Урок. "Закони відбивання і заломлення світла"

Тема:Закони відбивання і заломлення світла

Мета навчальна:

вивчити явище зміни напряму світла на межі двох різних оптичних середовищ, демонструючи відбивання і заломлення світла при попаданні на межу розподілу двох середовищ, сформулювати закони відбивання і заломлення, ввести поняття відносного показника заломлення світла та абсолютного показника заломлення світла, більш оптично густого середовища.

               розвивальна:

розвивати в учнів уявлення про зміну ходу променів на межі двох середовищ, уявлення про особливості переходу світла в різні середовища,  пізнавальний інтерес, вміння спостерігати, аналізувати фізичні явища, робити висновки, розвивати логічне мислення при розв’язуванні задач.

              виховна:

виховувати вміння поєднувати досліди з теоретичними висновками,  спостережливість, увагу, акуратність при виконанні креслень.

 

Тип уроку: демонстраційний, комбінований.

 Обладнання:

Оптичний диск, джерело світла, скляна пластина, таблиця. “Відбивання, заломлення світла”, “Визначення швидкості світла”, кодоскоп, транспортири, скляні пластинки з плоско паралельними гранями на кожну парту, збірники задач, тестові завдання.

Девіз уроку:

Напружуй нерв, напружуй мозок,

Сприймай, збагни і зрозумій…

 

ХІД УРОКУ

1.                 Організаційний момент.
2.                 Актуалізація опорних знань.

•         Сьогодні ми продовжимо подорож по країні «Світлові хвилі». Щоб потрапити  у її столицю  «Закони відбивання і заломлення світла»,  нам необхідні знання з минулої екскурсії, то ж пригадаємо їх.
•         Ми всі радіємо світловому дню, а чи знаємо ми, що таке світло?

Світло – це електромагнітні хвилі з частотою від 10 ¹² до 3*10 ¹⁶ Гц і довжиною від 0,3 мм до 10 ^-2 мкм.  

• Які види випромінювань входять до світлових хвиль?

До світлових хвиль належать інфрачервоне, видиме,  ультрафіолетове проміння.

• Яка довжина і частота видимого випромінювання?

Видиме проміння має частоту від 4*10 ¹⁴ Гц до 7,7*10 ¹⁴ Гц і довжину від 0,4 мкм до 0,77 мкм.

•    Коли ми вмикаємо вимикач, то вся кімната відразу освітлюється, здається, що світлу зовсім непотрібно часу, щоб від лампочки дійти до стін. Чи насправді це так?

Насправді це не так. Швидкість світла дуже велика приблизно   300000 км/с, але вона є скінченою величиною і вона є граничною швидкістю поширення будь-яких фізичних процесів; більшої швидкості за швидкість світла не зафіксовано.

– Кому і як вперше вдалося визначити швидкість світла?

Перші вимірювання швидкості світла були здійснені датським фізиком Олафом Ремером у 1676 р. О. Ремер розумів, що світло має дуже велику швидкість, а тому для якомога точнішого її вимірювання слід обирати такі відстані, для проходження яких світлу був би потрібен значний час.       О. Ремер як астроном добре знав розташування планет Сонячної системи, тому об’єктом дослідження обрав супутник Юпітера Іо. Цей супутник добре видно в астрономічні прилади. Рухаючись орбітою, Іо періодично зникає в тіні Юпітера, а потім знову з'являється. О. Ремер почав систематично зазначати момент виходу супутника із тіні. І щоразу помічав запізнення в його русі. Перші вимірювання було проведено тоді, коли Земля в своєму русі навколо Сонця підійшла до Юпітера найближче. Такі самі вимірювання, зроблені через кілька місяців, коли Земля віддалилася від Юпітера найбільше, несподівано показали, що супутник спізнився з виходом із тіні на 22 хв.  О. Ремер пояснив це тим, що світло від планети проходить додатковий шлях, який дорівнює діаметру орбіти Землі. Поділивши 300000000 км (діаметр орбіти Землі) на 22 хв.(час запізнення Іо). Ремер одержав швидкість дещо більшу 227000 км/с.

 За секунду світло проходить відстань більшу від земного екватора в 7,5раз, тому важко помітити час поширення світла між двома точками на Землі.

