Заломлення світла на межі поділу двох середовищ. Закон заломлення світла.

_______________                               Урок №___                                            ______________

Тема: Заломлення світла на межі поділу двох середовищ. Закон заломлення світла.

Мета: сформувати в учнів уявлення про заломлення світла та закони заломлення; розвивати логічне, самостійне, творче мислення, дослідницькі навички, здатність до самостійного творчого пошуку; розвивати вміння порівнювати, робити висновки, узагальнювати, систематизувати; сприяти вдосконаленню фізико-математичної мови учнів та пробудженню в них цікавості до фізики; формувати науковий світогляд учнів через розкриття пізнання світу, причинно-наслідкових зв'язків; виховувати працелюбність, уважність, охайність, уміння раціонально використовувати робочий час, працювати в групах, самостійно розв'язувати проблеми, ухвалювати колективне рішення.

Тип уроку: комбінований.

ХІД УРОКУ

I. ОРГАНІЗАЦІЙНИЙ МОМЕНТ

II. ВСТУПНЕ СЛОВО ВЧИТЕЛЯ (інтрига на початку уроку)

Учитель. 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? Наприкінці нашого уроку ви зможете дістати відповідь на це запитання. А для цього нам спочатку потрібно повторити матеріал попереднього уроку з подальшим вивченням нових фізичних явищ.

III. АКТУАЛІЗАЦІЯ ЗНАНЬ УЧНІВ

Бесіда за запитаннями

Учитель. На попередньому уроці ми з вами розглянули відбивання світла, закони відбивання, плоске дзеркало. Згадаймо дещо з цього.

1. Що відбувається в разі потрапляння променя на поверхню тіла? (Відбивання.)

2. Який кут називають кутом падіння променя на поверхню? (Кутом падіння променя називають кут між променем, що падає, і перпендикуляром до дзеркала, опущеним у точку падіння.)

3. Який кут називають кутом відбивання променя? (Кутом відбивання називають кут між відбитим променем і перпендикуляром до площини дзеркала.)

4. Сформулюйте закони відбивання світла. (І закон — промінь, що падає, і промінь відбитий лежать в одній площині з перпендикуляром до поверхні в точці відбивання; II закон — кут відбивання світла дорівнює куту падіння.)

5. Кут падіння променя на дзеркальну поверхню дорівнює 25°. Чому дорівнює кут відбивання цього променя? (25°.)

6. Чим відрізняється характер відбивання світла від таких тіл: а) плоске дзеркало; б) білий папір; в) чорний папір? (Віддзеркалення світла від: а) плаского дзеркала дзеркальне й дуже виразне, воно відображає понад 90% світла, що падає на нього; б) від білого паперу розсіяне й нормальне; в) від чорного паперу розсіяне й невиразне, світло в основному не відбивається, а поглинається.)

7. Чому вдень вікна будинків зовні здаються темними? (Майже всі предмети всередині будинку — аж ніяк не дзеркала. Вони поглинають майже все світло, що потрапляє у вікно.)

ІV. Вивчення нового матеріалу

Досі ми розглядали поширення світла в якомусь одному середовищі (зазвичай — у повітрі). Проте кожен із нас добре знає, що світло може переходити з одного середовища в інше: сонячне світло доходить до нас через віконне скло, освітлює дно неглибоких водоймищ тощо. Виявляється, що такі переходи світла спричиняють багато цікавих явищ.

В одному з давньогрецьких трактатів описано дослід: «Потрібно стати так, щоб плоске кільце, покладене на дно посудини, сховалося за її краєм. Потім, не змінюючи положення очей, налити в посудину воду. Світло заломиться на поверхні води, і кільце стане видимим». Такий «фокус» ви можете показати своїм друзям і зараз (див. рис. 12.1), а от пояснити його зможете тільки після вивчення цього параграфа.

Установлюємо закони заломлення світла

Проведемо дослід (рис. 12.2). На плоску поверхню прозорого скляного півциліндра, закріпленого на оптичній шайбі, спрямуємо вузький пучок світла, — світло не тільки відіб’ється від поверхні циліндра, але й частково пройде крізь скло. Отже, під час переходу з повітря в скло напрямок поширення світла змінюється.

Зміну напрямку поширення світла на межі поділу двох середовищ називають заломленням світла.

Кут γ (гамма), утворений заломленим променем і перпендикуляром до межі поділу двох середовищ, проведеним із точки падіння променя, називають кутом заломлення.

Провівши низку дослідів з оптичною шайбою, помітимо, що зі збільшенням кута падіння кут заломлення теж збільшується, а зі зменшенням кута падіння кут заломлення зменшується (рис. 12.3). Якщо ж світло падає перпендикулярно до межі поділу двох середовищ (кут падіння α = 0), напрямок поширення світла не змінюється.

