Страница 226 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

ПРОЕКТЫ И ИССЛЕДОВАНИЯ

1. «Алмазы на траве, или почему роса сверкает» (возможная форма: презентация, реферат, опыты).

Сверкание капель росы, поэтично сравниваемое с алмазами на траве, является результатом сложного взаимодействия солнечного света с водой и объясняется фундаментальными законами оптики. Рассмотрим это явление по шагам.

1. Образование и форма капель росы

Для начала разберемся, что такое роса и почему её капли имеют характерную форму. Роса образуется, когда водяной пар в воздухе конденсируется на поверхностях (траве, листьях, паутине), температура которых опустилась ниже точки росы. Это обычно происходит прохладными, безветренными ночами.

Форму капель определяет явление поверхностного натяжения. Молекулы воды притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам воздуха. Эти силы стремятся минимизировать площадь поверхности жидкости. При заданном объеме минимальную площадь поверхности имеет шар. Поэтому маленькие капли росы принимают почти идеальную сферическую форму, которая является ключом к их оптическим свойствам.

Ответ: Роса — это вода, сконденсировавшаяся из воздуха на остывших поверхностях. Силы поверхностного натяжения придают каплям росы сферическую форму.

2. Оптические явления, вызывающие сверкание

Каждая капля росы работает как крошечная оптическая система, в которой свет претерпевает несколько преобразований:

• Преломление (Рефракция): Когда солнечный луч входит из воздуха в каплю воды (оптически более плотную среду), он преломляется, то есть изменяет свое направление. Поскольку поверхность капли выпуклая, она действует как собирающая линза, фокусируя свет внутри себя.
• Полное внутреннее отражение (ПВО): Достигнув задней стенки капли (границы вода-воздух), свет может либо выйти наружу, либо отразиться обратно внутрь. Если угол падения луча на эту границу превышает так называемый критический угол, происходит полное внутреннее отражение. Для границы вода-воздух критический угол $\theta_c$ составляет около $48.8^\circ$. Свет, испытавший ПВО, отражается от внутренней поверхности капли как от идеального зеркала и направляется обратно, к наблюдателю. Именно этот отраженный свет создает яркий, сверкающий блик.
• Дисперсия: Белый свет Солнца состоит из волн разной длины, которые мы воспринимаем как разные цвета. Показатель преломления воды немного зависит от длины волны: для фиолетового света он чуть больше, чем для красного. Из-за этого при преломлении на входе в каплю и выходе из нее белый свет расщепляется на спектр. Это явление называется дисперсией. Поэтому, если присмотреться, сверкание росы может переливаться всеми цветами радуги, что и роднит его с игрой света в ограненном алмазе.

Таким образом, капля росы, освещенная солнцем, собирает свет, отражает его от своей задней поверхности и посылает обратно в виде яркого, часто разноцветного луча.

Ответ: Сверкание росы обусловлено тремя оптическими явлениями в каплях-сферах: преломлением света на входе, полным внутренним отражением от задней стенки капли и дисперсией, которая разлагает белый свет на цвета радуги.

3. Эффект «алмазного ковра»

Почему же сверкает не вся трава одновременно, а мы видим отдельные мерцающие точки? Яркий блик от капли виден только тогда, когда Солнце, капля и глаз наблюдателя выстраиваются под определенным углом. Для каждой капли этот угол свой. Когда мы двигаемся, наше положение относительно Солнца и мириадов капель постоянно меняется. Поэтому мы последовательно попадаем в «зону блеска» то одних, то других капель. Это создает динамичную картину сверкающего и переливающегося поля, усыпанного «алмазами».

Ответ: Мы видим россыпь сверкающих «алмазов», потому что каждая отдельная капля сверкает только под определённым углом к наблюдателю и Солнцу. При нашем движении этот угол постоянно достигается для разных капель, создавая эффект мерцания по всей поверхности.

4. Простые опыты для демонстрации

Понять описанные явления можно с помощью простых опытов, которые легко провести самостоятельно.

• Эффект линзы: Возьмите пипетку и капните каплю воды на газетный текст. Вы увидите, что буквы под каплей увеличатся — капля работает как лупа, демонстрируя преломление света.
• Полное внутреннее отражение: Налейте воду в прозрачный стакан. Посмотрите снизу вверх на поверхность воды под углом. Вы увидите, что поверхность воды блестит как зеркало — это и есть ПВО. Более наглядно можно направить луч лазерной указки снизу вверх на поверхность воды под большим углом. Луч не выйдет из воды, а отразится от поверхности.
• Дисперсия: В солнечный день можно направить струю воды из пульверизатора или шланга с мелким распылителем против солнца. В облаке водяной пыли вы увидите радугу — это результат дисперсии света в мириадах капель.

