Демонстрационное пособие для изучения эффекта изменения цвета раствора в зависимости от толщины светопоглощающего слоя
Полезная модель относится к техническим средствам обучения, к учебным пособиям и может быть использована в курсах химии, физики и физической химии при изучении растворов, способных изменять свой цвет в зависимости от условий наблюдения. Демонстрационное пособие для изучения эффекта изменения цвета раствора в зависимости от толщины светопоглощающего слоя содержит прозрачный бесцветный сосуд с плоским дном, с возможностью горизонтального выравнивания положения дна сосуда, зеркальный отражатель с регулируемым углом наклона относительно дна сосуда, источник рассеянного видимого излучения с нелинейчатым спектром (лампой накаливания) с регулируемой мощностью, обеспечивающий распространение светового потока в горизонтальном направлении ниже сосуда, уровнемер для определения толщины светопоглощающего слоя, воронку и сливное устройство, а также, в частном случае, устройство для защиты раствора от воздействия внешнего люминесцентного излучения. Демонстрационное пособие делает возможным наблюдение простыми средствами оптического эффекта изменения цвета некоторых растворов в зависимости от толщины слоя не для одного наблюдателя, а для аудитории, упрощает освоение материала, делает наглядным протекание сложных физико-химических процессов.
Полезная модель относится к техническим средствам обучения, к учебным пособиям и может быть использована в учебном процессе при изучении оптических свойств растворов.
Технической задачей, решаемой данным предложением, является создание демонстрационного пособия для аудиторного изучения эффекта изменения цвета некоторых растворов в зависимости от толщины слоя в курсах химии, физики, физической химии.
Известно, что для водных растворов, содержащих одновременно соли неодима (III) и никеля (II) в определенных концентрациях, характерно изменение цвета с фиолетового на зеленый при увеличении толщины светопоглощающего слоя от 0,5 до 5 см (Глаголева М.А., Жукова Т.В., Липанова Н.В., Миндлина Т.Б. Зависимость цвета многокомпонентных систем без химических взаимодействий от толщины слоя // Научное обозрение. - 2012. - 
3. - С. 71-76) [1].
Известно, что цвет водных растворов, содержащих ионы празеодима (III) и кобальта (II), при увеличении толщины слоя от 0,5 до 5 см может изменяться с желто-зеленого на желтовато-красный (Глаголева М.А., Жукова Т.В., Сорока И.В. Оптические свойства трехкомпонентной системы Pr(NO 3)3-Co(NO3)2-H2 O //Научное обозрение. - 2012. - 6. - С. 290-296) [2].
Демонстрационных пособий для изучения эффекта изменения цвета раствора в зависимости от толщины его слоя не выявлено.
Техническим результатом изобретения является расширение функциональной возможности учебного процесса, а именно: получение возможности демонстрации эффекта изменения цвета раствора в зависимости от толщины светопоглощающего слоя при работе с группой обучающихся в аудиторных условиях, а не только при индивидуальной форме обучения.
Технический результат достигается тем, что демонстрационное пособие включает прозрачный бесцветный сосуд с плоским дном, опирающимся по периметру на каркас, с возможностью горизонтального выравнивания положения дна сосуда, зеркальный отражатель, расположенный над сосудом, с регулируемым углом наклона относительно дна сосуда от 0 до 90°, источник рассеянного видимого излучения с нелинейчатым спектром в виде лампы накаливания с регулируемой мощностью, установленный ниже сосуда с возможностью распространения светового потока в горизонтальном направлении, а также уровнемер, прикрепленный к сосуду, воронку для заполнения сосуда демонстрируемым раствором и сливное устройство, обеспечивающее возможность слива раствора при демонстрации до уровня 0,3-0,5 см от дна сосуда.
При этом возможен вариант, когда в частном случае демонстрационное пособие дополнительно оснащено устройством для защиты от внешнего люминесцентного освещения со всех сторон, кроме стороны, обращенной к аудитории.
Сущность полезной модели заключается в том, что применение отражателя и источника видимого света с нелинейчатым спектром и с регулируемой мощностью делает возможным демонстрацию эффекта не для одного наблюдателя, а для аудитории, обеспечивает наглядность протекания сложных физико-химических процессов, упрощает усвоение учебного материала.
Сущность полезной модели поясняется иллюстрацией.
На фиг. 1 показано демонстрационное пособие, которое включает: сосуд 1 для раствора; зеркальный отражатель 2; источник видимого света с нелинейчатым спектром 3; воронку 4; сливное устройство, состоящее из трубки 5 и стакана 6; уровнемер 7; каркас 8; устройство для защиты от внешнего люминесцентного освещения 9.
