Конспект уроку з фізики для 11 класу на тему "Урок 55 Заломлення світла. Закони заломлення світла.."

11клас

Урок 55

Заломлення світла. Закони заломлення світла.

Мета уроку:

навчальна: 

• продовжити формувати в учнів уявлення про заломлення світла та закони заломлення;
• закріпити та поглибити знання учнів про закони заломлення світла;
•  пояснити фізичний зміст показника заломлення.

розвивальна: 

• розвивати вміння:

• пояснювати подібні матеріали;
• виявляти аналогії;
• розкривати загальне і конкретне;
• встановлювати закономірності;
• встановлювати головне, суттєве у матеріалі, що вивчається;

• розвивати вміння бачити фізичні явища в навколишньому світі;
• самостійно знаходити причинно-наслідкові зв’язки (робити висновки);
• розвивати логічне, самостійне, творче мислення, дослідницькі навички, здатність до самостійного творчого пошуку;
• узагальнювати,  систематизувати, встановлювати зв’язки нового з раніше вивченим;
• стисло і грамотно висловлювати свої міркування та обґрунтовувати їхню правильність, діяти за аналогією.

виховна: 

• виховувати уважність, зібраність, спостережливість;
• виховувати працелюбність, охайність, уміння раціонально використовувати робочий час, працювати в групах, самостійно розв'язувати проблеми, ухвалювати колективне рішення.

Тип уроку: комбінований.

Наочність і обладнання: навчальна презентація, комп’ютер, підручник, склянка з водою, олівці, скляна посудина, лазерна указка, дзеркало, пробірка, скріпка, паперові стакани, монети, оптична шайба.

Хід уроку

Епіграф:

Шлях до істини саме такий,

як і від істини шлях.

Він ані трохи не довший,

Він тільки трохи складніший.

І. Організаційний момент

ІІ. Мотивація навчальної діяльності

Мабуть, усім вам відоме таке явище природи як міраж. Наприклад, коли посеред пекучої пустелі мандрівникові привиджується попереду озеро, яке відбиває блакитне небо.

• А чи замислювалися ви колись, як і чому виникає це явище?
• Чому чайна ложка в склянці води виглядає інакше ніж у повітрі?

Наприкінці нашого уроку ви зможете давати відповідь на це запитання.

ІІІ. Актуалізація опорних знань.

1. Які підходи до пояснення природи світла історично склалися в фізиці?

2. Які сучасні погляди на природу світла?

3. Завдяки яким фізичним процесам тіла стають джерелами світла?

4. Як ви розумієте теорію корпускулярно-хвильового дуалізму?

5.Які приклади ви можете навести на підтвердження прямолінійного

    поширення світла?

6. Чому утворення тіні є доказом прямолінійності поширення світла?

7. Що таке тінь і півтінь?

8.Що розуміють під відбиванням світла?

9.Яка поверхня називається дзеркальною?

10.Яка поверхня називається матовою?

11.Як формулюється закон відбивання світла?

12. Що розуміють під оборотністю світлового променя?

13.Як побудувати зображення в плоскому дзеркалі?

14.Яким може бути зображення предмета в дзеркалі?

15.Для яких цілей використовується дзеркало?

ІV. Вивчення нового матеріалу.

Історики науки приписують експериментальне відкриття закону заломлення світла в його сучасному вигляді голландському вченому В. Снелліусу (1621 р.), однак теоретичне обґрунтування цього закону було зроблено французьким фізиком і математиком Рене Декартом (1630 р.).

Якщо опустити в склянку з водою олівець, то він здається зламаним.

 Якщо дивитись зверху то олівець здається піднятим, якщо збоку то ніби зламаним. 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.

Явище заломлення світла спостерігається на межі розділу двох прозорих середовищ і пояснюється різною швидкістю поширення світла в них.

 Головна відмінність між двома оптичними середовищами — це різні швидкості поширення світла. 

 Ви вже знаєте, що швидкість світла становить 300 000 км/с. Проте такою вона є лише у вакуумі, тобто в просторі, у якому практично немає речовини: атомів і молекул (наприклад, між Сонцем та Землею).

