Проект по физике

Муниципальное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №7 г.Ртищево Саратовской области.»

Содержание

Введение.

Глава 1. Теоретическая часть.

1.1.  Применение лазера в различных сферах жизни.

1.2.  Строение и принцип работы лазера.

1.3.  Техника безопасности по работе с лазером и паяльником.

1.4.  Составление списка необходимых деталей.

Глава 2. Практическая часть.

2.1. Процесс сборки лазера.

2.2. Испытание лазера.

Заключение.

Список использованных источников и литературы.

Приложение.

Введение.

Проблема:

В современном мире люди часто используют лазеры в повседневной жизни. Их можно встретить практически везде: начиная с брелков и заканчивая оружием. В школьном курсе физики лазеры почти не рассматриваются, и мало кто знает принцип их работы. Я решила сравнить некоторые виды лазеров, изучить их строение и попробовать свой, используя различные части DVD дисковода и других лазеров. В ходе работы я также рассмотрю их применение в различных сферах жизни.

Я считаю эту тему актуальной, потому что лазеры действительно очень широко используются в различных сферах жизни. Они удобны в применении и дают множество новых возможностей. Сегодня их используют даже для сложных операций. Несмотря на это, большое количество людей не знает, в чем заключается принцип их работы. Подробно изучить лазеры и донести информацию до слушателя является одной из задач моего проекта.

Я выбрала эту тему, потому что лазеры мне действительно очень интересны. Они бывают не только разных мощностей, но и цветов, что, кстати, в большинстве случаев и влияет на конечную мощность. Например, из моего личного опыта могу сказать, что зеленый лазер зачастую мощнее красного, и при помощи лупы им пожно зажигать бумагу. Это, конечно, далеко не все, и именно поэтому я продолжу изучать эту тему и даже попробую собрать свой собственный лазер.

Проанализировав проблему, я вывела следующую цель:

Собрать свой лазер из деталей DVD дисковода

Также я поставила задачи, необходимые для достижения цели:

1.     Изучить применение лазеров в современной жизни.

2.     Подробно рассмотреть их строение

3.     Вывести список необходимых деталей

4.     Составить схему, сделать чертеж будущего лазера

5.     Изучить технику безопасности по работе с необходимым мне оборудованием.

6.     Представить готовое изделие

В ходе работы над практической частью мне будет помогать мой отец и учитель физики, так как у меня еще недостаточно опыта для того, чтобы самостоятельно справится с некоторыми инструментами.

Глава 1. Теоретическая часть

Лазер — квантовый генератор, источник когерентного монохроматического электромагнитного излучения оптического диапазона.

1.1. Применение лазера в различных сферах жизни.[1]

В современном мире лазеры применяются в широком спектре деятельности: от научных исследований, биомедицины и окружающей среды до обработки промышленных материалов, микроэлектроники, авионики и развлечений. Применения включают лазероптогенетику и неврологию,  лазерную сканирующую микроскопию и так далее.

Медицина.

Узкий когерентный поток света, используемый в медицине, является наиболее важной высокотехнологичной медицинской технологией в этом столетии.  Применение лазеров относится ко всем клиническим дисциплинам, таким как офтальмология, дерматология, хирургия, стоматология, онкология, рак и т. д. Лазер имеет революционный прорыв в лечении, и различные длины волны подходят для различных терапевтических областей.

Лазеры используют также в оптогенетике и нейробиологии. Оптогенетика — это быстро развивающаяся междисциплинарная биотехнологическая технология.  Применение лазеров преодолевает недостатки традиционных методов контроля активности клеток и организма, а также обеспечивает революционный метод исследования нейробиологии. Нейронаука — это научное исследование нервной системы. Сфера нейробиологии включает различные подходы, используемые для изучения молекулярных, клеточных, эволюционных, структурных, функциональных, эволюционных, вычислительных и медицинских аспектов нервной системы.

Связь.

Лазерная связь — это беспроводное соединение в атмосфере. Лазерная связь имеет достоинства, связанные с небольшими потерями при передаче, большим расстоянием передачи, высоким качеством связи, большой пропускной способностью, надежной конфиденциальностью и структурой освещения. Она используется для наземной связи, глобальной связи и межзвездной связи. Применяется также в радиолокационных системах, которые состоят из устройства лазерного излучения, устройства приема и устройства анализа сигналов.

Наука.

Применение лазеров важно в ряде таких областей научных исследований, как  нелинейная оптика, которая связана с изучением удвоения частоты когерентного света некоторых кристаллов и т.п. Одним из важных результатов исследований оптического генератора  является развитие устройств, которые могут быть настроены для испускания света в диапазоне частот, вместо формирования света только одной частоты.

Промышленность, военное дело.