Ответ: Явления преломления, полного внутреннего отражения и дисперсии, объясняющие сверкание росы, можно наблюдать в простых опытах с водой, стаканом и источником света.

2. «История микроскопа» (возможная форма: презентация, реферат, опыты).

История микроскопа — это увлекательный путь от простых увеличительных стекол до сложнейших приборов, позволяющих видеть отдельные атомы. Развитие микроскопии напрямую связано с прогрессом в физике, оптике, биологии и медицине.

Предпосылки и первые увеличительные приборы

Идея увеличения небольших объектов с помощью изогнутых прозрачных поверхностей известна с древности. Римский философ Сенека еще в I веке н.э. писал, что «буквы, сколь бы малыми и неясными они ни были, видятся крупнее и отчетливее через стеклянный шар, наполненный водой». В Средние века, примерно с 1000 года, монахи-переписчики использовали так называемые «камни для чтения» — плоско-выпуклые линзы, которые клали на текст для его увеличения.

Настоящим прорывом стало изобретение очков в Италии около 1286 года. Это событие дало мощный толчок развитию технологии шлифовки линз, что и создало техническую базу для появления первых микроскопов.

Ответ: Основы для создания микроскопа были заложены еще в античности, а ключевым технологическим шагом стало изобретение очков в XIII веке, которое усовершенствовало производство линз.

Изобретение составного микроскопа

Создание первого прибора, который можно назвать микроскопом, является предметом споров, но чаще всего его приписывают голландским мастерам по изготовлению очков, Хансу и Захарию Янсенам, примерно в 1590 году. Их прибор представлял собой трубку с двумя линзами (объективом и окуляром) и давал увеличение от 3 до 9 раз. Качество изображения было невысоким, но сама идея составного микроскопа была революционной.

В 1609 году знаменитый итальянский ученый Галилео Галилей, создав свой телескоп, обнаружил, что если изменить расстояние между линзами, прибор можно использовать для рассматривания близких мелких объектов. Свой прибор он назвал «оккиолино» (глазок). Сам термин «микроскоп» был предложен в 1625 году членом «Академии деи Линчеи» Джованни Фабером для описания прибора Галилея.

Ответ: Составной микроскоп, использующий комбинацию объектива и окуляра, был изобретен на рубеже XVI-XVII веков, вероятнее всего, голландскими оптиками Янсенами, и независимо усовершенствован Галилео Галилеем.

Золотой век микроскопии: XVII век

XVII век стал временем великих открытий, сделанных с помощью микроскопа. Двумя ключевыми фигурами этой эпохи были англичанин Роберт Гук и голландец Антони ван Левенгук.

Роберт Гук в 1665 году опубликовал свой знаменитый труд «Микрография» (Micrographia). Это был первый научный бестселлер, содержащий детальные и прекрасно выполненные гравюры объектов, увиденных Гуком под микроскопом. Он изобразил блоху, глаз мухи и многие другие объекты. Рассматривая срез пробки, Гук увидел ячеистую структуру, которую он назвал «клетками» (от англ. cell — ячейка, келья), введя этот фундаментальный термин в биологию.

Антони ван Левенгук, торговец тканями из Делфта, не был профессиональным ученым, но стал величайшим микроскопистом своего времени. Он освоил искусство шлифовки линз и создавал простые (однолинзовые) микроскопы, но с невероятным для того времени увеличением — до 270 раз и более. С помощью своих приборов Левенгук первым в мире увидел и описал микроорганизмы (которых он назвал «анималькулями»), эритроциты, сперматозоиды, строение мышечных волокон и многое другое. Он открыл для человечества целый невидимый мир живых существ.

Ответ: XVII век — «золотой век» микроскопии, ознаменованный публикацией «Микрографии» Роберта Гука, введшего понятие «клетка», и революционными открытиями Антони ван Левенгука, который первым наблюдал мир микроорганизмов.

Усовершенствования XVIII и XIX веков

Долгое время составные микроскопы уступали по четкости изображения простым микроскопам Левенгука из-за серьезных оптических искажений — хроматической и сферической аберраций. В XVIII веке основное внимание уделялось улучшению механической части приборов, но оптика оставалась проблемой.

