Для початку трохи пофантазуємо. Уявіть спекотний літній день до нашої ери, первісна людина за допомогою остроги полює на рибу. Помічає її становище, цілиться і завдає удару чомусь зовсім не туди, де було видно рибу. Промахнувся? Ні, в руках у рибалки видобуток! Справа в тому, що наш предок інтуїтивно розбирався в темі, яку ми вивчатимемо зараз. У повсякденному житті бачимо, що ложка, опущена в склянку з водою, здається кривою, коли дивимося через скляну банку - предмети здаються викривленими. Всі ці питання ми розглянемо на уроці, тема якого: «Проломлення світла. Закон заломлення світла. Повне внутрішнє відображення».
На попередніх уроках ми говорили про долю променя у двох випадках: що буде, якщо промінь світла поширюється у прозоро однорідному середовищі? Правильна відповідь - вона поширюватиметься прямолінійно. А що буде, коли промінь світла падає на межу поділу двох середовищ? Минулого уроку ми говорили про відбитий промінь, сьогодні ми розглянемо ту частину світлового пучка, яка поглинається середовищем.
Якою ж буде доля променя, що проникла з першого оптично прозорого середовища, у друге оптично прозоре середовище?
Мал. 1. Заломлення світла
Якщо промінь падає на межу розділу двох прозорих середовищ, то частина світлової енергії повертається в перше середовище, створюючи відбитий пучок, а інша частина проходить всередину в друге середовище і при цьому, як правило, змінює свій напрямок.
Зміна напряму поширення світла у разі його проходження через межу поділу двох середовищ називають заломленням світла(Рис. 1).
Мал. 2. Кути падіння, заломлення та відображення
На малюнку 2 ми бачимо промінь, що падає, кут падання позначимо α. Промінь, який задаватиме напрямок заломленого пучка світла, називатимемо заломленим променем. Кут між перпендикуляром до межі розділу середовищ, відновленим з точки падіння, та заломленим променем називають кутом заломлення, на малюнку це кут γ. Для повноти картини дамо ще зображення відображеного променя і, відповідно, кута відбиття β. Який зв'язок між кутом падіння і кутом заломлення, чи можна передбачити, знаючи кут падіння і те, з якого середовища в яке перейшов промінь, яким буде кут заломлення? Виявляється, можна!
Отримаємо закон, який кількісно описує залежність між кутом падіння і кутом заломлення. Скористаємося принципом Гюйгенса, який регламентує поширення хвилі серед. Закон складається із двох частин.
Падаючий промінь, заломлений промінь і перпендикуляр, відновлений в точку падіння, лежать в одній площині.
Відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення є постійна величина для двох даних середовищ і дорівнює відношенню швидкостей світла в цих середовищах.
Цей закон називають законом Снелліуса, на честь голландського вченого, який вперше його сформулював. Причина заломлення - у різниці швидкостей світла у різних середовищах. Переконатися у справедливості закону заломлення можна, експериментально спрямовуючи промінь світла під різними кутами на межу поділу двох середовищ і вимірюючи кути падіння та заломлення. Якщо змінювати ці кути, вимірювати синуси і знаходити відносини синусів цих кутів, ми переконаємося в тому, що закон заломлення справді справедливий.
Докази закону заломлення за допомогою принципу Гюйгенса – ще одне підтвердження хвильової природи світла.
Відносний показник заломлення n 21 показує, скільки разів швидкість світла V 1 в першому середовищі відрізняється від швидкості світла V 2 в другому середовищі.
Відносний показник заломлення - це наочна демонстрація того факту, що причина зміни напрямку світла при переході з одного середовища до іншого - це різна швидкість світла у двох середовищах. Часто характеристики оптичних властивостей середовища користуються поняттям «оптична щільність середовища» (рис. 3).
Мал. 3. Оптична густина середовища (α > γ)
Якщо промінь переходить із середовища з більшою швидкістю світла в середу з меншою швидкістю світла, то, як видно з малюнка 3 і закону заломлення світла, він притискатиметься до перпендикуляра, тобто кут заломлення менше, ніж кут падіння. У цьому випадку кажуть, що промінь перейшов з менш щільного оптичного середовища більш оптично щільне середовище. Приклад: повітря у воду; води в скло.
Можлива і зворотна ситуація: швидкість світла у першому середовищі менша за швидкість світла у другому середовищі (рис. 4).
Мал. 4. Оптична густина середовища (α< γ)
Тоді кут заломлення буде більшим за кут падіння, а про такий перехід скажуть, що він зроблений з оптично більш щільного в менш оптично щільне середовище (зі скла у воду).
Оптична щільність двох середовищ може відрізнятися досить суттєво, таким чином стає можлива ситуація, наведена на фотографії (рис. 5):
Мал. 5. Відмінність оптичної щільності середовищ
Зверніть увагу, наскільки зміщена голова щодо тулуба, що знаходиться в рідині, у середовищі з більшою оптичною щільністю.
Однак відносний показник заломлення - не завжди зручна для роботи характеристика, тому що він залежить від швидкостей світла в першому та другому середовищах, а от таких поєднань і комбінацій двох середовищ може бути дуже багато (вода - повітря, скло - алмаз, гліцерин - спирт , скло - вода і так далі). Таблиці були б дуже громіздкими, працювати було б незручно, і тоді запровадили одне абсолютне середовище, порівняно з яким порівнюють швидкість світла в інших середовищах. Як абсолют був обраний вакуум і швидкості світла порівнюються зі швидкістю світла у вакуумі.
