План-конспект лекції

Тема: Хвильова оптика

План

1.                  Світлові хвилі. Основні фотометричні величини.
2.                  Явища інтерференції і дифракції світла
3.                  Дисперсія і поляризація світла
4.                  Оптичні прилади та їх застосування.

 

Ключові поняття та терміни: дисперсія світла; спектр; інтерференція світла; дифракція світла; дифракційна картина; дифракційна решітка; природне світло; поляризоване світло; поляризатори; поляризація світла; шкала електромагнітних хвиль; радіохвилі; ультракороткі; оптичне випромінювання; інфрачервоне випромінювання; ультрафіолетове випромінювання; рентгенівське випромінювання.

Література:

1.           Головко М.В., Крячко І.П., Мельник Ю.С. Фізика і астрономія (рівень стандарту, за навчальною програмою авторського колективу під керівництвом О.І. Ляшенка): підруч. для 11-го кл. закл. заг. серед. освіти. Київ: Педагогічна думка, 2019. 288 с.

2.           Засєкіна Т.М., Засєкін Д.О. Фізика і астрономія (рівень стандарту, за навчальною програмою авторського колективу під керівництвом Ляшенка О.І.): підруч. для 11-го кл. закл. заг. серед. Освіти. Київ: УОВЦ «Оріон», 2019. 272 с.

3.           Фізика (профільний рівень, за навчальною програмою авторського колективу під керівництвом В.М.Локтєва). Підручник для 11 класу закладів загальної середньої освіти (автори Гельфгат І.М.), ТОВ «Видавництво «Ранок», 2018

4.           Мельник Л.С. Формування ключових компетентностей методами інтерактивного навчання. //Фізика в школах України. - Основа, 2008, №5, 32ст.

2.                     Інтерактивні методи навчання // Харків : Основа, 2008, стор.34
3.                     Нетрадиційні уроки фізики//Тернопіль : Гімназія, 2009, стор.56

 

ХІД ЗАНЯТТЯ

1.      Початкова організація заняття

Перевірка присутності здобувачів освіти та готовності їх до заняття.

ІІ. Актуалізація опорних знань

Пропоную перевірити знання з попередньої теми.

Експрес – опитування (кожна правильна відповідь – 1 бал)

Викладач пропонує запитання  здобувачам освіти:

1.   Що вивчає "Оптика"?

Можлива відповідь: (Оптика – розділ фізики в якому вивчають світлові явища).

2.   На які підрозділи поділяється «Оптика»?

Можлива відповідь: (Геометрична (променева) та фізична (хвильова) оптика).

3.   Що вивчає геометрична оптика ?

Можлива відповідь: (Вивчаються закони поширення світла в прозорих середовищах на основі уявлень про світловий промінь ).

4.   Які закони лежать в основі променевої оптики ?

Можлива відповідь: (закон прямолінійного поширення світла, закон незалежності поширення світлових променів, закон відбивання (Евклід ІІІ ст. до н.е.), закон заломлення. Також в основу променевої оптики може бути покладено принцип, встановлений французьким ученим П. Ферма у ХVІІ ст.: світло поширюється таким шляхом, оптична довжина якого найменша).

5.   Чому другий підрозділ "Оптики" називають хвильовою оптикою ?

Можлива відповідь: (Світло розглядається як електромагнітна хвиля).

6.   Яке значення мають закони та принципи, які лежать в основі «Оптики» ?

Можлива відповідь: (Дають змогу вірно пояснити світлові явища та процеси, які відбуваються навколо нас, а також будову та принцип дії оптичних приладів та систем).

7.   До оптичних приладів та систем належать …

Можлива відповідь: (проекційні прилади, фотоапарат, лупа, окуляри, мікроскоп, зорові труби, бінокль, телескоп, перископ, стереоскоп, спектроскоп, око – яке представляє складну оптичну систему).

4.                Що є основними елементами (деталями) оптичних приладів?

Можлива відповідь: (Лінзи – збиральна та розсіювальна, дзеркала – плоскі та сферичні, скляні призми )

5.                Що ж таке світло, яка його природа ?

Можлива відповідь: (Проявляє подвійні властивості: потік дрібних частинок світла - квантів, корпускул та властивості електромагнітних хвиль (хвильову).

6.               Що таке джерело світла?

Можлива відповідь: Джерела світла - природні тіла або технічні пристрої різної конструкції і різними способами перетворення енергії, основним призначенням яких є отримання світлового випромінювання (як видимого так і з різною довжиною хвилі, наприклад інфрачервоного). У джерелах світла використовується в основному електроенергія, але так само іноді застосовується хімічна енергія і інші способи генерації світла (триболюмінесценція, радіолюмінісценція, біолюмінесценція

Досліди показують, що всі сильно нагріті тіла випромінюють світло. Нагріті тіла, що випромінюють світло, називають тепловими джерелами світла.

Холодні джерела світла — це тіла, які світяться за температури, наближеної до кімнатної.

7.                  Що таке приймачі світла?

Можлива відповідь: Приймачі світла — пристрої, зміна стану яких під дією потоку оптичного випромінювання служить для виявлення цього випромінювання, його вимірювання, а також для фіксування й аналізу оптичних зображень випромінюючих об'єктів. У приймачі світла енергія оптичного випромінювання перетворюється на інші види енергії.

