Документ 4942994

Презентация к проекту «Практические
занятия по разделу физики «Оптика» в рамках
Региональной летней Школы для учителей
физики «Предметная компетентность учителя
физики в современной школе»
Работу выполнили:
Деревянных Е.А., МАОУ Лицей №1
Кукина Е.Л., МАОУ СОШ № 37
Куракова О.А., МАОУ СОШ №4
Лебедева Н.Ю., МАОУ СОШ №4
2
3
4
5
В основе геометрической оптики лежат четыре
закона:
1. Закон прямолинейности световых лучей
2. Закон независимости световых лучей
3. Закон отражения света
4. Закон преломления света
Закон независимости световых лучей: пересекаясь,
световые лучи не возмущают друг друга, а продолжают
распространяться в прежнем направлении.
Закон прямолинейности световых лучей: в однородной и
изотропной среде свет распространяется прямолинейно.
Закон отражения света:
1. Падающий луч, луч отражённый и
перпендикуляр, восстановленный в
точке падения, лежат в одной
плоскости.
2. Угол отражения равен углу падения
  
Закон преломления света:
1. Падающий и преломлённый лучи, а
также перпендикуляр к границе раздела
двух сред, восстановленный в точке
падения луча, лежат в одной плоскости.
2. Отношение синуса угла падения к
синусу угла преломления есть величина
постоянная для данных двух сред.
sin 
n
sin 
С
α
B
К
β
h
A
D
N
F
Кубический сосуд с
непрозрачными стенками
расположен так, что глаз
наблюдателя не видит его дна, но
полностью видит стенку CD. До
какой высоты h надо заполнить
сосуд водой (n = 4/3), чтобы
наблюдатель смог увидеть
предмет F, находящийся на
расстоянии b = 10 см от точки D?
Так как, согласно условию задачи,
глаз не видит дна сосуда, а сосуд
имеет форму куба, угол падения луча
зрения на поверхность жидкости
равен α = 45°. Из прямоугольного
треугольника NKF видно, что
С
α
B
К
Отсюда
β
h
A
D
N
F
Согласно закону преломления
С
α
B
К
Тогда
β
h
После подстановки получим:
A
D
N
F
Световой луч распространяется в стекле с показателем
преломления n = 1,5. На его пути встречается щель,
заполненная воздухом. Грани щели плоские и
параллельные, расстояние между гранями равно d = 3 см,
угол падения луча на грань α = 30°. На какое расстояние
сместится световой луч, вышедший из щели,
относительно продолжения падающего луча?
Из прямоугольного
треугольника ADC видно, что
боковое смещение луча
равно h = AC·sin(r - α).
Из прямоугольного
треугольника АВС выразим АС:
Согласно закону преломления
,
где n0 показатель
преломления
воздуха (n0 = 1).
,
1
2
3
4
5
Использование качественных задач способствует более
глубокому пониманию физических теорий,
формированию правильных физических представлений,
следовательно, предупреждает формализм в знаниях
учащихся.
Решение качественных задач
вызывает не только необходимость
анализировать и синтезировать
явления, т.е. логически мыслить,
но и приучает учащихся к точной,
лаконичной, литературно и технически
грамотной речи.
Почему обычные облака в
основном белые,
а грозовые тучи чёрные?
Рожь. Саврасов Алексей Кондратьевич, 1881 г.
Для любознательных: масса
1 км2 облаков составляет ≈
2 000 000 кг.
Размер водяных капель в облаке
гораздо больше молекул
воздуха, поэтому свет от них не
рассеивается, а отражается. При
этом он не разлагается на
составляющие, а остаётся
белым. Очень плотные грозовые
облака либо вообще не
пропускают свет либо отражают
его вверх.
Почему хрусталик рыбьего глаза имеет почти
сферическую форму?
Относительный показатель преломления хрусталика
рыбьего глаза, находящегося в воде невелик. Поэтому
увеличение оптической силы хрусталика достигается
большой кривизной его поверхности.
