Закон отражения света. Закон преломления света. Полное внутреннее отражение.

Занятие №

Тема: Закон отражения света. Закон преломления света. Полное внутреннее отражение.

Цели:  Дидактическая: ввести новые понятия: луч, тень, полутень, зеркальное и диффузное отражение, преломление, явление полного отражения, показатель преломления.

Развивающая:изучить содержание законов прямолинейного распространения света, отражения и преломления. Рассмотреть принцип Гюйгенса, как прием для объяснения законов отражения и преломления света.

Воспитательная: продолжить формирование умений работать с учебником, выделять главное.продолжить формирование умений обобщать изученный материал и предъявлять его при повторении.

Тип занятия: комбинированное.

Ход занятия.

1. Организационный момент.

2. Знакомство аудитории с темой и целью занятия.

Мотивация учебной деятельности студентов.

3. Актуализация опорных знаний.

Для начала немного пофантазируем. Представьте жаркий летний день до нашей эры, первобытный человек при помощи остроги охотится на рыбу. Замечает ее положение, целится и наносит удар почему-то вовсе не туда, где была видна рыба. Промахнулся? Нет, в руках у рыбака добыча! Все дело в том, что наш предок интуитивно разбирался в теме, которую мы будем изучать сейчас. В повседневной жизни мы видим, что ложка, опущенная в стакан с водой, кажется кривой, когда мы смотрим через стеклянную банку – предметы кажутся искривленными. Все эти вопросы мы рассмотрим на занятии.

4. Изучение нового материала.

Геометрическая оптика-раздел оптики, в котором законы распространения  света рассматриваются на основе представления о световых лучах.

 Световой луч- линия, вдоль которой распространяется световая энергия .  Геометрическая оптика базируется на трех законах:

1.                   закон прямолинейного распространения света

2.                   закон отражения света

3.                   закон преломления света

1.Закон прямолинейного распространения света:

В вакууме и в однородной среде луч распространяется прямолинейно.

Оптически однородная среда - это среда, в которой свет распространяется с постоянной скоростью.

 Прямолинейность распространения света подтверждается образованием тени и полутени.

2. Закон отражения света.

Закон   отражения   света   был   открыт   экспериментально   древнегреческим ученым Евклидом

а)луч падающий и луч отраженный лежат в одной плоскости с  перпендикуляром, восстановленным к отражающей поверхности в точке падения;

б)угол отражения равен углу падения:       

 Падающий и отраженный лучи могут меняться местами.  Это свойство  лучей называется обратимостью световых лучей:

 Если точечный объект и его изображение поменять местами, то лучевая картина отражения не изменится; изменится при этом лишь направление лучей.

Различают диффузное и зеркальное отражение.

3.закон преломления света

 Изменение направления распространения света при его прохождении через  границу раздела двух сред называется преломлением света.

 Угол между преломленным лучом и перпендикуляром к границе   раздела  двух сред в точке падения луча называется углом преломления.  — угол падения,

  — угол преломления.   

Закон преломления света был открыт   экспериментально Снеллиусом    :

 а) падающий луч, луч преломленный и перпендикуляр, восставленный
     в точке падения, лежат в одной плоскости.                         

 б) отношение синуса угла    падения  к синусу угла      преломления есть  величина     постоянная для двух данных сред:

 n2,1 -относительный показатель преломления второй среды относительно  первой                                                                                                                            физический смысл :

 относительный показатель преломления равен отношению скоростей света  в средах, на границе между которыми происходит преломление:                                                 (1)

Показатель преломления среды относительно вакуума азывают абсолютным показателем преломления этой среды.

 Он равен отношению синуса угла падения к синусу угла преломления при переходе светового луча из вакуума в данную среду. Пользуясь формулой (1), можно выразить относительный показатель преломления через абсолютные показатели преломления  n₁ и n₂   первой и второй сред.

 Действительно, так как                                                        и     где с — скорость света в вакууме,

то

 Абсолютный показатель преломления определяется скоростью  распространения света в данной среде, которая зависит от физического состояния среды, т. е. от температуры вещества, его плотности, наличия в нем упругих напряжений. Показатель преломления зависит также и от характеристик самого света. Для красного света он меньше, чем для зеленого, а для зеленого меньше, чем для фиолетового.

 Т.о. преломление света объясняется изменением скорости распространения света при его переходе   из одной среды в другую.

 Из двух сред та, в которой скорость света меньше, называется оптически более плотной, а та, в которой скорость света больше, — оптически менее плотной.  Например, вода является оптически более плотной средой, чем воздух, а стекло — оптически более плотной средой, чем вода.

Отражение света

Для демонстрации отражения и преломления воспользуемся специальным при бором для изучения  законов геометрической оптики . Источником света в нем является маленькая лампочка, находящаяся внутри подвижного осветителя. Свет лампочки, выходя из осветителя через узкую щель, распространяется по поверхности диска и, будучи рассеянным ее частицами, образует на ней освещенную полоску. Эту полоску мы будем принимать за «луч света».

Поместим в центр диска зеркало 2 и направим на него световой пучок (падающий луч) АО. Свет отразится от зеркала, и на поверхности   диска    появится    отраженный
 луч ОВ. Его появление свидетельствует о том, что он лежит в той же  плоскости, что и луч АО с перпендикуляром ОС (эту плоскость называют плоскостью падения луча).