Найважливішим для людини приймачем світла є око. Коли світло потрапляє на сітківку, що встеляє очне дно, воно спричиняє складні реакції, у результаті чого ми бачимо навколишній світ.

Оскільки світло — електромагнітне випромінювання і йому притаманні всі властивості електромагнітних хвиль, то всі завдання оптики можна розв’язати на основі хвильових уявлень. Але під час розв’язання задач на побудову зображень у дзеркалах і лінзах і проектування оптичних приладів користуються геометричними методами. Ці методи становлять зміст геометричної оптики, яку інакше називають променевою оптикою.

13                     Що є основними поняттями геометричної оптики?

Можлива відповідь: Основними поняттями геометричної оптики є пучок і промінь. Промінь — це лінія, що вказує напрямок перенесення світлової енергії.

У побуті ми часто називаємо світловим променем тонкий пучок світла. Не існує нескінченно вузьких світлових пучків; пучок світла завжди має кінцеву ширину. Промінь — це ніби вісь пучка, а не сам пучок.

 

8.                     Як називається джерело світла, розмірами якого в даних умовах можна знехтувати?

Можлива відповідь: Джерело світла, розмірами якого в даних умовах можна знехтувати, називають точковим джерелом світла.

Точкове джерело світла є фізичною моделлю джерела світла, відстань до якого в багато разів більше від розмірів джерела.

9.                     Як поширюється світло в однорідному середовищі?

Можлива відповідь: світло в порожнечі або однорідному середовищі поширюється прямолінійно.

Це один із законів геометричної оптики, що називається законом прямолінійного поширення світла.

Прямолінійність поширення світла підтверджується утворенням тіні. Якщо взяти точкове джерело світла, екран і між ними помістити непрозорий предмет, то на екрані з’явиться темне зображення його обрисів — тінь.

2. Постановка проблеми.

Проблема заняття (відповідно до вимог кваліфікаційної характеристики)

Враховуючи зміст заняття та його основну ідею, проблема заняття є такою:  «Які знання та навички з теми: «Хвильова оптика» доцільно буде застосовувати при вирішенні задач професійного спрямування».

3. Повідомлення теми та мети заняття

Тема заняття: Хвильова оптика

Мета заняття: сформувати знання здобувачів освіти про явища інтерференції і дифракції, що виникає при поширенні хвиль,з явищем дисперсії і поляризації світла, також застосування оптичних приладів  в професійній діяльності; пояснити фізичний зміст даних понять; ознайомити здобувачів освіти з принципами розв’язування задач з даної теми.

Викладання нового матеріалу

1. Світлові хвилі. Основні фотометричні величини.

Шановні здобувачі освіти ! А зараз ми об’єднаємо всі зусилля для кращого опанування нового матеріалу. Я розраховую на вашу активну роботу.

Здобувачі освіти  творчої групи підготували нам повідомлення по темі: «Розвиток уявлень про природу світла». Давайте послухаємо їх виступи.

Розвиток уявлень про природу світла.

Століттями тривали між ученими суперечки про природу світла. У 1675 р. Ісаак Ньютон висунув корпускулярну теорію природи світла, згідно з якою світло складається з малих частинок різних форми та розмірів, які випромінюються будь-якими тілами й називаються корпускулами.

Але ця теорія не могла пояснити всі оптичні явища, тому 1690 р. голландський фізик Християн Гюйгенс запропонував хвильову теорію природи світла, згідно з якою світло — це механічні поздовжні хвилі, які мають поширюватися в пружному середовищі, названому світловим ефіром.

Але обидві ці теорії не відповідали дійсності. Після створення Джеймсом Масквеллом електромагнітної теорії (60-70-ті роки ХІХ ст.) він зробив припущення, що світло — це електромагнітні хвилі, оскільки швидкість світла і швидкість електромагнітних хвиль — однакові. Електромагнітна теорія також не могла пояснити деякі оптичні явища (наприклад, фотоефект).

У 1990 р. німецький фізик Макс Планк висуває квантову теорію природи світла, яка доповнює й розширює електромагнітну теорію. Отже, світло в певних явищах виявляє як корпускулярні, так і хвильові властивості. У фізиці такий прояв дістав назву корпускулярно-хвильовий дуалізм. Ми далі з'ясуємо, що такі властивості притаманні й іншим об'єктам, наприклад електронам.

У цьому й наступних параграфах детальніше дослідимо хвильові властивості світла. Оперуючи поняттям «світло», ми розглядатимемо електромагнітні хвилі в діапазоні частот коливань від 410¹⁴ до 7,510¹⁴ Гц. У цьому інтервалі кожній частоті відповідає довжина хвилі та свій колір випромінювання: від 400 нм (фіолетовий колір) до 760 нм (червоний). Зазначимо, що до оптичного діапазону (світла) належить також інфрачервоне та ультрафіолетове випромінювання.

Для характеристики джерел світла щодо освітлення, яке вони створюють, користуються поняттям світлового потоку.

