© Данная статья была опубликована в № 20/2007 журнала "Химия" издательского дома "Первое сентября". Все права принадлежат автору и издателю и охраняются.
  •  Главная страница "Первого сентября"
  •  Главная страница журнала "Химия"
  •  Сайт "Я иду на урок химии"
  •  Содержание № 20/2007
  • Мир зеркала

    Я ИДУ НА УРОК

    Мир зеркала

    Интегрированный урок

    Проблеме интеграции учебных предметов сейчас уделяется большое внимание. Прямое влияние на содержание образования оказывает современная тенденция усиления взаимосвязи наук. Предлагаемый урок «Мир зеркала» – пример интеграции курсов химии, физики, истории, литературы, математики. Он содержит сведения об истории производства зеркал, их физических и химических свойствах и применении. Урок можно провести на занятиях по химии в 9-м или 11-м классах при изучении темы «Металлы», поскольку основное внимание в материале уделено практическому применению металлов для производства зеркал. Дополнительно приведены сведения об упоминании зеркал в художественной литературе, о математических загадках Зазеркалья, об уходе за зеркалами, об изобретениях современных зеркал с уникальными свойствами и их применении в хозяйственной деятельности человека.

    По форме проведения это урок-интервью. Учащиеся готовятся к уроку заранее, работая с различными источниками информации.

    Время проведения. Сдвоенный урок, 1,5 ч.

    Цель. Развивать познавательный интерес на основе межпредметных связей.

    Задачи. Познавательные. Сформировать представления о роли металлов в производстве зеркал, их физико-химических свойствах и областях применения; акцентировать внимание учащихся на возможностях интеграции знаний из курсов химии, физики, истории, литературы, математики; совершенствовать навыки работы с дополнительной литературой.

    Развивающие. Развивать умения выделять главное, существенное, сравнивать, обобщать; способствовать развитию эмоциональных качеств личности, формированию коммуникативных и рефлексивно-оценочных умений.

    Воспитательные. Формировать научное мировоззрение, целостную картину мира.

    Оборудование и реактивы. Образцы зеркал (плоские, вогнутые, выпуклые), микроскоп, школьный телескоп, видеокамера, зеркальный фотоаппарат, медицинский лобный рефлектор, новогодние шары, памятки по уходу за зеркалами, выставка книг; химическая посуда и реактивы для проведения реакции «серебряного зеркала».

    Межпредметные связи урока: химия, физика, история, литература, математика.

    П л а н

    1. Вступительное слово учителя.
    2. Представление «корреспондентов».
    3. Сообщения учащихся. Работа групп:

    а) «историков»;

    б) «химиков»;

    в) «физиков»;

    г) «литераторов»;

    д) «математиков»;

    е) «изобретателей»;

    ж) «экспертов».

    4. Заключительное слово учителя.
    5. Оценка работы учащихся.
    6. Рефлексия учащихся.

    ХОД УРОКА

    Учитель. Вы можете представить себе жизнь без зеркала? Проснуться утром – и не увидеть своего отражения? Кажется, ерунда, мелочь. А ведь какой душевный дискомфорт! Недаром сказочных персонажей в качестве наказания лишали отражения. Сегодня мы поговорим о зеркалах.

    Что такое зеркало? В чем его сила? Откуда оно появилось? Как его изготавливают? На эти и другие вопросы мы постараемся сегодня ответить и помочь корреспондентам школьной газеты написать материал о зеркалах. Добро пожаловать в удивительный, таинственный, волшебный мир зеркала!

    Первое зеркало – водная гладь
    Первое зеркало – водная гладь

    1-й корреспондент. Для начала мы обратимся к словарям и выясним, что же такое зеркало.

    2-й корреспондент. Малый энциклопедический словарь Ф.A.Брокгауза и И.А.Ефрона дает такую формулировку: «Зеркало – физическая, гладкая плоская или кривая поверхность, отражающая свет по определенным направлениям относительно падающего луча».

    В толковом словаре В.Даля читаем: «Зеркало – весьма гладкая, металлическая или стеклянная доска, отражающая предметы».

    В словаре С.И.Ожегова сказано: «Зеркало – гладкая отполированная блестящая поверхность (стеклянная, металлическая), дающая отражение находящихся перед ней предметов».

    1-й корреспондент. С чего же начать интервью?

    2-й корреспондент. Давай выясним, где появилось первое зеркало? Кто его изобрел? Пусть группа историков ответит на эти вопросы.

    1-й историк. Вы когда-нибудь смотрелись в водяную гладь реки или озера? Вы видели там свое отражение, деревьев и неба? По существу вы смотрелись в зеркало. Ведь зеркало – это гладкая поверхность, которая отражает свет и другие предметы. И чем она более гладкая, тем лучше отражение. Когда ветерок рябит воду, вы можете видеть только солнечные блики – и ничего больше.

    Зеркала известны с незапамятных времен. В древние времена их делали из полированного металла. Мы никогда не узнаем, как человек придумал зеркало. Вероятно, он часто смотрел в гладкую поверхность водоемов и видел там себя. А в один прекрасный день специально отполировал кусочек металла и придал ему нужную форму. Так появилось зеркало.

    2-й историк. Первые металлические зеркала из бронзы и серебра люди начали изготавливать в III тысячелетии до н.э. Они были широко распространены у народов Древнего Востока, а позже – у древних греков и римлян. Последнее подтверждает большое количество полированных металлических пластинок, найденных при раскопках Помпеи. Уже тогда широко использовали карманные зеркальца, которые было удобно носить с собой. Их делали из круглой пластинки металла: меди, серебра, золота и бронзы (сплава меди и олова). Такие зеркала были, конечно, не столь совершенными, как стеклянные, но в течение тысячелетий женщинам приходилось довольствоваться только ими.

