Тема. Природа света. Законы геометрической оптики.

Тема. Природа света. Законы геометрической оптики.
11 кл. Урок 1/34 30.11.2012 г.
Цель урока: повторить с учащимися содержание законов геометрической оптики, дополнив и углубив их.
Тип урока: урок изучения нового материала.
Демонстрации:
1. Прямолинейное распространение света.
2. Отражение света.
3. Преломление света.
План изложения нового материала:
1. Основные понятия геометрической оптики.
2. Прямолинейное распространение света.
3. Отражение света. 4. Преломление света.
5. Полное внутреннее отражение.
6. Изображение в плоском зеркале.
ИЗЛОЖЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА
1. Основные понятия геометрической оптики. На выяснение природы света потребовалось не
одно тысячелетие. За это время много разных гипотез сменили друг друга. Оптика сначала
рассматривалась как наука о зрении. (Слово «оптика» образовано от греческого слова optike — наука о
зрительных восприятиях.) В настоящее время оптика представляет собой раздел физики, в котором
изучаются явления и закономерности, связанные с возникновением, распространением и взаимодействием с веществом электромагнитных волн видимого диапазона.
Поскольку свет — электромагнитное излучение и ему присущи все свойства электромагнитных волн,
то все задачи оптики можно решить на основе волновых представлений. Однако это требует
применения весьма громоздкого математического аппарата. Но при решении задач на построение
изображений в зеркалах и линзах и при расчете оптических приборов ученые пользуются
геометрическими методами. Эти методы составляют содержание геометрической оптики.
Геометрическая оптика базируется на трех законах:
• закон прямолинейного распространения света;
• закон отражения света;
• закон преломления света.
2. Прямолинейное распространение света. Некоторые из законов оптики были открыты задолго до
того, как была установлена природа света. Одним из таких законов является закон прямолинейного
распространения света:
В вакууме и в однородной среде свет распространяется прямолинейно.
(Опыт 1.Прямолинейного распространения света. Опыт 2. образование тени и полутени).
Оптически однородной считается такая среда, в которой свет распространяется с постоянной
скоростью. Если имеются две среды, в которых свет распространяется с различными скоростями, то
среду, где свет распространяется, с меньшей скоростью называют оптически более плотной, а среду,
где свет распространяется с большей скоростью — оптически менее плотной.
В неоднородной же среде лучи света искривляются (этим обусловлены, например, миражи). В
жаркой пустыне нижние слои воздуха сильно нагреваются от горячего песка, и температура нижних
слоев воздуха оказывается выше, чем верхних. Поэтому лучи света искривляются так, что луч, идущий
сверху, от голубого неба, попадает в глаз путника снизу, вследствие чего путнику кажется, что этот луч
отражен от поверхности воды в «водоеме», которого на самом деле нет.
В средних широтах также можно наблюдать подобный мираж: в жаркий летний день пассажир или
водитель автомобиля видит впереди «лужи» на совершенно сухом асфальтовом шоссе.
3. Отражение света. С отражением света мы сталкиваемся ежедневно. Изо дня в день каждый из
нас смотрится в зеркало; мы видим на спокойной поверхности воды отражения Солнца и Луны,
деревьев и облаков. Это примеры зеркального отражения света. (Опыт 3. Зеркального отражения
света. Опыт 4. Диффузное отражение света.)
1
Если направить узкий световой пучок на поверхность воды в большом сосуде, то часть света
отразится от поверхности воды, другая часть пройдет из воздуха в воду. При разделении светового
пучка соблюдается закон сохранения энергии.
Изобразим рассмотренный опыт графически. Линия MN — перпендикуляр к границе раздела
двух сред. Луч S — падающий луч; луч St — отраженный луч; луч S2 — преломленный луч;
—
угол падения;

— угол отражения;


— угол преломления.
Законы отражения света, как и закон прямолинейного распространения света, был открыт
древнегреческим ученым Евклидом: (записать в тетрадь)
1) отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром к
границе раздела двух сред, восстановленным в точке падения луча;
2) угол отражения равен углу падения.
4. Преломление света. Историки науки приписывают экспериментальное открытие закона
преломления света в его современном виде голландскому ученому В. Снеллиусу (1621 г.), однако
теоретическое обоснование этого закона было сделано французским физиком и математиком Рене
Декартом (1630 г.).
Используя демонстрационный эксперимент и чертеж, формулируем законы преломления света:
(записать в тетрадь)
1) преломленный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром к границе
раздела двух сред, восставленным в точке падения луча;
2) отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух
sin 
данных сред:
= п.
sin 
Величина п называется относительным показателем преломления двух данных сред. Если луч
падает в данную среду из вакуума, величина п называется абсолютным показателем преломления (или
просто показателем преломления) данной среды. Показатель преломления воздуха очень мало отличается от единицы, а показатель преломления воды равен примерно 1,33. Ту из двух сред, у которой
показатель преломления больше, называют оптически более плотной.
5. Полное внутреннее отражение. Если падающий луч направлен из оптически более плотной
sin 
среды в оптически менее плотную (например, из воды в воздух),
< 1. Это означает,
sin 