Світловий потік Ф — світлова фотоелектрична величина, що характеризує потужність випромінювання джерела світла, тобто енергію світлового випромінювання за одиницю часу,

Одиниця світлового потоку — люмен, 1 лм.

Якщо розміри джерела світла настільки малі, що його форму не можна розрізнити з відстані, на якій досліджується випромінюваний світловий потік, і цей потік розподілений рівномірно в усіх напрямках, то таке джерело світла називають точковим.

Характерним для точкового джерела світла є те, що випромінювані світлові хвилі — сферичні.

Головною характеристикою джерела світла є сила світла.

Сила світла І — світлова фотометрична величина, що характеризує просторовий розподіл потужності випромінювання в заданому напрямку. Сила світла дорівнює відношенню світлового потоку ΔΦ, який випромінює дане джерело світла в заданому напрямку всередині малого тілесного кута Δω, до величини цього кута,

У разі рівномірного випромінювання світла в усі боки повний світловий потік точкового джерела світла дорівнює Ф = 4пІ. Із цієї формули випливає зв'язок між фотометричними одиницями: 1 лм = 1 кд · 1 ср.

Світловий потік Ф для кожного джерела є фіксованою величиною і не може бути збільшений за допомогою оптичних приладів. Проте оптичні прилади (дзеркала, лінзи) дають можливість перерозподілити світловий потік у тілесному куті та отримати в деяких напрямках більший потік на одиницю тілесного кута, тобто більшу силу світла. Так, наприклад, застосовуючи параболічне дзеркало в прожекторах, вдається збільшити силу світла в одному напрямку в тисячі разів через значне її зменшення в усіх інших напрямках.

Світловий потік, як і потік енергії, можна вимірювати у ватах, оскільки він фактично визначає потужність випромінювання, яке падає на певну поверхню. Проте, оскільки наше око найчутливіше до випромінювання, довжина хвилі якого 555 нм (зелений колір), то встановлено, що потік оранжевих променів (λ = 610 нм) потужністю 1 Вт створює зорове відчуття такої само інтенсивності, як потік зелених променів потужністю 0,5 Вт.

Визначити універсальну залежність між ватом і люменом не вдається. Експериментально встановлено, що світловому потоку хвиль зеленого кольору в 1 лм відповідає потужність 0,0016 Вт. Для світла інших довжин хвиль співвідношення між люменом і ватом буде іншим.

У темряві ми не бачимо тіл, які нас оточують. За наявності джерела світла світловий потік, який поширюється від нього, падає на тіла, відбивається і, потрапляючи в око людини, дає змогу їх бачити. Що більший світовий потік впаде на тіло, то більшим буде і відбитий потік, тому людина чіткіше зможе бачити це тіло. Величину, яка характеризує різну видимість окремих тіл, називають освітленістю.

Освітленість Е — фотометрична величина, що визначається відношенням світлового потоку ΔΦ, який падає на малу ділянку поверхні, до площі ΔS цієї поверхні,

Одиниця освітленості — люкс, 1 лк.

Якщо освітленість різних ділянок поверхні не однакова, треба взяти таку малу площу ΔS, щоб розподіл потоку Ф у її межах можна було вважати рівномірним. У разі нерівномірного розподілу потоку Ф на площі ΔS визначають середню освітленість цієї поверхні.

У випадку точкового джерела світла де І — сила світла, r — відстань від джерела світла до освітленої поверхні, α — кут між нормаллю до поверхні й напрямком поширення світлового променя.

Закони освітленості

1. З віддаленням джерела освітленість зменшується обернено пропорційно квадрату відстані.

2. Освітлюваність, яку створюють кілька джерел світла в деякій точці поверхні, дорівнює сумі освітленостей, створюваних кожним джерелом окремо.

Для кожного приміщення (простору) існують вироблені на практиці норми необхідної освітленості залежно від його призначення. Наприклад, для читання потрібна освітленість 50 лк. Для порівняння: Сонце в середині дня (у середніх широтах) створює освітленість порядку 105 лк, повний Місяць (у зеніті) — 0,2 лк, лампа розжарювання потужністю 100 Вт, яка висить на висоті 1 м над столом, створює на поверхні стола (під лампою) освітленість 100 лк.

Читаючи книжку, ми чітко бачимо букви на білому фоні аркуша, хоча його освітленість можна вважати скрізь однаковою. Пояснюється це тим, що білий аркуш і букви по-різному відбивають світловий потік, який падає на них.

Отже, різні ділянки поверхонь джерел світла — первинних і вторинних (аркуш паперу, що відбиває світло, можна вважати вторинним джерелом світла), які ми розглядаємо в певному напрямку, можуть значно відрізнятися своєю яскравістю.

Яскравість L — фотометрична величина, що характеризує поверхневу густину світлового потоку ΔΦ, який випромінюється світною поверхнею ΔS у заданому напрямку в тілесному куті Δω, де φ — кут між нормаллю до світної поверхні й напрямком поширення світлової хвилі.

Задача.На висоті 3 м від землі висить лампа, сила світла якої 250 кд, а на висоті 4 м — лампа із силою світла 150 кд. Відстань між лампами — 2,5 м (мал. 143). У скільки разів освітленість під першою лампою більша, ніж під другою?

