Курсовая работа (т): Демонстрационный эксперимент в современной средней школе

Рисунок 3.3 Осветительно-проекционная система

Главные задачи осветительной системы заключаются в создании максимальных светового потока <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B2%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B9_%D0%BF%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%BA> и равномерности освещённости <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D1%81%D0%B2%D0%B5%D1%89%D1%91%D0%BD%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C> экрана, а также спектрального состава излучения, близкого к дневному свету. От мощности осветительной системы зависит максимальный размер экрана кинозала и яркость <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AF%D1%80%D0%BA%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C> изображения, видимая зрителями, поэтому световой поток кинопроектора считается одной из важнейших характеристик. В зависимости от источника света применяются три основных типа осветительных систем: конденсорная <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D0%BD%D0%B4%D0%B5%D0%BD%D1%81%D0%BE%D1%80> с отражателем (с лампами накаливания), без конденсора с одним отражателем (с угольной дугой) и с эллипсоидным отражателем и сферическим контротражателем для ксеноновых ламп. В кинопроекторах с мощным источником света в осветительной системе применяется интерференционный теплофильтр, отводящий от киноплёнки значительную часть теплового инфракрасного излучения, уменьшая её нагрев. Первые кинофильмы печатались на киноплёнке с основой из нитроцеллюлозы, обладающей высокой износостойкостью. Но в то же время, такая киноплёнка была чрезвычайно горюча и даже взрывоопасна. Поэтому кинопроекторы первой половины XX века <https://ru.wikipedia.org/wiki/XX_%D0%B2%D0%B5%D0%BA> оснащались сложной противопожарной системой. Бобины с фильмом закрывались в огнеупорные противопожарные боксы, как и весь лентопротяжный тракт герметичной конструкции. Осветительная система оснащалась автоматической противопожарной заслонкой, падающей перед кадровым окном при случайной остановке или обрыве. В1940-х годах <https://ru.wikipedia.org/wiki/1940-%D0%B5_%D0%B3%D0%BE%D0%B4%D1%8B> большинство стран отказались от кинопленки из нитроцеллюлозы, заменив её триацетатной <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D1%86%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%BB%D1%86%D0%B5%D0%BB%D0%BB%D1%8E%D0%BB%D0%BE%D0%B7%D0%B0>. Последняя обладала более низкой износоустойчивостью, но относительно безопасна в пожарной отношении. Это упростило лентопротяжный тракт кинопроекторов, но противопожарная заслонка осталась в их конструкции до последнего времени. Например, самый массовый советский кинопроектор 23КПК <https://ru.wikipedia.org/wiki/23%D0%9A%D0%9F%D0%9A>, рассчитанный на показ обычных и широкоэкранных фильмокопий, оснащался автоматической противопожарной заслонкой АЗП-4, падающей между ксеноновой лампой и обтюратором в случае останова, обрыва плёнки или отключения электроэнергии.

Мощный световой поток, направляемый осветительной системой в кадровое окно, позволяет проекционному объективу строить на экране сильно увеличенное изображение высокой яркости. Объективы, применяемые в кинопроекторах, принципиально не отличается от используемых в других типах проекционных устройств. В стационарных кинопроекторах используются сменные объективы, часто устанавливаемые в поворотной турели. Для демонстрации анаморфированных <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BD%D0%B0%D0%BC%D0%BE%D1%80%D1%84%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BA%D0%B8%D0%BD%D0%BE%D1%84%D0%BE%D1%80%D0%BC%D0%B0%D1%82> фильмов применяются анаморфотные насадки, устанавливаемые перед объективом. Насадки могут быть как линзовыми, так и с использованием цилиндрических зеркал.

Однако это только одни из самых заметных явлений на сцене. Также используются световые эффекты в освещении сцены, задымление. В последнее время всё чаще используется диодная подсветка костюмов для создания или выражения определенных моментов или элементов танца, чаще всего это используется в мюзиклах и танцевальных программах. Не стоит также забывать о набравших популярность световых и лазерных шоу.

