Введение основных понятий в оптику - Физика - Скачать бесплатно
Министерство Образования Российской Федерации
Оренбургский Государственный Педагогический Университет
Факультет: Физико-математический
Кафедра методики преподавания физики
Курсовая работа
По физике
На тему: Введение основных понятий в оптику
Составитель: студент Физико-математического факультета 41 группы
Дедловский Сергей
Сергеевич
Научный руководитель: Суербаев Ахмед Хамитович
Оренбург 2002 г.
Введение
Учение о свете является одним из самых важных в современной физике. Оно
основывается на волновых и квантовых представлениях. Технические приложения
оптики огромны. Оптические методы широко внедряются в научные исследования
и в технику (при измерениях размеров тел, в спектральном и люминисцентном
анализе, исследованиях упругих свойств материалов и т.п.). Законы оптики
широко применяются в оптотехнике, связанной с получением изображений в
оптических инструментах, светотехнике, занимающейся освещением и
источниками света, и в фототехнике, в которой используются квантовые
свойства света.
Несмотря на такое огромное значение оптики и её технических приложений,
содержание этого важного раздела курса физики средней школы не отражает в
должной мере её успехи. Даже так называемые традиционные вопросы курса
геометрической (или лучевой) оптики в практике преподавания часто не
получают правильного истолкования. Речь идет не о дополнении курса физики
подробностями, не имеющими принципиального характера, а о физическом
истолковании понятий и законов оптики. Во многих случаях в памяти учеников
остаются знания о свете, к сожалению, только как о лучах и светящихся
точках. Между тем, как известно, последние являются абстракциями, так же
как, например, абсолютно твердое тело, точечный электрический заряди т.п.
Поэтому учащиеся пытаются применить абстрактное понятие о световых лучах
как геометрических линиях и понятиях о светящихся точках как математических
точках к тем областям оптических явлений, где эти понятия теряют свой
смысл.
При изложении геометрической оптики в курсе физики средней школы часто не
используются закон сохранения и превращения энергии, понятия об управлении
световым потоком с помощью зеркал и линз, о световых пучках, с которыми
только и проводятся эксперименты в школе; не рассматриваются роль диафрагм
в получении изображений, глаза в их формировании; изображения не доводятся
до сетчатки глаза, т.е. глаз не рассматривается совместно с оптической
системой, например микроскопом и телескопом. Поэтому такое важное понятие,
как мнимое изображение, не разъясняется с достаточной полнотой. Обычно не
обращается внимание также на область видения изображений, поле зрения.
Программа по физике для средней школы содержит достаточный объем знаний по
оптике. В неё входят также некоторые вопросы физической оптики –
интерференция и дифракция света, фотоэффект, химическое действие света и их
различные применения (автоматика и фотография), излучение и поглощение
света атомами и др. Таким образом, по оптике объем сведений в программе
достаточный. Однако в значительном усовершенствовании нуждается методика её
изложения, в том числе геометрической её части (лучевой оптики). Необходимо
формировать правильное понимание учащимися соотношения между волновой и
геометрической оптикой, разъяснить пределы применимости последней.
Пренебрежение же волновыми свойствами света приводит к тому, что остаётся
невыясненным, почему существует предел увеличения оптических инструментов.
Обычно оптику разделяют на геометрическую и физическую. Геометрическая
оптика, являющаяся теоретической основой оптотехники, базируется на четырех
законах: прямолинейного распространения света в однородной среде;
независимости световых пучков друг от друга; отражения и преломления света.
Геометрическая оптика не объясняет природы оптических явлений, а
основывается на геометрических представлениях. Перечисленные выше законы
относятся лишь к направлению распространения света, следовательно, имеют
скорее геометрический смысл, чем физический смысл.
Методика изучения темы «отражение и преломление света»
Отражения света. Зеркала.
Во введении к данной теме подчеркивается, что на границе раздела двух сред
происходит отражение и преломление света. При разделении светового потока
соблюдается закон сохранения энергии.
Указывается также, что при зеркальном отражении неровности отражающей
поверхности должны быть значительно меньше 1мк. Такого же порядка
неоднородности могут быть в немутной преломляющей среде.