    При исследовании древней резиденции египетских фараонов в окрестностях Каира был обнаружен неглубокий бассейн, дно которого некогда было залито слоем жидкой ртути. Возможно, это также один из образцов древних зеркал.

    Первыми, кто догадался делать стеклянные зеркала со слоем ртути или олова, были венецианцы. К 1300 г. стали выпускать такие зеркала, и скоро они заменили металлические пластины. С этого времени небольшое ручное зеркало стало обязательной принадлежностью наряда богатой дамы. Его носили на золотой цепочке на шее или у пояса, вставляли в веер, оправляли в рамки из черепаховой или слоновой кости, украшали позолотой, миниатюрами из эмали и гравировкой. Эта мода прошла лишь в XVII в., когда вследствие мощного подъема стеклоделия французскими мастерами был разработан метод отливки больших зеркальных стекол на медных плитах с последующей их прокаткой. Парадные залы дворцов знати стали украшаться огромными зеркалами, и необходимость в постоянном ношении маленьких зеркал отпала.

    Зеркальная галерея Версальского дворца (Франция)
    Зеркальная галерея
    Версальского дворца
    (Франция)

    Начиная с XV в. лучшие стеклянные зеркала производились в ведущем центре европейского стеклоделия – Венеции, на острове Мурано. Они были небольшими по величине, но весьма дорогими. Их отражательная поверхность сначала делалась из свинцово-сурьмяного сплава. Однако последний быстро тускнел и утрачивал необходимые для зеркала свойства. В XVI в. венецианцы изобрели подводку стеклянных зеркал оловянной амальгамой. Ртутно-оловянный сплав обладал хорошей отражательной способностью и относительно высокой устойчивостью. Поэтому этот сплав, несмотря на высокую токсичность (ядовитые пары ртути отравляли наводчиков зеркал), почти до середины XIX в. оставался незаменимым в производстве зеркал.

    3-й историк. Стеклоделы острова Мурано тщательно хранили секреты зеркального производства. За этим ревностно следила и Венецианская республика: мастера постоянно находились под надзором специальной тайной службы, им под страхом смерти запрещено было покидать остров. Конечно, по отношению к жителям Мурано это было жестоко, но Венеция оберегала таким образом свои финансовые интересы, поскольку муранское стекло и зеркала стоили очень дорого.

    Однако вскоре после изобретения в Венеции зеркального стекла, изготовляемого надувным способом, его стали производить и мастера Голландии, Германии, Франции. Технологии производства зеркал в разных странах были различны.

    В Италии, например, расплавленную стеклянную массу выдували в длинные баллоны, затем разрезали их вдоль, расстилали на медном листе, наводили блеск и амальгировали.

    Во Франции стеклянную массу разливали по гладкому столу и медленно охлаждали, а затем шлифовали стекло наждаком. Амальгирование происходило так: на гладком столе располагался оловянный лист, на него наносили тонкий слой ртути, а поверх расстилали лист стекла.

    Современное зеркало, изготовленное в Мурано
    Современное зеркало,
    изготовленное в Мурано

    1-й корреспондент. А я слышал о загадочных, волшебных зеркалах, которые изготавливались в Китае!

    4-й историк. Да, действительно, в 1832 г. один из европейцев, совершивших путешествие по Китаю, привез в Европу небольшое медное зеркало – тонкую круглую пластинку, одна сторона которой была отполирована так, что в нее можно было смотреться. Это зеркало обладало совершенно удивительными свойствами. Если оно отражало солнечный свет, то на стене, куда попадал отраженный луч, проступало отчетливо видимое изображение. Чаще всего это был текст заклинания для защиты от злых духов. Исследователи установили, что подобные зеркала производились в Китае еще в III в. н.э. В книге «История древних зеркал» (X в.) было написано, что изобретение таких зеркал относится к глубокой древности и секрет их изготовления утрачен. Китайскими зеркалами заинтересовались физики. Но прошло целых сто лет, прежде чем эту тайну удалось разгадать знаменитому английскому физику Уильяму Брэггу. В 1932 г. он опубликовал работу, в которой показал, что секрет зеркала заключается в особых приемах полировки его поверхности. Вначале на нее наносили необходимые иероглифы, а затем поверхность полировали для придания блеска. В ходе полировки поверхность сглаживали так, что глаз переставал замечать выпуклости. Они становились заметными только тогда, когда их освещал яркий солнечный свет.

    1-й корреспондент. Итак, зеркала могут быть металлическими, с тщательно отполированной поверхностью, и стеклянными, с нанесенными на их поверхность металлами.

    2-й корреспондент. А какие металлы используют для изготовления зеркал? Обратимся к химикам и почерпнем у них нужную информацию.

    1-й химик. Металлы – химические элементы, образующие в свободном состоянии простые вещества с характерной металлической структурой. В основе структуры металлов лежит кристаллическая решетка из положительных ионов, погруженная в плотный «газ» подвижных электронов. Эти электроны компенсируют силы электрического отталкивания между положительными ионами и тем самым связывают их в твердые тела. Такой тип химической связи называют металлической. Она обусловливает важнейшие физические свойства металлов: высокую электро- и теплопроводность, пластичность, металлический блеск, которые широко используются человеком в практической деятельности. Своеобразный металлический блеск объясняется тем, что обобществленные электроны отражают световые волны. Самые блестящие металлы – ртуть (из которой изготавливали в средние века знаменитые «венецианские зеркала») и серебро (из него теперь с помощью реакции «серебряного зеркала» изготавливают современные зеркала). Металлический блеск наблюдается обычно, когда металл образует сплошную компактную массу. Большинство металлов в мелко раздробленном виде имеет черный или темно-серый цвет. Правда, магний и алюминий сохраняют свой блеск, даже будучи превращенными в порошок.

