Реферат: Введение основных понятий в оптику
/>Министерство ОбразованияРоссийской Федерации
ОренбургскийГосударственный Педагогический Университет
Факультет:Физико-математический
Кафедраметодики преподавания физики
Курсовая работа
По физикеНа тему: Введение основных понятий воптику
Составитель: студент Физико-математическогофакультета 41 группы
Дедловский Сергей Сергеевич
Научный руководитель: Суербаев Ахмед Хамитович
Оренбург2002 г.
ВведениеУчение о свете является одним изсамых важных в современной физике. Оно основывается на волновых и квантовыхпредставлениях. Технические приложения оптики огромны. Оптические методы широковнедряются в научные исследования и в технику (при измерениях размеров тел, вспектральном и люминисцентном анализе, исследованиях упругих свойств материалови т.п.). Законы оптики широко применяются в оптотехнике, связанной с получениемизображений в оптических инструментах, светотехнике, занимающейся освещением иисточниками света, и в фототехнике, в которой используются квантовые свойствасвета.
Несмотря на такоеогромное значение оптики и её технических приложений, содержание этого важногораздела курса физики средней школы не отражает в должной мере её успехи. Дажетак называемые традиционные вопросы курса геометрической (или лучевой) оптики впрактике преподавания часто не получают правильного истолкования. Речь идет нео дополнении курса физики подробностями, не имеющими принципиального характера,а о физическом истолковании понятий и законов оптики. Во многих случаях впамяти учеников остаются знания о свете, к сожалению, только как о лучах исветящихся точках. Между тем, как известно, последние являются абстракциями,так же как, например, абсолютно твердое тело, точечный электрический зарядит.п. Поэтому учащиеся пытаются применить абстрактное понятие о световых лучахкак геометрических линиях и понятиях о светящихся точках как математическихточках к тем областям оптических явлений, где эти понятия теряют свой смысл.
При изложениигеометрической оптики в курсе физики средней школы часто не используются законсохранения и превращения энергии, понятия об управлении световым потоком спомощью зеркал и линз, о световых пучках, с которыми только и проводятсяэксперименты в школе; не рассматриваются роль диафрагм в получении изображений,глаза в их формировании; изображения не доводятся до сетчатки глаза, т.е. глазне рассматривается совместно с оптической системой, например микроскопом ителескопом. Поэтому такое важное понятие, как мнимое изображение, неразъясняется с достаточной полнотой. Обычно не обращается внимание также наобласть видения изображений, поле зрения.
Программа по физике длясредней школы содержит достаточный объем знаний по оптике. В неё входят такженекоторые вопросы физической оптики – интерференция и дифракция света,фотоэффект, химическое действие света и их различные применения (автоматика ифотография), излучение и поглощение света атомами и др. Таким образом, пооптике объем сведений в программе достаточный. Однако в значительномусовершенствовании нуждается методика её изложения, в том числе геометрическойеё части (лучевой оптики). Необходимо формировать правильное пониманиеучащимися соотношения между волновой и геометрической оптикой, разъяснитьпределы применимости последней. Пренебрежение же волновыми свойствами светаприводит к тому, что остаётся невыясненным, почему существует предел увеличенияоптических инструментов.
Обычно оптику разделяют нагеометрическую и физическую. Геометрическая оптика, являющаяся теоретическойосновой оптотехники, базируется на четырех законах: прямолинейногораспространения света в однородной среде; независимости световых пучков друг отдруга; отражения и преломления света.
Геометрическая оптика необъясняет природы оптических явлений, а основывается на геометрическихпредставлениях. Перечисленные выше законы относятся лишь к направлениюраспространения света, следовательно, имеют скорее геометрический смысл, чемфизический смысл.
Методикаизучения темы «отражение и преломление света»
Отражения света. Зеркала.
Во введении к данной темеподчеркивается, что на границе раздела двух сред происходит отражение ипреломление света. При разделении светового потока соблюдается закон сохраненияэнергии.
Указывается также, что призеркальном отражении неровности отражающей поверхности должны быть значительноменьше 1мк. Такого же порядка неоднородности могут быть в немутной преломляющейсреде.
Разделение световогопотока на отраженный и преломленный демонстрируется с помощью таких опытов:
1.Используется аквариум сфлюоресцирующей жидкостью. Параллельный пучок лучей от проекционного фонарянаправляется на экран (металлическое или стеклянное зеркало), поставленный подуглом к световому потоку. Последний отражается также под углом на поверхностьводы в аквариуме. Преломленный пучок света ясно виден во флюоресцирующейжидкости. Отраженный пучок можно принять на белый экран или увидеть взадымленном воздухе.
