Najpierw wyobraźmy sobie trochę. Wyobraź sobie gorący letni dzień przed naszą erą, prymitywny człowiek używa włóczni do polowania na ryby. Zauważa jego położenie, celuje i z jakiegoś powodu uderza w miejsce, którego wcale nie było widać. Pominięty? Nie, rybak ma zdobycz w rękach! Rzecz w tym, że nasz przodek intuicyjnie rozumiał temat, który będziemy teraz studiować. Na co dzień widzimy, że łyżka zanurzona w szklance wody wydaje się krzywa, a gdy patrzymy przez szklany słoik, przedmioty wydają się krzywe. Wszystkie te pytania rozważymy na lekcji, której temat brzmi: „Załamanie światła. Prawo załamania światła. Pełna wewnętrzna refleksja.”
Na poprzednich lekcjach mówiliśmy o losie wiązki w dwóch przypadkach: co się stanie, jeśli wiązka światła rozchodzi się w przezroczystym, jednorodnym ośrodku? Prawidłowa odpowiedź brzmi: będzie się rozprzestrzeniać w linii prostej. Co się stanie, gdy wiązka światła padnie na powierzchnię styku dwóch mediów? Na ostatniej lekcji mówiliśmy o wiązce odbitej, dzisiaj przyjrzymy się tej części wiązki światła, która jest pochłaniana przez ośrodek.
Jaki los spotka promień, który przedostał się z pierwszego ośrodka optycznie przezroczystego do drugiego ośrodka optycznie przezroczystego?
Ryż. 1. Załamanie światła
Jeżeli wiązka pada na granicę dwóch ośrodków przezroczystych, wówczas część energii świetlnej wraca do ośrodka pierwszego, tworząc wiązkę odbitą, a druga część przechodzi do wewnątrz, do ośrodka drugiego i z reguły zmienia swój kierunek.
Nazywa się zmianę kierunku rozchodzenia się światła podczas jego przejścia przez granicę między dwoma ośrodkami załamanie światła(ryc. 1).
Ryż. 2. Kąty padania, załamania i odbicia
Na rysunku 2 widzimy wiązkę padającą, kąt padania będzie oznaczony przez α. Promień, który wyznaczy kierunek załamanej wiązki światła, będzie nazywany promieniem załamanym. Kąt pomiędzy prostopadłą do granicy faz, rekonstruowaną z punktu padania, a promieniem załamanym, nazywany jest kątem załamania, na rysunku jest to kąt γ. Aby uzupełnić obraz, podamy również obraz odbitej wiązki i odpowiednio kąt odbicia β. Jaka jest zależność kąta padania od kąta załamania?Czy znając kąt padania i ośrodek, w który przeszła wiązka, można przewidzieć, jaki będzie kąt załamania? Okazuje się, że jest to możliwe!
Otrzymujemy prawo, które ilościowo opisuje zależność między kątem padania a kątem załamania. Skorzystajmy z zasady Huygensa, która reguluje rozchodzenie się fal w ośrodku. Ustawa składa się z dwóch części.
Promień padający, promień załamany i prostopadła przywrócona do punktu padania leżą w tej samej płaszczyźnie.
Stosunek sinusa kąta padania do sinusa kąta załamania jest wartością stałą dla dwóch danych ośrodków i jest równy stosunkowi prędkości światła w tych ośrodkach.
Prawo to nazwano prawem Snella na cześć holenderskiego naukowca, który je sformułował jako pierwszy. Przyczyną załamania jest różnica prędkości światła w różnych ośrodkach. Możesz sprawdzić ważność prawa załamania światła, kierując eksperymentalnie wiązkę światła pod różnymi kątami na granicę między dwoma ośrodkami i mierząc kąty padania i załamania. Jeśli zmienimy te kąty, zmierzymy sinusy i znajdziemy stosunek sinusów tych kątów, przekonamy się, że prawo załamania rzeczywiście obowiązuje.
Dowód prawa załamania z wykorzystaniem zasady Huygensa jest kolejnym potwierdzeniem falowej natury światła.
Względny współczynnik załamania światła n 21 pokazuje, ile razy prędkość światła V 1 w pierwszym ośrodku różni się od prędkości światła V 2 w drugim ośrodku.
Względny współczynnik załamania światła wyraźnie pokazuje, że przyczyną zmiany kierunku światła podczas przejścia z jednego ośrodka do drugiego jest różna prędkość światła w obu ośrodkach. Do scharakteryzowania właściwości optycznych ośrodka często używa się pojęcia „gęstość optyczna ośrodka” (rys. 3).
Ryż. 3. Gęstość optyczna ośrodka (α > γ)
Jeśli promień przejdzie z ośrodka o większej prędkości światła do ośrodka o mniejszej prędkości światła, to jak wynika z rysunku 3 i prawa załamania światła, zostanie dociśnięty do prostopadłej, czyli , kąt załamania jest mniejszy niż kąt padania. W tym przypadku mówi się, że wiązka przeszła z ośrodka optycznego o mniejszej gęstości do ośrodka o większej gęstości optycznej. Przykład: z powietrza do wody; od wody do szkła.
Możliwa jest także sytuacja odwrotna: prędkość światła w ośrodku pierwszym jest mniejsza niż prędkość światła w ośrodku drugim (rys. 4).
Ryż. 4. Gęstość optyczna ośrodka (α< γ)
Wtedy kąt załamania będzie większy od kąta padania i będziemy mówić, że takie przejście następuje z ośrodka optycznie gęstszego do ośrodka mniej optycznie gęstego (ze szkła do wody).
Gęstość optyczna dwóch ośrodków może znacznie się od siebie różnić, dlatego możliwa staje się sytuacja pokazana na fotografii (rys. 5):
Ryż. 5. Różnice w gęstości optycznej ośrodków
Zwróć uwagę, jak głowa przemieszcza się względem ciała w cieczy, w środowisku o większej gęstości optycznej.
Jednak względny współczynnik załamania światła nie zawsze jest wygodną cechą do pracy, ponieważ zależy od prędkości światła w pierwszym i drugim ośrodku, ale takich kombinacji i kombinacji dwóch ośrodków (woda - powietrze, szkło – diament, gliceryna – alkohol, szkło – woda i tak dalej). Tablice byłyby bardzo uciążliwe, niewygodne w pracy, a potem wprowadzono jedno medium absolutne, z którym porównywana jest prędkość światła w innych ośrodkach. Jako wartość bezwzględną przyjęto próżnię i porównano prędkość światła z prędkością światła w próżni.
