Урок по физике в 11 классе по теме "Преломление света" .
Цели урока:
проверить знание законов отражения;
научить измерять показатель преломления стекла, используя закон преломления;
развитие навыков самостоятельной работы с оборудованием;
развитие логического мышления, памяти, умение подчинять внимание выполнению заданий.
воспитание аккуратной работы с оборудованием;
воспитание сотрудничества в процессе совместного выполнения задач.
Межпредметные связи: физика, математика, литература.
Тип урока: изучение нового материала, совершенствование и углубление знаний, умений, навыков.
Оборудование:
Приборы и материалы для лабораторной работы: стакан высокий вместимостью 50 мл, пластина стеклянная (призма) с косыми гранями, пробирка, карандаш.
Чашка с водой, на дне которой монета; тонкий стеклянный стакан.
Пробирка с глицерином, стеклянная палочка.
Карточки с индивидуальным заданием.
Демонстрация: Преломление света. Полное внутреннее отражение.
ХОД УРОКА.
I. Организационный момент. Сообщение темы урока.
Учитель: Ребята, мы с вами перешли к изучению раздела физики «Оптика», в которой изучаются законы распространения света в прозрачной среде на основе представлений о световом луче. Сегодня вы узнаете, что закон преломления волн справедлив и для света.
Итак, цель сегодняшнего урока – изучение закона преломления света.
II. Актуализация опорных знаний.
1. Что такое световой луч? (Геометрическая линия, указывающая направление распространения световой энергии, называется световым лучом.)
Природа света – электромагнитная. Одним доказательством этого является совпадение величин скоростей электромагнитных волн и света в вакууме. При распространении света в среде он поглощается и рассеивается, а на границе раздела сред – отражается и преломляется.
Повторим законы отражения. (УСТНО: на интерактивной доске подготовлены задания)
Карточка 1.
Построить в тетради отраженный луч.
Карточка 2.
Будут ли параллельны отраженные лучи?
Карточка 3.
Постройте отражающую поверхность.
Карточка 4.
Угол между падающим лучом и отраженным лучом 60°. Чему равен угол падения? Начертить в тетради.
2. Сформулируйте закон распространения света.
А в полдень лужи под окном
Так разливаются и блещут,
Что ярким солнечным пятном
По залу «зайчики» трепещут.
И.А. Бунин.
Объясните с точки зрения физики наблюдаемое явление, описанное Буниным в четверостишии.
Проверка выполнение заданий по карточкам.
III. Объяснение нового материала.
На границе раздела двух сред свет, падающий из первой среды, отражается в неё обратно. Если вторая среда прозрачная, то свет частично может пройти через границу сред. При этом, как правило, он меняет направление распространения, или испытывает преломление.
Преломление волн при переходе из одной среды в другую вызвано тем, что скорости распространения волн в этих средах различны.
Выполните опыты «Наблюдение преломления света».
Расположите карандаш наклонно в стакане с водой и посмотрите на него сверху, а затем сбоку. Почему при наблюдении сверху карандаш у поверхности воды кажется надломленным?
Почему при наблюдении сбоку часть карандаша, расположенная в воде, кажется сдвинутой в сторону и увеличенной в диаметре?
Это все объясняется тем, что при переходе из одной прозрачной среды в другую световой луч преломляется.
Наблюдение отклонения лучика лазерного фонарика при прохождении через плоскопараллельную пластину.
Падающий луч, преломленный луч и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух сред, называемая относительным показателем преломления второй среды относительно первой.
Показатель преломления относительно вакуума называется абсолютным показателем преломления.
В сборнике задач найдите таблицу «Показатель преломления веществ». Обратите внимание, что стекло, алмаз имеют больший показатель преломления, чем вода. Как вы думаете почему? Твердые тела имеют более плотную кристаллическую решетку, свету труднее пройти через неё, поэтому вещества имеют больший показатель преломления.
Вещество, имеющее больший показатель преломления n 1 , называется оптически более плотной средой, если n 1 > n 2 . Вещество, имеющее меньший показатель преломления n 1 , называется оптически менее плотной средой, если n 1 < n 2 .
IV. Закрепление пройденной темы.
2. Решение задач №1395.
3. Лабораторная работа «Определение показателя преломления стекла».
Оборудование: Стеклянная пластина с плоскопараллельными гранями, дощечка, транспортир, три булавки, карандаш, угольник.
Порядок выполнения работы.
V.
Можно повторить опыт изобретателя со стеклянной палочкой – «палочкой-невидимкой». В колбу с глицерином через пробку вставляется стеклянная палочка, часть палочки, погруженная в глицерин, становится невидимой. Если колбу перевернуть, то невидимой становится другая часть палочки. Наблюдаемый эффект легко объясняется. Показатель преломления стекла почти равен показателю преломления глицерина, поэтому на границе данных веществ не происходит ни преломления, ни отражения света.
Полное отражение.
Если свет переходит из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду (на рисунке), то при некотором угле падения α0 угол преломления β становится равным 90°. Интенсивность преломленного луча в этом случае становится равной нулю. Свет, падающий на границу раздела двух сред полностью отражается от неё. Происходит полное отражение.
