Цель урока: расширение границ восприятия окружающего мира посредствам наблюдений, постановки простейших опытов, моделирующих оптические явления в природе, и их научного объяснения.
Задачи урока:
- Развивающая: развивать мышление учащихся, формировать у них умения самостоятельно приобретать и применять знания, наблюдать и объяснять физические явления природы.
- Образовательная: формировать умения применять полученные знания для объяснения оптических явлений в природе, моделировать эти явления путем постановки простейших опытов.
- Воспитательная: формировать познавательный интерес к предмету, развивать творческие способности учащихся.
Информационно-техническое сопровождение урока:
- Компьютерная презентация «Оптические явления в природе» (программа MS Power Point) – Приложение 1
- Компьютер, мультимедийный проектор, экран или интерактивная доска.
- Опорный конспект (Приложение 2)
Оборудование: плоскопараллельная кювета, диапроектор, раствор поваренной соли, лазерная указка, белый экран с отверстием, круглодонная колба, оптическая скамья.
Оформление доски: фотографии природы (заката солнца, радуги, голубого ясного неба и т.п.)
Природа – некий храм, где от живых
колонн
Обрывки смутных фраз исходят временами.
Как в чаще символов, мы бродим в этом храме,
И взглядом родственным глядит на смертных он.
(Шарль Бодлер)
План урока
- Организационный момент (1 мин.)
- Разминка (2 мин.)
- Изучение нового материала – выступления учащихся (40 мин.)
- Подведение итогов, домашнее задание (2 мин.)
Содержание урока:
I. Вопросы разминки (блиц-опрос)
- Что такое дисперсия света?
- Какие световые явления наблюдаются на границе раздела двух сред?
- Что при этом происходит с энергией световой волны?
- Как показатель преломления среды зависит от частоты света?
- Сформулируйте закон преломления света?
II. Изучение нового материала (выступления учащихся)
1 ученик: Природа прекрасна,
необычайно разнообразна и поистине
неисчерпаема. В древние времена она внушала
человеку не столько благоговение, сколько
опасение, страх, подчас ужас. Недаром человек
обожествлял природу, населял её в своем
воображении добрыми и злыми божествами, искал
защиты у добрых и старался умилостивить злых.
Сегодня человек уже не испытывает прежнего
страха перед явлениями природы, многие её тайны
уже раскрыты.
Природа – это гигантская физическая
лаборатория, демонстрирующая всевозможные
физические явления. Многие из них вы наблюдали не
раз: например, солнечный закат, облака, туман,
радугу, молнию, о других – таких как, мираж, гало,
зелёный луч, шаровая молния – знаете, скорее
всего, понаслышке. Но задумывались ли вы
когда-нибудь, в чем причина этих явлений, как они
возникают? Сегодня мы постараемся разобраться в
некоторых оптических явлениях природы.
1. Цвет неба
2 ученик: Почему небо имеет голубой
цвет? Почему заходящее солнце становится
красным? Оказывается, в обоих случаях причина
одна – рассеяние солнечного света в атмосфере.
Это было понятно не сразу. Для объяснения
голубизны небосвода в свое время выдвигались
различные гипотезы.
Некоторые пытались объяснить голубой цвет неба
как результат смешивания в определенных
пропорциях «света и тьмы».
Другие предполагали, что частицы воздуха
окрашены в голубой цвет.
Третьи допускали, что голубое свечение неба есть
свечение люминесценции частиц воздуха,
возникающее при облучении этих частиц солнечным
светом (Приложение 1. Слайд 2).
Однако сегодня все эти объяснения
рассматриваются как несостоятельные.
Несостоятельность этих гипотез была доказана
уже более ста лет тому назад, в 1869 г. английским
физиком Дж. Тиндалем, выполнившем свой
знаменитый опыт по демонстрации рассеяния
белого света при его прохождении через аквариум
в котором находится вода с примесью молока.
3 ученик: Повторим этот опыт.
Опыт 1: Рассеяние светового луча в среде
Оборудование: плоскопараллельная кювета, диапроектор.