Bezwzględny współczynnik załamania światła ośrodka n- jest to wielkość charakteryzująca gęstość optyczną ośrodka i równa stosunkowi prędkości światła Z w próżni do prędkości światła w danym środowisku.
Bezwzględny współczynnik załamania światła jest wygodniejszy w pracy, ponieważ zawsze znamy prędkość światła w próżni, która wynosi 3,10 8 m/s i jest uniwersalną stałą fizyczną.
Bezwzględny współczynnik załamania światła zależy od parametrów zewnętrznych: temperatury, gęstości, a także od długości fali światła, dlatego w tabelach zwykle podaje się średni współczynnik załamania światła dla danego zakresu długości fal. Jeśli porównamy współczynniki załamania powietrza, wody i szkła (ryc. 6), zobaczymy, że powietrze ma współczynnik załamania światła bliski jedności, więc przy rozwiązywaniu problemów będziemy go przyjmować jako jedność.
Ryż. 6. Tabela bezwzględnych współczynników załamania światła dla różnych ośrodków
Uzyskanie związku pomiędzy bezwzględnym i względnym współczynnikiem załamania światła ośrodków nie jest trudne.
Względny współczynnik załamania, to znaczy dla promienia przechodzącego z ośrodka pierwszego do ośrodka drugiego, jest równy stosunkowi bezwzględnego współczynnika załamania światła w drugim ośrodku do bezwzględnego współczynnika załamania światła w pierwszym ośrodku.
Na przykład: 
= ≈ 1,16
Jeśli bezwzględne współczynniki załamania światła dwóch ośrodków są prawie takie same, oznacza to, że względny współczynnik załamania światła przy przejściu z jednego ośrodka do drugiego będzie równy jedności, to znaczy promień światła w rzeczywistości nie zostanie załamany. Na przykład, przechodząc z olejku anyżowego na kamień berylowy, światło praktycznie nie będzie się załamywać, to znaczy będzie zachowywać się tak samo, jak przy przejściu przez olejek anyżowy, ponieważ ich współczynnik załamania światła wynosi odpowiednio 1,56 i 1,57, więc kamień może być jakby ukryty w płynie, po prostu nie będzie widoczny.
Jeśli do przezroczystej szklanki nalejemy wodę i spojrzymy przez ściankę szklanki w stronę światła, zobaczymy na jej powierzchni srebrzysty połysk, wynikający ze zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia, o czym teraz będzie mowa. Kiedy wiązka światła przechodzi z gęstszego ośrodka optycznego do mniej gęstego ośrodka optycznego, można zaobserwować ciekawy efekt. Dla pewności założymy, że światło przechodzi z wody do powietrza. Załóżmy, że w głębi zbiornika znajduje się punktowe źródło światła S, emitujące promienie we wszystkich kierunkach. Na przykład nurek świeci latarką.
Wiązka SO 1 pada na powierzchnię wody pod najmniejszym kątem, wiązka ta ulega częściowemu załamaniu – wiązka O 1 A 1 i częściowo odbija się z powrotem do wody – wiązka O 1 B 1. W ten sposób część energii padającej wiązki jest przenoszona na wiązkę załamaną, a pozostała energia jest przekazywana na wiązkę odbitą.
Ryż. 7. Całkowite wewnętrzne odbicie
Wiązkę SO 2, której kąt padania jest większy, również dzielimy na dwie wiązki: załamaną i odbitą, ale energia pierwotnej wiązki rozkłada się między nimi inaczej: załamana wiązka O 2 A 2 będzie ciemniejsza niż O 1 Wiązka A 1, to znaczy otrzyma mniejszą część energii, a odbita wiązka O 2 B 2 będzie odpowiednio jaśniejsza niż wiązka O 1 B 1, to znaczy otrzyma większą część energii. Wraz ze wzrostem kąta padania obserwuje się ten sam wzór – coraz większa część energii wiązki padającej trafia do wiązki odbitej, a coraz mniejsza do wiązki załamanej. Załamana wiązka staje się coraz ciemniejsza, aż w pewnym momencie znika całkowicie; zanik ten następuje, gdy osiągnie kąt padania, który odpowiada kątowi załamania wynoszącemu 90 0. W tej sytuacji załamana wiązka OA powinna była przebiegać równolegle do powierzchni wody, ale nie było już nic do przejścia - cała energia padającej wiązki SO poszła w całości do odbitej wiązki OB. Naturalnie, wraz z dalszym wzrostem kąta padania, załamana wiązka będzie nieobecna. Opisywanym zjawiskiem jest całkowite wewnętrzne odbicie, czyli gęstszy ośrodek optyczny pod rozpatrywanymi kątami nie emituje promieni od siebie, lecz wszystkie zostają w nim odbite. Kąt, pod którym zachodzi to zjawisko, nazywa się ograniczający kąt całkowitego wewnętrznego odbicia.
Wartość kąta granicznego można łatwo znaleźć z prawa załamania:
= => = arcsin, dla wody ≈ 49 0
Najciekawszym i najbardziej popularnym zastosowaniem zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia są tzw. falowody, czyli światłowody. Właśnie z takiego sposobu przesyłania sygnałów korzystają współczesne firmy telekomunikacyjne w Internecie.
Uzyskaliśmy prawo załamania światła, wprowadziliśmy nowe pojęcie - względne i bezwzględne współczynniki załamania światła, a także zrozumieliśmy zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia i jego zastosowania, takie jak światłowód. Swoją wiedzę możesz utrwalić analizując odpowiednie testy i symulatory w dziale lekcji.
Uzyskajmy dowód prawa załamania światła, korzystając z zasady Huygensa. Ważne jest, aby zrozumieć, że przyczyną załamania jest różnica prędkości światła w dwóch różnych ośrodkach. Oznaczmy prędkość światła w pierwszym ośrodku jako V 1, a w drugim ośrodku jako V 2 (rys. 8).
