Параграф 25 - Естествознание. 10 класс. Габриелян О. С.

Естествознание для 10-го класса
Предмет:	Естествознание
Класс:	10 класс
Автор учебника:	Габриелян О. С.
Год издания:	2013
Издательство:
Кол-во заданий:	69
Кол-во упражнений:
Мы в социальных сетях
Телеграм • ВКонтакте

Комментарии, вопросы по параграфу можно добавить на странице обсуждения.

Свет и приспособленность к нему живых организмов. Электромагнитная природа света

Доказательства электромагнитной природы света

• Приведите доказательства электромагнитной природы света.

И.Ньютон открыл явление дисперсии света, и установил, что белый свет представляет собой смесь различных оттенков. Еще одним важным открытием в этой области было обнаружение так называемых «колец Ньютона» – появление темных радужных колец вокруг точки соприкосновения зеркала и линзы.

Кроме того, многие исследователи изучали радужные узоры, образующиеся на тонких пленках – в каплях масла на воде или в воздушных пузырях. Однако, объяснить эти явления удалось только лишь в начале XIX в. Т. Юнгу. Гениальная догадка этого физика состоит в том, что свет имеет волновой характер. И для него должны выполняться все явления, присущие волнам. В частности, радужная картина – это результат интерференции (результата сложения двух волн, приходящих в разных фазах).

Сам термин «интерференция» был введен Юнгом. Также для света должна наблюдаться дифракция – огибание препятствий. Это явление также было обнаружено. Наконец, Юнг установил, что различие в цветах объясняется разницей длин световых волн, и эти длины также были измерены. Оказалось, что длина световых волн колеблется от $\times 10^{-}7$ м для фиолетового и до $\times 10^{-}7$ для красного цветов.

К середине XIX в. были открыты электромагнитные волны и разработана теория электромагнетизма Дж. Максвелла. Из этой теории следовало, что электромагнитные волны являются поперечными, и распространяются не мгновенно, а с конечной, хотя и очень большой скоростью. Как раз к этому времени стало накапливаться все больше фактов, что свет также является поперечной волной (хотя, сам Т. Юнг считал свет волной продольной). Кроме того, обнаружилось, что электромагнитные волны проявляют все волновые свойства точно так же, как световые, и имеют ту же скорость. Наконец, к концу XIX в. было установлено, что световые волны возбуждаются заряженными частицами (переходами электронов на разные энергетические уровни внутри атомов вещества) точно так же, как и другие электромагнитные волны. Была полностью установлена электромагнитная природа света, и создана теория, описывающая световые явления.

Свет, как и любая электромагнитная волна представляет собой распространяющуюся в пространстве структуру электрических и магнитных вихревых полей, поддерживающих друг друга. Живые ткани очень слабо реагируют на магнитное поле. Как показали специальные опыты, ощущение освещенности на сетчатке вызывает только электрическая составляющая световых волн.

Наблюдение дисперсии света, интерференции света и его дифракции

• Опишите опыты, которые позволяют наблюдать дисперсию света, интерференцию света и его дифракцию.

Дисперсия света

Дисперсия — зависимость показателя преломления вещества от частоты волны.

Изучением нормальной дисперсии занимался ещё Ньютон. Разложение белого света в спектр при прохождении сквозь призму является следствием дисперсии света. При прохождении пучка белого света через стеклянную призму на экране возникает разноцветный спектр.

Наибольшую длину волны и наименьший показатель преломления имеет красный свет, поэтому красные лучи отклоняются призмой меньше других. Рядом с ними будут лучи оранжевого, потом желтого, зеленого, голубого, синего и, наконец, фиолетового света. Произошло разложение падающего на призму сложного белого света на монохроматические составляющие (спектр).