Першу згадку про заломлення світла можна знайти в працях давньогрецького філософа Арістотеля (IV ст. до н. е.), який замислювався: «Чому палиця у воді здається переламаною?». А от закон, який кількісно описує заломлення світла, був установлений лише в 1621 р. голландським природознавцем Віллебрордом Снелліусом (1580-1626).

Закони заломлення світла:

1. Промінь падаючий, промінь заломлений і перпендикуляр до межі поділу двох середовищ, встановлений із точки падіння променя, лежать в одній площині.

2. Відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення для двох даних середовищ є величиною незмінною:

де n₂₁ — фізична величина, яку називають відносним показником заломлення середовища 2 (середовища, в якому світло поширюється після заломлення) відносно середовища 1 (середовища, із якого світло падає).

Дізнаємося про причину заломлення світла

Чому ж світло, переходячи з одного середовища в інше, змінює свій напрямок?

Річ у тім, що в різних середовищах світло поширюється з різною швидкістю, але завжди повільніше, ніж у вакуумі. Наприклад, у воді швидкість поширення світла в 1,33 разу менша, ніж у вакуумі; коли світло переходить із води в скло, швидкість поширення світла зменшується ще в 1,3 разу; у повітрі швидкість поширення світла в 1,7 разу більша, ніж у склі, й лише трохи менша (приблизно в 1,0003 разу), ніж у вакуумі.

Саме зміна швидкості поширення світла в разі переходу з одного прозорого середовища в інше є причиною заломлення світла.

Прийнято говорити про оптичну густину середовища: чим менша швидкість поширення світла в середовищі (чим більший показник заломлення), тим більшою є оптична густина середовища.

Як ви вважаєте, оптична густина якого середовища більша — води чи скла? оптична густина якого середовища менша — скла чи повітря?

З'ясовуємо фізичний зміст показника заломлення

Відносний показник заломлення (п₂₁) показує, у скільки разів швидкість поширення світла в середовищі 1 більша (або менша), ніж швидкість поширення світла в середовищі 2:

Згадавши другий закон заломлення світла:

маємо:

Проаналізувавши останню формулу, доходимо висновків:

1) чим більше на межі поділу двох середовищ змінюється швидкість поширення світла, тим більше світло заломлюється;

2) якщо промінь світла переходить у середовище з більшою оптичною густиною (тобто швидкість світла зменшується: v₂ < v₁), то кут заломлення є меншим від кута падіння: γ<α (див., наприклад, рис. 12.2, 12.3);

3) якщо промінь світла переходить у середовище з меншою оптичною густиною (тобто швидкість світла збільшується: v₂ > v₁), то кут заломлення є більшим за кут падіння: γ > α (рис. 12.4).

Зазвичай швидкість поширення світла в середовищі порівнюють зі швидкістю його поширення у вакуумі. Коли світло потрапляє в середовище з вакууму, показник заломлення n називають абсолютним показником заломлення.

Абсолютний показник заломлення показує, у скільки разів швидкість поширення світла в середовищі менша, ніж у вакуумі:

де с – швидкість поширення світла у вакуумі (с=3*10⁸ м/с); ν – швидкість поширення світла в середовищі.

Швидкість поширення світла у вакуумі більша, ніж у будь-якому середовищі, тому абсолютний показник заломлення завжди більший за одиницю (див. таблицю).

Зверніть увагу: n_{повітря} ≈ 1, тому, розглядаючи перехід світла з повітря в середовище, вважають, що відносний показник заломлення середовища дорівнює абсолютному показнику.

Явище заломлення світла є основою роботи численних оптичних пристроїв, про деякі з яких ви дізнаєтеся пізніше.

Застосовуємо явище повного внутрішнього відбивання світла

Розглянемо випадок, коли світло переходить із середовища з більшою оптичною густиною в середовище з меншою оптичною густиною (рис. 12.5). Бачимо, що в разі збільшення кута падіння (α₂ >α₁) кут заломлення γ наближається до 90°, яскравість заломленого пучка зменшується, а яскравість відбитого, навпаки, збільшується. Зрозуміло, якщо й далі збільшувати кут падіння, кут заломлення сягне 90°, заломлений пучок зникне, а падаючий пучок цілком (без втрат енергії) повернеться в перше середовище — світло повністю відіб’ється.

Явище, за якого заломлення світла відсутнє (світло повністю відбивається від середовища з меншою оптичною густиною), називають повним внутрішнім відбиванням світла.

Явище повного внутрішнього відбивання добре знайоме тим, хто хоча б раз плавав під водою з розплющеними очима (рис. 12.6).

Ювеліри протягом сторіч використовують явище повного внутрішнього відбивання, щоб підвищити привабливість коштовних каменів. Природні камені огранюють — надають їм форми багатогранників: грані каменя виконують роль «внутрішніх дзеркал», і камінь «грає» в променях світла, що падає на нього.