Ryż. 8. Dowód prawa załamania światła
Niech płaska fala świetlna spadnie na płaską powierzchnię styku dwóch ośrodków, na przykład z powietrza do wody. Powierzchnia fali AS jest prostopadła do promieni i , promień jako pierwszy dociera do granicy ośrodków MN, a promień dociera do tej samej powierzchni po upływie czasu ∆t, który będzie równy drodze SW podzielonej przez prędkość światła w pierwszym ośrodku.
Zatem w chwili, gdy fala wtórna w punkcie B dopiero zaczyna się wzbudzać, fala z punktu A ma już postać półkuli o promieniu AD równym prędkości światła w drugim ośrodku przy ∆ t: AD = ·∆t, czyli zasada Huygensa w działaniu wizualnym. Powierzchnię fali załamanej można otrzymać rysując powierzchnię styczną do wszystkich fal wtórnych w drugim ośrodku, których środki leżą na styku ośrodków, w tym przypadku jest to płaszczyzna BD, jest to obwiednia fale wtórne. Kąt padania α belki jest równy kątowi CAB w trójkącie ABC, boki jednego z tych kątów są prostopadłe do boków drugiego. W konsekwencji SV będzie równa prędkości światła w pierwszym ośrodku o ∆t
CB = ∆t = AB sin α
Z kolei kąt załamania będzie równy kątowi ABD w trójkącie ABD, zatem:
АD = ∆t = АВ sin γ
Dzieląc wyrażenia termin po wyrazie, otrzymujemy:
n jest wartością stałą niezależną od kąta padania.
Otrzymaliśmy prawo załamania światła, sinus kąta padania do sinusa kąta załamania jest wartością stałą dla tych dwóch ośrodków i jest równy stosunkowi prędkości światła w dwóch danych ośrodkach.
Naczynie sześcienne o nieprzezroczystych ściankach ustawia się tak, aby oko obserwatora nie widziało jego dna, lecz widziało całkowicie ścianę naczynia CD. Ile wody należy wlać do naczynia, aby obserwator mógł zobaczyć obiekt F znajdujący się w odległości b = 10 cm od kąta D? Krawędź naczynia α = 40 cm (ryc. 9).
Co jest bardzo ważne przy rozwiązywaniu tego problemu? Domyślam się, że skoro oko nie widzi dna naczynia, ale widzi skrajny punkt bocznej ściany, a naczynie jest sześcianem, to kąt padania promienia na powierzchnię wody podczas jej nalewania będzie wynosił równe 45 0.
Ryż. 9. Zadanie Jednolitego Egzaminu Państwowego
Wiązka pada w punkcie F, oznacza to, że widzimy obiekt wyraźnie, a czarna przerywana linia pokazuje przebieg wiązki w przypadku braku wody, czyli do punktu D. Z trójkąta NFK tangens kąta β, tangens kąta załamania, to stosunek przeciwnej strony do sąsiedniej lub, na podstawie rysunku, h minus b podzielone przez h.
tg β = = , h to wysokość cieczy, którą nalaliśmy;
Najbardziej intensywne zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia występuje w układach światłowodowych.
Ryż. 10. Światłowód
Jeśli wiązka światła zostanie skierowana na koniec solidnej szklanej rurki, to po wielokrotnym całkowitym odbiciu wewnętrznym wiązka wyjdzie z przeciwnej strony rurki. Okazuje się, że szklana rurka jest przewodnikiem fali świetlnej lub falowodem. Stanie się tak niezależnie od tego, czy rura jest prosta, czy zakrzywiona (Rysunek 10). Pierwsze światłowody, bo tak brzmi druga nazwa falowodów, służyły do oświetlania trudno dostępnych miejsc (w czasie badań medycznych, gdy światło dostarczane jest na jeden koniec światłowodu, a drugi koniec oświetla wybrane miejsce). Głównym zastosowaniem jest medycyna, wykrywanie usterek silników, jednak tego typu falowody są najczęściej stosowane w systemach transmisji informacji. Częstotliwość nośna przy przesyłaniu sygnału falą świetlną jest milion razy większa niż częstotliwość sygnału radiowego, co oznacza, że ilość informacji, którą możemy przesłać za pomocą fali świetlnej, jest miliony razy większa niż ilość przesłanej informacji przez fale radiowe. To świetna okazja, aby w prosty i niedrogi sposób przekazać ogrom informacji. Zazwyczaj informacje są przesyłane kablem światłowodowym przy użyciu promieniowania laserowego. Światłowody są niezbędne do szybkiej i wysokiej jakości transmisji sygnału komputerowego zawierającego dużą ilość przesyłanych informacji. A podstawą tego wszystkiego jest tak proste i zwyczajne zjawisko, jak załamanie światła.
Bibliografia
- Tikhomirova SA, Yavorsky B.M. Fizyka (poziom podstawowy) - M.: Mnemosyne, 2012.
- Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Fizyka, klasa 10. - M.: Mnemosyne, 2014.
- Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizyka - 9, Moskwa, Edukacja, 1990.
- Edu.glavsprav.ru ().
- Nvtc.ee ().
- Raal100.narod.ru ().
- Optika.ucoz.ru ().
Praca domowa
- Zdefiniuj załamanie światła.
- Podaj przyczynę załamania światła.
- Wymień najpopularniejsze zastosowania całkowitego wewnętrznego odbicia.
Klasa: 11
Prezentacja na lekcję
Powrót do przodu
Uwaga! Podglądy slajdów służą wyłącznie celom informacyjnym i mogą nie odzwierciedlać wszystkich funkcji prezentacji. Jeśli jesteś zainteresowany tą pracą, pobierz pełną wersję.
Cele Lekcji:
Edukacyjny:
- Studenci muszą powtórzyć i uogólnić wiedzę zdobytą podczas studiowania tematu „Odbicie i załamanie światła”: zjawisko prostoliniowego rozchodzenia się światła w ośrodku jednorodnym, prawo odbicia, prawo załamania, prawo całkowitego odbicia.
