Какие свойства светового луча используются при
Автор — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев
Темы кодификатора ЕГЭ: прямолинейное распространение света.
Мы приступаем к изучению оптики – науки о распространении света. Нас ждут два раздела оптики: сравнительно простая геометрическая оптика и более общая волновая оптика.
Говоря о свете, мы всегда подразумеваем видимый свет, то есть электромагнитные волны в узком частотном диапазоне, непосредственно воспринимаемые человеческим глазом. Как вы помните, длины волн видимого света находятся в промежутке от 380 до 780 нм.
С точки зрения электродинамики Максвелла распространение света ничем не отличается от распространения других электромагнитных излучений – радиоволн, инфракрасного, ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения. В этом смысле оптика оказывается просто частью электродинамики.
Но ввиду той колоссальной роли, которую свет играет в жизни человека, оптические явления начали изучаться давным-давно. Все основные законы оптики были установлены задолго до создания электродинамики и открытия электромагнитных волн. И потому с тех давних пор оптика оформилась в самостоятельный раздел физики – со своими специфическими задачами, методами, экспериментами и приборами.
Главным природным источником света служит Солнце, и люди ставили много опытов с солнечными лучами. Отсюда в оптику вошло понятие светового луча. Впоследствии оно получило строгое определение.
Световой луч – это геометрическая линия, которая в каждой своей точке перпендикулярна волновому фронту, проходящему через эту точку. Направление светового луча совпадает с направлением распространения света.
Если данное определение осталось для вас не совсем понятным – ничего страшного: на первых порах вы можете представлять себе просто узкие пучки света наподобие солнечных лучей. Этого вполне хватит, чтобы уяснить все основные вещи и научиться решать задачи. Ну а время строгого определения придёт несколько позже – когда начнётся волновая оптика.
Законы геометрической оптики.
Геометрическая оптика изучает распространение световых лучей. Это исторически первый и наиболее простой раздел оптики. В основе геометрической оптики лежат четыре основных
закона.
1. Закон независимости световых лучей.
2. Закон прямолинейного распространения света.
3. Закон отражения света.
4. Закон преломления света.
Данные законы были установлены в результате наблюдений за световыми лучами и послужили обобщениями многочисленных опытных фактов. Они являются утверждениями, сформулированными на языке геометрии. Волновая природа света в них не затрагивается.
Законы геометрической оптики первоначально являлись постулатами. Они лишь констатировали: таким вот образом ведёт себя природа. Однако впоследствии оказалось, что законы геометрической оптики могут быть выведены из более фундаментальных законов волновой оптики.
Геометрическая оптика отлично работает, когда длина световой волны много меньше размеров объектов, присутствующих в данной физической ситуации. Можно сказать, что геометрическая оптика есть предельный случай волновой оптики при . Неудивительно поэтому, что сначала были открыты законы именно геометрической оптики: ведь размеры предметов, встречающихся нам в повседневной жизни, намного превышают длины волн видимого света.
Первый закон геометрической оптики совсем простой. Он говорит о том, что вклад каждого светового луча в суммарное освещение не зависит от наличия других лучей.
Закон независимости световых лучей. Если световые лучи пересекаются, то они не оказывают никакого влияния друг на друга. Каждый луч освещает пространство так, как если бы других лучей вообще не было.
Закон прямолинейного распространения света также очень прост, и мы его сейчас обсудим. Законам отражения и преломления будут посвящены следующие разделы.
Закон прямолинейного распространения света. В прозрачной однородной среде световые лучи являются прямыми линиями.
Что такое “прозрачная однородная среда”? Среда называется прозрачной, если в ней может распространяться свет. Среда называется однородной, если её свойства не меняются от точки
к точке. Равномерно прогретый воздух, чистая вода, стекло без примесей – всё это примеры прозрачных и оптически однородных сред.
Таким образом, закон прямолинейного распространения света означает, что в прозрачной однородной среде понятие светового луча совпадает с понятием луча в геометрии.
Данный закон не требует каких-либо дополнительных пояснений – он хорошо вам известен. Вам неоднократно доводилось видеть прямолинейные солнечные лучи, пронизывающие облака, или тонкий прямой луч, пробивающийся в запылённой комнате через щель в окне. Находясь под водой, можно наблюдать прямые солнечные лучи, идущие сквозь воду.