•              Хто і як першим визначив швидкість світла лабораторним методом?
•              Вперше швидкість світла в повітрі в земних умовах визначив у 1849 р. французький учений І. Фізо. Він безпосередньо виміряв час проходження світла від джерела до дзеркала і назад. З цією метою І. Фізо використав колесо із зубцями, між якими проходило світло.

 Світло від джерела S спеціальним напівпрозорим дзеркалом В спрямовувалося між двома зубцями колеса до дзеркала  М і поверталося назад, де його можна було спостерігати. Коли колесо було нерухомим, то спостерігач бачив світло незмінної інтенсивності. Коли ж колесо починали обертати, то інтенсивність світла поступово зменшувалася, а потім воно зникало зовсім. За час проходження світла до дзеркала і назад колесо поверталося на півзуба, і відбитий пучок не потрапляв в око спостерігача. Знаючи швидкість обертання зубчастого колеса, яку легко виміряти за допомогою тахометра, можна розрахувати час проходження світла до дзеркала і назад. Досліди Фізо дали значення швидкості світла близько 313 300 км/c.

• Хто і як  найбільш точно визначив швидкість світла?

Одним з найточніших був дослід, проведений у 1926 р. американським фізиком А. Майкельсоном.  На одній горі установили потужне джерело світла, восьмигранне обертове дзеркало, трубу і увігнуте (параболічне) дзеркало D1. На другій горі, відстань до якої (l = 35 373,21м) була точно виміряна, також установили увігнуте дзеркало D2. У тому випадку, коли восьмигранне дзеркало не рухалось, систему настроювали так, щоб світло від джерела відбилося від однієї грані восьмигранного дзеркала, дійшло до другої гори, відбилося від дзеркал D2 і D3, повернулося назад, упало на грань восьмигранного дзеркала, відбившись від якої і від дзеркала D1, потрапило в трубу спостерігача. При настроєній системі спостерігач в трубу бачить джерело світла.

Коли ж восьмигранне дзеркало приводили електродвигуном у швидке обертання, зображення джерела в трубі зникало. Причину цього зрозуміти не важко. За час руху світла до другої гори і назад восьмигранне дзеркало трохи поверталося, протилежна грань зміщувалась, промінь падав на цю грань під дещо іншим кутом і після відбивання не потрапляв у трубу. Збільшуючи швидкість обертання дзеркала, при певній кількості обертів n спостерігач знову бачив зображення джерела світла. Це означало, що за час проходження світлом подвійної відстані між горами 2l восьмигранне дзеркало встигало повернутися на одну восьму оберту і в положення протилежної грані ставала наступна за нею. Відбите від цієї грані світло знову потрапляло в трубу і спостерігач знову бачив джерело світла.

Знаючи відстань між горами і період обертання дзеркала, Майкельсон встановив, що с=299794км/с.

• Що називають світловим променем?

Промінь – це лінія вздовж якої поширюється світло.

• Як поширюється світло в однорідному середовищі?

В однорідному середовищі світло поширюється прямолінійно.

• Які явища спостерігаються при попаданні світла на межу розподілу двох середовищ?

При попаданні на межу розподілу двох прозорих середовищ світло частково відбивається, а частково проходить у друге середовище,  змінюючи свій напрям. (За таблицею пригадаємо назви променів і кутів.)

SО – падаючий промінь

ОS₁ – відбитий промінь

ОS₂ – заломлений промінь

NM – перпендикуляр поставлений в точку падіння променя до межі розподілу двох середовищ.

Кут утворений падаючим променем і перпендикуляром MN називається кутом падіння і позначають літерою a (альфа ). Кут утворений відбитим променем ОS₁ і тим самим перпендикуляром NM називають кутом відбивання і позначають літерою β ( бета ).

Кут між заломленим променем ОS₂ і перпендикуляром MN називається кутом заломлення і позначають літерою γ ( гамма ).

 

ІІІ. ОСНОВНА ЧАСТИНА УРОКУ

• Наші знання дають нам можливість продовжити екскурсію  і сьогодні ми відвідуємо столицю країни «Світлові хвилі» «Закони відбивання і заломлення  світла». В науковій бібліотеці столиці працювала наша  дослідницька група, сьогодні вони будуть нашими екскурсоводами по музеях столиці. Ми будемо не тільки слухачами і спостерігачами, а й активними дослідниками та занотовуватимемо основне.