- Rozważ zastosowanie praw w nauce, technologii, przyrządach optycznych, medycynie, transporcie, budownictwie, życiu codziennym, otaczającym nas świecie,
- Potrafić zastosować zdobytą wiedzę przy rozwiązywaniu problemów jakościowych, obliczeniowych i doświadczalnych;
Edukacyjny:
- poszerzać horyzonty uczniów, rozwijać logiczne myślenie i inteligencję;
- być w stanie dokonywać porównań i wprowadzać dane wejściowe;
- rozwijać mowę monologową, umieć przemawiać przed publicznością.
- uczyć pozyskiwania informacji z literatury dodatkowej i Internetu oraz ich analizowania.
Edukacyjny:
- zaszczepić zainteresowanie przedmiotem fizyki;
- uczyć samodzielności, odpowiedzialności, pewności siebie;
- stworzyć sytuację sukcesu i przyjaznego wsparcia podczas lekcji.
Sprzęt i pomoce wizualne:
- Urządzenie optyki geometrycznej, zwierciadła, pryzmaty, reflektory, lornetki, światłowody, urządzenia eksperymentalne.
- Komputer, rzutnik, ekran, prezentacja „Praktyczne zastosowanie praw odbicia i załamania światła”
Plan lekcji.
I. Temat i cel lekcji (2 minuty)
II. Powtórzenie (badanie czołowe) – 4 minuty
III. Zastosowanie prostości propagacji światła. Problem (na tablicy). - 5 minut
IV. Zastosowanie prawa odbicia światła. - 4 minuty
V. Zastosowanie prawa załamania światła:
1) Doświadczenie - 4 minuty
2) Zadanie - 5 minut
VI Zastosowanie całkowitego wewnętrznego odbicia światła:
a) Przyrządy optyczne – 4 minuty.
c) Światłowód – 4 minuty.
VII Miraże - 4 minuty
VIII.Praca samodzielna – 7 min.
IX Podsumowanie lekcji. Praca domowa – 2 min.
Razem: 45 min
Podczas zajęć
I. Temat lekcji, cel, zadania, treść . (Slajd 1-2)
Epigraf. (slajd 3)
Cudowny dar wiecznej natury,
Bezcenny i święty dar,
Ma nieskończone źródło
Ciesząc się pięknem:
Niebo, słońce, blask gwiazd,
Morze w jaskrawym błękicie -
Cały obraz wszechświata
Poznajemy tylko w świetle.
I.A.Bunin
II. Powtórzenie
Nauczyciel:
a) Optyka geometryczna. (slajdy 4-7)
Światło rozchodzi się po linii prostej w ośrodku jednorodnym. Lub w jednorodnym ośrodku promienie świetlne są liniami prostymi
Linię, wzdłuż której przemieszcza się energia świetlna, nazywa się promieniem. Prostoliniowość rozchodzenia się światła przy prędkości 300 000 km/s wykorzystywana jest w optyce geometrycznej.
Przykład: Służy do sprawdzania prostości struganej deski za pomocą belki.
Zdolność widzenia obiektów nieświecących wynika z faktu, że każde ciało częściowo odbija, a częściowo pochłania padające na nie światło. (Księżyc). Ośrodek, w którym prędkość propagacji światła jest mniejsza, jest ośrodkiem gęstszym optycznie. Załamanie światła to zmiana kierunku promienia świetlnego podczas przechodzenia przez granicę między ośrodkami. Załamanie światła tłumaczy się różnicą w prędkości propagacji światła podczas przejścia z jednego ośrodka do drugiego
b) Wykazanie zjawiska odbicia i załamania na urządzeniu „Dysk optyczny”.
c) Pytania do powtórzenia. (slajd 8)
III. Zastosowanie prostości propagacji światła. Problem (na tablicy).
a) Tworzenie cienia i półcienia. (slajd 9).
Prostoliniowość propagacji światła wyjaśnia powstawanie cienia i półcienia. Jeżeli wielkość źródła jest niewielka lub jeżeli źródło znajduje się w odległości, w porównaniu z którą wielkość źródła można pominąć, wówczas uzyskuje się jedynie cień. Jeśli źródło światła jest duże lub znajduje się blisko obiektu, powstają nieostre cienie (umbra i półcień).
b) Oświetlenie Księżyca. (Slajd 10).
Księżyc wędrując po Ziemi jest oświetlany przez Słońce, sam zaś nie świeci.
1. nów, 3. pierwsza kwadra, 5. pełnia, 7. ostatnia kwadra.
c) Zastosowanie prostości rozchodzenia się światła w budownictwie, przy budowie dróg i mostów. (slajdy 11-14)
d) Zadanie nr 1352 (D) (uczeń przy tablicy). Długość cienia wieży telewizyjnej Ostankino, oświetlonej przez słońce, w pewnym momencie okazała się równa 600 m; długość cienia osoby o wzroście 1,75 m w tym samym momencie wynosiła 2 m. Jaka jest wysokość wieży? (slajdy 15-16)
Wniosek: korzystając z tej zasady, możesz określić wysokość niedostępnego obiektu: wysokość domu; wysokość klifu; wysokość wysokiego drzewa.
e) Pytania do powtórzenia. (slajd 17)
IV. Zastosowanie prawa odbicia światła. (Slajdy 18-21).
a) Lustra (przesłanie ucznia).
Światło, które spotyka na swojej drodze dowolny obiekt, odbija się od jego powierzchni. Jeśli nie jest gładka, wówczas następuje odbicie w wielu kierunkach i światło jest rozproszone.Gdy powierzchnia jest gładka, wówczas wszystkie promienie odchodzą od niej równolegle do siebie i uzyskuje się odbicie lustrzane.W ten sposób światło zwykle odbija się od wolnej powierzchni spoczynkowych cieczy oraz z luster. Lustra mogą mieć różne kształty. Są płaskie, kuliste, cyoyndryczne, paraboliczne itp. Światło wydobywające się z obiektu rozprzestrzenia się w postaci promieni, które padając na lustro, ulegają odbiciu. Jeśli po tym ponownie zbiorą się w pewnym momencie, mówią, że działanie obrazu obiektu powstało w tym momencie. Jeśli promienie pozostają oddzielone, ale w pewnym momencie ich przedłużenia zbiegają się, wówczas wydaje nam się, że promienie z niego wychodzą i tam właśnie znajduje się przedmiot. Jest to tzw. obraz wirtualny, który powstaje w wyobraźni obserwacji. Za pomocą zwierciadeł wklęsłych można rzutować obraz na jakąś powierzchnię lub zbierać słabe światło pochodzące z odległego obiektu w jednym punkcie, jak to ma miejsce podczas obserwacji gwiazd za pomocą teleskopu zwierciadlanego. W obu przypadkach obraz jest rzeczywisty, inne lusterka pozwalają zobaczyć obiekt w naturalnej wielkości (zwykłe lusterka płaskie), powiększonym (takie lusterka nosi się w torebce) lub pomniejszonym (lusterka wsteczne w samochodach). Powstałe obrazy są wyimaginowane (wirtualne). A za pomocą zakrzywionych, niesferycznych lusterek można zniekształcić obraz.