Почему в воде изображения неба, облаков,
деревьев всегда темнее, чем в действительности?
Речка в полдень. Остроухов
Илья Семёнович, 1892 г.
Световые лучи отражаются от поверхности воды не
полностью, часть их поглощается водой, или уходит
внутрь.
Радуга, представляющаяся с земли дугой, с самолёта имеет
вид радужного круга с тенью самолёта в центре. Почему?
Ответ: Оптическое явление в облаках (Гло́рия)
Наблюдается на облаках, расположенных прямо напротив
источника света. Наблюдатель должен находиться на горе
или в воздухе, а источник света (Солнце или Луна) — за его
спиной.
Представляет собой цветные кольца света на облаке
вокруг тени наблюдателя. Внутри находится голубоватое
кольцо, снаружи — красноватое, далее кольца могут
повторяться с меньшей интенсивностью. Угловой размер
намного меньше, чем у радуги — 5…20°, в зависимости от
размера капель в облаке.
Глория объясняется дифракцией света, ранее уже
отражённого в капельках облака так, что он возвращается от
облака в том же направлении, по которому падал, то есть к
наблюдателю.
Почему с моста лучше видно рыбу, плывущую в реке, чем
с низкого берега?
Рыбаки. Ю. Твердов
Ответ: Когда рыба рассматривается с моста, лучи света,
идущие от нее, проходят поверхность воды почти
перпендикулярно к ней. При этом свет отражается от
поверхности воды незначительно, и поэтому световой
поток, идущий от рыбы, сравнительно велик. Если же
рассматривать рыбу с низкого берега, то лучи, идущие от
рыбы к наблюдателю, образуют с нормалью к поверхности
большой угол и большая часть светового потока отражается
от поверхности. В глаз наблюдателя, кроме того, попадают
лучи солнца, создающие слепящий фон.
2
3
4
5
Главная оптическая ось – прямая, на которой
лежат центры сферических поверхностей,
ограничивающих линзу
О
Главная плоскость линзы – плоскость,
проходящая через центр линзы (О)
перпендикулярно главной оптической оси
Главный фокус собирающей линзы – точка на
главной оптической оси, в которой собираются лучи, падающие
параллельно главной оптической
оси, после преломления в линзе.
F
Фокусное расстояние –
расстояние от главного фокуса
до центра линзы.
Собирающие линзы – линзы,
преобразующие пучок световых лучей в
сходящийся
Рассеивающие линзы – линзы,
преобразующие пучок световых лучей в
расходящийся
Тонкая линза – линза, толщина которой
пренебрежимо мала по сравнению с
радиусами кривизны её поверхности
Формула тонкой линзы
f – расстояние от изображения до линзы.
d – расстояние предмета до линзы
F – фокусное расстояние.
1
1 1
 
F d
f
О
F
F1
Фокальная плоскость – плоскость, проходящая через
главный фокус линзы перпендикулярно главной оптической
оси.
F1 – побочный фокус линзы
D- оптическая сила линзы, величина, обратная фокусному
расстоянию.
1
D
F
F
F
F
Главный фокус рассеивающей линзы – точка на главной
оптической оси, через которую проходят продолжения
расходящегося
пучка лучей,
возникшего после A
преломления в
A1
F
линзе лучей,
О
B1
параллельных
B
главной
оптической оси.
Точечный источник света находится в фокусе
рассеивающей линзы. Постройте его
изображение.
S
O
F
F1
Дан ход луча AL после преломления в тонкой линзе
– луч LA1. Оптический центр линзы О. Построением
определите положение главных фокусов линзы.
A
F1
L
F
O
F
F1
A1
По положению предмета и его изображения
(параллельные стрелки АВ и А1В1) восстановите
положение линзы и её главных фокусов.
А
F
В
В1
О
F
А1
2
3
4
5
Собирающие линзы
4
1
3
2
F1
F1
3
4
F2
O1
O2
F
F2
2
1
Главный фокус оптической системы – это точка на
главной оптической оси, в которой собираются лучи,
падающие параллельно главной оптической оси,
после преломления их в оптической системе.