Решающий прорыв произошел в XIX веке. В 1830 году английский оптик-любитель Джозеф Джексон Листер разработал способ создания ахроматических объективов, комбинируя линзы из разных сортов стекла (крона и флинта), что позволило практически полностью устранить хроматическую аберрацию.

Во второй половине XIX века создание микроскопов перешло от ремесла к науке благодаря сотрудничеству трех выдающихся людей в немецком городе Йена: механика Карла Цейса, физика-оптика Эрнста Аббе и химика-технолога Отто Шотта. Аббе разработал строгую математическую теорию формирования изображения в микроскопе, вывел критерий разрешения ($d = \frac{\lambda}{2n \sin\alpha}$) и показал пути улучшения объективов. Шотт, основываясь на расчетах Аббе, создал новые сорта оптического стекла с нужными характеристиками. А Цейс воплотил все это в массовом производстве высококачественных микроскопов, которые стали эталоном во всем мире. Были также внедрены иммерсионные объективы и конденсоры (например, конденсор Аббе), что еще больше повысило разрешающую способность.

Ответ: В XIX веке были решены главные проблемы оптических микроскопов: устранены аберрации (Листер) и создана научная теория конструирования микроскопов (Аббе, Цейс, Шотт), что привело к созданию оптически совершенных приборов.

Современные микроскопы: XX и XXI века

В XX веке стало ясно, что разрешающая способность светового микроскопа ограничена длиной волны света. Чтобы увидеть объекты меньшего размера, чем половина длины волны видимого света (около 200 нанометров), потребовались новые подходы.

• Электронный микроскоп. Изобретен в 1931 году Эрнстом Руской и Максом Кноллем. Вместо фотонов света он использует пучок электронов, длина волны которых значительно короче. Это позволило увеличить разрешение в тысячи раз и увидеть вирусы, клеточные органеллы и даже крупные молекулы.
• Фазово-контрастная и флуоресцентная микроскопия. Методы, разработанные в середине XX века, позволили наблюдать живые, неокрашенные клетки (Фриц Цернике, Нобелевская премия 1953 г.) и подсвечивать специфические структуры внутри них с помощью флуоресцентных меток.
• Конфокальная микроскопия. Разработанная Марвином Минским в 1957 году, эта технология позволяет получать очень четкие оптические «срезы» образца, устраняя фоновый шум от других слоев.
• Сканирующая зондовая микроскопия. В 1981 году Герд Бинниг и Генрих Рорер создали сканирующий туннельный микроскоп (Нобелевская премия 1986 г.), который позволил впервые в истории увидеть отдельные атомы на поверхности материала. Позже на его основе был создан атомно-силовой микроскоп (АСМ).
• Суперразрешающая микроскопия. В начале XXI века были разработаны методы (STED, PALM, STORM), которые позволяют обойти дифракционный предел светового микроскопа и получать изображения с разрешением в десятки нанометров (Нобелевская премия по химии 2014 г.).

Ответ: XX и XXI века ознаменовались выходом за пределы возможностей световой микроскопии с созданием электронных, зондовых и суперразрешающих микроскопов, которые открыли для изучения наномир и позволили исследовать объекты на молекулярном и атомарном уровнях.

Идея для опытов

Если у вас есть доступ к учебному световому микроскопу, вы можете повторить некоторые из классических наблюдений:

1. Клетки кожицы лука. Снимите тонкую прозрачную пленку с внутренней стороны чешуи лука, поместите ее в каплю воды на предметное стекло, накройте покровным и рассмотрите. Вы увидите четко различимые растительные клетки.
2. «Анималькули» Левенгука. Возьмите каплю воды из лужи, пруда или аквариума. С большой вероятностью вы обнаружите в ней быстро движущихся одноклеточных — инфузорий, амеб и других простейших.
3. Кристаллы. Рассмотрите под малым увеличением кристаллы поваренной соли или сахара. Вы увидите их правильную геометрическую форму.

Ответ: Простые опыты с учебным микроскопом позволяют самостоятельно увидеть клеточную структуру растений, мир микроорганизмов и правильную форму кристаллов, повторяя путь великих исследователей прошлого.

3. «Оптические иллюзии» (возможная форма: презентация, реферат, опыты).

1. Что такое оптические иллюзии?