Чтение и запись на компакт-диски, DVD-диски и Blu-ray диски производится с помощью применения лазера. Сканеры также работают благодаря лазеру.

Оптические генераторы используются в промышленности для резки и бурения металлов и прочих материалов, для сварки и пайки, а также для проверки оптического оборудования.

Лазеры широко применимы в военном деле для наведения на цель. Также было разработано экспериментальное оружие. Луч, созданный оптическим генератором способен прожигать на определенном расстоянии средства противника.

1.2. Строение и принцип работы лазера.[2]

Обычно лазер состоит из трёх основных элементов:

1)    Источник энергии (механизм «накачки» лазера).

2)    Рабочее тело лазера.

3)    Система зеркал («оптический резонатор»).

1)  Источник накачки подаёт энергию в систему. В его качестве могут выступать:

·         Электрический разрядник

·         Импульсная лампа

·         Дуговая лампа

·         Другой лазер

·         Химическая реакция

·         Взрывчатое вещество

Тип используемого устройства накачки напрямую зависит от используемого рабочего тела, а также определяет способ подвода энергии к системе. Например, гелий-неоновые лазеры используют электрические разряды в гелий-неоновойгазовой смеси, а лазеры на основе алюмо-иттриевого граната с неодимовым легированием— сфокусированный свет ксеноновой импульсной лампы, эксимерные лазеры — энергию химических реакций.

2) Рабочее тело является основным определяющим фактором рабочей длины волны, а также остальных свойств лазера. Существует большое количество различных рабочих тел, на основе которых можно построить лазер

В лазерах используются следующие рабочие тела:

·         Жидкость, например в лазерах на красителях. Состоят из органического растворителя, например метанола, этанола или этиленгликоля, в которых растворены химические красители, например кумарин или родамин. Конфигурация молекул красителя определяет рабочую длину волны.

·         Газы, например, углекислый газ, аргон, криптон или смеси, такие как в гелий-неоновых лазерах. Такие лазеры чаще всего накачиваются электрическими разрядами.

·         Твёрдые тела, такие как кристаллы и стёкла. Такие материалы обычно легируются (активируются) добавкой небольшого количества ионов хрома, неодима, эрбия или титана. Твердотельные лазеры обычно накачиваются импульсными лампами или другими лазерами.

·         Полупроводники. Материал, в котором переход электронов между энергетическими уровнями может сопровождаться излучением. Полупроводниковые лазеры очень компактны, накачиваются электрическим током, что позволяет использовать их в бытовых устройствах, таких как проигрыватели компакт-дисков

3) Оптический резонатор, простейшим видом которого являются два параллельных зеркала, находится вокруг рабочего тела лазера. Вынужденное излучение рабочего тела отражается зеркалами обратно и опять усиливается. Волна может отражаться многократно до момента выхода наружу. В более сложных лазерах применяются четыре и более зеркал, образующих резонатор. Качество изготовления и установки этих зеркал является определяющим для качества полученной лазерной системы. В твердотельных лазерах зеркала могут формироваться на полированных торцах активного элемента. В газовых лазерах и лазерах на красителях — на торцах колбы с рабочим телом. Для выхода излучения одно из зеркал делается полупрозрачным.

Также в лазерной системе могут монтироваться дополнительные устройства для получения различных эффектов, такие как поворачивающиеся зеркала, модуляторы, фильтры и поглотители. Их применение позволяет менять параметры излучения лазера, например, длину волны, длительность импульсов и т. д.

2.3. Техника безопасности по работе с лазером и паяльником.

Техника безопасности по работе с лазером.[3]

По степени опасности генерируемого излучения технологические лазеры классифицируются на 4 класса:

I класс – выходное излучение лазера не представляет опасности для глаз и кожи;

II класс – имеется опасность при облучении глаз прямым или зеркально отраженным излучением;

III класс  – имеется опасность при облучении глаз прямым, зеркальным, а также диффузно рассеянным излучением на расстоянии 10 см от диффузно рассеивающей (т.е. матовой) поверхности и (или) при облучении кожи прямым или зеркально отраженным излучением;

IV класс – имеется опасность при облучении кожи диффузно отраженным излучением на расстоянии 10 см от диффузно рассеивающей поверхности.

1)    Лазерное излучение, при прямом контакте с глазами может вызвать серьезное заболевание, приводящее к полной потере зрения. При покупке или использовании лазера обязательно проверяйте класс лазера и используйте его по назначению, с учетом возможного риска.

2)    Использование защитных очков обязательно вне зависимости от класса лазера. Советуем вам подбирать защитные очки в соответствии с длиной волны излучения от используемого лазера. Если вы используете другие очки, защита не гарантирована,  это очень опасно.