Разделение светового потока на отраженный и преломленный демонстрируется с
помощью таких опытов:
1.Используется аквариум с флюоресцирующей жидкостью. Параллельный пучок
лучей от проекционного фонаря направляется на экран (металлическое или
стеклянное зеркало), поставленный под углом к световому потоку. Последний
отражается также под углом на поверхность воды в аквариуме. Преломленный
пучок света ясно виден во флюоресцирующей жидкости. Отраженный пучок можно
принять на белый экран или увидеть в задымленном воздухе.
2. На оптической шайбе устанавливается стеклянный полуцилиндр. От
осветителя узкий пучок света направляется на плоскую поверхность цилиндра.
В последнем виден пучок преломленного света, а на белом диске шайбы –
отраженный пучок. При изменении угла падения пучка можно видеть изменение
яркости преломленного и отраженного пучка – яркость одного увеличивается, а
другого уменьшается.
Для проверки закона отражения ставятся параллельно два опыта – с волнами на
поверхности жидкости (желательно со стробоскопом) и с оптической шайбой.
Пальцем ударяют по линейному вибратору. Всплеск доходит до экрана
(металлического бруска), поставленного один раз перпендикулярно линии
распространения волны, а другой раз – под углом к ней. Наблюдается, в
каком направлении распространяется волна. Затем рассматривается непрерывная
картина распространения и отражения плоских волн. Обращается внимание на
угол падения и отражения лучей. Дается рисунок наблюдаемой картины. Нормали
к фронту волны вычерчиваются цветным мелком.
В опыте с оптической шайбой узкий пучок света направляется на плоское
зеркало вначале перпендикулярно ему, а затем под все увеличивающемся углом
и измеряются углы падения и отражения.
Обращается внимание на то, что в опыте с водяными волнами изменяется
направление нормали к фронту волны (рис. 1, а), а в оптическом опыте –
направление осевого луча в световом пучке (рис. 2, а).
Аналогично рассматривается отражение круговых водяных волн и расходящихся
пучков. Угол между линиями, ограничивающими световой пучок, не изменяется.
Чтобы учащиеся правильно отсчитывали углы падения и отражения света, можно
рекомендовать вести отсчет этих углов всегда от перпендикуляра,
восстановленного в точке падения луча. При формулировке закона отражения
надо подчеркнуть не только равенство этих углов, но и то, что они лежат в
одной плоскости.
Сравнивается характер зеркального и диффузного отражения. В числе
иллюстрирующих примеров можно показать использование зеркального
гальванометра (ставится опыт с отклонением светового пятна на шкале при
нагревании термопары рукой).
При наличии достаточного времени желательно ознакомить учащихся с
отражательной способностью некоторых материалов – с понятием, весьма важным
в светотехнике (таб 1.)
|материал |Коэффициенты отражения |
|Полированное серебро |0,88 – 0,93 |
|Посеребренное стеклянное |0,7 – 0,85 |
|зеркало | |
|Полированный хром |0,6 – 0,7 |
|Белая жесть |0,69 |
|Полированный никель |0,55 – 0,63 |
В этом месте курса возможны упражнения следующего содержания:
1. Узкий пучок света образует с плоскостью зеркала угол в 300. Какой будет
угол между падающим и отраженным пучком?
2. Под каким углом к параллельному пучку света надо поставить зеркало,
чтобы этот пучок пучок повернуть на 900?
3. Показать построением с помощью транспортира, что при отражении от
плоского зеркала вид пучка света не изменяется. Рассмотреть два случая –
параллельный и расходящийся световой пучок.
4. Узкий пучок света падает на плоское зеркало под углом. На какой угол
сместится отраженный пучок света, если зеркало повернуть на 150?
Зеркала.
Получение изображений (светящейся точки и протяженного предмета) в плоском
зеркале рассматривается на опыте и при помощи геометрических построений.
Для опыта лучше взять оконное стекло, а не обычное зеркало.
