Сценарий урока "Полное внутреннее отражение света" (11-й класс)

Разделы: Физика

Класс: 11

Ключевые слова: предельный угол

Задачи урока:

  • сформировать понятие о физическом явлении “полное внутреннее отражение света”;
  • изучить практическое применение этого физического явления;
  • развивать умения наблюдать и анализировать физические явления;
  • создать познавательную мотивацию при постановке экспериментальных задач <слайд1>.

I. Фронтальное повторение осуществляется по следующим вопросам <слайд2>:

  1. Какое явление называется преломлением света?
  2. Сформулируйте закон преломления света.
  3. Каков физический смысл абсолютного показателя преломления?
  4. От чего зависит абсолютный показатель преломления?
  5. Переход луча происходит из стекла в воздух. Сравнить углы падения и преломления.

II. Изучение нового материала начинают с демонстрации на учебном оборудовании.

“L-микро”. Обратимся к демонстрационному эксперименту с оптической шайбой. Будем наблюдать переход света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду. Для этого поместим осветитель в нижней части диска. Падающий луч направим на полуцилиндр вдоль радиуса диска. На цилиндрической поверхности луч не преломится, т.к. он падает на нее под прямым углом. Внутри стекла пучок света достигает центра диска. Здесь на границе стекло - воздух часть пучка отразится в соответствии с законом отражения, а часть пройдет в воздух, изменив направление. Угол преломления больше угла падения. Поворачивая осветитель, будем постепенно увеличивать угол падения. В результате увеличится угол отражения и угол преломления. При увеличении угла падения интенсивность, а, значит, и энергия отраженного пучка возрастает, в то время как интенсивность преломленного пучка убывает. Особенно быстро убывает интенсивность преломленного пучка, когда угол преломления приближается к 90.

Когда угол падения становится таким, что преломленный пучок идет почти вдоль границы стекло-воздух, доля отраженной энергии близка к 100%.

Наибольшему углу преломления =90 соответствует угол падения 0 <слайд3>. Сделаем угол падения больше 0. Преломленный пучок исчез, и весь свет отразился от границы раздела обратно в первую среду (стекло). Этот угол падения называется предельным углом полного отражения, т.к. если 0, луч света полностью отражается от границы раздела двух сред. Следующие определения учащиеся записывают под диктовку.

Явление отражения света от оптически менее плотной среды, при котором преломление отсутствует, а интенсивность отраженного света практически равна интенсивности падающего, называют явлением полного внутреннего отражения.

Наименьший угол падения, при котором наступает полное отражение, называют предельным углом полного отражения. Найдем этот угол.

Если n1 – показатель преломления первой среды, а n2 – показатель преломления второй среды и n1>n2, то согласно закону преломления sin0/sin 90 = n2/n1 , 0 = arcsin(n2 /n1).

Если первая среда – воздух, то 0=arcsin(1/n), где n – показатель преломления первой среды.

III. Для углубления учебной проблемы переходят к решению задач.

Задание 1. Класс разбивается на три группы и учащимся предлагается выполнить задание по вариантам: найти значение предельного угла полного отражения ?0 для сред, если известны nстекла = 1,5, nводы = 4/3:

Вариант 1. Вода-воздух.
Вариант 2. Стекло-воздух.
Вариант 3. Стекло-вода.

Ответы:

0 = arcsin(0,7500) = 48,
0 = arcsin(0,6667) = 42,
0 = arcsin(0,8867) = 62 <слайд4>.

Ответы <слайд5> к заданию можно разместить на оборотной стороне доски, т.к. они будут использованы в дальнейшем в задании 3.

Задание 2. Учащимся предлагается задача с использованием понятия “предельный угол полного внутреннего отражения” <слайд 6>.

На дне пруда глубиной 1 м сидит лягушка, прячущаяся под круглым листом, который плавает на поверхности воды. Каким должен быть минимальный радиус листа, чтобы лягушку не увидели преследователи, находящиеся над поверхностью воды?

Ответ: 1,14м.

Задание 3. Видеозадача “УМ - МУ”. <слайд7>

Эту задачу лучше показать в качестве демонстрации учащимся. Однако возможности компьютера позволяют показать ее видео-вариант, если нет необходимого демонстрационного оборудования.

