Полное отражение света

Наука давно перестала чуждаться жизни
и написала на своем знамени:
"Посев научный взойдет для жатвы народной".
Менделеев Д.И.

Тип урока: изучения нового материала с использованием мобильного компьютерного класса.

Цель – развитие познавательного интереса, умения составлять алгоритмы “переноса” - применения приобретенных знаний в нестандартной (новой) учебной ситуации; формирование учебно-познавательных и информационных компетенций учащихся.

Задачи.

• сформировать понятие о физическом явлении “полное внутреннее отражение света”;
• выяснить условия возникновения полного отражения;
• изучить практическое применение этого физического явления;
• формировать навыки работы с различными ИКТ программами;
• создать познавательную мотивацию при постановке экспериментальных задач.

• воспитание мировоззренческих понятий: о причинно-следственных связях в окружающем мире, о познаваемости окружающего мира и человечества;
• воспитание чувства товарищеской взаимовыручки, воспитание этики групповой работы.

• совершенствование навыков и умений: умение классифицировать и обобщать; умение формулировать выводы по изученному материалу;
• развитие самостоятельности мышления и интеллекта; развитие грамотной устной речи; совершенствование навыков практической работы.

Оборудование: мобильный компьютерный класс- 13 ноутбуков, один из них – учителя; мультимедийный проектор, интерактивная доска, интерактивный модуль “Геометрическая оптика” Г.В.Гордона [2], видеоролики домашнего эксперимента, презентация “Полное отражение света” [1], образец оптико-волоконного кабеля, новогодняя ёлка на светодиодах.

Структура урока

Учитель: ...Еще древнеримский ученый Плиний в своей “Естественной истории”, написанной около двух тысяч лет назад, рассказывал о ловцах жемчуга, набиравших в рот оливковое масло перед погружением и выпускавших его под водой. Растекавшаяся по поверхности моря масляная пленка, показатель преломления которой больше, чем у воды, резко уменьшала яркость бликов и улучшала условия видимости. Каким образом это происходит? Сегодня на уроке мы изучим новое явление, происходящее на границе раздела двух сред – полное внутреннее отражение света, выясним условия его возникновения, познакомимся с проявлением полного отражения в природе и технике.

Мы сегодня работаем с использованием мобильного компьютерного класса. Прошу всех войти в программу и зарегистрироваться. После регистрации обучающиеся отвечают на вопросы.

Актуализация знаний – вопросы подаются с головного компьютера учителя на каждый компьютер ученика (слайды 3, 4, 5 [1]):

1. Какие явления наблюдаются на границе раздела двух прозрачных сред?
2. Сформулируйте закон отражения света.
3. Сформулируйте закон преломления света.
4. Каков физический смысл абсолютного показателя преломления?
5. Качественная задача (слайд 2).

Учитель, управляя работой учащихся с головного компьютера, рассылает задания на каждый ноутбук: (слайд 6 [1]):

• индивидуальную работу – тестирование на компьютере (приложение 1); Приложения
• групповую работу по выполнению экспериментальных заданий (приложение 2);
• индивидуальную работу по решению задач (приложение 3).

Учитель после обсуждения результатов решения задач (слайд 7 [1]), переходит к объяснению нового материала (слайд 8 [1]).

Учитель: (слайд 9 [1]).

Несложное явление полного внутреннего отражения, впервые описанное Иоганном Кеплером в начале XVII века и, казалось бы, прекрасно изученное, сегодня стало объектом пристального внимания. А впервые эти эффекты исследовал русский физик Александр Александрович Эйхенвальд ровно более ста лет назад.

Вначале полное отражение представляло лишь любопытное явление. Сейчас оно постепенно приводит к революции. За “новаторские достижения в области передачи света по волокнам для оптической связи” Нобелевская премии по физике 2009 года присуждена Чарльзу Као. Открытие Као, которое он сделал в 1966 году, проложило дорогу оптическим волокнам, которые используются сегодня в области телевидения и интернет - связи. Ему удалось разработать метод производства сверхчистого оптического волокна, благодаря чему световые сигналы стало возможным передавать без искажений на расстояние до 100 км, по сравнению всего лишь с десятками метров, что было пределом на тот момент.

Учитель дает определение полного отражения света: полное отражение – это явление отражения света от оптически менее плотной среды, при котором отсутствует преломление света, а интенсивность отраженного света почти равна интенсивности падающего.

На интерактивной модели “Преломления света” (приложение 8) [2] учитель демонстрирует полное отражение света.

Учитель: (слайды 10-13 [1]).

Рассмотрим краткую теорию явления полного внутреннего отражения света. Поскольку свет переходит из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, то угол преломления в этом случае больше, чем угол падения а (Первый рисунок слева). При увеличении угла падения лучей от источника на поверхность раздела двух сред (второй и третий рисунки) наступит такой момент, когда преломлённый луч пойдёт вдоль границы раздела сред, то есть = 90°. Угол падения, соответствующий этому значению , называется предельным углом полного внутреннего отражения - а₀.

Несмотря на то, что мы говорим об отражении, применим закон преломления света для вычисления а₀, так как при падении света на границу раздела под углом большим, чем предельный угол полного внутреннего отражения а₀ , преломления света наблюдаться не будет, а свет будет только отражаться (четвертый рисунок).

Для вычисления предельного угла полного внутреннего отражения необходимо знать табличные значения абсолютных показателей преломления вещества. Рассмотрим это на примере “вода - воздух”:

, (1)

где ;

Выразим из формулы (1) значение предельного угла полного внутреннего отражения a₀:

Приняв во внимание значение а sin = 1, получим:

a₀ = arcsin = arcsin 0,75, что соответствует углу a₀ , равному 49⁰.