2.Явища інтерференції і дифракції світла.

Історія відкриття інтерференції.

Вперше явище інтерференції було незалежно виявлено Робертом Бойлем (1627—1691) і Робертом Гуком (1635—1703). Вони спостерігали виникнення різнобарвного забарвлення тонких плівок (інтерференційних смуг), подібних до олійних або бензинових плям на поверхні води.

Інтерференція світла — перерозподіл інтенсивності світла в результаті накладення (суперпозиції) декількох світлових хвиль. Це явище супроводжується чергуванням в просторі максимумів і мінімумів інтенсивності. Її розподіл називається інтерференційною картиною.

Інтерференція хвиль — це явище, яке виникає в результаті процесу накладання декількох когерентних хвиль і полягає у збільшенні амплітуди коливань в одних ділянках простору і зменшенні — в інших.

Когерентні хвилі – це хвилі у яких однакова частота і фаза коливань з часом не змінюється.

Дослід Томаса Юнга.

У 1801 році Томас Юнг (1773-1829), ввівши «Принцип суперпозиції», першим пояснив явище інтерференції світла, запропонував термін «інтерференція» (1803) і пояснив «квітчастість» тонких плівок. Він також виконав перший демонстраційний експеримент зі спостереження інтерференції світла, отримавши інтерференцію від двох щілинних джерел світла (1802). Пізніше цей дослід Юнга став класичним.

Умови максимума та мінімума інтерференції.

Максимум інтенсивності світла в інтерференційній картині спостерігається в тих місцях, для яких оптична різниця ходу інтерферуючих променів дорівнює парному числу півхвиль:

Δ = ±kλ  (k = 0,1,2,…).

Мінімум інтенсивності спостерігається при оптичній різниці ходу, що дорівнює непарному числу на півхвиль:

Δ = ±(2k+1)λ/2.

Інтерференція світла в тонких плівках

Отримати стійку інтерференційну картину для світла від двох розділених у просторі і незалежних один від одного джерел світла не так легко, як для джерел хвиль на воді. Атоми випромінюють світло цугами дуже малої тривалості, і когерентність порушується. Порівняно просто таку картину можна отримати, зробивши так, щоб інтерферували хвилі одного і того ж цуга.

Так, інтерференція виникає при розділенні початкового променю світла на два промені при його проходженні через тонку плівку, наприклад плівку, що наносять на поверхню лінз у просвітленних об'єктивах.

Прояви інтерференції в природі:

•                       Веселкові кольори тонких плівок

 

•                       Просвітлення оптики

Поліпшення якості лінз за рахунок зменшення втрат інтенсивності при відбиванні називається просвітленням оптики. 

Для просвітлення оптики використовуються тонкі плівки, матеріал яких підбирається так, щоб при нанесенні їх на поверхню лінзи для відбитих променів виконувалася умова мінімуму інтенсивності. Для просвітлення оптики показник заломлення плівки повинен бути трохи меншим за показник заломлення того матеріалу з якого виготовлено лінзу.

Отримання інтерференційної картини:

Кільця Ньютона

Іншим методом одержання стійкої інтерференційної картини для світла служить використання повітряних прошарків, засноване на однаковій різниці ходу двох частин хвилі: однієї − відразу відбитої від внутрішньої поверхні лінзи і інший − що пройшла повітряний прошарок під нею і лише потім відбилася. Її можна отримати, якщо покласти плосковипуклу лінзу на скляну пластину опуклістю вниз. При освітленні лінзи зверху монохроматичним світлом утворюється темна пляма в місці достатньо щільного зіткнення лінзи і пластинки, оточене чергуючимися темними і світлими концентричними кільцями різної інтенсивності. Темні кільця відповідають інтерференційним мінімумам, а світлі − максимумам, одночасно темні і світлі кільця є ізолініями рівної товщини повітряного прошарку. Вимірявши радіус світлого або темного кільця і визначивши його порядковий номер від центру, можна визначити довжину хвилі монохроматичного світла. Чим крутіше поверхня лінзи, особливо ближче до країв, тим менше відстань між сусідніми світлими або темними кільцями.

Застосування інтерференції

Сфери застосування інтерференції:

•                       наука (наприклад, в оптиці для дослідження структури спектрів, для визначення кутових розмірів небесних тіл),
•                       техніка (для поліпшення оптичних приладів шляхом просвітлення їх об’єктивів, для контролю якості шліфовки поверхонь деталей та ін.).

Інтерферометр — прилад, у якому використовують інтерференцію для вимірювання довжини хвиль світла, показників заломлення прозорих середовищ тощо.

Інтерферо́метр Майкельсо́на — оптичний прилад, призначений для отримання і аналізу інтерференційної картини від когерентних світлових променів, що пройшли різний шлях. Прилад носить ім'я свого винахідника -Альберта Майкельсона.

 

Відкриття явища дифракції

Вікриття дифракції світла відбулося в 17 ст. італійським фізиком і астрономом Ф.Грімальді, а її пояснення було проведене на початку 19 ст. французьким фізиком О. Френелем, що стало одним з основних доказів хвильової природи світла.