Аквариум прямоугольной формы или плоскопараллельную кювету заполнить водой и направить на стенку аквариума слабо расходящийся узкий пучок света от диапроектора. Чтобы пучок был достаточно узким, необходимо в диапроектор на место слайда вставить кусочек плотной бумаги с круглым отверстием в центре диаметром 2–3 мм. Опыт необходимо проводить в хорошо затемненном помещении. Для усиления рассеяния светового пучка при его прохождении через аквариум в воду можно добавить немного молока и тщательно размешать жидкость. Содержащиеся в молоке частички жира не растворяются в воде; они находятся во взвешенном состоянии и способствуют рассеянию света. Можно наблюдать голубоватый оттенок у рассеянного света. Свет же, прошедший сквозь аквариум, приобретает красноватый оттенок.
2 ученик: В 1871 году Дж. Рэлей объяснил
результаты опытов Тиндаля, он построил теорию
рассеяния световых волн на частицах, размеры
которых много меньше длины световой волны. Согласно
теории Рэлея: Интенсивность рассеянного света
пропорциональна четвертой степени частоты
световой волны (Приложение 1.
Слайд 3)
Именно поэтому интенсивнее рассеиваются
световые волны с более высокими частотами, то
есть спектр рассеянного света сдвинут в сторону
более высоких частот (голубой, синий, фиолетовый),
а спектр света остающегося в пучке (после того
как испытавший рассеяние свет покинул пучок)
будет сдвинут в к более низким частотам (красный,
оранжевый, желтый) (Приложение 1.
Слайд 4)
4 ученик: Глядя на солнце, наблюдатель
воспринимает свет, прошедший через атмосферу без
рассеяния; спектр этого света сдвинут к низким
частотам. Чем ближе солнце к линии горизонта, тем
более длинный путь проходят в атмосфере световые
лучи, прежде чем попадут к наблюдателю, тем в
большей мере сдвигается их спектр. В результате
заходящее (восходящее) солнце мы видим в красных
тонах. Вполне понятно также, почему нижняя часть
заходящего солнечного диска выглядит более
красной, нежели его верхняя часть. (Приложение
1. Слайд 5)
Итак, в том, что небосвод может иметь различную
окраску основную роль играет зависимость
интенсивности рассеяния света от его частоты. Но
какова природа тех центров, на которых
рассеиваются световые волны, проходя через
атмосферу?
В 1899 г. Рэлей выдвинул гипотезу, по которой
центрами, рассеивающими свет, являются сами
молекулы воздуха. Позднее, уже в первой половине
ХХ века, благодаря работам М. Смолуховского,
А.Эйнштейна и Л.Мандельштама, было установлено,
что в действительности рассеяние света
происходит не на самих молекулах воздуха, а на
флуктуациях плотности воздуха, т.е. в случайно
возникающих сгущениях и разряжениях воздуха. (Приложение 1. Слайды 6, 7 )
2. Сплюснутость заходящего солнечного диска
1 ученик: Если посмотреть на заходящее солнце через закопченное стекло, нетрудно заметить , что цвет солнечного диска имеет разные оттенки в разных точках. У самой линии горизонта он краснее, а в верхней части имеет более светлый оттенок. Кроме этого можно заметить некоторую сплюснутость заходящего солнечного диска. В чем причина этого явления? (Приложение 1. Слайд 8)
5 ученик: Причиной многих интересных
явлений, наблюдаемых в природе, является
рефракция света. Рефракция света – это
искривление световых лучей при прохождении
через атмосферу, вызванное оптической
неоднородностью атмосферного воздуха. При
увеличении высоты над поверхностью земли
изменяется плотность воздуха, а, следовательно,
меняется и показатель преломления. Различают астрономическуюи
земную рефракцию. В первом случае
рассматривается искривление световых лучей,
приходящих к земному наблюдателю от небесных тел
(Солнца, Луны, звёзд), а во втором – от земных
объектов. В обоих случаях вследствие искривления
лучей наблюдатель видит объект не в том
направлении, которое соответствует
действительности, или объект кажется искаженным.