V. Zastosowanie prawa załamania światła. (Slajdy 22-23).
a) Droga promieni w płycie szklanej .
b) Droga promieni w pryzmacie trójkątnym . Konstruuj i wyjaśniaj. (Uczeń przy tablicy)
c) Doświadczenie: Zastosowanie prawa załamania światła. (Wiadomość ucznia.) (Slajdy 24)
Niedoświadczeni kąpiący się często są narażeni na wielkie niebezpieczeństwo tylko dlatego, że zapominają o jednej ciekawej konsekwencji prawa załamania światła. Nie wiedzą, że załamanie wydaje się unosić wszystkie obiekty zanurzone w wodzie powyżej ich rzeczywistego położenia. Dno stawu, rzeki lub zbiornika wydaje się być podniesione o prawie jedną trzecią jego głębokości. Jest to szczególnie ważne w przypadku dzieci i ogólnie niskich osób, dla których błąd w określeniu głębokości może być śmiertelny. Powodem jest załamanie promieni świetlnych.
Doświadczenie: Umieść monetę na dnie kubka przed uczniami w ten sposób. tak, aby nie było to widoczne dla ucznia. Poproś go, nie odwracając głowy, aby nalał wody do kubka, a moneta „uniesie się”. Jeśli usuniesz wodę z kubka za pomocą strzykawki, dno z monetą ponownie „opadnie”. Wyjaśnij to doświadczenie. Przeprowadź eksperyment dla wszystkich w domu.
G) Zadanie. Rzeczywista głębokość obszaru zbiornika wynosi 2 metry. Jaka jest pozorna głębokość dla osoby patrzącej na dno pod kątem 60° do powierzchni wody? Współczynnik załamania światła wody wynosi 1,33. (Slajdy 25-26).
e) Pytania do sprawdzenia . (Slajd 27-28).
VI. Całkowite wewnętrzne odbicie. Instrumenty optyczne
a) Całkowite wewnętrzne odbicie. Instrumenty optyczne . (Wiadomość ucznia)
(slajdy 29-35)
Całkowite wewnętrzne odbicie ma miejsce, gdy światło uderza w granicę pomiędzy ośrodkiem optycznie gęstszym i ośrodkiem mniej gęstym. Całkowite wewnętrzne odbicie jest stosowane w wielu urządzeniach optycznych. Kąt graniczny dla szkła wynosi 35°-40° w zależności od współczynnika załamania światła danego rodzaju szkła. Dlatego w pryzmatach 45° światło ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu.
Pytanie. Dlaczego obrotowe i obrotowe pryzmaty są lepsze w użyciu niż lustra?
a) Odbijają prawie 100 światła, bo najlepsze lustra odbijają mniej niż 100. Obraz jest jaśniejszy.
c) Ich właściwości pozostają niezmienione, ponieważ lustra metalowe blakną z czasem w wyniku utleniania metalu.
Aplikacja. W peryskopach stosowane są obrotowe pryzmaty. W lornetkach stosowane są pryzmaty odwracalne. W transporcie wykorzystuje się odblask narożny - odblask, mocowany z tyłu - czerwony, z przodu - biały, na szprychach kół rowerowych - pomarańczowy. Retroreflektor lub urządzenie optyczne, które odbija światło z powrotem do źródła oświetlającego je, niezależnie od kąta padania światła na powierzchnię. Wszystkie pojazdy i niebezpieczne odcinki dróg są w nie wyposażone. Wykonane ze szkła lub tworzywa sztucznego.
b) Pytania do powtórzenia. (slajd 36).
c) Światłowód . (Wiadomość studencka). (Slajdy 37-42).
Światłowód opiera się na całkowitym wewnętrznym odbiciu światła. Włókna są szklane lub plastikowe. Ich średnica jest bardzo mała – kilka mikrometrów. Wiązka tych cienkich włókien nazywa się światłowodem; światło przemieszcza się wzdłuż niej prawie bez strat, nawet jeśli światłowód ma złożony kształt. Stosowany jest w lampach dekoracyjnych, do oświetlania strumieni w fontannach.
Do przesyłania sygnałów w telefonach i innych rodzajach komunikacji służą światłowody. Sygnał jest modulowaną wiązką światła i jest przesyłany z mniejszymi stratami niż w przypadku przesyłania sygnału elektrycznego przewodami miedzianymi.
W medycynie światłowody służą do przesyłania wyraźnych obrazów. Wprowadzając „endoskop” przez przełyk lekarz ma możliwość zbadania ścian żołądka. Niektóre włókna wysyłają światło oświetlające żołądek, inne zaś przenoszą światło odbite. Im więcej włókien i im są cieńsze, tym lepszy obraz. Endoskop przydaje się podczas badania żołądka i innych trudno dostępnych miejsc, podczas przygotowywania pacjenta do operacji lub poszukiwania urazów i uszkodzeń bez operacji.
W światłowodzie światło jest całkowicie odbijane od wewnętrznej powierzchni włókna szklanego lub przezroczystego tworzywa sztucznego. Na każdym końcu światłowodu znajdują się soczewki. Na koniec twarzą w stronę obiektu. soczewka zamienia wychodzące z niej promienie w wiązkę równoległą. Na końcu skierowanym w stronę obserwatora znajduje się teleskop, który umożliwia oglądanie obrazu.