Дифракція та її практичне застосування

Дифра́кція — явище, що виникає при поширенні хвиль (наприклад,світлових і звукових хвиль). Суть цього явища полягає в тому, що хвиля здатна оминати перешкоди. Це зумовлює те, що хвильовий рух спостерігається в області за перешкодою, куди хвиля не може потрапити прямо. Явище пояснюється інтерференцією хвиль на краях непрозорих об'єктів або неоднорідностях між різними середовищами на шляху поширення хвилі. Прикладом може бути виникнення кольорових світлових смуг в області тіні від краю непрозорого екрана.

Дифракція добре проявляється тоді, коли розмір перешкоди на шляху хвилі порівняний з її довжиною або менший.

Дифракція акустична — відхилення від прямолінійого поширення звукових хвиль.

Дифракційна ґратка (пристрій для вивчення закономірностей дифракції, дослідження спектрів і вимірювання довжин світлових хвиль) являє собою сукупність великого числа вузьких щілин однакової ширини, відокремлених непрозорими проміжками теж однакової ширини. (Принцип виготовлення сучасних ґраток такий: на загальному непрозорому фоні скла, вкритого тонким шаром алюмінію, мікрорізцем прорізують вузькі «вікна».)

Різні за якістю дифракційні ґратки мають від 300 до 1200 штрихів на міліметр (скла чи алюмінієвого покриття). Сума ширини прозорої ділянки ґратки і ширини непрозорої ділянки — це стала дифракційної ґратки d.

Формула дифракційної ґратки  dsinφ=kλ,    де k=1,2,3… — ціле число.

Дифракція в природі

Дифракція звукових хвиль часто спостерігається в повсякденному житті, оскільки ми чуємо звуки, які долинають до нас з-за перешкод. Легко спостерігати огинання невеликих перешкод хвилями на воді.

Дифракція і рефракція хвиль на воді

Наукові й технічні використання явища дифракції — різноманітні. Дифракційні ґратки служать для розкладу світла в спектр й для створення дзеркал (наприклад,для напівпровідникових лазерів). Дифракція рентгенівських променів, електронів та нейтронів використовується для дослідження структури кристалічних твердих тіл.

Водночас дифракція накладає обмеження на роздільну здатність оптичних приладів, наприклад, мікроскопів. Об'єкти, розміри яких менші за довжину хвилі видимого світла (400 760 нм) неможливо розглянути в оптичний мікроскоп. Схоже обмеження діє в методілітографії, який широко використовується в напівпровідниковій промисловості при виробництві інтегральних схем. Тому доводиться використовувати джерела світла в ультрафіолетовій області спектру.

3.Дисперсія і поляризація світла.

Досліди Ньютона з розкладання білого світла в спектр. 1666 року Ісаак Ньютон направив тонкий пучок сонячного світла на скляну призму. За призмою спостерігалося розкладання білого світла в кольоровий спектр: сім основних кольорів — червоний, жовтогарячий, жовтий, зелений, блакитний, синій і фіолетовий плавно переходили один в одний. Найменшого відхилення від первісного напрямку падіння зазнають червоні промені, а найбільшого — фіолетові.

 

Ньютон дійшов висновку, що біле світло має складну структуру, тобто біле світло містить електромагнітні хвилі різних частот.

Другий важливий висновок Ньютона полягає в тому, що світло різних кольорів характеризується різними показниками заломлення в певному середовищі.

Це означає, що абсолютний показник заломлення nф для фіолетових кольорів більший, ніж для червоного nч.

Дисперсія світла. Відповідно до хвильової теорії кольори світла визначаються частотою електромагнітної хвилі, якою є світло.

Найменшу частоту має червоний колір, найбільшу — фіолетовий.

Різним швидкостям поширення хвиль відповідають різні абсолютні показники заломлення середовища (n = c / λ).

Показник n тим більший, чим менша довжина світлової хвилі. Явище розкладання світла в спектр, обумовлене залежністю абсолютного показника заломлення середовища від частоти світлової хвилі, називають дисперсією світла.

Спектр — послідовність монохроматичних випромінювань, кожному з яких відповідає певна довжина хвилі електромагнітного коливання.

Спектральна сполука випромінювання різних речовин досить різноманітна. Проте, всі спектри можна розділити на три типи:

Безперервні спектри.

Лінійчаті спектри.

Смугасті спектри.

 За стосування дисперсії світла

Спектральні апарати. Спектральний аналіз — метод визначення хімічного складу речовини за її спектром. Для одержання та дослідження спектрів використовують спектральні апарати. Найбільш прості спектральні прилади — призма та дифракційна решітка. Більш точні — спектроскоп і спектрограф.

Спектроскопом називається прилад, за допомогою якого візуально досліджується спектральний склад світла, що випромінюється деяким джерелом.

 

Якщо реєстрація спектра відбувається на фотопластинці, то прилад називається

спектрографом.

 

 

Поляризація хвиль. На початку XIX століття, коли Т. Юнг і О. Френель розвивали хвильову теорію світла, природа світлових хвиль була невідома. На першому етапі передбачалося, що світло являє собою поздовжні хвилі. Однак поступово накопичувалися експериментальні факти, які свідчили на користь поперечності світлових хвиль.