Обращается внимание на следующее:
Из расходящегося пучка света берутся лишь два крайних луча, ограничивающих
пучок и падающих на зеркало;
Все лучи после отражения пересекаются при обратном их продолжении в одной
точке (мнимое изображение). Полезно построить два из них на чертеже;
изображение предмета будет симметричным относительно зеркала, прямое равное
и мнимое; глаз обладает свойством воспринимать расходящиеся пучки света, в
результате чего человек видит предмет, хотя его изображение мнимое( в
дальнейшем, после изучения свойства глаза, рисунок, иллюстрирующий
получение изображения в плоском зеркале, можно дополнить построением
действительного изображения предмета на сетчатке).
Какова область видения изображения (рис.1 и 2)
Для пояснения последнего вопроса можно повернуть плоское зеркало так, чтобы
изображение, например, свечи увидела только одна половина класса, а после
поворота вокруг вертикальной оси – другая половина.
Разъясняются различные применения плоских зеркал в технике.
Рекомендуются следующие упражнения:
1.Перед плоским зеркалом, несколько в стороне от него находится точечный
источник света S. Определить где находится его изображение и область
видения.
Эту задачу можно решить двояко. Первый путь – построить световой пучок,
падающий на зеркало, и, пользуясь законом отражения, найти изображение
точки и область его видения. Другой путь – нанести на чертеже точку S1,
зная, что изображение находится на одном перпендикуляре к зеркалу со
светящейся точкой и на таком же расстоянии от него, на каком источник S
находится перед зеркалом. От точки S1 проводят ограничивающий пучок на
зеркало; продолжение его является отраженным пучком, где и находится
область видения изображения.
Наконец определяется, каково направление любого третьего луча внутри
светового пучка после отражения. Можно исследовать, куда движется
изображение, если S перемещается вправо, влево, к зеркалу и от него.
2. Данный точечный источник света перед зеркалом и величина зрачка глаза,
находящегося по ту же сторону зеркала:
а) построить пучок лучей, позволяющий наблюдателю видеть изображение
источника;
б) определить всю область видения изображения.
3. Светящийся предмет находится перед зеркалом несколько в стороне от него.
Построить изображение и определить область видения всего изображения.
Здесь полезно рассмотреть два случая: Когда предмет длинной стороной
расположен параллельно зеркалу и под углом к его плоскости.
4. Проверить (дома) закон отражения света при помощи булавок и плоского
зеркала (хорошо использовать полоску жести).
Излагаются характеристики сферических зеркал – полюс зеркала, фокус,
оптический центр, дается понятие о приосевых лучах.
При геометрических построениях изображений рекомендуется:
. каждый случай построения иллюстрировать опытом;
. показать, что любой луч в пучке, падающий на зеркало, после отражения
пройдет через ту точку, в которой пересекаются два луча, выбранных для
построения изображения;
. указать, что лучи, идущие от любой некрайней точки предмета,
пересекутся в соответствующих местах межу крайними точками
изображения;
. не обрывать пучков света в местах получения изображений - их следует
несколько продолжить после пересечения лучей;
. в каждом случае рисовать зрачок глаза и подчеркивать, что расходящиеся
световые пучки собираются в глазу, на сетчатке которого получается
изображение;
Обращается внимание учащихся на то, что построение изображений возможно не
только с помощью тех двух лучей, которые указаны в учебнике на рисунках, а
любых двух лучей, падающих на зеркало. Наиболее удобно это сделать,
пользуясь парой лучей из следующих трех: параллельно главной оптической
оси; проходящего через оптический центр зеркала (вдоль радиуса кривизны).
Далее рассматривается применение сферических зеркал в прожекторах и
фарах (в автомашинах, мотоциклах, велосипедах), в зеркальных телескопах, в
оториноларингологии (вогнутое зеркало с отверстием посередине) и т.п.
Обращается внимание на то, что светотехнические устройства перераспределяют
световой поток в пространстве, направляя его в пределах небольшого угла.
Поэтому сила света в определенном направлении увеличивается.
Преломление света. Линзы.
Преломление света.