2. На оптической шайбеустанавливается стеклянный полуцилиндр. От осветителя узкий пучок светанаправляется на плоскую поверхность цилиндра. В последнем виден пучокпреломленного света, а на белом диске шайбы – отраженный пучок. При измененииугла падения пучка можно видеть изменение яркости преломленного и отраженногопучка – яркость одного увеличивается, а другого уменьшается.
Для проверки законаотражения ставятся параллельно два опыта – с волнами на поверхности жидкости(желательно со стробоскопом) и с оптической шайбой.
Пальцем ударяют по линейномувибратору. Всплеск доходит до экрана (металлического бруска), поставленногоодин раз перпендикулярно линии распространения волны, а другой раз – под угломк ней. Наблюдается, в каком направлении распространяется волна. Затемрассматривается непрерывная картина распространения и отражения плоских волн.Обращается внимание на угол падения и отражения лучей. Дается рисунокнаблюдаемой картины. Нормали к фронту волны вычерчиваются цветным мелком.
В опыте с оптическойшайбой узкий пучок света направляется на плоское зеркало вначалеперпендикулярно ему, а затем под все увеличивающемся углом и измеряются углыпадения и отражения.
Обращается внимание нато, что в опыте с водяными волнами изменяется направление нормали к фронтуволны (рис. 1, а), а в оптическом опыте – направление осевого луча в световомпучке (рис. 2, а).
/>Аналогичнорассматривается отражение круговых водяных волн и расходящихся пучков. Уголмежду линиями, ограничивающими световой пучок, не изменяется.
Чтобы учащиеся правильно отсчитывалиуглы падения и отражения света, можно рекомендовать вести отсчет этих угловвсегда от перпендикуляра, восстановленного в точке падения луча. Приформулировке закона отражения надо подчеркнуть не только равенство этих углов,но и то, что они лежат в одной плоскости.
Сравнивается характер зеркального идиффузного отражения. В числе иллюстрирующих примеров можно показатьиспользование зеркального гальванометра (ставится опыт с отклонением световогопятна на шкале при нагревании термопары рукой).
При наличии достаточного временижелательно ознакомить учащихся с отражательной способностью некоторыхматериалов – с понятием, весьма важным в светотехнике (таб 1.)
материал Коэффициенты отражения Полированное серебро 0,88 – 0,93 Посеребренное стеклянное зеркало 0,7 – 0,85 Полированный хром 0,6 – 0,7 Белая жесть 0,69 Полированный никель 0,55 – 0,63
В этом месте курса возможныупражнения следующего содержания:
1. Узкий пучок света образует сплоскостью зеркала угол в 300. Какой будет угол между падающим и отраженнымпучком?
2. Под каким углом к параллельномупучку света надо поставить зеркало, чтобы этот пучок пучок повернуть на 900?
3. Показать построением с помощьютранспортира, что при отражении от плоского зеркала вид пучка света неизменяется. Рассмотреть два случая – параллельный и расходящийся световойпучок.
4. Узкий пучок света падает наплоское зеркало под углом. На какой угол сместится отраженный пучок света, еслизеркало повернуть на 150?
Зеркала.
Получениеизображений (светящейся точки и протяженного предмета) в плоском зеркалерассматривается на опыте и при помощи геометрических построений. Для опыталучше взять оконное стекло, а не обычное зеркало.
Обращается внимание на следующее:
Из расходящегося пучка света берутсялишь два крайних луча, ограничивающих пучок и падающих на зеркало;
Все лучи после отражения пересекаютсяпри обратном их продолжении в одной точке (мнимое изображение). Полезнопостроить два из них на чертеже; изображение предмета будет симметричнымотносительно зеркала, прямое равное и мнимое; глаз обладает свойствомвоспринимать 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, можнодополнить построением действительного изображения предмета на сетчатке).
Какова область видения изображения(рис.1 и 2)
/>Для пояснения последнего вопросаможно повернуть плоское зеркало так, чтобы изображение, например, свечи увиделатолько одна половина класса, а после поворота вокруг вертикальной оси – другаяполовина.
Разъясняются различные примененияплоских зеркал в технике.
Рекомендуются следующие упражнения:
1.Перед плоским зеркалом, несколько встороне 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, пользуясьзаконом отражения, найти изображение точки и область его видения. Другой путь –нанести на чертеже точку S1, зная, что изображение находится наодном перпендикуляре к зеркалу со светящейся точкой и на таком же расстоянии отнего, на каком источник Sнаходится перед зеркалом. От точки S1 проводятограничивающий пучок на зеркало; продолжение его является отраженным пучком,где и находится область видения изображения.