Угол падения α0 , при котором наступает полное внутреннее отражение света, называется предельным углом полного внутреннего отражения. При всех углах падения, равных и больших α0 , происходит полное отражение света.
Величина предельного угла находится из соотношения . Если n 2 =1 (вакуум, воздух), то .
Опыты «Наблюдение полного отражения света».
1. Расположите карандаш наклонно в стакане с водой, поднимите стакан выше уровня глаз и посмотрите снизу через стакан на поверхность воды. Почему при рассматривание снизу поверхность воды в стакане кажется зеркальной?
2. Опустите пустую пробирку в стакан с водой и посмотрите на неё сверху часть пробирки, погруженная в воду, кажется блестящей?
3. Проделайте дома опыт «Делаем монетку невидимой». Вам понадобится монетка, чаша с водой и прозрачный стакан. Положите монетку на дно чаши и заметьте, под каким углом она видна снаружи. Не сводя глаз с монетки, опускайте потихонечку сверху в чашу перевернутый пустой прозрачный стакан, держа его строго вертикально, чтобы вода не заливалась внутрь. Объясните на следующем уроке наблюдаемое явление.
(В некоторый момент монета исчезнет! Когда вы опускаете стакан, уровень воды в чаше поднимается. Теперь, чтобы выйти из чаши, луч должен дважды пройти границу раздела вода-воздух. После прохождения первой границы угол преломления будет значительным, так что на второй границе произойдет полное внутреннее отражение. Свет уже не выходит из чаши, поэтому вы и не видите монетки.)
Для границы раздела стекло-воздух угол полного внутреннего отражения равен: 
.
Предельные углы полного отражения.
Алмаз…24º
Бензин….45º
Глицерин…45º
Спирт…47º
Стекло различных сортов …30º-42º
Эфир…47º
Испытывая полное внутреннее отражение, световой сигнал может распространятся внутри гибкого стекловолокна (световода). Свет может покидать волокно лишь при больших начальных углах падения и при значительном изгибе волокна. Использование пучка, состоящего из тысяч гибких стекловолокон (с диаметром каждого волокна от 0,002-0,01 мм), позволяет передавать из начала в конец пучка оптические изображения.
Волоконная оптика – система передачи оптических изображений с помощью стекловолокон (стекловодов).
Волоконно-оптические устройства повсеместно используются в медицине в качестве эндоскопов – зондов, вводимых в различные внутренние органы (бронхиальные трубы, кровеносные сосуды и т. д.) для непосредственного визуального наблюдения.
В настоящее время волоконная оптика вытесняет металлические проводники в системах передачи информации.
Увеличение несущей частоты передаваемого сигнала увеличивает объём передаваемой информации. Частота видимого света на 5-6 порядков превосходит несущую частоту радиоволн. Соответственно с помощью светового сигнала можно передавать в миллион раз больше информации, чем с помощью радиосигнала. Необходимая информация по волоконному кабелю передается в виде модулированного лазерного излучения. Волоконная оптика необходима для быстрой и качественной передачи компьютерного сигнала, содержащего большой объём передаваемой информации.
Полное внутреннее отражение используется в призматических биноклях, перископах, зеркальных фотоаппаратах, а также в световращателях (катафотах), обеспечивающих безопасную стоянку и движение автомобилей.
Подведение итогов.
На сегодняшнем уроке мы познакомились с преломлением света, узнали, что такое показатель преломления, определили показатель преломления плоскопараллельной стеклянной пластины, познакомились с понятием полного отражения, узнали о применение волоконной оптики.
Домашнее задание.
Мы рассмотрели преломление света на плоских границах. При этом размер изображения остается равным размеру предмета. На следующих уроках мы рассмотрим прохождение светового луча через линзы. Необходимо повторить из биологии строение глаза.
Список литературы:
Г.Я. Мякишев. Б.Б. Буховцев . Учебник по физике 11 класс.
В.П.Демкович, Л.П.Демкович . Сборник задач по физике.
Я.И.Перельман . Занимательные задачи и опыты.
И.Я. Ланина . Не уроком единым.
На предыдущих уроках вы познакомились с основными законами распространения света: законами отражения и преломления. Но, как известно, любой постигнутый закон человек стремится использовать на практике. Если для двух сред показатель преломления остается постоянным, можем ли мы, например, определять вещество одной среды, зная вещество другой по углу отклонения светового луча при прохождении границы раздела этих сред? Как это сделать на практике, вы узнаете из этого урока, посвященного лабораторной работе.
Тема: Оптика
Урок: Практическая работа по теме "Определение показателя преломления стекла"
Цель работы : определение относительного показателя преломления стекла с помощью плоскопараллельной пластины.
Рис. 1. Определение показателя
sinα – угол падения
sinγ – угол преломления
На рисунке – две горизонтальные линии: малая и большая грань плоскопараллельной пластины (см. Рис. 1).
В точке О располагается первая булавка. Вторая булавка располагается в точке А. Направление АО – направление падающего луча.
