но теперь вы знаете, как при помощи спектрометра определить источники освещения, мешающие вам уснуть.

Перед сном лучше включать лампочку, где в спектре больше зеленого и красного, то есть “теплую”, а утром, наоборот, разумнее включать “холодную”, чтобы быстрее проснуться. И конечно, можно заклеить все синие светодиоды на технике в комнате, где спите.



Источник: https://lifehacker.ru/wp-content/uploads/2018/01/Kak-osveshhenie-vliyaet-na-rabotosposobnost_1516748715.jpg

Лампочка накаливания

Теперь сравним с обычной лампочкой накаливания:



У лампочки накаливания гораздо больше цветовых переходов в спектре. Это потому, что лампочка, как и все источники, светящиеся от нагрева, то есть свечи, костры, звезды, в том числе Солнце, является источником с непрерывным спектром. Считается, что такие источники света привычнее для глаз. Поэтому все ученые-физики, которые занимаются совершенствованием светодиодных ламп, работают над тем, чтобы добавлять в них вещества, растягивающие спектр.

Красный светодиод

Светодиодную лампочку мы посмотрели, а что насчет “обычных”, единичных светодиодов? Тут всё без сюрпризов. Я посмотрел на спектр обычных настольных часов-будильника с семисегментным красным светодиодным индикатором. Свет индикатора был очень слабым, и мне пришлось придвигать часы вплотную.



Как и следовало ожидать, кроме красной компоненты здесь почти нет никаких других.

Светодиодный фонарик

Посмотрим на обычный светодиодный фонарик. Его свет достаточно слабый, поэтому мы светили на лист бумаги и смотрели в спектрометр на отражение.



Увидели, что в его спектре практически отсутствуют какие-либо цветовые компоненты кроме синей, хотя сам свет фонарика выглядит как холодный белый, чуть синеватый цвет.

Экран смартфона

Изучим теперь через спектрометр экран смартфона. Для фиксации второго смартфона нам пригодился второй штатив. На экране мы включили белое окно приложения. Как и у светодиодной лампочки, здесь отчетливо выделяются три цветовые компоненты - синяя, зеленая и красная, причем синяя самая интенсивная.

Солнце

Теперь посмотрим на солнечный свет через наш спектрометр.



Если посмотреть на нее внимательно, то сразу видно отличия от предыдущих картинок. Спектр очень яркий и непрерывный, в нем не видно провалов. Больше всего он похож на спектр лампочки накаливания. Из всех спектров, что мы сегодня смотрели, он самый насыщенный. Из этой картинки становится сразу ясно, к чему стремятся производители источников света.

Фото солнечного спектра трудно сделать так, чтобы избежать засветки. Секрет в том, чтобы не направлять спектрометр напрямую на солнце, а вместо этого, к примеру, на небо.

Заключение

Итак, мы собрали свой спектрометр из простейших деталей: коробки и осколка DVD-диска. Качество нашего самодельного прибора любительское, но, он настоящий, а не игрушечный, и теперь мы можем ставить с ним свои эксперименты. Более качественный спектрометр в домашних условиях можно сделать, используя профессиональный фотоаппарат.