Определение фокусного расстояния
системы из двух собирающих линз
M
B
1
K
F1
F1
O1
F2
l
F2
F1
F
O2
F2
F2 '
F
F2
F1
N
Рассчитаем угол отклонения луча δ от
первоначального расстояния
B
1
δ₁
K
δ₁
δ₂
δ
F1
F2
O1
O2
F
δ₁
F1
δ F2
F2 '
1
Результирующий угол отклонения δ луча 1 оптической
системой складывается из углов отклонения δ₁ и δ₂ каждой
линзой в отдельности:
δ = δ₁ + δ₂
Формула тонкой линзы для системы
линз
Для тонких линз углы отклонения δ, δ1, δ2 малы, поэтому можно
считать, что
tg δ₁ ≈ δ₁;
tg δ ≈ δ;
tg δ₂ ≈ δ₂.
Тогда фокусное расстояние:
1
𝐹
=
1
𝐹1 −l
+
1
𝐹2
Изменение расстояния l между линзами позволяет изменять
фокусное расстояние F оптической системы.
Формула тонкой линзы для системы
двух собирающих линз
Если линзы располагаются вплотную друг к другу (l = 0)
1
𝐹
=
1
𝐹1
+
1
𝐹2
Оптическая сила системы близко расположенных линз равна
сумме оптических сил линз этой системы.
D = D1 + D2
Вывод: Оптическая сила системы обладает меньшим
фокусным расстоянием, чем каждая из линз в
отдельности.
Определение фокусного расстояния
системы из рассеивающей и
собирающей линз
M
K
B
1
F2 '
2
F
2
O1
O2
1
l
F2
F1
F2
N
F1
F
Формула тонкой линзы для системы
собирающей и рассеивающей линз
Для рассеивающей линзы F₁< 0, формула фокусного
расстояния :
1
𝐹
=
1
𝐹1 −l
+
1
𝐹2
Для близко расположенных линз (l = 0, или l << |F₁|)
оптическая сила равна сумме оптических сил линз системы:
D = ─│D1 │ + D2
Для рассеивающей линзы оптическая сила
отрицательна т.е. D1= -|D1|
Задача 1
На собирающую линзу с фокусным
расстоянием F вдоль ее главной оптической оси
падает параллельный пучок света. На
расстоянии L от линзы (L>F) перпендикулярно ее
оптической оси расположен экран. На каком
расстоянии x от линзы между ней и экраном нужно
поместить вторую такую же линзу, чтобы диаметр
пятна на экране стал равен первоначальному
диаметру падающего пучка? Найти численное
значение x для F=10 см и L=15 см.
http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/7292c97e-b227-11dc-b0c885ba603f7ccb/p2281.html
Задача 1
РЕШЕНИЕ
А
O
F
F1
O₁
x
L
A₁
1. Ход одного из крайних лучей, ограничивающих пучок,
изображен на рисунке. Видно, что диаметр пятна на
экране будет равен первоначальному диаметру
падающего пучка, если OA=F₁A₁.
2. Треугольник AOF равен треугольнику O₁F₁A₁ и длина
отрезка O₁F₁ совпадает с фокусным расстоянием линзы.
3. Вторую линзу нужно поместить так, чтобы экран
находился в ее фокальной плоскости. x = L – F = 5 см.
Задача 2
Оптическая система состоит из двух собирающих линз
1 и 2 с фокусными расстояниями F₁ = 10 см и F₂ = 5 см,
находящихся на расстоянии L = 35 см друг от друга.
Предмет находиться на расстоянии d₁ = 25 см от
первой линзы. Определить, где находиться
изображение, полученное с помощью такой системы.
Чему равно увеличение, даваемое такой системой?
http://diplomivanov.narod.ru/resheniya/optisystemms_1.html
Задача 2
РЕШЕНИЕ
А
F1
B
2F1
B₁
F1
d1
2F2
f1
А₂
F2
F2 B₂
А₁
d₂
l
f₂
Задача 2
РЕШЕНИЕ
1. Из формулы линзы находим:
f₁ = F₁d₁/(d₁ - F₁) = 16,33 см.
