Урок фізики для 11 класу на тему "Побудова зображень, одержаних за допомогою лінз"

                                                            Урок (11 клас)                            

Тема: Побудова зображень, одержаних за допомогою лінз.

Мета:

навчальна: формувати в учнів цілісне уявлення про лінзи, фізичні характеристики, види та застосування лінз; вміння будувати зображення предметів у збиральних і розсіювальних лінзах та визначати їх властивості;

розвиваюча: розвивати образне та логічне мислення, творчу уяву, уважність, уміння аналізувати оптичні явища;

виховна: виховувати здатність долати труднощі; інтерес до вивчення фізики; формувати науковий світогляд.

Обладнання: мультимедійна презентація до теми уроку, комп`ютери (ноутбуки), проєктор.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

Словник жестовою мовою:  https://youtu.be/2lEgpMuynRU 

Словник:

Лінза — прозоре тіло, обмежене з двох боків сферичними поверхнями, або з одного боку сферичною, а з другого — плоскою поверхнею.

Якщо товщина лінзи d в багато разів менша від радіусів сферичних поверхонь, що обмежують лінзу, таку лінзу називають тонкою.

Опукла лінза – лінза, товщина якої посередині більша, ніж біля країв.

Увігнута лінза – лінза, товщина якої посередині менша, ніж біля країв.

Оптичний центр лінзи — точка О, що лежить на головній оптичній осі в центрі лінзи.

Головна оптична вісь — пряма О₁О₂, яка проходить через центри сферичних поверхонь, що обмежують лінзу

Точку F, у якій перетинаються заломлені промені, називають дійсним фокусом лінзи.

Точку F, у якій перетинаються продовження заломлених променів, називають уявним фокусом лінзи.

Відстань від оптичного центра лінзи до фокуса називають фокусною відстанню лінзи.

Оптична сила лінзи — це фізична величина, що обернена до фокусної відстані й характеризує заломлювані властивості лінзи.

Структура уроку

І. Організаційний етап.

ІІ. Актуалізація опорних знань. Перевірка домашнього завдання.

ІІІ. Мотивація навчальної діяльності. Оголошення теми, мети уроку.

IV. Вивчення нового матеріалу

• Лінза. Тонка лінза.
• Види лінз.
• Характеристики лінзи.
• Фокус та фокусна відстань лінзи.
• Оптична сила лінзи.
• Отримання зображень за допомогою лінзи.

V. Закріплення нового матеріалу.

VI. Підбиття підсумків уроку. Рефлексія.

Хід уроку

І. Організаційний етап

Вітання

II. Актуалізація опорних знань

1. Що таке світловий промінь?
2. Які досліди підтверджують явище заломлення світла на межі поділу двох середовищ?
3. Сформулюйте закони заломлення світла.
4. У чому причина заломлення світла?

ІІІ. Мотивація навчальної діяльності.

    У наш час ніхто не замислюється над тим, що саме застосування лінз суттєво пришвидшило розвиток цивілізації людей. За допомогою лінз вдалося «проникнути» в таємниці мікросвіту та Всесвіту. Лінзи дали можливість побачити невидимі неозброєним оком об’єкти, що перебувають на великій відстані, а також фіксувати візуальну інформацію за допомогою фото- та відео.

Оголошення теми, мети уроку

    Бінокль, окуляри, підзорна труба, телескоп, мікроскоп, фотоапарат… Що об`єднує всі ці пристрої? Де ними можна користуватися і з якою метою?

   Всі ці пристрої об’єднує лінза. Що таке лінза, які існують види лінз, про їх властивості ви дізнаєтеся на сьогоднішньому уроці. Тема уроку «Побудова зображень, одержаних за допомогою лінз».

ІV. Вивчення нового матеріалу

Лінза. Тонка лінза

    Лінза — прозоре тіло, обмежене з двох боків сферичними поверхнями, або з одного боку сферичною, а з другого — плоскою поверхнею.

     Якщо товщина лінзи d в багато разів менша від радіусів сферичних поверхонь, що обмежують лінзу, таку лінзу називають тонкою.

