Файл: Итоговый индивидуальнный проект.docx

МУНИЦИПАЛЬНОЕ АВТОНОМНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ "СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА № 3" ГОРОДСКОГО ОКРУГА ЗАКРЫТОЕ АДМИНИСТРАТИВНО-ТЕРРИТОРИАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ ГОРОД МЕЖГОРЬЕ РЕСПУБЛИКИ БАШКОРТОСТАН

ИТОГОВЫЙ ИНДИВИДУАЛЬННЫЙ ПРОЕКТ

Давление света. Солнечный ветер

Информационный проект

Выполнила ученица 11 класса Орлова Анастасия

Руководитель проекта

Межгорье

2021

Содержание

Оглавление

Среди многообразий свойств света есть особое явление - давление света на поверхность тел. В зависимости от свойств поверхности тел, являются они отражающими или поглощающими, свет оказывает разное давление.  Несмотря на то, что величина светового давления очень мала, тем не менее, световое давление может принести пользу человеку.

Увлечение космическим туризмом и книга Я.И. Перельмана “Занимательная физика”, а точнее глава седьмая “лучи света”, часть девятая “по океану Вселенной” обратили мое внимание на тему использования оптомеханических эффектов в космосе.

Актуальность: Сейчас вопрос о световом давлении и солнечном ветре очень широко используется в физике и в астрономии. По данной теме можно отметить:

• 
  Появление нового источника энергии – солнечный ветер.
  
• 
  Изобретение оптического пинцета, который является одним из важных инструментов для изучения квантовых систем
  
• 
  Изобретение "солнечного паруса", который использует давление света для сообщения тяги космическим аппаратам
  

Сегодня множество научных групп по всему миру занимаются исследованием оптомеханических эффектов

Цель работы: изучить теоретический материал по теме «Давление света. Солнечный ветер», выяснить области их применения и рассказать об этом.

Задачи:

• 
  Обосновать актуальность темы.
  
• 
  Познакомить аудиторию с работами ученых, которые рассмотрели этот вопрос.
  
• 
  Рассказать, о природе света, его давлении и об истории изучения представлений о свете и его свойствах.
  
• 
  Рассказать о роли солнечного ветра в движении космического аппарата, оснащенным «солнечным парусом».
  

---

Готовый продукт  – мультимедийная презентация

Историческая справка

Впервые предположение о том, что давление света существует, было сделанонемецким учёным Иоганном Кеплером в XVII веке.

Изучая поведение комет, пролетающих вблизи Солнца, он обратил внимание на то, что хвост кометы всегда отклоняется в сторону, противоположную Солнцу. Кеплер предположил, что каким-то образом это отклонение вызывается воздействием солнечных лучей.

Максвелл исходил из того, что свет - это электромагнитная волна. Она создаёт электрическое поле, под действием которого электроны в теле, встречающиеся на её пути, совершают колебания. В теле возникает электрический ток, направленный вдоль напряжённости электрического поля. Со стороны магнитного поля на электроны действует сила Лоренца. Её направление совпадает с направлением распространения световой волны. Эта сила и есть сила светового давления.

По расчётам Максвелла, солнечный свет производит на чёрную пластину давление определённой величины (р = 4 ·10⁻⁶ Н/м²). А если вместо чёрной пластины взять светоотражающую, то световое давление будет в 2 раза больше.

Но это было всего лишь теоретическое предположение. Чтобы доказать его, нужно было подтвердить теорию практическим экспериментом, то есть измерить величину светового давления. Но так как его величина очень мала, то практически сделать это чрезвычайно сложно.

На практике этот сложный эксперимент осуществил русский физик-экспериментатор Пётр Николаевич Лебедев.

Опыт, проведенный им в 1899 г., подтвердил предположение Максвелла о том, что световое давление на твёрдые тела существует

Для проведения своего опыта Лебедев создал специальный прибор, который представлял собой стеклянный сосуд. Внутрь сосуда помещался лёгкий стерженёк на тонкой стеклянной нити. По краям этого стерженька были прикреплены тонкие лёгкие крылышки из различных металлов и слюды. Из сосуда выкачивался воздух. С помощью специальных оптических систем, состоящих из источника света и зеркал, пучок света направлялся на крылышки, расположенные с одной стороны стерженька. Под воздействием светового давления стерженёк поворачивался, и нить закручивалась на какой-то угол. По величине этого угла и определяли величину светового давления.

---

Лебедеву удалось измерить давление света и показать, что давление, оказываемое светом на блестящее крылышко, в два раза больше давления на черное крылышко. Результаты опыта подтвердили теоретические предположения Максвелла о существовании светового давления. А его величина была почти такой же, как и предсказал Максвелл.

Давление света одинаково успешно объясняется как волновой, так и квантовой теорией света.

С точки зрения квантовой теории световое давление объясняется передачей импульса фотона поглощающей или отражающей стенке.

Что такое солнечный ветер?

Обычно под словом ветер мы подразумеваем воздушный поток, состоящий из определенного набора газов, находящихся в земной атмосфере. Но есть другое понятие – солнечный ветер. Это ионизированный поток частиц, вытекающих из короны звезды в окружающий космос. Источниками потока являются все существующие звезды, поэтому можно употреблять название «звездный ветер», оно тоже правильное.