Абсолютний показник заломлення середовища n- це величина, яка характеризує оптичну щільність середовища та дорівнює відношенню швидкості світла Зу вакуумі до швидкості світла у цьому середовищі.
Абсолютний показник заломлення зручніший для роботи, адже ми швидкість світла у вакуумі знаємо завжди, вона дорівнює 3·10 8 м/с і є універсальною фізичною постійною.
Абсолютний показник заломлення залежить від зовнішніх параметрів: температури, щільності, а також довжини хвилі світла, тому в таблицях зазвичай вказують середній показник заломлення для даного діапазону довжин хвиль. Якщо порівняти показники заломлення повітря, води та скла (Рис. 6), то бачимо, що у повітря показник заломлення близький до одиниці, тому ми і його братимемо при вирішенні завдань за одиницю.
Мал. 6. Таблиця абсолютних показників заломлення для різних середовищ
Нескладно отримати зв'язок абсолютного та відносного показника заломлення середовищ.
Відносний показник заломлення , тобто для променя, що переходить із середовища один у середу два, дорівнює відношенню абсолютного показника заломлення у другому середовищі до абсолютного показника заломлення у першому середовищі.
Наприклад: 
= ≈ 1,16
Якщо абсолютні показники заломлення двох середовищ практично однакові, це означає, що відносний показник заломлення при переході з одного середовища в інше дорівнюватиме одиниці, тобто промінь світла фактично не буде переломлюватися. Наприклад, при переході з анісової олії в дорогоцінний камінь берил світло практично не відхилиться, тобто поводитиметься так, як при проходженні анісової олії, оскільки показник заломлення у них 1,56 і 1,57 відповідно, таким чином, дорогоцінний камінь можна як би сховати у рідині, його просто не буде видно.
Якщо налити воду в прозору склянку і подивитися через стінку склянки на світло, ми побачимо сріблястий блиск поверхні внаслідок явища повного внутрішнього відображення, про яке зараз йтиметься. При переході променя світла з більш щільного оптичного середовища менш щільне оптичне середовище може спостерігатися цікавий ефект. Для певності вважатимемо, що світло йде з води у повітря. Припустимо, що в глибині водоймища знаходиться точкове джерело світла S, що випускає промені на всі боки. Наприклад, водолаз світить ліхтариком.
Промінь SО 1 падає на поверхню води під найменшим кутом, цей промінь частково заломлюється - промінь О 1 А 1 і частково відбивається назад у воду - промінь О 1 В 1 . Таким чином, частина енергії падаючого променя передається заломленому променю, а частина енергії, що залишилася - відбитому променю.
Мал. 7. Повне внутрішнє відображення
Промінь SО 2 , чий кут падіння більший, також поділяється на два промені: заломлений і відбитий, але енергія вихідного променя розподіляється між ними вже по-іншому: заломлений промінь О 2 А 2 буде тьмянішим, ніж промінь О 1 А 1 , тобто отримає меншу частку енергії, а відбитий промінь О 2 В 2 відповідно буде яскравіше, ніж промінь О 1 В 1 , тобто отримає велику частку енергії. У міру збільшення кута падіння простежується все та ж закономірність - все більша частка енергії падаючого променя дістається відбитому променю і менша - заломленому променю. Заломлений промінь стає тьмянішим і в якийсь момент зникає зовсім, це зникнення відбувається при досягненні кута падіння, якому відповідає кут заломлення 90 0 . У цій ситуації заломлений промінь ОА мав би піти паралельно поверхні води, але йти вже нема чому - вся енергія падаючого променя SО цілком дісталася відбитому променю ВВ. Природно, що при подальшому збільшенні кута падіння заломлений промінь відсутній. Описане явище і є повне внутрішнє відображення, тобто щільніше оптичне середовище при розглянутих кутах не випускає із себе промені, всі вони відбиваються всередину неї. Кут, у якому настає це явище, називається граничним кутом повного внутрішнього відбиття.
Величину граничного кута легко знайти із закону заломлення:
= => = arcsin, для води ≈ 49 0
Найцікавішим та затребуваним застосуванням явища повного внутрішнього відображення є так звані хвилеводи, або волоконна оптика. Це якраз той спосіб подачі сигналів, який використовується сучасними телекомунікаційними компаніями в Інтернеті.
Ми отримали закон заломлення світла, запровадили нове поняття - відносний та абсолютний показники заломлення, а також розібралися з явищем повного внутрішнього відображення та його застосуванням, таким як волоконна оптика. Закріпити знання можна, розібравши відповідні тести та тренажери у розділі уроку.
Отримаємо підтвердження закону заломлення світла з допомогою принципу Гюйгенса. Важливо розуміти, що причина заломлення - це різниця швидкостей світла у двох різних середовищах. Позначимо швидкість світла першому середовищі V 1 , тоді як у другому середовищі - V 2 (рис. 8).
