Урок-лекция
Скачать 1.2 Mb.
|
| § 33. Искусственный цвет. (Урок-лекция). Тут мы подходим к самой сущности импрессионизма. Живописец должен писать только семью красками спектра и изгнать с палитры все остальное… К. Моклер, французский критик. ? Каким образом глаз воспринимает цвет? На чем основана трехцветная теория зрения? Как современные приборы создают заданный цвет? Т ! рехцветная теория зрения. Основные цвета. Дополнительные цвета. Глаз как оптическая система. Свет - электромагнитная волна. Дисперсия света. * (Физика 7-9 кл). Органы чувств, их роль в жизни человека. Нарушения зрения и слуха, их профилактика. (Биология, основная школа). Естествознание 10 § 20. Цветовые особенности зрения. Название параграфа может показаться странным. С одной стороны с давних времен художники научились создавать цвет искусственным путем, смешивая краски на мольберте. Иногда этот цвет близок к тому, что мы наблюдаем в природе. Иногда краски выглядят непривычно, как «синяя зелень» на полотнах художника Сезанна. Если под искусственным цветом понимать именно эту непохожесть на натуральный цвет, то современная полиграфия добилась выдающихся успехов. Принципиально можно создать цвет, неотличимый от естественного. Будет ли он естественным? Для ответа на этот вопрос необходимо исследовать спектры. Вспомните, о чем говорилось в § 20. Спектры желтого излучения атомов натрия и спектры желтого излучения Солнца различаются. И все-таки в обоих случаях на спектрограмме есть участки желтого цвета. Может показаться странным, но, если снять спектр желтого излучения с монитора компьютера, то в той области спектра, где должен быть желтый цвет будет слабое свечение, а ярко будут светиться участки красного и зеленого цвета. Но и без спектрографа можно убедиться, что «наши глаза обманывают». Достаточно посмотреть на желтый участок экрана монитора через лупу. Вы увидите красные, зеленые и черные точки, но не желтые участки. Почему же возникает иллюзия желтого цвета? Сетчатка нашего глаза содержит три типа рецепторов. Каждый из них в основном реагирует на свой цвет – синий, красный и зеленый. На Рис. 1 приведены кривые спектральной чувствительности для трех типов рецепторов.
Как видно из рисунка области чувствительности рецепторов перекрываются. На желтую линию (0,58 мкм) одновременно реагируют «красный» и «зеленый» рецепторы. Но такая же реакция будет, если мы подадим на сетчатку красную (0,65 мкм) и зеленую (0,54 мкм) линии в правильной пропорции. Аналогично, смешивая синий и зеленый цвета, можно создать голубой цвет. Современные способы создания искусственного цвета. Избирательная чувствительность рецепторов глаза позволяет обосновать трехцветную теорию зрения. В соответствии с этой теорией любой, воспринимаемый человеком цвет можно создать, искусственно смешивая синий, зеленый и красный цвета в определенных пропорциях. Эти три цвета были названы основными цветами. Обычно эти цвета обозначаются буквами RGB (соответствующие английские слова red, green, blue). Смешенные в одинаковых пропорциях два каких-либо основных цвета дают дополнительные цвета. Смешивая красный и зеленый цвета, мы получим желтый (обозначение Y – yellow), смешивая зеленый и синий – получим голубой (обозначение С – cyan), и, наконец, смешивая синий и красный, получим цвет, отсутствующий в спектре – пурпурный или сиреневый (обозначение M – magenta). Отсутствие в спектре означает, что этому цвету не может быть сопоставлена какая-либо монохроматическая волна. Дополнительными вышеуказанные цвета называются потому, что при смешивании их с соответствующими основными (Y+B, C+R, M+G) получается белый цвет. На самом деле в качестве основных цветов можно было бы выбрать эти три дополнительные цвета, и, смешивая их, получить любой цвет. Следует отметить некоторое различие изображений, возникающих на экране телевизора (электронно-лучевого монитора компьютера) и на листе бумаги. Цвет изображения образуется из-за того, что атомы или молекулы вещества излучают или поглощают свет определенной длины волны, соответствующей энергетическому расстоянию между уровнями атома или молекулы (E=h). Красный цвет на экране монитора образуется потому, что молекулы при возбуждении их электронным лучом излучают волну, частота которой соответствует красному цвету. Если покрыть подобным веществом лист белой бумаги, то вещество при падании на бумагу