Преломление света - Световые волны - Оптика

Цель: углубить и систематизировать знания учащихся об особенностях распространения света на границе раздела двух сред.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Проведение лабораторной работы

Лабораторная работа по теме «Изучение отражения света в плоском зеркале»

Цель работы: экспериментальная проверка закона отражения. Оборудование: плоское зеркало, лист чистой бумаги, экран со щелью, транспортир, карандаш, свеча (или другой источник света), спички.

Ход работы

1. Расположите оборудование согласно рис. 52.

2. Зажгите свечу и с помощью экрана с щелью выделите узкий пучок света. Этот пучок направьте на плоское зеркало.

3. Карандашом проведите на листе чистой бумаги линию по направлению падающего и отраженного светового луча, а также вдоль поверхности зеркала. В точку падения луча поставьте перпендикуляр к поверхности зеркала. На листе бумаги укажите падающий отраженный луч, перпендикуляр, плоскость зеркала, углы падения и отражения.

4. С помощью транспортира измерьте углы падения и отражения лучей. Меняя положение зеркала, замерьте новые значения углов падения и отражения.

5. Таблица.

Номер опыта	Угол падения	Угол отражения	Сравнение углов падения и отражения
1
2
3
4
5

III. Изучение нового материала

На границе двух фаз свет меняет направление своего распространения. Часть световой энергии возвращается в первую среду, т.е. происходит отражение света. Но часть света, если вторая среда прозрачна, проходит через границу раздела сред так же, как правило, меняя при этом направление. Данное явление называют преломлением света.

Эксперимент с оптической шайбой

Шайбу закрепляют на диске. Через осветитель получают узкий пучок света. Световой пучок идет от осветителя вдоль радиуса диска и на границе - стекло частично отражается, частично преломляется.

Датский астроном и математик В. Снелл до X. Гюйгенса и И. Ньютона в 1621 г. экспериментально открыл закон преломления света:

Абсолютный показатель преломления данной среды:

Если n₁ < n₂, то α > β;

если n₁ > n₂, то α < β.

Применим принцип Гюйгенса для вывода закона преломления:

ММ' - граница раздела двух сред;

A₁A и В₁В - падающие лучи;

АА₂ и ВВ₂ - преломленные лучи,

α - угол падения; β - угол преломления.

где n₂₁ - постоянная величина двух сред.

Закон преломления

1. Луч падающий и луч преломленный лежат в одной плоскости с перпендикуляром, поставленным в точке падения луча к поверхности раздела двух сред.

2. Отношение синуса падения к синусу угла преломления для двух данных сред есть величина постоянная (для монохроматического света).

Выведем закон преломления света, используя принцип Ферма.

Пусть в среде I скорость света v₁, в среде II - скорость света v₂. Для прохождения света из точку А₁ в точку А₂ будет затрачено время:

Выберем из всех возможных траекторий распространения света ту, которой соответствует минимальное время распространения. Продифференцируем и приравняем производную к нулю:

Учитывая, что получим:

Это и есть закон преломления света. Запишем его в более удобной форме:

На границе раздела двух сред практически всегда пучок света разделяется на два - отраженный и преломленный.

IV. Закрепление материала

- Что называется преломлением света?

- Сформулируйте и запишите законы преломления света.

- Какой физический смысл относительного показателя преломления? Абсолютного показателя преломления?

- Напишите формулу, выражающую связь относительно показателя преломления двух граничащих сред с их абсолютными показателями преломления.

V. Решение задач

Задача № 1

На дне ручья лежит камень (см. рис. 57). Мальчик хочет толкнуть его палкой. Прицеливаясь, мальчик держит палку под углом 45°. На каком расстоянии от камешка воткнется палка в дно ручья, если глубина его 50 см?

Дано:

Решение:

Рассмотрим ΔАОС:

Согласно закону преломления: отсюда

(Ответ: Δl ≈ 0,19 м.)

Задача № 2

Луч света падает на границу раздела двух сред под углом 32° (см. рис. 58). Абсолютный показатель преломления первой среды 2,4. Преломленный луч перпендикулярен отраженному. Каков абсолютный показатель преломления второй среды?

Дано:

Решение:

Из рисунка видно, что

(Ответ: n₂ = 1,5.)

Задача № 3

Световой луч падает под углом α = 30° на плоскопараллельную пластинку толщиной d = 10 см (см. рис. 59). Определить смещение луча пластинкой, если она погружена в сероводород и воду n₁ = 1,63, n₂ = 1,5.

Дано:

Решение:

Из ΔОАВ и ΔСОВ для одной и той же гипотезы OВ:

Так как

(Ответ: S = 7,2 см.)

VI. Подведение итогов урока

Домашнее задание

п. 61.

Дополнительный материал

Первые шаги в развитии геометрической оптики

В оптике, так же как и в механике, первые шаги были сделаны уже в древности. Тогда были открыты два закона геометрической оптики: закон прямолинейного распространения света и закон отражения света.