Учитель: “У меня в руках две одинаковые прямоугольные призмы, в основании которых лежат прямоугольные равнобедренные треугольники. Сделаем из призм кубик и поместим его на столик. Параллельно соприкасающимся граням кубика установим плоское зеркальце. На боковую грань кубика поместим букву “М”, на заднюю – букву “У”. Вы читаете слово “УМ”. Если между призмами поместить тонкий слой бумаги, то слово “УМ” не меняется. Нальем между призмами воды с помощью шприца. Объясните, почему буквы поменялись местами”.

Ответ: На <слайде 8> <рисунок1> показана схема экспериментальной установки (вид сверху). Две одинаковые прямоугольные стеклянные призмы Р1 и Р2 составлены так, что между ними находится тонкий воздушный слой АВ. Параллельно ему установлено зеркало CD. На две грани помещаются буквы “У” и “М”.

Луч света от буквы “У” испытывает полное отражение на границе АВ. Действительно, для границы стекло – воздух (см. задание 1) предельный угол 042о.

Поскольку угол падения луча на грань АВ =45о>0 , он испытывает полное отражение на этой границе. Далее, отразившись от зеркала, свет попадает к наблюдателю: в зеркале он видит изображение буквы “У”. Ход лучей от буквы “М” можно проследить по <рисунку 1> <слайд 8>. Изображение этой буквы видно через грань призмы ВЕ.

Таким образом, можно прочитать слово “УМ”. Очевидно, что через воздушный зазор АВ свет не проходит, поэтому лист бумаги, помещенный между призмами, ничего не меняет в изображении букв.

Заполним водой зазор АВ <слайд 9> <Рисунок2>. Проследим за ходом лучей. Луч света от буквы “У” попадает на границу АВ раздела двух сред стекло – вода. Предельный угол о в этом случае равен (см. задание 1): о62о. Так как угол падения луча =45о<о, то полного отражения на границе АВ наблюдаться не будет: свет проходит прямо сквозь призмы к наблюдателю. Сквозь грань ВЕ видно букву “У”.

Аналогично свет от буквы “М”, отразившись от зеркала СD, попадает к наблюдателю: в зеркальце видно изображение буквы “М”. Буквы поменялись местами!

Полное внутреннее отражение в природе.

Полным внутренним отражением объясняется блеск капель росы на солнечном свете, светящиеся фонтаны, блеск (“игра”) бриллиантов, хрусталя, блеск пузырьков воздуха в воде, образование радуги, миражей[2].

Миражи делят на нижние, видимые под объектом, и верхние – над объектом <слайд 10>. Верхний мираж наблюдается над холодной земной поверхностью при инверсионном распределении температуры (росте ее с высотой), нижний мираж – при очень большом градиенте температуры (падении ее с высотой) над перегретой ровной поверхностью, часто пустыней или асфальтом <слайды 11,14>. Мнимое изображение неба создает при этом иллюзию воды на поверхности. Пример верхнего миража – мираж над морем <слайды 12,13>.

Полное внутренне отражение в технике.

Здесь можно заслушать краткие сообщения учащихся по теме.

Отметим, что полное отражение является более совершенным (более полным), чем отражение от специально изготовленного металлического зеркала, где всегда происходит частичное поглощение энергии падающего пучка света.

В начале 50-х годов прошлого века сформировалось новое направление – волоконная оптика, т.е. передача света и изображения по пучкам прозрачных гибких волокон – световодам (толщиной от нескольких микрон до миллиметра) – кварцевым нитям <слайд 15>.

Рассказ о световодах эффективно начать следующими демонстрациями.

Простейший принцип действия световода можно продемонстрировать на стеклянной полой трубке длиной около 1 м. В световой пучок лазера вносим стеклянную трубку, наблюдаем светящийся шнур. Наблюдаемое явление объясняют полным отражением света на границе стекло – воздух и частичным его рассеянием.

В нижней части боковой стенки сосуда <слайд 16>, наполненного водой, есть отверстие, через которое непрерывной струей вытекает вода. Против отверстия помещен источник света: световые лучи фокусируются как раз на отверстие. Свет попадает внутрь водяной струи и как бы бежит по ней. Создается впечатление, будто вода увлекает за собой свет, водяная струя светится изнутри. Светящаяся водяная струя – прообраз оптического волокна.

А теперь осветим передний торец гибкого световода лазерным пучком, свет без потерь проходит через световод и выходит с другого торца. При сильном изгибе волокна условие полного отражения нарушается, и свет частично выходит из волокна. А можно намотать световой луч на руку, как шнур или бечевку!