VII. Miraże. (Uczeń opowiada, nauczyciel uzupełnia) (Slajdy 43–46).
W XVIII wieku francuska armia Napoleona napotkała miraż w Egipcie. Żołnierze zobaczyli przed sobą „jezioro z drzewami”. Mirage to francuskie słowo, które oznacza „odbijać się jak w lustrze”. Promienie słoneczne przechodzą przez zwierciadło powietrzne, powodując „cuda”. Jeśli ziemia jest dobrze ogrzana, wówczas dolna warstwa powietrza jest znacznie cieplejsza niż warstwy znajdujące się powyżej.
Miraż to zjawisko optyczne występujące w przejrzystej, spokojnej atmosferze o zmiennej temperaturze poszczególnych jej warstw, polegające na tym, że niewidzialne obiekty znajdujące się za horyzontem odbijają się w powietrzu w postaci załamanej.
Dlatego promienie słoneczne przenikające przez warstwę powietrza nigdy nie biegną prosto, ale są zakrzywione. Zjawisko to nazywa się refrakcją.
Miraż ma wiele twarzy. Może być prosty, złożony, górny, dolny, boczny.
Gdy dolne warstwy powietrza są dobrze ogrzane, obserwuje się gorszy miraż - wyimaginowany odwrócony obraz obiektów. Dzieje się tak najczęściej na stepach i pustyniach. Ten typ mirażu można zobaczyć w Azji Środkowej, Kazachstanie i regionie Wołgi.
Jeśli przyziemne warstwy powietrza są znacznie zimniejsze niż górne, pojawia się miraż górny - obraz odrywa się od ziemi i wisi w powietrzu. Obiekty wydają się być bliżej i wyżej, niż są w rzeczywistości. Ten rodzaj mirażu obserwuje się wczesnym rankiem, kiedy promienie słoneczne nie zdążyły jeszcze ogrzać Ziemi.
Na powierzchni morza w upalne dni żeglarze widzą statki zawieszone w powietrzu, a nawet obiekty daleko za horyzontem.
VIII. Niezależna praca. Test - 5 minut. (Slajdy 47-53).
1. Kąt pomiędzy wiązką padającą a płaszczyzną zwierciadła wynosi 30°. Jaki jest kąt odbicia?
2. Dlaczego kolor czerwony jest sygnałem zagrożenia w transporcie?
a) związane z kolorem krwi;
b) lepiej przyciąga wzrok;
c) ma najniższy współczynnik załamania światła;
d) ma najmniejsze rozproszenie w powietrzu
3. Dlaczego pracownicy budowlani noszą pomarańczowe kaski?
a) kolor pomarańczowy jest wyraźnie widoczny z daleka;
b) niewiele się zmienia podczas złej pogody;
c) ma najmniejsze rozpraszanie światła;
d) zgodnie z wymogami bezpieczeństwa pracy.
4. Jak wytłumaczyć grę światła w kamieniach szlachetnych?
a) ich krawędzie są starannie wypolerowane;
b) wysoki współczynnik załamania światła;
c) kamień ma kształt foremnego wielościanu;
d) prawidłowe umiejscowienie kamienia względem promieni świetlnych.
5. Jak zmieni się kąt pomiędzy promieniami padającymi na zwierciadło płaskie a promieniami odbitymi, jeśli kąt padania zwiększymy o 15°?
a) wzrośnie o 30°;
b) zmniejszy się o 30°;
c) wzrośnie o 15°;
d) wzrośnie o 15°;
6. Jaka jest prędkość światła w diamencie, jeśli współczynnik załamania światła wynosi 2,4?
a) około 2 000 000 km/s;
b) około 125 000 km/s;
c) prędkość światła nie zależy od ośrodka, tj. 300 000 km/s;
d) 720 000 km/s.
IX. Podsumowanie lekcji. Praca domowa. (Slajdy 54-56).
Analiza i ocena aktywności uczniów na lekcji. Uczniowie omawiają z nauczycielem efektywność lekcji i oceniają jej wyniki.
1. Ile poprawnych odpowiedzi otrzymałeś?
3. Czy nauczyłeś się czegoś nowego?
4. Najlepszy mówca.
2) Wykonaj eksperyment z monetą w domu.
Literatura
- Gorodecki D.N. Praca testowa z fizyki „Szkoła Wyższa” 1987
- Demkovich V.P. Zbiór problemów fizyki „Oświecenie” 2004
- Giancole D. Fizyka. Wydawnictwo „Mir” 1990
- Perelman AI Fizyka Zabawna Wydawnictwo „Science” 1965
- Lansberg G.D. Podręcznik fizyki elementarnej Wydawnictwo Nauka 1972
- Zasoby internetowe
(Światłowód) Praktyczne zastosowanie zjawiska całkowitego odbicia!
Zastosowanie całkowitego odbicia światła 1. Kiedy tworzy się tęcza 2. Kierowanie światła po zakrzywionej drodze a) Światłowodowe linie komunikacyjne (FOCL) b) Lampy światłowodowe c) Do badania narządów wewnętrznych człowieka (endoskopy)
Schemat powstawania tęczy 1) kropla sferyczna, 2) odbicie wewnętrzne, 3) tęcza pierwotna, 4) załamanie, 5) tęcza wtórna, 6) przychodzący promień światła, 7) droga promienia podczas tworzenia tęczy pierwotnej, 8) droga promienia podczas powstawania tęczy wtórnej, 9) obserwator, 10-12) obszar powstawania tęczy.
Aby skierować światło po zakrzywionej drodze, stosuje się światłowody, które są cienkimi (od kilku mikrometrów do milimetrów) dowolnie zakrzywionymi nitkami wykonanymi z optycznie przezroczystego materiału (szkło, kwarc). Światło padające na koniec światłowodu może przemieszczać się wzdłuż niego na duże odległości w wyniku całkowitego wewnętrznego odbicia od powierzchni bocznych. Światłowody służą do produkcji kabli do komunikacji światłowodowej Łączność światłowodowa wykorzystywana jest do komunikacji telefonicznej i szybkiego Internetu.
