Методы визуального определения загрязнения водоемов нефтепродуктами

В итоге получаются два отражённых луча, причем второй из них на пути к нашему глазу отстает от первого, потому что ему дважды пришлось преодолеть толщину плёнки. Эти два луча накладываются друг на друга, в результате чего в пространстве происходит перераспределение их энергии. Результирующие колебания при этом либо усиливаются, либо ослабляются. Усиление происходит, если преломленная волна 2 (см. рисунок) отстает от отраженной волны 1 на целое число длин волн. Если же вторая волна отстает от первой  на половину длины волны или нечетное число полуволн, то произойдет ослабление света.

Это явление называется в физике интерференцией света.

Рис.2 интерференция света на тонких пленках

Луч красного света, выходящий из точки Y, складывается из двух лучей:  
части луча 1, прошедшей через плёнку, и части луча 2,  
отражённой от внешней поверхности.  
Длина пути XOY кратна длине волны падающего на плёнку света,  
поэтому оба луча складываются в фазе и усиливаются.  

 

Рис.3 интерференция света на тонких пленках

В этом случае синие лучи при данной толщине плёнки  
складываются в противофазе, потому что  
расстояние XOY не пропорционально длине волны.  
Результат - лучи складываются в противофазе  
и гасятся: синий цвет не отражается от плёнки.

Для того чтобы могло происходить явление интерференции, два отражённых луча должны быть синхронными, согласованными, то есть их длины волн должны быть одинаковы, а сдвиг фазы - постоянным (физики называют такие волны когерентными). Обычные источники света не являются когерентными, потому что они состоят из большого числа атомных излучателей, работающих независимо друг от друга и несогласованно. Волны же, отраженные от наружной и внутренней поверхностей тонкой пленки, являются когерентными, потому что они являются частями одного и того же светового пучка.

Если бы лучи света имели одну длины волны, то есть, были бы одноцветными (такой источник света называется монохроматическим), то интерференционная картинка выглядела бы как чередование светлых и черных полос (соответственно, интерференционных максимумов и минимумов). Но солнечные лучи - белые, в них присутствуют волны всего видимого спектра. Поэтому картина, которая получается на нефтяной пленке от солнечного света - разноцветная, радужная.

Дело в том, что разность хода лучей, отраженных от пленки, зависит от ее толщины. При определенной толщине условие максимума выполнится для какой-то длины волны, и пленка в отраженном свете приобретет цвет, соответствующий этой длине волны. Если же пленка имеет переменную толщину, а именно так обстоит дело с бензиновой плёнкой на воде, то интерференционные полосы приобретают радужную окраску, так как в разных участках плёнки условие максимума выполняется для разных длин волн.

Однако это не значит, что на плёнке с равномерной толщиной интерференцию наблюдать невозможно: ведь эффект интерференции определяется не только толщиной плёнки, но и другими факторами, например, углом падения светового пучка, показателем преломления плёнки.

Явление интерференции света можно наблюдать только в тонких пленках, толщина которых сравнима с длиной волны падающего на них света (но обязательно больше неё). Ведь свет - это сумма излучений с разной длиной волны. При прохождении через толстую пленку различия в прохождении лучей будут самые разные, и отражающиеся лучи не будут когерентными. То есть, конечно, какие-то волны будут в фазе, а какие-то - в противофазе, но некогерентных волн будет гораздо больше, и интерференционная картина просто "размажется". Тем не менее, в толстых пленках интерференцию наблюдать можно - для этого источник света должен быть монохроматическим.

Интерференция обусловливает радужные переливы на поверхности компакт-дисков.

Радужность мыльных пузырей - тоже результат интерференции. Толщина стенки мыльного пузыря немногим больше длины волн видимого спектра. По мере уменьшения толщины стенки пузырь постепенно меняет цвет. При толщине 230 нм он окрашивается в оранжевый цвет, при 200 нм — зеленый, при 170 нм — синий. Толщина пленки меняется неоднородно, поэтому она имеет пятнистый вид. Когда из-за испарения воды толщина стенки мыльного пузыря становится меньше длины волны видимого света, пузырь перестает переливаться цветами радуги, становится почти невидимым, перед тем как лопнуть - это происходит при толщине стенки примерно 20-30 нм.

Явление интерференции:

Рис.4 интерференция света на стенке мыльного пузыря   Рис.5 интерференция света  на компакт-диске Рис.6 интерференция света на нефтяной плёнке Рис. 7 интерференция света на оксидной плёнке металла (цвета побежалости)

 

 

 

 

 

 

 

Интерференция света на тонких пленках

Рис. 8 плоскопараллельная тонкая пластинка

Рассмотрим плоскопараллельную тонкую пластинку толщиной h (рис.8). На эту пластинку под углом i падает монохроматическая волна. По обе стороны от пластинки находится одна и та же среда с абсолютным показателем преломления n1. Абсолютный показатель преломления пластинки n2 (n2> n1). АВ – фронт падающей волны, АВ перпендикулярен к падающим лучам 1 и 2. Падающая волна частично отражается от верхней поверхности пластинки, и частично преломляется. Направление распространения отраженной волны 1', преломленной – AD. Преломленная волна, придя на нижнюю границу пленки, частично отражается (DС), и частично преломляется.