Природная волоконно-оптическая система – сетчатка человеческого глаза. Ее светочувствительный слой подобен волоконно-оптическому устройству (тонкие – палочки, утолщенные – колбочки).

Оптическое волокно используют в медицине в качестве эндоскопов – зондов, вводимых в различные внутренние органы (бронхи, кровеносные сосуды). Частота видимого света на 5-6 порядков превосходит несущую частоту радиоволн. Соответственно возрастает в миллион раз объем передаваемой информации. Необходимая информация передается в виде модулированного лазерного излучения для быстрой и качественной передачи сигнала.

И, в заключение, стоит отметить применение явления полного отражения в поворотных (а) и оборотных (б) призмах <слайд 17>.

IV. Закрепление пройденного материала целесообразно провести в виде самостоятельной работы. Ее можно организовать в виде теста. Задания учитель может комбинировать на свое усмотрение в многочисленных вариантах. Я обычно размещаю в одном задании пять задач, проверяют которые на уроке сами учащиеся, осуществляя тем самым взаимоконтроль. За пять правильно решенных задач выставляется оценка “пять”. “Ключи” к задачам нужно заготовить заранее. В результате все учащиеся получают за урок оценки.

Самостоятельная работа по теме: “Преломление и полное отражение света”.

1. Наблюдатель смотрит сверху вниз на поверхность воды в водоеме глубиной 1 м. Кажущаяся глубина водоема…

1) Равна 1 м
2) больше 1 м
3) Меньше 1 м
4) ответ неоднозначен

2. Водолаз рассматривает снизу вверх из воды лампу, подвешенную на высоте 1 м над поверхностью воды. Кажущаяся высота лампы…

1) равна 1 м
2) больше 1 м
3) меньше 1 м
4) ответ неоднозначен

3. При некотором значении угла падения луча света на границу раздела двух сред отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно n. Чему равно это отношение при уменьшении угла падения в 3 раза?

1) n/3
2) 3n
3) n/
4) n

4. При некотором значении угла падения луча света на границу раздела двух сред отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно n. Чему равно это отношение при увеличении угла падения в 2 раза?

1) 2n
2) n
3) n
4) n/2

5. На поверхность стекла с показателем преломления n=1,5 из воздуха падает луч света под углом 30. Синус угла преломления равен…

1) 3/4
2) /3
3)
4) 1/3

6. На поверхность стекла с показателем преломления n=1,5 из воды (n=4/3) падает луч света под углом 30?. Синус угла преломления равен…

1) 2/3
2) 9/16
3) 2/3
4) 4/9

7. Луч света падает на границу раздела воды со средой, имеющей показатель преломления n. Как изменится синус угла преломления при увеличении показателя преломления среды в 2 раза?

1) уменьшится в 2 раза
2) не изменится
3) увеличится в 2 раза
4) уменьшится в 4 раза

8. При падении на плоскую границу раздела двух сред луч света частично отражается, частично преломляется. Угол преломления =30. Отраженный луч перпендикулярен преломленному лучу. Показатель преломления второй среды относительно первой равен.

1) 1,39
2) 1,42
3) 1,58
4) 1,62
5) 1,74

9. На дне водоема глубиной d=2 м лежит зеркало. Луч света, пройдя через воду, отражается от зеркала и выходит из воды. Найдите расстояние между точкой входа луча и точкой выхода луча из воды, если показатель преломления воды равен n=1,33, а угол падения входящего луча =30.

1) 96 см
2) 100 см
3) 141 см
4) 162 см
5) 200 см

10. На дне водоема глубиной H=80 см находится точечный источник света. Если показатель преломления воды равен n=1,3, то диаметр светового пятна на поверхности воды равен

1) 62 см
2) 81 см
3) 104 см
4) 152 см
5) 193 см

11. Луч света падает на границу раздела двух сред. При углах падения 70 свет полностью отражается, не проходя во вторую среду. Зная, что показатель преломления первой среды n1=1,4, определите показатель преломления второй среды. (sin70=0,89).

1) 1,25
2) 1,33
3) 1,50
4) 1,57
5) 1,62

12. Для двух сред “кедровое масло – воздух” синус угла полного отражения света равен 0,66. Свет в кедровом масле распространяется со скоростью, равной

1) 2,0·108 м/с
2) 2,2·108 м/с
3) 2,4·108 м/с
4) 2,6·108 м/с
5) 2,8·108 м/с

13. Предельный угол полного внутреннего отражения светового луча на границе раздела некоторой среды и воздуха равен a =30°. Показатель преломления данной среды равен

1) 0,5
2) 1,15
3) 1,41
4) 1,73
5) 2,0

14. Предельный угол полного внутреннего отражения светового луча на границе раздела двух сред - жидкости и воздуха - равен =30°. Если v – скорость света в воздухе, то скорость света в жидкости равна

1) v/2
2) v/
3)
4) v
5) v

15. Предельный угол полного внутреннего отражения светового луча на границе раздела двух сред - жидкости и воздуха – равен . Если v – скорость света в воздухе, то скорость света в жидкости равна

1) v/sin
2) v/
3) v
4) v·sin
5) v·sin2

16. Предельный угол полного внутреннего отражения светового луча на границе раздела двух сред – жидкостей А и В - равен . Жидкость А является более плотной средой, чем жидкость В.Если v – скорость света в жидкости В, то скорость света в жидкости А равна

1) v/sin
2) v/
3) v·sin2
4) v·cos
5) v·sin

17. Предельный угол полного внутреннего отражения светового луча на границе раздела двух сред - жидкости и воздуха - равен 30°. Луч идет из жидкости в воздух, при этом угол падения луча равен =20°. Если vж – частота и ж – длина световой волны жидкости, то n в – частота и в – длина световой волны в воздухе соответственно равны

1) vв = vж и в =2,0·ж
2) vв = vж и в =0,5·ж
3) vв = vж и в =0,87·ж
4) vв = 1,41·vж и в =1,41·ж
5) vв = 2,0·vж и в =0,5·ж

18. Луч света падает на границу раздела двух сред, при этом угол падения равен 30°, а отраженный луч перпендикулярен к преломленному лучу. При этом показатель преломления второй среды относительно первой n2/n1 равен

1) 0,58
2) 0,71
3) 0,87
4) 1,16
5) 1,73

19. Луч света переходит из стекла, показатель преломления которого nс=1,57 в воду (nв=1,33). Каков угол полного отражения?

1) arcsin 0,85
2) arccos 0,85
3) arctg 0,85
4) arcsin 0,42

20. Луч света падает под углом /3 на границу раздела воздух-жидкость. Отраженный и преломленный лучи перпендикулярны друг другу. Найти показатель преломления жидкости.

1)
2) 1/
3)
4) 1/
5) 1,5

21. Чему равен угол полного отражения при падении луча на границу раздела двух сред, относительный показатель преломления которых равен 2?

1) 60°
2) 45°
3) 30°
4) 70°
5) 50°

22. Абсолютный показатель преломления для воды 1,33, для стекла – 1,6. Полное отражение света возможно при его переходе

A) из воды в воздух
Б) из стекла в воздух
B) из стекла в воду

1) только А
2) только Б
3) только В
4) А, Б, В
5) полное отражение света возможно на границе любых двух сред.

23. Луч света падает на границу раздела двух сред с относительным показателем преломления n под углом таким углом , что отраженный луч перпендикулярен к преломленному лучу. Какое соотношение выполняется при этом между значениями и n?

1) sin=n
2) ctg=n
3) n·sin=1
4) tg=n

V. Домашнее задание: § 56, задачи стр.227 (1-4) <слайд 18>.

Список литературы:

  1. CD-ROM Экспериментальные задачи лабораторного физического практикума, Фишман А.И., Скворцов А.И., Даминов Р.В. © ООО “Нью Медиа Дженерейшн”, 2006.
  2. Касьянов В.А. Физика: Учеб. 11 кл. для общеобразоват. учреждений. – М.: Дрофа, 2002, стр. 227.
  3. CD-ROM Видеозадачник по физике, Фишман А.И., Скворцов А.И., Даминов Р.В., части I, II. © Казанский государственный университет.
  4. CD-ROM TeachProTM Решебник по физике: © ООО “Мультимедиа Технологии и Дистанционное обучение”, 2003.
  5. Сайты www.modernrussianart.com, www.skylook.net ©2000 J.C. Casado, www.ura-inform.com/ru/expromt/.
  6. Тесты. Физика 11 класс. Варианты и ответы централизованного тестирования - М.: Центр тестирования МО РФ, 2003, 2004, 2005, 2006.