Преломление  света

 Поместим в центр оптического диска стеклянную   пластину и направим на нее луч света. Мы увидим, что на границе  воздуха со стеклом свет не только отразится, но и проникнет внутрь  стекла, изменив направление своего распространения

Заметим, что если бы мы направили луч по направлению ЕО, то в силу обратимости световых лучей он вышел бы из стекла  по направлению О А.

 Преломление света на границе двух оптических сред

 В прозрачную прямоугольную ванну или аквариум  вставляют белый экран и наливают воду. На дно ванны помещают плоское зеркало. Пучок света от лазера плоским зеркалом направляют в ванну вдоль белого экрана. На границе раздела сред воздух — вода свет преломляется и, отразившись от зеркала на дне ванны, выходит из воды, вновь преломившись на границе раздел сред вода — воз дух .

Световой пучок лазерного излучения расширяют в горизонтальной плоскости цилиндрической линзой. Для показа этого опыта может быть использован и иной источник света, например оптическая скамья ФОС. Однако поглощение и рассеивание света водой настолько  ослабляют световой пучок, что демонстрацию необходимо проводить в затемненном помещении. При использова­нии лазера в этом опыте нет необходимости затемнять кабинет.

Полное внутреннее отражение.

Для демонстрации используем прибор геометрической оптики. Необходимо направить центральный луч света на полуцилиндрическую линзу со стороны ее выпуклой части по центру. В этом случае луч света проходит полуцилиндр без преломления (рис.1). Поворачивая дисковый экран с полуцилиндрической  линзой (рис.2), получить луч, падающий под углом к горизонтальной плоскости линзы α. При выходе из полуцилиндра со стороны плоской грани луч преломляется и отклоняется от горизонтального диаметра, образуя угол преломления γ.

Увеличить угол падения луча до тех пор, пока угол преломления не приблизится к прямому. Отметить, что одновременно с преломленным лучом появляется отраженный луч, который будет тем ярче, чем больше угол преломления приближается к 90˚. Преломленный луч ослабевает по яркости, пока не будет получено полное внутреннее отражение.
Угол падения, при котором наступает полное внутреннее отражение, называется предельным углом полного внутреннего отражения. При переходе света из стекла в воздух этот угол приблизительно равен 40˚. При дальнейшем увеличении угла падения явление полного внутреннего отражения сохраняется.

   Полное внутреннее отражение.

 Если падающий луч направлен из оптически более плотной среды в оптически
 менее   плотную (например, из воды в воздух),   n_2,1<1. Это  означает, что в этом случае угол преломления  больше угла падения.

 При увеличении угла падения интенсивность отраженного луча  увеличивается, а интенсивность преломленного луча уменьшается. При некотором угле падения  преломленный луч скользит вдоль поверхности раздела двух сред, (угол преломления максимален    = 90°)   При   >   преломление света невозможно, значит луч полностью отразится.

угол падения  называется предельным углом полного отражения

 Полное внутреннее отражение- явление отражения света от оптически  менее плотной среды, при котором преломление отсутствует, а интенсивность отраженного света практически равна интенсивности падающего.

 Явление полного внутреннего отражения используется, например, в  световодах при передаче световых сигналов по тонким стеклянным нитям -световодам.(«волоконная оптика»). Световод представляет собой стеклянное волокно цилиндрической формы, покрытое оболочкой из прозрачного материала с меньшим , чем у волокна показателем преломления За счет многократного полного отражения свет может быть направлен по любому (прямому или изогнутому) пути.

 Волоконно-оптические устройства используются в медицине в качестве эндоскопов — зондов, вводимых в различные внутренние органы для непосредственного визуального наблюдения.

 В технике световоды применяются для освещения недоступных мест, а  также для передачи сигналов на большие расстояния. Модулируя световой пучок, идущий по световоду, можно по нему на значительные расстояния передавать информацию - речь, музыку, изображения, информацию от ЭВМ и т. п.

 Достоинство  оптических каналов  связи  -  возможность  пере дачи  по  одному световоду в сотни и тысячи раз большего объема

 информации, чем по металлическим проводам. Кроме того, оптический канал  связи помехоустойчив, он не реагирует ни на какие внешние воздействия.

 Наконец, замена металлических проводов световодами дает огромную  экономию дорогостоящих цветных металлов.

 Полное внутреннее отражение используется в призматических биноклях,  перископах, зеркальных фотоаппаратах, а также в световращателях (катафотах), обеспечивающих безопасную стоянку и движение автомобилей

5. Закрепление изученного на занятии.

1.                  Сформулируйте закон прямолинейного распространения света?

2.                  Изобразить образование тени и полутени.

3.                  Сформулируйте закон отражения света?

4.                  Какие виды отражений вы знаете ?

5.                  При каких условиях возникают диффузное и зеркальное отражения?

6.                  Что такое обратимость световых лучей ?

7.                  Что называют преломлением света?

8.                  Сформулируйте закон преломления.

9.                  Каков физический смысл относительного показателя преломления ?

10.              Какая среда является оптически более плотной: вода или кварц? Почему?

11.              Какой из рисунков соответствует прохождению света из среды оптически  более плотной в менее плотную? Ответ обоснуйте. Какой из рисунков не имеет физического смысла?

                     а)                                                  б)                                                      в)

 12.Что называется явлением полного внутреннего отражения?

 13.Привести примеры проявления законов отражения и преломления в жизни  и технике.

6. Подведение итогов занятия.

7. Домашнее задание. Г.Я. Мякишев. Физика. 11 класс §60,61; стр.191, упр.1-3.