Наконец определяется, каковонаправление любого третьего луча внутри светового пучка после отражения. Можноисследовать, куда движется изображение, если S перемещается вправо, влево, к зеркалу и от него.
2. Данный точечный источник светаперед зеркалом и величина зрачка глаза, находящегося по ту же сторону зеркала:
а) построить пучок лучей, позволяющийнаблюдателю видеть изображение источника;
б) определить всю область виденияизображения.
3. Светящийся предмет находится передзеркалом несколько в стороне от него. Построить изображение и определитьобласть видения всего изображения.
Здесь полезно рассмотреть дваслучая: Когда предмет длинной стороной расположен параллельно зеркалу и подуглом к его плоскости.
4. Проверить (дома) закон отражениясвета при помощи булавок и плоского зеркала (хорошо использовать полоскужести).
Излагаются характеристики сферическихзеркал – полюс зеркала, фокус, оптический центр, дается понятие о приосевыхлучах.
При геометрических построенияхизображений рекомендуется:
· каждый случайпостроения иллюстрировать опытом;
· показать, чтолюбой луч в пучке, падающий на зеркало, после отражения пройдет через ту точку,в которой пересекаются два луча, выбранных для построения изображения;
· указать, чтолучи, идущие от любой некрайней точки предмета, пересекутся в соответствующихместах межу крайними точками изображения;
· не обрыватьпучков света в местах получения изображений — их следует несколько продолжитьпосле пересечения лучей;
· в каждом случаерисовать зрачок глаза и подчеркивать, что расходящиеся световые пучкисобираются в глазу, на сетчатке которого получается изображение;
Обращается внимание учащихся на то,что построение изображений возможно не только с помощью тех двух лучей, которыеуказаны 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 зеркалос отверстием посередине) и т.п. Обращается внимание на то, что светотехническиеустройства перераспределяют световой поток в пространстве, направляя его впределах небольшого угла. Поэтому сила света в определенном направленииувеличивается.
Преломлениесвета. Линзы.
Преломлениесвета.
/>Для проверкизаконов преломления демонстрируются два опыта: отражение и преломление(одновременно) плоских волн на поверхности жидкости (желательностробоскопически) и отражение и преломление параллельного светового пучка наоптической 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 слояжидкости скорость распространения волн уменьшается, что обуславливаетпреломление. Оптический опыт рекомендуется показать с одноцветным пучком света(используется светофильтр).Аналогичные демонстрацииставятся с круговыми водяными волнами и с расходящимся пучком света.
Углы падения ипреломления рекомендуется отсчитывать от нормали, восставленной к поверхностираздела двух сред; подчеркивается, что эти углы лежат в одной плоскости.
Угол падения/>sina
Угол преломления,g Sin g/>
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=1,48На опыте с оптическойшайбой показывается следующее: при нормальном падении узкого светового пучка наплоскую поверхность полуцилиндра преломления нет; с увеличением угла падениярастет и угол преломления; постоянным остается отношение не углов, а ихсинусов. Ниже приводится ряд измерений (таб 1.)
Дается определение показателяпреломления. Для выражения его величины через отношение скоростей распространениесвета можно проанализировать (рис ), на котором показано преломление водяныхволн. Так как BC=/> и />,
То /> и />, а />
Следует обратить внимание на двафакта:
1.Зная скорость света в вакууме c, можно определить его скорость в среде, для которойизвестен показатель преломления n: />.
Например, для стекла с показателемпреломления 1,5:
/>,
а для воды, у которой n=1,33,
/>.
2. Согласно теории электромагнитногополя скорость распространения электромагнитных волн:
/>,
где с скорость распространенияволн в вакууме, e и m — соответственно диэлектрическая имагнитная проницаемость среды. Из этого равенства следует, что
/>.
Но /> гдеn – показатель преломления среды.Следовательно,
/>.
Для ряда газообразных и жидкихдиэлектриков />. Поэтому
/>.
Это указывает на связь оптических иэлектромагнитных характеристик вещества.
Связь междупоказателем преломления и диэлектрической проницаемостью можно получить и так.
Показатель преломления среды
/>,
где с – скоростьэлектромагнитных волн в вакууме, аv– скорость в данной среде. Но
/> и
/>,
где ee0и mm0– соответственно значения диэлектрической и магнитной проницаемости среды, а e и m — соответственно их относительные значения. Поэтому
/>.
