kurs_optika (Введение основных понятий в оптику)

М инистерство 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).

А налогично 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.)

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)

Д ля 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, зная, что изображение находится на одном перпендикуляре к зеркалу со светящейся точкой и на таком же расстоянии от него, на каком источник S находится перед зеркалом. От точки S₁ проводят ограничивающий пучок на зеркало; продолжение его является отраженным пучком, где и находится область видения изображения.

Наконец определяется, каково направление любого третьего луча внутри светового пучка после отражения. Можно исследовать, куда движется изображение, если S перемещается вправо, влево, к зеркалу и от него.

2. Данный точечный источник света перед зеркалом и величина зрачка глаза, находящегося по ту же сторону зеркала:

а) построить пучок лучей, позволяющий наблюдателю видеть изображение источника;

б) определить всю область видения изображения.

3. Светящийся предмет находится перед зеркалом несколько в стороне от него. Построить изображение и определить область видения всего изображения.

Здесь полезно рассмотреть два случая: Когда предмет длинной стороной расположен параллельно зеркалу и под углом к его плоскости.

4. Проверить (дома) закон отражения света при помощи булавок и плоского зеркала (хорошо использовать полоску жести).

Излагаются характеристики сферических зеркал – полюс зеркала, фокус, оптический центр, дается понятие о приосевых лучах.

При геометрических построениях изображений рекомендуется:

• каждый случай построения иллюстрировать опытом;

• показать, что любой луч в пучке, падающий на зеркало, после отражения пройдет через ту точку, в которой пересекаются два луча, выбранных для построения изображения;

• указать, что лучи, идущие от любой некрайней точки предмета, пересекутся в соответствующих местах межу крайними точками изображения;

• не обрывать пучков света в местах получения изображений - их следует несколько продолжить после пересечения лучей;

• в каждом случае рисовать зрачок глаза и подчеркивать, что расходящиеся световые пучки собираются в глазу, на сетчатке которого получается изображение;

Обращается внимание учащихся на то, что построение изображений возможно не только с помощью тех двух лучей, которые указаны в учебнике на рисунках, а любых двух лучей, падающих на зеркало. Наиболее удобно это сделать, пользуясь парой лучей из следующих трех: параллельно главной оптической оси; проходящего через оптический центр зеркала (вдоль радиуса кривизны).

Далее рассматривается применение сферических зеркал в прожекторах и фарах (в автомашинах, мотоциклах, велосипедах), в зеркальных телескопах, в оториноларингологии (вогнутое зеркало с отверстием посередине) и т.п. Обращается внимание на то, что светотехнические устройства перераспределяют световой поток в пространстве, направляя его в пределах небольшого угла. Поэтому сила света в определенном направлении увеличивается.