Мал. 8. Доказ закону заломлення світла
Нехай на плоску межу поділу двох середовищ, наприклад, з повітря у воду, падає плоска світлова хвиля. Хвильова поверхня АС перпендикулярна променям і поверхні розділу середовищ МN спочатку досягає промінь , а промінь досягне цієї ж поверхні через проміжок часу ∆t, який буде дорівнює шляху СВ, поділеному на швидкість світла в першому середовищі .
Тому в момент часу, коли вторинна хвиля в точці В тільки почне збуджуватися, хвиля від точки А вже має вигляд напівсфери радіусом АD, що дорівнює швидкості світла в другому середовищі на ∆t: АD = ·∆t, тобто принцип Гюйгенса в наочній дії . Хвильову поверхню заломленої хвилі можна отримати, провівши поверхню, що стосується всіх вторинних хвиль у другому середовищі, центри яких лежать на межі розділу середовищ, в даному випадку це площина ВD, вона є вторинних хвиль, що обгинає. Кут падіння α променя дорівнює куту САВ у трикутнику АВС, сторони одного з цих кутів перпендикулярні сторонам іншого. Отже, СВ дорівнюватиме швидкості світла в першому середовищі на ∆t
СВ = · ∆t = АВ · sin α
У свою чергу, кут заломлення дорівнюватиме куту АВD у трикутнику АВD, тому:
АD = · ∆t = АВ · sin γ
Розділивши почленно вирази один на одного, отримаємо:
n - постійна величина, яка залежить від кута падіння.
Ми отримали закон заломлення світла, синус кута падіння до синуса кута заломлення є величина постійна для двох середовищ і рівна відношенню швидкостей світла в двох даних середовищах.
Кубична судина з непрозорими стінками розташована так, що око спостерігача не бачить його дна, але повністю бачить стінку судини CD. Яку кількість води потрібно налити в посудину, щоб спостерігач зміг побачити предмет F, що знаходиться на відстані b = 10 см від кута D? Ребро судини α = 40 см (рис. 9).
Що дуже важливо при вирішенні цього завдання? Здогадатися, що оскільки око не бачить дна судини, але бачить крайню точку бічної стінки, а посудина є кубом, то кут падіння променя на поверхню води, коли ми її наллємо, буде дорівнює 45 0 .
Мал. 9. Завдання ЄДІ
Промінь падає в точку F, це означає, що ми бачимо чітко предмет, а чорним пунктиром зображений хід променя, якби не було води, тобто до точки D. З трикутника NFК тангенс кута β, тангенс кута заломлення - це відношення протилежного катета до прилеглого або, виходячи з малюнка, мінус b, поділене на h.
tg β = = , h – це висота рідини, яку ми налили;
Найбільш інтенсивне явище повного внутрішнього відбиття використовується у волоконних оптичних системах.
Мал. 10. Волоконна оптика
Якщо торець суцільної скляної трубки направити пучок світла, то після багаторазового повного внутрішнього відбиття пучок вийде з протилежного боку трубки. Виходить, що скляна трубка – провідник світлової хвилі або хвилевід. Це відбудеться незалежно від того, чи пряма трубка або вигнута (Мал. 10). Перші світловоди, це друга назва хвилеводів, використовувалися для підсвічування важкодоступних місць (під час проведення медичних досліджень, коли світло подається однією кінець світловоду, а другий кінець висвітлює потрібне місце). Основне застосування - це медицина, дефектоскопія двигунів, проте найбільше застосування такі хвилеводи отримали в системах передачі інформації. Несуча частота при передачі сигналу світловою хвилею в мільйон разів перевищує частоту радіосигналу, це означає, що кількість інформації, яку ми можемо передати за допомогою світлової хвилі, в мільйони разів більша за кількість інформації, що передається радіохвилями. Це чудова можливість передачі величезної інформації простим та недорогим способом. Як правило, інформація про волоконний кабель передається за допомогою лазерного випромінювання. Волоконна оптика незамінна для швидкої та якісної передачі комп'ютерного сигналу, що містить великий обсяг інформації, що передається. А в основі цього лежить таке просте і звичайне явище, як заломлення світла.
Список літератури
- Тихомирова С.А., Яворський Б.М. Фізика (базовий рівень) – М.: Мнемозіна, 2012.
- Генденштейн Л.Е., Дік Ю.І. Фізика 10 клас. – К.: Мнемозіна, 2014.
- Кікоїн І.К., Кікоїн А.К. Фізика - 9, Москва, Просвітництво, 1990.
- Edu.glavsprav.ru ().
- Nvtc.ee().
- Raal100.narod.ru ().
- Optika.ucoz.ru ().
Домашнє завдання
- Дати визначення заломлення світла.
- Назвіть причину заломлення світла.
- Назвіть найзатребуваніші застосування повного внутрішнього відображення.
Клас: 11
Презентація до уроку
Назад вперед
Увага! Попередній перегляд слайдів використовується виключно для ознайомлення та може не давати уявлення про всі можливості презентації. Якщо вас зацікавила ця робота, будь ласка, завантажте повну версію.
Цілі уроку:
Навчальні:
- Учні повинні повторити і узагальнити знання отримані щодо теми “Відображення і заломлення світла”: явище прямолінійності поширення світла в однорідній середовищі, закон відображення, закон заломлення, закон повного відображення.
