Преломление света

Разделы: Физика

Цели урока:

1. Образовательные:

  • формирование понятий «абсолютный показатель преломления», «относительный показатель преломления»;
  • формировать умение объяснять физические явления, зная закон преломления света;
  • способствовать обучению школьников умению устанавливать взаимосвязи в изучаемых явлениях.

2. Развивающие:

  • совершенствовать интеллектуальные способности и мыслительные умения учащихся;
  • развивать умение видеть физические явления в окружающем мире.

3. Воспитательные:

  • формировать материалистическое мировоззрение учащихся, содействие в ходе урока формированию идеи познаваемости мира;
  • воспитание самостоятельности, ответственности.

Тип урока: изучение нового материала.

Форма урока: урок-презентация.

Оборудование:

  • мультимедийный проектор;
  • приборы и материалы к проведению эксперимента;
  • карточки с заданиями.

План урока.

  1. Организационный момент (приветствие, объявление темы урока, цели урока.
  2. Теоретический материал. Формирование основных понятий.
  3. Вывод закона преломления.
  4. Сообщение учащихся.
  5. Демонстрация опыта.
  6. Объяснение природных явлений с точки зрения физики.
  7. Обобщение материала «Подумай и ответь».
  8. Закрепление материала. Выполнение тестового задания по карточкам.
  9. Домашнее задание.
  10. Итог урока.

Ход урока

I. Организационный момент.

II. Теоретический материал.

Говоря о распространении волн в пространстве, мы будем рассматривать световые волны видимого диапазона.

На границе раздела двух сред свет, падающий из первой среды, отражается в нее обратно. Если вторая среда прозрачна, то свет частично может пройти через границу сред. При этом он меняет направление распространения и наблюдается кажущееся изменение размеров предмета, надлом, уменьшение глубины водоема и т.п. (Приложение. Слайд 1)

Изменение направления распространения волны при прохождении из одной среды в другую называется преломлением (слайд 2).

Изменение волн при переходе из одной среды в другую вызвано тем, что скорости распространения волн в этих средах различны.

Историческая справка о законе преломления.

Древнегреческие ученые Аристотель, Птолемей доказали, что при переходе из менее плотной среды в более плотную световой луч отклоняется от вертикали к поверхности раздела двух сред на меньший угол, чем падающий. В XVII веке Рене Декарту удалось установить закон преломления света. Лишь в 1662 году появилось строгое доказательство закона преломления, принадлежащее Пьеру Ферми (слайд 3).

III. Вывод закона преломления с помощью принципа Гюйгенса.

Закон преломления света был установлен опытным путем в XVII веке. Мы его выведем с помощью принципа Гюйгенса. Рассмотрим процесс возникновения преломленной волны при падении волны с плоским фронтом на плоскую поверхность раздела двух сред. Преломление света при переходе из одной среды в другую вызвано различием в скоростях распространения света в той и другой среде. Обозначим скорость волны в первой среде через , а во второй – через . Пусть на плоскую границу раздела двух сред (например, из воздуха в воду) падает плоская световая волна (рис. 8.8) учебника (слайд 4). Волновая поверхность АС перпендикулярна лучам А1А и В1В. Поверхности MN сначала достигнет луч А1А. Луч В1В достигнет поверхности спустя время

Поэтому в момент, когда вторичная волна в точке В только начнет возбуждаться, волна от точки А уже имеет вид полусферы радиусом . Волновую поверхность преломленной волны можно получить, проведя поверхность, касательную ко всем вторичным волнам во второй среде, центры которых лежат на границе раздела сред. В данном случае это плоскость BD. Она является огибающей вторичных волн. Угол падения луча равен углу CAB в треугольнике AВС (стороны одного из этих углов перпендикулярны сторонам другого). Следовательно,

(8.2).

Угол преломления равен углу ABD треугольника ABD. Поэтому

(8.3).

Разделив почленно (8.2) на (8.3), получим

(8.4).

где n – постоянная величина, не зависящая от угла падения. Из построения (рис.8.8) видно, что падающий луч, преломленныйлуч и перпендикуляр, восстановленный в точке падения, лежат в одной плоскости. Данное утверждение совместно с уравнением (8.4), согласно которому отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух сред, представляет собой закон преломления света (слайд 5). Постоянная величина, входящая в закон преломления света, называется относительным показателем преломления или показателем преломления второй среды относительно первой (слайд 6). Из принципа Гюйгенса не только следует закон преломления, но с помощью этого принципа раскрывается физический смысл показателя преломления. Он равен отношению скоростей света в средах, на границе между которыми происходит преломление:

(8.5).

Максимальной скоростью распространения взаимодействия является скорость света в вакууме. Физической величиной, характеризующей уменьшение скорости света в вакууме, является абсолютный показатель преломления среды. Абсолютный показатель преломления среды – физическая величина, равная отношению скорости света в вакууме к скорости света в данной среде (слайд 7). Абсолютный показатель преломления определяется скоростью распространения света в данной среде, которая зависит от физического состояния среды, т.е. от температуры, вещества его плотности, наличия в нем упругих напряжений. Показатель преломления зависит также от характеристик самого света. Для красного света он меньше, чем для зеленого, а для зеленого меньше, чем для фиолетового. Поэтому в таблицах значений показателей преломления для разных веществ обычно указывается, для какого света приведено данное значение n и в каком состоянии находится среда. В большинстве случаев приходится рассматривать переход света через границу воздух – твердое тело или воздух – жидкость, а не через границу вакуум – среда. Однако абсолютный показатель преломления твердого или жидкого вещества отличается от показателя преломления того же вещества относительно воздуха незначительно. Так, абсолютный показатель преломления воздуха при нормальных условиях для желтого света равен приблизительно . Следовательно,

(8.6).