Оптические или зрительные иллюзии — это неверное, искаженное восприятие реальных объектов или явлений, возникающее у человека. Проще говоря, это случаи, когда мы видим не то, что есть на самом деле. Важно понимать, что оптические иллюзии не являются признаком нарушения зрения или психического расстройства. Они представляют собой нормальное явление, связанное со спецификой работы нашей зрительной системы и процессами обработки информации в головном мозге. Мозг постоянно пытается интерпретировать сигналы, поступающие от глаз, на основе предыдущего опыта и встроенных "правил". Иногда эти правила приводят к систематическим ошибкам, которые мы и воспринимаем как иллюзии. Изучение этих иллюзий помогает ученым лучше понять, как устроен и функционирует сложный механизм человеческого зрения и восприятия.

Ответ: Оптические иллюзии — это обманчивые зрительные восприятия, которые возникают из-за особенностей строения и функционирования зрительной системы человека, а также из-за психологических аспектов интерпретации визуальной информации мозгом.

2. Причины возникновения оптических иллюзий

Причины возникновения иллюзий можно условно разделить на две большие группы: физиологические и когнитивные.

Физиологические иллюзии напрямую связаны с устройством и работой наших органов чувств. Например, яркий свет может "засветить" фоторецепторы в сетчатке глаза, и мы некоторое время будем видеть остаточное изображение (послеобраз). Другой пример — иррадиация: светлые объекты на темном фоне кажутся больше своих реальных размеров, потому что свет от них возбуждает не только соответствующие им рецепторы, но и соседние.

Когнитивные иллюзии возникают на этапе обработки визуальной информации мозгом. Наш мозг использует различные эвристики (упрощенные правила) для быстрого построения целостной картины мира. Например, он автоматически учитывает перспективу, тени, контекст. Когда эти правила применяются к необычным или двусмысленным изображениям, возникают ошибки интерпретации.

• Иллюзии неоднозначности: возникают, когда изображение можно интерпретировать двояко (например, ваза Рубина).
• Искажающие иллюзии: мозг неверно оценивает размер, форму или длину из-за влияния окружающих объектов (например, иллюзия Мюллера-Лайера).
• Парадоксальные иллюзии: вызваны изображениями объектов, которые не могут существовать в трехмерном пространстве (например, треугольник Пенроуза).

Ответ: Причины оптических иллюзий кроются как в физиологии зрительного аппарата (например, утомление рецепторов сетчатки), так и в когнитивных процессах мозга, который пытается интерпретировать визуальные сигналы на основе накопленного опыта и встроенных правил, что иногда приводит к систематическим ошибкам.

3. Виды оптических иллюзий

Оптические иллюзии чрезвычайно разнообразны, и их можно классифицировать по характеру искажения восприятия:

• Иллюзии восприятия размера: Объекты одинакового размера кажутся разными из-за влияния перспективы или окружающих элементов. Классический пример — иллюзия Понцо, где два одинаковых отрезка, размещенных на сходящихся линиях (как железнодорожные пути), кажутся разными по длине.
• Иллюзии цвета и контраста: Восприятие цвета и яркости объекта сильно зависит от фона. Самый известный пример — иллюзия с шахматной доской Адельсона, где две клетки, окрашенные в абсолютно одинаковый серый цвет, воспринимаются как черная и белая из-за тени, падающей на одну из них.
• Искажающие иллюзии (дисторсии): Прямые линии могут казаться изогнутыми, а параллельные — пересекающимися. Например, в иллюзии Геринга параллельные прямые линии на фоне лучей, исходящих из центра, кажутся выгнутыми.
• Двойственные (неоднозначные) изображения: Изображения, которые допускают несколько равноправных интерпретаций. Мозг "переключается" между вариантами, не в силах выбрать один. Примеры: "Утка-заяц", "Моя жена и моя теща".
• Иллюзии движения: Статические, неподвижные изображения создают полный эффект движения. Это достигается за счет определенного расположения контрастных цветовых пятен и форм, которые "обманывают" участки мозга, ответственные за восприятие движения. Пример — "Вращающиеся змеи" Акиоши Китаоки.
• Невозможные фигуры: Изображения объектов, которые нарушают законы геометрии и не могут существовать в реальном трехмерном мире, но могут быть нарисованы. К ним относятся лестница Пенроуза и невозможный трезубец.

