“Все исследуй, давай разуму первое место”
Пифагор
Цель.
Продолжать заинтересовывать учащихся исследовательской деятельностью, развивать логическое мышление, умение обобщать, сопоставлять и применять полученные знания на практике, в быту, для объяснения наблюдаемых явлений, для понимания работы световодов.
Оборудование.
Для фронтального эксперимента: пластмассовые стаканчики с водой, пробирки, закопченные пластинки из фольги.
Для демонстрационного эксперимента: скамья с кюветой и лазером для опытов по геометрической и волновой оптике; раствор соли - 200 мл; Дистиллированная вода 200 мл + 400 мл; Раствор молока 100 мл; Лучинка, спички - для задымления; Зеркала; Шарик, закопченный сажей; Емкость с водой, штатив; Сосуд с водой с двумя отверстиями: сверху (закрыто пробкой) и около дна (закрыто пробкой, в которую вставлена стеклянная трубочка); сообщающийся сосуд с водой; Поддон (ванна для проекций); Флюоресцирующий раствор; Штативы и подъемные столики; Воронка, широкий сосуд с водой; Графопроектор.
Кодограммы: полное внутреннее отражение; фиброскоп; миражи; видеокамера, телевизор (для наблюдения эксперимента на экране телевизора).
Ход урока
Постановка задачи урока. Повторение, актуализация знаний.
(Фронтальный опрос -> проблемный вопрос -> эксперимент).
Ребята, основная деятельность на нашем уроке будет исследовательская. Наблюдая фронтальный и демонстрационный эксперимент, изменяя его постановку, мы будем исследовать, как происходит распространение светового пучка в различных средах: оптически более и менее плотных, что происходит при переходе пучка света из одной среды в другую.
На прошлом уроке мы узнали об атмосферной рефракции [2].
- Что это за явление? (Явление искривления световых лучей при прохождении через атмосферу).
- Почему возникает это явление? (У поверхности оптически более плотный воздух, с высотой плотность уменьшается, но не скачками, а непрерывно и если заменить для удобства световой пучок световым лучом (линией, направление которой совпадает с направлением потока энергии, переносимой волной), то получится плавная кривая, обращенная выпуклостью в сторону уменьшения n).
- Что наблюдается в результате атмосферной рефракции? (Солнце, луну, звезды видим выше того места, где они находятся на самом деле; Увеличивается продолжительность дня в средних широтах на 10-12 минут; в полярных зонах до 2-3 суток, следовательно, полярный день больше полярной ночи почти на 6 суток. Сжатие дисков Луны и Солнца у поверхности Земли (на горизонте). Мерцание звезд (воздушные потоки приводят к изменению плотности атмосферы на пути световых потоков). Мерцание у горизонта и при высоком содержании в атмосфере водяных паров больше).
- Может ли явление рефракции наблюдаться в жидких прозрачных средах? (Учащиеся предполагают, что должно наблюдаться).
- Какое условие для этого должно выполняться? (Непрерывное изменение плотности жидкости).
Опыт 1
Используем прибор по геометрической и волновой оптике, где источником света служит лазер. Прибор состоит из штатива (4) для установки необходимых приборов, кюветы (2), лазера (3), зеркал (1), которые можно устанавливать под наклоном.
Подготовка к работе
В кювету через стеклянную трубочку диаметром 1 см наливаем 100 мл дистиллированной воды, а затем 100 мл раствора поваренной соли. Подготавливаем установку за два часа до демонстрации, чтобы вследствие диффузии граница раствора и воды исчезла и образовался раствор с постепенно уменьшающейся с высотой плотностью. Световой пучок лазера через линзу направлен на верхнюю поверхность жидкости. Проходя через полученный раствор, световой пучок искривляется.
Объясните наблюдаемое явление, т.е. почему световой пучок искривляется.
Опыт 2
Если при помощи собирающей линзы световой пучок направить в задымленную область кюветы, то как он будет распространяться в этой области?
Опыт 3
Наливаем в кювету раствор молока (на 200 мл дистиллированной воды 2-3 капли молока).
Что произойдет со световым пучком? Объяснить.
Почему туман и облака непрозрачны, ведь они состоят из маленьких прозрачных капелек воды? (Рассеяние света в неоднородной среде; при каждом переходе света из одной среды в другую, происходит частичное отражение света. Доля отраженного света от границы раздела двух сред тем выше, чем больше разница показателей преломления этих сред).