Для неферромагнитных тел />, значит,
/>.
Излагается понятие об обратимостилучей. Здесь полезно иметь в виду, что принцип обратного хода лучей справедливв геометрическом смысле, т.е. если не учитывать потери энергии при отражении ипоглощении света.
Приводится пример, что показательпреломления воды относительно воздуха n=1,33, а воздуха относительно воды
/>.
В демонстрационных опытах илабораторных работах получается показатель преломления изучаемого веществаотносительно воздуха. Абсолютный показатель преломления воздуха (относительно вакуума)равен 1,00029. Следовательно, nабс=1,00029n, где nопределяется из опыта.
Желательно указать учащимся, чтонельзя смешивать понятия «оптически более плотная среда» и «среда с большойплотностью».
Один урок или домашнее заданиепосвящается практической работе по определению показателя преломления стеклаили воды. Желательно вычислить его значение относительно вакуума. Место дляпроведения этой работы в курсе физики определяется методом измерения. Еслииспользуется плоско-параллельная пластинка, то работу следует провести послевведения понятия о показателе преломления. В случае применения опыта,изображенного на рис.4, оно проводится, когда учащимся уже знакомо явлениеполного отражения.
/>Изложение вопроса о полном отражениисвязывается с явлением разделения энергии света на границе двух сред и санализом зависимости интенсивности отраженного и преломленного пучка от углаего падения.
Опыт ставится с оптической шайбой,при помощи которой узкий пучок света направляется на цилиндрическую поверхностьстекла. При росте угла падения света на плоскую поверхность внутри стеклаинтенсивность преломленного пучка (в воздухе) уменьшается, а отраженногоувеличивается. При угле полного отражения интенсивность последнего возрастаетскачком. Это полезно иллюстрировать при помощи рисунков, где густотой точек впучках отмечена интенсивность света (рекомендуется рисовать только параллельныйпучок света). Дается определение, что называется предельным углом полногоотражения, и формула для его вычисления.
/>.
Применение явления полного отраженияв стеклянных призмах демонстрируется также на оптической шайбе. Рассматриваютсяслучаи поворота светового пучка на 900и 1800(рис.5). Действие обращающейпризмы наглядно демонстрируется на проецировании кюветы с жидкостью на экран.
Тема «преломление света»заканчивается рассмотрением хода лучей в плоско-параллельной и клинообразнойпластинке (призме). Опыты со смещением лучей и получением изображений ставятсяс фильтрами, чтобы исключить явление дисперсии. Демонстрируется, что вплоско-параллельной пластине выходящий пучок света параллелен падающему, абоковое смещение его зависит от угла падения и толщины пластинки (для этогонадо иметь две пластинки разной толщины). Математический вывод этих />зависимостей не нужен; они могут бытьполучены при решении задач.
Показывается, что наименьшееотклонение падающего пучка призмой будет при его симметричном ходе относительнограней призмы, т.е. когда угол падения равен углу выхода.
Для закрепления знаний приводятсявозможные упражнения, например, вычислить скорость света в глицерине, если егопоказатель преломления 1,47, или объяснить, почему наблюдатель видит дно рекитолько вблизи и не видит его участков, расположенных чуть подальше.
Линзы.
При изучении линз выясняются ихоптические характеристики, назначение и принцип действия. Дается квалификациялинз, приводятся их схематические изображения и условные обозначения. При этомобычно указывается, что собирающие линзы толще посредине, чем по краям, арассеивающие – наоборот. Однако это справедливо, лишь, когда показательпреломления вещества линзы больше, чем окружающей среды. В противном случаелинзы с большей толщиной посредине будут рассеивающими, а с меньшей –собирающими.
Напоминается, что диафрагмаограничивает световой пучок, идущий от источника света, вырезает лишь частьсветового потока. Линза, вставленная в диафрагму (оправу), собирает илирассеивает световые пучки[1].Это действие линз иллюстрируется двумя параллельно поставленными опытами: сплоскими волнами на поверхности жидкости и со световым параллельным пучком.
В первом опыте плоские волны наповерхности жидкости превращаются линзой в круговые. За линзой они движутсявперед вогнутостью, а затем, пройдя через область, где происходит сужение волн,- вперед выпуклостью, т.е. сначала они собираются, а затем, расходятся.
Во втором опыте показываетсясхождение, а затем расхождение пучка света. Аналогичные опыты ставятся срассеивающими линзами.
