Использование лазера для измерения скорости света в желатине

1. Аннотация
2. Задача
3. кредиты
4. Цитировать эту страницу
5. MLA Стиль
6. APA Style
7. Вступление
8. Условия и понятия
9. Лента новостей на эту тему
10. Материалы и оборудование
11. Если вам нравится этот проект, вам может понравиться исследовать эти связанные профессии:
12. Задайте вопрос эксперту
13. Ссылки по теме
14. Ищете больше науки веселья?
15. Исследуйте наши научные видео

Сложность Требуемое время Среднее (6-10 дней) Предварительные условия Базовое понимание оптики и тригонометрии Доступность материалов Легкодоступные Стоимость Низкая ($ 20 - $ 50) Безопасность Рекомендуется наблюдение взрослых. Даже маломощные лазеры могут привести к необратимому повреждению глаз. Пожалуйста, внимательно просмотрите и следуйте Руководство по лазерной безопасности ,

Аннотация

Думаете, что для измерения скорости света требуется дорогостоящее, сложное оборудование? Подумай еще раз! Оснастите себя простой ручной лазерной указкой, транспортиром и желатином, и вы готовы начать работу.

Задача

Цель этого научного проекта - измерить скорость света в желатине с помощью недорогого лазера, такого как лазерная указка или лазерный уровень.

кредиты

Shijun Liu, друзья науки

Харви Линч, Стэнфордский центр линейных ускорителей (SLAC)

Цитировать эту страницу

Общая информация о цитировании предоставляется здесь. Обязательно проверьте форматирование, включая использование заглавных букв, для метода, который вы используете, и при необходимости обновите цитату.

MLA Стиль

Штат научных друзей. «Использование лазера для измерения скорости света в желатине». Друзья науки , 28 июля 2017 г., https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Phys_p009/physics/using-a-laser-to-measure-the-speed-of-light-in -желатин. Доступ 19 мая 2019 г.

APA Style

Штат научных друзей. (2017, 28 июля). Использование лазера для измерения скорости света в желатине. Получено с https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Phys_p009/physics/using-a-laser-to-measure-the-speed-of-light-in-gelatin

Дата последнего редактирования: 2017-07-28

Вступление

Закон преломления, который также известен как закон Снелла, фактически применим к повседневной жизни. Например, прежде чем вы откроете дверь и увидите лицо своего друга через окно, вы увидите свет, который преломляется через стекло. Закон Снелла компактно описывает то, что происходит с траекторией луча света, когда он проходит из одной среды, такой как воздух, в другую, такую ​​как стекло. Применяя закон Снелла и определение показателя преломления в этом научном проекте, вы сможете измерить скорость света в желатине. Прелесть этого научного проекта также заключается в том, что вы можете экспериментально проверить один из самых основных законов оптики, используя легкодоступные и недорогие материалы.

Закон Снелла выражается следующим уравнением (см. Рисунок 1 ниже для иллюстрации переменных):

Уравнение 1:

• θ1 - угол между падающим световым пучком и нормалью поверхности
• θ2 - угол между уходящим световым пучком и нормалью поверхности
• v1 - скорость света в первом материале (в этом проекте воздух)
• v2 - скорость света во втором материале (в этом проекте желатин)
• n1 - показатель преломления первого материала (в этом проекте воздух)
• n2 - показатель преломления второго материала (в этом проекте желатин)

Обратите внимание, что закон Снелла применим не только к случаю прохождения лазерного луча через воздух и желатин, но также и к другим примерам того, как падающий объект меняет направление, когда он переходит от более быстрой среды к более медленной среде, и наоборот. Например, оркестр гуляет во времени с музыкой и делает шаги одинаковой длины. Что если группа движется по травянистому футбольному полю под углом, и когда каждый участник группы пересекает 50-ярдовую линию, он или она внезапно находит поле очень грязным и скользким? В результате он или она делает шаги вовремя, но делает шаги, которые на 20 процентов короче из-за грязи. Что происходит потом? Ответ: Те, кто пересек 50-ярдовую линию, едут на 80 процентов быстрее тех, кто этого не сделал, и линия участников группы изгибается на 50-ярдовой линии, как свет в этом эксперименте. Немного подумав, можно даже вычислить угол, под которым изгибается линия (фактически обратное тому, что вы будете пытаться делать в этом научном проекте).