Якщо світло поширюється в середовищі, воно взаємодіє з молекулами цього середовища. Унаслідок цього швидкість світла зменшується. Це означає, що в будь-якому середовищі швидкість світла менша, ніж у вакуумі.

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 Аристотель, 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 обґрунтував 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.

Зараз цей закон легко перевірити. З допомогою оптичної шайби утворюємо падаючий і заломлений промінь. Вимірюємо кут падіння і кут заломлення для кількох положень освітлювача.

Зміну напряму поширення світла під час переходу через межу розділу двох середовищ називають законом заломлення.

повітря – І середовище,

вода - II середовище,

АО - падаючий промінь,

ОВ - заломлений промінь,

α - кут падіння;

β - кут заломлення,

υ₁ - швидкість поширення світла в першому середовищі,

υ ₂ - швидкість поширення світла в другому середовищі.

Закон заломлення встановлений Декартом формулюється так:

Закон заломлення світла:

1) заломлений промінь лежить в одній площині з падаючим променем і перпендикуляром до межі розділу двох середовищ, поставленим у точці падіння променя;

2) відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення є величиною постійною для двох цих середовищ:

_1,2,   (закон Снелліуса)

де n_1,2 - відносний показник заломлення

Якщо кут заломлення β менший від кута падіння α, то швидкість світла в другому середовищі менша, ніж у першому.

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. При наливанні води в посудину монету стає добре видно.  

• Чому монету без води не видно, а у воді видно?

Висновок, що монету стало видно тому, що внаслідок заломлення світлових променів, що йдуть від монети в воді, змінюється напрям їх поширення і вони потрапляють в око.

Величина n називається відносним показником заломлення двох даних середовищ.

Якщо промінь падає в дане середовище з вакууму, величина n називається абсолютним показником заломлення (або просто показником заломлення) цього середовища.

;    

де с – швидкість світла у вакуумі, то .

Фізичний зміст абсолютного показника заломлення: Абсолютний показник заломлення середовища показує, у скільки разів швидкість поширення світла в даному середовищі менша за швидкість світла у вакуумі: .

Абсолютний показник заломлення залежить від фізичного стану середовища, в якому поширюється світло (температури, густини, наявності пружних напружень), та від властивостей самого світла.

Показник заломлення повітря дуже мало відрізняється від одиниці, а показник заломлення води дорівнює приблизно 1,33.

Показники  заломлення деяких речовин

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} = n_води /n_{повітря} ; _{nскла відносно води} =n_скла/n_води). Із властивості оборотності світлових променів слідує: n₂₁ = 1/n₁₂; (n_{води відносно повітря}=1/n _{повітря відносно води}).

Середовище з більшим показником заломлення називається оптично більш густим, а з меншим - оптично менш густим.

Рис. Встановлення законів заломлення світла: в разі зменшення кута падіння α кут заломлення теж зменшується β.

Унаслідок того, що світло переходить у середовище з іншою швидкістю, воно змінює напрямок поширення — заломлюється. Чим меншою є швидкість світла у другому середовищі, тим більшим буде показник заломлення

Чим більше у речовини показник заломлення, тим більше оптично щільним вважається ця речовина. Наприклад, рубін - середовище оптично більш щільна, ніж лід

Світло не завжди переходить із вакууму (або повітря) в інше середовище. Часом трапляється так, що світло переходить у повітря з води або скла. Тоді промінь переходить із середовища з меншою швидкістю в середовище з більшою (швидкість світла у вакуумі майже не відрізняється від швидкості в повітрі). У цьому випадку світло зазнає заломлення, але кут заломлення більший за кут падіння. Збільшуючи кут падіння, можна помітити, що інтенсивність заломленого променя зменшується.

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.

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 килимах-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 «шапки-невидимки» немає сенсу йти по шляху, вказаному Уелсом - цей шлях, навіть при повному успіху пошуків, не може привести до мети.

У неоднорідному нагрітому повітрі промені світла не поширюються прямолінійно, а плавно викривляються. Унаслідок цього виникають міражі. Наприклад, коли посередині пекучої пустелі мандрівникові привиджується озеро.

