Опыты на отражение и преломление света. Текстовые задания (гиа по физике). IV. Закрепление пройденной темы

Михальчук Артём Александрович, Абрамова Валерия Валерьевна, ученики 10 «В» класса МОУ «СОШ №8» г. Саратова

Описание собственных наблюдений некоторых удивительных световых явлений, попытка объяснить их, смоделировать и исследовать их на опыте в условиях школьного кабинета физики.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Муниципальное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №8 Волжского района

города Саратова»

Рефракция света в земной атмосфере и обманы зрения

Учебно-исследовательская работа по физике

Александрович

Ученик 10 «В» класса

МОУ «СОШ №8» г. Саратова

Руководитель: учитель физики

Иванова Татьяна Петровна

Саратов 2008 г.

1. Введение……………………………………………………………………… 3
2. Полное внутреннее отражение света……………...………………………... 4
3. «Чёрное зеркало»…………………………………………………………….. 5
4. Отражение от нагретой воды….……………………………………………. 6
5. Распространение света в слоисто-неоднородной среде…………………... 7
6. Астрономическая рефракция……………………………………………….. 8
7. Своеобразие солнечных закатов……………………………………………. 9
8. Земная рефракция…………………………………………………………... 11
9. Моделирование двойного миража………………………………………… 13
10. Заключение………………………………………………………………… 14
11. Список использованной литературы……………………………………... 15

Введение

Чтобы наблюдать многие оптические явления, не обязательно находиться в физической лаборатории, оборудованной дорогостоящими приборами. Жизнь на Земле невозможна без тёплого и светлого прикосновения солнечных лучей. Стоит лишь приглядеться, и рядом с нами обнаружится множество удивительных явлений, связанных со светом.

Глядя в обычное зеркало, можно понять законы отражения. Любуясь закатом Солнца, размышлять о преломлении света. Радуга напоминает о дисперсии, цветные крылья стрекоз – об интерференции.

В некоторых случаях для объяснения оптических явлений не важна природа света, достаточно знать его основные свойства: прямолинейность распространения в однородной среде, законы отражения и преломления, т.е. владеть геометрической оптикой.

Цель данной работы – описать собственные наблюдения некоторых удивительных световых явлений, попытаться объяснить их, смоделировать и исследовать их на опыте в условиях школьного кабинета физики. Были выполнены следующие демонстрации опытов, описанных В.В. Майером в учебных руководствах: полное отражение света, отражение от нагретой воды, искривление светового пучка оптически неоднородной жидкостью и неравномерно нагретым оргстеклом. Проведённые исследования помогли объяснить красивые оптические явления, происходящие со светом на границе раздела оптически однородных сред и в слоисто-неоднородной среде, какой и является земная атмосфера.

Полное внутреннее отражение света

Первое знакомство с полным отражением света в школе происходит, как правило, при известной демонстрации хода луча через полуцилиндр из оргстекла. Преломление света происходит на границе раздела стекло-воздух (n 1 > n 2 ).

Согласно закону преломления, отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная, равная относительному показателю преломления второй среды относительно первой или отношению абсолютных показателей преломления второй и первой сред.

Т.к. n 1 > n 2 , то sin β > sin α и, следовательно, β > α . При увеличении угла падения растут углы отражения и преломления, причём интенсивность отражённого света увеличивается, а преломлённого уменьшается. α 0 , при котором β=π/2, называется предельным углом полного отражения света. При любых углах падения, превышающих предельный, падающий пучок полностью отражается.

«Чёрное зеркало»

Существует целый ряд занимательных и поучительных опытов, исследующих

явление полного отражения света.

Вот один из них. Металлическая пластинка покрывается слоем копоти. Такая поверхность может отражать свет лучше любого зеркала, если её опустить в сосуд с водой. При определённом угле между поверхностью пластинки и направлением наблюдения чёрная поверхность блестит, как зеркало! Можно в этом «чёрном зеркале» получить изображение какого-нибудь предмета. На границе каких сред происходит полное отражение света? Копоть не прозрачна, значит не она участвует в «возврате» луча обратно в воду. Дело в том, что между водой и слоем копоти образуется тонкая воздушная плёнка. Вода не смачивает копоть. Полное отражение света возникает на границе сред вода – воздух. Глядя на пластинку сверху сквозь поверхность воды, мы увидим её блестящей.

Рис. 1

Эффект «Чёрного зеркала»

Но не при любом положении пластинки по отношению к боковой стенке сосуда это можно увидеть, если смотреть не сверху, а сквозь боковую стенку. Ожидаемого полного отражения наблюдать не удаётся, если пластинка параллельна стенке сосуда, т.е. тогда, когда слой воды, отдаляющий нас от воздушной прослойки, является плоскопараллельным.

Поворачивая пластинку вокруг вертикальной оси, можно добиться появления «чёрного зеркала». Объяснение явления в сравнении хода лучей через плоскопараллельный слой воды и через слой воды в виде клина (рис. 1 и 2).

Полное отражение имеет место в том случае, если на границу между водой и воздушной прослойкой, отделяющей воду от чёрной пластинки, свет падает под углами, превышающими предельный. Но таких лучей в первом случае просто нет, а во втором – из-за расширения слоя воды добиться полного отражения света можно даже при α π/2.

Рис. 2 Эффект «Чёрного зеркала» отсутствует

Опыт № 1

«Чёрное зеркало»

Цель. Наблюдение полного отражения света.

Приборы и материалы: стеклянный сосуд, алюминиевая пластина, свеча, вода.

Ход опыта. 1. Закоптить алюминиевую пластину над пламенем свечи.

2. Опустить пластину в сосуд с водой.

3. Наблюдать появление «Чёрного зеркала» поворачивая пластину вокруг вертикальной оси.