Światłowód
Światłowód
Zalety linii światłowodowych Linie światłowodowe mają szereg zalet w porównaniu z przewodowymi (miedzianymi) i radiowymi systemami komunikacji: Niskie tłumienie sygnału pozwala na przesyłanie informacji na znacznie większe odległości bez użycia wzmacniaczy. Duża przepustowość światłowodu pozwala na przesyłanie informacji z dużymi prędkościami nieosiągalnymi przez inne systemy łączności. Wysoka niezawodność środowiska optycznego: światłowody nie utleniają się, nie zamoczą i nie podlegają słabym wpływom elektromagnetycznym. Bezpieczeństwo informacji – informacja przesyłana jest światłowodem „z punktu do punktu”. Nie da się podłączyć do światłowodu i odczytać przesyłanej informacji bez jej uszkodzenia. Wysoka ochrona przed wpływami między włóknami. Promieniowanie w jednym włóknie nie ma absolutnie żadnego wpływu na sygnał w sąsiednim włóknie. Bezpieczeństwo przeciwpożarowe i wybuchowe przy pomiarach parametrów fizykochemicznych Małe wymiary i waga Wady linii światłowodowych Względna kruchość światłowodu. Jeżeli kabel jest mocno zgięty, włókna mogą pęknąć lub zmętnieć na skutek pojawienia się mikropęknięć. Kompleksowa technologia wytwarzania zarówno samego światłowodu, jak i elementów łącza światłowodowego. Trudności w konwersji sygnału Stosunkowo drogie optyczne urządzenia końcowe Światłowód z czasem staje się mętny ze względu na starzenie się.
Oświetlenie światłowodowe
Endoskop (od greckiego ένδον – wnętrze i greckiego σκοπέω – inspekcja) to grupa urządzeń optycznych o różnym przeznaczeniu. Istnieją endoskopy medyczne i techniczne. Endoskopy techniczne służą do oględzin trudno dostępnych wnęk maszyn i urządzeń podczas konserwacji i oceny wydajności (łopatki turbin, cylindry silników spalinowych, ocena stanu rurociągów itp.), ponadto endoskopy techniczne znajdują zastosowanie w systemach bezpieczeństwa do oględzin ukrytych jam (m.in. do kontroli zbiorników z gazem w odprawie celnej. Endoskopy medyczne stosowane są w medycynie do badania i leczenia pustych narządów wewnętrznych człowieka (przełyk, żołądek, oskrzela, cewka moczowa, pęcherz moczowy, żeńskie narządy rozrodcze, nerki, narządy słuchu) ), a także jamy brzusznej i innych jam ciała.
Dziękuję za uwagę!)
Działalność
Peryskop cyfrowy
Oto nowość techniczna.
Tradycyjny kanał optyczny istniejących peryskopów zastępuje się kamerami wideo o wysokiej rozdzielczości i komunikacją światłowodową. Informacje z zewnętrznych kamer monitorujących przesyłane są w czasie rzeczywistym na wielkoformatowy wyświetlacz w centralnej sterowni.
Testy odbywają się na pokładzie okrętu podwodnego SSN 767 Hampton klasy Los Angeles. Nowy model całkowicie zmienia wieloletnią praktykę pracy z peryskopem. Oficer wachtowy obsługuje teraz kamery zamontowane na wysięgniku, regulując wyświetlacz za pomocą joysticka i klawiatury.
Oprócz wyświetlacza umieszczonego na słupku centralnym, obraz z peryskopu można wyświetlić na dowolnie dużej liczbie wyświetlaczy w dowolnym pomieszczeniu łodzi. Kamery umożliwiają jednoczesną obserwację różnych sektorów horyzontu, co znacznie zwiększa szybkość reakcji zegarka na zmiany sytuacji taktycznej na powierzchni.
Jak wytłumaczyć „grę w kamienie”? W biżuterii szlif kamieni dobiera się tak, aby na każdej twarzy występowało pełne odbicie światła.
Całkowite zjawisko wewnętrzne wyjaśnia zjawisko mirażu
Miraż to zjawisko optyczne w atmosferze: odbicie światła przez granicę pomiędzy warstwami powietrza znacznie różniącymi się ciepłem. Dla obserwatora takie odbicie oznacza, że wraz z odległym obiektem (lub częścią nieba) widoczny jest jego wirtualny obraz, przesunięty względem obiektu.
Miraże dzielimy na dolne, widoczne pod obiektem, górne, nad obiektem oraz boczne. Miraż górny obserwuje się nad powierzchnią zimnej ziemi, miraż dolny obserwuje się nad przegrzaną płaską powierzchnią, często pustynią lub asfaltową drogą. Wirtualny obraz nieba tworzy iluzję wody na powierzchni. Tak więc droga rozciągająca się w dal w upalny letni dzień wydaje się mokra. Czasami w pobliżu bardzo nagrzanych ścian lub skał obserwuje się boczny miraż.
Przy pewnym kącie padania światła $(\alpha )_(pad)=(\alpha )_(pred)$, co nazywa się kąt graniczny, kąt załamania jest równy $\frac(\pi )(2),\ $w tym przypadku promień załamany ślizga się wzdłuż granicy ośrodków, zatem nie ma promienia załamanego. Zatem z prawa załamania możemy napisać, że:
Obrazek 1.
W przypadku całkowitego odbicia równanie ma postać:
nie ma rozwiązania w obszarze rzeczywistych wartości kąta załamania ($(\alpha )_(pr)$). W tym przypadku $cos((\alpha )_(pr))$ jest wielkością czysto urojoną. Jeśli przejdziemy do wzorów Fresnela, wygodnie jest przedstawić je w postaci:
gdzie kąt padania jest oznaczony $\alpha $ (dla zwięzłości), $n$ jest współczynnikiem załamania światła ośrodka, w którym rozchodzi się światło.
Ze wzorów Fresnela jasno wynika, że moduły $\left|E_(otr\bot )\right|=\left|E_(otr\bot )\right|$, $\left|E_(otr//)\right |=\ left|E_(otr//)\right|$, co oznacza, że odbicie jest „pełne”.
Notatka 1
Należy zauważyć, że w drugim ośrodku fala niejednorodna nie zanika. Zatem jeśli $\alpha =(\alpha )_0=(arcsin \left(n\right),\ then\ )$ $E_(pr\bot )=2E_(pr\bot ).$ Naruszenie prawa zachowania energii w danym przypadku nr. Ponieważ wzory Fresnela obowiązują dla pola monochromatycznego, to znaczy dla procesu w stanie ustalonym. W tym przypadku prawo zachowania energii wymaga, aby średnia zmiana energii w okresie w drugim ośrodku była równa zeru. Fala wraz z odpowiadającą jej częścią energii przenika przez granicę faz do drugiego ośrodka na małą głębokość rzędu długości fali i przemieszcza się w nim równolegle do granicy faz z prędkością fazową mniejszą od prędkości fazowej fali w ośrodku drugi środek. Wraca do pierwszego medium w punkcie przesuniętym względem punktu wejścia.