3)    При установке оптической системы необходимо, чтобы высота лазерного луча была выше уровня глаз работников в положении стоя или ниже уровня глаз работников в положении сидя. Необходима также установка огнезащитной оболочки луча вокруг оптических путей для предотвращения нежелательного лазерного воздействия.

4)    Чтобы предотвратить попадание лазерных лучей за пределы рабочего пространства,  в качестве меры безопасности можно ограничить это пространство затемненной лабораторией.

5)    Некоторые оптические системы разбивают свет на несколько лучей (призмы Глана-Томпсона,  Светоделителии и  т.д.). При использовании этих оптических средств лучи должны уходить в безопасном направлении. Кроме того, оптические элементы, имеющие форму призмы, могут распределить луч в неожиданном направлении. Обязательно проверьте все грани призмы и соблюдайте меры безопасности при работе с рассеиваемым светом.

6)    После продолжительного использования оптики на ее поверхности скапливаются царапины, грязь или пыль, которые могут привести к рассеиванию или дифракции света и высока вероятность ухудшения оптических характеристик. Необходимо бережно относиться к оптике:

a)     Не прикасайтесь к полированной поверхности.

b)    Не давите на основную поверхность или на край.

c)     При работе с оптикой рекомендуется использовать напальчники.

d)    При очистке оптики всегда вынимайте ее из держателя для наиболее тщательной очистки.

7)    Кроме этого, необходимо также:

a)     Систематически контролировать и поддерживать в исправном состоянии все предохранительные устройства (экран, щиты).

b)    Строго соблюдать процедуру выключения.

c)     При обнаружении неисправностей в режиме работы лазерной системы немедленно остановить подачу движения оптической головки.

Техника безопасности по работе с паяльником.[4]

1)    Нужно следить, чтобы разогретое жало не соприкасалось с электрическими проводами как самого паяльника, так и других приборов, которые могут быть рядом. Это может привести к разрушению изоляции и переплавке провода. Можно испортить устройство и вызвать короткое замыкание.

2)    Перед самой работой стоит проверить, в каком состоянии находится провод инструмента, нет ли повреждений на корпусе, а также оценить состояние вилки. Это элементарный набор правил, который поможет сохранить жизнь человека, избежав удара током.

3)    Паяльник всегда требуется класть на подставку. Горячий инструмент может случайно покатиться, что позволяют особенности его формы, устройство можно случайно зацепить и так далее. Все это приводит к массе негативных последствий. Пригодятся как самодельные, так и специальные держатели, изготовленные из металла и дерева.

4)    Нужно проветривать помещение, чтобы не возникало скопления вредных веществ. Канифоль и припой создают много испарений, в которых содержатся всевозможные токсины. Можно работать в респираторе, поставить дополнительную вытяжку или просто обеспечить хорошее проветривание помещения.

5)    Паяльник нужно держать только за ручку. Желательно, чтобы она была удобной, не скользила и была хорошо изолирована.

1.4. Составление списка необходимых деталей.

Я провела исследование и выяснила, что для сборки лазера мне понадобятся следующие детали:

Источник питания (7,8 вольт), кнопка, конденсатор, диод, излучатель (170 мА), резистор (8,2 Ом), микросхема  LМ317

Глава 2. Практическая часть.

2.1. Сборка лазера.

Источник питания был собран из пяти батареек типа ААА, спаянных между собой. Общее его напряжение — 7,8 вольт. Конденсатор, резистор, кнопка и микросхема были найдены в коробке с деталями от различных приборов. Я собрала электрическую цепь из кнопки, микросхемы, резистора, конденсатора и источника питания, затем проверила ее работоспособность при помощи мультиметра. Сила тока была приблизительно равна 95 мА, каков и был желаемый результат. Из записывающего DVD-привода я извлекла каретку с диодом-излучателем. Для проверки диода я подсоединила его к цепи, не вынимая из каретки привода. Наблюдался мощный пучок света. После этого я осторожно извлекла диод, затем вновь подсоединила его к цепи.

2.2. Испытание лазера

Готовую цепь я вмонтировала в старый пульт от телевизора. Для удобства настройки фокусного расстояния используется элемент с резьбой, в котором находится линза.

Испытание прошло успешно, лазер работает так, как и должен был.

Заключение.

Я провела исследование, в ходе которого выяснила принцип работы и строение лазера, а также узнала, в каких сферах жизни он применяется на сегодняшний день. Лазеры открывают множество новых возможностей, и я считаю, что в дальнейшем будущем они будут совершенствоваться и принесут немало пользы. Я научилась работать с паяльником, что пригодится мне в будущем, так как я планирую выбрать профессию инженера.

У меня получилось собрать свой лазер из DVD-привода, что и являлось целью моего проекта. Работать над этим проектом было очень интересно. В дальнейшем я попробую собрать лазер мощнее, чем первый образец.

Скачано с www.znanio.ru