1. Вивчення нового матеріалу

Закони відбивання світла

• Ми заходимо у музей  «Закони відбивання  світла». Екскурсовод Олександр.
•         Для вивчення законів відбивання скористаємося спеціальним приладом, який називається оптичним диском. На краю диска освітлювач, у центрі скляна пластина.
•  

(Учень демонструє і формулює закони відбивання світла).

Спрямуємо на скляну пластину пучок світла. Ми побачимо, що частина пучка відбилася від скла, а частина пройшла крізь нього.

Звернемо увагу на пучок світла, що падає на скло, він лежить у площині диска і відбитий промінь (показує) теж лежить у площині диска. Змінимо напрям падаючого променя, при цьому змінюється напрямок відбитого променя, але обидва вони завжди залишаються лежати  в площині диска. Так ми дослідили перший закон відбивання:

Падаючий і відбитий промені лежать в одній площині із перпендикуляром до відбиваючої поверхні проведеним у точку падіння променя.

Звернемо увагу на кут падіння  і відповідний йому кут відбивання, бачимо, що вони рівні між собою.

Отже другий закон відбивання світла: кут падіння дорівнює куту відбивання.

•         Повторимо закони відбивання світла.

(Учень читає закони відбивання)

Закони заломлення світла

• Наступний наш музей «Закони заломлення світла». Екскурсовод –  Олександра.

(Учень демонструє і коментує)

 Звернемо увагу, що при зміні напряму падаючого променя, змінюється напрям заломленого променя, але заломлений промінь лежить в тій самій площині диска, в якій лежить і падаючий промінь.

Отже, перший закон заломлення світла:

Падаючий і заломлений промені лежать в одній площині  з перпендикуляром, проведеним у точку падіння променя до площини поділу двох середовищ.

•              Чи існує зв’язок між кутом падіння і заломлення для двох даних середовищ?

Перша спроба знайти зв’язок між кутом падіння і заломлення була зроблена відомим александрійським астрономом Клавдієм Птоломеєм ще в ІІ ст. до н.е. однак результату він не отримав. Розв’язати цю проблему вдалось голландському фізику Скелліусу і незалежно від нього французькому математику і фізику Рене Декарту в XVI ст.

Цю проблему розв’яжемо і ми, тобто встановимо зв’язок між кутом падіння і кутом заломлення, спостерігаючи хід заломленого променя у скляній пластинці. Скляні пластинки для проведення досліду знаходяться в вас на партах. Скляну пластинку ставимо на аркуш паперу і накреслимо лінії вздовж її паралельних граней. До верхньої лінії проведемо відрізок під довільним кутом – це буде напрям падаючого променя. Візьмемо олівець і поставимо його біля нижньої грані так, щоб дивлячись крізь пластинку він закривав проведений нами відрізок. Точку, яку отримаємо від олівця, з’єднуємо з точкою, до якої на верхній грані провели відрізок, отриманий відрізок буде напрям заломленого променя. Проведемо перпендикуляр в точку падіння і виміряємо кут падіння а і кут заломлення γ .

Знайдемо синуси кутів падіння і заломлення за таблицями та потім їх відношення :

sin a

sin γ

 

Проаналізуємо результати:

•              Назвіть кути падіння і заломлення та чому рівне відношення їх синусів?

(Учні називають свої результати)

•              Який висновок можна зробити?

Кути падіння і відповідні їм кути заломлення різні, а відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення є стала величина.

•              Такий же результат отримали Снелліус і Декарт, вони встановили те, що і ми сьогодні: при всіх змінах кута падіння і заломлення відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення для двох даних середовищ є величина стала. Отже другий закон заломлення світла: при всіх змінах кута падіння і заломлення відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення для двох даних середовищ є величина стала. яка називається – показником заломлення другого середовища відносно першого.

n- відносний показник заломлення.

Виведення закону заломлення світла на основі принципу Гюйгенса

Виведемо закон заломлення за допомогою принципу Гюйгенса. Позна­чимо швидкість хвилі в першому середовищі через  v₁ а в другому — v ₂.