Подставив числовое значение абсолютного показателя преломления любого другого вещества в формулу (3), можно найти предельный угол полного внутреннего отражения для этого вещества, воспользовавшись табличными значениями абсолютных показателей преломления.

Учитель предоставляет слово группам - экспериментаторам (заполненные карточки проецируются через мультимедийный проектор на экран).

Учитель: (слайд 14 [1]) Полное отражение света показывает, какие богатые возможности для объяснения явлений распространения света заключены в законе преломления. Выяснилось, например, что тонкие эффекты, возникающие вследствие этого явления, позволяют делать предметы невидимыми. Предоставим слово ребятам, которые выполнили в домашних условиях некоторые опыты (приложение 4), (приложение 5), (приложение 6).

Учитель рассказывает о явлениях в природе, связанных с полным отражением света (слайд 15 [1])

1. Полное внутреннее отражение можно наблюдать, если смотреть из-под воды на поверхность: при определенных углах на границе раздела наблюдается не внешняя часть (то, что в воздухе), а видно зеркальное отражение объектов, которые находятся в воде.
2. Полным внутренним явлением объясняется явление миража. Мираж — оптическое явление в атмосфере: отражение света границей между резко разными по теплоте слоями воздуха. Для наблюдателя такое отражение заключается в том, что вместе с отдалённым объектом (или участком неба) видно его мнимое изображение, смещенное относительно предмета.
3. Радуга. Чаще всего наблюдается первичная радуга, при которой свет претерпевает одно внутреннее отражение. Ход лучей показан на рисунке справа вверху. В первичной радуге красный цвет находится снаружи дуги, её угловой радиус составляет 40–42°.
4. Сложное оптическое явление в атмосфере, состоящее из нескольких форм миражей, при котором отдалённые предметы видны многократно и с разнообразными искажениями. Фатаморгана возникает, когда в нижних слоях атмосферы образуется несколько чередующихся слоев воздуха различной плотности, способных давать зеркальные отражения. В результате отражения, а также преломления лучей реально существующие предметы дают на горизонте или над ним по нескольку искажённых изображений, частично налагающихся друг на друга и быстро меняющихся во времени, что и создаёт причудливую картину.
5. Чем объяснить “игру камней”? В ювелирном деле огранка камней подбирается так, что на каждой грани наблюдается полное отражение света.

Учитель: На явлении полного внутреннего отражения основано появление раздела волоконной оптики. Волоконная оптика – это система передач оптических изображений с помощью стекловолокон (световодов) (слайд 16 [1]).

Световод представляет собой нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения. Каждый световод состоит из центрального проводника света (сердцевины) – стеклянного волокна, и стеклянной оболочки, обладающей меньшим показателем преломления, чем сердцевина. Распространяясь по сердцевине, лучи света не выходят за ее пределы, отражаясь от покрывающего слоя оболочки. 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). За счёт многократного полного отражения свет может быть направлен по любому пути, прямому и изогнутому. Волокна собираются в жгуты. При этом по каждому из волокон передаётся какой-нибудь элемент изображения. Луч света “посылается” к границе раздела двух сред под углом большим предельного угла. Благодаря этому он претерпевает полное отражение.

Учитель предлагает более подробно познакомиться с практическим применением волоконной оптики (слайд 18-25 [1]).

Учитель подводит итоги урока, оценивает подготовку и работу на уроке, сообщает домашнее задание (слайд 26 [1]).

Учитель: В завершение урока выразите, пожалуйста, своё отношение к уроку, ответив на вопросы карточки (приложение 7).

После урока учитель проводит анализ выполнения всех заданий, составляют статистику ответов учащихся на базовом, повышенном и высоком уровнях (слайд 27 [1]). Все аналитические данные используются для коррекции знаний на следующих уроках физики.

Литература

1. Презентация “Полное отражение света”. [1]
2. Гордон Г.В. Геометрическая оптика. http://www.rusedu.ru/detail_6171.html [2]
3. Борисов К. Оптиволоконные системы освещения. http://www.trikita.by/service6.html
4. Буховцев Б.Б., Мякишев Г.Я. Учебник по физике 11 класс. М.:Просвещение.2010
5. Вараксина Е. И. Полное внутреннее отражение света в жидкости. https://fiz.1sept.ru/articles/2009/17/14 .
6. Касьянов В.А. Учебник по физике 11 класс. М.:Дрофа.2002
7. Латышевская Т. Ю., Новоселов К. С. Нанотехнологии для Волоконной Оптики. http://www.kabel-news.ru/
8. http://traditio.ru/wiki/ Внутреннее отражение
9. http://hghltd.yandex.net/. Полное отражение света
10. http://ru.wikipedia.org/wiki/Световод
11. http://images.google.ru . Миражи
12. http://school426-spb.by.ru . Фата-Моргана
13. http://www.genon.ru/GetAnswer. Фотографии
14. http://www.universal-fibre-optics.com/russian/applications.html .Оптико-волоконные системы освещения
15. http://www.ifmo.ru/faculty/5. Уникальный роботизированный комплекс
16. http://www.forc-photonics.ru/ru/production/volokonno-opticheskie_datchik/1/68/.Оптические приборы
17. http://optika8.narod.ru/Opiti.htm . Геометрическая оптика
18. http://canegor.urc.ac.ru/bezpriborov/63832896.html. Опыты, демонстрирующие полное внутреннее отражение света
19. http://www.nvtc.ee/e-oppe/Sidorova/objects . Применение полного внутреннего отражения света.
20. http://iuyt.ru/index.php?newsid=38. Светодизайн
21. http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/144040/ Фата-моргана

Приложения