Представим на минуту, что атмосфера состоит из
оптически однородных горизонтальных слоев;
показатель преломления скачками меняется от
слоя к слою , постепенно возрастая при переходе
от верхних слоев к нижним. Поэтому траектория
луча , приходящего к земному наблюдателю от
некоторого заатмосферного объекта, должна иметь
вид ломаной линии (Приложение 1.
Слайд 9).
В действительности плотность атмосферы меняется
не скачками, а непрерывно, поэтому световой луч
представляет собой не ломаную, а кривую линию.
Земной наблюдатель видит объект не под углом 
, а под углом 
, то есть объект
представляется наблюдателю выше, чем он есть на
самом деле (Приложение 1.
Слайды 10, 11)
6 ученик: Когда солнце стоит высоко над горизонтом, его диск имеет форму круга, земной наблюдатель видит его под углом 32'. Заходящий солнечный диск сплюснут по вертикали, его вертикальный поперечник виден под углом 26'. В этом «повинна» рефракция света. Согласно современным данным, максимальный угол рефракции составляет 35', однако верхний край солнечного диска приподнимается вследствие рефракции света меньше, чем нижний, т.е. не на 35', а только на 29'. Ведь рефракция уменьшается по мере уменьшения зенитного расстояния. Именно поэтому заходящее солнце кажется земному наблюдателю сплюснутым (Приложение 1. Слайд 12)
3. Зеленый луч
7 ученик: Иногда при закате можно наблюдать возникновение зеленого луча. Когда почти весь солнечный диск скрылся за горизонтом, на несколько секунд вспыхивает яркий зеленый свет. Возникновение зеленого луча можно объяснить, если принять во внимание изменение показателя преломления с частотой света. Известно, что показатель преломления растет с увеличением частоты, следовательно, зеленый свет преломляется атмосферой сильнее, чем красный, оранжевый и желтый (Приложение 1. Слайд 13). Если предположить, что рефракция света в атмосфере есть, а рассеяния нет, а также что в спектре солнечного света имеются только два цвета – зелёный и красный , то заходящее солнце наблюдатель видел бы как на рисунке (Приложение 1. Слайд 14). Однако нельзя не учитывать рассеяние света. Мы выяснили, что оно приводит к тому, что из светового пучка выбывает свет более высокой частоты, поэтому диск заходящего солнца кажется красноватым. Но если весь солнечный диск ушёл за горизонт, стоит ясная и тихая погода, воздух чист (так что рассеяние света минимально), то можно увидеть ярко–зелёный край солнца вместе с россыпью ярко зеленых лучей. (Приложение 1. Слайд 15 )
3. Мираж
1 ученик: Когда мы говорим о чем-то нереальном, неуловимом, пригрезившемся, мы используем слово «мираж». Подобно сказке, он восхищает нас, влечет к себе и бесследно исчезает, когда мы пробуем к нему приблизиться. Миражи разнообразны. Они позволяют видеть разнообразные предметы, подробности пейзажа, даже города, которые на самом деле находятся далеко от наблюдателя. Почему возникает мираж, попробуем разобраться.
8 ученик: Чтобы разобраться с причинами возникновения миражей рассмотрим некоторые процессы, происходящие в оптически неоднородной среде, где показатель преломления непрерывно меняется от слоя к слою. Мы уже знаем, что в такой среде световой луч плавно искривляется. Посмотрим опыт.
Опыт 2: Искривление светового луча в неоднородной среде
Оборудование: аквариум, раствор поваренной соли, хвойный концентрат, лазерная указка.