Вводятся понятия об оптическом центрелинзы, о главной и побочной оптической оси, переднем и заднем фокусе, фокусномрасстоянии, фокальной плоскости, о действительном и мнимом фокусе. Здесь важноподчеркнуть следующее:
· положение фокусаопределяется для параксиальных (приосевых) лучей и для линз с малой кривизнойповерхностей;
· Световые пучкинеодинаковой цветности собираются в разных точках;
· Параллельныйпучок белого света собирается линзой почти в одной точке при условии сохраненияпараксиальности лучей;
· Переднее и заднеефокусные расстояния несимметричной линзы одинаковы;
· Луч в направлениик оптическому центру линзы смещается ею тем меньше, чем она тоньше.
Таким образам, в школеизучаются тонкие линзы и приосевые световые пучки.
При изложении понятия обоптической силе линзы полезно разъяснить следующее: оптическая сила системысложенных вместе тонких линз равна алгебраической сумме (с соблюдением правилазнаков) оптических сил этих линз; для определения оптической силы рассеивающейлинзы необходимо измерить оптическую силу системы, состоящей из даннойрассеивающей и собирающей линзы большей оптической силы, а затем вычестьпоследнюю из результата, полученного для системы линз. Это может быть проверенона практическом занятии.
/>Роль линзв концентрации энергии света полезно показать на опыте, в котором приемникомизлучения является фотоэлемент или чувствительная термопара (рис.6). Отмаленького источника света 1 излучение через диафрагму 2направляется на приемник энергии 3, который соединен сэлектроизмерительным прибором 4. После того как диафрагма закрываетсясобирающей линзой 5, показания прибора возрастают.
Затем показываетсяизображение светящейся точки в линзе. В качестве источника света беретсялампочка, помещенная в футляре с малым круглым отверстием. Вначале экран(матовое стекло, белая плотная бумага) медленно перемещается вдоль осисветового пучка и «прощупывается», как он формируется, переходит от сходящегосяв расходящийся, и в месте этого перехода обнаруживается изображение.Рассеивание света от экрана дает возможность учащимся видеть изображение точки.
Геометрические построенияпроводятся для трех случаев: когда точечный источник света находится в сторонеот оптической оси, на самой оси и на расстоянии от оси, большем радиусаглавного сечения линзы. Обращается внимание на то, как перемещаетсяизображение, если источник света движется к оптической оси и от неё, вправо ивлево; как определить область видения изображения.
На рисунке 7-а толстымилиниями показаны лучи, выбранные для построения изображений светящейся точки S; тонкими линиями изображены границысветового пучка, падающего на линзу. После преломления все лучи пересекаются вточке S1.
Для построенияизображения светящейся точки, находящейся на главной оптической оси (рис 7-б),проводят любую линию к линзе, а затем строят вспомогательную линию(штриховая), параллельную данной и проходящую через оптический центр линзы. Онапересекает главную фокальную плоскость. Через эту точку пересечения пройдет ипервый луч. Наконец, через точку S1 пройдут все лучи светового пучка,падающего на линзу.
/>На рисунке7, в дано построение изображения точки в линзе, если она находится в стороне от оптической оси на расстоянии, большем радиуса главного сечения линзы.Относительно этой линии и строится изображение. Реальный пучок света ограниченна рисунке тонкими линиями.
Чтобы чертеж был болеевыразительным, лучи, ограничивающие весь пучок света, падающего на линзу, можноизобразить мелом (в тетрадях ученики рисуют обычным карандашом), а лучи,служащие для геометрического построения изображения, — цветным мелком (втетрадях цветным карандашом) или толстыми линиями. Точечный источник света S (см. рис 7.) виден в пределах 4p стерадиан, а изображение – лишь впределах ограниченного угла, зависящего от диаметра главного сечения линзы.Применив плоский рассеивающий экран, можно сделать изображение источника светавидимым всему классу. Наконец, показывается, что светящаяся точка и еёизображение сопряжены.
Методикаизучения темы “волновые свойства света”. Интерференция света.
В качествеосновного эксперимента по интерференции выбирают опыт Юнга, зеркала илибипризму Френеля или наконец, кольца Ньютона. Опыт Юнга действительно прост посвоей идее, не требует дополнительного построения лучей, как в других опытах,числовой расчет несложен и, наконец, на волновой ванне легко осуществитьаналогичный опыт. Однако он связан с явлением дифракции на щелях. Дляистолкования опыта с зеркалами или бипризмой Френеля необходимо знать лишьсоответственно закон отражения или преломления. И не смотря на то что явлениеотражения проще преломления, построение отраженных пучков и мнимых источников вдвух зеркалах представляется более сложным, чем в бипризме. Поэтому опыт сбипризмой Френеля желательно выбрать в качестве исходного по интерференции.