Направление от точки О до булавки, расположенной на большой грани, – преломленный луч.
Отмерим при помощи линейки расстояние ОD = ОА.
Из точки А на перпендикуляр раздела двух сред опускаем перпендикуляр. Из точки D на перпендикуляр раздела двух сред опускаем перпендикуляр.
Два треугольника – прямоугольные. В них можно определять синус угла падения и синус угла преломления.
При помощи линейки измеряются расстояние АС и расстояние DB.
Необходимо сделать несколько измерений. Для этого нужно изменять расположение второй булавки под любым другим углом. Вследствие этого угол падения и угол преломления будут меняться, но показатель преломления будет постоянным для данных двух сред.
1 способ
Оборудование : плоскопараллельная пластина, 3 булавки, линейка, транспортир, лист бумаги, карандаш, кусок поролона.
Ход работы:
1. Положим на стол кусок поролона, чтоб было удобнее воткнуть булавки.
2. Накрываем поролон белым листом бумаги.
3. Положим сверху плоскопараллельную стеклянную пластинку.
4. Карандашом обводим малую и большую грани.
5. Первую булавку воткнем возле первой грани, вторую булавку воткнем под некоторым углом к первой.
6. Наблюдая за двумя булавками через большую грань, найдем точку расположения третьей булавки, чтобы первая и вторая загораживали друг друга (см. Рис. 2).
Рис. 2. Плоскопараллельная пластина
7. Отмечаем место расположения всех трех булавок.
8. Снимаем оборудование и смотрим на полученный чертеж.
9. При помощи линейки измеряем катеты (см. Рис. 3).
Рис. 3. Определение показателя
СА = 15 мм, DB = 10 мм.
Для более точного результата необходимо выполнить несколько экспериментов.
Относительный показатель преломления равен 1,5, это означает, что скорость света при переходе из воздуха в стекло уменьшается в 1,5 раза.
Чтоб проверить полученные данные, необходимо сравнить их с таблицей показателей преломления для различных веществ (см. Рис. 4).
Рис. 4. Таблица показателей преломления
По показателю преломления можно определить, какое у нас вещество.
2 способ
Оборудование: лампочка, экран со щелью, лист бумаги.
Ход работы:
1. При помощи проводов соединяем гальванический элемент (батарейку) с лампочкой накаливания.
2. Перед лампой ставим экран со щелью, а за ним кладем плоскопараллельную пластинку.
3. Измеряем угол падения и угол преломления при помощи транспортира.
4. Используя таблицу Брадиса, найдем значения синусов по углам.
5. Вычисляем показатель преломления (см. Рис. 5).
Рис. 5. Плоскопараллельная пластина
Пример расчета погрешности
Погрешность:
1. Абсолютная.
2. Относительная.
Абсолютные погрешности: измерительного прибора, измерения
В металлической линейке погрешностью можно считать половину цены деления этого измерительного прибора, т.е. 0,5 мм.
Погрешность измерения также может составить половину цены деления линейки (0,5 мм).
В целом абсолютная погрешность равна 1 мм.
Относительная погрешность (ε) (см. Рис. 6):
Рис. 6. Относительная погрешность
Определение абсолютной погрешности измеряемого показателя преломления (см. Рис. 7):
Рис. 7. Абсолютной погрешность
1. Нижегородский филиал МИИТ ( ).
На прошлых уроках мы говорили о плоских зеркалах и обсуждали законы отражения света. На этом уроке, тема которого: «Преломление света», мы рассмотрим ещё один эффект, наблюдающийся при попадании света на границу раздела двух сред.
Преломление часто встречается в повседневной жизни и воспринимается нами как обыденное явление, например ложка, которая находится в стакане с чаем и выглядит поломанной на границе раздела воздух - вода (см. Рис. 8). Преломление и отражение света в каплях воды порождает радугу, а многократным преломлением в мелких прозрачных элементах структуры (снежинках, волокнах бумаги, пузырьках) объясняется свойство матовых, не зеркальных отражающих поверхностей (белый снег, бумага, белая пена).
Луч света из-за преломления может искривляться. Если бросить в большой сосуд с водой много сахара, не размешивая, и через несколько минут посветить сбоку лучом лазерной указки, то можно увидеть искривление луча (см. Рис. 9). Это связано с тем, что растворение сахара в воде происходит неравномерно и образуется множество слоёв с разными коэффициентами преломления, следовательно, на границе каждого слоя луч немного преломляется.
Рис. 8. Искривление ложки в результате преломления света ()
Рис. 9. Искривление луча в сосуде с водой и сахаром
Проведём опыт, для которого понадобятся лазерная указка, сосуд с жидкостью, а также экран в виде листа бумаги. Направляем луч лазерной указки на поверхность сосуда с водой (см. Рис. 1). Видим:
1. луч отражается от поверхности воды (точка на экране);
Рис. 1. Опыт, демонстрирующий преломление света
Преломление света - изменение направления распространения света в случае его прохождения через границу раздела двух сред.