При нарушении однородности среды нарушается и закон прямолинейного распространения света. Например, на границе раздела двух прозрачных сред световой луч может разделиться на два луча: отражённый и преломлённый. Если оптические свойства среды меняются от точки к точке, то ход световых лучей искривляется. В этом состоит причина миражей: слой воздуха вблизи раскалённой земной поверхности нагрет больше, чем вышележащие слои; он имеет иные оптические свойства, и его действие оказывается подобным зеркалу. Обо всём этом мы поговорим позднее.
Геометрическая тень.
Вам хорошо известно, что различные предметы отбрасывают тень. На рис. 1 изображён точечный источник света и непрозрачный предмет – красный треугольник. На экране мы видим тень этого предмета в виде серого треугольника.
Откуда берётся тень? Дело в том, что если на пути световых лучей оказывается непрозрачный предмет, то происходит следующее.
1.Луч, идущий мимо предмета, продолжает распространяться в прежнем направлении – как если бы данного предмета вообще не было.
2. Луч, попадающий на предмет, не проникает внутрь предмета. Дальнейший ход такого луча в прежнем направлении пресекается.
Так возникает геометрическая тень, края которой чётко очерчены. Поскольку свет распространяется прямолинейно, форма геометрической тени оказывается подобной контуру предмета. Так, на рис. 1 серый треугольник подобен красному.
Граница реальной тени имеет более сложный вид: вмешивается дифракция света на краях предмета. Дифракция – это отклонение света от первоначального направления; данное явление обусловлено волновой природой света и не описывается в рамках геометрической оптики.
|
| Рис. 1. Геометрическая тень |
Источник
Урок окружающего мира УМК «Планета знаний»
2 класс
Раздел: «Свет и цвет»
Тема: « Свет. Свойства светового луча. Свет и тень»
(опытно-исследовательская деятельность на уроке)
Цели: Создать условия для формирования первичного представления о свете, источниках света, световых лучах, тени.
Развивать творческие способности и познавательный интерес к учебной
деятельности на основе наблюдения, сравнения, анализа, обобщения;
умение выделять существенное в учебном материале, делать выводы,
переносить ранее полученные знания на новый учебный материал.
Пробуждать интерес к явлениям природы, формировать экологическую
культуру учащихся и коммуникативную компетенцию учащихся,
Формирование общеучебных умений с точки зрения деятельностного подхода : учебно – управленческих умений : самоконтроль и взаимоконтроль;
учебно – информационные умения : осуществлять неструктурированное наблюдение(где определен только объект наблюдения) и лабораторное наблюдение (объект находится в искусственно созданных условиях)
учебно – логические умения : определять объект анализа и его аспект, т.е устанавливать точку зрения, с которой будут определяться существенные признаки изучаемого объекта
Формы организации познавательной деятельности учащихся: фронтальная, индивидуальная, групповая.
Методы и приёмы: создание ситуации успеха; методы словесной и наглядной передачи информации, практическая работа, частично-поисковый метод, проблемный метод.
Средства обучения: мультимедиапроектор, презентация « Свет. Свойства светового луча. Свет и тень», отрывок DVD фильма « Приключения Буратино», мультимедийный учебник «Уроки Кирилла и Мефодия. Окружающий мир 2 класс», Фрагмент фильма
« Театр теней», фонарик, стакан и кружка (раздаточный материал), лист картона на подставке,
Ход урока
Организационный момент.
С сегодняшнего урока мы начинаем изучение раздела «Свет и цвет», а тему нашего урока вы попытаетесь определить сами , посмотрев отрывок их кинофильма
« Приключения Буратино» . Кто автор и какое полное название литературного произведения? ( Алексей Николаевич Толстой «Золотой ключик, или Приключения Буратино»
Ваша задача внимательно прослушать песню, и определить какие понятия, но уже с точки зрения окружающего мира, мы будем изучать на нашем уроке.
Постановка учебных целей.
На уроке познакомимся с тайнами света (светового луча), постараемся понять, как он распространяется, какие препятствия могут остановить его и какие препятствия он способен преодолевать.
III. Актуализация знаний .
А откуда берется свет и для чего он нужен?
Давайте прочитаем первый абзац на с.16 учебника.
Cлайд 1 « Когда темно, мы почти не различаем окружающих предметов. Для того, чтобы увидеть их, нужен свет. Днем все освещает Солнце. С огромной скоростью несется свет от Солнца к Земле через космическое пространство. Всего за 8 минут его лучи достигают поверхности Земли».
На предыдущих уроках мы много говорили об этом теле неживой природы.
Давайте проведем анализ этого объекта с разных сторон :
Что мы можем еще рассказать о Солнце, с точки зрения науки – астрономии?