Удень у пустелі нижні шари повітря сильно нагріваються від гарячого піску унаслідок чого повітря стає неоднорідним. Проходячи крізь таке середовище, промінь світла плавно викривляється. У результаті цього промінь, що йде зверху від блакитного неба, потрапляє в око мандрівника знизу. І людині, знеможеній спрагою, здається, ніби попереду є озеро, що відбиває блакитне небо. Мандрівник прямує до «озера», але відстань до нього не зменшується. У середніх широтах також можна спостерігати подібний міраж: у спекотний літній день водію або пасажиру здається, що він бачить «калюжі» на сухому шосе.

Оптичні ілюзії - це оптичний «обман» мозку. Око бачить зображення одного об'єкта, проте мозок розуміє цей об’єкт по-своєму. Коли орган зору отримує картинку, задіюється велика кількість процесів в мозку. Людина аналізує цей процес, як комп'ютер, зокрема, аналізується розташування основних граней і кутів, структур кольору або позицій джерел світла. У більшості випадках цей аналіз є неточним - відбувається корекція зорових образів.

V. Закріплення нового матеріалу

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).

Робота в групах. Кожна група виконує однакову роботу, потім до дошки виходять представники груп, які записують свої варіанти відповідей, після чого перевіряється правильність розв'язків.

Завдання групам

1. Світло переходить із повітря у воду. Який із рисунків виконано правильно?

Відповідь: 1.

2. Світло падає на поверхню води. На дні кювети лежить дзеркало. Який із рисунків правильно показує хід променів?   

Відповідь: 1.

3. На якому рисунку правильно зображено хід променя, що падає на скляну призму?

Відповідь: 1.

4. Показник заломлення скла — 1,5. Визначте швидкість світла в склі.

5. Кут падіння пучка світла на поверхню рідини - 45°, кут заломлення - 30°. Визначте показник заломлення речовини. Чому дорівнює швидкість світла в ній?

6. Промінь світла падає на плоску межу двох середовищ. Кут падіння дорівнює 40°, кут між відбитим і заломленим променями дорівнює 110°. Чому дорівнює кут заломлення?

Розв’язування:

З малюнку видно, що

α+γ+β=180°

Звідси β=180°-α-γ, отже

β=180°-40°-110°

β=30°

Відповідь: β=30°

7. Промінь світла переходить зі скла в повітря. Кут заломлення променя в 2 рази перевищує кут падіння. Знайдіть ці кути.

Розв’язання:

За законом заломлення

(1)

Або (2)  

Звідси

Тоді

Отже β=2α=82°

Відповідь: α=41°, β=82°

8. Висота Сонця над горизонтом дорівнює 48°. Під яким кутом до горизонту слід розташувати дзеркало, щоб освітити «зайчиком» дно глибокого колодязя?

Розв’язання:

За законом відбивання світла кут між падаючим променем і поверхнею джерела (β) та відбитим променем і поверхнею джерела – рівні. Отже з малюнка видно, що

α+β=γ   (1) і

β+γ+90°=180°   (2)

Тоді

β=90°-γ   (3)

Підставимо (3)→(1)

α+90°-γ=γ;   α+90°=2γ;

48°+90°=2γ

138°=2γ

γ=69°

Відповідь: γ=69°

VІ. Підсумок уроку

«Це неможливо!» - сказала Причина

«Це нерозсудливість» - зауважив Досвід

«Це марно» - відрізала Гордість

«Спробуй ...» - шепнула Мрія!

Вправа «Незакінчене речення…».

• На уроці я:  зрозумів…    дізнався…   навчився…
• Для мене цікавим було…         
• Свою роботу на уроці оцінюю як…
• Що вам сподобалось найбільше?
• Що було найцікавіше?
• Що було найважче?

VIІ. Домашнє завдання.

1. Опрацювати §26(п1-3)

2. Вправа 26(2,3)

Додаток 1

«Міражі»

Міраж — явище аномального заломлення світла в атмосфері, при якому крім предметів в їхньому дійсному положенні, з’являються також їхні уявні зображення, які є результатом повного внутрішнього відбиття в атмосфері.