Первое упоминание о преломлении света можно найти в работах древнегреческого философа Аристотеля, который задавался вопросом, почему палка в воде кажется сломанной.
Существует эффект полного внутреннего отражения. Рассмотрим пример, когда преломление света будет происходить на границе «стекло (показатель преломления ) - воздух ()». В этом случае , а угол падения α будет меньше угла преломления γ (), так как стекло является более оптически плотной средой (см. Рис. 4).
Рис. 4. Схема преломления и отражения луча света при переходе из стекла в воздух
Если n - показатель преломления стекла относительно воздуха, то показатель преломления воздуха относительно стекла - . Тогда закон преломления света можно записать таким образом:
При увеличении угла падения увеличивается и угол преломления, то есть при угле падения, близком к 90 преломлённый луч практически исчезает, а вся энергия падающего луча переходит в энергию отражённого.
При предельном значении угла падения (α ) преломлённый луч распространяется вдоль границы раздела двух сред, то есть угол преломления (γ ) равен 90 (см. Рис. 5). Однако заметить распространение преломлённого луча вдоль границы раздела двух сред практически невозможно, так как интенсивность светового луча становится близкой к 0.
Рис. 5. Схема преломления и отражения луча света при переходе из стекла в воздух при предельном угле падения
Уравнение для нахождения предельного угла падения () можно записать так:
так как угол преломления , а
Например, для воды значение n равно 1,33, следовательно, значение предельного угла равно:
Для стекла:
Для алмаза:
Если световой луч падает на границу раздела двух сред под углом, большим предельного угла падения, то в этом случае луч не проникает во вторую среду и полностью отражается - явление полного внутреннего отражения. Необходимым условием для полного внутреннего отражения является движение луча из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду.
Явление полного внутреннего отражения используется в волоконной оптике для передачи сигналов на большие расстояния. При входе в световод падающий луч направляется под углом, заведомо большим предельного, что обеспечивает отражение луча без потери энергии (см. Рис. 6).
Рис.6. Оптическое волокно ()
Волоконные световоды также применяются в медицине. Например, световод вводят в желудок или в область сердца для освещения или наблюдения участков этих органов.
В морских биноклях внутреннее отражение используют для того, чтобы свет мог пройти через несколько линз при относительно маленьком корпусе аппарата (см. Рис. 7).
В ювелирном деле огранка камней подбирается так, чтобы на каждой грани наблюдалось полное отражение.
Рис. 7. Прохождение света в морском бинокле ()
В таблице 1 представлены скорости света в различных средах. Видим, например, что в воде скорость света в 1,33 раза меньше, чем в вакууме; когда свет переходит из воды в алмаз, его скорость уменьшается ещё в 1,8 раза. Именно изменение скорости света в случаи перехода из одной прозрачной среды в другую является причиной преломления.
Абсолютный показатель преломления вещества (n ) - величина, равная отношению скорости света в вакууме к скорости света в данной среде.
где c - скорость света в вакууме; v - скорость света в данной среде.
Табл. 1. Скорость света в различных средах
В таблице 2 представлены абсолютные показатели преломления света для различных веществ.
Табл. 2. Абсолютные показатели преломления света для различных веществ
Оптическая плотность - мера ослабления света прозрачными объектами (кристаллы, стёкла, фотоплёнка) или отражения света непрозрачными объектами (фотография, металлы).
Чем меньше скорость распространения света в среде, тем больше оптическая плотность среды.
Чем больше отличаются оптические плотности двух сред, тем сильнее свет преломляется на границе их раздела.
Рассмотрим преломление света с помощью оптической шайбы (оптическая шайба - это белый диск, по кругу которого нанесены деления, а на краю установлен осветитель), на которую установим стеклянный полуцилиндр (см. Рис. 2). Направим узкий пучок света на этот полуцилиндр: часть пучка отразится, а часть пройдёт сквозь него, изменив своё направление.
Рис. 2. Наблюдение преломления с помощью оптической шайбы
На схеме (см. Рис. 3) видим, что луч SO задаёт направление падающего пучка света, луч OK - направление отражённого пучка, луч OB - направление преломлённого пучка; MN - перпендикуляр, восстановленный в точке падения луча SO . Все указанные лучи лежат в одной плоскости - плоскости поверхности диска.
Угол, образованный преломлённым лучом и перпендикуляром к границе раздела двух сред, восставленным в точке падения луча, называется углом преломления (γ ).
Угол между падающим лучом и перпендикуляром, восстановленным в точке падения, называется углом падения .
Рис. 3. Схема преломления и отражения луча света при переходе из воздуха в стекло
Если увеличивать угол падения (α ), то увеличится и угол преломления (γ ).
Соотношение углов падения и преломления луча света при переходе из одной среды в другую всегда зависит от оптической плотности сред:
Если свет идёт из менее оптически плотной в более оптически плотную среду, то угол преломления будет меньше угла падения ();
Если свет идёт из более оптически плотной среды в менее оптически плотную, то угол преломления будет больше угла падения ().
Закон Снеллиуса (закон преломления света) гласит, что отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная.