Ответ: Оптические иллюзии классифицируются по типу искажения: иллюзии размера, цвета и контраста, геометрические искажения, двойственные изображения, иллюзии движения и невозможные фигуры.

4. Опыты с оптическими иллюзиями

Многие оптические иллюзии можно легко воспроизвести и изучить в виде простых опытов.

Опыт 1: Комната Эймса.

Описание: Это комната неправильной, трапециевидной формы, но при взгляде через специальное отверстие она кажется обычной прямоугольной. Если в дальних углах комнаты стоят два человека, то один из них кажется зрителю гигантом, а другой — карликом. Когда они меняются местами, их "размеры" тоже меняются.

Объяснение: Наш мозг, привыкший к прямоугольным помещениям, настаивает на том, что комната имеет правильную форму. Из-за этого он неверно интерпретирует расстояние до людей и, как следствие, их размер. Человек в более близком (но кажущемся таким же далеким) углу проецируется на сетчатку как больший объект, и мозг делает вывод, что он гигант.

Как провести: Построить точную модель комнаты Эймса сложно, но можно найти множество видеодемонстраций или интерактивных симуляций в интернете.

Опыт 2: Волчок Бенхэма.

Описание: Это диск, одна половина которого черная, а на другой нанесены черные дуги разной длины. Если этот диск быстро вращать, то на белой части появляются цветные кольца, хотя на самом диске никаких цветов нет. Эти цвета называют субъективными или фиктивными.

Объяснение: Точного объяснения феномена нет, но основная теория гласит, что разные типы фоторецепторов-колбочек в сетчатке глаза (отвечающие за красный, зеленый и синий цвета) имеют разную скорость реакции и время "отдыха". Быстрое чередование черного и белого стимулирует их по-разному, и мозг интерпретирует эту разницу в сигналах как появление цвета.

Как провести: Можно распечатать шаблон волчка Бенхэма из интернета, наклеить его на картон и раскрутить с помощью карандаша или юлы.

Ответ: Проведение опытов, таких как демонстрация комнаты Эймса или вращение волчка Бенхэма, позволяет наглядно убедиться в существовании оптических иллюзий и исследовать механизмы их возникновения.

4. «Солнечные часы» (возможная форма: презентация, реферат, опыты, макет).

Солнечные часы — это один из древнейших приборов, изобретенных человечеством для измерения времени. Их работа основана на видимом движении Солнца по небу в течение дня. В этом материале мы рассмотрим принцип их действия, историю, различные виды, а также инструкцию по созданию простого макета.

1. Принцип работы солнечных часов

Основной принцип работы солнечных часов заключается в отслеживании положения тени, отбрасываемой специальным стержнем — гномоном. Гномон устанавливается на размеченной плоскости, называемой циферблатом или кадранОм. В течение дня Земля вращается вокруг своей оси, что создает иллюзию движения Солнца по небу. Вместе с изменением положения Солнца перемещается и тень от гномона, указывая на часовые деления на циферблате.

Важно понимать, что солнечные часы показывают истинное местное солнечное время, которое может отличаться от стандартного поясного времени, используемого в повседневной жизни. Это различие возникает из-за неравномерности движения Земли по орбите, наклона земной оси и системы часовых поясов.

Ответ: Солнечные часы определяют время по положению тени от гномона, которое изменяется вследствие суточного вращения Земли.

2. История солнечных часов

История солнечных часов насчитывает тысячелетия. Первые упоминания о них встречаются в Древнем Египте и Вавилоне примерно в 1500 году до н.э., где в качестве гномонов использовались огромные каменные обелиски. Древние греки и римляне усовершенствовали этот прибор, создав более точные и разнообразные конструкции. Знаменитый римский архитектор Витрувий описывал около 13 различных типов солнечных часов.

В Средние века солнечные часы были распространены в монастырях для определения времени молитв. Наука о конструировании солнечных часов, гномоника, достигла своего расцвета в эпоху Возрождения. Создавались не только точные, но и богато украшенные часы, которые были настоящими произведениями искусства. С появлением и распространением механических часов в XVII-XVIII веках солнечные часы постепенно утратили свою практическую значимость, но до сих пор остаются популярными в качестве декоративных элементов, учебных пособий и памятников науки.

Ответ: Солнечные часы прошли долгий путь развития от простых обелисков в Древнем Египте до сложных и точных приборов эпохи Возрождения, играя ключевую роль в измерении времени до изобретения механических часов.