Раскаленное состояние звезды обусловлено происходящими внутри нее термоядерными процессами. Корональная часть Солнца разогрета примерно до 1 млн. градусов. В таких температурных условиях атомы движутся с невероятной скоростью, сталкиваются и разлетаются во все стороны. Газы, входящие в состав короны, расширяются, стремятся занять как можно больше пространства.

Газовый поток, удаляясь от светила, набирает скорость, долетает до Земли за несколько суток. Каждую секунду Солнце испускает около 1 млн. тонн ионизированных частиц.

Перспективы использования солнечного ветра. «Солнечный парус»

В свете всех существующих особенностей такого уникального космического явления, как солнечный ветер, становится очень интересно найти ему практическое применение. И конечно речь пойдет о «солнечном парусе».

Первым космическим спутником с работающим солнечным парусом стал японский аппарат IKAROS. Его запуск состоялся 21 мая 2010 года, когда тонкий парус с 20-метровой диагональю пребывал в сложенном виде. После выхода на орбиту, парус начал раскрываться и завершил этот процесс только спустя неделю после начала. При помощи этого паруса и солнечного света, аппарат смог регулировать направление своего движения. Однако, потом аппарат попал в тень и впал в «спячку», из-за чего эксперимент пришлось остановить.

---

Весной 2013 года эстонский спутник ESTCube-1, оснащённый парусом, был выведен на орбиту. К сожалению, попытка была неудачной, так как парус не смог раскрыться.

Но ученые не опустили руки, и испытания солнечного паруса идет прямо сейчас. Если взглянуть на ночное небо, там вполне можно заметить космический аппарат LightSail 2 от Планетарного сообщества. Он был выведен на орбиту нашей планеты в июне 2019 года при помощи ракеты-носителя Falcon Heavy. Спустя несколько недель он раскрыл свой солнечный парус — его площадь равна 32 квадратным метрам и именно поэтому у людей есть возможность разглядеть его с Земли. Подумать только — парус имеет почти такую же площадь, что и среднестатистическая квартира!

Принцип работы солнечного паруса:

Свет оказывает влияние на все аппараты на орбите планеты или в межпланетном пространстве. К примеру, обычный космический корабль, следующий на Марс, будет смещен более чем на 1000 км по направлению от Солнца. Эти эффекты учитываются при планировании траектории космического путешествия со времен самого первого межпланетного космического корабля 1960-х годов.

Использование этой технологии удобно на межзвездных орбитах, где любые действия выполняются низкими темпами. Вектор силы светового паруса ориентирован вдоль солнечной линии, что увеличивает энергию орбиты и момент импульса, в результате чего корабль движется дальше от Солнца. Для изменения наклона орбиты вектор силы оказывается вне плоскости вектора скорости.

Давление, создаваемое потоком солнечного света (фотонами), заставит аппарат двигаться в сторону от Солнца, при этом не будет расходоваться ракетное топливо. По аналогии с морскими парусами происходит маневрирование в космосе. Изменяя угол расположения конструкции, можно корректировать направление полета. Недостатком использования паруса является отсутствие возможности движения к Солнцу. При большом удалении от нашей звезды фотонный поток слабеет пропорционально квадрату расстояния, а на границе системы его сила упадет до 0. Поэтому чтобы обеспечить стабильный поток света и начальный разгон паруса, необходимы мощные лазерные установки. На сегодня разработаны конструкции двух типов: разгоняемые электромагнитными волнами и фотонными импульсами.

Преимущества «солнечных парусов»

Солнечные паруса действительно работают и совсем скоро спутники могут лишиться своих ионных двигателей. Это заметно снизит их стоимость, потому что солнечные паруса явно обходятся дешевле двигателей, ведь по сути это — зеркальное полотно, растянутое вокруг спутника. К тому же, аэрокосмическим компаниям не придется тратить деньги на дорогостоящее топливо — в «парусных» спутниках оно попросту не нужно.

---

Заключение

Таким образом, современные технологии уже трудно себе представить без оптических сил. И если в области исследования космоса их применение еще требует проверки временем, то на микро- и наноуровне им зачастую просто нет замены. Эта молодая область науки и техники не стоит на месте и активно развивается, а мы надеемся, что ее плоды будут приносить нам новые удивительные открытия.

Источники

Солнечный парус. Давление света // Яндекс-дзен URL: https://zen.yandex.ru/media/elemphys/solnechnyi-parus-davlenie-sveta-5f562cb13b3fcc0674dfb213

Сила света — от атомов до космических кораблей // Коммерсантъ URL: https://www.kommersant.ru/doc/3283616

Солнечный ветер // Тайна природы URL: https://tainaprirody.ru/kosmos/solnechnyj-veter

Что такое «солнечный парус» и как он работает? // Hi-News.ru URL: https://hi-news.ru/technology/chto-takoe-solnechnyj-parus-i-kak-on-rabotaet.html

Солнечный парус: конфигурации, принцип работы. // FB URL: https://fb.ru/article/357153/solnechnyiy-parus-konfiguratsii-printsip-rabotyi-kosmicheskie-puteshestviya

---