Открытый интегрированный урок по физике с ИВТ на тему: "Законы преломления. Явление полного внутреннего отражения"

Разделы: Физика


Форма: Интегрированный урок с ИВТ.

Цель урока: Вывести закон отражения с привлечением принципа Гюйгенса на основании исходного положения “Свет – электромагнитная волна”. Объяснить физический смысл показателя преломления среды. Изучить явление полного внутреннего отражения, его техническое применение. Закрепить полученные знания на примере решения задачи. При проведении урока использовать мультимедийные устройства проекционного изображения и звука и персональные компьютеры на базе операционной системы Windows 2000.

План урока.

№ п\п

Вопросы урока

Время (мин.)
1. Повторение свойств электромагнитных волн. Принцип Гюйгенса. Законы отражения. 3
2. Объяснение нового материала. Законы преломления. Явления полного внутреннего отражения. Демонстрация видеозаписи “Радуга”. 15
3. Закрепление изученного материала:  
а) на примере компьютерной модели; 3
б) решение задачи; 9
в) компьютерный тест по проверке усвоения полученных знаний. 10
4. Подведение итогов. Домашнее задание. 5

Теоретический материал:

Закон преломления.

На границе раздела двух сред может происходить не только отражение волн, но и проникновение их во вторую среду с изменением скорости распространения. Изменение направления распространения волн на границе раздела двух сред называется преломлением волн. Для наглядности объясняемого материала изобразить на доске (или вывести через проектор) следующий рисунок:

Рисунок 1.

Рассмотрим процесс возникновения преломленной волны при падении волны с плоским фронтом на плоскую поверхность раздела двух сред. Скорость распространения волн в первой среде обозначим через U1, а во второй через U2 (U2<U1). Если угол падения отличен от нуля, то падающая волна достигает различных точек границы раздела двух сред в различные моменты времени. В тот момент времени, когда участок падающей волны, отмеченный лучом МА, достигнет границы раздела двух сред, точка А согласно принципу Гюйгенса становится источником вторичных волн. За то время , пока в первой среде границы раздела достигнет участок волнового фронта, отмеченный лучом ND, волны во второй среде от точки А распространятся на расстояние АС= U2.

Положение фронта преломленной волны в тот момент времени, когда колебания вдоль луча ND достигают границы раздела в точке В, отмечено на рисунке прямой ВС. Угол падения МАК () равен углу DAB и угол преломления LAC () равен углу СВА как углы со взаимно перпендикулярными сторонами. Найдем соотношение синуса угла падения к синусу угла преломления:

.

Так как BD = U1 и АС = U2 , то:

.

Включить презентацию <Приложение 1 (слайд 1)>. Таким образом, на основании принципа Гюйгенса получаем Закон преломления волн: луч падающий, преломленный луч и перпендикуляр к границе раздела двух сред лежат в одной плоскости; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления не зависит от угла падения и равно отношению скоростей распространения волн в первой и во второй средах.

Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления называется относительным показателем преломления:

.

Из закона преломления следует, что если скорость распространения волн во второй среде меньше, чем в первой, то угол преломления меньше угла падения ? и преломленный луч приближается к перпендикуляру.

Преломление электромагнитных волн.

Для электромагнитных волн получим:

Абсолютным показателем преломления называется отношение скорости распространения электромагнитной волны в вакууме к скорости распространения в данной среде:

.

Абсолютный показатель преломления равен отношению синуса угла падения луча из вакуума к синусу угла преломления луча в веществе. Нетрудно убедиться, что относительный показатель преломления равен отношению абсолютных показателей:

.

Согласно закону сохранения энергии сумма энергий отраженного и преломленного пучков равна энергии пучка, падающего на границу раздела двух сред: Wотр + Wпрел= Wпад .

Предельный угол полного отражения.

Если свет переходит из оптически менее плотной среды в оптически более плотную (n2>n1), то всегда существуют как отраженный, так и преломленный пучки, энергии которых соответствуют указанному выше условию. Несколько иной результат получается при переходе света из оптически более плотной в оптически менее плотную среду, например из воды в воздух или из стекла в воду. Изобразить на доске (или вывести через проектор) рисунок:

Рисунок 2.

Если угол падения небольшой, то существуют оба пучка – как отраженный, так и преломленный. Если угол падения возрастает, то энергия отраженного пучка резко возрастает, а преломленного – столь же сильно убывает. При некотором угле падения угол преломления , а энергия преломленного пучка падает до нуля. Следовательно, в соответствии с равенством окажутся равными энергии отраженного и падающего пучка. Это явление называется полным отражением.

Найдем значение предельного угла пр, при котором преломленного пучка не будет. Этот угол в соответствии с законом преломления определяется так:

n1= n2sin900

откуда:

= n2/ n1 .

При угле падения, большем, чем предельный, пучок света, падающий на границу раздела, отражается от нее, как от зеркала. Преломленного пучка нет, свет полностью отражается от поверхности.

В том случае, когда свет выходит, например, из воды в воздух (для воздуха n2?1), выражение будет иметь вид:

=1/ n .

Включить презентацию <Приложение 1 (слайд 2)>. На слайде наглядно изображено несколько вариантов преломления и отражения света при переходе из более плотной среды в менее плотную в зависимости от угла падения.

Радуга.

Все мы восхищаемся радугой – одним из красивейших явлений природы. Радуга поэтизировалась многими народами. Славяне считали, что во время грозы бог-громовержец поражает молниями злых духов. Радуга, возникающая после дождя с грозой, означала, по их мнению, торжество добрых сил, победивших зло.

И. Ньютон, изучавший спектры, выделил в радуге семь цветов, хотя, конечно, это довольно условно.

Чтобы объяснить возникновение радуги, воспользуемся видеозаписью <Приложение 2>.

Волоконная оптика.

На явлении полного отражения основано появление целого раздела оптики – волоконной оптики, <Приложение 1 (слайд 3)> в котором изучается формирование изображений при распространении света по световодам. Свет от источника распространяется по световодам, диаметр которых в зависимости от назначения колеблется от нескольких микрометров, до миллиметров. В применяемом стеклянном волокне основная световедущая жила окружена оболочкой с меньшим показателем преломления. На границе раздела двух сред происходит полное отражение света. За счет этого световой пучок практически без потерь проходит от источника к освещаемой поверхности.

Применение различных устройств волоконной оптики очень широко: от техники до медицины. Например, одножильные световоды или жгуты из волокон уже много лет применяют для освещения внутренних органов при проведении операций. Такой прибор называется Эндоскопом (от греческих слов: “смотрю” и “внутри”). 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 значительное расстояние передать информацию – речь, музыку, изображение, сигналы от ЭВМ и т. п.

Пример решения задачи.

Рассмотрим задачу по рассматриваемой теме. Определите угол падения луча в воздухе на поверхность воды, если угол между преломленным и отраженным от поверхности воды лучами равен 90°. Изобразить на доске (или вывести через проектор рисунок).

Компьютерный тест.

Для проверки и закрепления материала полученного на уроке каждый ученик индивидуально ответит на вопросы теста. Для этого открыть на рабочем столе компьютера файл HTML “Тест оптика” <Приложение 3 (архив .zip)>. После выполнения сообщить результат теста учителю.

Подведение итогов урока. Выставление оценок. Домашнее задание.

28.11.2006