kurs_optika (Введение основных понятий в оптику), страница 2

Преломление света. Линзы.

Преломление света.

Д ля проверки законов преломления демонстрируются два опыта: отражение и преломление (одновременно) плоских волн на поверхности жидкости (желательно стробоскопически) и отражение и преломление параллельного светового пучка на оптической шайбе. Зарисовываются наблюдаемые явления в обоих опытах. (рис 3. )

В волновой ванне преломление волн имеет место, если на её дно помещена стеклянная пластинка. С уменьшением толщины слоя жидкости скорость распространения волн уменьшается, что обуславливает преломление. Оптический опыт рекомендуется показать с одноцветным пучком света (используется светофильтр).

Аналогичные демонстрации ставятся с круговыми водяными волнами и с расходящимся пучком света.

Углы падения и преломления рекомендуется отсчитывать от нормали, восставленной к поверхности раздела двух сред; подчеркивается, что эти углы лежат в одной плоскости.

На опыте с оптической шайбой показывается следующее: при нормальном падении узкого светового пучка на плоскую поверхность полуцилиндра преломления нет; с увеличением угла падения растет и угол преломления; постоянным остается отношение не углов, а их синусов. Ниже приводится ряд измерений (таб 1.)

Дается определение показателя преломления. Для выражения его величины через отношение скоростей распространение света можно проанализировать (рис ), на котором показано преломление водяных волн. Так как BC= и ,

То и , а

Следует обратить внимание на два факта:

1.Зная скорость света в вакууме c, можно определить его скорость в среде, для которой известен показатель преломления n: .

Например, для стекла с показателем преломления 1,5:

,

а для воды, у которой n=1,33,

.

2. Согласно теории электромагнитного поля скорость распространения электромагнитных волн:

,

где с скорость распространения волн в вакууме,  и  - соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемость среды. Из этого равенства следует, что

.

Но где n – показатель преломления среды. Следовательно,

.

Для ряда газообразных и жидких диэлектриков . Поэтому

.

Это указывает на связь оптических и электромагнитных характеристик вещества.

Связь между показателем преломления и диэлектрической проницаемостью можно получить и так.

Показатель преломления среды

,

где с – скорость электромагнитных волн в вакууме, а v – скорость в данной среде. Но

и

,

где ₀ и ₀ – соответственно значения диэлектрической и магнитной проницаемости среды, а  и  - соответственно их относительные значения. Поэтому

.

Для неферромагнитных тел , значит,

.

Излагается понятие об обратимости лучей. Здесь полезно иметь в виду, что принцип обратного хода лучей справедлив в геометрическом смысле, т.е. если не учитывать потери энергии при отражении и поглощении света.

Приводится пример, что показатель преломления воды относительно воздуха n=1,33, а воздуха относительно воды

.

В демонстрационных опытах и лабораторных работах получается показатель преломления изучаемого вещества относительно воздуха. Абсолютный показатель преломления воздуха (относительно вакуума) равен 1,00029. Следовательно, n_абс=1,00029n, где n определяется из опыта.

Желательно указать учащимся, что нельзя смешивать понятия «оптически более плотная среда» и «среда с большой плотностью».

Один урок или домашнее задание посвящается практической работе по определению показателя преломления стекла или воды. Желательно вычислить его значение относительно вакуума. Место для проведения этой работы в курсе физики определяется методом измерения. Если используется плоско-параллельная пластинка, то работу следует провести после введения понятия о показателе преломления. В случае применения опыта, изображенного на рис.4, оно проводится, когда учащимся уже знакомо явление полного отражения.

И зложение вопроса о полном отражении связывается с явлением разделения энергии света на границе двух сред и с анализом зависимости интенсивности отраженного и преломленного пучка от угла его падения.

Опыт ставится с оптической шайбой, при помощи которой узкий пучок света направляется на цилиндрическую поверхность стекла. При росте угла падения света на плоскую поверхность внутри стекла интенсивность преломленного пучка (в воздухе) уменьшается, а отраженного увеличивается. При угле полного отражения интенсивность последнего возрастает скачком. Это полезно иллюстрировать при помощи рисунков, где густотой точек в пучках отмечена интенсивность света (рекомендуется рисовать только параллельный пучок света). Дается определение, что называется предельным углом полного отражения, и формула для его вычисления.

.

Применение явления полного отражения в стеклянных призмах демонстрируется также на оптической шайбе. Рассматриваются случаи поворота светового пучка на 90⁰ и 180⁰ (рис.5). Действие обращающей призмы наглядно демонстрируется на проецировании кюветы с жидкостью на экран.