3. Основные виды солнечных часов

Существует множество конструкций солнечных часов, которые различаются ориентацией циферблата и гномона.

• Горизонтальные часы: Циферблат расположен на горизонтальной плоскости. Гномон (его часть, отбрасывающая тень, называется полюс) должен быть направлен на Полярную звезду (в Северном полушарии), то есть его угол наклона к горизонтали должен быть равен географической широте места установки ($ \phi $). Часовые метки на таком циферблате нанесены неравномерно.
• Вертикальные часы: Циферблат располагается на вертикальной стене, обычно ориентированной строго на юг. Принцип установки гномона схож с горизонтальными часами, но расчет часовых линий сложнее.
• Экваториальные часы: Считаются наиболее простыми с точки зрения разметки. Их циферблат наклонен так, чтобы быть параллельным плоскости земного экватора. Гномон устанавливается перпендикулярно циферблату. Угол наклона циферблата к горизонтали равен $(90^\circ - \phi)$. Преимущество этой конструкции в том, что часовые деления на циферблате нанесены равномерно, через каждые $15^\circ$ ($360^\circ / 24$ часа).
• Аналемматические часы: В этой оригинальной конструкции роль гномона выполняет сам человек. Часовые метки расположены по эллипсу, а человек должен встать на специальную шкалу дат в центре, чтобы его тень указала правильное время.

Ответ: Основные виды солнечных часов — горизонтальные, вертикальные, экваториальные и аналемматические, различающиеся ориентацией циферблата и гномона, а также сложностью разметки.

4. Как сделать макет экваториальных солнечных часов

Создание простого макета экваториальных часов — увлекательный опыт, который поможет лучше понять их принцип работы.

Материалы: плотный картон или фанера, транспортир, линейка, циркуль, карандаш, ножницы или нож для резки, клей, деревянная шпажка или карандаш для гномона.

Порядок действий:

1. Определите свою широту. Узнайте географическую широту ($\phi$) вашего населенного пункта. Например, для Москвы $\phi \approx 56^\circ$.
2. Создайте циферблат. На листе картона начертите круг. С помощью транспортира разделите его на 24 равных сектора по $15^\circ$ каждый. Пронумеруйте линии от 6 (восток) через 12 (верх) до 18 (запад). Это будут часовые отметки с 6 утра до 6 вечера. Вырежьте круг и сделайте в центре отверстие для гномона.
3. Сделайте подставку. Из картона вырежьте прямоугольное основание и треугольную опору. В опоре один из углов должен быть равен вашей широте $\phi$.
4. Соберите конструкцию. Приклейте треугольную опору к основанию. Затем приклейте циферблат к наклонной стороне опоры (гипотенузе треугольника).
5. Установите гномон. Вставьте шпажку или карандаш в центральное отверстие циферблата так, чтобы он был строго перпендикулярен его плоскости.
6. Настройка и использование. В солнечный день разместите часы на ровной горизонтальной поверхности. С помощью компаса сориентируйте их так, чтобы гномон был направлен на север (в Северном полушарии). Тень от гномона укажет на текущее солнечное время.

Проводя опыты, можно сравнить показания ваших часов с обычными и проследить, как меняется разница в течение года. Эта разница называется уравнением времени.

Ответ: Для создания макета экваториальных солнечных часов нужно изготовить циферблат с равномерными делениями, установить его под углом $(90^\circ - \phi)$ к горизонту и вставить перпендикулярный гномон, направив его на север.

5. Уравнение времени и точность часов

Как упоминалось, солнечные часы показывают истинное солнечное время, а наши наручные или настенные часы — среднее гражданское время. Расхождение между ними складывается из нескольких факторов:

• Уравнение времени: Это разница между истинным и средним солнечным временем, возникающая из-за эллиптической формы орбиты Земли и наклона её оси вращения. В течение года эта поправка изменяется в пределах от -14 до +16 минут.
• Долгота: Гражданское время одинаково для всего часового пояса, а солнечное время зависит от конкретной долготы места.
• Летнее время: Перевод часов на летнее время вносит дополнительное расхождение в один час.

Таким образом, для получения точного гражданского времени по солнечным часам необходимо вносить соответствующие поправки.

Ответ: Точность солнечных часов ограничена, а их показания (истинное солнечное время) отличаются от гражданского времени из-за уравнения времени, разницы в долготе и перехода на летнее время.

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.