Введение основных понятий в оптику
Министерство Образования Российской Федерации
Оренбургский Государственный Педагогический Университет
Факультет: Физико-математический
Кафедра методики преподавания физики
Курсовая работа
По физике
На тему: Введение основных понятий в оптику
Составитель: студент Физико-математического факультета 41 группы
Дедловский Сергей
Сергеевич
Научный руководитель: Суербаев Ахмед Хамитович
Оренбург 2002 г.
Введение
Учение о свете является одним из самых важных в современной физике. Оно
основывается на волновых и квантовых представлениях. Технические приложения
оптики огромны. Оптические методы широко внедряются в научные исследования
и в технику (при измерениях размеров тел, в спектральном и люминисцентном
анализе, исследованиях упругих свойств материалов и т.п.). Законы оптики
широко применяются в оптотехнике, связанной с получением изображений в
оптических инструментах, светотехнике, занимающейся освещением и
источниками света, и в фототехнике, в которой используются квантовые
свойства света.
Несмотря на такое огромное значение оптики и её технических приложений,
содержание этого важного раздела курса физики средней школы не отражает в
должной мере её успехи. Даже так называемые традиционные вопросы курса
геометрической (или лучевой) оптики в практике преподавания часто не
получают правильного истолкования. Речь идет не о дополнении курса физики
подробностями, не имеющими принципиального характера, а о физическом
истолковании понятий и законов оптики. Во многих случаях в памяти учеников
остаются знания о свете, к сожалению, только как о лучах и светящихся
точках. Между тем, как известно, последние являются абстракциями, так же
как, например, абсолютно твердое тело, точечный электрический заряди т.п.
Поэтому учащиеся пытаются применить абстрактное понятие о световых лучах
как геометрических линиях и понятиях о светящихся точках как математических
точках к тем областям оптических явлений, где эти понятия теряют свой
смысл.
При изложении геометрической оптики в курсе физики средней школы часто не
используются закон сохранения и превращения энергии, понятия об управлении
световым потоком с помощью зеркал и линз, о световых пучках, с которыми
только и проводятся эксперименты в школе; не рассматриваются роль диафрагм
в получении изображений, глаза в их формировании; изображения не доводятся
до сетчатки глаза, т.е. глаз не рассматривается совместно с оптической
системой, например микроскопом и телескопом. Поэтому такое важное понятие,
как мнимое изображение, не разъясняется с достаточной полнотой. Обычно не
обращается внимание также на область видения изображений, поле зрения.
Программа по физике для средней школы содержит достаточный объем знаний по
оптике. В неё входят также некоторые вопросы физической оптики –
интерференция и дифракция света, фотоэффект, химическое действие света и их
различные применения (автоматика и фотография), излучение и поглощение
света атомами и др. Таким образом, по оптике объем сведений в программе
достаточный. Однако в значительном усовершенствовании нуждается методика её
изложения, в том числе геометрической её части (лучевой оптики). Необходимо
формировать правильное понимание учащимися соотношения между волновой и
геометрической оптикой, разъяснить пределы применимости последней.
Пренебрежение же волновыми свойствами света приводит к тому, что остаётся
невыясненным, почему существует предел увеличения оптических инструментов.
Обычно оптику разделяют на геометрическую и физическую. Геометрическая
оптика, являющаяся теоретической основой оптотехники, базируется на четырех
законах: прямолинейного распространения света в однородной среде;
независимости световых пучков друг от друга; отражения и преломления света.
Геометрическая оптика не объясняет природы оптических явлений, а
основывается на геометрических представлениях. Перечисленные выше законы
относятся лишь к направлению распространения света, следовательно, имеют
скорее геометрический смысл, чем физический смысл.
Методика изучения темы «отражение и преломление света»
Отражения света. Зеркала.
Во введении к данной теме подчеркивается, что на границе раздела двух сред
происходит отражение и преломление света. При разделении светового потока
соблюдается закон сохранения энергии.
Указывается также, что при зеркальном отражении неровности отражающей
поверхности должны быть значительно меньше 1мк. Такого же порядка
неоднородности могут быть в немутной преломляющей среде.
Разделение светового потока на отраженный и преломленный демонстрируется с
помощью таких опытов:
1.Используется аквариум с флюоресцирующей жидкостью. Параллельный пучок
лучей от проекционного фонаря направляется на экран (металлическое или
стеклянное зеркало), поставленный под углом к световому потоку. Последний
отражается также под углом на поверхность воды в аквариуме. Преломленный
пучок света ясно виден во флюоресцирующей жидкости. Отраженный пучок можно
принять на белый экран или увидеть в задымленном воздухе.