Доклад:« Солнце- большая звезда в центре Солнечной системы, оно дает свет и тепло. Возраст равен примерно пяти миллиардам лет. Внутренняя часть называется ядром, а внешняя оболочка – Солнечной короной».
Что еще можно добавить?
Слайд 2 .Солнце всходит с Востока и заходит на Западе, наступает смена дня и ночи .
Слайд 3. В зависимости от высоты Солнца и движения вокруг него Земли, происходит смена времен года.
Что мы можем рассказать о Солнце, с точки зрения истории?
Доклад: « Для людей и всего живого на Земле Солнце – источник света и тепла, от него зависит урожай и жизнь на планете. Люди всегда понимали, насколько сильно их существование зависит от Солнца, и относились к нему с почтением, поклонялись и обожествляли его образ. В древности славяне именовали Солнце с уважением – «Ярило» и даже покланялись ему, как богу».
А какой народный праздник состоится в конце февраля?
Слайд 4. Праздник «Масленица». Это веселые проводы зимы, озаренные радостным ожиданием близкого тепла, весеннего обновления природы. Даже блины, непременный атрибут Масленицы, имели ритуальное значение: круглые, румяные, горячие, они являли собой символ солнца, которое все ярче разгоралось, удлиняя дни. Имя Масленицы носит и чучело из соломы, которое обряжают в женскую одежду. Чучело Масленицы сжигали на весело горящем костре, который разводили обязательно “на горке” – на какой-нибудь возвышенности.
А как люди выражали свое отношение к Солнцу в устном народном творчестве?
Загадки :
Ты весь мир обогреваешь, Голубой платок,
Ты усталости не знаешь, Желтый колобок,
Улыбаешься в оконце, По платку катается,
И зовут тебя все… Людям улыбается.
Тянется в окно золотое полотно.
Красная девица гуляет по небу.
Летом греет – зимой холодит.
Пословицы и поговорки:
Солнца не закроешь, а правду не скроешь.
Солнце встает, так и день настает.
Солнце не померкнет, народ не сломится.
Правда краше солнца.
При солнце тепло, при матери добро.
Солнце пригреет – все поспеет.
Солнышко на всех ровно светит.
После дождя солнце жжет, после лжи –стыд.
Какие источники информации вы использовали, чтобы подготовить свои доклады?
Слайд 5. Подведение итогов «Солнце:
Тело неживой природы.
Дает тепло и свет для всего живого на Земле.
С давних времен почитается людьми и находит отражение в их творчестве»
Молодцы! Если мы хотим понять какой – либо объект, то мы должны определить у него существенные признаки, рассмотреть его с разных точек зрения, т.е подвергнуть его анализу.
Физкультминутка. Слайд 13. Гимнастика для глаз.
IV. Изучение новой темы
Итак, главным источником света является Солнце.
Слайд 6. А что использовали люди для освещения своих домов с давних времен?
Слайд 7. Лучина. Где встречалось это слово и что оно означает? Лучина – тонкая длинная щепка сухого дерева.( работа со словарём)
Слайд 8. Свеча.
Слайд 9. Керосиновая лампа. Что такое керосин? (работа со словарём)
Слайд 10. Электрическая лампочка.
Слайд 11 , 12 . Какие правила обращения с электрическими приборами вы знаете?
Вернемся к нашему учебнику и рассмотрим таблицу «Источники света» Я утверждаю, что все эти предметы можно разбить на группы . Почему?
Тела природы и изделия
Свет от огня ( лампа, фонарь, свеча), природный свет (Луна,Солнце)
Натуральный природный свет и искусственный (фонарик)
Практическая работа
Давайте познакомимся с тайнами света, чтобы понять, как он распространяется, какие препятствия могут остановить его и какие препятствия он способен преодолевать.
Опыт 1.
Включим наши фонарики и направим их на потолок. Что мы видим? (луч света) . Вспомните из уроков математики что такое луч?
Какой вывод можно сделать? Свет распространяется по прямой линии.
Опыт 2 « Осветим весь земной шар»
Направьте луч света на шарик.
Поворачивая шарик разными сторонами в луче света.
Какой вывод можно сделать? Освещена только та часть шарика, на которую попадает свет. Как бы ты ни повернул шарик, его обратная сторона всегда остается в тени.
Это потому … лучи распространяются по прямой линии: они не могут огибать предмет и освещать обратную сторону. Поэтому Солнце по очереди освещает только ту сторону Земли, которая сейчас обращена к его лучам. В это время другая сторона находится в тени.
Опыт 3. « Проходит или не проходит свет?»( со стаканами)
По очереди освещай на фоне стены фарфоровый и стеклянный стакан.