2. Увеличение, даваемое линзой:
k₁ = f₁/d₁ = 0,66 или A₁B₁ = 0,66 см.
3. Из рисунка: d₂ = L - f₁ = 18,33 см.
4. Согласно формуле линзы: f₂ = F₂d₂/(d₂ - F₂) = 6,875 см,
значит: k₂ = f₂/d₂ = 0,375, т.е. A₂B₂ = 0,375 A₁B₁ = 0,25 AB.
Иными словами, увеличение системы
k = A₂B₂/AB = k₁k₂ = 0,25.
Задача 3
На собирающую линзу с фокусным расстоянием F1 = 40
см падает параллельный пучок лучей. Где следует
поместить рассеивающую линзу с фокусным
расстоянием F2 = 15 см, чтобы пучок лучей после
прохождения двух линз остался параллельным?
http://ido.tsu.ru/schools/physmat/data/res/optika/pract/text/pr_6.htm
Задача 3
РЕШЕНИЕ
E
A
P
K
B
D
F1
N
C1
F2
C2
F2
P
d
F2
F1
N
РЕШЕНИЕ
Задача 3
1. По условию пучок падающих лучей ЕА параллелен главной
оптической оси NN, после преломления в линзах он должен
таковым и остаться. Это возможно, если рассеивающая линза
расположена так, чтобы задние фокусы линз F1 и F2 совпали.
2. Тогда продолжение луча АВ, падающего на рассеивающую
линзу, проходит через ее фокус F2, и по правилу построения в
рассеивающей линзе преломленный луч BD будет параллелен
главной оптической оси NN, следовательно, параллелен
лучу ЕА.
3. Из рисунка видно, что рассеивающую линзу следует
поместить на расстоянии d=F1-F2=(40-15)(см)=25 см от
собирающей линзы.
Задача 4
Рассеивающая и собирающая линзы с фокусным
расстоянием F1=10 см, и F2=15см расположены на
расстоянии L=30 см друг от друга. На каком
расстоянии r от источника света S находится
изображение, даваемое этой системой линз, если
расстояние от источника света Sдо рассевающей
линзы d1=12 см?
Задача 4
РЕШЕНИЕ
F2 '
F1
F2
F2
F1
F1 '
f1
d1
f2
L
r
Задача 4
РЕШЕНИЕ
1. Из рисунка видно, что r = d₁ + L +f₂.
2. Согласно формуле линзы:
1
1
1
1
1
+ = ⇒ = 𝑑₂
𝑓₂
𝐹₂
𝑓₂
𝐹₂
1
𝑑₂
=
𝑑₂−𝐹₂
𝐹₂𝑑₂
𝐹₂𝑑₂
⇒ f₂ = 𝑑₂−𝐹₂
3. Из рисунка: d₂ = f₁ + L
4. Согласно формуле линзы:
1 1
1
1
1
1
𝑑₁+𝐹₁
- =- ⇒ = + =
⇒ f₁ =
𝑑₁
𝑓₁
𝐹₁
𝑓₁
𝐹₁
𝑑₁
𝐹₁𝑑₁
𝐹₁𝑑₁
𝑑₁+𝐹₁
5. Подставим в формулы значения физических величин и
получим f₁≈ 5,45см ; f₂ ≈ 26см ; d₂≈ 35,45см ;
r ≈ 68 см.
1
2
3
4
5
Некоторые задачи на перемещение линз или
предметов решаются быстро и просто, если применить
графический метод, при котором строится график
зависимости увеличения от расстояния до линзы Г(d).
Для получения зависимости воспользуемся формулой
тонкой линзы и формулой увеличения.
1. Расстояние от линзы до
предмета меньше
фокусного
F
Г
F -d
Графиком этой функции является часть
гиперболы. Причем, при d = 0 Г = 1.
2. Расстояние от линзы до
предмета больше
фокусного
F
Г
d-F
Графиком этой функции является часть
гиперболы. Причем, при d = 2F Г = 1.
