Опыты на отражение и преломление света. Опыты со светом для детей. Порядок выполнения работы
Класс: 11
Ум заключается не только в знании, но и в умении прилагать знание на деле.
Аристотель.
Цели урока:
- проверить знание законов отражения;
- научить измерять показатель преломления стекла, используя закон преломления;
- развитие навыков самостоятельной работы с оборудованием;
- развитие познавательных интересов при подготовке сообщения по теме;
- 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 света, 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. (Раздаются индивидуальные задания на карточках).
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.
Карточка 5.
Человек ростом Н=1,8 м, стоя на берегу озера, видит в воде отражение Луны, находящейся под углом 30° к горизонту. На каком расстоянии от берега человек видит в воде отражение Луны?
2. Сформулируйте закон распространения света.
3. Какое явление называют отражением света?
4. Нарисуйте на доске световой луч, падающий на отражающую поверхность; угол падения; нарисуйте отраженный луч, угол отражения.
5. Почему оконные стекла издали кажутся темными, если на них смотреть в ясный день с улицы?
6. Как нужно расположить плоское зеркало, чтобы вертикальный луч стал отражаться горизонтально?
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».
- На середину дна пустого стакана поставьте карандаш вертикально и посмотрите на него так, чтобы его нижний конец, край стакана и глаз расположились на одной линии. Не меняя положения глаз, наливайте воду в стакан. Почему по мере повышения уровня воды в стакане видимая часть дна заметно увеличивается, а карандаш и дно кажутся приподнятыми?
- 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.
Эпиграфом к нашему уроку я подобрала слова Аристотеля «Ум заключается не только в знании, но и в умении прилагать знания на деле». Я думаю, что правильное выполнение лабораторной работы является доказательством этих слов.
V.
Давно уже осуществлены многие мечты древности, и немало сказочных волшебств сделалось достоянием науки. Улавливаются молнии, пробуравливаются горы, летают на «коврах-самолетах»… Нельзя ли изобрести и «шапку-невидимку», т.е. найти средство сделать тела совершенно невидимыми? Об этом мы сейчас побеседуем.
Идеи и фантазии английского романиста Г. Уэллса о человеке-невидимке спустя 10 лет немецкий анатом – профессор Шпальтегольц осуществил на практике – правда не для живых организмов, а для мертвых препаратов. Во многих музеях мира представлены теперь эти прозрачные препараты частей тела, даже целых животных. Способ приготовления прозрачных препаратов, разработанный в 1941 году профессором Шпальтегольцем, состоит в том, что после известной обработки беления и промывания – препарат пропитывается метиловым эфиром салициловой кислоты (это бесцветная жидкость с сильным лучепреломлением). Приготовленный таким образом препарат крысы, рыбы, частей человеческого тела погружают в сосуд, наполненный той же жидкостью. При этом, разумеется не стремятся достичь полной прозрачности, т.к. тогда они стали бы совершенно невидимыми, а потому и бесполезными для анатома. Но при желании можно достичь и этого. Во-первых, надо найти способ пропитать просветляющей жидкостью ткани живого организма. Во-вторых, препараты Шпальтегольца только прозрачны, но не невидимы лишь до тех пор, пока они погружены в сосуд с жидкостью. Но, допустим, что со временем удастся преодолеть оба эти препятствия, а следовательно, осуществить на практике мечту английского романиста.
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
Явление полного внутреннего отражения используется в волоконной оптике.
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 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).
Вариант 1. Оборудование: прибор для изучения законов геометрической оптики, выпрямитель ВС-24 или ВС 4-12, плоское зеркало из деталей прибора.
При подготовке прибора по геометрической оптике к работе регулируют освещение экрана. Для этого ослабляют шаровой шарнир и поворачивают или смещают осветитель до тех пор, пока средняя полоска света не пройдет через весь экран (по его диаметру). В этом положении осветитель закрепляют. Если же при этом полоска света будет расплывчатой, не резкой, то, отпустив винт, фиксирующий электропатрон в осветителе, вращают, опускают или поднимают электропатрон до получения четкой полоски света на экране. Если боковые полоски света не доходят до края экрана, то следует изменить наклон осветителя. После наладки все винты надежно закрепляют.