Отражение от нагретой воды

Для проведения следующего опыта понадобится большой сосуд с холодной водой, жестяная банка из-под кофе, кипяток. Поверхность банки должна быть тёмной. При быстром заливании в эту банку, закреплённую вертикально в большом сосуде, кипятка, можно увидеть, как поверхность её становится блестящей! Объяснить появления «зеркала» в этом опыте полным отражением света не удастся, т.к. жесть хорошо смачивается водой, в отличие от копоти. Кроме того, появившееся «чёрное зеркало» в предыдущем опыте может сохраняться сколь угодно долго, тогда как в новой ситуации оно само через некоторое время пропадёт. Измерение температуры воды в радиальном направлении к центру большого сосуда показывает, что исчезновение блеска происходит тогда, когда вся толща воды во внешнем сосуде прогреется до примерно одной и той же температуры. Наблюдается же полное отражение лишь при условии, что вода во внешнем сосуде нагрета неравномерно. Вблизи банки с горячей водой её температура наибольшая, а плотность – наименьшая. Следовательно, минимальна и оптическая плотность. Показатель преломления этого слоя воды меньше, чем у холодной воды.

Нет резкой границы между средами с разной оптической плотностью, а значит, нет и отражения в привычном смысле этого слова.

Вода вокруг горячей банки оптически неоднородна с плавным изменением оптической плотности. В такой среде луч света распространяется криволинейно, загибаясь в сторону от меньших значений показателя преломления к большим его значениям (Рис. 3).

Рис. 3 Отражение от нагретой воды

Опыт № 2

Отражение от нагретой воды

Цель. Наблюдение искривления луча света в оптически неоднородной среде.

Приборы и материалы: стеклянный сосуд, жестяная банка из-под кофе, покрашенная матовой чёрной краской, размером: D ~ 6 см, H ~ 12 см, холодная вода, горячая вода (t° ~ 100°С).

Ход опыта. 1. В сосуде с холодной водой закрепить пустую жестяную банку.

2. В жестяную банку залить кипяток.

3. Наблюдать сверху кратковременное появление зеркальной поверхности банки.

Распространение света

в слоисто-неоднородной среде

Слоисто-неоднородными называют такие оптически неоднородные среды, в которых равные значения показателя преломления образуют слои. Рассмотрим самый простой случай, когда показатель преломления среды изменяется только в одном направлении.

А б

Рис. 4

Пусть показатель преломления изменяется снизу вверх. Мысленно разобьём среду на тонкие горизонтальные слои. Луч света меняет своё направление от слоя к слою.

Кроме способа получения слоисто-неоднородной среды, описанной в последнем опыте, можно использовать способ, основанный на явлении диффузии. Готовится насыщенный раствор соли (350 г соли на 1 л воды) в одном сосуде и чистая отстоявшаяся вода в другом. Обе жидкости подкрашиваются хвойным концентратом, фильтруются.

Раствор соли через воронку и шланг осторожно вливается в воду. Граница раздела между ними сначала довольно резкая. Об этом свидетельствует полное отражение луча света от неё. Через некоторое время граница «размазывается», и световой пучок распространяется криволинейно.

В нижней части аквариума находится раствор поваренной соли, имеющий большую оптическую плотность, чем расположенная над ним вода. Показатель преломления убывает непрерывно вдоль оси y. Т.к. n=c/ v , скорость распространения света в верхних слоях жидкости больше, чем в нижних. Плоская волновая поверхность внутри жидкости будет
Рис. 5 поворачиваться, занимая последовательно положения 1, 2, 3, 4, 5 и т.д. Вверху свет будет распространяться быстрее, чем внизу.
Убедительнее для наблюдения искривления луча в оптически неоднородной среде проходит опыт с нагреваемым оргстеклом. Полуцилиндрическая пластина из оргстекла устанавливается на электрическую плитку, которая разогревается примерно до 100°С. Постепенно эффект полного отражения луча на границе стекло-воздух переходит в плавное его искривление. Причина – изменение оптической плотности оргстекла из-за изменения его температуры.

Искривление луча в оргстекле.

Опыт №3

Распространение света в неравномерно нагретом оргстекле

Цель. Наблюдение искривления светового луча в оргстекле при нагревании.

Приборы и материалы: полуцилиндрическая пластина из оргстекла, электрическая плитка, источник света с лампой на 12 В, снабжённый экраном со щелью шириной 2 мм (из комплекта шайбы Гартля).

Ход опыта. 1. Установить пластину из оргстекла на холодную электрическую плитку.

2. Включить плитку в сеть.

4. Наблюдать замену полного отражения луча в его изгибание.

Астрономическая рефракция.

Искривление световых лучей при прохождении света через атмосферу называется рефракцией света в атмосфере. Астрономической рефракции подвергаются лучи, приходящие к земному наблюдателю от Солнца, Луны или звёзд. При объяснении этих явлений надо учитывать, что показатель преломления атмосферы немного больше единицы и то, что он изменяется от точки к точке соответственно изменению плотности воздуха.

А б

Рис. 6

Если представить атмосферу как набор оптически однородных горизонтальных слоёв одинаковой толщины, у которых показатель преломления скачком меняется от одного слоя к другому, постепенно увеличиваясь в направлении от верхних слоёв к нижним, то траектория луча, приходящего от небесного объекта к наблюдателю будет ломаной линией (Рис. 3, а). В действительности плотность атмосферы, а значит, и её показатель преломления изменяются с высотой не скачками, а непрерывно. Потому траектория светового луча представляет собой кривую линию (Рис. 6, б). Вследствие искривления лучей наблюдатель может видеть объект не в том направлении, которое соответствует действительности. В отсутствие рефракции объект был бы виден под углом α (действительное зенитное расстояние объекта). Рефракция же приводит к тому, что объект виден под углом γ. γ

Своеобразие солнечных закатов

Любуясь закатом Солнца, мы видим, как нижний край света коснулся линии горизонта, мы обычно не осознаём, что в действительности в данный момент этот край света уже находится на 35´ ниже линии горизонта. Верхний край солнечного диска приподнимается рефракцией слабее – только на 29´. Поэтому заходящее Солнце кажется немного сплюснутым по вертикали.