где , и - абсолютные показатели преломления среды, в которой луч света двигался соответственно до пересечения границы раздела и после;
n - относительный показатель преломления второй среды относительно первой;
И - скорости движения луча света в средах соответственно до пересечения границы раздела и после.
Решение задач
Задача 1
В жарких пустынях иногда наблюдается мираж: вдалеке возникает поверхность водоёма. Какими физическими явлениями обусловлен такой мираж?
Решение
Воздух в пустыне нагревается днём, получая тепло от горячего песка, поэтому нижние слои воздуха иногда оказываются самыми тёплыми. Тогда эти нижние слои имеют меньшую плотность, следовательно, и меньший показатель преломления, чем верхние слои. Отражённый каким-либо предметом солнечный свет может испытать настолько большое искривление в оптически неоднородной среде, что это приведёт к полному отражению от слоя тёплого воздуха у поверхности Земли. Возникнет иллюзия, что свет отражается от зеркальной поверхности, которую принимают за поверхность водоёма (см. Рис. 10).
Процессы, которые связаны со светом, являются важной составляющей физики и окружают нас в нашей обыденной жизни повсеместно. Самые важные в данной ситуации являются законы отражения и преломления света, на которых зиждется современная оптика. Преломление света является важной составляющей частью современной науки.
Эффект искажения
Эта статья расскажет вам, что собой представляет явление преломления света, а также как выглядит закон преломления и что из него вытекает.
Основы физического явления
При падении луча на поверхность, которая разделяется двумя прозрачными веществами, имеющими разную оптическую плотность (к примеру, разные стекла или в воде), часть лучей будет отражена, а часть – проникнет во вторую структуру (например, пойдет распространяться в воде или стекле). При переходе из одной среды в другую для луча характерно изменение своего направления. Это и есть явление преломления света.
Особенно хорошо отражение и преломление света видно в воде.
Эффект искажения в воде
Смотря на вещи, находящиеся в воде, они кажутся искаженными. Особенно это сильно заметно на границе между воздухом и водой. Визуально кажется, что подводные предметы слегка отклонены. В описываемом физическом явлении как раз и кроется причина того, что в воде все объекты кажутся искаженными. При попадании лучей на стекло, данный эффект менее заметен.
Преломление света представляет собой физическое явление, которое характеризуется изменением направления движения солнечного луча в момент перемещения из одной среды (структуры) в другую.
Для улучшения понимания данного процесса, рассмотрим пример попадания луча из воздуха в воду (аналогично для стекла). При проведении перпендикуляра вдоль границы раздела можно измерить угол преломления и возвращения светового луча. Данный показатель (угол преломления) будет изменяться при проникновении потока в воду (внутрь стекла).
Обратите внимание! Под данным параметром понимается угол, который образует перпендикуляр, проведенный к разделу двух веществ при проникновении луча из первой структуры во вторую.
Прохождение луча
Этот же показатель характерен и для других сред. Установлено, что данный показатель зависит от плотности вещества. Если падение луча происходит из менее плотной в более плотную структуру, то угол создаваемого искажения будет больше. А если наоборот – то меньше.
При этом изменение наклона падения также скажется и на данном показателе. Но отношение между ними не остается постоянным. В то же время, отношение их синусов останется постоянной величиной, которую отображает следующая формула: sinα / sinγ = n, где:
- n – постоянная величина, которая описана для каждого конкретного вещества (воздуха, стекла, воды и т.д.). Поэтому, какова будет данная величина можно определить по специальным таблицам;
- α – угол падения;
- γ – угол преломления.
Для определения этого физического явления и был создан закон преломления.
Физический закон
Закон преломления световых потоков позволяет определить характеристики прозрачных веществ. Сам закон состоит из двух положений:
- первая часть. Луч (падающий, измененный) и перпендикуляр, который был восстановлен в точке падения на границе, например, воздуха и воды (стекла и т.д.), будут располагаться в одной плоскости;
- вторая часть. Показатель соотношения синуса угла падения к синусу этого же угла, образовавшегося при переходе границы, будет величиной постоянной.
Описание закона
При этом в момент выхода луча из второй структуры в первую (например, при прохождении светового потока из воздуха, через стекло и обратно в воздух), также будет возникать эффект искажения.
Важный параметр для разных объектов
Основной показатель в данной ситуации — это соотношение синуса угла падения к аналогичному параметру, но для искажения. Как следует из закона, описанного выше, данный показатель являет собой постоянную величину.
При этом при изменении значения наклона падения, такая же ситуация будет характерна и для аналогичного показателя. Данный параметр имеет большое значение, поскольку является неотъемлемой характеристикой прозрачных веществ.
Показатели для разных объектов
Благодаря этому параметру можно довольно эффективно различать виды стекол, а также разнообразные драгоценные камни. Также он важен для определения скорости перемещения света в различных средах.
Обратите внимание! Наивысшая скорость светового потока – в вакууме.