Тема «преломление света» заканчивается рассмотрением хода лучей в плоско-параллельной и клинообразной пластинке (призме). Опыты со смещением лучей и получением изображений ставятся с фильтрами, чтобы исключить явление дисперсии. Демонстрируется, что в плоско-параллельной пластине выходящий пучок света параллелен падающему, а боковое смещение его зависит от угла падения и толщины пластинки (для этого надо иметь две пластинки разной толщины). Математический вывод этих з ависимостей не нужен; они могут быть получены при решении задач.

Показывается, что наименьшее отклонение падающего пучка призмой будет при его симметричном ходе относительно граней призмы, т.е. когда угол падения равен углу выхода.

Для закрепления знаний приводятся возможные упражнения, например, вычислить скорость света в глицерине, если его показатель преломления 1,47, или объяснить, почему наблюдатель видит дно реки только вблизи и не видит его участков, расположенных чуть подальше.

Линзы.

При изучении линз выясняются их оптические характеристики, назначение и принцип действия. Дается квалификация линз, приводятся их схематические изображения и условные обозначения. При этом обычно указывается, что собирающие линзы толще посредине, чем по краям, а рассеивающие – наоборот. Однако это справедливо, лишь, когда показатель преломления вещества линзы больше, чем окружающей среды. В противном случае линзы с большей толщиной посредине будут рассеивающими, а с меньшей – собирающими.

Напоминается, что диафрагма ограничивает световой пучок, идущий от источника света, вырезает лишь часть светового потока. Линза, вставленная в диафрагму (оправу), собирает или рассеивает световые пучки⁰. Это действие линз иллюстрируется двумя параллельно поставленными опытами: с плоскими волнами на поверхности жидкости и со световым параллельным пучком.

В первом опыте плоские волны на поверхности жидкости превращаются линзой в круговые. За линзой они движутся вперед вогнутостью, а затем, пройдя через область, где происходит сужение волн, - вперед выпуклостью, т.е. сначала они собираются, а затем, расходятся.

Во втором опыте показывается схождение, а затем расхождение пучка света. Аналогичные опыты ставятся с рассеивающими линзами.

Вводятся понятия об оптическом центре линзы, о главной и побочной оптической оси, переднем и заднем фокусе, фокусном расстоянии, фокальной плоскости, о действительном и мнимом фокусе. Здесь важно подчеркнуть следующее:

• положение фокуса определяется для параксиальных (приосевых) лучей и для линз с малой кривизной поверхностей;

• Световые пучки неодинаковой цветности собираются в разных точках;

• Параллельный пучок белого света собирается линзой почти в одной точке при условии сохранения параксиальности лучей;

• Переднее и заднее фокусные расстояния несимметричной линзы одинаковы;

• Луч в направлении к оптическому центру линзы смещается ею тем меньше, чем она тоньше.

Таким образам, в школе изучаются тонкие линзы и приосевые световые пучки.

При изложении понятия об оптической силе линзы полезно разъяснить следующее: оптическая сила системы сложенных вместе тонких линз равна алгебраической сумме (с соблюдением правила знаков) оптических сил этих линз; для определения оптической силы рассеивающей линзы необходимо измерить оптическую силу системы, состоящей из данной рассеивающей и собирающей линзы большей оптической силы, а затем вычесть последнюю из результата, полученного для системы линз. Это может быть проверено на практическом занятии.

Р оль линз в концентрации энергии света полезно показать на опыте, в котором приемником излучения является фотоэлемент или чувствительная термопара (рис.6). От маленького источника света 1 излучение через диафрагму 2 направляется на приемник энергии 3, который соединен с электроизмерительным прибором 4. После того как диафрагма закрывается собирающей линзой 5, показания прибора возрастают.

Затем показывается изображение светящейся точки в линзе. В качестве источника света берется лампочка, помещенная в футляре с малым круглым отверстием. Вначале экран (матовое стекло, белая плотная бумага) медленно перемещается вдоль оси светового пучка и «прощупывается», как он формируется, переходит от сходящегося в расходящийся, и в месте этого перехода обнаруживается изображение. Рассеивание света от экрана дает возможность учащимся видеть изображение точки.

Геометрические построения проводятся для трех случаев: когда точечный источник света находится в стороне от оптической оси, на самой оси и на расстоянии от оси, большем радиуса главного сечения линзы. Обращается внимание на то, как перемещается изображение, если источник света движется к оптической оси и от неё, вправо и влево; как определить область видения изображения.