Рис. 7

На показатель преломления воздуха влияет, кроме математического изменения плотности воздуха с высотой, также конвекционные потоки, ветер, степень влажности, температуры.

Особенности прогревания атмосферы в нижних слоях над различными участками земной поверхности приводят к тому, что нам иногда кажется Солнце заходящим не за линию горизонта, а за некоторую невидимую линию, находящуюся над горизонтом. При этом облачность отсутствует.

Рис. 8

Если в это время подняться на вершину холма или верхний этаж дома, то можно наблюдать ещё более странную картину: Солнце заходит за линию горизонта, но при этом диск оказывается как бы перерезанным горизонтальной «слепой полосой».

Такая картина наблюдается, если воздух около самой Земли оказывается холодным, а выше располагается слой тёплого воздуха. Переход от нижнего холодного слоя к верхнему тёплому может приводить к резкому спаду показателя преломления. Если предположить, что спад происходит скачком, ход лучей при переходе через границу между тёплым и холодным воздухом можно иллюстрировать рисунком 9.

Рис. 9

В точке О находится наблюдатель. h 1 – высота холодного слоя воздуха.

Рассмотрим Δ О 1 ОС. По теореме синусов: ;

Учтём, что О 1 О=R, O 1 C=R+h 1 . Тогда => sin α 2 =sin или. Отсюда следует, что по мере увеличения γ от 0° до 90°, угол α2 возрастает, достигая максимального значении я при γ=90°(sin 90°=1).

При α 2 =α 0 (предельному углу) луч, идущий из тёплого слоя воздуха, совпадёт с касательной к границе с холодным слоем. К наблюдателю не будут попадать лучи, которые войдут в холодный слой в точках, лежащих ниже точки В. Это объясняет явление, представленное на рисунке 8. Ширину «слепой полосы» определяет угол β. Если же человек поднимается на холм, (точка О и линия горизонта приподняты), то он может увидеть часть диска ниже «слепой полосы», которую теперь определяет угол 2β.

Рис. 10

Возникновение «слепой полосы»

Рисунок «слепой полосы»

Земная рефракция

Не менее интересна земная рефракция света, когда происходит искривление лучей, идущих к наблюдателю от объектов, расположенных на Земле. При этом происходит впечатляющее явление, получившее название миража. Самую простую форму миража часто удаётся наблюдать летом автомобилистам, едущим в жаркий день вдоль длинного и ровного шоссе.

Т.к. дорога сильно нагрета, прилегающий к ней воздух так же нагревается, а его плотность уменьшается. Коэффициент преломления воздуха внизу меньше, чем наверху.

Рис. 11

Глаз наблюдателя видит свет, идущий с неба из точки А, но у него создаётся впечатление, что свет идёт из точки В (рис. 11).

Рис. 12

Для возникновения верхнего миража (миража дальнего видения) необходимо, чтобы показатель преломления приповерхностного слоя воздуха достаточно быстро уменьшался с высотой, что возможно, когда, например, внизу располагается слой холодного воздуха, а над ним находится слой более тёплого воздуха.

Рис. 13

Глаз наблюдателя проецирует лучи в том направлении, по которому они входят в него. Большое количество миражей дальнего видения наблюдается на побережье Средиземного моря. Видимо, в этом повинна пустыня Сахара. Горячие массы воздуха поднимаются над ней, затем уносятся на север и создают благоприятные условия для возникновения миражей. Верхние миражи возникают и в северных странах, когда дуют тёплые южные ветры. Верхние слои атмосферы оказываются нагретыми, а нижние – охлаждёнными из-за наличия больших масс льдов и снега.

Иногда наблюдаются одновременно прямые и обратные изображения предметов.

Рис. 14

Моделирование двойного миража

Если за кюветой, в которую налиты раствор соли и вода, на расстоянии 20-30 см от неё наклонно расположить длинную белую спицу или полоску белой бумаги, то при наблюдении через кювету можно увидеть характерный изгиб в изображении спицы. Вблизи границы раздела жидкостей наблюдается два изображения конца спицы: нижнее – перевёрнутое, верхнее – прямое.

Рис. 15

Отрезку SM соответствует перевёрнутое изображение S´M´, образованное лучами, идущими ниже границы раздела жидкостей, и прямое S´M´´, образованное лучами, распространяющимися выше границы раздела.

Одновременное появление прямого и перевёрнутого изображений прямой спицы может служить моделированием двойного миража.

Так искривляется прямая бумажная полоска, если наблюдать её через оптически неоднородную среду.

Заключение

Преломление света охватывает очень широкий круг явлений природы, среди которых мы выделили те, которые смогли наблюдать сами. Особое место среди них занимают миражи. Они описаны в научных и художественных книгах. Некоторые из них имеют имена, о них сложены легенды. Многие миражи, особенно сверхдальние, когда изображение переносится за тысячи километров, являются весьма сложными оптическими явлениями. Для объяснения возникновения «Летучего голландца», «Фата-Моргана», хрономиражей недостаточно рассмотрение только рефракции света в атмосфере. Физический механизм таких явлений значительно сложнее. Объяснения некоторым из них до сих пор не существует. Возможно, что при определённых условиях в атмосфере образуются гигантские воздушные линзы, своеобразные светопроводы, вторичные миражи, т.е. миражи от миражей. Возможно также, что определённую роль в возникновении миражей играет ионосфера, которая может отражать световые волны.