Условия и понятия

• Закон преломления (также называемый законом Снелла )
• траектория
• Показатель преломления
• Инцидент

Вопросы

• Что именно лазер?
• Какова скорость света? Какие методы ученые использовали для его расчета?
• Каковы некоторые применения закона Снелла?

Список используемой литературы

Этот ресурс предоставляет больше информации о лазерах:

Чтобы узнать больше о законе Снелла, попробуйте эти ссылки:

• Wolfram Research. (Й). Закон Снелла. Получено 12 июля 2010 г. http://scienceworld.wolfram.com/physics/SnellsLaw.html
• Кайзер, Питер К. (nd). Закон Снелла. Получено 12 июля 2010 г. http://www.yorku.ca/eye/snell.htm
• Неф, Р. (nd). Закон Снелла. Получено 12 июля 2010 г. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/geoopt/refr.html#c3
• Класс физики. (Й). Математика преломления: закон Снелла. Получено 12 июля 2010 г. http://www.physicsclassroom.com/Class/refrn/u14l2b.cfm

Ссылки ниже содержат дополнительную информацию об индексе преломления:

Лента новостей на эту тему

Примечание.

Компьютеризированный алгоритм сопоставления предлагает приведенные выше статьи. Он не такой умный, как вы, и иногда может давать юмористические, смешные или даже раздражающие результаты! Узнайте больше о новостной ленте

Материалы и оборудование

• Устройство, которое производит видимый лазерный луч, такой как лазерная указка или лазерный уровень (например, поиск «лазерная указка» в amazon.com ).
  • Многие виды лазеров легко доступны на рынке. Как правило, лазеры классифицируются по длине волны и максимальной выходной мощности, что делит их на один из нескольких классов, например, класс I, II, IIIa, IIIb, IV (см. Руководство по лазерной безопасности ). При работе с лазерами, пожалуйста, помните о мерах безопасности, которые необходимо соблюдать для предотвращения травм.
• Монтажное устройство, на которое опирается лазерное устройство, которое может легко указывать, куда направлен луч (на самом деле трудно будет увидеть лазерный луч, проходящий через воздух)
• Транспортир или самодельный транспортир, который может легко указывать угол преломления внутри желатина
• Желатин, прозрачный или светлый / прозрачный цвет, как правило, будет работать лучше всего
• Пластиковые контейнеры для формования желатина (различных форм и размеров при поиске одного из возможных вариантов ниже)

Помните о ваших расходных материалах

Экспериментальная процедура

рекомендуется наблюдение за взрослыми. Даже маломощные лазеры могут привести к необратимому повреждению глаз. Пожалуйста, внимательно просмотрите и следуйте Руководство по лазерной безопасности ,

Ниже приводится схема одного из способов проведения эксперимента; опять же, есть несколько вариантов и областей, в которые вы можете вставить свой собственный творческий потенциал (см. ниже):

1. Во-первых, придумайте свою собственную экспериментальную установку. В дополнение к пониманию теории, лежащей в основе эксперимента, этот проект требует большого экспериментального творчества и практического «игрового времени». Пожалуйста, подумайте, как можно измерить угол падения лазера, проходящего через желатин, относительно нормали (линии, которая перпендикулярна поверхности среды). Также, пожалуйста, подумайте, как можно точно направить лазерный луч от лазерной указки (или лазерного уровня) на заранее определенную «точку входа». Какой тип конструкции крепления вы бы придумали?

   Например, фотография ниже (с использованием ванны с жидкостью вместо желатина) представляет собой умную схему. Лазерный луч изначально был вдоль линии между плитками на столешнице (вы также можете использовать миллиметровку). Вы можете видеть немного луча, выходящего из лазера в центре круга, и вы можете видеть точку входа лазера в пластиковом контейнере. Эти две точки показывают исходную траекторию луча, и вы можете легко соединить точки для создания исходной траектории (обратите внимание, что нормаль, которая не показана, - это линия, которая проходит перпендикулярно стороне пластмассового контейнера, в которую попадают лазером). Таким образом, мы можем точно измерить угол здесь.