Аквариум прямоугольной формы наполнить водой примерно до половины. Затем через воронку со шлангом, конец которого опустить до самого дна, медленно наливать насыщенный раствор поваренной соли (300г соли на литр воды). Раствор соли будет растекаться по дну кюветы и будет постепенно вытеснять воду. В итоге нижняя половина кюветы окажется заполненной более плотной жидкостью (раствором соли), а нижняя половина – менее плотной (водой).Вследствие взаимной диффузии между жидкостями образуется переходный слой с плавно изменяющейся в вертикальном направлении плотностью, а значит и показателем преломления. Он будет постепенно возрастать сверху вниз. Через боковую стенку кюветы направить внутрь жидкости тонкий световой луч, например от лазерной указки (чтобы луч в воде был виден, нужно добавить в неё хвойный концентрат). В оптически неоднородной среде луч будет распространяться не прямолинейно, а изгибаться так, что его траектория всегда обращена выпуклостью в сторону уменьшения показателя преломления среды (Приложение 1. Слайд 16).
9 ученик: Из большого многообразия
миражей выделим несколько видов: 1) нижние
(«озерные») миражи; 2) верхние миражи; 3) миражи
сверхдальнего видения. Нижние миражи
возникают над сильно нагретой поверхностью, как
правило, они наблюдаются в пустынях и знойных
степях.
Представьте себе раскаленную пустыню; кругом,
куда ни посмотришь – горячий песок. И вдруг
впереди, где-то у линии горизонта, возникает
озеро. Это чудо представляется совершенно
реальным. В воображении возникает даже плеск
воды. Но вот вы проходите несколько километров, а
вокруг по-прежнему одни пески. В чем же причина?
Если воздух у самой поверхности земли сильно
нагрет и, следовательно, его плотность
относительно мала, то показатель преломления у
поверхности земли будет меньше, чем в более
высоких воздушных слоях. Световой луч изгибается
так , что траектория обращена выпуклостью вниз,
следовательно наблюдатель видит
соответствующий участок небосвода не над линией
горизонта, а ниже её. Наблюдателю кажется, что он
видит воду, а на самом деле видит участок неба (Приложение 1. Слайды 17,
18)
10 ученик: Теперь предположим, что
воздух у самой поверхности земли или воды не
нагрет, а, напротив заметно охлажден по сравнению
с более высокими воздушными слоями. В этом случае
плотность его будет значительно больше, чем в
более высоких слоях, а следовательно и
показатель преломления. Предположим, что нижние
слои воздуха гораздо холоднее чем верхние.
Световые лучи в рассматриваемом случае
изгибаются так, что их траектория обращена
выпуклостью вверх.
Если показатель преломления воздуха уменьшается
с высотой достаточно медленно , то возникает прямое
изображение (Приложение 1.
Слайд 19 ). Перевернутое изображение образуется,
если показатель преломления воздуха с
увеличением высоты меняется достаточно быстро (Приложение 1. Слайд 20 ).
На слайде вы видите фотографию верхнего миража
прямого изображения (Приложение
1. Слайд 21 ).
При определенных условиях могут возникать двойные
и даже тройные миражи. Допустим, что
показатель преломления воздуха уменьшается с
высотой сначала быстро, а затем медленно. В этом
случае световые лучи в области 1 будут
искривляться сильнее, чем в области2. В
результате возникают два изображения . Световые
лучи области 1 формируют перевернутое
изображение, а лучи области 2, искривляясь в
меньшей степени, формируют прямое изображение (Приложение 1. Слайд 22 )
11 ученик:Однако наиболее загадочными являются миражи сверхдальнего видения. Из книги К. Фламмариона «Атмосфера»: «Опираясь на свидетельства нескольких лиц, заслуживающих доверия, я могу сообщить про мираж, который видели в г. Вервье (Бельгия) в июне 1815г. Однажды утром жители города увидели в небе войско, и так ясно, что можно было различить костюмы артиллеристов и даже, например, пушку со сломанным колесом, которое вот-вот отвалится… Это было утро сражения при Ватерлоо!» (Приложение 1. Слайд 23 )
Природа этих миражей изучена менее всего. Ясно,
что атмосфера должна быть очень прозрачной,
свободной от загрязнений и водяных паров. Но
этого мало. Должен образоваться устойчивый слой
охлажденного воздуха на некоторой высоте над
поверхностью земли. Ниже и выше этого слоя воздух
должен быть более теплым. Световой луч, попавший
внутрь плотного холодного слоя воздуха,
оказывается как бы «запертым» внутри него и
распространяется в нем как по своеобразному
световоду (Приложение 1.