    2-й химик. Как мы уже знаем, первыми зеркалами служили отполированные до блеска металлические пластинки из меди, золота, серебра. Однако такие зеркала имели большой недостаток – на воздухе быстро темнели и тускнели. Какой же выход нашли из этой ситуации? Многочисленные опыты показали, что блестящий металлический слой можно нанести и на стекло. Так, в I в. н.э. начали изготавливать стеклянные зеркала – стеклянные пластинки, соединенные со свинцовыми или оловянными пластинами.

    Делалось это так: мыли спиртом стекло, очищали его тальком и затем к поверхности плотно прижимали оловянный лист. Сверху наливали ртуть и, дав ей постоять, сливали избыток. Образовавшийся слой амальгамы заклеивали или закрашивали. Такие зеркала оказались намного долговечнее металлических, поэтому ремесленные мастерские перешли на выпуск стеклянных зеркал, отражающая поверхность которых была сделана из амальгамы олова (раствор олова
    Sn в ртути Hg). Но, поскольку пары ртути очень ядовиты, производство ртутных зеркал было весьма вредным, да и сами зеркала содержали ртуть. Было опасно держать ртутные зеркала в жилых помещениях. Поэтому ученые продолжали искать замену для ртути. Ее нашли французский химик Франсуа Птижан и великий немецкий ученый Юстус Либих. Они предложили заменить ртуть серебром.

    1-й корреспондент. Какие химические процессы лежат в основе изготовления таких зеркал?

    3-й химик. Либих предложил изготавливать стеклянные зеркала с серебряным покрытием. Разработанный им метод состоял из следующих операций. Сначала к водному раствору нитрата серебра AgNO3 добавляли водный раствор гидроксида калия KОН, что приводило к осаждению черно-коричневого осадка оксида серебра Ag2O.

    (Ученик пишет на доске уравнение:

    2AgNO3 + 2KOH = Ag2O + 2KNO3 + H2O.)

    Осадок отфильтровывали и перемешивали с водным раствором аммиака NH3.

    (Ученик пишет на доске уравнение:

    Ag2O + 4NH3 + H2O = 2[Ag(NH3)2] (OH).)

    Оксид серебра растворялся в аммиачной воде с образованием комплексного соединения (аммиаката, или аммина) – гидроксида диамминсеребра(I). Затем в полученный прозрачный раствор погружали лист стекла, одна из поверхностей которого была тщательно обезжирена, и добавляли формальдегид НСНО.

    (Ученик пишет на доске уравнение:

    2[Ag(NH3)2](OH) + HCHO = 2Ag +  HCOONH4 + 3NH3 + H2O.)

    Формальдегид восстанавливал серебро, которое осаждалось на очищенной поверхности стекла, покрывая его блестящим зеркальным налетом. Любопытно, что реакцию, которую открыл Либих, так и называли – реакция «серебряного зеркала».

    Учитель. Мы можем в лабораторных условиях получить «серебряное зеркало».

    Учитель проводит реакцию «серебряного зеркала».

    В чистую колбу наливают на 1/4 объема 2%-й раствор нитрата серебра, затем добавляют постепенно раствор аммиака до тех пор, пока образующийся вначале осадок не растворится в его избытке. К образующемуся раствору добавляют осторожно по стенке 0,5–1 мл формалина и помещают колбу в стакан с горячей (лучше кипящей) водой.

    Вскоре в колбе образуется красивое серебряное зеркало!

    4-й химик. Серебро – драгоценный металл, известный с глубокой древности. На земле этого элемента 710–6 % от массы земной коры. Чистое серебро – блестящий белый металл, очень мягкий, тягучий, плавящийся при 960,8 °С. Плотность серебра при 20 °С равна 10,5 г/см3,
    tкип = 2212 °С. Серебро устойчиво к атмосферным воздействиям, характеризуется высокой отражательной способностью и не дает оттенков.

    В настоящее время много серебра расходуется на производство технических и бытовых зеркал. При изготовлении серебряных зеркал стекло обезжиривают и промывают, а затем обрабатывают раствором хлорида олова(II) SnCl2. После этого стекло обливают раствором нитрата серебра AgNO3, содержащим сахар. Сахар восстанавливает соль серебра до металла, и он ровным и плотным слоем ложится на поверхность стекла. Хлорид олова(II) играет роль активатора процесса восстановления и способствует образованию качественного слоя серебра.

    Обычно толщина серебряной пленки колеблется от 0,15 до 0,3 мкм. Для электрохимической защиты отражающего слоя его покрывают медной пленкой, соизмеряемой по толщине с серебряной. На медную пленку наносят разные лакокрасочные материалы – поливинилбутиральные, нитроэпоксидные, эпоксидные эмали, предупреждающие механические повреждения защитного слоя.

    Для предотвращения потускнения серебряного покрытия в технических зеркалах его защищают слоем химического элемента индия. Не сказываясь на отражательной способности зеркал, индий позволяет продлевать срок их службы.

    Таким образом, технологический процесс производства зеркал серебрением состоит из следующих основных операций:

    удаление с поверхностей стекла загрязнений и продуктов коррозии;

    нанесение центров осаждения серебра;

    собственно серебрение;

    нанесение защитных покрытий на отражающий слой.