Объяснение нового материала на основе проблемного фронтального эксперимента и проблемной задачи
Исследуем, что будет происходить при переходе светового пучка из оптически более плотной среды в оптически менее плотную.
Фронтальный эксперимент №1
На ваших столах стаканчики с водой и пробирки. Опустите в пробирку карандаш и поставьте в сосуд с водой. (Одновременно я делаю опыт на демонстрационном столе, оператор проецирует его при помощи видеокамеры на экран телевизора).
Что вы наблюдаете? (Та часть пробирки, которая опущена в воду, посеребрена, карандаша в ней не видно).
Изменяя положение наблюдения, всегда вы видите пробирку посеребренной? (Нет)
Из стакана налейте воды высотой 2 сантиметра в пробирку и вновь опустите её в стаканчик.
Что вы наблюдаете? (Там, где вода в пробирке - карандаш виден, посеребрения нет; где воздух в пробирке - посеребрение пробирки).
Ваши предложения, почему так происходит?
Задача: Луч света падает из воды на границу раздела “вода-воздух” под углом 60 градусов. Найдите угол преломления луча в воздухе.
Дано: 
=
60° ; n = 1,33.
Найти 
- ?
Решение
? sin b
= n sin a
=
arcsin(n sin
)
= arcsin (1,33*,0866)= arcsin 1,15.
Но такого быть не может.
Чтобы ответить на эти вопросы, познакомимся с явлением полного внутреннего отражения. Напишите в тетради тему урока “Полное внутреннее отражение”. Обратимся к эксперименту (Опыт 4).
Опыт 4
В кювету наливаем дистиллированную воду,
закрашенную двумя чайными ложками раствора
молока, сверху - задымление. Будем направлять
лазер снизу на воду под разными углами. Обращаем
внимание учащихся, что при малом угле падения
часть света проходит в воздух (большая), а
незначительная часть отражается от раздела двух
сред. При большем угле падения световая энергия
падающего луча перераспределяется: все более
интенсивным становится отраженный луч. При
определенном угле падения, отраженный луч
скользит по поверхности воды: = 90° . Этот угол
обозначается 0 - предельный угол полного отражения
- угол падения света на границу раздела двух сред,
при котором свет в оптически менее плотную среду
преломляется под углом в 90 градусов.
Найдем, чему равен предельный угол полного отражения. Проецирую кодограмму, объясняю её.
Обращаю внимание: Wпад = Wотр + Wпр..
В тетради рисунок сделать дома, используя
учебник [1]. Вывод, чему равен 0, пишем в
тетради.
Сформулировать закон преломления света.
Выполнить запись символами на доске. 
. (При переходе
из оптически менее плотной в оптически более
плотную среду).
Физический смысл показателя преломления? (Показатель преломления показывает, во сколько раз скорость света во второй среде меньше скорости света в первой).
Для нашего случая: при переходе светового луча
из оптически более плотной среды в менее плотную
, но = 90°
следовательно sin = 1 и 
.
Для прозрачных веществ рассчитаны по этой
формуле 0. Чем оптически плотнее среда, тем 0
меньше. Например, для алмаза n = 2,42; 0 = 24° 40’; для
воды 0
= 48° 35’.
Ответим на вопрос фронтального эксперимента и
задачи. (При определенном угле наклона пробирка
кажется посеребренной, т.к. световые лучи падают
на границу раздела сред вода - воздух под углом больше 0 ,возникает
явление полного внутреннего отражения. Когда в
пробирку наливаем воду, оптическая плотность
сред одинакова - свет отражается от поверхности
карандаша).
Закрепление (экспериментальные задачи)
Опыт 5
Достаю сосуд с водой, в котором находится шарик (от прибора теплового расширения тел), покрытый сажей. Устанавливаю на демонстрационном столе.
Какого цвета этот шар? (Оператор с помощью видеокамеры проецирует на экран телевизора). Вынимаю шар из воды - оказывается, он черный и покрыт сажей.
Почему шар, покрытый сажей, в воде казался посеребренным?
Чтобы ответить на этот вопрос проведем
Фронтальный эксперимент №2
Металлическую фольгу, покрытую сажей, опустите в воду.
Что вы наблюдаете?
Теперь рассмотрите эту фольгу в воздухе.
Почему сажа сухая?
Исследуйте, как ведет себя вода, когда вы ее брызгаете на фольгу с сажей. (Учитель проводит такой же опыт, видеооператор проецирует на экран).