Слайд 24 )
Возможной причиной образования подобных миражей
является образование «воздушных линз» и,
наконец, что определенную роль в возникновении
сверхдальних миражей играет ионосфера, которая
способна отражать световые волны.
4. Радуга
1 ученик: Наверное, нет человека, который бы не любовался радугой. Это великолепное красочное явление издавна поражало воображение людей. О радуге слагались легенды, ей приписывали удивительные свойства. Глядя на радугу, древние греки верили, что она соединяет небо и землю. По мнению древних эстов, радуга наполняла водой истощенные после дождя облака. У славянских народов радуга появившаяся на небе после благодатного дождя, олицетворяла победу бога-громовержца Перуна, поразившего молниями духа зла. Сегодня уже известна причина появления радуги на небе (Приложение 1. Слайд 25).
12 ученик: Радуга наблюдается в
стороне, противоположной Солнцу, на фоне
дождевых облаков или дождя. Разноцветная дуга
обычно находится от наблюдателя на расстоянии
1–2 км, а иногда ее можно наблюдать на расстоянии
2–3 м на фоне водяных капель, образованных
фонтанами или водопадами (Приложение
1. Слайды 26, 27).
Центр радуги находится на продолжении прямой,
соединяющей Солнце и глаз наблюдателя – на
противосолнечной линии. Угол между направлением
на главную радугу и противосолнечной линией
составляет 41–42о (Приложение
1. Слайд 28).
В момент восхода солнца противосолнечная точка
находится на линии горизонта и радуга имеет вид
полуокружности. По мере поднятия Солнца
противосолнечная точка опускается под горизонт
и размер радуги уменьшается. Она представляет
собой лишь часть окружности. У радуги различают
семь основных цветов, плавно переходящих один в
другой. Внешний край радуги имеет красный цвет, а
внутренний – фиолетовый (Приложение
1. Слайд 29)
Часто наблюдается дополнительная
радуга, концентрическая с первой, с угловым
радиусом около 52о и обратным расположением
цветов (Приложение 1.
Слайд 30). Между основной и дополнительной радугой
находится темноватая полоса. Её называют александровой
полосой – по имени жившего во II веке
греческого философа Александра, подметившего
эту особенность двойной радуги.
При высоте Солнца 41о основная радуга
перестает быть видимой и над горизонтом
выступает лишь часть дополнительной радуги, а
при высоте Солнца более 52о не видна и
дополнительная радуга. Поэтому в средних
экваториальных широтах в околополуденные часы
это явление природы никогда не наблюдается.
Вид дуги, яркость цветов, ширина полос зависят от
размеров капелек воды и их количества. Большие
капли создают более узкую радугу, с резко
выделяющимися цветами, малые – дугу
расплывчатую, блеклую и даже белую. Вот почему
яркая узкая радуга видна летом после грозового
дождя, во время которого падают крупные капли.
13 ученик: Наблюдая радугу, люди,
естественно пытались понять физику её
возникновения. В 1571 г. англичанин Джайлс Флетчер
опубликовал работу, где утверждал, что
наблюдатель видит радугу в результате попадания
в его глаз световых лучей, каждый из которых
испытал двукратное преломление в одной капле
дождя и последующее отражение от другой капли (Приложение 1. Слайд 31). В
начале XVII века итальянец Антонио Доминико
предложил иной (правильный!) вариант прохождения
светового луча к наблюдателю. Впоследствии Рене
Декарт развил представления Доминико о теории
радуги (Приложение 1.
Слайд 32 ). Он объяснил радугу, как явление,
связанное с отражением и преломлением света в
дождевых каплях. Образование цветов и их
последовательность были объяснены позже, после
разгадки сложной природы белого света и его
дисперсии в среде.