Перше наукове пояснення явища пов’язано з єгипетським (1799 р.) походом Бонапарта. Французький експедиційний корпус просувався тоді по пустелі до берегів Нілу. Одноманітність рівнини порушувалося лише невеликими підвищеннями з розташованими на них селами. Вдень, коли сонце починало зігрівати земну поверхню, вона починала здаватися затопленою повінню, а села представлялися острівцями серед безмежного озера. Під кожним з них видно було його дзеркальне відображення. Один з учасників експедиції, Гаспар Монж, пояснив явище, спираючись на закони заломлення та відбиття світла. При відсутності вітру, припустив він, шар повітря біля поверхні землі сильно прогрівається. Його температура різко, часом до 30 градусів на сантиметр, падає в міру віддалення від землі. Але чим вище температура, тим менше показник заломлення повітря. Виходить, що біля самої землі повітря заломлює світло слабкіше, ніж на висоті в кілька сантиметрів від неї.

Людина звикла до того, що світло поширюється прямолінійно. Проте це трапляється не завжди, а тільки тоді, коли показник заломлення середовища в усіх напрямках постійний. У інших випадках відбувається наступне:

По-перше, промінь світла набуває форму ламаної лінії. Її злами — наслідок того, що показник заломлення від шару до шару змінюється стрибкоподібно. Якщо у всіх інших шарах відбувається заломлення, то в самому нижньому — відображення. Кут падіння променя на межу між останнім і передостаннім шарами такий, що відбувається повне внутрішнє віддзеркалення світла.

Тим дзеркалом, в якому солдати Бонапарта бачили відображення пагорбів і сіл, був останній, розташований біля самої землі, найбільш сильно нагрітий шар повітря! Не слід думати, що міраж можна побачити тільки в пустелі. Жителі міст часто зустрічаються з ними, навіть часом не усвідомлюючи того. Іноді в кінці лютого — початку березня трапляються теплі ясні дні, коли сонце низько над горизонтом. Можна побачити, як воно відбивається … в чорному асфальті. Буває, в літню спеку під час їзди по шосе трапляється мить, коли дорога раптом стає як би мокрою: хоча дощу немає і близько, в ній чітко відображаються зустрічні машини. Причина все та ж — наявність досить різкого перепаду температур.

Міраж над морем має інший характер. Він викликаний підвищенням температури повітря з висотою. Тому зона відображення тут лежить над нашими головами, і видно події, що відбуваються далеко за горизонтом.

Особливо сильно ефект проявляється над полярними морями. Морякам не раз доводилося бачити, як за багато миль від них літаки і підводні човни торпедували судно, спостерігати страшні сцени вибуху. Кораблі, що гинули, пливли щоглами вниз і занурювалися не в море, а в небо…

Не все в міражі зрозуміло до кінця. Цікаві міражі відзначали газети і журнали минулого століття. В небі над Атлантичним узбережжям Африки з’явилися чіткі зображення незнайомих міст. Бувалі мандрівники впізнавали в них міста Південної Америки… Але при всій загадковості цього явища міраж неважко відтворити в лабораторних умовах.

Марево ділять на нижнє, видиме під об’єктом, верхнє — над об’єктом, і бічне.

Нижній міраж спостерігається при дуже великому вертикальному зниженні температури  з висотою над перегрітою рівною поверхнею, часто пустелею або асфальтованою дорогою. Уявне зображення неба створює при цьому ілюзію води на поверхні. Тому дорога, що йде в далину в спекотній літній день здається мокрою.

Верхній міраж спостерігається над холодною земною поверхнею коли температура повітря зростає з підвищенням висоти. Верхні міражі трапляються в цілому рідше, ніж нижні, але найчастіше бувають більш стабільними, оскільки холодне повітря не має тенденцію рухатися вгору, а тепле — вниз.

Бічний міраж. Про існування бічного міражу зазвичай навіть не підозрюють. Це — відображення від нагрітої прямовисної стіни.