Какой вывод можно сделать? Фарфоровый стакан препятствует распространению света, а стекло пропускает свет.
Слайд17 Опыт 4. « Можно ли остановить свет? Как образуются тени?»
Пусть один из вас осветит стену фонариком, а другой расположит руку между фонариком и стеной: сначала близко, а затем подальше от него.
Что образуется? Тень.
Какой вывод можно сделать? Чем ближе фигурка к фонарю, тем больше ее тень на стене. Чем дальше фигурка от фонаря, тем меньше будет ее тень на стане.
Это потому … что когда какой – нибудь предмет преграждает путь световому лучу, за ним образуется тень.
Почему тень смещается?
Доклад :«В течение дня положение Солнца на небе меняется ( из-за вращения Земли). Поэтому направление солнечных лучей также меняется. Вот почему тень смещается. Кроме того, когда Солнце стоит высоко, тень бывает короткой, а когда Солнце клонится к горизонту, тень становится длинной».
Люди в древности , наблюдая за смещением тени в солнечный день изобрели специальный прибор-_солнечные часы?( слайд 18)
Доклад: Такой прибор в древности использовали для определения времени. В Старинных городах и площадях и на стенах домов остались следы от таких часов.»
Слайд 19 . Выводы
Свет распространяется по прямой линии.
Когда предмет загораживает путь световому лучу, за этим предметом образуется тень.
Только плотные (непрозрачные) предметы, не пропускающие свет, образуют тень.
Работа в тетради.
Слайд 20. Тетрадь на печатной основе стр.8 № 10
Что художник нарисовал неправильно?
Слайд 21
А сейчас мне бы хотелось вам показать музыкальный сюрприз. Вашему вниманию « Театр теней».
Слайд 22
«Любознательные никогда не останавливаются на том, что изучили. Стремитесь познать этот загадочный мир!»
Итог урока. Рефлексия Слайд 23
Продолжите предложения
Я узнал…
Я научился…
Я удивился…
Дом. зад. в тетради стр. 7 № 8, № 9. Подчеркнуть названия предметов, которые пропускают свет. Если затрудняешься ответить, то проведи опыт.
Источник
Естествознание, 11 класс
Урок 16. Волновые свойства света. Приборы, использующие волновые свойства света
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:
- какова роль знаний о волновых свойствах света для объяснения принципа действия световых приборов
- где применяется интерференция и поляризация
- какие устройства делают свет поляризованным
Глоссарий по теме:
Интерференция света – перераспределение интенсивности света в результате наложения (суперпозиции) нескольких световых волн.
Дифракция света – огибание электромагнитной волной препятствий соизмеримых с длиной волны.
Дифракционная решётка – оптический прибор, применяющийся для разложения светового излучения в спектр.
Поляризация света – выделение из пучка естественного света лучей с определенной ориентацией вектора напряженности электрического поля.
Полное внутреннее отражение – явление возврата светового луча в исходную среду после попадания на границу раздела двух сред при падении его из более оптически плотной среды в менее плотную.
Поляризатор – прибор, превращающий естественный свет в линейно-поляризованный.
Оптоволокно (оптические световоды) – нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.
Спектральный анализ – совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения.
Естественный свет – оптическое излучение с быстро и беспорядочно изменяющимися направлениями напряженности электромагнитного поля.
Линейно–поляризованный свет – это электромагнитная волна, поляризованная таким образом, что направление вектора напряженности электрического поля остается неизменным
Основная и дополнительная литература по теме урока:
- Естествознание. 11 класс: Учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 2017 – §28, С. 90-93.
- Физика. 11 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. учреждений: базовый уровень; профильный уровень/А.В. Грачев, В.А. Погожев, А.М. Салецкий и др.- М.: Вентана-Граф, 2018. – 464 с.
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Какова роль знаний о световых явлениях и волновых свойствах света для объяснения принципов функционирования и применения световых приборов?
Начнём с интерференции света.
Интерференция света принципиально не отличается от интерференции других волн. Однако наблюдение и исследование интерференции световых волн затруднено, так как свет не является строго монохроматическим. Впервые эту проблему решил английский физик Томас Юнг.
Опыт Юнга заключался в следующем: свет падает на экран, в котором имеется узкая щель. проходя через щель, волна попадает на второй экран с двумя щелями. Каждая из этих щелей создает свою волну с одинаковыми свойствами. Эти волны могут интерферировать. Результатом интерференции является появление светлых и темных полос на третьем экране. Светлая полоса свидетельствует о том, что волны на экран пришли в одной фазе и усиливают друг друга, а темная полоса является результатом ослабления двух волн. Для усиления волн необходима одинаковая фаза. Следовательно, разность расстояний (разность хода) должна быть кратной четному числу длин полуволн.