Фотографии миражей

Список использованной литературы

1. С. Толанский. Удивительные свойства света. Москва: Издательство «Мир», 1969.
2. В.В. Майер. Простые опыты по криволинейному распространению света. Москва: Издательство «Наука», 1984.
3. В.В. Майер. Полное отражение света в простых опытах. Москва: Издательство «Наука», 1986.
4. Л.В. Тарасов, А.Н. Тарасова. Беседы о преломлении света. Москва: Издательство «Наука», 1982.
5. В.Л. Булат. Оптические явления в природе. Москва: Издательство «Просвещение», 1974.
6. Ф. Вуд. Искусственные миражи // Журнал «Квант». 1971. № 10. https://accounts.google.com

1. Проводим опыты по преломлению света

Проведем такой эксперимент. Направим на поверхность воды в ши­роком сосуде узкий пучок света под некоторым углом к поверхности. Мы заметим, что в точках падения лучи не только отражаются от поверхности воды, но и частично проходят в воду, изменяя при этом свое направление (рис. 3.33).

• Изменение направления распространения света в случае его прохождения че­рез границу раздела двух сред называют преломлением света .

Первое упоминание о преломлении света можно найти в работах древ­негреческого философа Аристотеля, который задавался вопросом: почему палка в воде кажется сломанной? А в одном из древнегреческих трактатов описан такой опыт: «Нужно встать так, чтобы плоское кольцо, положенное на дно сосуда, спряталось за его краем. Потом, не изменяя положения глаз, налить в сосуд воду.

Рис. 3.33 Схема опыта по демонстрации преломления света. Переходя из воздуха в воду, луч све­та изменяет свое направление, смещаясь к перпендикуляру, восставленному в точке падения луча

2. Существуют такие соотношения между уг­лом падения и углом преломления:

а) в случае увеличения угла падения увели­чивается и угол преломления;

б) если луч света переходит из среды с мень­шей оптической плотностью в среду с большей оптической плотностью, то угол преломления будет меньше, чем угол падения;

в) если луч света переходит из среды с большей оптической плотностью в сре­ду с меньшей оптической плотностью, то угол преломления будет большим, чем угол падения.

(Следует отметить, что в старших классах, после изучения курса тригонометрии, вы глуб­же познакомитесь с преломлением света и узна­ете о нем на уровне законов.)

4. Объясняем преломлением света некоторые оптические явления

Когда мы, стоя на берегу водоема, стара­емся на глаз определить его глубину, она всег­да кажется меньшей, чем есть на самом деле. Это явление объясняется преломлением света (рис. 3.37).

Рис. 3. 39. Оптические устройства, работа которых базируется на явлении преломления света

• Контрольны вопросы

1. Какое явление мы наблюдаем, когда свет проходит через границу раздела двух сред?

Л. И. Мандельштам изучал распространение электромагнитных волн, прежде всего - видимого света. Он обнаружил целый ряд эф­фектов, некоторые ныне носят его имя (комбинационное рассеяние света, эффект Мандельштама- Бриллюена и т. п.).

Вариант 1. Оборудование: прибор для изучения законов геометрической оптики, выпрямитель ВС-24 или ВС 4-12, плоское зеркало из деталей прибора.

При подготовке прибора по геометрической оптике к работе регулируют освещение экрана. Для этого ослабляют шаровой шарнир и поворачивают или смещают осветитель до тех пор, пока средняя полоска света не пройдет через весь экран (по его диаметру). В этом положении осветитель закрепляют. Если же при этом полоска света будет расплывчатой, не резкой, то, отпустив винт, фиксирующий электропатрон в осветителе, вращают, опускают или поднимают электропатрон до получения четкой полоски света на экране. Если боковые полоски света не доходят до края экрана, то следует изменить наклон осветителя. После наладки все винты надежно закрепляют.

Установку собирают по рисунку 278. С помощью прижима ус­танавливают плоское зеркало из набора оптических деталей так, чтобы его отражающая поверхность совпадала с горизонтальной осью. Оставляют лишь один средний луч. Изменяют угол паде­ния от 0 до 90°, отмечают угол отражения, сравнивают эти углы, делают вывод.

Повторяют опыт, демонстрируя свойства обратимости световых пучков, для чего переводят осветитель из одной части диска в дру­гую. (При демонстрации опытов по геометрической оптике поме­щение должно быть затемнено.)

Рис. 278 Рис. 280

Опыт 2. Преломления света

Вариант 1. Оборудование:

На экране устанавливают прозрачный полуцилиндр мато­вой стороной к экрану и плоским срезом вверх так, чтобы он со­впадал с горизонтальной осью. Центр полуцилиндра совмещают с центром экрана с помощью риски на матовой поверхности полу­цилиндра (рис. 280).

При демонстрации опыта пользуются средним лучом. Направ­ляют луч в центр полуцилиндра перпендикулярно плоскости (луч проходит без изменения направления). Отклоняют падающий луч от перпендикуляра и замечают, что преломленный луч выходит из полуцилиндра под другим углом. Сравнивают углы падения и пре­ломления, делают вывод.

Повторяют опыт при другом угле паде­ния. (Во время опыта следует обратить внимание на раздвоение пучка света на границе раздела двух сред.)

Опыт 3. Явление полного отражения света

Вариант 1. Оборудование: прибор для изучения законов геометрической оптики, выпрямитель ВС-24 или ВС 4-12, полуцилиндр из набора оптических деталей.