- Розглянути застосування законів у науці, техніці, оптичних приладах, медицині, на транспорті, у будівництві, у побуті, навколишньому світі,
- Вміти застосовувати отримані знання під час вирішення якісних, розрахункових та експериментальних завдань;
Розвиваючі:
- розширити кругозір учнів, розвиток логічного мислення, інтелекту;
- вміти проводити порівняння, робити введення;
- розвинути монологічну мову, вміти виступати перед аудиторією.
- навчити видобувати інформацію з додаткової літератури та з Інтернету, аналізувати її.
Виховні:
- прищеплювати інтерес до предмета фізика;
- навчити самостійності, відповідальності, упевненості;
- створити ситуацію успіху та дружньої підтримки у процесі уроку.
Обладнання та наочні посібники:
- Прилад із геометричної оптики, дзеркала, призми, катафот, бінокль, оптоволокно, прилади для досвіду.
- Комп'ютер, відеопроектор, екран, презентація “Практичне застосування законів відбиття та заломлення світла”
План уроку.
I. Тема та мета уроку (2 хвилини)
ІІ. Повторення (фронтальне опитування) – 4 хвилини
ІІІ. Застосування прямолінійності поширення світла. Завдання (біля дошки). - 5 хвилин
IV. Застосування закону відображення світла. - 4 хвилини
V. Застосування закону заломлення світла:
1) Досвід – 4 хвилини
2) Завдання – 5 хвилин
VI Застосування повного внутрішнього відбиття світла:
а) Оптичні прилади – 4 хвилини.
в) Волоконна оптика – 4 хвилини.
VII Міражі - 4 хвилини
VIII. Самостійна робота - 7 хв.
IХ Підбиття підсумків уроку. Домашнє завдання – 2 хв.
Разом: 45 хв
Хід уроку
I. Тема уроку, ціль, завдання, зміст . (Слайд1-2)
Епіграф. (Слайд 3)
Чудовий дар природи вічної,
Дар безцінний і святий,
У ньому джерело нескінченне
Насолода красою:
Небо, сонце, зірок сяйво,
Море у блиску блакитному –
Усю картину світобудови
Ми лише у світі пізнаємо.
І.А.Бунін
ІІ. Повторення
Викладач:
а) Геометрична оптика. (Слайди 4-7)
Світло в однорідному середовищі поширюється прямолінійно. Або в однорідному середовищі світлові промені є прямими лініями.
Лінія, вздовж якої поширюється світлова енергія, називається променем. Прямолінійність поширення світла зі швидкістю 300000км/с використовується у геометричній оптиці.
Приклад:Застосовується під час перевірки променю прямолінійності відструганої дошки.
Можливість бачити предмети, що не світяться, пов'язана з тим, що всяке тіло частково відбиває, а частково поглинає падаюче на нього світло. (Місяць). Середовище, в якому швидкість поширення світла менша, є оптично більш щільним середовищем. Заломлення світла - це зміна напрямку променя світла під час перетину кордону між середовищами. Заломлення світла пояснюється різницею у швидкостях поширення світла під час переходу з одного середовища до іншого
б) Демонстрація явища відображення та заломлення на приладі “Оптичний диск”
в) Запитання для повторення. (Слайд 8)
ІІІ. Застосування прямолінійності поширення світла. Завдання (біля дошки).
а) Утворення тіні та півтіні. (Слайд 9).
Прямолінійністю поширення світла пояснюється утворення тіні та півтіні. При малих розмірах джерела або якщо джерело знаходиться на відстані, в порівнянні з яким розмірами джерела можна знехтувати виходить тільки тінь. При великих розмірах джерела світла або якщо джерело знаходиться близько до предмета, створюються нерізкі тіні (тінь і півтінь).
б) Висвітлення Місяця. (Слайд10).
Місяць своїм шляхом навколо Землі освітлюється Сонцем, він сам не світиться.
1. молодик, 3. перша чверть, 5. повний місяць, 7. остання чверть.
в) Застосування прямолінійності поширення світла у будівництві, у будівництві доріг та мостів. (Слайди 11-14)
г) Завдання №1352 (Д) (що навчається біля дошки). Довжина тіні від Останкінської телевізійної вежі, освітленої сонцем, у певний момент часу дорівнювала 600 м; довжина тіні від людини заввишки 1,75 м у той самий момент часу дорівнювала 2 м. Яка висота вежі? (Слайд 15-16)
За цим принципом можна визначити висоту недоступного предмета: висоту будинку; висоту прямовисної скелі; висоту високого дерева.
д) Запитання для повторення. (Слайд 17)
IV. Застосування закону відображення світла. (Слайди 18-21).
а) Дзеркала (Повідомлення учня).