Сосуд 1 изготовлен из прозрачного бесцветного материала и имеет плоское дно, опирающееся по периметру на каркас 8. Опоры каркаса предусматривают возможность регулирования по высоте с целью горизонтального выравнивания положения дна сосуда, что позволяет обеспечить одинаковую высоту слоя раствора в сосуде при демонстрации эффекта. Сосуд заполняют раствором при помощи воронки 4,оснащенной краном и прикрепленной к задней опоре каркаса. За толщиной слоя раствора со стороны аудитории наблюдают при помощи прикрепленного к стенке сосуда 1 уровнемера 7. Раствор из демонстрационного сосуда 1 сливают в стакан 6 при помощи U-образной трубки 5 с краном, опускаемой до дна сосуда. Зеркальный отражатель 2, предназначенный для наблюдения за цветом раствора со стороны аудитории, имеет регулируемый угол наклона от 0 до 90°, расположен над сосудом и прикреплен к каркасу с тыльной стороны. Источник рассеянного видимого света 3 используют при отсутствии яркого естественного освещения. Источник света имеет нелинейчатый спектр, близкий к спектру солнечного излучения, так как эффект изменения цвета при использовании источника с линейчатым спектром не зафиксирован. В качестве источника используют лампу накаливания. Источник обеспечивает рассеянное освещение с регулируемой мощностью. Он расположен ниже сосуда таким образом, чтобы световой поток распространялся горизонтально, но не в направлении наблюдения. При демонстрации опыта при ярком естественном освещении источник света отключают. В аудиториях с люминесцентным освещением для защиты демонстрируемого раствора от воздействия внешнего излучения используют устройство 9. Оно имеет светонепроницаемые стенки со всех сторон, кроме стороны, обращенной к аудитории. Тыльная сторона устройства изготовлена из светонепроницаемой ткани, смещение которой обеспечивает доступ к кранам при демонстрации эффекта.
Демонстрационное пособие работает следующим образом.
Устанавливают демонстрационное пособие в аудитории с естественным освещением или освещаемой лампами накаливания и, изменяя высоту опор каркаса 8, добиваются горизонтального расположения дна сосуда 1. Регулируют угол наклона зеркала 2 так, чтобы можно было наблюдать из аудитории дно сосуда 1. Включают источник света 3. При помощи воронки 4 заливают в сосуд 1 до уровня 0,3-0,5 см раствор, способный изменять цвет в зависимости от толщины светопоглощающего слоя, например, раствор «NdCl 3-Ni(NO3)2-H2O», полученный из расчета 59,7 г NdCl3·6H2 O и 6,6 г 
i(O3)2·6
2O на 100 мл воды. Уровень раствора контролируют при помощи уровнемера 7. Регулируют мощность источника света так, чтобы цвет раствора был наиболее насыщенным. Наблюдают из аудитории за цветом раствора. В тонком слое, который отражается в зеркале 2, цвет раствора фиолетовый. Открывают кран воронки 4 и добавляют раствор в сосуд 1, наблюдая за его уровнем при помощи уровнемера 7. Рассматривают цвет раствора при уровне 5 см. Раствор, отражающийся в зеркале 2, изменяет цвет на зеленый. Открывают кран трубки 5 и при помощи груши начинают слив раствора из сосуда 1 в стакан 6. Сливают раствор до уровня 0,3-0,5 см. Цвет раствора, находящегося в сосуде 1, в тонком слое, отражающемся в зеркале 2, вновь изменяется (с зеленого на фиолетовый). Цвет раствора в стакане для слива 6 - зеленый.
При демонстрации эффекта в аудиториях с люминесцентным освещением для предотвращения воздействия внешнего излучения на демонстрируемый раствор над пособием предварительно устанавливают устройство 9 из светонепроницаемого материала, защищающего сосуд с демонстрируемым раствором со всех сторон, кроме стороны, обращенной к аудитории. Дальнейшая демонстрация не отличается от описанной выше.
Демонстрацию эффекта изменения цвета раствора в зависимости от толщины светопоглощающего слоя можно проводить с использованием раствора другого состава, а именно: кислого водного раствора нитратов празеодима (III) и кобальта (II), полученного путем растворения Pr6O11 в азотной кислоте при нагревании с последующим охлаждением, разбавлением водой до pH
1 и добавлением Co(NO3)2 · 6H 2O (из расчета 28 г Pr6O11 и 2,8 г Co(NO3)2·6H2O на 100 мл раствора). Цвет раствора в тонком слое - желто-зеленый, в толстом слое - желтовато-красный.
Таким образом, демонстрационное пособие делает возможным наблюдение простыми средствами оптического эффекта изменения цвета некоторых растворов в зависимости от толщины слоя не для одного наблюдателя, а для аудитории, упрощает освоение материала, делает наглядным протекание сложных физико-химических процессов.
Источники информации
1. Глаголева М.А., Жукова Т.В., Липанова Н.В., Миндлина Т.Б. Зависимость цвета многокомпонентных систем без химических взаимодействий от толщины слоя // Научное обозрение. - 2012. - 3. - С. 71-76.
2. Глаголева М.А., Жукова Т.В., Сорока И.В. Оптические свойства трехкомпонентной системы Pr(NO2)3-Co(NO3)2 -H2O //Научное обозрение. - 2012. - 6. - С. 290-296.
1. Демонстрационное пособие для изучения эффекта изменения цвета раствора в зависимости от толщины светопоглощающего слоя, содержащее прозрачный бесцветный сосуд с плоским дном, опирающимся по периметру на каркас, с возможностью горизонтального выравнивания положения дна сосуда, зеркальный отражатель, расположенный над сосудом, с регулируемым углом наклона относительно дна сосуда от 0 до 90°, источник рассеянного видимого излучения с нелинейчатым спектром в виде лампы накаливания с регулируемой мощностью, установленный ниже сосуда с возможностью распространения светового потока в горизонтальном направлении, а также уровнемер, прикрепленный к сосуду, воронку для заполнения сосуда демонстрируемым раствором и сливное устройство, обеспечивающее возможность слива раствора при демонстрации до уровня 0,3-0,5 см от дна сосуда.
2. Демонстрационное пособие по п. 1, отличающееся тем, что пособие дополнительно оснащено устройством для защиты от внешнего люминесцентного освещения со всех сторон, кроме стороны, обращенной к аудитории.
РИСУНКИ
