Номер 5, страница 226 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

Теоретическое обоснование: как лед зажигает огонь?

Возможность развести огонь с помощью куска льда основана на фундаментальном физическом явлении — преломлении света. Когда солнечные лучи, которые представляют собой практически параллельный пучок света, проходят через ледяную линзу, они меняют свое направление.

Ледяная линза, чтобы работать, должна иметь форму собирающей линзы, как правило, двояковыпуклую или плоско-выпуклую. Это означает, что ее центральная часть толще, чем края. Проходя из одной среды (воздух) в другую (лед), свет преломляется. Показатель преломления льда ($n_{ice} \approx 1.31$) больше показателя преломления воздуха ($n_{air} \approx 1.00$). Из-за выпуклой формы линзы все параллельные лучи после прохождения через нее собираются в одной точке, которая называется фокусом линзы.

Вся энергия солнечного света, падающая на поверхность линзы, концентрируется в этой маленькой точке. Это приводит к резкому повышению температуры материала, помещенного в фокус. Если температура достигнет температуры воспламенения материала (трута), он начнет тлеть, а затем может и загореться.

Оптическая сила линзы ($D$), которая определяет, насколько сильно линза собирает свет, зависит от радиусов кривизны ее поверхностей ($R_1$ и $R_2$) и показателя преломления материала. Для тонкой линзы в воздухе это описывается формулой: $D = \frac{1}{F} = (n - 1) (\frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2})$ где $F$ — фокусное расстояние, а $n$ — относительный показатель преломления материала линзы (в данном случае льда). Чем меньше фокусное расстояние $F$, тем сильнее концентрация энергии и тем быстрее можно разжечь огонь.

Ответ: Ледяная линза работает как обычная стеклянная лупа: она имеет выпуклую форму, которая заставляет параллельные солнечные лучи преломляться и собираться в одной точке (фокусе), концентрируя в ней световую энергию и значительно повышая температуру.

Инструкция по изготовлению ледяной линзы

Для успешного опыта ключевым является качество линзы. Она должна быть максимально прозрачной и иметь гладкую, правильную выпуклую форму.

1. Подготовка воды. Чтобы в линзе было как можно меньше пузырьков воздуха и примесей, которые рассеивают свет и снижают эффективность, используйте дистиллированную или предварительно прокипяченную и остуженную воду. Кипячение удаляет из воды растворенные газы.

2. Выбор формы (молда). Самый простой способ — заморозить воду в подходящей емкости. Идеально подойдет глубокая тарелка, миска или нижняя часть от большой пластиковой бутылки. Форма должна быть гладкой и иметь сферическое дно. Заполнив ее водой и заморозив, вы получите заготовку плоско-выпуклой линзы (одна сторона плоская, другая — выпуклая).

3. Заморозка. Поместите форму с водой в морозильную камеру. Чтобы получить более чистый лед, можно использовать направленную заморозку: теплоизолируйте стенки и дно контейнера, оставив открытым только верх. В этом случае замерзание пойдет сверху вниз, и все примеси и пузырьки будут вытеснены в нижнюю часть, которую потом можно будет отколоть или растопить.

4. Финальная обработка. После того как вода замерзнет, извлеките ледяную заготовку. Дайте ей немного подтаять, чтобы поверхность стала гладкой. Можно дополнительно отполировать ее руками — тепло рук будет плавить лед, сглаживая неровности. При обработке старайтесь придать линзе максимально симметричную двояковыпуклую форму для лучшей фокусировки.

Ответ: Чтобы изготовить ледяную линзу, нужно заморозить чистую (кипяченую или дистиллированную) воду в емкости с выпуклым дном (например, в миске). Полученную ледяную заготовку необходимо обработать и отполировать руками до получения гладкой выпуклой поверхности.

Проведение опыта: разжигание огня

Внимание:Опыт следует проводить на открытом воздухе, вдали от легковоспламеняющихся предметов и под присмотром взрослых. Имейте под рукой средства для тушения огня (вода, песок, огнетушитель).

Необходимые материалы:

• Ледяная линза.

• Ясный солнечный день.

• Трут — материал, который легко воспламеняется. Лучше всего подходит обугленная ткань (char cloth), сухой мох, птичий пух, измельченная сухая кора или бумага темного цвета. Темные материалы лучше поглощают свет.

Порядок действий:

1. Подготовьте трут, положив его на сухую, негорючую поверхность (камень, земля).

2. Возьмите ледяную линзу в руки. Держите ее так, чтобы ее плоскость была перпендикулярна направлению солнечных лучей.

3. Направьте линзу на трут. Перемещая линзу ближе или дальше от трута, найдите ее фокусное расстояние. Вы увидите, как на поверхности трута появляется маленькое, яркое световое пятно. Добейтесь того, чтобы это пятно было как можно меньше и ярче — это и есть фокус.

4. Зафиксируйте линзу в этом положении. Потребуется некоторое терпение. Поверхность линзы будет таять, поэтому ее нужно периодически протирать, чтобы капли воды не искажали лучи.

5. Через некоторое время (от десятков секунд до нескольких минут, в зависимости от яркости солнца и качества линзы) трут в точке фокуса начнет дымиться.

6. Когда появится устойчивый дымок и вы увидите тлеющий уголек, аккуратно, но энергично раздуйте его. Можно перенести тлеющий трут в заранее подготовленную растопку (тонкие сухие веточки, стружка) и раздуть пламя уже там.

Ответ: В солнечный день необходимо сфокусировать свет от ледяной линзы на сухом, темном, легковоспламеняющемся материале (труте). Удерживая линзу неподвижно, нужно дождаться, пока трут в точке фокуса не задымится и не начнет тлеть, после чего тлеющий уголек следует раздуть в пламя.