Значения показателей преломления для некоторых веществ относительно воздуха приведены в таблице (данные относятся к желтому свету) (слайд 8). Из закона преломления следует, что если скорость распространения волн во второй среде меньше, чем в первой, то угол преломления меньше угла падения и преломленный луч приближается к перпендикуляру. Дается характеристика оптически более плотной среды – среда с большим абсолютным показателем преломления и среда оптически менее плотная – с меньшим абсолютным показателем преломления (слайд 9). Если луч света падает из оптически менее плотной среды, то угол преломления оказывается меньше угла падения. Преломленный луч ближе прижимается к перпендикуляру, чем падающий. Вследствие этого эффекта предметы, находящиеся в воде, кажутся расположенными на меньшей глубине, чем в действительности (слайд 10). Если луч света падает из оптически более плотной среды, то угол преломления оказывается больше угла падения. И так мы с вами рассмотрели закон преломления. А не наблюдали ли вы природные явления, которые объясняются этим законом? Радуга – это красивое физическое явление (слайд 11). О ней у разных народов слагались легенды, пелись песни. Так, по мнению древних жителей Эстонии, по радуге вода поднималась из рек и озер в небеса. Вот что мы читаем об этом в эстонском эпосе «Калевипоэг»:

Тут великан загадал вторую загадку

- Кто из речки тянет воду,
Из колодца пьет неслышно.
Из земли вбирает влагу?

Знахарь опять сумел ответить:

- Радуга из речки тянет,
Из колодцев пьет неслышно,
Из земли вбирает влагу.

IV. Сообщение учащегося о радуге.

Радуга – это непрерывный спектр солнечного света, образованный разложением света в каплях дождя как в призмах. Из дождевых капель под разными углами преломления выходят разноцветные световые пучки. Наблюдатель, находясь вне дождевой зоны, видит над горизонтом примерно на расстоянии 1-2 км радугу (в зоне дождя) в виде разноцветных дугообразных полос на фоне дождевых облаков, освещаемых Солнцем. Верхняя полоса радуги – красная – находится не выше 42 градусов над горизонтом, нижняя полоса – фиолетовая, а между ними располагаются все остальные участки спектра. В это время Солнце находится невысоко над горизонтом за спиной наблюдателя, а центр- радуги – под горизонтом. Чем выше Солнце над горизонтом, тем меньшую часть радуги мы видим. Если Солнце поднялось выше 43 градусов над горизонтом, то радуга не видна, в летний полдень она тоже не видна. Но если подняться высоко над земной поверхностью, то можно увидеть все радужное кольцо. При солнечном освещении радугу можно наблюдать иногда в брызгах водопада или фонтана, при работе поливочной машины. Удается видеть радугу на росе, покрывающей траву, – это так называемая росная радуга. Одну из первых попыток объяснить радугу как естественное природное явление сделал в 1611 г. итальянец Антонио Доменико. Его объяснении е противоречило библейскому, поэтому он был отлучен от церкви и приговорен к смертной казни, но в тюрьме помер, не дождавшись казни; его тело и рукописи были сожжены. Более полное объяснение дал французский ученый Рене Декарт в 1637 году; он опирался на идеи Доменико и законы преломления и отражения света в капельках дождя, но раскрыть, почему радуга цветная, а не черно-белая ученый не смог. Через 30 лет теория Декарта была дополнена английским физиком И.Ньютоном знаниями об явлении дисперсии.

А теперь получим радугу с помощью призмы.

V. Демонстрация опыта.

Оптическая скамья, призма на столике, диафрагма с одной щелью, экран.

VI. Объяснение природных явлений с точки зрения физики.

Также одним из красивейших явлений природы является – гало (слайд 12). Если Солнце или Луна просвечивает через тонкие перисто-слоистые облака, состоящие из ледяных кристалликов на небе могут появиться световые явления – гало. Наиболее часто они имеют вид двух радужных кругов вокруг Солнца. Иногда виден горизонтальный круг, проходящий через Солнце; могут возникнуть на небе светлые дуги, столбы. Все формы гало – результат преломления солнечных или лунных лучей в ледяных кристалликах облака. Для возникновения гало необходимо, чтобы между Солнцем и наблюдателем была легкая пелена перистых облаков высокого яруса, состоящая из мельчайших ледяных кристалликов в форме шестигранных столбиков.

VII. Обобщение материала.

«Подумай и ответь» (слайд13 и 14).

VIII. Закрепление.

Тестовая работа:

1. В каком случае угол падения равен углу преломления?

А) Только когда показатели преломления сред одинаковы.
Б) Только тогда когда падающий луч перпендикулярен к поверхности раздела сред.
В) Когда показатели преломления сред одинаковы: падающий луч перпендикулярен к поверхности раздела сред.

2. Почему изображение предмета в воде всегда менее яркое, чем сам предмет?

А) На границе сред воздух-вода свет частично отражается, частично преломляется.
Б) На границе сред воздух-вода свет поглощается.
В) На границе сред воздух-вода свет преломляется.

3. Более оптически плотная та среда, в которой ...

А) скорость света меньше чем в вакууме.
Б) скорость света больше чем в вакууме.
В) скорость света равна скорости света в вакууме.

4. В каком случае угол падения, отражения и преломления между собой равны?

А) Когда свет падает перпендикулярно границе раздела двух сред.
Б) Такого не может быть.
В) Когда вторая среда имеет большую оптическую плотность.

5. Если угол падения луча на поверхность раздела двух сред уменьшается, то относительный показатель преломления этих сред:

А) уменьшается.
Б) увеличивается.
В) не меняется.

IX. Домашнее задание.

Параграф 61 (слайд 15).

X. Итог урока.