Установку собирают по рисунку 278. С помощью прижима устанавливают плоское зеркало из набора оптических деталей так, чтобы его отражающая поверхность совпадала с горизонтальной осью. Оставляют лишь один средний луч. Изменяют угол падения от 0 до 90°, отмечают угол отражения, сравнивают эти углы, делают вывод.
Повторяют опыт, демонстрируя свойства обратимости световых пучков, для чего переводят осветитель из одной части диска в другую. (При демонстрации опытов по геометрической оптике помещение должно быть затемнено.)
Рис. 278 Рис. 280
Опыт 2. Преломления света
Вариант 1. Оборудование:
На экране устанавливают прозрачный полуцилиндр матовой стороной к экрану и плоским срезом вверх так, чтобы он совпадал с горизонтальной осью. Центр полуцилиндра совмещают с центром экрана с помощью риски на матовой поверхности полуцилиндра (рис. 280).
При демонстрации опыта пользуются средним лучом. Направляют луч в центр полуцилиндра перпендикулярно плоскости (луч проходит без изменения направления). Отклоняют падающий луч от перпендикуляра и замечают, что преломленный луч выходит из полуцилиндра под другим углом. Сравнивают углы падения и преломления, делают вывод.
Повторяют опыт при другом угле падения. (Во время опыта следует обратить внимание на раздвоение пучка света на границе раздела двух сред.)
Опыт 3. Явление полного отражения света
Вариант 1. Оборудование: прибор для изучения законов геометрической оптики, выпрямитель ВС-24 или ВС 4-12, полуцилиндр из набора оптических деталей.
Обратив внимание на соотношение углов падения и преломления в предыдущем опыте (рис.280), изменяют положение полуцилиндра. Его выпуклой стороной устанавливают к осветителю (плоский срез совпадает с горизонтальной осью). Изменяют углы падения, сравнивают с углами преломления, делают вывод.
Сравнивают соотношение углов падения и преломления в зависимости от соотношения оптической плотности сред (результаты данного и предыдущего опытов). Делают вывод.
Убеждаются, что при увеличении угла падения яркость отраженного пучка возрастает, а преломленного - уменьшается. Увеличивают угол падения до тех пор, пока преломленный луч не исчезнет. При дальнейшем увеличении угла падения будет наблюдаться только отраженный луч. Наблюдают явление полного отражения света.
Вопрос. Чему равен предельный угол полного отражения? (Ответ дайте с одной значащей цифрой.)
Вариант 2. Оборудование: проекционный аппарат, аквариум.
Установку собирают по рисунку 281. В стеклянную ванну (аквариум) наливают слой воды толщиной 7-8 см и подкрашивают ее хвойным концентратом. Перед конденсором проекционного аппарата устанавливают горизонтальную щель, а на оправу объектива надевают плоское зеркало. Направляют пучок света на боковую стенку стеклянной ванны. Наблюдают преломление пучка света в воде, полное отражение от поверхности воды и преломление при выходе пучка из ванны. Изменяя угол падения, можно наблюдать многократное полное отражение пучка света от поверхности воды и дна ванны.
Михальчук Артём Александрович, Абрамова Валерия Валерьевна, ученики 10 «В» класса МОУ «СОШ №8» г. Саратова
Описание собственных наблюдений некоторых удивительных световых явлений, попытка объяснить их, смоделировать и исследовать их на опыте в условиях школьного кабинета физики.
Скачать:
Предварительный просмотр:
Муниципальное общеобразовательное учреждение
«Средняя общеобразовательная школа №8 Волжского района
города Саратова»
Рефракция света в земной атмосфере и обманы зрения
Учебно-исследовательская работа по физике
Александрович
Ученик 10 «В» класса
МОУ «СОШ №8» г. Саратова
Руководитель: учитель физики
Иванова Татьяна Петровна
Саратов 2008 г.
