Конспект уроку по темі "Заломлення світла. Людина невидимка"

Тема: Заломлення світла.

Мета: Ознайомити учнів з явищем заломлення світла. Встановити закон заломлення світла.

Обладнання: Прилад для спостереження явищ відбивання і заломлення світла (оптична шайба), склянка з водою, скляна трубка, монета, оптичні пристрої. Активізацію діяльності учнів проводимо ставлячи їм запитання.

1.   Що розуміють під відбиванням світла?

2.   Яка поверхня називається дзеркальною?

3.   Яка поверхня називається матовою?

4.   Як формулюється закон відбивання світла?

5.   Що розуміють під оборотністю світлового променя?

6.   Як побудувати зображення в плоскому дзеркалі?

7.   Яким може бути зображення предмета в дзеркалі? 8. Для яких цілей використовується дзеркало? 

Пояснення нового матеріалу починаємо з досліду. Звертаємо увагу учнів на посудину з водою, в яку вставлена трубка (посудини знаходяться на кожному учнівському столі). Якщо дивитись зверху то трубка здається піднятою, якщо збоку то ніби зламана. З досвіду ми знаємо що риба в воді здається меншою, дно мілким, вудка ніби зламана. Ці явища пояснюються тим що під час переходу з одного середовища в інше напрям поширення променя змінюється. Відбувається явище, яке називається заломленням світла. Ї тема сьогоднішнього уроку так і називається: "Заломлення світла. Закон заломлення". На уроці ми вивчимо основні поняття і закони з допомогою яких зможемо пояснити велику кількість оптичних явищ.

Починаємо пояснення з введення основних означень (пояснюємо використовуючи малюнки     з        підручника,          таблиць      або    наперед намальованих на дошці).

Лінія яка розділяє два середовища називається межею двох середовищ. Промінь який поширюється в першому середовищі називається падаючим променем. Промінь що проходить в друге середовище називається заломленим променем. Кут  між падаючим променем і перпендикуляром до межі двох середовищ в точці падіння променя

називається кутом падіння і позначається α. Кут між заломленим променем і перпендикуляром - кутом заломлення, позначається β.

Заломлення світла спостерігав ще Арістотель, який описав "злом" опущеного в воду весла. Птоломей опублікував таблицю різних кутів падіння і заломлення світла на межі повітря-вода (140 р.н.е.). Спочатку вважали що α/β=const. Пізніше встановили що це співвідношення справедливе лише для малих кутів. Кеплер пробував уточнити його, але не досяг успіху. Вперше закон заломлення (співвідношення між кутом падіння і заломлення) встановив (хоча і не опублікував) голландський вчений Снелліус, а обгрунтував закон Декарт в книзі "Діоптрика" (1637). Декарт припускав, що світло в різних середовищах рухається з різною швидкістю. Однак він вважав, що світло в воді рухається з більшою швидкістю ніж в повітрі. Пізніше фізики це експериментальне ще перевірять і відкинуть. Однак це станеться лише через 200 років після смерті Декарта. Він же змушений виправдовуватись: "можливо ви здивуєтесь... Ви це знайдете незвичним, якщо... згадаєте про природу, яку я приписав світлу".

Зараз цей закон легко перевірити. З допомогою оптичної шайби утворюємо падаючий і заломлений промінь. Вимірюємо кут падіння і кут заломлення для кількох положень освітлювача. Використовуючи калькулятор перевіряємо справедливість співвідношення: sinα₁/sinβ₁= sinα₂/sinβ₂ = const. Закон заломлення встановлений Декартом формулюється так: падаючий і заломлений промені разом з перпендикуляром поставленим до межі двох середовищ в точці падіння променя лежать в одній площині. Відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення є величина постійна. Зауважимо що коли кут падіння рівний нулю то й кут заломлення рівний нулю (тобто промінь не заломлюється).

Внаслідок заломлення здається що змінюється форма, розміщення і розміри предметів.

Проведемо дослід: на дно посудини покладемо монету. Око розміщуємо так, щоб не було видно монети через край посудини. (Учні повторюють дії вчителя за партами). При наливанні води в посудину монету стає добре видно. Залучаючи до відповіді учнів, робимо висновок, що монету стадо видно тому, що внаслідок заломлення світлових променів, що йдуть від монети в воді, змінюється напрям їх поширення і вони потрапляють в око.

Стала величина, яка визначається як відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення позначається буквою п і називається відносним показником заломлення другого середовища відносно першого.

