ЗАКОН ПРЕЛОМЛЕНИЯ СВЕТА. Цель урока: углубить знания учащихся о преломлении света; дать объяснение явлению преломления света на основе принципа Гюйгенса; рассмотреть явление полного отражения и его применение в науке и технике. Оборудование: компьютер, мультимедийный проектор, мультимедийная презентация «Преломление света», таблицы «Преломление света», раздаточный материал. Демонстрации: явление преломления света, явление полного отражения света (с помощью оптической скамьи); явление преломления света, явление полного отражения света (с помощью стакана с водой). Ход урока. Постановка темы и цели урока. Здравствуйте, дети. Сегодня на уроке мы продолжим с вами рассматривать происходящие со светом при распространении его в пространстве явления. Эти явления мы уже рассматривали в курсе физики 9 класса. Давайте вспомним, что же это за явления? (Прямолинейное распространение света в однородной среде, отражение света от границы раздела двух сред, преломление света на границе раздела двух сред.) Правильно. На прошлом уроке мы уже рассмотрели с вами явление отражения света, а на этом уроке нам предстоит выяснить, что же происходит со светом при его переходе из одной среды в другую, каким законам подчиняется это явление и как это явление можно использовать на практике. Давайте запишем в тетрадях тему нашего урока «Преломление света». Повторение изученного материала и проверка домашнего задания. Но прежде, чем мы приступим к изучению новой темы, давайте вспомним, что же происходит при падении света на зеркальную поверхность. (На доске висит плакат «Отражение света», учащиеся рассказывают, как называются лучи, углы, формулируют закон отражения света.) Молодцы. А теперь один человек пойдёт к доске решать домашнюю задачу, три человека поработают с персональными тестами, а все остальные будут отвечать на листочках на вопросы, которые будут показываться на экране. (На экране постепенно появляются вопросы, ученики на листочках должны дать ответы на них (всего 6 вопросов). А теперь давайте проверим, как вы ответили на вопросы. Сейчас мы вместе ответим на те же вопросы, а вы обменяйтесь, пожалуйста, своими листочками и посчитайте число правильных ответов и выставьте друг другу оценки. (На экране по мере ответов постепенно появляются правильные ответы, учащиеся в листочках ставят «+», если ответ правильный, «-» – если ответ неправильный. После окончания проверки по шкале, приведённой на экране, дети друг другу выставляют оценки. Три произвольные работы учитель перепроверяет, оценки выставляет в журнал. После этого учитель собирает работы у учеников, выполняющих тест, и проверяет их по ходу урока.) Теперь давайте проверим, правильно ли решена домашняя задача. (Вместе с детьми учитель разбирает ход решения задачи, выставляется оценка ученику.) Объяснение нового материала. Итак, мы с вами вспомнили, что представляет собой такое физическое явление как отражение света. Сегодня нам с вами предстоит рассмотреть такое явление как преломление света. Для начала, давайте проведём эксперимент и посмотрим маленький видеофрагмент. (Демонстрируется эксперимент по преломлению света и видеофрагмент «Преломление света».) Свет распространяется прямолинейно только лишь в одной и той же среде, плотность которой остаётся постоянной. Такие среды называются однородными. Свет при переходе из одной однородной среды в другую однородную среду, например из воздуха в воду или из воды в воздух, на границе раздела этих сред, изменяет своё направление. Такое явление называют преломлением света. Угол β между преломлённым лучом и перпендикуляром к поверхности раздела двух сред называют углом преломления. Причина преломления лучей при переходе из одной среды в другую – неодинаковая скорость распространения света в различных средах. Если граница двух разных сред выражена в резкой форме, то при переходе света из одной среды в другую скорость света резко изменяется – уменьшается или увеличивается. В оптике принято при сравнении двух различных сред называть оптически более плотной, ту среду, в которой свет распространяется с меньшей скоростью, и, наоборот, называть менее оптически плотной ту среду, в которой свет распространяется с большей скоростью. Закон преломления света был установлен опытным путем в XVII веке. Выведем его с помощью принципа Гюйгенса. (Демонстрируется анимация. Демонстрация сопровождается комментарием учителя.) Преломление света при переходе из одной среды в другую вызвано различием в скоростях распространения света в той и другой среде. Обозначим скорость волны в первой среде через v1, а во второй через v2. Пусть на плоскую границу раздела двух сред (например, из воздуха в воду) падает плоская световая волна. Волновая поверхность АС перпендикулярна лучам А1А и В1В. Поверхности MN сначала достигнет луч А1А. Луч В1В достигнет поверхности