КольцаНьютона или цвета тонких пленок могут быть рассмотрены в качестведополнительных иллюстраций.
/>Внимание учащихся надо обратить на то, что прямым доказательствомволновой природы света явилась интерференция. Свет, прибавленный к свету, нетолько усиливает свет, но может ослабить его и даже гасить. Ставятся два опыта,подтверждающие это, — с волнами на воде и со светом.
Принципдействия волновой ванны следующий. Волны на поверхности воды (рис.8) действуюткак рассеивающие (А, В) и собирающие (C, D, E) линзы. Поэтому насоответствующих участках экрана будет усиление или ослабление света (вне связис явлением интерференции).
Двавибратора, насаженные на стальную пластинку и совершающие колебания синхронно,при погружении в воду дают две системы круговых водяных волн, которые,интерферируя, образуют ряд максимумов и минимумов. Так как волнырассматриваются в теневой проекции, то будут видны темные и светлые полосы.Полезно показать опыт при одной, а затем при другой частоте колебаний стальнойпластинки, для чего её длину следует изменить. Картина интерференции от этогоне изменится – будут лишь другими расстояния между максимумами и минимумамиинтенсивностей колебаний.
/>Оптический опыт ставится с набором А.П. Кузьмина[2].Пучок свет, полученный после конденсора проекционного фонаря 1 (рис.9),равномерно освещает узкую вертикально расположенную щель 2. Щельявляется источником излучения для призмы Френеля 3, помещенной от неё нарасстоянии 10 – 15 см. Затем два пучка света проходят через светофильтр 4,расположенный в деревянной рамке, как для проекции диапозитива. В пазы этойрамки помещены раздельно два светофильтра, например красный и синий. Наконец нарасстоянии до 2 м от бипризмы на демонстрационном столе размещается переноснойбелый экран 5 размером примерно 30Х50 см. Длина щели и ребро бипризмыдолжны быть параллельны. Если дополнительно используется цилиндрическая линза,то образующая также должна быть параллельна щели. Вначале добиваются этойпараллельности, а затем щель сужается до 0,15 – 0,1 мм.
Дляувеличения ширины интерференционной картины и видимости ее всему классуплоскость экрана располагается под большим углом к оптической оси установки.Дается схема распространения световых волн через бипризму (рис.10).
/>Опыт ставится с красным, а затем с зеленым или синим светофильтром.Обращается внимание, что в середине интерференционной картины образуетсясветлая полоса А (по цвету светофильтра), а с обеих сторон от нее –чередующиеся темные и светлые полосы. Так как изменение расстояния между этимиполосами при смене светофильтра в классном опыте трудно заметить, можнопоказать фотографии интерференционных полос в разных цветах.
Дляувеличения ширины интерференционной картины и видимости её всему классуплоскость экрана располагается под большим углом к оптической оси установки.
Даетсяследующее определение: явление интерференциисостоит в наложении световых пучков, в результате которого образуетсяустойчивая картина чередующихся светлых и темных полос.
На основезнаний, полученных учащимися из раздела о механических колебаниях и волнах,разъясняется, почему колебания в одних местах усиливаются, а в другихослабляются.
Разъясняется,что:
· В каждой точке пространства, где волны сходятся, имеет местосложение колебаний;
· Разность фаз Dj двух колебаний в каждой точке со временемне изменяется;
· В разных точках пространства сдвиг фаз неодинаков. Поэтому водних точках колебания друг друга усиливают, а в других ослабляют;
· При интерференции выполняется закон сохранения энергии.
Первый выводсостоит в том, что явление интерференции можно объяснить только на основеволновой теории. Значит, свет имеет волновую природу.
Далееопределяются условия, необходимые для образования интерференции, — когерентность. Приводится пример с колебаниями двух механических вибраторов,насажанных на одну стальную пластинку, и подчеркивается, что они совершаютколебания с одинаковой частотой, в одинаковых фазах и в одной плоскости.
Даетсяопределение когерентности: когерентныминазываются волны одинаковой частоты, с постоянной во времени разностью фаз.
Указывается,что когерентные источники образуют когерентные волны.
Остаетсявыяснить, как создать такие волны. Обращается внимание на то, что свет от двухэлектрических лампочек не интерферирует. Значит, это независимые друг от другаисточники света и световые волны, излучаемые ими, некогерентны.