Практически любому физическому явлению можно найти применение на сцене. Поэтому на этих данных можно построить уроки внеклассных занятий по физике в виде экскурсии в театр, кинотеатр или какое-нибудь другое представление для учеников различных классов с дальнейшим их опросом. Что из увиденного может относится к физике? Почему?

.2 Создание аксессуара для сцены на основе катушки Тесла

Как уже говорилось выше любому элементу физики можно найти применение на сцене. Взяв за основу катушку Тесла, мной была поставлена задача, создать посох мага по принципе её работы. Для более эффективного образа на выступления в фестивале Хиган - 2015.

Рисунок 3.4 Маг Тауматург (Чудотворец). Final Fantasy XIV

Принцип работы катушки Тесла

Катушка Тесла представляет собой высокочастотный резонансный трансформатор без ферромагнитного сердечника, с помощью которого можно получить высокое напряжение на вторичной обмотке. Под действием высокого напряжения в воздухе происходит электрический пробой, подобно разряду молнии. Устройство изобретено Николой Теслой, и носит его имя.

Сама катушка представляет собой конструкцию из двух обмоток и тора. Вторичная обмотка цилиндрическая, наматывается на диэлектрической трубе медным обмоточным проводом, в один слой виток к витку, и имеет обычно 500-1500 витков. Оптимальное соотношение диаметра и длины обмотки равно 1:3,5 - 1:6. Для увеличения электрической и механической прочности, обмотку покрывают эпоксидным клеем или полиуретановым лаком. Обычно размеры вторичной обмотки определяют исходя из мощности источника питания, то есть высоковольтного трансформатора. Определив диаметр обмотки, из оптимального соотношения находят длину.

Рисунок 3.5 Пример электрической цепи катушки Тесла

Далее подбирают диаметр обмоточного провода, так чтобы количество витков примерно равнялось общепринятому значению. В качестве диэлектрической трубы обычно применяют канализационные пластиковые трубы, но можно изготовить и самодельную трубу, при помощи листов чертежного ватмана и эпоксидного клея. Здесь и далее речь идет о средних катушках, мощностью от 1 кВт и диаметром вторичной обмотки от 10 см.

На верхний конец трубы вторичной обмотки устанавливают полый проводящий тор, обычно выполненный из алюминиевой гофрированной трубы для отвода горячих газов. В основном диаметр трубы подбирают равным диаметру вторичной обмотки. Диаметр тора обычно составляет 0,5-0,9 от длины вторичной обмотки. Тор имеет электрическую емкость, которая определяется его геометрическими размерами, и выступает в роли конденсатора.

Проанализировав выше приведённые данные, я проделал следующие этапы в создании катушки:

Выбрал источник питания, так как полученный результат должен помещаться в трубу из ПВХ диаметром 55мм, выбор пал на две батарейки кроны по 9 вольт

Изготовил разрядник, которым послужили 2 болта вкрученных на расстоянии

Выбор конденсаторов и резисторов для катушки: гасящие резисторы на 10Мом для каждого конденсатора 0.33μF(всего 3 шт.)

Создание вторичной катушки, для неё была взята медная проволока толщиной 0,1 мм и произведено 700 витков

Для первичной обмотки медная проволока толщенной 3мм и составляющая 5 витков с внутренним диаметром 3см и внешним 4

Соединение всего в одну схему

Однако ожидаемого результата я не получил так как выходное напряжение и сила тока получились маленькими, и соответственно дуги из конца катушки тоже, и нужного эффекта не производили. А так как для того чтобы увеличить характеристики мне пришлось бы увеличивать и размеры катушки то она бы не вошла в посох. Следовательно, данную идею можно считать не реализованной.

.3 Разработка планов-конспектов мероприятий по изучению явлений и эффектов, используемых на современной сцене

Как было упомянуто выше, множество физических эффектов и явлений можно наблюдать на современной сцене. На основе данной информации и с учетом анализа сути явлений автором настоящей работы были составлены планы конспекты внеурочных занятий по физике, нацеленных на изучение таких явлений и их практического применения в сценической практике.