солнечного света будет поглощать волну той же частоты, то есть красный цвет будет задерживаться веществом красителя. Все остальные волны будут проходить через вещество, отразившись от листа бумаги. В соответствие с трехцветной теорией зрения мы получим белый минус красный цвет, то есть голубой цвет. Поэтому в качестве основных цветов при печати изображений на бумаге используются C, M и Y цвета, то есть при печати на бумагу последовательно наносятся изображения в соответствующем цвете. Фактически каждый из соответствующих красителей поглощает соответственно R, G и B цвет. Сложение C, M, Y цветов в различной пропорции и дает все возможные цвета, которые мы видим на изображении на листе бумаги. Например, красный цвет получается при сложении M+Y. Следует также отметить, что, если на экране монитора сложение трех основных цветов приводит к белому цвету, то одновременное наложение красителей C, M и Y приводит к тому, что слой краски не пропускает соответственно R, G и B лучи, то есть не пропускает никакого цвета. Это означает, что сложение трех цветов R+G+B дает черный цвет. Реально при использовании красителей цвет получается серый, поскольку линии поглощения красителя являются достаточно узкими и пропускают часть света. Поэтому в цветных принтерах помимо красителей C, M, Y входит также краситель черного цвета. Смешивание цветов на мольберте художника с последующим нанесением их на холст эквивалентно последовательному наложению изображений при полиграфической печати. Каждый участок холста поглощает падающий на него свет (например, солнечный свет). В результате, чем больше цветов смешивается на мольберте, или чем больше мазков различного цвета наносится на один и тот же участок холста, тем более тусклым, «не сочным» становится цвет. Именно такими и выглядят картины старых мастеров живописи. Положение попытались исправить, и на взгляд многих вполне успешно, художники импрессионисты. Они наносили на холст мелкие мазки чистых, не смешанных цветов. При близком рассмотрении подобное изображение выглядит неестественным. Однако при удалении от холста попадающие на сетчатку глаза цвета смешиваются, подобно тому, как смешиваются цвета от различных точек экрана монитора или телевизора. В результате цветовая гамма выглядит сочной и яркой. Во всех современных устройствах, создающих цветовое изображение, используется принцип смешивания трех цветов. Однако смешивание происходит различным способом. Первый способ используется при цветной печати, когда на бумагу последовательно наносятся изображения в трех цветах. Аналогичный способ используется в фотографии при создании цветных слайдов. Второй способ заключается в создании изображения из мелких элементов трех основных цветов. Этот способ используется в электронно-лучевых и жидкокристаллических мониторах компьютеров. Таким же образом создается цветное изображение в цветных дисплеях мобильных телефонов и плазменных панелях. Третий способ используется при проецировании цветного изображения на белый экран при помощи проектора. В этом способе на экран также проецируется три одноцветных изображения. Однако изображения не вычитаются, подобно тому, что происходит на листе бумаги, а складываются, подобно сложению изображений от различных цветных участков монитора. Цветовое восприятие глаза осуществляется при помощи рецепторов трех типов, реагирующих на красный, синий и зеленый цвета. Искусственное создание цвета различными устройствами основано на возможности получить любой воспринимаемый глазом цвет путем смешивания трех основных или трех дополнительных цветов. 1. * При смешении цветов относительный вклад того или иного из основных цветов дает оттенок цвета. Однако цвет характеризуется также яркостью и насыщенностью. Исследуйте, как эти параметры влияют на относительный вклад основных цветов. Для этого используйте компьютерную программу Word. В режиме рисования используйте одну из трех кнопок: цвет заливки, цвет линий, цвет шрифта. Далее переходя в подменю, выберите: другие цвета линий, спектр. Установка крестика изменяет оттенок цвета и насыщенность. Движком справа можно менять яркость. 2. Чем можно объяснить дефект зрения, связанный с неправильным восприятием цвета? 