Вывод: сажа не смачивается водой; когда мы закопченную фольгу опускаем в воду, около сажи остается слой воздуха, наблюдается полное внутреннее отражение на границе “вода - воздух”, фольга в воде кажется посеребренной.
Опыт 6
В бутыль, имеющую отверстие около дна, наливаем воду, закрываем пробкой. Отверстие снизу закрывается пробкой со вставленной стеклянной трубочкой, чтобы сделать узкую струю воды. С противоположной стороны бутыли устанавливаем лазер так, чтобы его луч попал в стеклянную трубочку. Слегка открываем верхнюю пробку, вытекает струйка воды, луч лазера изгибается вслед за изгибом воды.
Почему?
Сообщения учеников.
Учитель. На явлении полного внутреннего отражения основано появление раздела волоконной оптики, в котором изучается формирование изображений при распространении света по световодам. Высоко прозрачные световоды изготовляют из весьма чистых материалов. Основной метод этого производства - вытягивание световода из расплава кварцевого стекла; наружная оболочка из того же кварца легируется примесями, снижающими показатель преломления (бор, германий, фосфор). Волоконная оптика применяется в медицине, для передачи большого объема информации, для освещения недоступных мест, в рекламе, бытовой осветительной технике. Полное внутреннее отражение встречается в природе:
Так неожиданно и ярко
На влажной неба синеве
Воздушная воздвиглась арка
В своем минутном торжестве!
Один конец в леса вонзила.
Другим за облака ушла.
Она полнеба обхватила
И в высоте изнемогла.
(Ф.И. Тютчев)
Что это за прекрасное явление?
И преломление света, и полное внутреннее отражение имеют место при возникновении радуги. Об этом мы поговорим на последующих уроках. А сейчас послушаем сообщения одноклассников об использовании световодов.
Сообщение о передаче информации по волоконному кабелю. [3]
Сообщение о медицинских приборах, использующих волоконную оптику. (Ккодограмма).[4]
Сообщение о лазерной терапии и хирургии с использованием волоконной оптики. [5]
Сообщение о миражах. (Кодограмма).[6]
Дома: параграф 43, провести исследовательскую работу. Из пластмассовой крышки (из-под кофе) вырезать кружок диаметром 3 см, в центр воткнуть английскую булавку (оператор проецирует на экран телевизора) и исследовать, как будет видна булавка при постепенном погружении в широкий сосуд с водой, если смотреть на нее из одного и того же положения сбоку через поверхность воды. Какие части булавки видны, когда пластмассовая крышка плавает. Обратить внимание на то, как видна булавка в воздухе, если кружок расположить сбоку от сосуда на уровне поверхности воды в сосуде. Зарисовать в тетради, дать объяснение.
На следующем уроке будем решать экспериментальные, качественные и количественные задачи на полное внутреннее отражение.
Продолжение закрепления
Опыт 7
Воронку переворачиваем, закрываем верхнее отверстие пальцем, опускаем в сосуд с водой - поверхность воронки посеребренная. Отпускаем палец, мы видим стеклянную воронку, наполненную водой.
Почему?
Опыт 8
Сосуд заполняем водой (можно добавить флюоресцин) и направляем лазерный луч в трубку. Вторая трубка сосуда также окажется ярко освященной (видеооператор направляет на нее объектив видеокамеры, смотрим на изображение в телевизоре).
Почему?
Описание оборудования на столе:
- Установка, при помощи которой показываем, что луч лазера следует изгибам струи воды.
- Установка, при помощи которой показываем, что луч лазера следует изгибам сообщающегося сосуда.
- Широкий сосуд с водой, в который опускаем перевернутую воронку.
- Прибор для демонстраций по волновой и геометрической оптике.
Литература
Г.Я. Мякишев. Б.Б. Буховцев. Физика 11. Москва. Просвещение.
Е.В. Фабрикантова “Что же такое физика?” Газета “Физика” №7, 2000.
Энциклопедия для детей Аванта+. Физика. Т.16. Часть 2. Москва, 2001 г. С. 88-89.
Л.Е. Гусева. “Физика. Человек. Здоровье”. Газета “Физика” №7, 2000.
Л.Е. Гусева. “Лазерная медицина”. Газета “Физика” №11, 2000.
В.А. Мезенцев “Этот загадочный мир”. Московский рабочий. 1975 г. 41-42.