Кольца Ньютона в отражённом свете

Интерференция – одно из ярких проявлений волновой природы света. Это интересное и красивое явление наблюдается при наложении двух или нескольких световых пучков. Интенсивность света в области перекрывания пучков имеет характер чередующихся светлых и темных полос, причем в максимумах интенсивность больше, а в минимумах меньше суммы интенсивностей пучков. При использовании белого света интерференционные полосы оказываются окрашенными в различные цвета спектра. С интерференционными явлениями мы сталкиваемся довольно часто: цвета масляных пятен на асфальте, окраска замерзающих оконных стекол, причудливые цветные рисунки на крыльях некоторых бабочек и жуков – все это проявление интерференции света.

Первый эксперимент по наблюдению интерференции света в лабораторных условиях принадлежит И. Ньютону. Он наблюдал интерференционную картину, возникающую при отражении света в тонкой воздушной прослойке между плоской стеклянной пластиной и плосковыпуклой линзой большого радиуса кривизны. Интерференционная картина имела вид концентрических колец, получивших название колец Ньютона.

Если свет представляет собой волновой процесс, то, кроме интерференции, должна наблюдаться и дифракция света. Ведь дифракция — огибание волнами препятствий — присуща любому волновому движению. Но наблюдать дифракцию света нелегко. Дело в том, что волны заметным образом огибают препятствия, размеры которых сравнимы с длиной волны, а длина световой волны очень мала.

Дифракция света

Пропуская тонкий пучок света через маленькое отверстие, можно наблюдать нарушение закона прямолинейного распространения света. Светлое пятно против отверстия будет большего размера, чем это следует ожидать при прямолинейном распространении света.

Опыт Юнга. В 1802 г. Юнг, открывший интерференцию света, поставил классический опыт по дифракции. В непрозрачной ширме он проколол булавкой два маленьких отверстия В и С на небольшом расстоянии друг от друга.

Эти отверстия освещались узким световым пучком, прошедшим в свою очередь через малое отверстие А в другой ширме. Именно эта деталь, до которой очень трудно было додуматься в то время, решила успех опыта. Интерферируют только когерентные волны. Возникшая в соответствии с принципом Гюйгенса сферическая волна от отверстия А возбуждала в отверстиях В и С когерентные колебания. Вследствие дифракции из отверстий В и С выходили два световых конуса, которые частично перекрывались. В результате интерференции световых волн на экране появлялись чередующиеся светлые и темные полосы. Закрывая одно из отверстий, Юнг обнаруживал, что интерференционные полосы исчезали. Именно с помощью этого опыта впервые Юнгом были измерены длины волн, соответствующие световым лучам разного цвета, причем весьма точно.

Адаптация растений к максимальному использованию солнечного света для фотосинтеза

• Объясните, как проявляется адаптация растений к максимальному использованию солнечного света для фотосинтеза.

Наиболее общая адаптация растений к максимальному использованию ФАР (фотосинтетически активная радиация) – пространственная ориентация листьев. При вертикальном расположении листьев, как, например, у многих злаков и осок, солнечный свет полнее поглощается в утренние и вечерние часы – при более низком стоянии солнца. При горизонтальной ориентации листьев полнее используются лучи полуденного солнца. При диффузном расположении листьев в разных плоскостях солнечная радиация в течение дня утилизируется наиболее полно. Обычно при этом листья нижнего яруса на побеге отклонены горизонтально, среднего направлены косо вверх, а верхнего располагаются почти вертикально.

Дополнительные вопросы параграфа

Распространение, отражение и преломление света

• Вспомните, что вам известно о распространении, отражении и преломлении света

В однородной среде свет распространяется прямолинейно. Это утверждение называется законом прямолинейного распространения света. Опытным доказательством этого закона служат резкие тени, даваемые точечными источниками света.

Геометрическую линию, указывающую направление распространения света, называют световым лучом. В изотропной среде световые лучи направлены перпендикулярно волновому фронту.

Геометрическое место точек среды, колеблющихся в одинаковой фазе, называют волновой поверхностью, а множество точек, до которых дошло колебание к данному моменту времени, – фронтом волны. В зависимости от вида фронта волны различают плоские и сферические волны.

