Учебный проект по физике "Стекловолокно на службе человека"

Министерство общего и профессионального образования  Свердловской области Уполномоченный орган местного самоуправления в сфере образования «Управление образования Североуральского городского округа» Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа №1 Учебный проект по физике  Световолокно на службе человека Исполнители: Бельтюков Никита, учащийся 9А класса  Руководитель:                                                                              Леоненко Анна Николаевна,                                                                           учитель физики высшей категории Североуральский городской округ 2015 Учебный проект по физике " Световолокно на службе человека" Учебный предмет (дисциплины, близкие к теме): физика и информатика ­ тема “Световолокно на службе человека”. Возраст учащихся: 9 класс. Тип проекта: поисковый. Продукты проекта: презентация, выполненная в программе Power Point. Основополагающий вопрос: Как ученые изменяют мир? ПРОБЛЕМНЫЕ ВОПРОСЫ:  Что такое световолокно?  Как создавалось световолокно?  Зачем человеку нужно световолкно?  Проблемный вопрос: Что такое световолокно? Световолокно —   нить   из оптически прозрачного   материала   (стекло,   пластик),   используемая   для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения. В   основе   движения   светового   луча   по   волокну   лежит   закон   полного   внутреннего   отражения. Внутреннее отражение — явление отражения электромагнитных или звуковых волн от границы раздела двух сред при условии, что волна падает из среды, где скорость ее распространения меньше (в случае световых лучей это соответствует большему показателю преломления). Полное внутреннее   отражение   —  внутреннее   отражение,   при   условии,   что   угол   падения   превосходит некоторый   критический   угол.   При   этом   падающая   волна   отражается   полностью,   и   значение коэффициента   отражения   превосходит   его   самые   большие   значения   для   полированных поверхностей. Коэффициент отражения при полном внутреннем отражении не зависит от длины волны.  В оптике это явление наблюдается для широкого спектра  электромагнитного излучения, включая рентгеновский диапазон.         В геометрической оптике явление объясняется в рамках закона Снеллиуса. Учитывая, что угол   преломления   не   может   превышать   90°,   получаем,   что   при   угле   падения, синус которого больше отношения меньшего показателя преломления к большему показателю, электромагнитная волна должна полностью отражаться в первую среду.  представляет собой наименьший угол падения, при котором наблюдается полное внутреннее отражение. Его называют предельным или критическим углом. Используется также наименование «угол полного отражения». Угол  В соответствии с волновой теорией явления, электромагнитная волна всё же проникает во вторую   среду —   там   распространяется   так   называемая   «неоднородная   волна», которая экспоненциально затухает   и   энергию   с   собой   не   уносит.   Характерная   глубина проникновения неоднородной волны во вторую среду порядка длины волны. Впервые явление полного внутреннего отражения было описано Иоганном Кеплером в 1600­м году.   Осевая   часть   волокна   (сердцевина)   формируется   из   стекла   с   более   высоким   показателем преломления, чем окружающая оболочка. Моды – это лучи, распространяющиеся в световолкне. Существуют два вида световых волокон одномодовые и многомодовые.    Диаметр сердцевины одномодовых волокон составляет от 7 до 10 микрон.   Благодаря   малому   диаметру   достигается   передача   по   волокну   лишь   одной   моды излучения. В настоящее время практически все производимые волокна являются одномодовыми. Многомодовые   волокна   отличаются   от   одномодовых   диаметром   сердцевины,   который составляет 50 микрон в европейском стандарте и 62,5 микрон в североамериканском и японском стандартах. Из­за большого диаметра сердцевины по многомодовому волокну распространяется несколько мод излучения — каждая под своим углом.  Передача данных в оптоволокне производится с помощью света ­ как известно ­ одной из самых быстрых материй во Вселенной. Электрический сигнал медного кабеля проходит через специальный конвертер и превращается в свет. Каждая жила оптики подобна стеклянной трубе в зеркальной трубе. (Полимер разной плотности. Например, 9/125 микрон) Свет, проникая в нее ­ отражается   от   стыка   границ   жил   и   летит   все   дальше.   