Обратив внимание на соотношение углов падения и преломления в предыдущем опыте (рис.280), изменяют положение полуцилиндра. Его выпуклой стороной устанавливают к осветите­лю (плоский срез совпадает с горизонтальной осью). Изменяют углы падения, сравнивают с углами преломления, делают вывод.

Сравнивают соотношение углов падения и преломления в зависимости от соотношения оптической плотности сред (результаты данного и предыдущего опытов). Делают вывод.

Убеждаются, что при увеличении угла падения яр­кость отраженного пучка возрастает, а преломленного - уменьша­ется. Увеличивают угол падения до тех пор, пока преломленный луч не исчезнет. При дальнейшем увеличении угла падения будет на­блюдаться только отраженный луч. Наблюдают явление полного отра­жения света.

Вопрос. Чему равен предельный угол полного отражения? (Ответ дайте с одной значащей цифрой.)

Вариант 2. Оборудование: проекционный аппарат, аквариум.

Установку собирают по рисун­ку 281. В стеклянную ванну (аквариум) наливают слой воды толщиной 7-8 см и подкрашивают ее хвойным концентратом. Перед конденсором проекционного ап­парата устанавливают горизонтальную щель, а на оправу объек­тива надевают плоское зеркало. Направляют пучок света на бо­ковую стенку стеклянной ванны. Наблюдают преломление пучка света в воде, полное отражение от поверхности воды и преломление при выходе пучка из ванны. Изменяя угол падения, можно наблюдать многократное полное отражение пучка света от по­верхности воды и дна ванны.

Урок по физике в 11 классе по теме "Преломление света" .

Цели урока:

проверить знание законов отражения;

научить измерять показатель преломления стекла, используя закон преломления;

развитие навыков самостоятельной работы с оборудованием;

развитие логического мышления, памяти, умение подчинять внимание выполнению заданий.

воспитание аккуратной работы с оборудованием;

воспитание сотрудничества в процессе совместного выполнения задач.

Межпредметные связи: физика, математика, литература.

Тип урока: изучение нового материала, совершенствование и углубление знаний, умений, навыков.

Оборудование:

Приборы и материалы для лабораторной работы: стакан высокий вместимостью 50 мл, пластина стеклянная (призма) с косыми гранями, пробирка, карандаш.

Чашка с водой, на дне которой монета; тонкий стеклянный стакан.

Пробирка с глицерином, стеклянная палочка.

Карточки с индивидуальным заданием.

Демонстрация: Преломление света. Полное внутреннее отражение.

ХОД УРОКА.

I. Организационный момент. Сообщение темы урока.

Учитель: Ребята, мы с вами перешли к изучению раздела физики «Оптика», в которой изучаются законы распространения света в прозрачной среде на основе представлений о световом луче. Сегодня вы узнаете, что закон преломления волн справедлив и для света.

Итак, цель сегодняшнего урока – изучение закона преломления света.

II. Актуализация опорных знаний.

1. Что такое световой луч? (Геометрическая линия, указывающая направление распространения световой энергии, называется световым лучом.)

Природа света – электромагнитная. Одним доказательством этого является совпадение величин скоростей электромагнитных волн и света в вакууме. При распространении света в среде он поглощается и рассеивается, а на границе раздела сред – отражается и преломляется.

Повторим законы отражения. (УСТНО: на интерактивной доске подготовлены задания)

Карточка 1.
Построить в тетради отраженный луч.

Карточка 2.
Будут ли параллельны отраженные лучи?

Карточка 3.
Постройте отражающую поверхность.

Карточка 4.
Угол между падающим лучом и отраженным лучом 60°. Чему равен угол падения? Начертить в тетради.

2. Сформулируйте закон распространения света.

А в полдень лужи под окном
Так разливаются и блещут,
Что ярким солнечным пятном
По залу «зайчики» трепещут.
И.А. Бунин.

Объясните с точки зрения физики наблюдаемое явление, описанное Буниным в четверостишии.

Проверка выполнение заданий по карточкам.

III. Объяснение нового материала.

На границе раздела двух сред свет, падающий из первой среды, отражается в неё обратно. Если вторая среда прозрачная, то свет частично может пройти через границу сред. При этом, как правило, он меняет направление распространения, или испытывает преломление.

Преломление волн при переходе из одной среды в другую вызвано тем, что скорости распространения волн в этих средах различны.

Выполните опыты «Наблюдение преломления света».

Расположите карандаш наклонно в стакане с водой и посмотрите на него сверху, а затем сбоку. Почему при наблюдении сверху карандаш у поверхности воды кажется надломленным?
Почему при наблюдении сбоку часть карандаша, расположенная в воде, кажется сдвинутой в сторону и увеличенной в диаметре?
Это все объясняется тем, что при переходе из одной прозрачной среды в другую световой луч преломляется.

Наблюдение отклонения лучика лазерного фонарика при прохождении через плоскопараллельную пластину.

Падающий луч, преломленный луч и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух сред, называемая относительным показателем преломления второй среды относительно первой.

Показатель преломления относительно вакуума называется абсолютным показателем преломления.

В сборнике задач найдите таблицу «Показатель преломления веществ». Обратите внимание, что стекло, алмаз имеют больший показатель преломления, чем вода. Как вы думаете почему? Твердые тела имеют более плотную кристаллическую решетку, свету труднее пройти через неё, поэтому вещества имеют больший показатель преломления.

Вещество, имеющее больший показатель преломления n 1 , называется оптически более плотной средой, если n 1 > n 2 . Вещество, имеющее меньший показатель преломления n 1 , называется оптически менее плотной средой, если n 1 < n 2 .

IV. Закрепление пройденной темы.

2. Решение задач №1395.

3. Лабораторная работа «Определение показателя преломления стекла».