Повне відбивання світла застосовують в оптичній техніці (рис. 12.7). Проте головне застосування цього явища пов’язане з волоконною оптикою. Якщо в торець суцільної «скляної нитки» спрямувати пучок світла, то після багаторазового відбивання світло вийде на її протилежному кінці незалежно від того, якою буде трубка — вигнутою чи прямою. Таку «нитку» називають світловодом (рис. 12.8).

Світловоди застосовують у медицині для дослідження внутрішніх органів (ендоскопія); у техніці, зокрема для виявлення несправностей усередині двигунів без їх розбирання; для освітлення сонячним світлом закритих приміщень; у декоративних світильниках тощо (рис. 12.9).

Однак найчастіше світловоди використовують як кабелі для передачі інформації (рис. 12.10). «Скляний кабель» є набагато дешевшим, він легший за мідний, практично не змінює своїх властивостей під впливом навколишнього середовища, дозволяє передавати сигнали на великі відстані без підсилення. Сьогодні волоконно-оптичні лінії зв’язку стрімко витісняють традиційні. Коли ви будете дивитися телевізор або користуватися Інтернетом, згадайте, що більшу частину свого «шляху» сигнал долає «скляною дорогою».

V. ЗАКРІПЛЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ.

Задача 1. Світловий промінь, який перейшов із повітря у скло, зазнав заломлення. Порівняйте кути падіння та заломлення променя.

Розв'язання Кут падіння більший, аніж кут заломлення, оскільки скло - більш оптично густе середовище (швидкість світла в повітрі більша, аніж у склі.

Задача 2. У якому з випадків а - г на рисунку правильно показано хід світлового променя, що зазнав заломлення, падаючи з повітря на поверхню прозорого матеріалу?

Розв'язання Встановивши перпендикуляр, бачимо, що підходить тільки пункт а) б) - промінь не пройшов в прозоре середовище; в) - неправильно зображений заломлений промінь г) - неправильне співвідношення між кутом падіння і кутом заломлення

Задача 3. Світловий промінь переходить із повітря в скло. Швидкість поширення світлового променя у повітрі дорівнює  310⁸м/с. Чому дорівнює швидкість світлового променя у склі, показник заломлення якого дорівнює 1,5?

Задача 4. Для чого скло автомобільних фар роблять не гладким, а рифленим, що складається ніби з маленьких тригранних призм?

Розв'язання Набір призмочок, з яких складається скло, збирає світло лампи і відхиляє його вниз на дорогу

Задача 5. Існують організми наприклад, перистоусий комар), яких у воді не видно через їх прозорість. Але очі в цих істотах добре помітні у вигляді чорних крапок. Чому цих істот не видно у воді? Чому очі у них непрозорі? Чи залишаться вони невидимими в повітрі?

Розв'язання Показник заломлення тіла комахи близький до показника заломлення води, а показник заломлення очей інший. Через прозорі очі світло проходило б не формуючи зображення. У повітрі ці організми видно.

Задача 6. Використовуючи явище повного внутрішнього відбивання можна змінювати напрямок ходу світлових пучків, що має практичне застосування. Наприклад за допомогою призми.

Побудуємо хід променів у призмі.

У призми є ще одна цікава властивість. Проходячи крізь призму, пучок білого світла заломлюється, на екрані утворюється веселкова смужка- спектр. Чим пояснюється така картина ви дізнаєтеся на наступному уроці під час розгляду явища дисперсії.

VI. ПІДБИТТЯ ПІДСУМКІВ УРОКУ

Підсумки викладу теоретичної частини нового матеріалу

1. Із яким новим фізичним явищем ви сьогодні познайомилися? (Заломлення світла.)

2. Що таке заломлення світла? (Заломлення світла — це зміна напрямку поширення світла під час переходу з одного середовища до іншого.)

3. Який кут називають кутом заломлення світла? (Кут заломлення — це кут між заломленим променем і перпендикуляром у точку падіння світла.)

4. Що таке показник заломлення світла? (Показник заломлення — це відношення швидкості світла у вакуумі до швидкості в середовищі, у якому світло поширюється.)

5. Сформулюйте закони заломлення світла. (Перший закон заломлення: промінь, що падає, заломлений промінь і перпендикуляр до точки падіння лежать в одній площині. Другий закон заломлення світла: якщо світло переходить із менш оптично густого середовища в більш оптично густе, відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення дорівнює показнику заломлення світла: .)

6. Яке середовище називають більш оптично густим? (Більш оптично густе середовище — це середовище, у якому швидкість світла менша порівняно з іншим.)

VI. ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ

Прочитати § 12  задача 12 (1, 2).