2. Сделайте желатин в соответствии с указаниями на коробке. Удалите желатин из контейнера, когда он застыл.
   1. Примечание: попробуйте сделать желатин в квадратном контейнере (как контейнер, показанный на фотографии выше). Если квадратный контейнер недоступен, используйте большой контейнер и нарежьте желатин в форме квадрата или «коробки» с чистыми и вертикальными краями. Наклонные и неровные края могут вызвать нарушение лазерного луча, поэтому важно, чтобы форма желатина была правильной.
   2. Примечание: желатин может деформироваться, если вы не будете осторожны при извлечении его из контейнера, или деформироваться инструментами, которые вы используете для его извлечения. Один из способов удаления желатина из контейнера состоит в том, чтобы поместить контейнер в горячую воду и дать ему некоторое время плавать на поверхности. Это смягчает края желатина внутри контейнера, позволяя перевернуть контейнер вверх дном, чтобы высвободить желатин. Извлечение желатина из контейнера дает чистый оптический интерфейс, но желатин может не оставаться ровным, когда он выходит из формы. Если стороны значительно выпуклые, углы будут искажены.
3. Установите лазерную указку на предварительно изготовленное устройство, которое будет указывать, куда направляется луч и каков угол падения (напомним, что на самом деле будет трудно увидеть лазерный луч, проходящий через воздух).
   1. Примечание. Важно, чтобы лазерный луч был перпендикулярен поверхности для правильного преломления.
4. Закрепите лазерное устройство и запишите угол падения относительно нормали.
5. Проложите лазер через желатин (вам может понадобиться другой человек, чтобы удержать кнопку, если вы используете простую лазерную указку) и измерьте угол преломления внутри желатина.
   1. Примечание . Измерение угла относительно нормали может быть сложным. Нужно помнить, что если смотреть прямо в преломляющую среду, то есть перпендикулярно поверхности, углы точны, но если смотреть в сторону от нормы, углы искажаются. Например, прямое попадание палки в воду выглядит разбитым на поверхности. Поэтому важно правильно настроить устройство измерения угла, чтобы можно было получать точные показания.
6. Найти скорость света в желатине: сначала используйте закон Снелла (см. Вкладку «Фон»), чтобы рассчитать показатель преломления желатина, а затем примените определение показателя преломления, чтобы найти скорость света в среде.

Если вам нравится этот проект, вам может понравиться исследовать эти связанные профессии:

Техник по фотонике

Вам нравится смотреть кабельное телевидение, текстовые сообщения на телефоне и в Интернете? Знаете ли вы кого-нибудь, кто перенес операцию на глаза и вернулся к нормальной жизни на следующий день? Многие из достижений в области телекоммуникаций и медицины связаны с лазерными и волоконно-оптическими технологиями. Эта технология привела к созданию устройств, которые обеспечивают более быструю и насыщенную связь, передовые операции и более быстрое время лечения, а также к удивительной робототехнике для производства. Но, как и со всем оборудованием, кто-то должен установить и поддерживать его. Это то, что делают специалисты по фотонике. Эти специалисты отвечают за сборку, установку, тестирование и обслуживание оптического и волоконно-оптического оборудования, такого как лазеры, линзы и оптические системы. Специалисты по фотонике вносят свой вклад в технологию, которая радикально изменила наше общение и жизнь. Прочитайте больше

Физик

У физиков есть большая цель - понять природу всей вселенной и всего в ней! Чтобы достичь этой цели, они наблюдают и измеряют природные события, наблюдаемые на Земле и во вселенной, а затем разрабатывают теории, используя математику, чтобы объяснить, почему эти явления происходят. Физики берут на себя задачу объяснения событий, которые происходят в самых грандиозных масштабах, какие только возможны, на уровне мельчайших атомных частиц. Затем их теории применяются к человеческим проектам, чтобы принести людям новые технологии, такие как компьютеры, лазеры и термоядерная энергия. Прочитайте больше

Учитель физики

Наша вселенная полна материи и энергии, и то, как эта материя и энергия движется и взаимодействует в пространстве и времени, является предметом физики. Учителя физики проводят свои дни, показывая и объясняя чудеса физики, которая лежит в основе всех других научных дисциплин, включая биологию, химию, науку о Земле и космосе. Их работа направлена ​​на развитие следующего поколения ученых и инженеров, в том числе всех работников здравоохранения. Они также помогают всем студентам лучше понять свой физический мир и то, как он работает в повседневной жизни, а также как стать лучше гражданами, понимая процесс научных исследований. Прочитайте больше

вариации

В этом проекте много областей, в которых можно использовать свое творчество:

• Лазерное монтажное устройство. Сделайте свое собственное устройство, чтобы лазерный луч точно входил в желатин в заранее определенной точке входа.