    2-й корреспондент. Серебро – драгоценный металл. Неужели нельзя заменить его другим металлом, менее дорогим?

    5-й химик. Можно. В последнее время зеркала изготавливают способами металлизации стекла катодным распылением и испарением в вакууме. Чаще всего используют термическое испарение алюминия в вакууме. Испарение алюминия осуществляется со жгутов из вольфрамовой проволоки либо из жаропрочного тигля. Подготовка поверхности стекла к алюминированию выполняется еще более тщательно, чем перед химическим серебрением, и включает обезвоживание и обработку электрическим разрядом. Толщина алюминиевой пленки для получения зеркала с максимальной отражательной способностью должна составлять 0,12 мкм. Благодаря повышенной химической стойкости алюминиевые зеркала иногда используют как поверхности наружного отражения, которые защищаются оптически прозрачными слоями Al2O3, SiO2, MgF2 и др. Обычно же слой алюминия покрывается непрозрачными лакокрасочными материалами, такими же, как и при серебрении. Некоторая неравномерность по спектру и ухудшение отражательной способности алюминированных зеркал по сравнению с посеребренными оправданы значительной экономией серебра при массовом производстве зеркал.

    Способами катодного распыления и термического испарения могут быть получены зеркала с пленками большинства металлов, а также диэлектриков.

    6-й химик. Серебряные зеркала на стеклянной основе до сих пор служат людям, однако их стойкость к действию высоких температур и вызывающих коррозию газов атмосферы невысока. Поэтому в технике их по возможности заменяют родиевыми. Отражательная способность родия несколько меньше, чем у серебра (95%), зато родированные поверхности не тускнеют даже в атмосфере вольтовой дуги. Родием покрывают рефлекторы прожекторов и технические зеркала прецизионных измерительных инструментов различного назначения. Особый блеск и красоту родиевое покрытие придает ювелирным изделиям.

    Составное алюминиевое зеркало телескопа Максвелла (в поперечнике 15 м)
    Составное алюминиевое зеркало
    телескопа Максвелла (в поперечнике 15 м)

    1-й корреспондент. А какое зеркало не «обманывает», дает высококачественное изображение?

    7-й химик. Самыми высококачественными оказались зеркала из индия. Одной из первых областей применения индия стало изготовление зеркал, необходимых для астрономических приборов, рефлекторов и тому подобных устройств. Оказывается, обычное зеркало не одинаково отражает световые лучи различных цветов. Это значит, например, что цветная одежда, если ее рассмотреть в зеркало, имеет несколько иную окраску, чем на самом деле.

    Правда, глаз модницы, сидящей перед зеркалом, не в состоянии зафиксировать такие перемены в ее туалете, но для многих приборов цветовая фальсификация просто недопустима. И серебряные, и оловянные, и ртутно-висмутовые зеркала грешат этим недостатком. Индий же не только обладает чрезвычайно высокой отражательной способностью, но и проявляет при этом полнейшую объективность, совершенно одинаково относясь ко всем цветам радуги – от красного до фиолетового. Вот почему, чтобы свет, излучаемый далекими звездами, доходил до астрономов неискаженным, в телескопах устанавливают индиевые зеркала.

    В отличие от серебра, индий не тускнеет на воздухе, сохраняя высокий коэффициент отражения. Между прочим, индий сыграл немаловажную роль при защите Лондона от массированных налетов немецкой авиации во время второй мировой войны. На первый взгляд, такое утверждение может показаться странным, но именно индиевые зеркала позволяли прожекторам противовоздушной обороны в поисках воздушных пиратов легко пробивать мощными лучами плотный туман, нередко окутывавший британские острова. Поскольку индий имеет низкую температуру плавления (156,2 °С), во время работы прожектора зеркало постоянно нуждалось в охлаждении, однако английское военное ведомство охотно шло на дополнительные расходы, с удовлетворением подсчитывая число сбитых вражеских самолетов.

    Учитель. Добавлю, что получить зеркальную поверхность можно, используя не только металлы, но и их соединения. Так, сульфид свинца РbS – непримечательный осадок бурого цвета. Но его можно выделить из раствора свинцовой соли с получением зеркальной поверхности. Свинцово-сульфидное зеркало получают, используя любую растворимую соль свинца, например нитрат свинца Pb(NO3)2 или ацетат Pb(CH3COO)2, гидроксиды натрия NaOH или калия KОН и тиокарбамид CS(NH2)2. При действии избытка NaOH на нитрат свинца в водном растворе образуется комплексное соединение – гексагидроксоплюмбат натрия.

    (Учитель пишет на доске уравнение:

    Pb (NO3)2 + 6 NaOH = Na4 [Pb(OH)6] + 2NaNO3.)

    Если к такому раствору добавить тиокарбамид и равномерно нагревать, то вскоре можно почувствовать запах аммиака NH3.

    (На доске записывается уравнение реакции:

    Na4 [Pb(OH)6] + CS(NH2)2 = PbS + 2NH3 + Na2CO3 + H2O + 2NaOH.)

    В тщательно вымытом и обезжиренном реакционном сосуде сульфид свинца осаждается на стекле зеркально блестящим слоем.

    Интересно, что в тонком слое (не более 110–3 мм) сульфид свинца PbS является фотосопротивлением: электропроводность такого слоя при освещении резко возрастает.

    2-й корреспондент. Пора узнать, какие же бывают зеркала?

    1-й корреспондент. И какими свойствами обладают?

    2-й корреспондент. Обратимся к группе физиков, нам необходима их помощь.

