Невидиме світло: урок фізики про інфрачервоне випромінювання, який можна провести зі смартфоном

Тема електромагнітних хвиль часто лишається для учнів абстракцією: формули, шкала довжин хвиль, картинка в підручнику. Інфрачервоне випромінювання — вдячний виняток. Його не видно оком, але можна «побачити» звичайним смартфоном, а застосування учні щодня бачать на шкільному подвір'ї. Пропонуємо ідею уроку на 45 хвилин.

Крок 1. Історія відкриття (5 хвилин)

1800 року астроном Вільям Гершель розклав сонячне світло призмою і вимірював температуру різних кольорів. Найвищу температуру показав термометр, розташований за червоною смугою, де світла вже не було видно. Так відкрили інфрачервоне випромінювання — хвилі, довші за видимі (понад приблизно 750 нм).

Дослід Гершеля можна повторити на уроці: призма, сонячне вікно і три термометри з зачорненими кульками. Різниця в пів градуса-градус уже переконлива.

Крок 2. Дослід із пультом (10 хвилин)

Попросіть учнів навести камеру смартфона на світлодіод пульта від телевізора чи кондиціонера й натиснути будь-яку кнопку. Оком нічого не видно, а на екрані світлодіод блимає фіолетово-білим.

Пояснення: сенсор камери чутливий до ближнього ІЧ-діапазону, хоча людське око його не сприймає. Корисне спостереження: у багатьох телефонах фронтальна камера показує спалах яскравіше за основну, бо основна часто має сильніший ІЧ-фільтр. Звідси питання до класу: навіщо виробники ставлять такі фільтри? (Щоб денні кольори не спотворювалися.)

Крок 3. Шкільна камера спостереження (10 хвилин)

Якщо в школі є вулична камера, подивіться на неї в сутінках. Навколо об'єктива світяться ледь помітні червоні точки. Це ІЧ-світлодіоди з довжиною хвилі 850 нм: край їхнього спектра ще зачіпає видимий діапазон, тому ми бачимо слабке жевріння. Діоди на 940 нм не світяться зовсім, але і «добивають» слабше.

Уночі камера прибирає ІЧ-фільтр і перемикається в чорно-білий режим. Вона «бачить» у світлі, яке сама ж і випромінює.

Крок 4. Закон обернених квадратів (10 хвилин)

Тепер практична задача: чому вбудована підсвітка камери освітлює лише 20–30 метрів, а на великому подвір'ї чи стадіоні зображення вночі «тоне»? Освітленість від точкового джерела спадає пропорційно квадрату відстані: удвічі далі — вчетверо темніше. Тому для великих територій використовують окремі інфрачервоні прожектори для відеоспостереження, які ставлять поруч із камерою. Вони дають потужніший і вужчий промінь, а людину не засліплюють і не підсвічують територію для сторонніх.

Задача для класу: прожектор освітлює об'єкт на відстані 20 м. У скільки разів менша освітленість на відстані 60 м? (Відповідь: у 9 разів.)

Крок 5. Підсумок і домашнє завдання (10 хвилин)

Обговоріть, де ще працює ІЧ-діапазон: тепловізори, безконтактні термометри, датчики руху, оптоволоконний зв'язок. Домашнє завдання — знайти вдома три пристрої з ІЧ-випромінюванням і перевірити їх камерою смартфона.

Якщо захочете показати реальне обладнання, характеристики камер і прожекторів (довжину хвилі, дальність, кут розсіювання) зручно розбирати на сайтах постачальників систем безпеки, наприклад Secur. Це готовий матеріал для задач «з життя»: учні порівнюють параметри, рахують, скільки прожекторів потрібно для периметра, і бачать, що фізика з підручника працює просто за вікном класу.

Такий урок не потребує лабораторії: вистачає пульта, смартфона й уважного погляду на шкільну камеру. А інфрачервоне світло з абстрактного рядка у шкалі хвиль перетворюється на явище, яке учні побачили на власні очі.