/>Для получения когерентных волн надо излучение от одного источникасвета каким-либо способом раздвоить и затем свести в одно место. Один изспособов состоит в применении бипризмы. В ней свет, предположим, от точечногоисточника S преломляется двумя призмами в разныхнаправлениях и собирается в одном месте на экране (рис 11.). Два преломленныхпучка света являются расходящимися и будто бы выходят из мнимых источниковсвета S1 и S2.Они когерентны, так как являются изображениями одного и того же источника S.
Можновоспользоваться аналогией. Пусть перед зеркалом колеблется пружинный маятник.Очевидно, что колебания изображения в зеркале будут идти в такт с колебаниямисамого маятника. Если в каком-нибудь положении, когда шарик двигался вниз,остановить его и заставить двигаться в противоположном направлении, тоизображение в зеркале будет двигаться тоже вверх. Аналогичное явление имеетместо в когерентных источниках света. Источник состоит из множества излучающихатомов. Колебаниям электрона в каждом из них соответствуют точно такие жеколебания в когерентном источнике.
Объясняется,в каких местах интерференционной картины будут максимумы и минимумы света(рис.9.). Записывается разность хода двух лучей и условия усиления и ослаблениясвета. При
/>
образуетсясветлая полоса. При
/>
темная полоса; здесь n=0, 1, 2, 3…
Если разностьхода равна />, то волны приходят водинаковых фазах, если же />, то впротивоположных фазах. Наконец следует подчеркнуть, что областью интерференциибудет всё пространство, в котором волны накладываются друг на друга. Поэтомуэкран можно поставить в любое место этой области, пересекая продольную ось всейустановки.
Остаетсяпоказать, как определяется длина световой волны. На одной и той же установке,т.е. при неизменных расстояниях от экрана до источника света и между мнимымиего изображениями, величина промежутка b междусоседними темными (или светлыми) полосами интерференции зависит лишь от цветалучей, т.е. от длины волны l. Значит, l b.
Такимобразом, второй важный вывод из опытов по интерференции должен состоять в том,что это явление позволяет измерить длину световой волны.
Из-занедостатка учебного времени можно не выводить формулу для вычисления длиныволны. Важно разъяснить лишь метод измерения l.Напоминается порядок расположения цветов в призматическом спектре иуказывается, что длина волны убывает в нем от красного участка к фиолетовому.
Пользуясьэтими сведениями, можно дать понятие об однородном свете как о свете с однойчастотой колебаний и неизменной амплитудой.
Следуетуказать, что по длине волны или частоте можно определить цветность световогопучка, но по цвету пучка нельзя судить о длине волны. Кроме того, по цветутрудно отличить в спектре два его участка, длины волн которых разнятся междусобой на несколько миллимикрон. Даже самая узкая область спектра состоит изизлучения различных частот.
Затем можнопоставить опыт по интерференции с бипризмой Френеля в белом свете. Обращаетсявнимание на характер интерференционной картины: центральная полоса всегдабелая; по обе стороны от неё – темные полосы; затем цветные полосы максимумовсвета, разделенные темными промежутками; последовательность расположения цветныхполос – от фиолетового к красному, причем первая ближе к центральной белойполосе.
Объясняется,почему центральная светлая полоса белая, а другие максимумы цветные. В центрэкрана (см.рис.11) от точек S1 и S2 колебания приходят в одинаковой фазе. Поэтомувсе колебания равных частот усиливают друг друга, а от смешения всехспектральных цветов получается белая полоса.
В точку Априходят колебания с разностью хода S2A-S1A=S2N, которая дляфиолетового света может оказаться равной четному числу полуволн, а для другихдлин волн – нет. В другой точке экрана это условие может удовлетворяться длякрасного света. Поэтому в А наблюдается фиолетовая полоса, а в другом месте –красная.
Желательнорассмотреть ещё один частный случай интерференции – цвета тонких пленок – ипровести следующие самостоятельные наблюдения учащихся на уроке.
Дифракция света
ПринципГюйгенса-Френеля рассматривается до изучения дифракции. Предлагаетсяпознакомить учащихся с этим принципом лишь в связи с объяснением дифракционныхявлений; поэтому здесь он приобретает служебную роль. Изучение геометрическойоптики, например явлений отражения и преломления света на основе принципаГюйгенса программа по физике для средней школы не предусматривает.
Вначалерекомендуется поставить опыты с водяными волнами, демонстрирующие дифракцию намалых экранах, а затем на малых отверстиях. Опыты с плоскими волнами ставятся втаком порядке:
· Размеры экрана велики – за экраном наблюдается резкая областьгеометрической тени;
· Размеры экрана во много раз меньше – наблюдается дифракция волн.