Розглянемо процес виникнення заломлення у разі падіння плоскої хвилі на плоску межу двох середовищ

Фронт падаючої хвилі утворює з поверхнею поділу кут а . Таким са­мим є й кут падіння хвилі. У момент часу t точка В фронту хвилі потра­пляє в точку В' (ВВ' = v₁· t) . Вторинне випромінювання від точки А за цей самий час поширюється на відстань АА'= v _2·t на малюнку показано фронти вторинних хвиль, які поширюються з точок А, 1,2,3. Обвідною цих хвиль є плоский фронт А'В' заломленої хвилі.

Проведемо заломлені промені в точках А й В' перпендикулярно до фронту А'В', які утворюють із перпендикулярами до межі поділу кут ß . Розглянемо прямокутні трикутники АА'В' і ABB'. У трикутни­ку АА'В' кут АВ'А' = ß. Порівнюючи вирази для гіпотенузи AB', спільної для трикутника    A А' В' і трикутника AB В' , дістаємо:

Звідки:

де п — стала величина, яка не залежить від кута падіння.

Таким чином, заломлення хвилі, під час переходу з одного середовища в інше викликано тим, що швидкості поширення хвиль у цих середови­щах різні.

Абсолютний показник заломлення світла

• У музеї «Абсолютний показник заломлення світла» екскурсоводом буде Людмила.

Показник заломлення середовища відносно вакууму називають абсолютним показником заломлення цього середовища. Він дорівнює відношенню синуса кута падіння до синуса кута заломлення при переході світлового променя з вакууму в дане середовище.

Відносний показник заломлення можна виразити через абсолютні показники заломлення п₁ і п₂ першого і другого середовища. Оскільки п₁=с/₁ і п₂=с/₂, де с- швидкість світла в вакуумі, то

Середовище з меншим абсолютним показником заломлення називають менш оптично густим середовищем. Швидкість світла в менш оптично густому середовищі більша ніж швидкість світла в більш оптично густому середовищі. Якщо світло переходить з менш оптично густого середовища в більш оптично густе, то кут заломлення менший за кут падіння, а якщо з більш оптично густого середовища в менш оптично густе, то кут заломлення більший від кута падіння.

Здебільшого доводиться розглядати перехід світла через межу повітря – тверде тіло або повітря – рідина, а не через межу вакуум-середовище. Але абсолютний показник заломлення n₂ твердої або рідкої речовини мало відрізняється від показника заломлення тієї ж речовини відносно повітря. Справді, абсолютний показник заломлення повітря для жовтого світла за нормальних умов дорівнює приблизно n₁= 1,000 292. Отже,

.

Значення показників заломлення для деяких речовин відносно повітря наведено в таблиці (дані стосуються жовтого світла)

Речовини	Показник заломлення відносно повітря
Вода (при С) Кедрова олія (при С) Сірководень (при С) Лід Кам’яна сіль Кварц Рубін Алмаз Різні сорти скла	1,33 1,52 1,63 1,31 1,54 1,54 1,76 2,42 Від 1,47 до 2,04

 

Заломлення світла пояснює цікаві явища

У музеї «Цікаві явища» екскурсоводом буде Дмитро і Наташа.

• Визначимо в скільки разів дійсна глибина водойми більша від позірної, якщо дивитися вниз по вертикалі.

Розв’язання

Побудуємо хід променів, які вийшли з точки S на дні водойми і потрапили в око спостерігача. Оскільки спостереження проводиться по вертикалі, то один з променів SА спрямуємо перпендикулярно до поверхні  води, а другий SВ — під малим кутом а до перпендикуляра    (при    великих    кутах а промені не попадуть в око). Після заломлення на поверхні води промені підуть розбіжним пучком. Вершина S₁ цього пуч­ка — уявне зображення точки S.

Кут АSВ дорівнює куту падіння а (як внутрішні різносторонні), а кут АS₁В дорівнює куту заломлення (як відповідні при пара­лельних). Прямокутні трикутники АSВ і АS₁В мають спільний катет АB, який можна подати через дійсну глибину водойми SA = Н або через позірну глибину S₁А=h:

Звідки:

Оскільки а і малі, то:

Отже,

Отже, дійсна глибина водойми більша від позірної в n=1,3 рази. Глибина водойми здається нам меншою. Про це треба пам’ятати, коли плаваємо на морі, річці чи ставку.