Для объяснения процесса распространения света используют общий принцип волновой теории о перемещении фронта волны в пространстве, предложенный голландским физиком Х.Гюйгенсом. Согласно принципу Гюйгенса каждая точка среды, до которой доходит световое возбуждение, является центром сферических вторичных волн, распространяющихся также со скоростью света. Поверхность, огибающая фронты этих вторичных волн, дает положение фронта действительно распространяющейся волны в этот момент времени.

Необходимо различать световые пучки и световые лучи. Световой пучок – это часть световой волны, переносящей световую энергию в заданном направлении. При замене светового пучка описывающим его световым лучом последний нужно брать совпадающим с осью достаточно узкого, но имеющего при этом конечную ширину (размеры поперечного сечения значительно больше длины волны), светового пучка.

Различают расходящиеся, сходящиеся и квазипараллельные световые пучки. Часто употребляют термины пучок световых лучей или просто световые лучи, понимая под этим совокупность световых лучей, описывающих реальный световой пучок.

Скорость света в вакууме $c=3*10^{8}$ м/с является универсальной константой и не зависит от частоты. Впервые экспериментально скорость света была определена астрономическим методом датским ученым О.Рёмером. Более точно скорость света измерил А.Майкельсон.

В веществе скорость света меньше, чем в вакууме. Отношение скорости света в вакууме к его скорости в данной среде называют абсолютным показателем преломления среды:

$n={\frac {c}{v}}={\sqrt {\varepsilon \mu }}$

где $c$ – скорость света в вакууме, $v$ – скорость света в данной среде. Абсолютные показатели преломления всех веществ больше единицы.

При распространении света в среде он поглощается и рассеивается, а на границе раздела сред – отражается и преломляется.

Закон отражения света: луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восставленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости; угол отражения $g$ равен углу падения $\alpha$. Этот закон совпадает с законом отражения для волн любой природы и может быть получен как следствие принципа Гюйгенса.

Закон преломления света: падающий луч, преломленный луч и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восставленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления для данной частоты света есть величина постоянная, называемая относительным показателем преломления второй среды относительно первой:

${\frac {\sin \alpha }{\sin \beta }}=n_{21}$

Экспериментально установленный закон преломления света объясняется на основании принципа Гюйгенса. Согласно волновым представлениям преломление является следствием изменения скорости распространения волн при переходе из одной среды в другую, а физический смысл относительного показателя преломления – это отношение скорости распространения волн в первой среде $v_{1}$ к скорости их распространения во второй среде:

$v_{2}:n_{21}={\frac {v_{1}}{v_{2}}}$

Для сред с абсолютными показателями преломления $n_{1}$ и $n_{2}$ относительный показатель преломления второй среды относительно первой равен отношению абсолютного показателя преломления второй среды к абсолютному показателю преломления первой среды:

$n_{21}={\frac {v_{1}}{v_{2}}}={\frac {c/v_{2}}{c/v_{1}}}={\frac {n_{2}}{n_{1}}}$

Та среда, которая обладает большим показателем преломления, называется оптически более плотной, скорость распространения света в ней меньше. Если свет переходит из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, то при некотором угле падения $\alpha _{0}$ угол преломления должен стать равным $\pi /2$. Интенсивность преломленного луча в этом случае становится равной нулю. Свет, падающий на границу раздела двух сред, полностью отражается от нее.

Угол падения Невозможно разобрать выражение (SVG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \alpha_0} , при котором наступает полное внутреннее отражение света, называется предельным углом полного внутреннего отражения. При всех углах падения, равных и больших Невозможно разобрать выражение (SVG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \alpha_0} , происходит полное отражение света.