· Размеры отверстия велики – наблюдается резкая область тени;
· Размеры отверстия малы – наблюдается загибание волн в областьгеометрической тени;
Обращаетсявнимание, что позади экрана в центре дифракционной картины образуется светлаяточка, окруженная системой темных и светлых колец и заходящая в областьгеометрической тени. В случае отверстия центр дифракционных колец может бытьсветлым или темным в зависимости от расстояния до отверстия. При перемещении кнему центр экрана последовательно становится светлым и темным.
Желательноподчеркнуть, что дифракция получается и от больших экранов, но в этом случаеона образуется далеко за ними и интенсивность света на больших расстоянияхбывает недостаточной. Остается объяснить, как образуется явление дифракции вобласти геометрической тени и там, где, казалось, можно было бы ожидатьравномерную освещенность.
Этот случайлегко разъяснить с качественной стороны, пользуясь принципом Гюйгенса-Френеля.
На волновойванне с помощью параллельных вибраторов, насажанных на одну стальную пластинку,получается несколько систем круговых волн. В проекции на экране видно, какобразуется волновая поверхность, огибающая все круговые волны одинаковыхрадиусов. Явление желательно рассмотреть при помощи стробоскопа.
Разъясняется,что точка фронта световой волны в любой момент времени находятся в одинаковыхфазах и сами являются источниками вторичных волн. Желая узнать, как дальшераспространится фронт волны, из каждой её точки надо провести окружностиодинаковых радиусов R=ct,изображающие вторичные волны; здесь с – скорость света; а R– расстояние, на которое он распространяется за время t.Огибающая их поверхность и является новым фронтом волны. Линии,перпендикулярные к этому фронту, совпадают с направлением распространениясвета.
Френельпоказал, что вторичные волны, интерферируя, гасят друг друга и светобнаруживается лишь на огибающей поверхности. Поэтому фронт световой волныдвижется только вперед.
/>На доске вычерчивается график (рис 12.), на котором с помощьюпринципа Гюйгенса-Френеля поясняется причина загибания света в областьгеометрической тени и появление темных мест там, где по законам геометрическойоптики должен быть свет.
Пусть плоскаяволна PQ падает на экран АВ (см.рис.12). Часть этойволны задерживается экраном, другая часть будет распространяться в том женаправлении. Плоские волны изображены на рисунке сплошными штриховыми линиями.Точки на этих линиях колеблются в противоположных фазах.
Точки А и Вплоской волны являются центрами вторичных волн, распространяющихся за малымэкраном во всех направлениях. Они показаны концентрическими окружностями. Заэкраном, где фазы колебаний точек одинаковы, колебания усиливаются (например, вD, C, E),а если противоположны, то гасят друг друга (например, в K,L, M, N).
Заключение.
Курс физикисредней школы нуждается в методическом пересмотре в соответствии с современнымифизическими воззрениями. Это осуществляется двумя путями параллельно.
Во-первых, вопросы классическойфизики в школьном курсе излагаются с учетом достижений новой физики, чтообеспечивает более современную их трактовку и разъяснение природы и механизмовмногих физических явлений и процессов и явлений. При этом идеи новой физики нестановятся придатком к существующему курсу, а проходят через все его изложение.
Во-вторых, школьный курс обновляетсясведениями, добытыми наукой в нашем веке.
Эти два пути совершенствованияшкольного курса физики взаимосвязаны и принципиально неотделимы друг от друга.
За последние годы многие вопросыкурса подверглись такому методическому пересмотру. Однако менее других этокоснулось раздела оптики в целом. Между тем роль физической оптики всовременной физике огромна. Создание электродинамики, электронной теории,теории относительности, квантовой механики и атомной физики непосредственнобыло связано с изучением оптических явлений.
Без преувеличения можно сказать, чтофизическая оптика неразрывно связана с новой физикой. От создания новойметодики изучения оптики в школе во многом зависит повышение уровня всего курсафизики.
Используемая литература
1. Л.И. Резников«методика преподавания физики в средней школе», М.1963.
2. Л.И. Резников «физическая оптика в средней школе», М.1971.
3. Соколов И.И. «методикапреподавания физики в средней школе», Учпедгиз, 1959
Содержание
1. ВведениеМетодика изучения темы «отражение ипреломление света
· Зеркала
2. Преломлениесвета. Линзы.
· Преломлениесвета.
· Линзы.
Методикаизучения темы “волновые свойства света”.
· Интерференциясвета
· Дифракциясвета