Оборудование: Стеклянная пластина с плоскопараллельными гранями, дощечка, транспортир, три булавки, карандаш, угольник.

Порядок выполнения работы.

V.

Можно повторить опыт изобретателя со стеклянной палочкой – «палочкой-невидимкой». В колбу с глицерином через пробку вставляется стеклянная палочка, часть палочки, погруженная в глицерин, становится невидимой. Если колбу перевернуть, то невидимой становится другая часть палочки. Наблюдаемый эффект легко объясняется. Показатель преломления стекла почти равен показателю преломления глицерина, поэтому на границе данных веществ не происходит ни преломления, ни отражения света.

Полное отражение.

Если свет переходит из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду (на рисунке), то при некотором угле падения α0 угол преломления β становится равным 90°. Интенсивность преломленного луча в этом случае становится равной нулю. Свет, падающий на границу раздела двух сред полностью отражается от неё. Происходит полное отражение.

Угол падения α0 , при котором наступает полное внутреннее отражение света, называется предельным углом полного внутреннего отражения. При всех углах падения, равных и больших α0 , происходит полное отражение света.

Величина предельного угла находится из соотношения . Если n 2 =1 (вакуум, воздух), то .

Опыты «Наблюдение полного отражения света».

1. Расположите карандаш наклонно в стакане с водой, поднимите стакан выше уровня глаз и посмотрите снизу через стакан на поверхность воды. Почему при рассматривание снизу поверхность воды в стакане кажется зеркальной?

2. Опустите пустую пробирку в стакан с водой и посмотрите на неё сверху часть пробирки, погруженная в воду, кажется блестящей?

3. Проделайте дома опыт «Делаем монетку невидимой». Вам понадобится монетка, чаша с водой и прозрачный стакан. Положите монетку на дно чаши и заметьте, под каким углом она видна снаружи. Не сводя глаз с монетки, опускайте потихонечку сверху в чашу перевернутый пустой прозрачный стакан, держа его строго вертикально, чтобы вода не заливалась внутрь. Объясните на следующем уроке наблюдаемое явление.

(В некоторый момент монета исчезнет! Когда вы опускаете стакан, уровень воды в чаше поднимается. Теперь, чтобы выйти из чаши, луч должен дважды пройти границу раздела вода-воздух. После прохождения первой границы угол преломления будет значительным, так что на второй границе произойдет полное внутреннее отражение. Свет уже не выходит из чаши, поэтому вы и не видите монетки.)

Для границы раздела стекло-воздух угол полного внутреннего отражения равен: .

Предельные углы полного отражения.

Алмаз…24º
Бензин….45º
Глицерин…45º
Спирт…47º
Стекло различных сортов …30º-42º
Эфир…47º

Испытывая полное внутреннее отражение, световой сигнал может распространятся внутри гибкого стекловолокна (световода). Свет может покидать волокно лишь при больших начальных углах падения и при значительном изгибе волокна. Использование пучка, состоящего из тысяч гибких стекловолокон (с диаметром каждого волокна от 0,002-0,01 мм), позволяет передавать из начала в конец пучка оптические изображения.

Волоконная оптика – система передачи оптических изображений с помощью стекловолокон (стекловодов).

Волоконно-оптические устройства повсеместно используются в медицине в качестве эндоскопов – зондов, вводимых в различные внутренние органы (бронхиальные трубы, кровеносные сосуды и т. д.) для непосредственного визуального наблюдения.

В настоящее время волоконная оптика вытесняет металлические проводники в системах передачи информации.

Увеличение несущей частоты передаваемого сигнала увеличивает объём передаваемой информации. Частота видимого света на 5-6 порядков превосходит несущую частоту радиоволн. Соответственно с помощью светового сигнала можно передавать в миллион раз больше информации, чем с помощью радиосигнала. Необходимая информация по волоконному кабелю передается в виде модулированного лазерного излучения. Волоконная оптика необходима для быстрой и качественной передачи компьютерного сигнала, содержащего большой объём передаваемой информации.

Полное внутреннее отражение используется в призматических биноклях, перископах, зеркальных фотоаппаратах, а также в световращателях (катафотах), обеспечивающих безопасную стоянку и движение автомобилей.

Подведение итогов.

На сегодняшнем уроке мы познакомились с преломлением света, узнали, что такое показатель преломления, определили показатель преломления плоскопараллельной стеклянной пластины, познакомились с понятием полного отражения, узнали о применение волоконной оптики.

Домашнее задание.

Мы рассмотрели преломление света на плоских границах. При этом размер изображения остается равным размеру предмета. На следующих уроках мы рассмотрим прохождение светового луча через линзы. Необходимо повторить из биологии строение глаза.

Список литературы:

Г.Я. Мякишев. Б.Б. Буховцев . Учебник по физике 11 класс.

В.П.Демкович, Л.П.Демкович . Сборник задач по физике.

Я.И.Перельман . Занимательные задачи и опыты.

И.Я. Ланина . Не уроком единым.

На предыдущих уроках вы познакомились с основными законами распространения света: законами отражения и преломления. Но, как известно, любой постигнутый закон человек стремится использовать на практике. Если для двух сред показатель преломления остается постоянным, можем ли мы, например, определять вещество одной среды, зная вещество другой по углу отклонения светового луча при прохождении границы раздела этих сред? Как это сделать на практике, вы узнаете из этого урока, посвященного лабораторной работе.

Тема: Оптика

Урок: Практическая работа по теме "Определение показателя преломления стекла"

Цель работы : определение относительного показателя преломления стекла с помощью плоскопараллельной пластины.

Рис. 1. Определение показателя

sinα – угол падения

sinγ – угол преломления

На рисунке – две горизонтальные линии: малая и большая грань плоскопараллельной пластины (см. Рис. 1).