При переходе из одного вещества в другие, его скорость будет уменьшаться. К примеру, у алмаза, который обладает самым большим показателем преломляемости, скорость распространения фотонов будет в 2,42 раза выше, чем у воздуха. В воде же они будут распространяться медленнее в 1,33 раза. Для разных видов стекол данный параметр колеблется в диапазоне от 1,4 до 2,2.
Обратите внимание! Некоторые стекла имеют показатель преломляемости 2,2, что очень близко к алмазу (2,4). Поэтому не всегда получится отличить стекляшку от реального алмаза.
Оптическая плотность веществ
Свет может проникать через разные вещества, которые характеризуются различными показателями оптической плотности. Как мы уже говорили ранее, используя данный закон можно определить характеристику плотности среды (структуры). Чем более плотной она будет, тем с меньшей скоростью в ней будет распространяться свет. Например, стекло или вода будут более оптически плотными, чем воздух.
Кроме того, что данный параметр является постоянной величиной, он еще и отражает отношение скорости света в двух веществах. Физический смысл можно отобразить в виде следующей формулы:
Данный показатель говорит, каким образом изменяется скорость распространения фотонов при переходе из одного вещества в другое.
Еще один важный показатель
При перемещении светового потока через прозрачные объекты возможна его поляризация. Она наблюдается при прохождении светового потока от диэлектрических изотропных сред. Поляризация возникает при прохождении фотонов через стекло.
Эффект поляризации
Частичная поляризация наблюдается, когда угол падения светового потока на границе двух диэлектриков будет отличаться от нуля. Степень поляризации зависит от того, каковы были углы падения (закон Брюстера).
Полноценное внутреннее отражение
Завершая наш небольшой экскурс, еще необходимо рассмотреть такой эффект, как полноценное внутреннее отражение.
Явление полноценного отображения
Для появления данного эффекта необходимо увеличение угла падения светового потока в момент его перехода из более плотного в менее плотную среду в границе раздела между веществами. В ситуации, когда данный параметр будет превосходить определенное предельное значение, тогда фотоны, падающие на границу этого раздела будут полностью отражаться. Собственно это и будет наше искомое явление. Без него невозможно было сделать волоконную оптику.
Заключение
Практическое применение особенностей поведения светового потока дали очень многое, создав разнообразные технические приспособления для улучшения нашей жизни. При этом свет открыл перед человечеством далеко не все свои возможности и его практический потенциал еще полностью не реализован.
Как сделать бумажный светильник своими руками
Как проверить работоспособность светодиодной ленты
Греческий астроном Клавдий Птолемей (около 130 г. н. э.) – автор замечательной книги, которая в течение почти 15 столетий служила основным учебником по астрономии. Однако кроме астрономического учебника Птолемей написал ещё книгу «Оптика», в которой изложил теорию зрения, теорию плоских и сферических зеркал и исследование явления преломления света. С явлением преломления света Птолемей столкнулся, наблюдая звёзды. Он заметил, что луч света, переходя из одной среды в другую, «ломается». Поэтому звёздный луч, проходя через земную атмосферу, доходит до поверхности Земли не по прямой, а по кривой линии, то есть происходит рефракция. Искривление хода луча происходит из-за того, что плотность воздуха меняется с высотой.
Чтобы изучить закон преломления, Птолемей провёл следующий эксперимент. Он взял круг и укрепил на оси линейки l1 и l2 так, чтобы они могли свободно вращаться вокруг неё (см. рисунок). Птолемей погружал этот круг в воду до диаметра АВ и, поворачивая нижнюю линейку, добивался того, чтобы линейки лежали для глаза на одной прямой (если смотреть вдоль верхней линейки). После этого он вынимал круг из воды и сравнивал углы падения α и преломления β. Он измерял углы с точностью до 0,5°. Числа, полученные Птолемеем, представлены в таблице.
Птолемей не нашёл «формулы» взаимосвязи для этих двух рядов чисел. Однако если определить синусы этих углов, то окажется, что отношение синусов выражается практически одним и тем же числом, даже при таком грубом измерении углов, к которому прибегал Птолемей.
Из-за рефракции света в спокойной атмосфере кажущееся положение звезд на небосклоне относительно горизонта
1) выше действительного положения
2) ниже действительного положения
3) сдвинуто в ту или иную сторону по вертикали относительно действительного положения
4) совпадает с действительным положением
Конец формы
Начало формы
В спокойной атмосфере наблюдают положение звёзд, не находящихся на перпендикуляре к поверхности Земли в той точке, где находится наблюдатель. Каково видимое положение звёзд – выше или ниже их действительного положения относительно горизонта? Ответ поясните.
Конец формы
Начало формы
Под рефракцией в тексте понимается явление
1) изменения направления распространения светового луча из-за отражения на границе атмосферы
2) изменения направления распространения светового луча из-за преломления в атмосфере Земли
3) поглощения света при его распространении в атмосфере Земли
4) огибания световым лучом препятствий и тем самым отклонения о прямолинейного распространения
Конец формы
Начало формы
Какой из приведённых ниже выводов противоречит опытам Птолемея?