Світло, зустрічна на своєму шляху якийсь об'єкт, відбивається від його поверхні. Якщо вона не рівна, то відбиття відбувається в багатьох напрямках і світло розсіюється. Коли ж поверхня гладка, то всі промені відходять від неї паралельно один одному і виходить дзеркальне відбиття. Форма у дзеркал може бути різною. Вони бувають плоскими, сферичними, ціоіндричними, пароболічними і т.д. Світло, що виходить з об'єкта, поширюється у вигляді променів, які, падаючи на дзеркало, відбиваються. Якщо вони знову після цього зберуться в будь-якій точці, то кажуть, що в ній виникла дія зображення об'єкта. Якщо ж промені залишаються роз'єднаними, але в якійсь точці сходяться їх продовження, то нам здається, що промені виходять з неї саме там знаходиться об'єкт. Це так зване уявне зображення, яке створюється в уяві спостереження. За допомогою увігнутих дзеркал можна проектувати зображення на якусь поверхню або збирати в одній точці слабке світло, що приходить від віддаленого об'єкта, як це буває при спостереженні зірок за допомогою телескопа-рефлектора. В обох випадках зображення виходить дійсним, інші дзеркала використовуються для того, щоб бачити в них об'єкт у натуральну величину (звичайні плоскі дзеркала), збільшеним (такі дзеркальця носять у дамській сумочці) або зменшеним (дзеркала заднього виду в автомобілях). Отримані при цьому зображення є уявними (віртуальними). А за допомогою кривих несферичних дзеркал можна робити зображення спотвореним.
V. Застосування закону заломлення світла. (Слайди 22-23).
а) Хід променів у скляній платівці .
б) Хід променів у трикутній призмі . Побудувати та пояснити. (Учень дошки)
в) Досвід: Застосування закону заломлення. (Повідомлення учня.) (Слайди 24)
Недосвідчені купальники нерідко наражаються на велику небезпеку тільки тому, що забувають про один цікавий наслідок закону заломлення світла. Вони не знають, що заломлення немовби піднімає всі занурені у воду предмети вище за справжнє їхнє положення. Дно ставка, річки, водоймища видається оку піднятим майже на третину глибини. Особливо важливо знати це дітям і взагалі людям невисокого зростання, для яких помилка у визначенні глибини може бути фатальною. Причина заломлення світлових променів.
Досвід: На дно, що стоїть перед учнями чашки, покласти монетку так. щоб вона не була видна учню. Попросити його не повертаючи голови, налити в чашку води, то монета "випливе". Якщо з чашки спринцівкою видалити воду, то дно з монетою знову опуститься. Пояснити досвід. Провести досвід кожному будинку.
г) Завдання.Справжня глибина ділянки водойми дорівнює 2 метри. Яка глибина для людини, що дивиться на дно під кутом 60° до поверхні води. Показник заломлення води дорівнює 1,33.
(Слайди 25-26). . д) Питання для повторення
(Слайд 27-28).
VI. Повне внутрішнє відбиток. Оптичні прилади . а) Повне внутрішнє відбиток. Оптичні прилади
(Повідомлення учня)
(Слайди 29-35)
Повне внутрішнє відображення відбувається у тому випадку, коли світло падає на межу між оптично більш щільним середовищем і менш щільним середовищем. Повне внутрішнє відбиток знаходить застосування у багатьох оптичних приладах. Граничний кут скла 35°-40° залежно від показника заломлення даного сорту скла. Тому в 45° призмах світло відчуватиме повне внутрішнє відображення.
Запитання. Чому оборотні та поворотні призми краще застосовувати, ніж дзеркала?
а) Вони відбивають майже 100 світла, оскільки найкращі дзеркала - менше 100. Зображення виходить яскравішим.
в) Їх властивості залишаються незмінними, оскільки металеві дзеркала тьмяніють із часом через окислення металу. Застосування.
Поворотні призми застосовують у перископах. Оборотні призми – у біноклях. На транспорті застосовується кутовий відбивач – катафот, його зміцнюють позаду – червоний, попереду – білий, на спицях коліс велосипеда – помаранчевий. Світлоповертач або оптичний пристрій, що відображає світло назад до джерела, що його висвітлює, незалежно від кута падіння світла на поверхню. Ними обладнуються всі транспортні засоби та небезпечні ділянки доріг. Виготовляється із скла або пластмас.
б) Запитання для повторення. (Слайд 36). . в) Волоконна оптика
(повідомлення учня). (Слайди 37-42).
Світловоди знаходять застосування передачі сигналів в телефонної та інших видах зв'язку. Сигнал являє собою модульований світловий пучок і передається з меншими втратами, ніж при передачі електричного сигналу мідними проводами.
Світловоди застосовуються у медицині – передача чіткого зображення. Вводячи через стравохід “ендоскоп” лікар отримує можливість обстежити стінки шлунка. За одними волокнами посилається світло для освітлення шлунка, за іншими йде відбите світло. Чим більше волокон, і чим вони тонші, тим краще виходить зображення. Ендоскоп корисний при обстеженні шлунка та інших важкодоступних місць, під час підготовки хворого до операції або при пошуках травм та ушкоджень без хірургічного втручання.
У світловоді відбувається повне відображення світла від внутрішньої поверхні скляного чи прозорого пластикового волокна. На кожному з торців світловода є лінзи. На торці зверненому об'єкту. лінза перетворює промені, що виходять з нього, в паралельний пучок. На торці, зверненому до спостерігача, є зорова труба, що дозволяє розглянути зображення.
VII. Міражі. (Учень розповідає, доповнює вчитель) (Слайди 43-46).
Французька армія Наполеона у 18 столітті зустрілася в Єгипті з міражем. Солдати побачили попереду "озеро з деревами". Міраж - французьке слово, означає "відбивати як у дзеркалі". Сонячне проміння проходить через повітряне дзеркало, породжують "чудеса". Якщо земля добре нагріта, нижній шар повітря значно тепліше, ніж шари розташовані вище.