• Схема измерения угла преломления. Разработайте свою собственную схему для измерения угла преломления внутри желатина. Например, где бы вы разместили изготовленный на заказ транспортир, чтобы указать угол преломления относительно нормали?

• Быстрее или медленнее желатин. Попытайтесь изменить показатель преломления желатина и создать «более быструю» или «более медленную» среду. Например, что происходит, когда растворяют различные количества сахара в хорошо смешанном желатиновом растворе? Меняется ли показатель преломления желатина? Следовательно, как изменяется скорость света в желатине? Обратите внимание, что концентрацию раствора сахар-желатин можно представить, выполнив одностадийный процентный состав по массе, который в основном представляет собой массу растворенного вещества, деленную на массу раствора (масса растворенного вещества плюс масса растворителя), умножить на 100.

  Например: Определите процентный состав по массе 100 г раствора соли, который содержит 20 г соли.
  Раствор: 20 г NaCl / 100 г раствора х 100 = 20% раствор NaCl

  Из таблицы, показанной ниже, мы видим, что показатель преломления для 30% раствора сахара составляет 1,38, а для 80% раствора - 1,49. Можете ли вы проверить положительно коррелированную тенденцию для сахара?

• Другие легкодоступные материалы. Рассчитайте и проверьте показатели преломления других легко доступных материалов, таких как бытовые жидкости или лед. Например, этиловый спирт имеет показатель преломления 1,36, а у льда 1,31. Вы можете это проверить? Таблица показателей преломления для часто встречающихся материалов приведена ниже. Обратите внимание, что следует соблюдать особую осторожность, если вы используете пластиковый контейнер для жидкости, поскольку сам контейнер служит интерфейсом между лазером и средой. Пожалуйста, подумайте о способах минимизации этого искажения. Например, можете ли вы попытаться направить лазер на поверхность жидкости (под углом относительно нормали) сверху? Как бы вы измерили угол?

Материал Индекс Вакуум 1.00000 Воздух на STP 1.00029 Лед 1.31 Вода при 20 ° C 1.33 Ацетон 1.36 Этиловый спирт 1.36 Раствор сахара (30%) 1.38 Флюорит 1.433 Кварц плавленый 1.46 Глицерин 1.473 Раствор сахара (80%) 1.49 Оргстекло 1.51 Хрустальные стаканы 1.52-1.62 Натрий хлорид 1.54 полистирол 1.55-1.59 дисульфид углерода 1.63 кремневые стекла 1.57-1.75 иодистый метилен 1.74 сапфир 1.77 редкоземельный кремний 1.7-1.84 кремневое стекло лантана 1.82-1.98 трисульфидное стекло мышьяка 2.04 алмаз 2.417 фосфид галлия 3.50 Таблица 1. Показатели преломления для часто встречающихся материалов.

• Делая линзы поперечного сечения из желатина, затем «след луча» с лазером. В основном, трассировка лучей включает в себя установление положения и ориентации изображения объекта путем отслеживания стратегических лучей света от объекта, проходящего через объектив, используя знание фокусного расстояния объектива и положения объекта. Вот введение: http://boson.physics.sc.edu/~rjones/phys153/raytrace.html

Задайте вопрос эксперту

Форум «Спросите эксперта» предназначен для того, чтобы студенты могли найти ответы на научные вопросы, которые они не смогли найти с помощью других ресурсов. Если у вас есть конкретные вопросы о вашем научном проекте или научной ярмарке, наша команда ученых-добровольцев может помочь. Наши эксперты не сделают работу за вас, но они сделают предложения, предложат рекомендации и помогут вам устранить неполадки.
Задайте вопрос эксперту

Ссылки по теме

Лента новостей на эту тему

Примечание.

Компьютеризированный алгоритм сопоставления предлагает приведенные выше статьи. Он не такой умный, как вы, и иногда может давать юмористические, смешные или даже раздражающие результаты! Узнайте больше о новостной ленте

Ищете больше науки веселья?

Попробуйте одно из наших научных мероприятий для быстрого изучения науки в любое время. Идеальная вещь, чтобы оживить дождливый день, школьные каникулы или момент скуки.

Найти активность

Исследуйте наши научные видео

4 проекта Easy Robot Science для детей

10 робототехнических проектов, которые могут сделать дети!

Игрушечный парусник с килем

Спасибо за ваш отзыв!

Похожие

Комментарии