К познанию этих законов древние пришли, вероятно, очень давно. Опыт повседневной жизни: наблюдение тени, перспективы, применение метода визирования при измерении земельных площадей и при астрономических наблюдениях - приводил древних, во-первых, к понятию луча света, а во- вторых, к понятию прямолинейного распространения света.

Наблюдая затем явление отражения света, в частности, в металлических зеркалах, которые хорошо были известны в то время, древние пришли к пониманию закона отражения света.

Указанные два закона были описаны знаменитым греческим ученым Евклидом, жившим в III в. до н. э. С помощью этих законов Евклид объяснил целый ряд наблюдаемых явлений и, в частности, явлений отражения света от плоских и даже сферических зеркал.

Исследованием отражения света плоскими и сферическими зеркалами занимался другой знаменитый ученый древности - Архимед, живший также в III в. до н. э. Он знал свойство вогнутого сферического зеркала собирать световые лучи в фокусе. Об этом сообщается в сочинениях ученых древности: Архимед знал, «почему вогнутые зеркала, помещенные против солнца, зажигают подложенный трут».

Архимеду даже приписывают изобретение специальных зажигательных устройств из вогнутых зеркал, с помощью которых он будто бы сжег вражеский флот. Это, конечно, легенда. Но то, что Архимед знал зажигательное свойство вогнутого зеркала, это факт.

Ученые древности имели представление о преломлении света и даже пытались установить закон преломления. Птолемей поставил с этой целью специальный опыт. Он взял диск, по которому вокруг центра вращались две линейки - указатели А и Б. Этот диск Птолемей наполовину погружал в воду и перемещал верхнюю линейку до тех пор, пока она не казалась продолжением нижней, находящейся в воде. Вынув затем диск из воды, он определял углы падения и преломления.

Однако хотя эксперимент Птолемея и был поставлен правильно и он получил достаточно хорошие численные значения для углов падения и преломления, истинного закона он установить не сумел.

В Средние века оптика продолжала развиваться на Востоке, а затем и в Европе. Однако каких-либо новых существенных результатов за этот длительный период в жизни человечества получено не было. Единственным важным достижением за это время было изобретение в XIII в. очков. Но это изобретение существенным образом не повлияло на развитие теоретической оптики.

Следующим важнейшим изобретением, сыгравшим очень большую роль в последующем развитии оптики, было создание зрительной трубы.

Зрительная труба была изобретена не одним человеком. Возможно, что еще великий итальянский художник Леонардо да Винчи в самом начале XVI в. пользовался зрительной трубой.

Имеются сведения о других ученых и изобретателях, которые также пришли к этому изобретению.

Однако решающий шаг в изобретении зрительной трубы был сделан Галилеем.

В 1609 г. Галилей построил зрительную трубу. Свое изобретение он использовал как телескоп для наблюдения небесных тел и сделал при этом целый ряд важнейших астрономических открытий, которые дали ему возможность выступить в защиту учения Коперника. Однако Галилей не занимался теоретическими исследованиями по оптике. Он даже не разобрал теорию действия изобретенной им зрительной трубы.

Основы теории простейших оптических инструментов разработал великий немецкий астроном Иоганн Кеплер (1571-1630). Еще в 1604 г. он написал работу, в которой изложил основы геометрической оптики.

Он объяснил действие глаза и оптического прибора вообще, рассматривая каждую точку предмета как источник расходящихся лучей. Хрусталик глаза, зеркало, линза или система линз могут вновь собрать эти расходящиеся лучи и из расходящегося пучка сделать сходящийся. Причем эти лучи опять соберутся в одну точку, которая будет представлять собой изображение точки предмета. Таким образом, каждой точке изображения соответствует одна и только одна точка предмета.

Кеплер рассматривал с этой точки зрения ход лучей в простейших оптических приборах, в двояковыпуклой и двояковогнутой линзе, поставленных друг за другом. Эта система линз представляла собой систему, примененную Галилеем в его зрительной трубе - телескопе.

В 1611 г. Кеплер издал новое сочинение по оптике. В нем ученый продолжал развивать теорию оптических приборов. В частности, он описал здесь зрительную трубу, отличную от трубы Галилея, которая оказалась более удачной. Труба Кеплера состояла из двух двояковыпуклых линз. Сам Кеплер только описал ее устройство, но трубы не построил. Ее сделали другие ученые.

Разработав теорию построения изображения в оптических приборах, Кеплер ввел новые понятии: «фокус» и «оптическая ось». Эти понятия применяются и в настоящее время в оптике.

Следующим важным шагом в развитии оптики было открытие закона преломления света.

Кеплер еще не знал этого закона. Закон, которым он пользовался, был неверным. Однако это не помешало ученому в его исследованиях. Дело в том, что во всех случаях, которые Кеплер рассматривал, можно было считать, что световые лучи проходит Закон, которым пользовался Кеплер для малых углов падения и преломления, приводил к правильным результатам.

Закон преломления света был установлен голландским ученым Снеллиусом, но он его не опубликовал. Этот закон был опубликован Декартом в 1637 г. Теперь геометрическая оптика, фундамент которой заложил Кеплер, могла развиваться дальше.