3. В процессе цветной фотографии, связанной с проявлением фотопленки и последующим изготовлением фотоотпечатков, на фотопленке появляется негативное цветное изображение. Подобное изображение можно получить, используя компьютерные графические программы. Например, в русифицированной программе Photoshop соответствующий эффект дает меню: изображение, настройка, перевернуть. Что, по-вашему мнению, представляет собой негативное цветное изображение? § 34. Приборы, использующие корпускулярные свойства света. (Урок-лекция). Они часто исполняли камерную музыку – Планк играл на фортепиано, Эйнштейн – на скрипке; оба, совершенно поглощенные музыкой и счастливые. Из статьи М. Борна «Макс Карл Эрнст Людвиг Планк (1858-1947)» К ? акое явление является основой работы фотоэлемента? Что такое внутренний фотоэффект? Какие приборы работают на основе внутреннего фотоэффекта? Что такое вынужденное излучение? Каковы принципы работы квантовых усилителей света и оптических квантовых генераторов? В ! акуумный фотоэлемент. Внутренний фотоэффект. Фотосопротивление. Солнечные фотопреобразователи. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью. Спонтанное излучение. Вынужденное излучение. Лазер. Инверсная заселенность. Накачка. Свет - электромагнитная волна. ( * Физика 7-9 кл). Естествознание 10 § 20, 22, 23. Вспомните, именно с именами М. Планка и А. Эйнштейна связано открытие корпускулярных свойств света. Оно фактически положило начало квантовой теории, в становлении которой немалая заслуга физика М. Борна. Однако вряд ли кто-либо в начале 20 века предполагал, насколько важным в практическом отношении будет это открытие. Практическое использование внешнего и внутреннего фотоэффекта. Известное вам явление фотоэффекта называют также внешним фотоэффектом, поскольку выбитые светом электроны начинают двигаться вне металла. В соответствии с ним сила тока, создаваемая выбитыми из металла электронами, пропорциональна интенсивности падающего излучения. Это позволило создать прибор – вакуумный фотоэлемент, преобразующий оптический сигнал – изменяющийся во времени свет, в электрический сигнал – изменяющийся во времени ток. Фотоэлементы используются в качестве датчиков в самых разнообразных устройствах. Примером могут служить турникеты в метро: при прохождении через турникет пассажир последовательно перекрывает несколько лучей света, которые засвечивают фотоэлементы. С появлением звукового кино фотоэлементы стали работать в киноустановках. На специальной звуковой дорожке на краю киноленты записывался звук. Визуально запись видна как полоска с изменяющейся прозрачностью. Проходящий через звуковую дорожку свет изменяет во времени свою интенсивность, фотоэлемент преобразует этот сигнал в электрический сигнал, который через усилитель поступает на громкоговоритель (Рис. 1).
Развитие телевидения привело к необходимости создания передающих телевизионных трубок. Длительное время такие трубки, основанные на явлении внешнего фотоэффекта, являлись единственными приборами, преобразующими изображение в электрический сигнал. Еще более практичным оказался внутренний фотоэффект обнаруженный в полупроводниках. При внутреннем фотоэффекте поглотивший квант света электрон не вылетает из полупроводника, а лишь переходит в состояние с большей энергией, подобно тому, как это происходит в атоме. Однако если в исходном состоянии с меньшей энергией электрон был прочно связан со «своим» ядром, то в возбужденном состоянии он оказывается более свободным и может, двигаясь по кристаллу, участвовать в создании электрического тока. На опыте это проявляется в уменьшении сопротивления полупроводника при освещении его светом. Соответствующие приборы, называемые фотосопротивлениями успешно работают в качестве датчиков также как и фотоэлементы, однако имеют существенно меньшие габариты. Еще более интересные и практичные эффекты были открыты, когда стали исследоваться явления, происходящие на границах между различными полупроводниками, полупроводниками и металлами, полупроводниками и диэлектриками. Были сконструированы приборы, вырабатывающие электрический ток под воздействием света - солнечные фотопреобразователи. Они, например, успешно работают в солнечных батареях космических станций. В других приборах под воздействием света в течение некоторого времени накапливается электрический заряд, который затем считывается и преобразуется в электрический сигнал. Их назвали фоточувствительные приборы с зарядовой связью. Совокупность из таких приборов на одном кристалле (до одного миллиона