- Введение……………………………………………………………………… 3
- Полное внутреннее отражение света……………...………………………... 4
- «Чёрное зеркало»…………………………………………………………….. 5
- Отражение от нагретой воды….……………………………………………. 6
- Распространение света в слоисто-неоднородной среде…………………... 7
- Астрономическая рефракция……………………………………………….. 8
- Своеобразие солнечных закатов……………………………………………. 9
- Земная рефракция…………………………………………………………... 11
- Моделирование двойного миража………………………………………… 13
- Заключение………………………………………………………………… 14
- Список использованной литературы……………………………………... 15
Введение
Чтобы наблюдать многие оптические явления, не обязательно находиться в физической лаборатории, оборудованной дорогостоящими приборами. Жизнь на Земле невозможна без тёплого и светлого прикосновения солнечных лучей. Стоит лишь приглядеться, и рядом с нами обнаружится множество удивительных явлений, связанных со светом.
Глядя в обычное зеркало, можно понять законы отражения. Любуясь закатом Солнца, размышлять о преломлении света. Радуга напоминает о дисперсии, цветные крылья стрекоз – об интерференции.
В некоторых случаях для объяснения оптических явлений не важна природа света, достаточно знать его основные свойства: прямолинейность распространения в однородной среде, законы отражения и преломления, т.е. владеть геометрической оптикой.
Цель данной работы – описать собственные наблюдения некоторых удивительных световых явлений, попытаться объяснить их, смоделировать и исследовать их на опыте в условиях школьного кабинета физики. Были выполнены следующие демонстрации опытов, описанных В.В. Майером в учебных руководствах: полное отражение света, отражение от нагретой воды, искривление светового пучка оптически неоднородной жидкостью и неравномерно нагретым оргстеклом. Проведённые исследования помогли объяснить красивые оптические явления, происходящие со светом на границе раздела оптически однородных сред и в слоисто-неоднородной среде, какой и является земная атмосфера.
Полное внутреннее отражение света
Первое знакомство с полным отражением света в школе происходит, как правило, при известной демонстрации хода луча через полуцилиндр из оргстекла. Преломление света происходит на границе раздела стекло-воздух (n 1 > n 2 ).
Согласно закону преломления, отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная, равная относительному показателю преломления второй среды относительно первой или отношению абсолютных показателей преломления второй и первой сред.
Т.к. n 1 > n 2 , то sin β > sin α и, следовательно, β > α . При увеличении угла падения растут углы отражения и преломления, причём интенсивность отражённого света увеличивается, а преломлённого уменьшается. α 0 , при котором β=π/2, называется предельным углом полного отражения света. При любых углах падения, превышающих предельный, падающий пучок полностью отражается.
«Чёрное зеркало»
Существует целый ряд занимательных и поучительных опытов, исследующих
явление полного отражения света.
Вот один из них. Металлическая пластинка покрывается слоем копоти. Такая поверхность может отражать свет лучше любого зеркала, если её опустить в сосуд с водой. При определённом угле между поверхностью пластинки и направлением наблюдения чёрная поверхность блестит, как зеркало! Можно в этом «чёрном зеркале» получить изображение какого-нибудь предмета. На границе каких сред происходит полное отражение света? Копоть не прозрачна, значит не она участвует в «возврате» луча обратно в воду. Дело в том, что между водой и слоем копоти образуется тонкая воздушная плёнка. Вода не смачивает копоть. Полное отражение света возникает на границе сред вода – воздух. Глядя на пластинку сверху сквозь поверхность воды, мы увидим её блестящей.
Рис. 1
Эффект «Чёрного зеркала»
Но не при любом положении пластинки по отношению к боковой стенке сосуда это можно увидеть, если смотреть не сверху, а сквозь боковую стенку. Ожидаемого полного отражения наблюдать не удаётся, если пластинка параллельна стенке сосуда, т.е. тогда, когда слой воды, отдаляющий нас от воздушной прослойки, является плоскопараллельным.
Поворачивая пластинку вокруг вертикальной оси, можно добиться появления «чёрного зеркала». Объяснение явления в сравнении хода лучей через плоскопараллельный слой воды и через слой воды в виде клина (рис. 1 и 2).
Полное отражение имеет место в том случае, если на границу между водой и воздушной прослойкой, отделяющей воду от чёрной пластинки, свет падает под углами, превышающими предельный. Но таких лучей в первом случае просто нет, а во втором – из-за расширения слоя воды добиться полного отражения света можно даже при α π/2.
Рис. 2 Эффект «Чёрного зеркала» отсутствует
Опыт № 1
«Чёрное зеркало»
Цель. Наблюдение полного отражения света.