В точке О располагается первая булавка. Вторая булавка располагается в точке А. Направление АО – направление падающего луча.

Направление от точки О до булавки, расположенной на большой грани, – преломленный луч.

Отмерим при помощи линейки расстояние ОD = ОА.

Из точки А на перпендикуляр раздела двух сред опускаем перпендикуляр. Из точки D на перпендикуляр раздела двух сред опускаем перпендикуляр.

Два треугольника – прямоугольные. В них можно определять синус угла падения и синус угла преломления.

При помощи линейки измеряются расстояние АС и расстояние DB.

Необходимо сделать несколько измерений. Для этого нужно изменять расположение второй булавки под любым другим углом. Вследствие этого угол падения и угол преломления будут меняться, но показатель преломления будет постоянным для данных двух сред.

1 способ

Оборудование : плоскопараллельная пластина, 3 булавки, линейка, транспортир, лист бумаги, карандаш, кусок поролона.

Ход работы:

1. Положим на стол кусок поролона, чтоб было удобнее воткнуть булавки.

2. Накрываем поролон белым листом бумаги.

3. Положим сверху плоскопараллельную стеклянную пластинку.

4. Карандашом обводим малую и большую грани.

5. Первую булавку воткнем возле первой грани, вторую булавку воткнем под некоторым углом к первой.

6. Наблюдая за двумя булавками через большую грань, найдем точку расположения третьей булавки, чтобы первая и вторая загораживали друг друга (см. Рис. 2).

Рис. 2. Плоскопараллельная пластина

7. Отмечаем место расположения всех трех булавок.

8. Снимаем оборудование и смотрим на полученный чертеж.

9. При помощи линейки измеряем катеты (см. Рис. 3).

Рис. 3. Определение показателя

СА = 15 мм, DB = 10 мм.

Для более точного результата необходимо выполнить несколько экспериментов.

Относительный показатель преломления равен 1,5, это означает, что скорость света при переходе из воздуха в стекло уменьшается в 1,5 раза.

Чтоб проверить полученные данные, необходимо сравнить их с таблицей показателей преломления для различных веществ (см. Рис. 4).

Рис. 4. Таблица показателей преломления

По показателю преломления можно определить, какое у нас вещество.

2 способ

Оборудование: лампочка, экран со щелью, лист бумаги.

Ход работы:

1. При помощи проводов соединяем гальванический элемент (батарейку) с лампочкой накаливания.

2. Перед лампой ставим экран со щелью, а за ним кладем плоскопараллельную пластинку.

3. Измеряем угол падения и угол преломления при помощи транспортира.

4. Используя таблицу Брадиса, найдем значения синусов по углам.

5. Вычисляем показатель преломления (см. Рис. 5).

Рис. 5. Плоскопараллельная пластина

Пример расчета погрешности

Погрешность:

1. Абсолютная.

2. Относительная.

Абсолютные погрешности: измерительного прибора, измерения

В металлической линейке погрешностью можно считать половину цены деления этого измерительного прибора, т.е. 0,5 мм.

Погрешность измерения также может составить половину цены деления линейки (0,5 мм).

В целом абсолютная погрешность равна 1 мм.

Относительная погрешность (ε) (см. Рис. 6):

Рис. 6. Относительная погрешность

Определение абсолютной погрешности измеряемого показателя преломления (см. Рис. 7):

Рис. 7. Абсолютной погрешность

1. Нижегородский филиал МИИТ ( ).

Греческий астроном Клавдий Птолемей (около 130 г. н. э.) – автор замечательной книги, которая в течение почти 15 столетий служила основным учебником по астрономии. Однако кроме астрономического учебника Птолемей написал ещё книгу «Оптика», в которой изложил теорию зрения, теорию плоских и сферических зеркал и исследование явления преломления света. С явлением преломления света Птолемей столкнулся, наблюдая звёзды. Он заметил, что луч света, переходя из одной среды в другую, «ломается». Поэтому звёздный луч, проходя через земную атмосферу, доходит до поверхности Земли не по прямой, а по кривой линии, то есть происходит рефракция. Искривление хода луча происходит из-за того, что плотность воздуха меняется с высотой.

Чтобы изучить закон преломления, Птолемей провёл следующий эксперимент. Он взял круг и укрепил на оси линейки l 1 и l 2 так, чтобы они могли свободно вращаться вокруг неё (см. рисунок). Птолемей погружал этот круг в воду до диаметра АВ и, поворачивая нижнюю линейку, добивался того, чтобы линейки лежали для глаза на одной прямой (если смотреть вдоль верхней линейки). После этого он вынимал круг из воды и сравнивал углы падения α и преломления β. Он измерял углы с точностью до 0,5°. Числа, полученные Птолемеем, представлены в таблице.

Птолемей не нашел «формулы» взаимосвязи для этих двух рядов чисел. Однако если определить синусы этих углов, то окажется, что отношение синусов выражается практически одним и тем же числом, даже при таком грубом измерении углов, к которому прибегал Птолемей.

• Задание №161772

Под рефракцией в тексте понимается явление

изменения направления распространения светового луча из-за отражения на границе атмосферы

изменения направления распространения светового луча из-за преломления в атмосфере Земли

поглощения света при его распространении в атмосфере Земли

огибания световым лучом препятствий и тем самым отклонения от прямолинейного распространения

• Задание №90B309

В спокойной атмосфере наблюдают положение звёзд, не находящихся на перпендикуляре к поверхности Земли в той точке, где находится наблюдатель. Каково видимое положение звёзд – выше или ниже их действительного положения относительно горизонта? Ответ поясните.

• Задание №DCF7E6

Какой из приведённых ниже выводов противоречит опытам Птолемея?