    1-й физик (рассказ сопровождается демонстрацией зеркал: плоского, вогнутого – медицинский лобный рефлектор, выпуклого – новогодние шарики). Рассмотрите свое изображение в новогодних шариках. Почему изображение получается таким забавным?

    1-й корреспондент. Поверхность выпуклая.

    1-й физик. Да, наряду с плоскими зеркалами, которыми мы обычно пользуемся, существуют вогнутые и выпуклые. Изображение предмета в плоском зеркале образуется за зеркалом, т. е. там, где предмета на самом деле нет, на таком же расстоянии за зеркалом, на каком предмет расположен перед зеркалом. Предмет и его изображение в плоском зеркале представляют собой симметричные фигуры. Например, зеркальное изображение правой руки представляет собой как будто бы левую руку. Плоским зеркалом широко пользуются и в быту, и в технике при создании различных устройств и приборов.

    Качество зеркала тем выше, чем ближе форма его поверхности к математически правильной. Максимально допустимая величина микронеровностей поверхности определяется назначением зеркала: для астрономических и некоторых лазерных зеркал она не должна превышать 0,1 наименьшей длины волны (lmin) падающего на зеркало излучения. Отражающие поверхности вогнутых и выпуклых зеркал делают сферическими, параболоидальными, эллипсоидными. Вогнутые зеркала чаще всего концентрируют энергию пучка света, собирая его, выпуклые – рассеивают.

    1-й корреспондент. Почему поверхности одних предметов отражают свет хорошо, а других – так себе? Почему одни выглядят зеркальными, а другие – матовыми? Наверное, дело в том, насколько хорошо эти поверхности отполированы?

    1-й физик. Действительно, посмотрите внимательно на устройство самого обычного зеркала (демонстрирует плоское зеркало). Ведь это не что иное, как плоское стекло, покрытое с одной стороны ровной, будто отшлифованной металлической пленкой. Благодаря стеклу эта поверхность металла может долго сохраняться плоской и отлично выполнять роль, как говорят, прямого зеркала.

    А теперь взглянем на плоскость фанерной двери, окрашенной белой краской (дверь кабинета). Она кажется нам гладкой и светлой, но согласитесь, что никакого зеркального эффекта нет. Всмотревшись, а еще лучше поводив пальцем по поверхности фанеры, мы убедимся в ее шероховатости. Значит, падающий на нее свет частично отражается в разные стороны. Иными словами, свет рассеивается.

    Положение оптического изображения, даваемого зеркалом, может быть определено по законам геометрической оптики, оно зависит от формы поверхности зеркала и положения изображаемого предмета.

    Когда-то наблюдения за обычными солнечными зайчиками навели на открытие закона отражения света. Звучит этот закон довольно просто: под каким углом лучик на зеркало падает, под таким и отражается. Чуть наклоним зеркало, и отраженный лучик так же отклонится в сторону. Благодаря таким свойствам отражения мы можем увидеть себя в зеркале. Если зеркало ровное, то наше изображение в нем будет таким же, как мы, т.е. неискаженным. Но вспомните «комнату смеха» – стоит изогнуть поверхность зеркала, как изображения предметов в нем приобретают невероятные очертания. В полном соответствии с законом отражения разные участки кривого зеркала создают каждый свое изображение, их становится много, и они причудливым образом накладываются друг на друга. Использование закона отражения света позволило людям не только развлекать друг друга, но и создать много полезных и важных приборов.

    Кривое зеркало – для развлечения
    Кривое зеркало –
    для развлечения

    2-й корреспондент. Мы подошли к вопросу: где используются зеркала?

    2-й физик. Зеркала используются в науке, технике и медицине. Свойство изогнутых зеркал концентрировать, фокусировать световые лучи широко используется, например, в телескопе. Разве он не собирает с большой площади своего «глаза» – объектива – «урожай» световых лучей от далекой звезды? На сегодня наиболее крупные линзы, используемые в телескопах, доходят до 1 м в диаметре. Бо'льших размеров трудно достичь, и поэтому выгоднее прибегать к вогнутым зеркалам. Самый большой телескоп-отражатель изготовлен в нашей стране, диаметр его зеркала равен 6 м. Фокусируя лучи с помощью вогнутого зеркала, он усиливает светимость звезды и позволяет нам ее разглядеть. Если в фокусе подобного зеркала разместить источник света, то лучи, отразившись от зеркала, выйдут из него ровным и мощным пучком. Это применяется в карманных фонариках.

    А если направить лучи не на вогнутую, а на выпуклую сторону зеркала? Легко догадаться, что тогда лучи будут не собираться вместе, а, напротив, рассеиваться. Такой эффект обнаруживается, если посмотреть в блестящий выпуклый бок самовара. Выпуклые зеркала, используемые водителями, позволяют расширить сектор обзора – в них видно больше предметов. Вам, наверное, попадались такие зеркала на перронах станций метро у головного вагона?

    Зеркала, применяемые в сочетании с линзами, образуют группу зеркально-линзовых систем.

    Зеркала с изогнутой поверхностью используются в прожекторах кораблей, маяках, фарах машин, в микроскопах.

    Схема устройства перископа
    Схема
    устройства перископа

    Как вести наблюдение за полем боя солдату, сидящему в окопе, если пули свистят так, что не высунуть и головы? Как узнать капитану подлодки, не выдав ее присутствия, что происходит на поверхности моря? Разумеется, вы вспомнили про перископ. Этот прибор легко сделать самим с помощью двух зеркал. Первое из них, отразив горизонтальный лучик, сделает его вертикальным. Второе, расположенное внизу, наоборот, «поймав» отвесный луч, отразит его горизонтально – прямо к нашим глазам.