.3.1 Проектор своими руками: занятие в творческом кружке

Цели занятия:

познавательная: усвоение учащимися свойств линз (собирающих и рассеивающих), понятия фокусного расстояния; выяснение ими характера связи между положением предмета;

развивающая: способствовать развитию мышления, пространственного воображения, конструктивного мышления, коммуникативных качеств, умения работать в команде;

воспитательная: способствовать формированию научного мировоззрения, развитию бережного отношения с школьному оборудованию, аккуратности при построении чертежей и выполнении экспериментов.

Оборудование и материалы: собирающие и рассеивающие линзы, листы фанеры (плотного картона), клей (клейкая лента), линейка, карандаш, лобзик (ножницы).

Ход урока

Организационный этап (2мин)

Объяснение материала

Самостоятельная работа учащихся

Анализ проделанной работы

Организационный этап.

Подготовка рабочих мест, мотивация учащихся

Объяснение материала

В оптике линзой (нем. Linse, от лат. lens - чечевица) называют деталь из оптически прозрачного однородного материала, ограниченная двумя полированными преломляющими поверхностями вращения, например, сферическими или плоской и сферической. В настоящее время всё чаще применяются и «асферические линзы», форма поверхности которых отличается от сферы. В качестве материала линз обычно используются оптические материалы, такие как стекло, оптическое стекло, оптически прозрачные пластмассы и другие материалы. Однако линзы применяют не только в оптике, но и в СВЧ технике, для которой их изготавливают из непрозрачных диэлектриков или набора металлических пластин. В электронных микроскопах используют магнитные линзы. Магнитная линза - устройство, в котором постоянное магнитное поле используется для фокусирования пучка заряженных частиц (ионов или электронов) и применяющееся в электронных и ионных микроскопах. С принципом действия их мы познакомимся, изучая раздел «Электричество и магнетизм».

Для формирования изображений и концентрации световой энергии применяются также линзы Френеля и зонные пластинки Френеля. Действие этих линз основано на явлении дифракции, которое мы будем изучать в 10 классе и тогда сможем объяснить принцип их работы.

Возможно, вам покажется экзотическим понятие гравитационной линзы, с которым связан наблюдаемый на межгалактических расстояниях эффект отклонения электромагнитных волн массивными объектами. Этим понятием оперируют в теории гравитации.

Линзы разных типов, не имея внешнего сходства в строении, предназначены для реализации сходных эффектов в отношении пучков света, электромагнитных волн СВЧ диапазона или пучков заряженных частиц. Посредством линз изменяют размеры или форму поперечного сечения пучков, формируют изображения объектов и т.п.

На данном занятии ограничимся изучением свойств оптических линз.

В зависимости от формы ограничивающих поверхностей различают выпуклые и вогнутые

Рисунок 3.6 - Двояковыпуклая линза

Рисунок 3.7 - Двояковогнутая линза

В зависимости от действия, оказываемого на пучок параллельных световых лучей, различают собирающие (рисунок 3.6) и рассеивающие (рисунок 3.7) линзы.

То, какое именно действие произведет линза на световой пучок, зависит не только от ее формы, но и от свойств материала, из которого она изготовлена. Например, двояковыпуклая стеклянная линза в воздухе является собирающей, а после погружения в жидкость, показатель преломления которой больше показателя преломления стекла, - рассеивающей.

Собирающей или рассеивающей свет может быть плоскопараллельная пластинка, изготовленная из материала с переменным показателем преломления, изменяющимся в зависимости от расстояния от ее оси симметрии. Огромные по размерам «линзы» такого типа формируются в атмосфере - неоднородность ее свойств, в частности показателя преломления, обусловливает мерцание звёзд в ночном небе.

В сложных оптических приборах содержится не одна линза, а системы линз, образующие функциональные узлы прибора. Чтобы производить расчет хода лучей в сложных оптических системах и оценивать качество получаемых изображений, нужно знать законы распространения света через отдельные элементы прибора, в том числе через одиночные линзы.

Даже в быту, а не только при произведении физических экспериментов важно уметь определять характерные расстояния линз.