1) угол преломления меньше угла падения при переходе луча из воздуха в воду
2) с увеличением угла падения линейно увеличивается угол преломления
3) отношение синуса угла падения к синусу угла преломления не меняется
4) синус угла преломления линейно зависит от синуса угла падения
Конец формы
Конец формы
Конец формы
Фотолюминесценция
Некоторые вещества при освещении электромагнитным излучением сами начинают светиться. Такое свечение, или люминесценция, отличается важной особенностью: свет люминесценции имеет иной спектральный состав, чем свет, вызвавший свечение. Наблюдения показывают, что свет люминесценции характеризуется большей длиной волны, чем возбуждающий свет. Например, если пучок фиолетового света направить на колбочку с раствором флюоресцеина, то освещённая жидкость начинает ярко люминесцировать зелёно-жёлтым светом.
Некоторые тела сохраняют способность светиться некоторое время после того, как освещение их прекратилось. Такое послесвечение может иметь различную длительность: от долей секунды до многих часов. Принято называть свечение, прекращающееся с освещением, флюоресценцией, а свечение, имеющее заметную длительность, фосфоресценцией.
Фосфоресцирующие кристаллические порошки используются для покрытия специальных экранов, сохраняющих своё свечение две-три минуты после освещения. Такие экраны светятся и под действием рентгеновских лучей.
Очень важное применение нашли фосфоресцирующие порошки при изготовлении ламп дневного света. В газоразрядных лампах, наполненных парами ртути, при прохождении электрического тока возникает ультрафиолетовое излучение. Советский физик С.И. Вавилов предложил покрывать внутреннюю поверхность таких ламп специально изготовленным фосфоресцирующим составом, дающим при облучении ультрафиолетом видимый свет. Подбирая состав фосфоресцирующего вещества, можно получить спектральный состав излучаемого света, максимально приближённый к спектральному составу дневного света.
Явление люминесценции характеризуется крайне высокой чувствительностью: достаточно иногда 10 – – 10 г светящегося вещества, например в растворе, чтобы обнаружить это вещество по характерному свечению. Это свойство лежит в основе люминесцентного анализа, который позволяет обнаружить ничтожно малые примеси и судить о загрязнениях или процессах, приводящих к изменению исходного вещества.
Ткани человека содержат большое количество разнообразных природных флуорофоров, которые имеют различные спектральные области флуоресценции. На рисунке представлены спектры свечения основных флуорофоров биологических тканей и шкала электромагнитных волн.
Согласно приведённым данным пироксидин светится
1) красным светом
2) жёлтым светом
3) зелёным светом
4) фиолетовым светом
Конец формы
Начало формы
Два одинаковых кристалла, имеющих свойство фосфоресцировать в жёлтой части спектра, были предварительно освещены: первый красными лучами, второй синими лучами. Для какого из кристаллов можно будет наблюдать послесвечение? Ответ поясните.
Конец формы
Начало формы
При исследовании пищевых продуктов люминесцентный метод можно использовать для установления порчи и фальсификации продуктов.
В таблице приведены показатели люминесценции жиров.
Цвет люминесценции сливочного масла изменился с жёлто-зелёного на голубой. Это означает, что в сливочное масло могли добавить
1) только маргарин сливочный
2) только маргарин «Экстра»
3) только сало растительное
4) любой из указанных жиров
Конец формы
Альбедо Земли
Температура у поверхности Земли зависит от отражательной способности планеты – альбедо. Альбедо поверхности – это отношение потока энергии отражённых солнечных лучей к потоку энергии падающих на поверхность солнечных лучей, выраженное в процентах или долях единицы. Альбедо Земли в видимой части спектра – около 40%. В отсутствие облаков оно было бы около 15%.
Альбедо зависит от многих факторов: наличия и состояния облачности, изменения ледников, времени года, и, соответственно, от осадков.
В 90-х годах XX века стала очевидна значительная роль аэрозолей – «облаков» мельчайших твёрдых и жидких частиц в атмосфере. При сжигании топлива в воздух попадают газообразные оксиды серы и азота; соединяясь в атмосфере с капельками воды, они образуют серную, азотную кислоты и аммиак, которые превращаются потом в сульфатный и нитратный аэрозоли. Аэрозоли не только отражают солнечный свет, не пропуская его к поверхности Земли. Аэрозольные частицы служат ядрами конденсации атмосферной влаги при образовании облаков и тем самым способствуют увеличению облачности. А это, в свою очередь, уменьшает приток солнечного тепла к земной поверхности.
Прозрачность для солнечных лучей в нижних слоях земной атмосферы зависит также от пожаров. Из-за пожаров в атмосферу поднимается пыль и сажа, которые плотным экраном закрывают Землю и увеличивают альбедо поверхности.
Какие утверждения справедливы?
А. Аэрозоли отражают солнечный свет и, тем самым, способствуют уменьшению альбедо Земли.
Б. Извержения вулканов способствуют увеличению альбедо Земли.
1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б
Конец формы
Начало формы
В таблице приведены некоторые характеристики для планет Солнечной системы – Венеры и Марса. Известно, что альбедо Венеры А 1 = 0,76, а альбедо Марса А 2 = 0,15. Какая из характеристик, главным образом, повлияла на различие в альбедо планет?