Екскурсовод Наташа:

- Як ми бачимо, заломлення світла пояснює  уявне зменшення глибини водойми, коли дивитися на дно через товщу води. А також заломлення світла пояснює  виникнення міражів у пустині і на морі, які виникають в наслідок заломлення світла при переході з шару гарячого повітря в шар холодного у пустелях і навпаки на морі. Внаслідок цього може створюватися враження, що корабель який знаходиться далеко в морі плаває в небі. 

8 травня 2006 року тисячі туристів і місцевих жителів спостерігали міраж, який тривав протягом чотирьох годин в Penglai біля східного побережжя Китаю в неділю. Тумани створили зображення міста, з сучасними висотними будівлями, широкими міськими вулицями і галасливими автомобілями. У місті Penglai два дні лив дощ перш, ніж відбулося це рідкісне погодне явище.

Вивчати міражі практично неможливо, оскільки вони не з'являються за замовленням і завжди оригінальні і непередбачувані. Як затверджують учені, атмосфера є, як би листковий, повітряний пиріг, який складається з шарів з різною температурою. І чим більше перепад температури, тим сильніше скривлюється хід променя світла. При цьому, немов би, утворюється гігантська, повітряна лінза, яка весь час рухається. Крім того, спостережуваний об'єкт і сама людина знаходяться усередині цієї повітряної лінзи. Тому спостерігач і бачить зображення спотвореним. Чим складніша форма атмосферних лінз, тим чудніший міраж.

- Наша екскурсія підійшла до кінця. А тепер перевіримо, як ви запам’ятали і зрозуміли почуте.

2. Закріплення нового матеріалу

Розв’язування тестів з коментуванням

 

1. На малюнку  показано світловий промінь, який падає на плоске
   дзеркало. Укажіть правильне твердження:

A. Кут падіння променя на поверхню дзеркала менший за 45°.
Б. Кут відбивання променя більший за кут падіння.

B. Відбитий промінь лежить у площині рисунка.

Г. Кут падіння променя на поверхню дзеркала менший за 30°.

 

2.    На малюнку  показано світловий промінь, який проходить межу
розділу двох прозорих середовищ. Укажіть, які з наведених тверджень правильні, а які — неправильні:

 

A. Швидкість світла в середовищі 1 менша, ніж у середовищі 2.
Б. Кут заломлення променя менший за 45° .

B. Оптична густина середовища 2 більша, ніж середовища 1.
Г. Кут падіння променя більший за 60° .

 

3.       Кут падіння променя з повітря на поверхню скла дорівнює 60^о, кут заломлення 30^о. Укажіть які з наведених тверджень правильні, а які – неправильні.

А. Падаючий, відбитий і заломлений промені не належать одній площині.

Б. Відбитий промінь перпендикулярний до заломленого.

В. Показник заломлення даного сорту скла відносно повітря менший за1,7.

Г. Швидкість світла в даному сорті скла менша за 150000км/с.

 

4.      Промінь світла падає з повітря на поверхню спокійної води. Кут падіння променя дорівнює 45^о, показник заломлення води 1,33. Вкажіть які з наведених тверджень правильні, а які - неправильні?

А. Кут заломлення у воді більший за 40^о.

Б. Кут відбивання променя дорівнює 45^о.

В. Кут заломлення променя у воді менший за 30^о.

Г. На поверхні води спостерігається як відбивання, так і заломлення світла. 

 

 

 

 

 

 

 

Розв’язування задач

Задача. На поверхню рідини падає промінь під кутом 25^о. Визначте кут заломлення променя, якщо швидкість світла в рідині 2,4·10⁵км/с.

Дано:

а= 25^о

_р=2,4·10⁵км/с=2,4·10⁸м/с

С=3·10⁸м/с

-?

Розв’язання

Використовуємо співвідношення із другого закону заломлення світла

Звідки    =

 

Відповідь: Самостійна робота (при наявності часу)

IV. Підсумок уроку

Сьогодні ми на уроці вивчили закони відбивання і заломлення світла, дізналися, що заломлення світла пояснює виникнення міражів та зменшення позірної глибини водойми.

Оцінювання знань учнів.

V. Домашнє завдання