Міраж - оптичне явище в ясній, спокійній атмосфері при різній нагрітості окремих її шарів, що полягає в тому, що невидимі предмети, що знаходяться за горизонтом, відображаються в заломленій формі в повітрі.
Тому сонячні промені, пронизуючи повітряну товщу, ніколи не йдуть прямолінійно, а викривляються. Це називається рефракцією.
Міраж багатоликий. Він може бути простим, складним, верхнім, нижнім, бічним.
Коли нижні шари повітря добре нагріті, спостерігається нижній міраж – уявне перевернуте зображення предметів. Так найчастіше буває в степах та пустелях. Цей вид міражу можна побачити в Середній Азії, Казахстані, Поволжі.
Якщо приземні шари повітря набагато холодніше, ніж верхні, виникає верхній міраж - зображення відривається від землі і повисає в повітрі. Предмети здаються ближчими і вищими, ніж насправді. Цей вид міражу спостерігається рано-вранці, коли сонячні промені ще не встигли зігріти Землю.
На поверхні моря в спекотні дні моряки бачать кораблі, що повисли в повітрі, і навіть предмети далеко за обрієм.
VIII. Самостійна робота. Тест - 5 хв. (Слайди 47-53).
1. Кут між падаючим променем і площиною дзеркала дорівнює 30 °. Чому дорівнює кут відбиття?
2. Чому для транспортування світловим сигналом небезпеки є червоний колір?
а) асоціюється із кольором крові;
б) краще впадає у вічі;
в) має найменший показник заломлення;
г) має найменше розсіювання у повітрі
3. Чому робітники на будівництві носять каски оранжевого кольору?
а) помаранчевий колір добре помітний з відривом;
б) мало змінюється під час негоди;
в) має найменше розсіювання світла;
г) згідно з вимогою безпеки праці.
4. Чим пояснити гру світла в дорогоцінному камінні?
а) їхні грані ретельно шліфуються;
б) великим показником заломлення;
в) камінь має форму правильного багатогранника;
г) правильним розташуванням дорогоцінного каменю по відношенню до світлових променів.
5. Як зміниться кут між падаючим на плоске дзеркало та відбитим променем, якщо кут падіння збільшити на 15°?
а) збільшиться на 30 °;
б) зменшиться на 30°;
в) збільшиться на 15 °;
г) збільшиться на 15 °;
6. Яка швидкість світла в алмазі, якщо показник заломлення дорівнює 2,4?
а) приблизно 2000000 км/с;
б) приблизно 125 000 км/с;
в) швидкість світла залежить від середовища, тобто. 300 000 км/с;
г) 720 000 км/с.
ІХ. Підбиття підсумків уроку. Домашнє завдання. (Слайди 54-56).
Аналіз та оцінка діяльності учнів на уроці. Учні обговорюють разом із учителем результативність уроку, оцінюють своєї діяльності.
1. Скільки правильних відповідей ви отримали?
3. Чи дізнались ви щось нове?
4. Найкращий доповідач.
2) Зробити досвід з монетою вдома.
Література
- Городецький Д.М. Перевірочні роботи з фізики "Вища школа"1987
- Демковіч В.П. Збірник завдань з фізики "Освіта" 2004
- Джанколі Д. Фізика. Видавництво "Мир" 1990
- Перельман О.І. Цікава фізика Видавництво "Наука" 1965
- Лансберг Г.Д. Елементарний підручник фізики Видавництво "Наука" 1972
- Інтернет ресурси
(Волоконна оптика) Практичне застосування явища повного відображення!
Застосування повного відбиття світла 1. При утворенні веселки 2. Для спрямування світла по вигнаному шляху а) Волоконно – оптичні лінії зв'язку (ВОЛЗ) б) Оптико – волоконні світильники в) Для дослідження внутрішніх органів людини (ендоскопи)
Схема утворення веселки 1) сферична крапля; 2) внутрішнє відображення; 3) первинна веселка; 4) заломлення; 5) вторинна веселка; 6) вхідний промінь світла; 7) хід променів при формуванні первинної веселки; 9) спостерігач, 10-12) область формування веселки.