Фо́кусное расстоя́ние (англ. <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BD%D0%B3%D0%BB%D0%B8%D0%B9%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D1%8F%D0%B7%D1%8B%D0%BA> focal length) - физическая характеристика оптической системы <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D0%BF%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D1%81%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0> (и одиночной линзы). Для оптической системы, состоящей из сферических поверхностей, центры кривизны которых лежат на одной прямой, фокусное расстояние характеризует ее способность собирать лучи в одну точку F' при условии, что эти лучи идут из бесконечности параллельным пучком параллельно оптической оси (для собирающих линз, рисунок 3.6 ). При падении пучка параллельных лучей на рассеивающую линзу, наблюдателю кажется, что они вышли из одной точки F, положение которой неодинаково для разных линз (рисунок 3.7). Точку F' (для рассеивающей линзы точку F) называют главным фокусом линзы, а расстояние от линзы до нее - фокусным расстоянием.

Для системы линз, как и для простой линзы <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B8%D0%BD%D0%B7%D0%B0> конечной толщины, фокусное расстояние зависит от радиусов кривизны поверхностей, показателей преломления стёкол и окружающей их среды, от толщины линз.

Определяется как расстояние от передней главной точки до переднего фокуса <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%B4%D0%BD%D0%B8%D0%B9_%D1%84%D0%BE%D0%BA%D1%83%D1%81> (для переднего фокусного расстояния), и как расстояние от задней главной точки до заднего фокуса <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%B4%D0%BD%D0%B8%D0%B9_%D1%84%D0%BE%D0%BA%D1%83%D1%81> (для заднего фокусного расстояния <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%B4%D0%BD%D0%B5%D0%B5_%D1%84%D0%BE%D0%BA%D1%83%D1%81%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D1%80%D0%B0%D1%81%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%8F%D0%BD%D0%B8%D0%B5>). При этом, под главными точками подразумеваются точки пересечения передней (задней) главной плоскости <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%BB%D0%B0%D0%B2%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D0%BF%D0%BB%D0%BE%D1%81%D0%BA%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8_%D0%BE%D0%B1%D1%8A%D0%B5%D0%BA%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%B0> с оптической осью <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D0%BF%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D0%BE%D1%81%D1%8C>.

Величина заднего фокусного расстояния <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%B4%D0%BD%D0%B5%D0%B5_%D1%84%D0%BE%D0%BA%D1%83%D1%81%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D1%80%D0%B0%D1%81%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%8F%D0%BD%D0%B8%D0%B5> является основным параметром, которым принято характеризовать любую оптическую систему.

Собирающая линза может быть обращена к бесконечно удаленному от нее предмету любой стороной, вследствие чего лучи по прохождении через линзу могут собираться как с одной, так и с другой её стороны. Таким образом, линза имеет два фокуса - передний и задний. Расположены они на оптической оси по обе стороны линзы на фокусном расстоянии от главных точек линзы.

Построим изображение предмета высотой y (рисунок 3.8) и обозначим высоту изображения y'. Величину  называют линейным увеличением.

Продемонстрируем правила определения положения изображения предмета, сформированного тонкой линзой, с использованием лучей, идущих параллельно главной оптической оси линзы (красный луч), через её оптический центр (голубой луч) и через передний главный фокус (сиреневый луч). Заметим, что ход сопряжённых лучей в пространстве предметов и пространстве изображений обратим.

Собирающая тонкая линза, предмет на расстоянии большем фокусного, но меньшем удвоенного фокусного расстоянии: f ≤ а1 ≤ 2f

Рисунок 3.8 Собирающая тонкая линза

Изображение действительное (получено при пересечении преломлённых лучей), перевёрнутое (y´ < 0), увеличенное (), расположено на расстоянии большем удвоенного фокусного расстояния: а2 > 2f.

Фокусное расстояние F линзы можно выразить через расстояние от линзы до предмета d и расстояние от линзы до изображения f, а также через показатели преломления материала линзы n и окружающей ее среды n0 и радиусы кривизны поверхностей линзы R1 и R2. Названные величины связаны формулой тонкой линзы: