Цели:
1) Обучающие: выяснение практической ценности изученных явлений оптики с использованием исторического материала; повторение и обобщение темы “Оптика”.
2) Воспитательные: воспитывать интерес к предмету, умение внимательно слушать товарищей, умение находить вокруг себя физические законы и явления.
3) Развивающие: развивать наблюдательность, способность логически мыслить.
Оборудование: рисунки-плакаты, фотоаппарат, объектив, видоискатель, бинокль, микроскоп, телескоп, кодоскоп, светильник-световод, самодельный световод (сделан из прозрачной пластмассовой линейки), банка с водой, линзы, лупа, лазер-брелок.
Ход урока:
Мы изучаем раздел “Геометрическая оптика”, знакомы с законами распространения света, видами линз и знаем, как ведет себя свет в линзах.
I. Актуализация знаний:
1) Закон распространения света в однородной среде;
2) Закон отражения света;
3) Закон преломления света (
>
,
<
);
4) Какие бывают линзы, как их различить по виду?
5) Как ведет себя свет в выпуклых и вогнутых линзах?
II. Вступительное слово учителя:
Сегодня поговорим о применении геометрической оптики, т.е. о применении линз и зеркал. Внесем в наш урок элемент конференции, которая будет проходить по плану:
- Фотоаппарат;
- Фотоувеличитель;
- Микроскоп;
- Телескоп;
- “Ночезрительная” труба;
- Волоконно-оптическая связь.
Немного истории: уже древние римляне обратили внимание на “увеличивающую силу” сосуда, наполненного водой. Они знали, что лучи солнца, проходящие через него, могут обжечь кожу, зажечь огонь, хотя вода в нем не закипает.
Первым оптическим прибором были очки. Когда появились первые очки? История не может назвать точную дату их рождения. Известно, что в Европе подобие современных очков – диски для глаз – появились во Флоренции в 1306 году, изготовлены венецианскими мастерами-стеклодувами. Известно также, что в древнем Китае за много веков до этого использовались очки с дымчатыми кварцевыми дисками. Их традиционно носили судьи, чтобы не было видно выражения их лица. По мере совершенствования очки назывались по-разному: монокль, лорнет, пенсне, очки.
После появления очков была изобретена лупа для рассмотрения мелких предметов.
Любители оптики, конечно, не могли не соединить несколько линз и зеркал, чтобы получать изображения. Из таких комбинаций постепенно получались труба и микроскоп. Авторство этих изобретений не принадлежит одному лицу, но можно проследить историю их возникновения, что мы и попытаемся сделать, а заодно рассмотрим и другие приборы.
Вопрос: Какой материал лежит в основе всех оптических приборов и устройствах? (Стекло).
Эпиграф урока: “Пою перед тобой в восторге похвалу
Не камням дорогим, не злату, но Стеклу”.
(М. В. Ломоносов, “Письмо о пользе Стекла”)
III. Конференция:
1) Фотоаппарат (сообщение ученика). Рисунок 1, демонстрация фотоаппарата, объектива.
На предыдущем уроке мы уже говорили о фотоаппарате, о его создателях и принципе работы простейшего фотоаппарата. За 150 лет он сильно изменился и внешне мало похож на своих предков. Роль линзы, дающей изображение, выполняет объектив – система нескольких линз. (Демонстрация объектива). Дело в том, что хорошего изображения с помощью одной линзы не получить – оно получается размытым и нечетким, а в системе линзы исправляют недостатки друг друга и создают качественное изображение. Дальномер – это конструкция из подвижных зеркал. Когда мы смотрим в окуляр (видоискатель) аппарата, то в его центре видим кружок или квадрат, на котором изображение может раздваиваться. Вращая объектив, мы добиваемся слияния двух изображений – значит на резкость он наведен точно. В момент съемки зеркало поднимается, затем срабатывает затвор, и зеркало возвращается в исходное положение. Еще одна важная деталь в объективе: его отверстие может увеличиваться и уменьшаться с помощью подвижных лепестков – диафрагмы. Чем больше отверстие диафрагмы, тем больше света попадает в объектив.
Вопрос: Что напоминает вам диафрагма объектива? (радужная оболочка глаза, зрачок).
2) Фотоувеличитель (сообщение ученика). Рисунок 2.
Существует много конструкций увеличителей, но в их основе лежит одна принципиальная схема. Увеличитель состоит из трех основных частей – осветителя, штанги, по которой он перемещается, и столика (экрана), куда кладется фотобумага.
При помощи увеличителя с негатива можно отпечатать его позитивное изображение любого размера. Степень увеличения зависит от расстояния между объектом и экраном.
Осветительная часть устроена так: в нижней части корпуса крепится объектив, он может перемещаться для наводки на резкость. В схеме увеличителя есть важная оптическая система – конденсор. Конденсор представляет собой систему из двух или трех линз и концентрирует лучи от лампы внутри объектива. Под конденсором помещается рамка с негативом.
Так как получается увеличенное изображение с негатива, то пленка должна располагаться между фокусом и двойным фокусом конденсора.
3) Микроскоп (сообщение ученика).
“Хоть острым взором нас природа одарила,
Но близок оного конец имеет сила.
Но в нынешних веках нам микроскоп открыл,
Что Бог в невидимых животных сотворил”.
Настоящими “отцами” микроскопии как методики наблюдения и исследования не различимых невооруженным глазом предметов считаются английский исследователь Р. Гук и голландец А. Левенгук. В 1673 году Левенгук первый наблюдал и зарисовал капиллярные сосуды в хвосте головастика, красные кровяные тельца и сотни других удивительных вещей, о которых никто и не подозревал. Именно он обнаружил неведомых ранее живых существ – микробов – в капле воды, положив начало новой науке – микробиологии.
Микроскоп (рисунок 3) – это прибор, увеличивающий изображение предмета в несколько сот и даже тысяч раз. Главная часть светового микроскопа – линзы, вставленные в тубус (трубку). В верхнем конце тубуса находится окуляр, состоящий из оправы и двух линз. На нижнем конце тубуса помещается объектив, состоящий из оправы и нескольких линз. Название “объектив” происходит от латинского слова, означающего “предмет”.
Формирование изображения объекта АВ в системе двух собирающих линз показано на рисунке (рисунок 4). Объектив создает действительное увеличенное изображение объекта – А'В', которое затем рассматривается окуляром. Окончательное изображение А"В" является мнимым.
Сейчас в науке применяются мощные средства для исследований: акустические, рентгеновские, электронные, лазерные микроскопы. Растровый туннельный микроскоп (1981г) позволяет увеличивать в 108 раз и различать детали размером до 0,01 диаметра атома (3·10-10м).
4) Телескоп (сообщение ученика).
“Во зрительных трубах Стекло являет нам
Колико дал творец пространство небесам.
Толь много солнцев в них пылающих сияет,
Подвижных сколько звезд нам ясна ночь являет”.
Телескоп был изобретен в начале XVII века. Существует несколько видов телескопов. Телескоп с объективом называется рефрактором (рисунок 5). (Демонстрация школьного телескопа-рефрактора). Телескоп-рефлектор (рисунок 6) изобрел И. Ньютон. Свет в таком телескопе собирается не выпуклой линзой, а вогнутым зеркалом. В рефлекторе зеркало помещают в нижнем конце телескопа, оно отражает лучи и собирает их у верхнего конца трубы, где и находится наблюдатель. Рефлектор имеет недостаток: в него отчетливо виден лишь небольшой участок неба.
В годы Великой Отечественной войны советский конструктор телескопов Д. Д. Максутов разрешил задачу, над которой долго думали изобретатели многих стран: он сконструировал телескоп, который соединяет в себе достоинства рефрактора и рефлектора и в то же время не имеет их недостатков. На верхнем конце трубы перед вогнутым зеркалом находится выпукло-вогнутое тонкое стекло, называемое мениском, а телескоп называется менисковым (рисунок 7).
Бинокль (рисунок 8) имеет тот же принцип действия, что и телескоп, только сделан для обоих глаз.
5) Ночезрительная труба (сообщение ученика). Рисунок 9.
“Две области – сияния и тьмы –
Исследовать равно стремимся мы.” (Е. Баратынский)
Рисунок ночезрительной трубы выполнен самим М. В. Ломоносовым, который ее и создал. Ломоносов впервые в истории оптики поставил перед собой задачу: сделать “ночезрительную трубу”, посредством которой можно было бы явственно рассматривать в светлую ночь или сумерки не ясные небесные светила, а предметы на земле и на море, едва различимые глазом. Его “ночезрительная труба” была двухлинзовым устройством. Она состояла из “одной линзы малой и другой большой, собиравшей лучи”. Принцип действия был основан на том, что глаз человека в сумерках и в темноте действует не так, как днем, его чувствительность становится значительно выше. Не зная этой закономерности, Ломоносов гениально предугадал ее.
Сейчас широко используются приборы ночного видения в военной и гражданской технике, в науке.
6) Волоконно – оптическая связь (сообщение учителя).
Прежде чем разобрать этот вид связи, рассмотрим эффект полного внутреннего отражения.
Определение: Исчезновение преломленного луча при переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную называется полным отражением.
Это можно увидеть на опыте: светить лазером через банку с водой, добиться полного отражения, изменяя угол падения луча на поверхность воды изнутри.
Одно из самых значительных применений этого эффекта – волоконно-оптическая связь, ставшая возможной только благодаря тому, что свет распространяется по тончайшим прозрачным волокнам, не выходя за их пределы. Строение световода приведено на рисунке 10.
Использование волоконных световодов: в технике связи (телевидение, телефон, видеотелефон ит.д.), в летательных аппаратах, на судах и других мобильных устройствах, в радиоэлектронной аппаратуре, вычислительных и измерительных комплексах, автоматизированных системах управления.
Преимущества волоконно-оптической связи перед другими видами связи:
- Большой носитель информации (рисунок 11).
- Высокая защищенность от помех. Это позволяет плотно располагать волоконные световоды внутри ЭВМ, зданий и телефонных коллекторов (рисунок 12).
- Легкость (27 г на 1 км)
- Малогабаритность.
- Прочность. На световоде диаметром 125мкм можно подвесить 7-килограммовую гирю. Это объясняется высокой однородностью стекла и практически отсутствием дефектов структуры.
- Невоспламеняемость. Полное отсутствие искрения позволяет применять оптические кабели в самых пожароопасных производствах, например, в цехах по производству взрывчатых веществ.
- Диэлектрическая природа световодов позволяет прокладывать волоконно-оптические кабели вблизи электрических линий передач, обеспечивает устойчивость к ударам молнии.
- Отсутствие токов утечки обеспечивает высокую степень секретности передачи информации.
Проведем несколько экспериментов, позволяющих понять, как работает оптическое волокно. Возьмем обыкновенный изогнутый кусок оргстекла (линейку), лазер. (Можно взять прозрачную пластмассовую кружку, коробку и т.д.). Над ширмой виден только один конец изогнутой линейки, остальная ее часть за ширмой и ученикам не видна. Нужно посветить лазером в торец линейки, спрятанной за ширмой, а ученики увидят мигающий свет, исходящий из верхнего конца линейки.
- Представьте, что я живу на 4 этаже, а вы на 2 этаже. Мне нужно вам что-то сообщить или просто позвать в гости. Я начинаю вам сигналить.
В завершение надо сказать, что волоконная оптика используется не только в таких глобальных масштабах, как связь, но и для красоты и уюта наших квартир. Например, светильник – световод (демонстрация).
IV. Итоги урока:
Мы завершили нашу конференцию и давайте проанализируем урок. Узнали ли вы что-то новое для себя? Было ли вам интересно на уроке? Прозвучали ли на уроке ответы на ваши прежние вопросы?