Przenikanie fali do drugiego ośrodka można zaobserwować eksperymentalnie. Natężenie fali świetlnej w drugim ośrodku jest zauważalne tylko w odległościach krótszych niż długość fali. W pobliżu granicy faz, na którą fala świetlna opada i ulega całkowitemu odbiciu, po stronie drugiego ośrodka widać poświatę cienkiej warstwy, jeśli w drugim ośrodku znajduje się substancja fluorescencyjna.
Całkowite odbicie powoduje powstawanie miraży, gdy powierzchnia ziemi jest gorąca. Tym samym całkowite odbicie światła pochodzącego od chmur sprawia wrażenie, jakby na powierzchni nagrzanego asfaltu tworzyły się kałuże.
W zwykłej refleksji relacje $\frac(E_(otr\bot ))(E_(pad\bot ))$ i $\frac(E_(otr///))(E_(pad//))$ są zawsze rzeczywiste . Przy pełnym odbiciu są one złożone. Oznacza to, że w tym przypadku faza fali ulega skokowi, choć jest różna od zera lub $\pi $. Jeżeli fala jest spolaryzowana prostopadle do płaszczyzny padania, to możemy napisać:
gdzie $(\delta )_(\bot )$ to pożądany skok fazowy. Przyrównajmy części rzeczywiste i urojone i otrzymamy:
Z wyrażeń (5) otrzymujemy:
Odpowiednio, dla fali spolaryzowanej w płaszczyźnie padania można otrzymać:
Skoki fazowe $(\delta )_(//)$ i $(\delta )_(\bot )$ nie są takie same. Fala odbita będzie spolaryzowana eliptycznie.
Stosowanie całkowitego odbicia
Załóżmy, że dwa identyczne ośrodki są oddzielone cienką szczeliną powietrzną. Fala świetlna pada na nią pod kątem większym niż kąt ograniczający. Może się zdarzyć, że przedostanie się przez szczelinę powietrzną w postaci niejednorodnej fali. Jeśli grubość szczeliny jest niewielka, wówczas fala ta dotrze do drugiej granicy substancji i nie będzie bardzo osłabiona. Po przejściu ze szczeliny powietrznej do substancji fala ponownie zmieni się w jednorodną. Taki eksperyment przeprowadził Newton. Naukowiec docisnął kolejny pryzmat, oszlifowany sferycznie, do przeciwprostokątnej prostopadłościanu. W tym przypadku światło przechodziło do drugiego pryzmatu nie tylko w miejscu ich zetknięcia, ale także w niewielkim pierścieniu wokół styku, w miejscu, gdzie grubość szczeliny jest porównywalna z długością fali. Jeśli obserwacje prowadzono w świetle białym, wówczas krawędź pierścienia miała czerwonawy kolor. Jest tak jak powinno, gdyż głębokość penetracji jest proporcjonalna do długości fali (dla promieni czerwonych jest większa niż dla promieni niebieskich). Zmieniając grubość szczeliny, można zmienić intensywność przepuszczanego światła. Zjawisko to stało się podstawą lekkiego telefonu, który został opatentowany przez firmę Zeiss. W tym urządzeniu jednym z ośrodków jest przezroczysta membrana, która wibruje pod wpływem padającego na nią dźwięku. Światło przechodzące przez szczelinę powietrzną zmienia intensywność w czasie wraz ze zmianami natężenia dźwięku. Uderzając w fotokomórkę, generuje prąd przemienny, który zmienia się wraz ze zmianami natężenia dźwięku. Powstały prąd jest wzmacniany i dalej wykorzystywany.
Zjawiska przenikania fal przez cienkie szczeliny nie są specyficzne dla optyki. Jest to możliwe w przypadku fali dowolnego rodzaju, jeśli prędkość fazowa w szczelinie jest większa niż prędkość fazowa w otoczeniu. Zjawisko to ma ogromne znaczenie w fizyce jądrowej i atomowej.
Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia wykorzystuje się do zmiany kierunku propagacji światła. Do tego celu służą pryzmaty.
Przykład 1
Ćwiczenia: Podaj przykład często występującego zjawiska całkowitego odbicia.
Rozwiązanie:
Możemy podać następujący przykład. Jeśli na autostradzie jest bardzo gorąco, temperatura powietrza jest maksymalna w pobliżu nawierzchni asfaltowej i maleje wraz ze wzrostem odległości od jezdni. Oznacza to, że współczynnik załamania światła powietrza jest minimalny na powierzchni i rośnie wraz ze wzrostem odległości. W rezultacie promienie, które mają mały kąt w stosunku do powierzchni autostrady, są całkowicie odbijane. Jeśli podczas jazdy samochodem skupisz swoją uwagę na odpowiednim fragmencie nawierzchni autostrady, zobaczysz, że dość daleko przed tobą jedzie do góry nogami samochód.
Przykład 2
Ćwiczenia: Jaki jest kąt Brewstera dla wiązki światła padającej na powierzchnię kryształu, jeśli graniczny kąt całkowitego odbicia dla danej wiązki na granicy faz powietrze-kryształ wynosi 400?
Rozwiązanie:
\[(tg(\alfa )_b)=\frac(n)(n_v)=n\lewo(2.2\prawo).\]
Z wyrażenia (2.1) mamy:
Podstawiamy prawą stronę wyrażenia (2.3) do wzoru (2.2) i wyrażamy żądany kąt:
\[(\alpha )_b=arctg\left(\frac(1)((sin \left((\alpha )_(pred)\right)\ ))\right).\]
Przeprowadźmy obliczenia:
\[(\alpha )_b=arctg\left(\frac(1)((sin \left(40()^\circ \right)\ ))\right)\około 57()^\circ .\]
Odpowiedź:$(\alfa)_b=57()^\circ .$