Для проверки законов преломления демонстрируются два опыта: отражение и
преломление (одновременно) плоских волн на поверхности жидкости (желательно
стробоскопически) и отражение и преломление параллельного светового пучка
на оптической шайбе. Зарисовываются наблюдаемые явления в обоих опытах.
(рис 3. )
В волновой ванне преломление волн имеет место, если на её дно помещена
стеклянная пластинка. С уменьшением толщины слоя жидкости скорость
распространения волн уменьшается, что обуславливает преломление. Оптический
опыт рекомендуется показать с одноцветным пучком света (используется
светофильтр).
Аналогичные демонстрации ставятся с круговыми водяными волнами и с
расходящимся пучком света.
Углы падения и преломления рекомендуется отсчитывать от нормали,
восставленной к поверхности раздела двух сред; подчеркивается, что эти углы
лежат в одной плоскости.
|Угол падения|[pic]sin( |Угол |Sin ( |[pic] |
| | |преломления,( | | |
|10 |0,174 |7 |0,122 |1,43 |
|20 |0,342 |13 |0,225 |1,52 |
|30 |0,500 |20 |0,342 |1,46 |
|40 |0,613 |26 |0,438 |1,47 |
|50 |0,766 |31 |0,515 |1,49 |
|60 |0,866 |36 |0,588 |1,47 |
|70 |0,940 |39 |0,629 |1,49 |
|Отсюда среднее значение n=1,48 |
На опыте с оптической шайбой показывается следующее: при нормальном
падении узкого светового пучка на плоскую поверхность полуцилиндра
преломления нет; с увеличением угла падения растет и угол преломления;
постоянным остается отношение не углов, а их синусов. Ниже приводится ряд
измерений (таб 1.)
Дается определение показателя преломления. Для выражения его величины
через отношение скоростей распространение света можно проанализировать (рис
), на котором показано преломление водяных волн. Так как BC=[pic] и
[pic],
То [pic] и [pic], а [pic]
Следует обратить внимание на два факта:
1.Зная скорость света в вакууме c, можно определить его скорость в среде,
для которой известен показатель преломления n: [pic].
Например, для стекла с показателем преломления 1,5:
[pic],
а для воды, у которой n=1,33,
[pic].
2. Согласно теории электромагнитного поля скорость распространения
электромагнитных волн:
[pic],
где с скорость распространения волн в вакууме, ( и ( - соответственно
диэлектрическая и магнитная проницаемость среды. Из этого равенства
следует, что
[pic].
Но [pic] где n – показатель преломления среды. Следовательно,
[pic].
Для ряда газообразных и жидких диэлектриков [pic]. Поэтому
[pic].
Это указывает на связь оптических и электромагнитных характеристик
вещества.
Связь между показателем преломления и диэлектрической проницаемостью можно
получить и так.
Показатель преломления среды
[pic],
где с – скорость электромагнитных волн в вакууме, а v – скорость в данной
среде. Но
[pic] и
[pic],
где ((0 и ((0 – соответственно значения диэлектрической и магнитной
проницаемости среды, а ( и ( - соответственно их относительные значения.
Поэтому
[pic].
Для неферромагнитных тел [pic], значит,
[pic].
Излагается понятие об обратимости лучей. Здесь полезно иметь в виду, что
принцип обратного хода лучей справедлив в геометрическом смысле, т.е. если
не учитывать потери энергии при отражении и поглощении света.
Приводится пример, что показатель преломления воды относительно воздуха
n=1,33, а воздуха относительно воды
[pic].
В демонстрационных опытах и лабораторных работах получается показатель
преломления изучаемого вещества относительно воздуха. Абсолютный показатель
преломления воздуха (относительно вакуума) равен 1,00029. Следовательно,
nабс=1,00029n, где n определяется из опыта.
Желательно указать учащимся, что нельзя смешивать понятия «оптически более
плотная среда» и «среда с большой плотностью».
Один урок или домашнее задание посвящается практической работе по
определению показателя преломления стекла или воды. Желательно вычислить
его значение относительно вакуума. Место для проведения этой работы в курсе
физики определяется методом измерения. Если используется плоско-
параллельная пластинка, то работу следует провести после введения понятия
о показателе преломления. В случае применения опыта, изображенного на
рис.4, оно проводится, когда учащимся уже знакомо явление полного
отражения.