Дает всегда мнимое,
уменьшенное и прямое
изображение.
F
Г
F d
Графиком этой функции является
гипербола. Причем при d = 0 Г = 1
Тонкая линза создает изображение предмета,
расположенного перпендикулярно главной оптической
оси, с некоторым увеличением. Если расстояние от
предмета до линзы увеличить вдвое, то получается
перевернутое изображение предмета с увеличением,
вдвое большим первоначального увеличения. С каким
увеличением изображался предмет вначале?
Из графика можно сделать
вывод, что первоначально
изображение было прямое
и мнимое, а после
перемещения предмета –
действительное и обратное.
Тонкую линзу, создающую действительное
изображение предмета, передвинули на расстояние,
равное 0,5 F. При этом получилось мнимое
изображение того же размера. Найти величину
поперечного увеличения.
Построим график
зависимости Г(d)
Воспользуемся условием задачи и формулами
зависимости Г(d) в каждом случае:













Касьянов В.А. Физика. 11 кл.: Учебн. для общеобразоват. учреждений. - 2-е изд.,
дополн. - М.: Дрофа, 2004. - С. 281-306.
Элементарный учебник физики /Под ред акад. Г.С. Ландсберга. - Т. 3. - М.: Физматлит,
2000 и предшествующие издания.
Бутиков Е.И., Кондратьев А.С. Физика. Т. 2. Электродинамика. Оптика. - М.: Физматлит:
Лаборатория базовых знаний; СПб.: Невский диалект, 2001. - С. 308-334.
Белолипецкий С.Н., Еркович О.С., Казаковцева В.А. и др. Задачник по физике. - М.:
Физматлит, 2005. - С. 215-237.
Буховцев Б.Б., Кривченков В.Д., Мякишев Г.Я., Сараева И.М. Задачи по элементарной
физике. - М.: Физматлит, 2000 и предшествующие издания.
Справочник по физике. Оптика, геометрическая оптика, построение изображений в
линзах. http://www.abitura.com/handbook/optic4.html
http://www.nsmu.ru/student/faculty/department/physics/linzi.pdf
Изображения в линзах http://physbook.ru/index.php/A._Изображения_в_линзах
Геометрическая оптика. Тонкие линзы.
http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/chapter3/section/paragraph3/theory.ht
ml#.VYgb4EzwZ0w
Методическая кладовая http://ratichi.hut.ru/smp49.htm
Практическое занятие 6. Решение задач по теме "Линзы. Построение изображений в
тонкой линзе. Формула линзы".
http://ido.tsu.ru/schools/physmat/data/res/optika/pract/text/pr_6.htm
http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/7292c97e-b227-11dc-b0c885ba603f7ccb/p2281.html
http://diplomivanov.narod.ru/resheniya/optisystemms_1.html













Лукашик В.И. Физическая олимпиада. Москва: издательство «Просвещение», 1987
Тарасов Л.В. Физика в природе. Москва: издательство «Просвещение», 1988
Перельман Я.И. Знаете ли вы физику? Домодедово: издательство «ВАП», 1994
Золотов В.А. Вопросы и задачи по физике 6-7 класс. Москва: издательство
«Просвещение», 1971
Тульчинский М.Е. Качественные задачи по физике. Москва: издательство
«Просвещение», 1972
Кириллова И.Г. Книга для чтения по физике 6-7 класс. Москва: издательство
«Просвещение», 1978
http://ido.tsu.ru/schools/physmat/data/res/optika/pract/text/pr_6.htm
http://ido.tsu.ru/schools/physmat/data/res/optika/pract/text/pr_6.htm
Яковлев И. В., Материалы по физике http://mathus.ru/phys/rays.pdf
http://diplomivanov.narod.ru/alltasks.html
fizportal.ru/geomoptics
mosphys.olimpiada.ru
fizolimpiada.ru
physolymp.spb.ru