Для ослабления волн они должны приходить в точку в противофазе. То есть для этого разность расстояний должна быть кратной нечетному числу длин полуволн.
Если интерференционной картине сопоставить график интенсивности света I, то он будет иметь вид синусоиды.
Положение максимумов и минимумов синусоиды будет зависеть от длины волны света, падающего на щель.
Как мы уже говорили ранее, белый свет полихроматический, т.е. включает спектр цветов от красного до фиолетового. Поэтому при интерференции мы наблюдаем максимумы не белого цвета, а всего спектра. Положение цветной полоски зависит от длины волны каждого света, входящего в белый.
Таким образом, не только с помощью призмы, но и с помощью интерференции можно разложить свет на спектр.
Наиболее эффективно для разложения света использовать не одну, а несколько щелей. Устройство, состоящее из многих равноотстоящих щелей, стали называть дифракционной решёткой. И чем больше щелей и чем они плотнее, тем больше эффективность дифракционной решетки как спектрального прибора. С помощью дифракционной решётки можно определить длину световой волны.
k·λ=d·sinφ,
k – номер рассматриваемого максимума
λ – длина световой волны
d – период дифракционной решётки
Следующее волновое свойство света, которое мы рассмотрим – это поляризация
Свет представляет собой электромагнитную волну, свойства которой таковы, что вектор напряженности электрического поля всегда перпендикулярен вектору индукции магнитного поля и оба этих вектора перпендикулярны скорости распространения волны.
В то же время в разных точках пространства и в разные моменты времени векторы E и B, оставаясь перпендикулярными друг другу и вектору скорости, могут изменять направления. Такой свет называется естественным.
При помощи специальных приборов, называемых поляризаторами, из такого естественно поляризованного света можно выделить волну, в которой направления векторов E и В будут оставаться неизменными. Такая волна называется линейно поляризованной.
Обычно поляризаторы представляют собой пластины, сделанные из прозрачного материала, например, из турмалина, герапатита, исландского шпата.
Через поляризатор проходят только те волны, вектор напряженности которых параллелен оси кристалла. В результате прохождения через поляризатор свет из естественного превращается в линейно-поляризованный.
Если же на пластину направить линейно-поляризованный свет, то интенсивность света на выходе будет зависеть от положения оси кристалла относительно направления вектора напряженности. В частности, если ось кристалла перпендикулярна вектору напряженности, то свет не пройдет через эту пластину.
Линейно-поляризованный свет можно получить также при помощи лазерных источников
Давайте вспомним из курса физики еще одно свойство света, которое широко используется человеком. Это явление полного внутреннего отражения.
Явление полного внутреннего отражения наблюдается, когда свет переходит из более плотной оптической среды в менее плотную.
Явление полного внутреннего отражения нашло применение в современных устройствах.
Допустим, нам нужно передать луч света на некоторое расстояние вдоль некоторого извилистого пути (подобно тому, как по проводу передается ток). Создают двойную стеклянную трубку из материалов с различной оптической плотностью.
Сердцевину делают из оптически более плотного вещества, а внешнюю трубку из вещества с меньшим показателем преломления. Подобная трубка называется оптическим световодом. Ее также называют оптическим волокном.
Оптические световоды применяются в настоящее время для передачи информации с очень высокой плотностью.
Компьютеры, к которым подключена оптоволоконная связь, работают гораздо эффективнее, чем, например, компьютеры, подключенные к сети при помощи телефонной линии.
Сегодня на уроке мы изучили волновые свойства света и рассмотрели приборы, использующие их свойства. Это дифракционная решётка, поляризатор, оптический световод.
Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:
Текст задания 1:
Используя конспект урока, найдите и выделите цветом по вертикали и горизонтали понятия.
- Огибание волнами препятствий
- С помощью этого оптического прибора можно естественный свет превратить в плоско-поляризованный
- Волновое свойство света, применяемое в дифракционных решётках
- В этом приспособлении для передачи информации используется явление полного внутреннего отражения
Правильный вариант: дифракция, поляризатор, интерференция, оптоволокно.
Текст задания 2:
Вставьте пропущенные слова.
Если налить в стакан воду и поднять её выше уровня глаз, то поверхность воды при рассмотрении её снизу кажется посеребрённой вследствие __________ __________ ___________.
Правильный вариант: полного внутреннего отражения.
Источник