То же самое и на верхней границе: DС частично преломляется и проходит в среду, совпадая с лучом 2' (луч 1"). Эти волны, обусловленные отражением от верхней и нижней границ пленки, когерентны между собой. Результат их интерференции зависит от разности фаз  ,приобретенной в пленке.

В точках А и В фронта падающей волны колебания совершаются в одной фазе. Колебание в точке С, вызванное отраженной волной, отстает по фазе от колебаний в точке А на величину  1=2p(AD+DC)/l2, где l2 – длина волны света в пленке.

Колебания в точке С, вызванные отраженной от верхней поверхности пленки волной, отстают по фазе на   , где l1 – длина волны в среде, p учитывает сдвиг фаз при отражении света от оптически более плотной среды. Он эквивалентен дополнительному пути l1/2. Тогда разность фаз:

           (1)

Но           l – длина волны в вакууме.

 Следовательно:

  (2)

 

Тогда условия максимума интерференции :

 

условия минимума:

 

Для плоскопараллельной пленки имеем:

    (3)

Тогда оптическая разность хода

            (4)

По закону преломления света 

              (5)                 

Следовательно

           (6) 

 

Или             (7)

При

   (8)

имеет место максимум в отраженном свете,

при  - минимум.

Мы рассмотрели случай, когда на плоскопараллельную тонкую пластинку падает плоская волна.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Практическая реализация методов определения загрязнения водоемов нефтепродуктами

Нефть не смешивается с водой. Поэтому, попадая в водоем он растекается по её поверхности и образует тончайшую пленку. Эта пленка обладает замечательным физическим свойством - создавать вот такие радужные картины.

Рис. 9 нефтяное пятно на луже

Шкала определения загрязнения нефтью:

• отсутствие пленок и пятен-1 балл;
• отдельные пятна и серые пленки на поверхности воды-2 б, пятна;
• ирризирующие пленки на поверхности воды, отдельные промазки по берегам и на прибрежной растит-ти-3 б;
• нефть в виде пятен и пленок покрывает большую часть поверхности водоема;
• берега и прибрежная растительность вымазаны нефтью; нефть всплывает при взмучивании дна-4 б;
• поверхность воды покрыта нефтью, видимой и во время волнений, берега и прибрежные сооружения вымазаны нефтью, нефть всплывает при взмучивании дна-5 б.

Если при разливах нефти в море водная поверхность покрывается радужными разводами – то есть  когда нефтяная плёнка тонкая, не более микрона толщиной, то масштаб катастрофы относительно невелик.

Лабораторная работа

Цель: получить нефтяную пленку на воде и измерить ее толщину.

Приборы и материалы: мерный стаканчик, 1мл нефти, мерная пипетка, линейка.

Ход работы: Берем мерный стаканчик вливаем воду 200 мл. Мерной пипеткой берем 1мл нефти. На поверхность воды капаем нефть.

Нефть растеклась по поверхности ровной пленкой. Измеряем диаметр поверхности, он равен 3 см.

1мл нефти= 1см3

 

Находим толщину пленки:  

Вывод: в ходе проделанной работы получили нефтяную пленку на поверхности воды, нашли ее толщну.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выводы

При анализе научно-исследовательской литературы была достигнуты поставленная цель: изучили методы определения загрязнения водоемов нефтепродуктами, также подробно рассмотрели метод определения загрязнения водоемов нефтепродуктами с помощью явления интерференции.

В ходе работы мы решили поставленные задачи. Были подробно исследованы лабораторный и визуальный методы. Следует отметить, что визуальный метод доступен для каждого человека.

Заключение

В ходе исследования возникли трудности в поиске литературы на тему методы визуального определения загрязнения водоема нефтепродуктами, также в проведении лабораторной работы в домашних условиях.

Достоинством данной курсовой работы отметим, что было найдено много материала по теоретическим основам методов определения загрязнения водоемов нефтепродуктами. Также было написано подробно про интерференцию на тонких пленках.

Недостатки данной работы в том, что написано мало про практическую реализацию методов определения загрязнения водоемов нефтепродуктами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература

1. http://allforchildren.ru/why/why107.php  (дата обращения 16.11.2014)

Почему бензин на лужах образует радужные пятна? Панов А.А.

2. http://revolution.allbest.ru/physics/00270606_0.html (дата обращения 28.11.2014) Интерференция в тонких пленках.
3. http://biofile.ru/bio/16033.html (дата обращения 16.11.2014)  Нефтяные загрязнения водоёмов, их последствия. Радзевич Н.Н., Пашканг К.В и Комягин В.М..
4. http://fn.bmstu.ru/data-physics/library/physbook/tom4/ch4/texthtml/ch4_4.htm (дата обращения 8.12.2014) Интерференция в тонких плёнках. Буховцев Б. Б. 
5. Мякишев Г. Я. §58. Интерференция света // Физика: Учеб. для 10 кл. сред. шк. М: Просвещение, 1987. — с. 158—161,  с. 319.
6. Г. С. Ландсберг. Оптика. М.,1976 г.,928 – с.24.