    Далі, говорячи про лінзу, ми матимемо на увазі тонку лінзу. Для тонкої лінзи можна вважати, що вся лінза лежить в одній площині.

   За формою лінзи поділяють на опуклі — лінзи, що посередині товщі, ніж біля країв (мал. а), та увігнуті — лінзи, що посередині тонші (мал.  б).

Види лінз

• Опуклі
• Увігнуті
• Збиральні
• Розсіювальні

Опукла лінза – лінза, товщина якої посередині більша, ніж біля країв.

а – вигляд

б – різні опуклі лінзи в розрізі.

Увігнута лінза – лінза, товщина якої посередині менша, ніж біля країв.

а – вигляд

б – різні увігнуті лінзи в розрізі.

Характеристики лінзи

Для характеристики лінз введені такі поняття.

Головна оптична вісь — пряма О₁О₂, яка проходить через центри сферичних поверхонь, що обмежують лінзу

Оптичний центр лінзи — точка О, що лежить на головній оптичній осі в центрі лінзи. Промінь світла, що проходить через оптичний центр лінзи, не змінює свого напрямку.

Характеристики лінз: а — збиральної; б — розсіювальної

О₁О₂ – головна оптична вісь лінзи;

О – оптичний центр лінзи;

R₁R₂ – радіуси сферичних поверхонь, які обмежують лінзу.

    Чим меншими є радіуси R сферичних поверхонь, що обмежують лінзу, тим сильніше ця лінза заломлює світло, отже, тим менша її фокусна відстань F

Збиральна лінза

   Лінза є збиральною, якщо паралельні промені, пройшовши крізь неї, йдуть збіжним пучком.

  Точку F, у якій при цьому перетинаються заломлені промені, називають дійсним фокусом лінзи.

   Лінза є розсіювальною, якщо паралельні промені, пройшовши крізь неї, йдуть розбіжним пучком.

   Точку F, у якій при цьому перетинаються продовженням заломлених променів, називають уявним фокусом лінзи.

Повітряні лінзи у воді

      Одна й та сама лінза може бути як збиральною, так і розсіювальною. Наприклад, скляна двоопукла лінза в повітрі є збиральною, а якщо її занурити в рідину, що має абсолютний показник заломлення більший, ніж у скла, то лінза буде розсіювальною.

     Якщо оптична густина середовища більша за оптичну густину матеріалу лінзи, то опукла лінза стає розсіювальною, а увігнута – збиральною.

     Кожна лінза має два фокуси, розташовані на однаковій відстані від оптичного центра лінза.

     Відстань від оптичного центра лінзи до фокуса називають фокусною відстанню лінзи.

    Фокусну відстань збиральної лінзи домовилися вважати додатною ( F > 0), а розсіювальної — від’ємною ( F < 0).

    Більш опукла лінза сильніше заломлює промені, отже, вона має меншу фокусну відстань.

 [F] = 1 м

Оптична сила лінзи

   Фізичну величину, яка характеризує заломлюючі властивості лінзи та є оберненою до її фокусної відстані, називають оптичною силою лінзи.

   Оптична сила лінзи — це фізична величина, що обернена до фокусної відстані й характеризує заломлювані властивості лінзи. Оптичну силу лінзи позначають символом D, та визначають за формулою:

Одиниця оптичної сили лінзи -  діоптрія.

     Якщо лінза збиральна, то її оптична сила є додатною (D > 0). Оптична сила розсіювальної лінзи — від’ємна ( D < 0).

[D] = 1 дптр = 1/м = 1 м^-1

1 діоптрія – це оптична сила лінзи, фокусна відстань якої дорівнює 1 м.

Отримання зображень за допомогою лінзи.

     Будь-який предмет можна уявити як сукупність точок. Кожна точка предмета світиться власним або відбитим світлом і випускає промені в усіх напрямках. Якщо промені, що виходять зі світної точки, після заломлення в лінзі перетинаються, то точка перетину і є зображенням світної точки. Якщо після заломлення в лінзі перетинаються дійсні промені, то отримане зображення називають дійсним. Якщо промені, що йдуть від світної точки, після заломлення в лінзі розбігаються, то перетинатися можуть лише їхні уявні продовження, і таке зображення називають уявним.