Приборы и материалы: стеклянный сосуд, алюминиевая пластина, свеча, вода.
Ход опыта. 1. Закоптить алюминиевую пластину над пламенем свечи.
2. Опустить пластину в сосуд с водой.
3. Наблюдать появление «Чёрного зеркала» поворачивая пластину вокруг вертикальной оси.
Отражение от нагретой воды
Для проведения следующего опыта понадобится большой сосуд с холодной водой, жестяная банка из-под кофе, кипяток. Поверхность банки должна быть тёмной. При быстром заливании в эту банку, закреплённую вертикально в большом сосуде, кипятка, можно увидеть, как поверхность её становится блестящей! Объяснить появления «зеркала» в этом опыте полным отражением света не удастся, т.к. жесть хорошо смачивается водой, в отличие от копоти. Кроме того, появившееся «чёрное зеркало» в предыдущем опыте может сохраняться сколь угодно долго, тогда как в новой ситуации оно само через некоторое время пропадёт. Измерение температуры воды в радиальном направлении к центру большого сосуда показывает, что исчезновение блеска происходит тогда, когда вся толща воды во внешнем сосуде прогреется до примерно одной и той же температуры. Наблюдается же полное отражение лишь при условии, что вода во внешнем сосуде нагрета неравномерно. Вблизи банки с горячей водой её температура наибольшая, а плотность – наименьшая. Следовательно, минимальна и оптическая плотность. Показатель преломления этого слоя воды меньше, чем у холодной воды.
Нет резкой границы между средами с разной оптической плотностью, а значит, нет и отражения в привычном смысле этого слова.
Вода вокруг горячей банки оптически неоднородна с плавным изменением оптической плотности. В такой среде луч света распространяется криволинейно, загибаясь в сторону от меньших значений показателя преломления к большим его значениям (Рис. 3).
Рис. 3 Отражение от нагретой воды
Опыт № 2
Отражение от нагретой воды
Цель. Наблюдение искривления луча света в оптически неоднородной среде.
Приборы и материалы: стеклянный сосуд, жестяная банка из-под кофе, покрашенная матовой чёрной краской, размером: D ~ 6 см, H ~ 12 см, холодная вода, горячая вода (t° ~ 100°С).
Ход опыта. 1. В сосуде с холодной водой закрепить пустую жестяную банку.
2. В жестяную банку залить кипяток.
3. Наблюдать сверху кратковременное появление зеркальной поверхности банки.
Распространение света
в слоисто-неоднородной среде
Слоисто-неоднородными называют такие оптически неоднородные среды, в которых равные значения показателя преломления образуют слои. Рассмотрим самый простой случай, когда показатель преломления среды изменяется только в одном направлении.
А б
Рис. 4
Пусть показатель преломления изменяется снизу вверх. Мысленно разобьём среду на тонкие горизонтальные слои. Луч света меняет своё направление от слоя к слою.
Кроме способа получения слоисто-неоднородной среды, описанной в последнем опыте, можно использовать способ, основанный на явлении диффузии. Готовится насыщенный раствор соли (350 г соли на 1 л воды) в одном сосуде и чистая отстоявшаяся вода в другом. Обе жидкости подкрашиваются хвойным концентратом, фильтруются.
Раствор соли через воронку и шланг осторожно вливается в воду. Граница раздела между ними сначала довольно резкая. Об этом свидетельствует полное отражение луча света от неё. Через некоторое время граница «размазывается», и световой пучок распространяется криволинейно.
В нижней части аквариума находится раствор поваренной соли, имеющий большую оптическую плотность, чем расположенная над ним вода. Показатель преломления убывает непрерывно вдоль оси y. Т.к. n=c/
v
, скорость распространения света в верхних слоях жидкости больше, чем в нижних. Плоская волновая поверхность внутри жидкости будет
Рис. 5 поворачиваться, занимая последовательно положения 1, 2, 3, 4, 5 и т.д. Вверху свет будет распространяться быстрее, чем внизу.
Убедительнее для наблюдения искривления луча в оптически неоднородной среде проходит опыт с нагреваемым оргстеклом. Полуцилиндрическая пластина из оргстекла устанавливается на электрическую плитку, которая разогревается примерно до 100°С. Постепенно эффект полного отражения луча на границе стекло-воздух переходит в плавное его искривление. Причина – изменение оптической плотности оргстекла из-за изменения его температуры.