Величина предельного угла находится из соотношения

Невозможно разобрать выражение (SVG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \sin{\displaystyle \alpha _{0}}=\frac{n_2}{n_1}}

Если Невозможно разобрать выражение (SVG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle n_2=1} (вакуум), то

Невозможно разобрать выражение (SVG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \sin{\displaystyle \alpha _{0}}=\frac{1}{n_1}}

Влияние света на живые организмы

• Расскажите, какое влияние свет оказывает на живые организмы.

Самыми важными процессами, протекающими у живых организмов (растений и животных) под воздействием света, являются следующие:

1. Фотосинтез.
2. Транспирация — примерно 75% солнечных лучей, падающих на растения, расходуется на испарение воды.
3. Фотопериодизм — синхронизация жизнедеятельности расте­ний и животных с сезонами года.
4. Движение — у растений осуществляется в качестве фотопе­риодизма и фотонастии, у животных и одноклеточных растений в качестве фототаксиса.
5. Зрение (у животных) — одна из главных чувствительных функций.
6. Другие функции — синтез витамина D, пигментация кожи и др.

В зависимости от потребности в свете растения подразделяются на светолюбивые, тенелюбивые и теневыносливые.

1. Светолюбивые растения могут развиваться лишь на открытых местах с высокой интенсивностью света. Процессы фотосинтеза в них протекают интенсивно. К ним относятся дикие представители лука и тюльпаны, произрастающие в пустынях и полупустынях.
2. Тене­любивые растения, наоборот, избегают интенсивного света, они растут в тенистых местах. К таким растениям относятся папоротники и мхи, произрастающие в лесах.
3. Теневыносливые растения могут свободно произрастать как в тенистых, так и в хорошо освещённых местах. К ним относятся берёза, сосна, дуб, земляника, фиалка и др.

В зависимости от длины дня (фотопериодизм) существуют растения длинного, короткого дня, а также нейтральные.

Для животных свет имеет в основном информативное значение. У простейших животных имеются органы, воспринимающие свет, при участии которых осуществляется фототаксис (движение в сторону света). Все животные, начиная с кишечнополостных, имеют органы, воспринимающие свет. Одни животные (совы, летучие мыши) только ночью ведут активный образ жизни, другие (кроты, аскариды) приспособлены к жизни в темноте.

Особенности зрения глубоководных рыб и кротов

• Объясните наличие огромных глаз у глубоководных рыб и слабое зрение или его отсутствие у кротов.

В морских глубинах царит полный мрак, и многие глубоководные рыбы начисто лишены зрения, – глаза у них отмерли за ненадобностью. Зато у них хорошо развиты органы боковой линии. Другие, наоборот, стали сами освещать себе дорогу и имеют большие сложно устроенные глаза, чтобы издали замечать других светящихся обитателей бездны. Свет излучают не сами рыбы, а бактерии, живущие в слизи внутри их органов свечения.

Эти органы могут быть устроены как настоящие прожектора. С внутренней стороны их стенки выстланы «зеркальным» слоем, отражающим свет; снаружи их иногда прикрывает что-то вроде века, которым рыба может «тушить» свет по своему желанию. Этими «фонариками», которые бывают зелеными, красными, фиолетовыми, рыбы могут подманивать добычу. У небольших рыбок, светящихся анчоусов, может быть 50-80 светильников. А у рыб-мичманов их бывает до 300.

Глаза кротов снабжены подвижными веками, они очень маленького размера. Кроты практически ничего не видят, у некоторых видов глаза закрыты кожей. При отыскании добычи крот руководствуется главным образом обонянием, а также весьма тонкими осязанием и слухом. Ненужные органы, как правило, атрофируются и в эволюционном процессе могут полностью исчезнуть. Это происходит и с кротами. Из всех органов чувств зрение у кротов развито слабее всего. Из-за постоянного пребывания под землей, глаза, как органы зрения, кротам практически не требуются. В темноте нор они собственно и не особо нужны. Под землей глаза кроту только лишь мешают, ведь, в них непременно попадала бы почва. Поэтому они постепенно стали исчезать.