В   конце   путешествия   он   принимается приемным устройством и обратно перекодируется в электрический сигнал. Оптоволоконные   сети   обладают   рядом   важных   преимуществ   перед   радиорелейными   и проводными (медными) системами связи.  малое затухание сигнала делает возможной передачу информации на значительно большие расстояния без применения усилителей; высокая   надёжность   рабочей   среды:   оптоволокно   не   окисляется,   не   намокает,   не подвержено слабому электромагнитному воздействию; высокая   пропускная   способность   оптоволокна   позволяет   передавать   информацию   на недостижимо высокой для других систем связи скорости; информационная   безопасность   использования) — по оптическому волокну информация передаётся «из точки в точку»; практически полное отсутствие межволоконных влияний взрыво­ и пожаробезопасность при изменении химических и физических параметров; незначительные габариты и масса. (труднодоступность   для   несанкционированного        Проблемный вопрос: Как создавалось световолкно?  XVII   век:   Клауд   Чапп   построил   первый   оптический   телеграф   во   Франции.   Сигнальщики располагались   на   вышках,   расположенных   от   Парижа   до   Лилля   по   цепочке   длиной   230   км. Сообщения передавались из одного конца в другой за 15 минут; ­ 1870 г.: Английский физик Джон Тиндалл продемонстрировал возможность управления светом на основе внутренних отражений. На собрании Королевского общества было показано, что свет, распространявшийся в струе очищенной воды, может огибать любой угол. Струю воды Тиндалл пропускал по желобу, изогнутому по параболической траектории. Когда свет направлялся по касательной к струе воды, аудитория могла наблюдать зигзагообразное распространение света внутри изогнутой части струи. Аналогичное зигзагообразное распространение света происходит и в оптическом волокне;  ­ 1880 г.: Александр Белл запатентовал фотофон, в котором направленный свет использовался для передачи голоса. В этом устройстве с помощью системы линз и зеркал свет направлялся на плоское   зеркало,   закрепленное   на   рупоре.   Под   воздействием   звука   зеркало   колебалось,   что приводило к модуляции отраженного света. В приемном устройстве использовался детектор на основе   селена,   электрическое   сопротивление   которого   меняется   от   интенсивности   света. Модулированный   голосом   солнечный   свет,   падающий   на   образец   селена,   изменял   силу   тока, протекающего через контур приемного устройства, и воспроизводил голос. Данное устройство позволяло передавать речевой сигнал на расстояние более 200 м; ­ Начало XX века: первые теоретические и экспериментальные исследования диэлектрических волноводов, в том числе гибких стеклянных стержней; ­ 50­е годы XX века: Брайен О’Бриен (Американская оптическая компания) и Нариндер Капании (Императорский научно­технический колледж в Лондоне) разработали оптические волокна для передачи изображения. Эти волокна нашли применение в световодах, используемых в медицине для визуального наблюдения  внутренних  органов человека. Доктор Капании был первым, кто разработал стеклянные волокна в стеклянной оболочке и ввел термин «волоконная оптика» (1956 г).  . ­ 1966 г.: К. Ч. Као и Дж.А. Хокхем (Standart Telecommunication Laboratories) сформулировали требования на систему передачи информации по стеклянным волокнам и показали возможность создания оптического стеклянного волокна с затуханием менее 20 дБ/км. Они пришли к выводу, что   высокий   уровень   затухания,   присущий   первым   волокнам   (около   1000   дБ/км),   связан   с присутствующими в стекле примесями (за эту работу Чарльз Као получил Нобелевскую премию 2009 года по физике);  ­1970 г.: Роберт Маурер и Дональд Кек (Corning Glass Work) получили оптическое волокно с потерями 16 дБ/км. Эту дату можно смело называть началом использования волоконной оптики; ­ 1972 г. в лабораторных условиях получено оптическое волокно с потерями 4 дБ/км (Corning Glass Work); ­ середина 70­х годов: Военные были первыми в деле внедрения волоконно­оптических линий связи. В 1973 г. военно­морские силы США впервые внедрили волоконно­оптическую линию на борту корабля Little Rock. В 1976 г.: военно­воздушные силы США заменили кабельную оснастку самолета А­7 на волоконно­оптическую. При этом кабельная система из 302 медных кабелей, имевшая суммарную протяженность 1260 м и весившая 40 кг, была заменена 12 волокнами общей длиной  76  м  и   весом   1.7  кг.  В  1977  г.  