что в этом случае угол преломления  больше угла падения
.
При увеличении угла падения интенсивность отраженного луча увеличивается, а интенсивность
преломленного луча уменьшается. И при таком угле падения  о, когда преломленный луч должен был
бы идти вдоль поверхности раздела двух сред, то есть при  = 90°, преломленный луч полностью
исчезает.
2
Этот угол падения  0 называется предельным углом полного отражения, потому что если угол
падения равен этому углу или больше него, луч света полностью отражается от границы раздела двух
сред. Это явление называется полным внутренним отражением: (записать в тетрадь)
явление отражения света от оптически менее плотной среды, при котором преломление
отсутствует, а интенсивность отраженного света практически равна интенсивности
падающего.
Явление полного внутреннего отражения используется, например, в световодах при передаче
световых сигналов по тонким стеклянным нитям («волоконная оптика»). За счет многократного полного
отражения свет может быть направлен по любому (прямому или изогнутому) пути.
Волоконно-оптические устройства используются в медицине в качестве эндоскопов — зондов,
вводимых в различные внутренние органы для непосредственного визуального наблюдения.
В настоящее время волоконная оптика вытесняет металлические проводники в системах передачи
информации.
Полное внутреннее отражение используется в призматических биноклях, перископах, зеркальных
фотоаппаратах, а также в световращателях (катафотах), обеспечивающих безопасную стоянку и
движение автомобилей.
6. Изображение в плоском зеркале. Зеркально отражающую поверхность называют плоским
зеркалом, если падающий на нее пучок параллельных лучей после отражения остается параллельным.
Все зеркала можно отнести к приборам, которые изменяют направление распространения или
конфигурацию светового пучка (обратим внимание на тот факт, что падающий пучок света имеет
вершину — светящуюся точку, из которой исходят лучи света, а отраженный пучок такой вершины
не имеет).
Точки, в которых пересекаются световые лучи (или их продолжения), исходящие из точечного
источника света называются изображениями этого источника света.
Изображение S1 — мнимое изображение. Термин «мнимое» выражает тот факт, что там, где мы
видим это изображение, пучки света на самом деле не сходятся, и лишь свойство нашего глаза собирать
на сетчатке расходящиеся пучки света дает ощущение видимости «мнимой» светящейся точки.
Световая энергия в эту точку не поступает.
Легко доказать, что точки S и S1 симметричны.
ВОПРОСЫ К ОБУЧАЮЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА
1.
2.
3.
4.
5.
Какие примеры вы можете привести для подтверждения прямолинейного распространения света?
Почему образование тени служит доказательством прямолинейности распространения света?
Какие явления происходят при переходе света из одной среды в другую?
Чем обусловлено преломление света на границе двух прозрачных сред?
Приведите примеры наблюдения полного отражения света.
3
ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ НА УРОКЕ
1.Человек приближается к зеркалу со скоростью 0,5 м/с. С какой скоростью он приближается к
своему изображению?
(0,5 м/с · 2 = 1 м/с).
2. Угол падения луча равен 25º. Чему равен угол между падающим и отражённым лучами? (50º).
3. Угол между падающим и отражённым лучами, составляет 50º. Под каким углом к зеркалу падает
свет? (25º).
4. При каком угле падения падающий и отражённый лучи составляют между собой прямой угол; угол
60º; угол 30º; угол 120º? (45º, 30º, 15º, 60º).
5. Существует ли в зеркале ваше изображение, если вы сами не видите себя в зеркале? Если да, то,
как можно в этом убедиться? (Да. Нужно взять два зеркала под углом друг к другу. Одно
зеркало направить на предмет, чтобы он был виден в зеркале, а сам предмет видеть себя в
зеркале не будет. Проверить на опыте.)
6. Постройте изображение треугольника ABC в плоском зеркале. Определите графически область
видения изображения.
Итог урока. Оценки:
На дом: § 13. № 9.1, 9.2, 9.17, 9.26, 9.39.
4