2. На оптической шайбе устанавливается стеклянный полуцилиндр. От
осветителя узкий пучок света направляется на плоскую поверхность цилиндра.
В последнем виден пучок преломленного света, а на белом диске шайбы –
отраженный пучок. При изменении угла падения пучка можно видеть изменение
яркости преломленного и отраженного пучка – яркость одного увеличивается, а
другого уменьшается.
Для проверки закона отражения ставятся параллельно два опыта – с волнами на
поверхности жидкости (желательно со стробоскопом) и с оптической шайбой.
Пальцем ударяют по линейному вибратору. Всплеск доходит до экрана
(металлического бруска), поставленного один раз перпендикулярно линии
распространения волны, а другой раз – под углом к ней. Наблюдается, в
каком направлении распространяется волна. Затем рассматривается непрерывная
картина распространения и отражения плоских волн. Обращается внимание на
угол падения и отражения лучей. Дается рисунок наблюдаемой картины. Нормали
к фронту волны вычерчиваются цветным мелком.
В опыте с оптической шайбой узкий пучок света направляется на плоское
зеркало вначале перпендикулярно ему, а затем под все увеличивающемся углом
и измеряются углы падения и отражения.
Обращается внимание на то, что в опыте с водяными волнами изменяется
направление нормали к фронту волны (рис. 1, а), а в оптическом опыте –
направление осевого луча в световом пучке (рис. 2, а).
Аналогично рассматривается отражение круговых водяных волн и расходящихся
пучков. Угол между линиями, ограничивающими световой пучок, не изменяется.
Чтобы учащиеся правильно отсчитывали углы падения и отражения света, можно
рекомендовать вести отсчет этих углов всегда от перпендикуляра,
восстановленного в точке падения луча. При формулировке закона отражения
надо подчеркнуть не только равенство этих углов, но и то, что они лежат в
одной плоскости.
Сравнивается характер зеркального и диффузного отражения. В числе
иллюстрирующих примеров можно показать использование зеркального
гальванометра (ставится опыт с отклонением светового пятна на шкале при
нагревании термопары рукой).
При наличии достаточного времени желательно ознакомить учащихся с
отражательной способностью некоторых материалов – с понятием, весьма важным
в светотехнике (таб 1.)
|материал |Коэффициенты отражения |
|Полированное серебро |0,88 – 0,93 |
|Посеребренное стеклянное |0,7 – 0,85 |
|зеркало | |
|Полированный хром |0,6 – 0,7 |
|Белая жесть |0,69 |
|Полированный никель |0,55 – 0,63 |
В этом месте курса возможны упражнения следующего содержания:
1. Узкий пучок света образует с плоскостью зеркала угол в 300. Какой будет
угол между падающим и отраженным пучком?
2. Под каким углом к параллельному пучку света надо поставить зеркало,
чтобы этот пучок пучок повернуть на 900?
3. Показать построением с помощью транспортира, что при отражении от
плоского зеркала вид пучка света не изменяется. Рассмотреть два случая –
параллельный и расходящийся световой пучок.
4. Узкий пучок света падает на плоское зеркало под углом. На какой угол
сместится отраженный пучок света, если зеркало повернуть на 150?
Зеркала.
Получение изображений (светящейся точки и протяженного предмета) в плоском
зеркале рассматривается на опыте и при помощи геометрических построений.
Для опыта лучше взять оконное стекло, а не обычное зеркало.
Обращается внимание на следующее:
Из расходящегося пучка света берутся лишь два крайних луча, ограничивающих
пучок и падающих на зеркало;
Все лучи после отражения пересекаются при обратном их продолжении в одной
точке (мнимое изображение). Полезно построить два из них на чертеже;
изображение предмета будет симметричным относительно зеркала, прямое равное
и мнимое; глаз обладает свойством воспринимать расходящиеся пучки света, в
результате чего человек видит предмет, хотя его изображение мнимое( в
дальнейшем, после изучения свойства глаза, рисунок, иллюстрирующий
получение изображения в плоском зеркале, можно дополнить построением
действительного изображения предмета на сетчатке).
Какова область видения изображения (рис.1 и 2)
Для пояснения последнего вопроса можно повернуть плоское зеркало так, чтобы
изображение, например, свечи увидела только одна половина класса, а после
поворота вокруг вертикальной оси – другая половина.
Разъясняются различные применения плоских зеркал в технике.
Рекомендуются следующие упражнения:
1.Перед плоским зеркалом, несколько в стороне от него находится точечный
источник света S. Определить где находится его изображение и область
видения.
Эту задачу можно решить двояко. Первый путь – построить световой пучок,
падающий на зеркало, и, пользуясь законом отражения, найти изображение
точки и область его видения. Другой путь – нанести на чертеже точку S1,