была   запущена  2  км  система   со  скоростью  передачи информации 20 Мб/сек, связавшая наземную спутниковую станцию с центром управления; ­ 1974 г.: разработано градиентное многомодовое волокно; ­ 1974   г.: описан   метод   изготовления   заготовок   волокна   –   метод   внутреннего   осаждения   из газовой фазы (MCVD); ­ 1976 г.: создана первая промышленная установка по производству волокна; ­ 1976 г.: стандартизованы размеры многомодового волокна; ­ 1977 г.: внедрена первая коммерческая телефонная система на волоконно­оптическом кабеле (США). Информация передавалась со скоростью 44.7 Мб/сек одновременно по 672 каналам; ­ 1978 г.: построен первый завод по производству волокна; ­ 1978 г.: тестирование ВОСП со скоростью передачи информации 32 Мбит/с, длина участка 53 км и рабочая длина волны 1,3 мкм; ­ 1978 г.: получено затухание в оптическом волокне 0,2 дБ/км (на рабочей длине волны 1,55 мкм); ­ 1980 г.: первая коммерческая ВОСП (между Бостоном и Ричмондом, США), три рабочих длины волны, градиентное многомодовое волокно, скорость передачи информации 45 Мбит/с; ­ 1980 г.: передача по волоконной линии видеосигнала с Зимней Олимпиады в Лейк Плэсиде (градиентное многомодовое волокно, рабочая длина волны 0,85 мкм); ­ 1981 г.: получена скорость передачи сигнала 140 Мбит/с в одномодовом волокне длиной 49 км, рабочая   длина   волны   1,3   мкм.   Начало   работ   с   одномодовыми   волокнами   со   смещенной дисперсией; ­ 1982 г.: скорость передачи в одномодовом волокне достигла 400 Мбит/с (1,3 мкм); ­ 1982 г.: первый заказ на 100 тыс. км одномодового волокна; ­ 1982 г.: построен завод на производство 1,5 млн. км волокна в год; ­ 1983 г.: стандартизовано одномодовое волокно с нулевой дисперсией на длине волны 1,3 мкм ­ 1987 г.: разработан эрбиевый оптический усилитель. Начало работ по ВОСП со спектральным уплотнением; ­ начало 90­х: создание одномодового волокна с нулевой дисперсией на длине 1,55 мкм ­ волокна со смещенной нулевой дисперсией; ­ 1993 г.: начало использования оптических усилителей; ­ 1994 г.: создание одномодового волокна с ненулевой дисперсией на длине 1,55 мкм ­ волокна со смещенной ненулевой дисперсией; ­ 1995 г.: начало практического использования ВОСП со спектральным уплотнением; ­ 1990   г.:   компания   Bellcore   продемонстрировала   возможность   передачи   сигнала   на   основе солитонного режима без регенерации со скоростью 2.5 Гб/сек на расстояние 7500 км. Ценность солитонной технологии заключается в принципиальной возможности прокладки по дну Тихого или   Атлантического   океана   волоконно­оптической   линии   связи,   не   требующей   установки промежуточных усилителей; ­ 1990 г.: компания NTT достигла скорости передачи информации 20 Гб/сек; ­ 2000 г.: создание волокна с низким поглощением в области водяного пика; ­ 2000 ­2002 гг.:системы с пропускной способностью до 1,6 Тбит/сек;  Проблемный вопрос: Зачем человеку нужно световолокно?  С момента изобретения оптоволокна, оно сразу же нашло своё довольно широкое применение. В основном, вследствие того, что мы живем в век интернета, оптоволокно больше всего нашло своё   применение   в   создании   волоконно­оптических   сетей   из­за   того,   что   количество пользователей   многократно  увеличилось,   как   и  количество   передаваемой  информации.   Кроме этого   так   же   применяются   в   волоконно­оптических   датчиках,   для   освещения,   в   медицине   и многом другом. Волоконно­оптическая связь Как и было сказано выше, основное применение подобных волокон было найдено в создании среды  для   передачи   информации   в  различных  телекоммуникационных  сетях.  Более  того,  они применяются   для   создания   сетей   различных   уровней.   Их   используют   для   создания   простых домашних сетей, и вплоть для создания единого канала передачи данных для всей страны. России в год требуется 6 млн.км. световолокна. Только вдумайтесь в эту цифру! Россия – 1 стана в мире по добыче газа и используется 175 тысяч километров газопроводов. Получается, что в год стране нужно в 34 раза больше световолкна в год, чем газопроводов на 20 ­25 лет. В нашей стране более 80  млн  пользователей  интернета.  Если  даже  взять  среднюю  скорость  интернета  в   1,4мб/с,  то получается   огромное   число   103тб  в   секунду!   Такое   огромное  количество   информации   бы   не смогла двигаться без световолокна. Световолокно   стало   возможным   использовать   для   создания   канала   внешней   связи   на межконтинентальном   уровне.   