Для напряму світла по ізогно - тому шляху застосовуються оптичні волокна, які є тонкі (від кількох мікрометрів до міліметрів) довільно вигнуті нитки з оптично прозорого матеріалу (скло, кварц). Світло, що потрапляє на торець світловода, може поширюватися на великі відстані за рахунок повного внутрішнього відображення від бічних поверхонь. З оптичних волокон виготовляють кабелі для волоконно-оптичного зв'язку Волоконно-оптичний зв'язок застосовується для телефонного зв'язку та високошвидкісного Інтернету
Оптико-волоконний кабель
Оптико-волоконний кабель
Переваги ВОЛЗ Волоконно-оптичні лінії мають ряд переваг перед провідними (мідними) та радіорелейними системами зв'язку: Мале згасання сигналу дозволяє передавати інформацію на значно більшу відстань без використання підсилювачів. Висока пропускна здатність оптичного волокна дозволяє передавати інформацію високої швидкості, недосяжної інших систем зв'язку. Висока надійність оптичного середовища: оптичні волокна не окислюються, не намокають, не схильні до слабкого електромагнітного впливу. Інформаційна безпека - інформація з оптичного волокна передається «з точки в крапку». Підключитися до волокна і вважати інформацію, що передається, не пошкодивши його, неможливо. Висока захищеність від міжволоконних впливів. Випромінювання в одному волокні зовсім не впливає на сигнал у сусідньому волокні. Пожежно- та вибухобезпечність при вимірюванні фізичних та хімічних параметрів Малі габарити та маса Недоліки ВОЛЗ Відносна крихкість оптичного волокна. При сильному згинанні кабелю можлива поломка волокон або їх замутнення через виникнення мікротріщин. Складна технологія виготовлення як волокна, так і компонентів ВОЛЗ. Складність перетворення сигналу Відносна дорожнеча оптичного кінцевого обладнання Замутнення волокна з часом внаслідок старіння.
Оптико - волоконне підсвічування
Ендоскоп (від грец. ένδον - усередині та грец. σκοπέω - огляд) - група оптичних приладів різного призначення. Розрізняють медичні та технічні ендоскопи. Технічні ендоскопи використовуються для огляду важкодоступних порожнин машин та обладнання при технічному обслуговуванні та оцінці працездатності (лопатки турбін, циліндри двигунів внутрішнього згоряння, оцінка стану трубопроводів і т. д.), крім того, технічні ендоскопи використовуються в системах безпеки для огляду прихованих порожнин ( в тому числі для огляду бензобаків на митниці Медичні ендоскопи використовуються в медицині для дослідження та лікування порожнистих внутрішніх органів людини (стравохід, шлунок, бронхи, сечівник, сечовий міхур, жіночі репродуктивні органи, нирки, органи слуху), а також черевної та інших порожнин тіла .
Дякую за увагу!)
Activity
Цифровий перископ
Перед вами - технічна новинка.
Традиційний оптичний канал існуючих перископів замінений відеокамерами високої роздільної здатності та оптоволоконним зв'язком. Інформація з камер зовнішнього спостереження передається як реального часу на широкоформатний дисплей у центральному посту.
Випробування проходять на борту підводного човна SSN 767 Hampton типу Los-Angeles. Нова модель повністю змінює практику роботи з перископом, що складалася десятиліттями. Тепер вахтовий офіцер працює зі встановленими на штанзі камерами, регулюючи відображення на дисплеї за допомогою джойстика та клавіатури.
Крім дисплея в центральному посту зображення з перископа може виводитися на скільки завгодно велика кількість дисплеїв у будь-яких приміщеннях човна. Камери дають можливість спостерігати одночасно за різними секторами горизонту, що значно підвищує швидкість реакції вахти зміни тактичної обстановки лежить на поверхні.
Чим пояснити "гру каміння"? В ювелірній справі ограновування каміння підбирається так, що на кожній грані спостерігається повне відображення світла.
Повним внутрішнім явищем пояснюється явище міражу
Міраж - оптичне явище в атмосфері: відображення світла кордоном між різко різними по теплоті шарами повітря. Для спостерігача таке відбиток у тому, що з віддаленим об'єктом (чи ділянкою неба) видно його уявне зображення, зміщене щодо предмета.
Міражі розрізняють на нижні, видимі під об'єктом, верхні - над об'єктом, і бічні. Верхній міраж спостерігається над холодною земною поверхнею, нижній міраж - над перегрітою рівною поверхнею, часто пустелею або асфальтованою дорогою. Уявне зображення піднебіння створює при цьому ілюзію води на поверхні. Так, дорога, що йде вдалину, в спекотний літній день здається мокрою. Бічний міраж іноді спостерігається біля сильно нагрітих стін або скель.
При деякому куті падіння світла $(\alpha)_(pad)=(\alpha)_(pred)$, який називають граничним кутом, Кут заломлення дорівнює $\frac(\pi )(2),\ $при цьому заломлений промінь ковзає по поверхні розділу середовищ, отже, заломлений промінь відсутній. Тоді із закону заломлення можна записати, що:
Малюнок 1.
У разі повного відображення рівняння:
немає рішення у сфері дійсних значень кута заломлення ($(\alpha )_(pr)$). У разі $cos((\alpha )_(pr))$ чисто уявна величина. Якщо звернутися до Формулів Френеля, то їх зручно подати у вигляді:
де кут падіння позначений $ \ alpha $ (для стислості написання), $ n $ - показник заломлення середовища, де світло поширюється.
З формул Френеля видно, що модулі $\left|E_(otr\bot )\right|=\left|E_(otr\bot )\right|$, $\left|E_(otr//)\right|=\ left|E_(otr//)\right|$, що означає, що відображення є "повним".
Зауваження 1
Слід зазначити, що неоднорідна хвиля у другому середовищі не зникає. Так, якщо $\alpha =(\alpha )_0=(arcsin \left(n\right),\ то\ )$ $E_(pr\bot )=2E_(pr\bot ).$ Порушення закону збереження енергії в даному у разі немає. Так як формули Френеля справедливі для монохроматичного поля, тобто до процесу, що встановився. У такому випадку закон збереження енергії вимагає, щоб середня за період зміна енергії в другому середовищі дорівнювала нулю. Хвиля і відповідна частка енергії проникає через межу розділу у друге середовище на невелику глибину порядку довжини хвилі і рухається в ній паралельно межі розділу з фазовою швидкістю, яка менша за фазову швидкість хвилі в другому середовищі. Він повертається у перше середовище в точці, яка зміщена щодо точки входу.