элементов) образует ПЗС матрицу, о которой упоминалось в § 29 (аббревиатура ПЗС соответствует приборы с зарядовой связью). Каждый из этого множества элементов отвечает за преобразование света, поступающего в область расположения элемента, в электрический сигнал. Отличительной чертой таких приборов является их чрезвычайная компактность, (матрицы имеют размеры в несколько сантиметров), и малое потребление энергии. Именно ПЗС матрицы работают в настоящее время в цифровых фотоаппаратах, видеокамерах (в том числе и в мобильных телефонах), сканерах. Внешний и внутренний фотоэффекты являются основой действия приборов, преобразующих световой сигнал в электрический сигнал. Эти приборы используются во множестве современных устройств, в частности в устройствах, преобразующих видеоизображение в электрический сигнал. Квантовые усилители света и оптические квантовые генераторы. Понятия усилитель и генератор пришли в оптику из радиотехники. Под усилителем подразумевают устройство, усиливающее поступающий на него электрический сигнал. Усилители работают во всех электронных и радиотехнических устройствах. Генератор в радиотехнике и электронике – устройство, производящее периодический электрический сигнал с заданными свойствами. Оптические квантовые усилители и генераторы аналогичны радиотехническим, но усиливают и генерируют световой сигнал, то есть электромагнитную волну в видимом диапазоне спектра. Более обыденный термин для оптических квантовых генераторов – лазер. Слово лазер происходит от английской аббревиатуры laser – light amplification by stimulated emission of radiation, что можно перевести как усиление света посредством вынужденного излучения. Чтобы понять принцип работы лазера необходимо разобраться с термином вынужденное излучение. Вспомните, процесс излучения света с точки зрения современной теории обусловлен переходом электрона в атоме или молекуле с более высокого энергетического уровня на более низкий уровень и испусканием кванта света. При поглощении света происходит обратный переход и поглощение кванта. Если атом находится на высоком уровне энергии, он может самопроизвольно без внешнего воздействия (спонтанно) перейти на низкий уровень. Излучение кванта света при таком процессе называется спонтанным излучением. Однако переход на более низкий уровень может произойти и под влиянием внешнего электромагнитного поля, то есть при взаимодействии атома с «налетевшим» на него квантом света. В результате такого процесса исходный квант сохраняется, но в дополнение к нему изучается точно такой же квант света. Такое излучение называется вынужденным излучением, (налетевший квант вынуждает атом излучить еще один квант). Процесс вынужденного излучения, как и процесс поглощения света, имеет резонансный характер, то есть происходит, когда частота вынуждающего кванта связана с разностью энергий в атоме соотношением: h = E. Процессы излучения и поглощения можно охарактеризовать также энергией, которая излучается или поглощается в единицу времени (поглощаемой и излучаемой мощности). От чего зависит эта величина? Во-первых, она пропорциональна энергии кванта h. Во-вторых, с точки зрения квантовой теории она пропорциональна вероятности того, что атом находится в соответствующем состоянии, то есть на определенном энергетическом уровне. Если атомов много (газ), то такая вероятность пропорциональна числу атомов n, находящихся в состоянии с данной энергией. Величина n характеризует заданный энергетический уровень и называется заселенностью данного уровня энергии. Таким образом, излучаемая и поглощаемая мощность пропорциональна заселенности уровня. Кроме того, поглощаемая мощность, как и мощность вынужденного излучения, пропорциональна интенсивности света падающего на атом (чем больше налетающих квантов, тем более вероятен процесс). Очень часто при рассмотрении процессов излучения и поглощения достаточно ограничиться квантами лишь одной частоты, а значит рассмотреть всего два уровня энергии в атоме. Сопоставим нижнему уровню индекс 1, а верхнему – индекс 2. Тогда все вышесказанное удобно представить в виде таблицы:
От чего зависят величины n1 и n2? «Одинокий атом» (ни с чем не взаимодействующий) в результате процессов спонтанного излучения, в конце концов, переходит на самый низший уровень. Перевести его в состояние с большей энергией (возбудить атом) можно несколькими способами.