    Зеркала применяют для дополнительной подсветки, например, при киносъемке. Отражающие свойства плоских зеркал используют в видоискателях фотоаппаратов и съемочных камер.

    В медицине из зеркал наиболее распространен лобный рефлектор – вогнутое зеркало с отверстием посередине, предназначенное для направления узкого пучка света внутрь глаза, уха, носа, глотки и гортани. Зеркала многообразных конструкций и форм применяют также для исследований в стоматологии, хирургии и т.д. С успехом они используются в кабинетах психологической разгрузки (зеркало релаксации).

    2-й корреспондент. А еще зеркала помогают нам рассмотреть себя, причем с разных сторон. Выпускают даже трехстворчатые зеркала, благодаря которым мы можем увидеть, как выглядим сбоку. В парикмахерских с помощью второго зеркала вам покажут, хорошо ли подстрижен ваш затылок.

    В старинных замках устраивали целые системы зеркал, передающих изображение людей из одной комнаты в другую.

    1-й корреспондент. Мы, современные люди, так привыкли к зеркалам, что на них иногда не обращаем внимания. А ведь было время, когда зеркало казалось чудом, когда оно ценилось на вес золота. Зеркала вставляли в кольца и серьги вместо драгоценных камней. Зеркалами украшали жилища. В богатых домах были даже зеркальные комнаты – стены, потолки, двери – все из зеркал. Знатные дамы заказывали себе платья, обшитые кусочками зеркала.

    2-й корреспондент. А традиция гадать с помощью зеркал? Требуется помощь литераторов.

    1-й литератор. Гадания были широко распространены на Руси. Так, в балладе русского поэта Василия Андреевича Жуковского «Светлана» упоминается о гадании возле зеркала:

    Вот в светлице стол накрыт
    Белой пеленою;
    И на том столе стоит
    Зеркало с свечою;
    Два прибора на столе.
    «Загадай, Светлана;

    В чистом зеркала стекле
    В полночь без обмана
    Ты узнаешь жребий свой:
    Стукнет в двери милый твой
    Легкою рукою;
    Упадет с дверей запор;
    Сядет он за свой прибор
    Ужинать с тобою».
    Вот красавица одна;
    К зеркалу садится;
    С тайной робостью она
    В зеркало глядится;
    Тёмно в зеркале; кругом
    Мертвое молчанье;
    Свечка трепетным огнем
    Чуть лиет сиянье…

    Александр Сергеевич Пушкин в романе «Евгений Онегин» повествует о святочных гаданиях:

    Морозна ночь, все небо ясно;
    Светил небесных дивный хор
    Течет так тихо, так согласно…
    Татьяна на широкий двор
    В открытом платьице выходит,
    На месяц зеркало наводит;
    Но в темном зеркале одна
    Дрожит печальная луна…

    Существует много методов гадания с применением зеркала. Самые известные – с помощью двух зеркал и свечи или с помощью одного зеркала и свечи. Святочные гадания на жениха известны с давних времен. И сейчас гадают таким образом, кто в шутку, а кто и всерьез. И даже то, что начинается как шутка, становится чем-то серьезным и настоящим, когда перед тобой в темноте разворачивается бесконечный зеркальный коридор.

    1-й корреспондент. Конечно, в каждой стране существуют свои поверья, приметы и гадания, связанные с зеркалами. Все легенды объединяет одно: к зеркалу относятся с опаской, видя в нем предмет магический, таинственный, волшебный.

    2-й корреспондент. Вот-вот, здесь скорее больше сказочного вымысла, чем правды.

    Хотя… я люблю сказки. Давайте вспомним, в каких из них упоминается зеркало?

    2-й литератор читает отрывки из литературных произведений: В.И.Губарева «Королевство кривых зеркал», А.С.Пушкина «Сказка о мертвой царевне и семи богатырях», Г.Х.Андерсена «Снежная королева», В.С.Мальта «Стеклянная история», Л.Кэрролла «Алиса в Зазеркалье».

    Алиса в Зазеркалье
    Алиса в Зазеркалье

    1-й корреспондент. Льюис Кэрролл был математиком. Интересно, а какие законы Зазеркалья он описал в своей бессмертной книге «Алиса в Зазеркалье»? Я читал эту книгу, но там все так запутано.

    2-й корреспондент. Давай попросим группу математиков внести ясность в этот вопрос.

    Математик. В зеркале все предметы «переворачиваются», предстают обращенными. Если вы протянете своему отражению правую руку, то увидите, что оно протягивает вам левую.

    Но почему в своем зеркальном отражении мы видим, что зеркало меняет левую и правую стороны, но не меняет верх и низ, хотя, по условиям симметрии, меняться должны все направления? Оказывается, когда мы стоим перед зеркалом, то мысленно как бы обходим его сбоку и становимся за ним. Поэтому меняется правое с левым.

    Законы движения в Зазеркалье так же вывернуты, как и неподвижные отражения. В самом деле, коль скоро в ответ на помахивание правой рукой отражение машет левой, то, если вы желаете попасть в какое-то место в Зазеркалье, нужно идти прямо в противоположную сторону. Маленькая героиня Кэрролла этого не знала, поэтому «куда бы она ни шла, где бы ни сворачивала, всякий раз, хоть убей, она выходила снова к дому». И только пойдя в противоположном направлении, она вышла туда, куда хотела.

    1-й корреспондент. Удивительно! Просто чудеса!

    Учитель. Но чудеса встречаются не только в выдуманном мире. Ученых, занимавшихся исследованием и разработкой новых материалов для уникальных зеркал, ждали не менее сильные переживания и захватывающие открытия, чем те, что достались Алисе при встрече с жителями Зазеркалья.