Під час поширення поперечних хвиль у просторі, коливання можуть відбуватись не обов’язково в одній площині. Як правило коливання відбуваються у різних площинах. Для практичного застосування буває необхідно виділити у хвилі коливання, які відбуваються лише в одній площині. Це явище і отримало назву поляризації.

Поляризація – виділення у поперечній хвилі коливань лише в одній площині (або лише у визначених площинах).

Пристрій призначений для виділення у поперечній хвилі лише однієї площини коливань називається поляризатором.

Якщо за поляризатором ми поставимо ще один такий самий ящик з такою ж вертикальною щілиною (який називають аналізатором) то хвиля безперешкодно пройде через нього. Аналізатор призначений для перевірки того, яка саме площина коливань виділена. Якщо ж аналізатор розмістити так, щоб щілина була горизонтальна, то абсолютно всі поперечні коливання будуть погашені .

 За стосування поляризації світла:

•                        поляризатори у фотографії (коли обертати поляризатор, обертається площина поляризації, тим самим посилюючи або послабляючи ефект пригнічення відбиття);
•                        поляроїди на автотранспорті (для захисту водіїв від осліплення світлом фар зустрічних автомобілів);
•                        дія сахаромерів (дозволяють вимірювати концентрацію цукру в речовині);
•                        поляризоване скло в рідкокристалічних індикаторах і екранах (перегляд стереоскопічних зображень і фільмів).

4 Оптичні прилади та їх застосування

Здобувачі освіти  творчої групи підготували нам повідомлення по темі: «Оптичні прилади та їх застосування». Давайте послухаємо їх виступи.

 

Оптичні прилади —  прилади, будова яких ґрунтується на законах поширення світла або на використанні властивостей світла.

Граничний кут зору – це найменший кут зору, за якого людина ще розрізняє дві точки роздільно, приблизно дорівнює 1/60 градуса. На практиці прийнято вважати, що кутова роздільність ока лежить в межах 2-4 кутові мінути.

Для збільшення кута зору використовують оптичні прилади. За своїм призначенням оптичні прилади можна поділити на дві великі групи:

І. Оптичні системи, призначені для спостереження далеких предметів, називаються телескопічними системами, або зоровими трубами. До телескопічних систем відносяться системи геодезичних приладів (теодоліт, нівелір та ін.), астрономічних труб, спостережних приладів (біноклі, перископи, далекоміри і таке інше). Телескопічні системи працюють спільно з оком спостерігача, тому їх ще називають зоровими трубами. Ці прилади “наближають” предмети спостереження.

ІІ. Оптичні системи, призначені для спостереження дуже дрібних предметів (лупа, мікроскоп), що надають можливість “збільшити” предмети спостереження.

Телескоп.

Перед нами, телескоп.

А на екрані ви бачите три типи оптичних телескопів (слайди 2, 3). (Пояснюю відмінності оптичних схем)

Призначення телескопа:

1.                    Збирати слабке випромінювання від небесних світил на приймальний пристрій (око, фотографічну пластинку, спектрограф та ін.), що дозволяє побачити тьмяні об’єкти;
2.                    Будувати у фокальній площині зображення об’єкта або певної ділянки неба, що дозволяє зафіксувати його;
3.                    Розрізняти об’єкти, розташовані на близькій кутовій відстані один від одного, що зливаються під час спостережень неозброєним оком.

Основною оптичною складовою телескопа є об’єктив (слайд 4), який збирає світло й будує зображення об’єкта або ділянки неба. Об’єктив з’єднується з приймальним пристроєм трубою (тубусом). Якщо приймачем світла є око (під час візуальних спостережень), то обов’язково потрібен окуляр (слайд 5), в який розглядається зображення, побудоване об’єктивом.

Збільшення кутового розміру об’єкта, що спостерігається, у телескопі є відношенням фокусної відстані об’єктива до фокусної відстані окуляра. Отже, чим більшою є фокусна відстань об’єктива, тим більшим є збільшення.

Фокусна відстань об’єктива телескопа може досягати десятків метрів. Такі телескопи “наближають” у тисячі разів. 

Незабаром в курсі астрономії ми будемо проводити спостереження Сонця і його плям, використовуючи наш шкільний рефрактор.

Біноклі, підзорні труби, перископи, теодоліти, снайперські та артилерійські оптичні системи – близькі «родичі» телескопів. (слайд 6)

Фотоапарат.

Фотокамера — прилад для фіксації оптичного зображення на спеціальному носії (зазвичай фотоплівці або у формі комп'ютерного файлу на електронній карті пам'яті).

Основним принципом роботи фотокамери є проекція оптичного зображення заданої інтенсивності світлового потоку на реєструючий елемент впродовж заданого інтервалу часу. Комбінація інтенсивності і часу зветься експозиція. При цьому інтервал часу експонування (реєстрації) зображення на реєстраторі називають витримкою.

Оскільки у роботі фотокамери можна виділити два принципово окремих процеси — створення і фіксацію зображення, класифікацію фотокамер доцільно проводити саме за цими двома критеріями — тобто за типом оптичної схеми і за типом носія зображення.