Проникнення хвилі в друге середовище можна спостерігати в експерименті. Інтенсивність світлової хвилі у другому середовищі помітна лише з відстанях менших довжини хвилі. Біля поверхні розділу, на яку падає хвиля світла, яка відчуває повне відображення, на стороні другого середовища можна бачити світіння тонкого шару, якщо в другому середовищі є речовина, що флуоресціює.
Повне відображення викликає виникнення міражів, коли поверхня землі має високу температуру. Так, повне відображення світла, що йде від хмар, призводить до появи враження, що на поверхні нагрітого асфальту знаходяться калюжі.
При звичайному відображенні відношення $\frac(E_(otr\bot ))(E_(pad\bot ))$ і $\frac(E_(otr//))(E_(pad//))$ завжди речові. За повного відображення вони комплексні. Це означає, що в такому випадку фаза хвилі терпить стрибок, при цьому він відрізняється від нуля або $ $ $. Якщо хвиля поляризована перпендикулярно до площини падіння, то можна записати:
де $(\delta )_(\bot )$ - шуканий стрибок фази. Прирівняємо речові та уявні частини, маємо:
З виразів (5) отримуємо:
Відповідно, для хвилі, яка поляризована у площині падіння можна отримати:
Стрибки фаз $(\delta )_(//)$ і $(\delta )_(\bot )$ не однакові. Відбита хвиля буде поляризована еліптично.
Застосування повного відображення
Припустимо, що два однакові середовища розділені тонким повітряним проміжком. На нього падає світлова хвиля під кутом, який більший, ніж граничний. Може скластися так, що вона проникне у повітряний проміжок як неоднорідна хвиля. Якщо товщина зазору мала, то ця хвиля досягне другої межі речовини і при цьому буде не дуже ослабленою. Перейшовши з повітряного проміжку на речовину, хвиля перетвориться знову на однорідну. Такий досвід було проведено ще Ньютоном. Вчений притискав до гіпотенузної грані прямокутної призми іншу призму, яка зі шліфована сферично. При цьому світло проходило в другу призму не тільки там, де вони стикаються, але і в невеликому кільці навколо контакту, в місці, де товщина зазору можна порівняти з довгою хвилею. Якщо спостереження проводилися в білому світлі, то край кільця мав червоне забарвлення. Так і має бути, тому що глибина проникнення пропорційна довжині хвилі (для червоних променів вона більша, ніж для синіх). Змінюючи товщину проміжку, можна змінювати інтенсивність світла, що проходить. Це явище лягло в основу світлового телефону, запатентованого фірмою Цейсс. У цьому пристрої як одне з середовищ виступає прозора мембрана, яка здійснює коливання під дією звуку, що падає на неї. Світло, що проходить крізь повітряний проміжок, змінює інтенсивність такт із змінами сили звуку. Потрапляючи на фотоелемент, він породжує змінний струм, який змінюється відповідно до змін сили звуку. Отриманий струм посилюється та використовується далі.
Явлення проникнення хвиль крізь тонкі проміжки не специфічні оптики. Це можливо для хвилі будь-якої природи, якщо фазова швидкість у проміжку вища, ніж фазова швидкість у навколишньому середовищі. Важливе значення дане явище має у ядерній та атомній фізиці.
Явище повного внутрішнього відбиття використовують зміни напряму поширення світла. З цією метою використовують призми.
Приклад 1
Завдання:Наведіть приклад явища повного відображення, яке часто трапляється.
Рішення:
Можна навести такий приклад. Якщо шосейна дорога сильно нагріта, то температура повітря максимальна біля поверхні асфальту і зменшується зі збільшенням відстані від дороги. Отже, показник заломлення повітря мінімальний біля поверхні і зростає зі збільшенням відстані. Як результат цього, промені, що мають невеликий кут щодо поверхні шосе, зазнають повного відображення. Якщо сконцентрувати свою увагу, при русі в автомобілі, на відповідній ділянці поверхні шосе, то можна побачити машину, що досить далеко їде попереду, в перевернутому вигляді.
Приклад 2
Завдання:Який кут Брюстера для пучка світла, що падає на поверхню кристала, якщо граничний кут повного відбиття для даного пучка на межі розділу повітря - кристал дорівнює 400?
Рішення:
\[(tg(\alpha )_b)=\frac(n)(n_v)=n\left(2.2\right).\]
З виразу (2.1) маємо:
Підставимо праву частину виразу (2.3) у формулу (2.2), виразимо шуканий кут:
\[(\alpha )_b=arctg\left(\frac(1)((sin \left((\alpha )_(pred)\right)\ ))\right).\]
Проведемо обчислення:
\[(\alpha )_b=arctg\left(\frac(1)((sin \left(40()^\circ \right)\ ))\right)\approx 57()^\circ .\]
Відповідь:$(\alpha )_b=57()^\circ .$