Если имеет место только тепловое воздействие, то газ атомов находиться в состоянии термодинамического равновесия, в этом случае всегда n1 > n2 (нормальная заселенность). Процессы 2 и 3 могут нарушать термодинамическое равновесие и создавать инверсную заселенность, при которой n1 < n2. Что происходит при освещении газа светом, резонансным с переходом между уровнями 1 и 2? Процессы поглощения и вынужденного излучения начинают конкурировать друг с другом (Рис. 2).
Если газ находится в состоянии термодинамического равновесия, доминировать будут процессы поглощения, газ ослабляет свет, и Iпрош. < Iпад. Если же газ находится в состоянии с инверсной заселенностью, то доминировать будут процессы вынужденного излучения, газ будет усиливать свет, и Iпрош. < Iпад. Квантовые усилители света – это приборы, в которых тем или иным способом реализуется инверсная заселенность. Процесс создания инверсной заселенности называют накачкой. Ну а как же работают квантовые генераторы? Нужно вспомнить о спонтанном излучении, которое всегда существует при инверсной заселенности. Именно спонтанное излучение является «зародышем», из которого при дальнейшем усилении света возникает мощное лазерное излучение. Вынужденное излучение – излучение атома под воздействием падающего на него кванта света. Квантовые оптические усилители света – приборы, работающие на основе вынужденного излучения и создания инверсной заселенности атомов.
§ 35. Принцип работы лазера. (Урок-практикум). - Ничего не понимаю! – сказал Шура, допилив до конца и разнимая гирю на две яблочные половины. – Это не золото! - Пилите, пилите, - пролепетал Паниковский. И. Ильф, Е. Петров. Золотой теленок. К ? ак связаны разность заселенностей уровней и коэффициент усиления в оптическом квантовом усилителе? Как эти величины зависят от эффективности накачки? Свет - электромагнитная волна. ( * Физика 7-9 кл). Естествознание 10 § 20, 22, 23. Цель работы: При помощи мультимедийной программы исследовать связь между засаленностями уровней, коэффициентом усиления и эффективностью накачки в оптическом квантовом усилителе. Оборудование: Персональный компьютер, мультимедийный диск («Открытая физика»). План работы: Выполняя последовательно задание, получить данные из компьютерного эксперимента по изучению двухуровневой модели лазера, занести их в таблицы и произвести их обработку. Сделать вывод, поставленный в цели работы. Научный эксперимент – это часто рутинная, нудная работа. И иногда приходится много «пилить», чтобы убедиться, что «это не золото». Но во многих случаях только аккуратный, методично поставленный эксперимент может подтвердить или опровергнуть ту или иную гипотезу. Мы предлагаем вам поставить компьютерный эксперимент, чтобы убедиться в некоторых положениях, о которых говорилось в предыдущем параграфе. Задание 1. Компьютерная двухуровневая модель позволяет наблюдать процессы поглощения, спонтанного излучения, вынужденного излучения и усиления света. Первые три процесса наблюдаются вне взаимосвязи между ними. Проведите эти наблюдения. Обратите внимание на статистический характер процессов. Опишите наблюдения. Задание 2. Изучите компьютерную модель усиления света. Постарайтесь понять обозначения, используемые в этой модели. Попробуйте запускать процесс, приостанавливать его, выбирать новые параметры. Задание 3. Параметр P в данной модели, названный уровнем накачки, определяет эффективность накачки. Его значения - некоторые относительные числа. Чем больше P, тем эффективная накачка. Далее проведите эксперименты для трех значений P – 10, 90 и 100. (Если у Вас есть возможность и желание, можно увеличить число экспериментов, выбрав другие значения P). Установите заданное значение P и запустите процесс. Приостанавливайте процесс при значениях Nвх равных 10, 20, 30, ... 100. Каждый раз считывайте значения Nвых, n1, n2, занося результаты в таблицы:
Примечание: Ничего страшного, если Вам не удастся приостановить программу при значениях Nвх, приведенных в таблице. Если, например, вместо значения 40 вы получите при остановке значение 42, именно его и занесите в таблицу. Задание 4. Это и последующие задания удобно выполнять, используя программу MS Excel. Для каждой из трех таблиц заполните клетки для n и k. Вычислите средние значения n и k по отдельности для каждой из таблиц (имеются в виду средние арифметические). Сделайте вывод, при каком из значений P происходит усиление, а при каком поглощение света. Задание 5. Постройте график зависимости kср(nср), для трех значений, полученных в результате обработки таблиц. Скорее всего, Вы получите ломаную линию. Теория дает прямолинейную зависимость. Предложите гипотезу, объясняющую несовпадение теории и эксперимента. Подсказка. Вспомните о погрешностях и о статистическом характере законов микромира. Коэффициент усиления квантового усилителя света увеличивается с увеличением разности заселенностей основного и возбужденного уровня, которая, в свою очередь определяется эффективностью накачки. Дополнительные источники информации. 1. Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев. Физика 11 кл. 2. Детская энциклопедия. § 36. Свойства лазерного излучения и использование лазеров. (Урок-лекция). Луч описал петлю в воздухе и упал на носовую часть нашего пакетбота. Послышалось ужасающее шипение, вспыхнуло зеленоватое пламя разрезаемой стали. А.Н. Толстой. Гиперболоид инженера Гарина. К ? акие основные свойства лазерного излучения отличают его от излучения других источников света? На какие типы подразделяются лазеры? Какие применения находят лазеры? О ! птический резонатор. Оптическая накачка. Химические лазеры. Полупроводниковые лазеры. Свет - электромагнитная волна. ( * Физика 7-9 кл). Естествознание 10 § 20, 22, 23. Свойства излучения лазера. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Похожие:
 | Урок формирования знаний Конференция, урок-диспут, урок-лекция, урок-экскурсия,, урок-поиск, урок снежный ком и др | | Лекция I и проблема языка и сознания лекция II 31 слово и его семантическое... Монография представляет собой изложение курса лекций, про* читанных автором на факультете психологии Московского государственного... |
| «Давление газа» Данный урок является развивающим, так как он проводится с использованием новых технологий (интерактивная лекция). Лекция сопровождается... |  | Лекция религии современных неписьменных народов: человек и его мир... Редактор Т. Липкина Художник Л. Чинёное Корректор Г. Казакова Компьютерная верстка М. Егоровой |
| Урок конференция. Доклады и выступления учащихся по следующим темам Расцвет реализма в литературе, живописи, музыке, театральном искусстве. Урок лекция с элементами беседы | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Урок 1-й. Урок – лекция «Эвенки Забайкалья: общая характеристика. Традиционное жилище эвенков» |
| Урок информатики на тему: «Знакомство с графическим редактором Paint.» Тип урока по форме проведения: урок – лекция с элементами исследования и имитации деятельности компьютерных художников на этапе выполнения... | | Лекция №5 Лекция №5 Вредные вещества и их воздействие на человека. Основы промышленной токсикологии |
| Урок патриотизма Урок лекция, основанный на использовании технологий развивающего обучения Новицкий И. Б. Римское право: учеб для юрид высш учеб заведений и фак. 2011. 298 с. 30 экз | | Урок изучения нового Урок изучения нового традиционный (комбинированный), лекция, экскурсия, исследовательская работа, учебный и трудовой практикум. Имеет... |
| Урок-лекция Назначение и использование компас-график. Гост оформления конструкторской документации | | Урок-лекция Рассмотрите изображение странного объекта. Выскажите версии относительно его предназначения |
| Урок изучения нового материала Лекция 12. Основные вопросы управления образованием и организации учебного процесса 72 | | Урок Русская литературно-критическая и философская мысль второй половины... Рабочая программа по предмету «Литература» в 10 классе создана на основе федерального компонента государственного стандарта основного... |
| Урок 114. «Мятежный человек, полный бунтующих страстей». Слово о... Урок посвящается биографии писателя и обзору его творчества. Лекция учителя и сообщения заранее подготовленных учеников о личности... | | Лекция. Проектирование графического интерфейса пользователя Лекция №11 Комплексная программа «Программа воспитания и обучения в детском саду» под редакцией М. А васильевой, В. В. Гербовой, Т. С. Комаровой... |