спустя время Δt = CB/ v1 Поэтому в момент, когда вторичная волна в точке В только начнет возбуждаться, волна от точки А уже имеет вид полусферы радиусом AD = v2Δt. Волновую поверхность преломленной волны можно получить, проведя поверхность, касательную ко всем вторичным волнам во второй среде, центры которых лежат на границе раздела сред. В данном случае это плоскость BD. Она является огибающей вторичных волн. Угол падения α луча равен углу CAB в треугольнике ABC (стороны одного из этих углов перпендикулярны сторонам другого). Следовательно, CB = vlΔt = ABsinα. (1) Угол преломления β равен углу ABD треугольника ABD. Поэтому AD=v2Δt=ABsin β. (2) Разделив почленно (1) на (2), получим (3) ) где n — постоянная величина, не зависящая от угла падения. Из построения видно, что падающий луч, луч преломлённый и перпендикуляр, восставленный в точке падения, лежат в одной плоскости. Данное утверждение вместе с уравнением (3), согласно которому отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух сред, представляет собой закон преломления света. Посмотрите, пожалуйста, на экран. (Демонстрируется закон преломления света.) Постоянная величина, входящая в закон преломления света, называется относительным показателем преломления или показателем преломления второй среды относительно первой. Из принципа Гюйгенса не только следует закон преломления, но с помощью этого принципа раскрывается физический смысл показателя преломления. Он равен отношению скоростей света в средах, на границе между которыми происходит преломление: (4) Если угол преломления β меньше угла падения α, то согласно (3) скорость света во второй среде меньше, чем в первой. Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления этой среды. Он равен отношению синуса угла падения к синусу угла преломления при переходе светового луча из вакуума в данную среду. Пользуясь формулой (4), можно выразить относительный показатель преломления через абсолютные показатели преломления n1, и n2 первой и второй сред. Действительно, так как n1=c/v1 и n2=c/v2 , где с — скорость света в вакууме, то среду с меньшим абсолютным показателем преломления принято называть оптически менее плотной средой. Абсолютный показатель преломления определяется скоростью распространения света в данной среде, которая зависит от физического состояния среды, т. е. от температуры вещества, его плотности, наличия в нем упругих напряжений. Показатель преломления зависит также и от характеристик самого света. Для красного света он меньше, чем для зеленого, а для зеленого меньше, чем для фиолетового. Поэтому в таблицах значений показателей преломления для разных веществ обычно указывается, для какого света приведено данное значение n и в каком состоянии находится среда. Если таких указаний нет, то это означает, что зависимостью от указанных факторов можно пренебречь. В большинстве случаев приходится рассматривать переход света через границу воздух — твердое тело или воздух — жидкость, а не через границу вакуум — среда. Однако абсолютный показатель преломления n2 твердого или жидкого вещества отличается от показателя преломления того же вещества относительно воздуха незначительно. Так, абсолютный показатель преломления воздуха при нормальных условиях для желтого света равен приблизительно n1~ 1,000292. Следовательно, Преломление зависит от свойств граничащих сред: α>β α<β При увеличении угла падения растёт и угол преломления. ( Демонстрируем данный факт с помощью видеофрагмента и виртуальной лаборатории.) Итак, давайте сделаем в тетрадях рисунок и запишем следующие формулы: (3) ) Закрепление изученного. А теперь давайте проверим, как мы поняли явление преломления света. Для этого ответьте на следующие вопросы. 1. На каком рисунке правильно изображен ход лучей, образованных при падении луча на границу воздух – стекло. 1 2 3 2. Укажите правильное соотношение: n1 n2 n3 n4 1. n1>n2; n3>n4 4 2. n1<n2; n3>n4 3. n1>n2; n3<n4 4. n1<n2; n3<n4 3. При переходе луча в оптически более плотную среду… А. угол падения больше угла преломления Б. угол падения меньше угла преломления В. угол преломления равен 90 градусов (луч скользит вдоль границы раздела сред) 4. Возможна ли такая ситуация? Подведение итогов урока. Итак, сегодня на уроке мы с вами рассмотрели преломление света – изменение направления распространения света при переходе из одной среды в другую. Закон преломления света состоит из двух частей и звучит следующим образом: 1) Луч падающий, преломлённый и перпендикуляр, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. 2) Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред. Ну а на следующем уроке мы будем решать с вами более сложные расчётные задачи на оба эти явления. А теперь запишите домашнее задание: Домашнее задание: §§61, 62, упражнение 8(9), объяснить опыт. Приложение 1.