Рассмотрим простейший случай: пусть на каплю,
имеющую форму шара, падает пучок параллельных
солнечных лучей (Приложение 1.
Слайд 33). Луч, падающий на поверхность капли в
точке А, преломляется внутри нее по закону
преломления:
n sin = n sin 
,
где n = 1, n ~ 1,33 – соответственно показатели
преломления воздуха и воды, – угол
падения, а – угол преломления света.
Внутри капли идет по прямой луч АВ. В
точке В происходит частичное преломление луча и
частичное его отражение. Надо заметить, что, чем
меньше угол падения в точке В, а следовательно и в
точке А, тем меньше интенсивность отраженного
луча и тем больше интенсивность преломленного
луча.
Луч АВ после отражения в точке В попадает в точку
С, где также происходит частичное отражение и
частичное преломление света. Преломленный луч
выходит из капли под углом 42о, а отраженный может
пройти дальше, в точку D и т. д. Таким
образом, луч света в капле претерпевает
многократное отражение и преломление. При каждом
отражении некоторая часть лучей света выходит
наружу и интенсивность их внутри капли
уменьшается. Наиболее интенсивным из выходящих в
воздух лучей является луч, вышедший из капли в
точке В. Но наблюдать его трудно, так как он
теряется на фоне ярких прямых солнечных лучей.
Лучи же, преломленные в точке С, создают в
совокупности на фоне темной тучи первичную
радугу, а лучи, испытывающие преломление в точке D
дают дополнительную радугу, которая менее
интенсивна, чем первичная. Однако ни Доминико, ни
Декарт не могли объяснить возникновение цветов
радуги. Это стало возможным лишь после того как
Исаак Ньютон, выполнив целый комплекс блестящих
опытов с призмами, пришёл к выводу что «белый
свет состоит из всех цветов» и что «показатель
преломления среды зависит от частоты света» (Приложение 1. Слайд 33)
14 ученик: Чаще всего мы
наблюдаем одну радугу. Нередки случаи, когда на
небосводе появляются одновременно две радужные
полосы, расположенные одна за другой; наблюдают и
еще большее число небесных дуг – три, четыре и
даже пять одновременно. Это интересное явление
наблюдали ленинградцы 24 сентября 1948 года, когда
во второй половине дня среди туч над Невой
появились четыре радуги. Оказывается, что радуга
может возникать не только от прямых лучей;
нередко она появляется и в отраженных лучах
Солнца. Это можно видеть на берегу морских
заливов, больших рек и озер. Три-четыре радуги –
обыкновенные и отраженные – создают подчас
красивую картину. Так как отраженные от водной
поверхности лучи Солнца идут снизу вверх, то
радуга образующаяся в лучах, может выглядеть
иногда совершенно необычно.
Некоторой подобие радуги можно получить на таком
опыте.
Опыт 3: Образование радуги
Оборудование: круглодонная колба, белая доска с отверстием в центре (диаметр отверстия должен соответствовать диаметру колбы), осветитель.
Колбу, наполненную водой, осветить
лампой через отверстие в белой доске. Тогда на
доске отчетливо станет видна радуга, причем угол
расхождения лучей по сравнению с начальным
направлением составит около 41–42°. В
естественных условиях экрана нет, изображение
возникает на сетчатке глаза, и глаз проецирует
это изображение на облака.
Если радуга появляется вечером перед заходом
Солнца, то наблюдают красную радугу. В последние
пять или десять минут перед закатом все цвета
радуги, кроме красного, исчезают, она становится
очень яркой и видимой даже спустя десять минут
после заката (Приложение 1.
Слайд 34).
III. Подведение итогов урока (заключительное слово учителя, выставление оценок учащимся)
Литература:
- Булат В.Л. Оптические явления в природе.–М.: Просвещение, 1974.
- Перельман Я.И. Занимательная физика.Книга 1.– Чебоксары,1994.
- Перельман Я.И. Занимательная физика.Книга 2.– Чебоксары,1994.
- Тарасов Л.В. Физика в природе.– М.:Вербум – М,2002.