Ви бачите 3 моїх фотоапарати: «Смєна», «Київ» та «Любитель». Вони плівкові. Фотографією я займався понад 20 років, почавши в одинадцятирічному віці.

На екрані до вашої уваги різні типи фотоапаратів та принцип будови (слайди 7-9).

(Даю характеристику шкальних, далекомірних та дзеркальних фотоапаратів).

Особливої уваги заслуговують об’єктиви фотоапаратів.  (слайд 10)

(Даю характеристику об’єктивів сталої та змінної фокусної відстані).

В сучасних професійних фотоапартах використовуються дуже складні за будовою об’єктиви, в яких застосовуються велика кількість лінз різного типу, з різних марок скла і не тільки, асферичні лінзи і навіть малодисперсіні лінзи зі спеціально вирощених кристалів. Приклад – обєктив  Canon EF 14/2.8L II USM. (слайд 11)

(слайд 12) Ви спитаєте, до чого тут цей кінофрагмент?

Хочу застерегти вас від спокуси розібрати такий об’єктив. Скласти його без застосування спеціального дорогого обладнання і при цьому не погіршити його кондиції – подія дуже мало ймовірна. А вартість його може становити не менше 90% вартості фотоапарата.

Хоча до винайдення об’єктивів люди теж займалися фотографією, використовуючи камеру-обскуру. Модель її – ось, до вашої уваги. Виготовити її під силу кожному. А на екрані(слайд 13) приклад її застосування в минулому. (Пояснюю зміст слайду)

Що ж до кіно- та відеокамер, створення рухомого зображення – суто технічне питання, не пов’язане з оптикою.

Діа- , кіно-, відеопроєктор, фотозбільшувач, образно кажучи, – фотоапарат «навпаки» (слайд 14).

(Пояснюю принцип дії названих приладів)

Мікроскоп.

Діти, я роздаю вам картки з деякою схемою. Ви маєте 1 хв. для роздумів, принцип дії якого оптичного приладу перед вашими очима. (слайд 15)  То що ж тут показано?

Це схема роботи мікроскопу, ось він, на столі. Саме так ми можемо побачити дуже маленькі об’єкти.

Як вам відомо, лупа – найпростіший прилад для спостереження малих об’єктів. Проста лупа являє собою короткофокусну збиральну лінзу. Предмет розташовують між лінзою і фокусом ближче до фокуса. Її збільшення може лежати у межах від 2^х до 10^х-15^х.

Мікроскоп (слайд 16) – більш складна оптична система з великим кутовим збільшенням. Мікроскоп складається з двох збиральних лінзових систем: короткофокусного об’єктива та окуляра, відокремлених значним, в порівнянні з їх фокусними відстанями, проміжком.

Що ж ми бачимо в мікроскопі? Підсвідомо ми вважаємо, що чітке зображення виникає на екрані. Або на сітківці ока. Або на якійсь поверхні (сайт  phet.colorado.edu). А якщо екран відсутній? Зображення виникає там, де є перетин променів, що вийшли з однієї точки, а потім в результаті заломлення знову пройшли через спільну точку.

Скажіть, де саме виникає зображення y’? Між окуляром і його фокусом F₂. Тобто окуляр будує уявне зображення аналогічно до того, як це відбувається в лупі!

Об’єктиви і окуляри мікроскопів для усунення різноманітних аберацій складаються з декількох лінз (іноді більше десяти). Кожний мікроскоп комплектується декількома об’єктивами і окулярами, заміною яких можна отримати потрібне збільшення. Максимальне збільшення оптичного мікроскопа обмежується хвильовою природою світла і складає 1500^х-2000^х, а обчислюється добутком лінійних збільшень об’єктиву та окуляру.

Спектроскоп. 

Ще одне з багатьох застосувань оптичних приладів – спектроскоп, зразок якого ви бачите на

столі. Його призначення – розкладання білого світла або світла від будь-якого джерела в спектр для вивчення його характеристик. Як правило, складається з двох труб і призми. (слайд 17).

Діти, поглянувши на оптичну схему, хто з вас може сказати, яка фокусна відстань лінзи коліматора?

Оскільки після лінзи промені йдуть паралельним пучком, то щілина коліматора розміщена саме в фокусі лінзи. Вимірявши довжину труби, можна дізнатися фокусну відстань лінзи.

(слайд 18) А тут ви знову бачите астрономічну оптику: телескоп + спектроскоп. Як ви пам’ятаєте, назва хімічного елементу гелію походить від «геліос» - давньо-грецької назви Сонця. Цю назву газ отримав 150 років тому. А за 2 роки до того його виявили в атмосфері Сонця саме методом спектрального аналізу.

 

2.      Вчимося розв’язувати задачі.

 

Задача 1. Для видимого світла кут заломлення світлових променів на межі розділу двох середовищ зменшується із збільшенням довжини хвилі випромінювання. Хід променів для трьох кольорів: зеленого, червоного та фіолетового  при

падінні білого світла з повітря на границю поділу показано на рисунку. Які кольори відповідають цифрам?

Розв’язання.

Оскільки кут заломлення зменшується із збільшенням довжини хвилі випромінювання, а фіолетове світло має найменшу довжину хвилі, отримуємо, що кут заломлення для нього максимальний, промінь менше всього заломлюється (1 — фіолетовий). Червоний промінь має найбільшу довжину хвилі, а отже кут заломлення для нього мінімальний (3 — червоний). залишається 2 — зелений.