1) А 2) Б 3) В 4) Г
Конец формы
Начало формы
Увеличивается или уменьшается альбедо Земли в период извержения вулканов? Ответ поясните.
Конец формы
Начало формы
Под альбедо поверхности понимают
1) общий поток падающих на поверхность Земли солнечных лучей
2) отношение потока энергии отражённого излучения к потоку поглощённого излучения
3) отношение потока энергии отражённого излучения к потоку падающего излучения
4) разность между падающей и отражённой энергией излучения
Конец формы
Изучение спектров
Все нагретые тела излучают электромагнитные волны. Чтобы экспериментально исследовать зависимость интенсивности излучения от длины волны, необходимо:
1) разложить излучение в спектр;
2) измерить распределение энергии в спектре.
Для получения и исследования спектров служат спектральные аппараты – спектрографы. Схема призменного спектрографа представлена на рисунке. Исследуемое излучение поступает сначала в трубу, на одном конце которой имеется ширма с узкой щелью, а на другом – собирающая линза L 1 . Щель находится в фокусе линзы. Поэтому расходящийся световой пучок, попадающий на линзу из щели, выходит из неё параллельным пучком и падает на призму Р .
Так как разным частотам соответствуют различные показатели преломления, то из призмы выходят параллельные пучки разного цвета, не совпадающие по направлению. Они падают на линзу L
2 . На фокусном расстоянии от этой линзы располагается экран, матовое стекло или фотопластинка. Линза L
2 фокусирует параллельные пучки лучей на экране, и вместо одного изображения щели получается целый ряд изображений. Каждой частоте (точнее, узкому спектральному интервалу) соответствует своё изображение в виде цветной полоски. Все эти изображения вместе
и образуют спектр.
Энергия излучения вызывает нагревание тела, поэтому достаточно измерить температуру тела и по ней судить о количестве поглощённой в единицу времени энергии. В качестве чувствительного элемента можно взять тонкую металлическую пластину, покрытую тонким слоем сажи, и по нагреванию пластины судить об энергии излучения в данной части спектра.
Разложение света в спектр в аппарате, изображённом на рисунке, основано на
1) явлении дисперсии света
2) явлении отражения света
3) явлении поглощения света
4) свойствах тонкой линзы
Конец формы
Начало формы
В устройстве призменного спектрографа линза L 2 (см. рисунок) служит для
1) разложения света в спектр
2) фокусировки лучей определённой частоты в узкую полоску на экране
3) определения интенсивности излучения в различных частях спектра
4) преобразования расходящегося светового пучка в параллельные лучи
Конец формы
Начало формы
Нужно ли металлическую пластину термометра, используемого в спектрографе, покрывать слоем сажи? Ответ поясните.
Конец формы
Начало формы
1. Проводим опыты по преломлению света
Проведем такой эксперимент. Направим на поверхность воды в широком сосуде узкий пучок света под некоторым углом к поверхности. Мы заметим, что в точках падения лучи не только отражаются от поверхности воды, но и частично проходят в воду, изменяя при этом свое направление (рис. 3.33).
- Изменение направления распространения света в случае его прохождения через границу раздела двух сред называют преломлением света .
Первое упоминание о преломлении света можно найти в работах древнегреческого философа Аристотеля, который задавался вопросом: почему палка в воде кажется сломанной? А в одном из древнегреческих трактатов описан такой опыт: «Нужно встать так, чтобы плоское кольцо, положенное на дно сосуда, спряталось за его краем. Потом, не изменяя положения глаз, налить в сосуд воду.
Рис. 3.33 Схема опыта по демонстрации преломления света. Переходя из воздуха в воду, луч света изменяет свое направление, смещаясь к перпендикуляру, восставленному в точке падения луча
2. Существуют такие соотношения между углом падения и углом преломления:
а) в случае увеличения угла падения увеличивается и угол преломления;
б) если луч света переходит из среды с меньшей оптической плотностью в среду с большей оптической плотностью, то угол преломления будет меньше, чем угол падения;
в) если луч света переходит из среды с большей оптической плотностью в среду с меньшей оптической плотностью, то угол преломления будет большим, чем угол падения.
(Следует отметить, что в старших классах, после изучения курса тригонометрии, вы глубже познакомитесь с преломлением света и узнаете о нем на уровне законов.)
4. Объясняем преломлением света некоторые оптические явления
Когда мы, стоя на берегу водоема, стараемся на глаз определить его глубину, она всегда кажется меньшей, чем есть на самом деле. Это явление объясняется преломлением света (рис. 3.37).
Рис. 3. 39. Оптические устройства, работа которых базируется на явлении преломления света
- Контрольны вопросы
1. Какое явление мы наблюдаем, когда свет проходит через границу раздела двух сред?
Л. И. Мандельштам изучал распространение электромагнитных волн, прежде всего - видимого света. Он обнаружил целый ряд эффектов, некоторые ныне носят его имя (комбинационное рассеяние света, эффект Мандельштама- Бриллюена и т. п.).