   Зображення світної точки — це точка перетину заломлених у лінзі променів (або уявних продовжень променів), що виходять зі світної точки.

   Для побудови зображення світної точки з усієї сукупності світлових променів, що з неї виходять, використовують такі:

промінь, що проходить через оптичний центр лінзи (цей промінь не заломлюється й не змінює свого напрямку);

промінь, що йде до лінзи паралельно головній оптичній осі (після заломлення в збиральній лінзі цей промінь проходить через фокус, а у випадку розсіювальної лінзи цей промінь після заломлення в лінзі буде мати такий напрямок, нібито він виходить з фокуса);

промінь, що проходить через фокус на збиральну лінзу (згідно з властивістю оборотності променів, після заломлення в лінзі цей промінь іде паралельно головній оптичній осі).

     На малюнку показано зразок побудови зображення предмета, отриманого за допомогою збиральної лінзи.

     Збиральна лінза на малюнках схематично зображується у вигляді двосторонньої стрілки. На малюнку необхідно показати оптичний центр лінзи, головну оптичну вісь, фокуси F по обидва боки від лінзи.

     Предмет найчастіше зображають у вигляді стрілки.

     Для побудови зображення верхньої точки В предмета застосуємо два промені (надалі при побудові завжди будемо використовувати саме два промені). Перший промінь виходить з точки В і, не заломлюючись, проходить через оптичний центр лінзи. Другий промінь проводимо з точки В паралельно головній оптичній осі до лінзи. Після лінзи промінь проходить через фокус до перетину з першим променем. Точка перетину В₁ і є зображенням верхньої точки предмета.

Побудова зображення предмета, отриманого збиральною лінзою

    Оскільки предмет розташовано так, що його нижня точка А міститься на головній оптичній осі, то її зображення також буде міститись на головній оптичній осі. Для цього необхідно опустити перпендикуляр з отриманої точки В₁ на головну оптичну вісь. Як видно з побудови, отримане зображення є зменшеним і перевернутим.

     Як і в першому випадку, починаємо з променя, що виходить з верхньої точки предмета і проходить через оптичний центр лінзи.

     Другий промінь проводимо з верхньої точки предмета до лінзи паралельно головній оптичній осі. Розсіювальна лінза заломлює промені так, що після виходу з лінзи промені йдуть розбіжним пучком. Тому, щоб відобразити подальший напрямок другого променя, необхідно спочатку побудувати уявний промінь (пунктирна лінія) від фокуса лінзи, що міститься по один бік з предметом, до точки на лінзі, куди падає даний промінь, а після лінзи — продовжити його суцільною лінією (дійсний промінь).

      У випадку розсіювальної лінзи перетинаються не два дійсні промені, а дійсний і уявний. У такому разі отримане зображення називається уявним. Як видно з побудови, зображення предмета зменшене і пряме (не перевернуте).

      Як відомо, за допомогою однієї й тієї самої лінзи можна отримати або збільшене, або зменшене зображення предмета. Вид зображення, яке дає збиральна лінза, визначається відстанню від предмета до лінзи.

    Відстань від предмета до лінзи прийнято позначати d, а відстань від лінзи до зображення f.

    У розглянутому випадку відстань від предмета до лінзи була більшою, ніж дві фокусні відстані d > 2F. За таких умов збиральна лінза формує дійсне, зменшене та перевернуте зображення. Такий тип зображення формується, наприклад, на сітківці ока.

    Будемо поступово наближати предмет до лінзи і слідкувати, як змінюється його зображення

    У випадку, коли предмет перебуває в подвійному фокусі d = 2F, зображення дійсне, перевернуте й таких само розмірів, як і предмет.

    При 2F > d > F зображення дійсне, перевернуте й збільшене. Таке зображення дозволяє одержати проекційна апаратура на екрані.

    При d = F зображення не утворюється.

     При d < F зображення уявне, пряме і збільшене. Таке зображення можна отримати за допомогою лупи або мікроскопа.