                Для     променя     А     відносний     показник     позначається     n₂₁    або           

n_{води відносно повітря} (Перше середовище – повітря; друге – вода). Для променя В відносний показник позначається n12 або n_{повітря відносно води.}

Речовин є дуже багато тому і відносних показників заломлення є безліч, тому що комбінацій речовин є багато. Щоб всіх їх занести в таблицю невистачить паперу. Тому було введено абсолютний показник заломлення -        показник     заломлення даного  середовища       відносно     вакууму      (повітря).    Абсолютний показник заломлення позначається n₁, n₂, n₃, ... (або n_води, n_{повітря}, n_скла). Відносний показник заломлення виражається через абсолютні показники середовищ: n₂₁ = n₂/n₁,           (n_{води відносно повітря} = nводи /nповітря ; nскла відносно води =nскла/nводи). Із властивості оборотності світлових променів слідує: n21 = 1/n12; (nводи відносно повітря=1/nповітря відносно води). Середовище з більшим показником заломлення називається оптично більш густим, а з меншим - оптично менш густим.

Величина показника заломлення залежить від температури і густини середовища, наявності в ньому пружних напруг, а також кольору світла. Тому в таблицях, в яких приводиться значення абсолютного показника заломлення, вказується для якого кольору подано це значення. Розглядаємо таблицю значень показників заломлення для різних речовин. (Звертаємо увагу на показники заломлення окремих речовин: скла, води; знаходимо в якої речовини показник заломлення найбільший, в якої найменший). При переході світла з оптично менш густого середовища в оптично більш густе (в досліді з оптичною шайбою: з повітря в скло) промінь відхиляється до перпендикуляра. (n₂₁>1; (sinα/sinβ) >1; sinα >sinβ; α > β). При переході світла з оптично більш густого середовища в оптично менш густе (з скла в повітря) — від перпендикуляра (n₂<n₁; (sinα/sinβ) = n₂/n₁<1; sinα < sinβ; α<β).

Якщо показник заломлення двох середовищ однаковий то промінь поширюється не змінюючи свого напрямку (n₂=n₁; α=β). Кожен з вас напевно читав роман Герберта Уелса "Людина-невидимка", бачив фільм. Його герой, геніальний фізик, відкрив метод робити тіло людини невидимим. Натираючи тіло створеною ним маззю він добивавсь того, що показник заломлення людського тіла ставав рівним показнику заломлення повітря. Світло не заломлювалось, людина ставала невидимою. А скільки казок складено про шапку невидимку. Чи можливо таке? З повідомленням виступить учень. //Зачитує повідомлення "Шапка-невидимка і людина невидимка". Зміст виступу подано в додатку //.

Підтвердженням цього може бути той факт, що не покриті шерстю тварини - альбіноси відрізняються значною прозорістю. Зоолог який знайшов літом 1934 року в датському селі екземпляр білої жаби альбіноса, описував її так: "Тонкі шкіряні і м'язові тканини просвічують; видно нутрощі, скелет. Дуже добре в жаби-альбіноса видно через черевну стінку скорочення серця і кишок". Однак навіть і якби вдалось цього досягти то невидимка був би сліпий, адже ми бачимо тому, що світлові промені заломлюються в нашому оці і утворюють зображення.

Показник заломлення має фізичний зміст. Він пов'язаний з швидкістю поширення світла співвідношенням: n₂₁=v₁/v₂ де v₁- швидкість світла в першому середовищі; v₂- швидкість світла в другому середовищі. Світловий промінь проходить найшвидшим (а не найкоротшим) шляхом, тобто підлягає правилу яке фізики називають "принципом найшвидшого приходу" (принцип Ферма).

 Цей принцип можна проілюструвати на

 такому прикладі. Командиру, який знаходиться на лузі, потрібно

якнайшвидше доставити повідомлення в штаб, який розміщений на піщаній ділянці. Який шлях потрібно вибрати зв'язковому, якщо швидкість руху по лузі більша ніж по піску? Він повинен рухатися не по прямій АВ, а по траєкторії, яка є відображенням руху променя АОВ. (sinα/sinβ=v_{по лузі} /v_{по піску}).