Искривление луча в оргстекле.
Опыт №3
Распространение света в неравномерно нагретом оргстекле
Цель. Наблюдение искривления светового луча в оргстекле при нагревании.
Приборы и материалы: полуцилиндрическая пластина из оргстекла, электрическая плитка, источник света с лампой на 12 В, снабжённый экраном со щелью шириной 2 мм (из комплекта шайбы Гартля).
Ход опыта. 1. Установить пластину из оргстекла на холодную электрическую плитку.
2. Включить плитку в сеть.
4. Наблюдать замену полного отражения луча в его изгибание.
Астрономическая рефракция.
Искривление световых лучей при прохождении света через атмосферу называется рефракцией света в атмосфере. Астрономической рефракции подвергаются лучи, приходящие к земному наблюдателю от Солнца, Луны или звёзд. При объяснении этих явлений надо учитывать, что показатель преломления атмосферы немного больше единицы и то, что он изменяется от точки к точке соответственно изменению плотности воздуха.
А б
Рис. 6
Если представить атмосферу как набор оптически однородных горизонтальных слоёв одинаковой толщины, у которых показатель преломления скачком меняется от одного слоя к другому, постепенно увеличиваясь в направлении от верхних слоёв к нижним, то траектория луча, приходящего от небесного объекта к наблюдателю будет ломаной линией (Рис. 3, а). В действительности плотность атмосферы, а значит, и её показатель преломления изменяются с высотой не скачками, а непрерывно. Потому траектория светового луча представляет собой кривую линию (Рис. 6, б). Вследствие искривления лучей наблюдатель может видеть объект не в том направлении, которое соответствует действительности. В отсутствие рефракции объект был бы виден под углом α (действительное зенитное расстояние объекта). Рефракция же приводит к тому, что объект виден под углом γ. γ
Своеобразие солнечных закатов
Любуясь закатом Солнца, мы видим, как нижний край света коснулся линии горизонта, мы обычно не осознаём, что в действительности в данный момент этот край света уже находится на 35´ ниже линии горизонта. Верхний край солнечного диска приподнимается рефракцией слабее – только на 29´. Поэтому заходящее Солнце кажется немного сплюснутым по вертикали.
Рис. 7
На показатель преломления воздуха влияет, кроме математического изменения плотности воздуха с высотой, также конвекционные потоки, ветер, степень влажности, температуры.
Особенности прогревания атмосферы в нижних слоях над различными участками земной поверхности приводят к тому, что нам иногда кажется Солнце заходящим не за линию горизонта, а за некоторую невидимую линию, находящуюся над горизонтом. При этом облачность отсутствует.
Рис. 8
Если в это время подняться на вершину холма или верхний этаж дома, то можно наблюдать ещё более странную картину: Солнце заходит за линию горизонта, но при этом диск оказывается как бы перерезанным горизонтальной «слепой полосой».
Такая картина наблюдается, если воздух около самой Земли оказывается холодным, а выше располагается слой тёплого воздуха. Переход от нижнего холодного слоя к верхнему тёплому может приводить к резкому спаду показателя преломления. Если предположить, что спад происходит скачком, ход лучей при переходе через границу между тёплым и холодным воздухом можно иллюстрировать рисунком 9.
Рис. 9
В точке О находится наблюдатель. h 1 – высота холодного слоя воздуха.
Рассмотрим Δ О 1 ОС. По теореме синусов: ;
Учтём, что О 1 О=R, O 1 C=R+h 1 . Тогда => sin α 2 =sin или. Отсюда следует, что по мере увеличения γ от 0° до 90°, угол α2 возрастает, достигая максимального значении я при γ=90°(sin 90°=1).
При α 2 =α 0 (предельному углу) луч, идущий из тёплого слоя воздуха, совпадёт с касательной к границе с холодным слоем. К наблюдателю не будут попадать лучи, которые войдут в холодный слой в точках, лежащих ниже точки В. Это объясняет явление, представленное на рисунке 8. Ширину «слепой полосы» определяет угол β. Если же человек поднимается на холм, (точка О и линия горизонта приподняты), то он может увидеть часть диска ниже «слепой полосы», которую теперь определяет угол 2β.