Изложение вопроса о полном отражении связывается с явлением разделения
энергии света на границе двух сред и с анализом зависимости интенсивности
отраженного и преломленного пучка от угла его падения.
Опыт ставится с оптической шайбой, при помощи которой узкий пучок света
направляется на цилиндрическую поверхность стекла. При росте угла падения
света на плоскую поверхность внутри стекла интенсивность преломленного
пучка (в воздухе) уменьшается, а отраженного увеличивается. При угле
полного отражения интенсивность последнего возрастает скачком. Это полезно
иллюстрировать при помощи рисунков, где густотой точек в пучках отмечена
интенсивность света (рекомендуется рисовать только параллельный пучок
света). Дается определение, что называется предельным углом полного
отражения, и формула для его вычисления.
[pic].
Применение явления полного отражения в стеклянных призмах демонстрируется
также на оптической шайбе. Рассматриваются случаи поворота светового пучка
на 900 и 1800 (рис.5). Действие обращающей призмы наглядно демонстрируется
на проецировании кюветы с жидкостью на экран.
Тема «преломление света» заканчивается рассмотрением хода лучей в плоско-
параллельной и клинообразной пластинке (призме). Опыты со смещением лучей и
получением изображений ставятся с фильтрами, чтобы исключить явление
дисперсии. Демонстрируется, что в плоско-параллельной пластине выходящий
пучок света параллелен падающему, а боковое смещение его зависит от угла
падения и толщины пластинки (для этого надо иметь две пластинки разной
толщины). Математический вывод этих зависимостей не нужен; они могут быть
получены при решении задач.
Показывается, что наименьшее отклонение падающего пучка призмой будет при
его симметричном ходе относительно граней призмы, т.е. когда угол падения
равен углу выхода.
Для закрепления знаний приводятся возможные упражнения, например, вычислить
скорость света в глицерине, если его показатель преломления 1,47, или
объяснить, почему наблюдатель видит дно реки только вблизи и не видит его
участков, расположенных чуть подальше.
Линзы.
При изучении линз выясняются их оптические характеристики, назначение и
принцип действия. Дается квалификация линз, приводятся их схематические
изображения и условные обозначения. При этом обычно указывается, что
собирающие линзы толще посредине, чем по краям, а рассеивающие – наоборот.
Однако это справедливо, лишь, когда показатель преломления вещества линзы
больше, чем окружающей среды. В противном случае линзы с большей толщиной
посредине будут рассеивающими, а с меньшей – собирающими.
Напоминается, что диафрагма ограничивает световой пучок, идущий от
источника света, вырезает лишь часть светового потока. Линза, вставленная в
диафрагму (оправу), собирает или рассеивает световые пучки[1]. Это действие
линз иллюстрируется двумя параллельно поставленными опытами: с плоскими
волнами на поверхности жидкости и со световым параллельным пучком.
В первом опыте плоские волны на поверхности жидкости превращаются линзой в
круговые. За линзой они движутся вперед вогнутостью, а затем, пройдя через
область, где происходит сужение волн, - вперед выпуклостью, т.е. сначала
они собираются, а затем, расходятся.
Во втором опыте показывается схождение, а затем расхождение пучка света.
Аналогичные опыты ставятся с рассеивающими линзами.
Вводятся понятия об оптическом центре линзы, о главной и побочной
оптической оси, переднем и заднем фокусе, фокусном расстоянии, фокальной
плоскости, о действительном и мнимом фокусе. Здесь важно подчеркнуть
следующее:
. положение фокуса определяется для параксиальных (приосевых) лучей и
для линз с малой кривизной поверхностей;
. Световые пучки неодинаковой цветности собираются в разных точках;
. Параллельный пучок белого света собирается линзой почти в одной точке
при условии сохранения параксиальности лучей;
. Переднее и заднее фокусные расстояния несимметричной линзы одинаковы;
. Луч в направлении к оптическому
|