Существует   межконтинентальный   канал   США   –  Япония,   кабель проложен на глубине 5­8 километров и имеет общую протяженность в 10 000 км.  Скорость   передачи   данных   по   оптоволоконному   каналу   может   быть   огромной.   Причем скорость стала настолько огромной, что 40 Гбит в секунду (2 фильма в высоком разрешении за секунду) это уже некий стандарт простых каналов. Поскольку   в   последнее   время   разработаны   такие   оптоволоконные   сети,   которые   могут передать данные со скоростью Тбит в секунду (500 фильмов в высоком разрешении в секунду). Подобные сети состоят из нескольких сотен уплотненных и связанных каналов связи. Стоимость оптоволоконного кабеля с такой пропускной способностью очень велика. Но, несмотря на это, их использование оказывается весьма рентабельным.  Волоконно­оптический датчик Волоконно­оптические   датчики   используются   для   измерения   температуры,   напряжения, давления   и   многого   другого.   Они   нашли   своё   широкое   применение   благодаря   простоте   в эксплуатации   и   малой   затрате   энергии.   Они   очень   маленькие   и   практически   не   требуют электроэнергии. Оптоволокно применяют в гидрофонах в гидролокационных и сейсмических приборах. Есть даже такие системы, где на один волоконный кабель установлено более 100 датчиков. Подобные   датчики,   которые   способны   измерять   давление   и   температуру,   используют   для измерений в различных нефтяных скважинах. Почему именно там? Дело в том, что в такой среде температура довольно высока, и обычные полупроводниковые датчики не справляются и выходят из строя. Но, оптоволоконные датчики без труда работают в таких условиях. Разработаны   даже   такие   приборы   для   дуговой   защиты   с   применением   оптоволоконных датчиков,   основными   преимуществами   которых   являются:   невосприимчивость   к   различным электромагнитным   воздействиям,   высокое   быстродействие,   легкость   монтажа,   гибкость   и диэлектрические свойства. Под волоконно­оптическим измерением температуры понимают применение оптоэлектронных приборов для измерения температуры, при которой стеклянные волокна используются в качестве линейных   датчиков.   Типичными   случаями   применения   линейных   волоконных   температурных датчиков являются сферы, связанные с безопасностью, например, системы пожарного оповещения в   автомобильных,   железнодорожных   или   сервисных   туннелях;   термический   контроль   силовых кабелей и воздушных линий передач для оптимизации производственных отношений; повышение эффективности   нефтяных   и   газовых   скважин;   обеспечение   безопасного   рабочего   состояния промышленных   индукционных   плавильных   печей;   контроль   герметичности   контейнеров   с сжиженным   природным   газом   на   судах   в   разгрузочных   терминалах;   обнаружение   утечек   на плотинах и запрудах; контроль температуры при химических процессах; обнаружение утечек в трубопроводах.  Физические воздействия на оптоволокно, такие как: температура, давление, сила натяжения ­ локально изменяют характеристики пропускания света и как следствие, приводят к изменению характеристик   сигнала   обратного   отражения.   В   основе   измерительных   систем   на   основе оптоволоконных   датчиков   используется   сравнение   спектров   и   интенсивностей   исходного лазерного излучения и излучения, рассеянного в обратном направлении, после прохождения по оптоволокну. Волокно в медицине Оптоволокно широко используется в медицинской сфере диагностики и, поскольку оптические волокна очень тонкие и могут быть свиты в гибкие нити, они используются для исследований кровеносных   сосудов,   легких   и   других   частей   тела.   Оптические   волокна   позволяют   медикам проводить визуальный анализ и лечение различных заболеваний через крошечные надрезы при помощи инструмента под названием эндоскоп. Эндоскоп медицинской инструмент, изготовленный для ввода двух пучков оптических волокон внутри одной длинной трубки. Один пучок оптического волокна используется для проецирования света   на   осматриваемые   участки   ткани,   а   другое   оптоволокно   передает   отраженный   свет   от тканей   и   позволяет   получить   четкое   изображение.   Эндоскопы   используются   для   изучения конкретных областей человеческого тела. Новая   система   анализа   крови   при   помощи   световолокна   позволяет   практически   мгновенно определить наличие тех либо иных веществ в крови человека, которые являются «маркерами» определенного  заболевания.   