Рис. 10
Возникновение «слепой полосы»
Рисунок «слепой полосы»
Земная рефракция
Не менее интересна земная рефракция света, когда происходит искривление лучей, идущих к наблюдателю от объектов, расположенных на Земле. При этом происходит впечатляющее явление, получившее название миража. Самую простую форму миража часто удаётся наблюдать летом автомобилистам, едущим в жаркий день вдоль длинного и ровного шоссе.
Т.к. дорога сильно нагрета, прилегающий к ней воздух так же нагревается, а его плотность уменьшается. Коэффициент преломления воздуха внизу меньше, чем наверху.
Рис. 11
Глаз наблюдателя видит свет, идущий с неба из точки А, но у него создаётся впечатление, что свет идёт из точки В (рис. 11).
Рис. 12
Для возникновения верхнего миража (миража дальнего видения) необходимо, чтобы показатель преломления приповерхностного слоя воздуха достаточно быстро уменьшался с высотой, что возможно, когда, например, внизу располагается слой холодного воздуха, а над ним находится слой более тёплого воздуха.
Рис. 13
Глаз наблюдателя проецирует лучи в том направлении, по которому они входят в него. Большое количество миражей дальнего видения наблюдается на побережье Средиземного моря. Видимо, в этом повинна пустыня Сахара. Горячие массы воздуха поднимаются над ней, затем уносятся на север и создают благоприятные условия для возникновения миражей. Верхние миражи возникают и в северных странах, когда дуют тёплые южные ветры. Верхние слои атмосферы оказываются нагретыми, а нижние – охлаждёнными из-за наличия больших масс льдов и снега.
Иногда наблюдаются одновременно прямые и обратные изображения предметов.
Рис. 14
Моделирование двойного миража
Если за кюветой, в которую налиты раствор соли и вода, на расстоянии 20-30 см от неё наклонно расположить длинную белую спицу или полоску белой бумаги, то при наблюдении через кювету можно увидеть характерный изгиб в изображении спицы. Вблизи границы раздела жидкостей наблюдается два изображения конца спицы: нижнее – перевёрнутое, верхнее – прямое.
Рис. 15
Отрезку SM соответствует перевёрнутое изображение S´M´, образованное лучами, идущими ниже границы раздела жидкостей, и прямое S´M´´, образованное лучами, распространяющимися выше границы раздела.
Одновременное появление прямого и перевёрнутого изображений прямой спицы может служить моделированием двойного миража.
Так искривляется прямая бумажная полоска, если наблюдать её через оптически неоднородную среду.
Заключение
Преломление света охватывает очень широкий круг явлений природы, среди которых мы выделили те, которые смогли наблюдать сами. Особое место среди них занимают миражи. Они описаны в научных и художественных книгах. Некоторые из них имеют имена, о них сложены легенды. Многие миражи, особенно сверхдальние, когда изображение переносится за тысячи километров, являются весьма сложными оптическими явлениями. Для объяснения возникновения «Летучего голландца», «Фата-Моргана», хрономиражей недостаточно рассмотрение только рефракции света в атмосфере. Физический механизм таких явлений значительно сложнее. Объяснения некоторым из них до сих пор не существует. Возможно, что при определённых условиях в атмосфере образуются гигантские воздушные линзы, своеобразные светопроводы, вторичные миражи, т.е. миражи от миражей. Возможно также, что определённую роль в возникновении миражей играет ионосфера, которая может отражать световые волны.
Фотографии миражей
Список использованной литературы
- С. Толанский. Удивительные свойства света. Москва: Издательство «Мир», 1969.
- В.В. Майер. Простые опыты по криволинейному распространению света. Москва: Издательство «Наука», 1984.
- В.В. Майер. Полное отражение света в простых опытах. Москва: Издательство «Наука», 1986.
- Л.В. Тарасов, А.Н. Тарасова. Беседы о преломлении света. Москва: Издательство «Наука», 1982.
- В.Л. Булат. Оптические явления в природе. Москва: Издательство «Просвещение», 1974.
- Ф. Вуд. Искусственные миражи // Журнал «Квант». 1971. № 10. https://accounts.google.com