    Начало было положено исследованием оптических тонких пленок редкоземельных металлов иттрия и лантана. Эти металлы, как и более распространенные щелочно-земельные (магний, кальций и др.), способны поглощать водород и образовывать гидриды, которые при нагревании могут разлагаться, вновь выделяя водород. Гидриды в отличие от металлов – соединения ионные, поэтому их очень тонкие пленки должны быть прозрачными. Идея авторов работы, опубликованной в английском журнале «Nature», и состояла в том, чтобы тонкую зеркальную пленку иттрия превращать по желанию в прозрачную пленку гидрида иттрия и наоборот, добиваясь при этом нового оптического эффекта.

    Реальное положение оказалось сложнее простой схемы: иттрий образует не одну, а три гидридные фазы – твердый раствор водорода в металле (соединение внедрения в кристаллическую решетку), дигидрид YH2 и тригидрид YH3. Обратимого превращения удалось добиться только между фазами ди- и тригидридов: увеличивали давление водорода – получали
    YH3, уменьшали – YH2. Дигидрид обладает металлическими свойствами, поэтому его пленка дает зеркальное отражение, тригидрид – скорее ионное соединение и должен быть прозрачен. К сожалению, электронные свойства YH3 таковы, что его полной прозрачности добиться невозможно: он поглощает синие лучи (фотоны с относительно высокой энергией) и имеет желтый оттенок.

    Был испытан магний, для которого характерно образование только одного соединения с водородом – дигидрида MgH2, но и этот металл для создания чудо-зеркала оказался малопригодным. Здесь причины иные: скорость образования MgH2 невелика, и переключения в прозрачное состояние приходится ждать часами.

    Найти выход из такого положения удалось в Исследовательской лаборатории фирмы «Филипс» (Голландия, г. Эйндховен). Согласно статье в том же журнале «Nature», сплав магния с редкоземельным металлом гадолинием легко, всего за 1 с, переключается с зеркального состояния при малых давлениях водорода на прозрачное при больших. Правда, выяснилось, что в изученной системе не два оптически различных состояния, а три и при средних давлениях водорода пленка сплава и не зеркальная, и не прозрачная, а просто темная. Еще одна трудность состоит в том, что прозрачность достигается только при давлении водорода выше атмосферного.

    Как же сегодня может выглядеть «переключаемое» зеркало?

    Представим себе окно с двумя прозрачными стеклами, как в обычных жилых домах нашей климатической зоны. На одном из стекол с внутренней стороны нанесена тонкая пленка сплава, поверх нее – еще более тонкая, всего в 20 нм, прозрачная пленка палладия (легко поглощает водород и может переносить его в сплав). К герметично закрытому пространству между стеклами ведут трубки для подачи и откачивания водорода. К системе подсоединен источник водорода, например тот же сплав, но в виде порошка: при одной температуре он поглощает водород, при другой – выделяет.

    При дальнейшей разработке в окнах-хамелеонах, наверное, будут использовать более простые, электрохимические способы насыщения сплава водородом. Пространство между стеклами можно заполнить щелочным раствором, который при пропускании тока станет диссоциировать, выделяя водород, или, наоборот, соединяться с водородом.

    2-й корреспондент. Где же можно использовать такие окна, меняющие свои свойства?

    Учитель. Они, конечно же, привлекут архитекторов, поскольку дают возможность построить здания с необычным эффектом. Способность к переключению можно использовать для создания дисплеев, осветительных систем, дорожных указателей и многого другого.

    1-й корреспондент. Необычные окна могут регулировать освещенность квартиры, школьного класса или других помещений: мало солнечного света – они прозрачны, излишне много света – они зеркальные, отражают, создают прохладу.

    2-й корреспондент. Удивительно, казалось бы – самое обычное зеркало, а сколько тайн, загадок! Сколько простора для новых открытий, изобретений.

    1-й корреспондент. Так давайте спросим у группы изобретателей: какие открытия, связанные с зеркалами, были сделаны в последнее время?

    1-й изобретатель. Уникальное зеркало изобретено в Японии в 2004 г. Оно дает не зеркальное, а прямое отображение объекта. Если при взгляде в обычное зеркало правое становится левым, а левое правым, то здесь мы видим отражение прямое без искажений. В новом зеркале человек видит себя так же, как его видят другие. Для этого собрали своего рода аквариум с треугольным сечением, наполненный водой. Две его стенки образуют обычные зеркала, соединенные под прямым углом отражающими поверхностями внутрь, а третья стенка – прозрачное стекло. Оно и служит лицевой стороной устройства, которое дает «незеркальное» отражение находящихся перед ним предметов. Просто объекты отражаются в нем дважды. Глядеться в такое зеркало весьма необычно, поскольку эффект нарушает устоявшуюся привычку к обратному отражению. Однако изобретатели считают его полезным, например, для актеров или спортсменов.

    2-й изобретатель. Специалисты Национального политехнического института Мексики работают над созданием электронной системы – так называемого зеркала будущего, способной прогнозировать эволюцию человеческого лица. Устройство, способное создавать перспективную фотографию человеческого лица, станет незаменимым при розыске людей, потерявшихся много лет назад. Создаваемая система, по мнению исследователей, сможет учитывать изменения, которые будут происходить с внешностью человека с возрастом. При этом в качестве «точек отсчета» будут использоваться специфические черты лица. Система получила название «Катун», по имени бога у племен майя, обитавших на территории нынешней Мексики в доколумбовую эпоху. Электронное устройство создается на базе процессора «Пентиум». Чтобы увидеть себя в более зрелом возрасте, понадобится лишь фотография.