угол преломления меньше угла падения при переходе луча из воздуха в воду

с увеличением угла падения линейно увеличивается угол преломления

отношение синуса угла падения к синусу угла преломления не меняется

синус угла преломления линейно зависит от синуса угла падения

• Задание №EEB9E2

Из-за рефракции света в спокойной атмосфере кажущееся положение звезд на небосклоне относительно горизонта

выше действительного положения

ниже действительного положения

сдвинуто в ту или иную сторону по вертикали относительно действительного положения

совпадает с действительным положением

Полярные сияния

Хорошо известно, что в местах земного шара, расположенных за северным или южным Полярным кругом, во время полярной ночи на небе вспыхивает свечение разнообразной окраски и формы. Это и есть полярное сияние. Иногда оно имеет вид однородной дуги, неподвижной или пульсирующей, иногда как бы состоит из множества лучей разной длины, которые переливаются, свиваются в виде лент и т.п. Цвет этого свечения желтовато-зеленый, красный, серо-фиолетовый. Долгое время природа и происхождение полярных сияний оставались загадочными, и только недавно они были объяснены. Удалось установить, что полярные сияния возникают на высоте от 80 до 1000 км над землей, чаще всего – на высоте около 100 км. Дальше было выяснено, что полярные сияния представляют собой свечение разреженных газов земной атмосферы.

Была замечена связь между полярными сияниями и рядом других явлений. Многолетние наблюдения показали, что периоды максимальной частоты полярных сияний регулярно повторяются через промежутки в 11,5 лет. В течение каждого такого промежутка времени число полярных сияний сначала от года к году убывает, а затем начинает возрастать, через 11,5 лет достигая максимума.

Оказалось, что также периодически, с периодом 11,5 лет, меняются форма и положение темных пятен на солнечном диске. При этом в годы максимума солнечных пятен, или, как говорят, в годы максимальной солнечной активности, максимума достигает и число полярных сияний. Такую же периодичность имеет изменение числа магнитных бурь, их количество тоже достигает максимума в годы с наибольшей солнечной активностью.

Сопоставляя эти факты, ученые пришли к выводу, что пятна на Солнце являются теми местами, откуда с огромной скоростью выбрасываются в пространство потоки заряженных частиц – электронов. Попадая в верхние слои нашей атмосферы, электроны, обладающие большой энергией, ионизируют составляющие ее газы и заставляют их светиться.

Эти же электроны оказывают влияние на магнитное поле Земли. Заряженные частицы, испускаемые Солнцем, подходя к Земле, попадают в земное магнитное поле. На движущиеся в магнитном поле электроны действует сила Лоренца, которая отклоняет их от первоначального направления движения. Было показано, что заряженные частицы, отклоняемые магнитным полем Земли, могут попадать только в приполярные области земного шара. Эта теория хорошо согласуется с большим числом фактов и является в настоящее время общепринятой.

• Задание №16D4EC

Что такое полярное сияние?

электрический разряд в атмосфере

электрический ток в электролите, которым является влажный воздух

свечение разреженных газов земной атмосферы

излучение энергии Солнцем

• Задание №AFAFAB

Почему полярные сияния наблюдаются в приполярных областях?

А. Заряженные частицы так отклоняются магнитным полем Земли, что могут попадать только в приполярные области Земли.

Б. Атмосфера в приполярных областях наиболее разрежена, и электроны до столкновения с молекулами могут приобрести достаточно большую энергию.

Правильным ответом является

ни А, ни Б

• Задание №E3C44B Отложить Пометить как решённое

Какова природа полярных сияний?

ионизация быстрыми электронами молекул газов, входящих в состав воздуха

свечение газов, ежесекундно выбрасываемых Солнцем в пространство между планетами

свечение быстрых электронов, выбрасываемых Солнцем

свечение восходящих от земли потоков воздуха

Маскировка и демаскировка

Цвет различных предметов, освещённых одним и тем же источником света (например, Солнцем), бывает весьма разнообразен. При рассмотрении непрозрачного предмета мы воспринимаем его цвет в зависимости от того излучения, которое отражается от поверхности предмета и попадает к нам в глаза.

Доля светового потока, отражённого от поверхности тела, характеризуется коэффициентом отражения ρ. Тела белого цвета отражают всё падающее на них излучение (коэффициент отражения ρблизок к единице для всех длин волн), тела чёрного цвета поглощают всё падающее на них излучение (коэффициент отражения ρравен практически нулю для всех длин волн). Коэффициент отражения может зависеть от длины волны, благодаря чему и возникают разнообразные цвета окружающих нас тел.

Предмет, у которого коэффициент отражения имеет для всех длин волн практически те же значения, что и окружающий фон, становится неразличимым даже при ярком освещении. В природе в процессе естественного отбора многие животные приобрели защитную окраску (мимикрия).

Этим пользуются также в военном деле для цветовой маскировки войск и военных объектов. Практически трудно достичь того, чтобы для всех длин волн коэффициенты отражения предмета и фона совпадали. Человеческий глаз наиболее чувствителен к жёлто-зелёной части спектра, поэтому при маскировке пытаются достичь равенства коэффициентов отражения прежде всего для этой части спектра. Однако если замаскированные с таким расчётом объекты не наблюдать глазом, а фотографировать, то маскировка может утратить своё значение. Действительно, на фотографическую пластину особенно сильно действует фиолетовое и ультрафиолетовое излучение. Несовершенство маскировки отчётливо скажется также в том случае, если вести наблюдение через светофильтр, практически устраняющий те длины волн, на которые маскировка рассчитана.

Задание №B9EC71

Какого цвета будет казаться зелёная трава, рассматриваемая через красный фильтр? Ответ поясните.

Похожая информация.