Види зображень від збиральної лінзи

      Розглянемо зразок побудови зображення предмета, отриманого за допомогою розсіювальної лінзи.

Зверніть увагу, як позначається на малюнках розсіювальна лінза.

Побудова зображення предмета, отриманого розсіювальною лінзою

       Розсіювальна лінза завжди дає уявне, пряме й зменшене зображення. Зображення завжди міститься між лінзою та фокусом.

      У випадку розсіювальної лінзи перетинаються не два дійсні промені, а дійсний і уявний. У такому разі отримане зображення називається уявним. Як видно з побудови, зображення предмета зменшене і пряме (не перевернуте).

   Формула тонкої лінзи.

    Існує математична залежність між відстанню d від предмета до лінзи, відстанню f від зображення до лінзи та фокусною відстанню F лінзи. Ця залежність називається формулою тонкої лінзи й записується так:  =  + 

    Користуючись формулою тонкої лінзи для розв’язування задач, слід мати на увазі:

- відстань f слід брати зі знаком мінус, якщо зображення є уявним, і зі знаком плюс, коли зображення дійсне;

- фокусна відстань F збиральної лінзи є додатною, розсіювальної — від’ємною.

V. Закріплення нового матеріалу

1. Чим розсіювальна лінза відрізняється від збиральної?

2. Чому фокус розсіювальної лінзи називають уявним?

3. Що таке оптична сила лінзи? Як її визначають?

4. Які промені зручно використовувати для побудови зображення, одержуваного за допомогою лінзи?

5. Від чого залежить характер зображень, одержуваних за допомогою збиральної лінзи?

6. Які фізичні величини пов’язує формула тонкої лінзи?

7. Яких правил слід дотримуватися, застосовуючи формулу тонкої лінзи?

Приклад розв'язування задачі

Задача.

    За допомогою лінзи з фокусною відстанню 20 см на екрані одержали зображення предмета. Відстань від лінзи до зображення — 1 м. На якій відстані від лінзи міститься предмет? Яким буде зображення?

Розв’язання:

      Оскільки зображення одержано на екрані, то лінза збиральна. Виходячи з умови задачі f > 2F й аналізуючи можливі види зображень від збиральної лінзи, з’ясовуємо: предмет міститься між фокусною та подвійною фокусною відстанню. Зробимо креслення (мал.)

Значення d визначимо з формули тонкої лінзи:  =  + , враховуючи, що всі величини є додатними.

 =  - ;  = ; d = ; d=  = 0,25 м.

Відповідь: d = 0,25 м; зображення дійсне, збільшене й перевернуте.

Розв`язування задач

1. Оптична сила однієї лінзи дорівнює -2 дптр, а другої +2 дптр. Чим відрізняються ці лінзи?
2. Фокусна відстань однієї лінзи +0,5 м, а другої +1 м. Яка лінза має більшу оптичну силу?

VІ. Підбиття підсумків уроку. Рефлексія

<div style="text-align:center; font-weight:bold; font-size:16px;"> ВИКОРИСТАНІ ДЖЕРЕЛА </div>

1. Бар’яхтар В. Г., Довгий С. О., Божинова Ф. Я. Фізика. 7 клас : підручник для закладів загальної середньої освіти. — Київ : Генеза, 2020. — 256 с.
2. Ляшенко О. І., Локтєва Г. П., Савченко В. Ф. Фізика. 8 клас : підручник для закладів загальної середньої освіти. — Київ : Оріон, 2021. — 248 с.
3. Бойко В. І., Коваль О. П. Фізика. Довідник для учнів основної школи. — Харків : Ранок, 2019. — 192 с.
4. Бар’яхтар В. Г., Довгий С. О., Божинова Ф. Я. Фізика. 11 клас. Рівень стандарту : підручник для закладів загальної середньої освіти. — Київ : Генеза.
5. Навчальна програма з фізики для 11 класу закладів загальної середньої освіти (рівень стандарту) / МОН України.
6. Всеосвіта: електронний освітній ресурс для вчителів і учнів. Матеріали з теми «Оптика. Лінзи. Побудова зображень».