Принцип Ферма справедливий для всіх хвильових явищ. Ось як пояснює це фізик Шредінгер (з доповіді прочитаної в Стокгольмі при отриманні Нобелівської премії. 1933 рік): "Нехай для того, щоб зберегти строгу правильність фронту строю, солдати з'єднані довгою палкою, яку кожен із них міцно тримає в руках. Командир говорить: всім бігти як можна швидше. Якщо характер ґрунту змінюється від точки до точки, то спочатку, скажімо, праве, а пізніше ліве крило фронту буде рухатися швидше - і поворот фронту здійсниться сам по собі. Ми побачимо при цьому, що пройдений цілях - не прямолінійний, а криволінійний".

Демонструємо процес заломлення на досліді. На спільній осі закріплені два колеса, які можуть обертатись незалежно одне від одного. Нижню (перехід з оптично менш густого середовища в оптично більш густе, або верхнюперехід з оптично більш густого в менш густе) частину похилої площини накриємо тканиною. Відпустивши вісь так, щоб вона рухалась по похилій площині під кутом до межі дерева і тканини, побачимо, що напрям       руху осі зміниться під час переходу з руху по дереву на рух по тканині.

Якщо середовище неоднорідне і її заломлююча здатність змінюється поступово (як наприклад в нашій атмосфері), то і в цьому випадку здійснюється найшвидший прихід. Цим пояснюється те невелике викривлення променів

небесних світил в атмосфері, яка на мові астрономів називається атмосферною рефракцією. В атмосфері, густина якої поступово збільшується до низу, промінь світла вигинається так, що вгнутість його повернута до Землі. Внаслідок цього виникають міражі.

Перевірку засвоєння учнями матеріалу проводимо, ставлячи учням запитання.

1.                       Чому в спеку деякі предмети здаються розпливчастими? (Шари повітря, що по різному нагріті, заломлюють промені, які відбиваються від предметів).

2.                       Чому сидячи біля багаття, нам здається, що предмети, які знаходяться, за ним коливаються? (По різному нагріте неспокійне повітря заломлює промені, що йдуть від предметів).

3.                       Яким засобом, крім втечі, захищається від нападу кальмар? (Випускає темно-синю рідину чим змінює не лише показник заломлення, але й прозорість води).

4.                       У сонячні дні після дощу на листі дерев іноді утворюються опіки. Чому це відбувається? (Краплі дощу, що залишились на листі, наче лінзи збирають промені. З цієї причини не рекомендується поливати рослини вдень).

5.                       Жуки-вітрячки живуть в воді, але є частими гостями на суші. Навіщо природа дала їм дві пари очей? (Оскільки вода й повітря є середовищами різної оптичної густини, то одна пара очей служить для бачення в воді, а друга в повітрі).

6.                       Кришталик чийого ока - людини чи риби - повинен сильніше заломлювати світло? (Кришталик ока риби заломлює світло сильніше, оскільки вода має більшу оптичну густину, а промінь повинен заломитись на однаковий кут і при переході з води в око і при переході з повітря в око).

Провівши узагальнення уроку, оцінивши знання учнів задаємо завдання додому. (Відповідний параграф підручника. Запитання параграфа).

Додаток.

Шапка-невидимка і людина-невидимка.

Із сивої давнини залишена нам легенда про чудесну шапку, яка робить невидимим кожного, хто її надіне. Давно вже здійснено багато привабливих мрій давнини, не мало казкових чудес стало здобутком науки. Просвердлюються гори, вловлюються блискавки, літають на коврах-літаках... А чи не можна винайти і "шапку-невидимку", тобто знайти метод ставати невидимим?

В романі "Людина-невидимка" англійський письменник Герберт Уельс переконує своїх читачів, що можливість стати невидимим реальна. Його герой, геніальний фізик, відкрив метод робити прозорим тканину людського організму, натираючи його спеціальним, винайденим ним, кремом. Здається, що невидимка повинен бути наймогутнішим із смертних. Але чи може невидимка бачити? В цьому місці руйнується вся ілюзія могутності невидимки. Невидимка повинен бути сліпим! Промені будуть проходити через очі, не заломлюючись в них і не затримуючись, отже вони не можуть викликати в його свідомості ніякого образу. Отже, в пошуках "шапкиневидимки" немає сенсу йти по шляху, вказаному Уелсом - цей шлях, навіть при повному успіху пошуків, не може привести до мети.

Література.

1.     В.Н.Міщанський, Є.В.Савелові. Історія фізики в середній школі. 1981.

2.     М.І.Блудов. бесіди по фізиці. 1971.

3.     Я.І.Перельман. Занимательная физика. Кн. 1,2. 1976.

4.     Л.Купер. Фізика для всіх. Ч.2. 1973.