 

Задача 2. Світлова хвиля довжиною хвилі 600 нм поширюється в повітрі. Яка довжина хвилі у воді?

 

Узагальнення та систематизація знань

Здобувачі освіти виконують тести на платформі На урок

Тест 1.

1.Хто з вчених першим пояснив явище інтерференції?

А . Гюйгенс;    Б.Ньютон;    В.   Юнг;     Г. Френель.

2. Який промінь поширюється у воді з більшою швидкістю?

А. Зелений;  Б. Червоний;  В. Блакитний; Г. Оранжевий.

3. Яке слово не бере участі в описі явища поляризації?

А.  Природний;  Б. Когерентний; В. Поперечна;  Г. Поляризований.

4. Для перевірки якості обробки поверхні використовують явище:

А. Інтерференції;   Б. Дисперсії;    В. Дифракції;     Г. Поляризації.

5.Який параметр не змінюється за переходу променя  з повітря у воду?

А. Частота;   Б. Швидкість;  В.Довжина хвилі;  Г. Напрямок поширення

6. Яке явище використано для ,,просвітлення’’оптики в пристрої на малюнку?

А.Інтерференція;   Б. Дифракція;     В.Дисперсія;       Г.Поляризація.

7.Завдяки якому явищу ми бачимо об’єкти?

А.Відбивання світла;  Б.Дифракції ;  В.Інтерференції;  Г. Поляризації.

8.З якою швидкістю поширюється світло у вакуумі?

А.300 000 км/с;      Б.30 м/с;     В. 300 000м/с;  Г. 3000 000м/с

9.Яким має бути кут падіння світлового променя,щоб відбитий промінь утворював із падаючим кут 50⁰?

А.20°;      Б.25°;        В.50°;          Г.100°.

10.Оптична сила лінзи дорівнює 2 дптр. Чому дорівнює фокусна відстань цієї лінзи?

А.0,5см;       Б.2см;        В.0,5м;       Г.2м.

Тест  2.

1.Хто з учених першим  відкрив явище дисперсії?

А.Гюйгенс;     Б. Ньютон;      В. Юнг;      Г. Френель.

2.Які явища безумовно доводять хвильову природу світла?

А.Поляризація і дисперсія;           Б.Тільки інтерференція;

В.Тільки поляризація;                  Г.Інтерференція і дифракція.

3.Як зміниться швидкість світлового променя за переходу з повітря у скло?

А.Зменшиться у 1,6 разів;                      Б. Не зміниться;

 В. Збільшиться у 1,6 разів;                    Г. Зменшиться у 2 рази.

4.У якому монохроматичному світлі радіус кілець Ньютона буде меншим?

А. Оранжевому;  Б.Зеленому;  В.Фіолетовому;  Г. Блакитному.

5.Обєкт якого розміру неможливо роздивитись під мікроскопом?

А. 1мкм; Б. 800нм   В.400нм;  Г. 5мм.

6.За допомогою збиральної лінзи одержали зображення світної точки. Чому дорівнює фокусна відстань лінзи, якщо d=0,5м,f=2м?

А.2,5м;     Б.1,5м;        В.0,5м;       Г.0.4м.

7.За допомогою якого явища можна пояснити утворення веселки?

А.Поляризації;      Б.Інтерференції;       В.Дисперсії;     Г.Дифракції.

8.З  якою швидкістю поширюється світло у вакуумі?

А.300 000 000м/с;    Б.3000км/с;    В.3000 000м/с;   Г. 300м/с.

9.Яким має бути кут падіння світлового променя, щоб відбитий промінь утворював із падаючим 70°?

А. 50°;     Б. 35°;      В. 85°;        Г. 90°.

10.Яке явище використовують для ,,просвітлення’’ оптики в пристрої на малюнку?

А. Поляризація;  Б.Інтерференція;   В. Дисперсія;    Г.Дифракція.

 

7. Рефлексія. Підведення підсумків.

Дайте відповіді на рефлексивні запитання

1.                    Що ми робили на занятті?
2.                    Чи досягли поставленої мети?
3.                    Чи сподобалось вам сьогоднішнє лекційне заняття?
4.                    Що саме сподобалось?

8. Домашнє завдання.

Дати відповідь на задачу з поясненнм

Задача 1. Чому в холодну погоду багато тварин сплять, згорнувшись у клубочок? (Згорнувшись, тварина зменшує поверхню випромінювання і не переохолоджується).

Задача 2. Чому у людей, які живуть у жаркому кліматі, колір шкіри темніший, ніж у людей, які живуть у помірному кліматі? Чому на південних широтах живуть бурі ведмеді, а на північних – білі? (Чорна поверхня краще випромінює тепло.)

Задача 3. На кольорових фотознімках, зроблених із спалахом, зіниці очей людей часто виходять червоними. Це відбувається, якщо їх розмір у момент зйомки достатньо великий. Тоді значна кількість світла проникає в очне яблуко і відображається від його насичених кров'ю внутрішніх тканин. Як бути?