Технология   пока   что   разрабатывается,   но   первые   прототипы   уже показали широкие возможности новой системы. Система состоит из «пробника», который погружается непосредственно в кровь, и системы анализа   крови,   которая   имеет   размер,   равный   размеру   планшета.   Собственно,   это   и   вся «лаборатория»,   которая   заменяет   собой   все   оборудование   современной   лаборатории   анализа крови, с ее центрифугами, электронными анализаторами и всем прочим.  В   системе   самым   важным   элементом   является   сам   пробник,   который   представляет   собой оптоволокно   с   системой   отражателей   и   внешним   покрытием,   которое   связывает   некоторые вещества крови, те самые «маркеры», в случае их наличия. Свет идет по оптоволокну, отражаясь системой отражателей на внутреннее покрытие. Затем свет отражается от стенок, и поступает на спектрометр. Если внешнее покрытие «связало» молекулы соответствующих веществ, то спектр отражаемого светового луча меняется, и спектрометр это «засекает». В результате врач сразу видит,   какие   вещества   есть   в   крови,   что   позволяет   обнаруживать   соответствующие отклонения/заболевания.   Конечно,   тут   есть   некоторые   сложности   —   ведь   покрытие,   которое связывает «маркеры», должно быть универсальным и уметь реагировать на большинство важных маркеров, находящихся в крови человека.  Прототипы системы, как говорилось выше, показали хорошие результаты. Так, система сейчас способна реагировать на наличие вещества, концентрация которого в крови составляет всего 2 нанограмма на литр. Стоимость такой системы, когда она начнет производиться в промышленных масштабах,   будет   значительно   ниже   стоимости   существующих   систем   анализа   крови.   Кроме анализа крови такая система может использоваться для определения качества воды, мониторинга состояния водных ресурсов в определенном регионе и т.п. Другие применения Подобное оптоволокно довольно часто используют для освещения. Кроме этого, они нашли своё широкое применение в медицине и других различных сферах. Особенно там, где яркий свет нужно доставить в какую­то труднодоступную зону. Встречаются   даже   такие   здания,   где   оптическое   волокно   используют   для   направления солнечного света с крыши в другие более темные части здания. Так   же   стоит   отметить,   что   зачастую   их   начали   применять   в   наружной   рекламе,   с   целью привлечения   внимания   световыми   эффектами.   Поскольку   оптоволокно   выглядит   довольно эффектно. Так же подобное освещение можно увидеть и на различных декорациях, или же, даже на новогодних елках. Световолокно используется при макросъёмке фотографий. Свет можно направлять в любом направлении, для это создан световолоконная насадка. Но на этом применение не останавливается. С каждым днем оптоволокно проникает во все сферы всё глубже и глубже. Заключение Таким образом, ответ на наш основополагающий вопрос «Как учёные изменили мир?»  таков: «Учёные смогли приручить свет, тем самым они смогли дать человеку новые возможности во всех сферах   его   жизни.   Самые   необычные   способы   применения,   казалось,   бы   обычной   стеклянной трубки,  дали  старт человечеству  новой  эры  технологий,  которая будет  использоваться  еще в течении 10­15 лет. Мы не можем представить свою жизнь, без интернета, медицины, фотографий и многого другого. Учёные изменили наш мир тем, что придумали это чудо – световолокно» При работе над проектом я узнал, что такое световолокно, узнал, как оно работает и где оно используется. До того, как начать работу над проектом, я знал только что световолокно – это кабель для интернета. Во время работы я столкнулся с такими трудностями, как сбор достоверной и простой для восприятия информации, систематизировании сведений, подготовкой проекта и его защиты. Работая над проектом, я научился искать и отбирать нужную информацию, грамотно создавать презентацию и проектный продукт. Я считаю, что знания, полученные при создании проекта, помогут мне лучше понять мир, в котором все мы живём, а мой проект пригодится моим одноклассникам. Интернет ­ ресурсы:   http://www.h20.ru/admin­fiber.php  http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/103.html  http://goo.gl/oZePTB  http://goo.gl/flei4T  http://www.laserportal.ru/content_313  http://www.laserportal.ru/content_82  https://ru.wikipedia.org/wiki/Оптоволкно  http://goo.gl/uTHoMM  http://geektimes.ru/