    Учитель. Какие вопросы вас еще интересуют?

    1-й корреспондент. После нашего интервью я проникся таким уважением к обычным зеркалам, что не могу не спросить: как за ними ухаживать? Послушаем наших экспертов.

    Эксперт.

    Зеркала боятся сырости и солнца. Яркие солнечные лучи не должны падать прямо на зеркало.

    Зеркало лучше всего вытирать сухой мягкой тряпкой, а один-два раза в месяц протирать не оставляющей волокон полотняной тряпкой, смоченной уксусом. Зеркало будет блестеть, если в воде, в которой его моют, развести немного синьки. Можно также протирать зеркало настоем чая.

    Зеркало, засиженное мухами, лучше всего протереть разрезанной луковицей, вымыть холодной водой. Нашатырный спирт применять не следует.

    Если задняя сторона зеркала ничем не защищена, ее нельзя вытирать сырой тряпкой, нужно осторожно, чтобы не поцарапать, стереть или смести с нее пыль.

    Зеркало быстро портится, если находится в помещении с повышенной влажностью. Для продления срока службы зеркала следует создать герметическую прослойку между ним и рамой. Для этого зеркало вынимают из рамы, а на пазы намазывают тонкий слой стеклянной замазки. После чего зеркало ставят на прежнее место и осторожно придавливают. Избыток замазки разравнивают по пазу, а зеркало укрепляют в раме гвоздиками без шляпок. Затем сверх защитного слоя, имеющегося на оборотной стороне зеркала, наносят еще два слоя масляного лака. Второй слой наносят после высыхания первого.

    Одеколон легко снимает с зеркал мельчайшие капельки лака для волос.

    Для лучшей сохранности зеркал, находящихся в ванной и других влажных помещениях, надо смазывать обратную сторону (амальгаму) составом из растопленного воска и скипидара в соотношении 1:2.

    (Всем обучающимся раздаются памятки по уходу за зеркалами.)

    1-й корреспондент. Итак, пора подводить итоги. Нас окружает мир зеркал. Мы привыкли к ним. Мы спокойно смотрим в зеркало по утрам, поправляем прическу или улыбаемся своему отражению. И совершенно не задумываемся, что зеркало – не столь простое, каким кажется на первый взгляд.

    2-й корреспондент. Мы познаем себя, мы идентифицируем себя, сравниваем с другими людьми, а это можно сделать только с помощью зеркала.

    Учитель. Я предлагаю вам закончить вашу будущую статью таким стихотворением:

    Нам лица наши зеркало покажет,
    Познать себя и мир оно позволит.
    О горестях, о радостях расскажет.
    Да, призадуматься над этим стоит!

    Казалось бы, что зеркало – пустяк.
    Кусок стекла. Металл с обратной стороны.

    Но стоит что-то сделать нам не так –
    Процесс зеркальный изменить – и вот,
    Увы… Ни отраженья нет, ни глубины!

    О зеркало! Магический предмет!
    Ты – сплав стекла, металла, мастерства.
    Пригодно в телескопе, в маяке,
    И модница к тебе добра.

    В калейдоскопе, в микроскопе, в фонаре,
    В видеокамере, в прожекторе найдется
    С тончайшей пленкою металла на стекле
    Деталь важнейшая, что зеркалом зовется.

    Вот и подошел к концу наш урок. Корреспонденты собрали богатейший материал для статьи.

    Мы попытались объединить разрозненные факты о зеркалах из различных областей знаний – химии, физики, истории, литературы, математики.

    Учитель высказывает свое мнение об уроке, оценивает работу учащихся и организует рефлексию учащихся по вопросам.

    1. Каков ваш вклад в урок?

    2. Где вам пригодятся знания, полученные на уроке?

    3. Что лично для вас значит сегодняшний урок?

    Л и т е р а т у р а

    Вашкевич Э. Вековая загадка зеркал. Техника молодежи, 2003, № 1, с. 20–48; Венецкий С.И. О редких и рассеянных. Рассказы о металлах. М.: Металлургия, 1981; Винокуров В.М. Химические методы серебрения зеркал. М., 1970; Все обо всем. Популярная энциклопедия для детей.
    М.: Ключ-С, 1994; Глюк И. И все это делают зеркала. Пер. с англ. М., 1990; Кукушкин Ю.Н. Химия вокруг нас: Справочное пособие. М.: Высшая школа, 1992; Кукушкин Ю.Н. Что мы знаем о химии? М.: Высшая школа, 1993; Лисичкин Г.В., Бетанели В.И. Химики изобретают. М.: Просвещение, 1990; Степин Б.Д., Аликберова Л.Ю. Книга по химии для домашнего чтения. М.: Химия, 1994; Тудоровский А.И. Теория оптических приборов. Ч. 2. М.–Л., 1982; Химия в быту. Смоленск: Русич, 1996; Химия для гуманитариев. Сост. Н.В.Ширшина. Волгоград: Учитель, 2004; Цветков Л.А. Эксперимент по органической химии: методика и техника. Пособие для учителей. М.: Школьная пресса, 2000; Энциклопедия для детей. Аванта+. Физика. М.: Аванта+, 2000; Энциклопедический словарь юного химика. Сост. В.А.Крицман, В.В.Станцо. М.: Педагогика, 1982; Я познаю мир: Детская энциклопедия. Химия. Авт.-сост. Л.А.Савина. М.: ООО «Издательство АСТ-ЛТД», 1998.

    С.Г.ЩЕРБАКОВА,
    учитель химии
    школы № 134 «Дарование»
    (г. Волгоград)

    TopList