Методика вивчення основних понять.

Формування початкових уявлень про світло рекомендується почати із бесіди. Учні повинні знати, для чого вони приступають до вивчення даного розділу. Мета вивчення оптики як науки – дослідження системи явищ світла і його природи.

Оптика має велике значення в науці, техніці, сільському господарстві, житті людини.

Що спонукало фізиків займатися дослідженням світлових явищ?

«Світло – необхідна умова для роботи ока, найбільш тонкого, універсального і могутнього органу почуттів. Ніч позбавляє людину цього органу, перетворюючи життя з активного в пасивне» (академік Вавілов).

Варто вказати, що необхідність вивчення явищ світла виникла із прагнення підсилити природну гостроту зору й, зокрема, виправити дефекти зору. Екскурс в історію приводить до з’ясування другої цільової настанови – вивчення оптики необхідне для конструювання й виготовлення оптичних приладів. Необхідно з’ясувати призначення оптичних приладів, вже відомих учням (мікроскоп, телескоп, фотоапарат, проекційний апарат). Зрозуміло, що зазначені прилади при цьому повинні бути на демонстраційному столі.

Значення світла з’ясовують на прикладах, в результаті чого приходять до висновків про те, що:

1. Світло дає можливість людям і тваринам бачити предмети й орієнтуватися в просторі.

2. Сонячне світло створює на Землі температурні умови, необхідні для життя.

3. У рослинах, завдяки поглинанню світла акумулюється енергія випромінювання Сонця у вигляді хімічної енергії.

Що світло є одним із видів енергії демонструють за допомогою напівпровідникового фотоелемента, приєднаного до чутливого гальванометра (ЕМ1032).

Наступним питанням є питання про джерела світла. Розповідають про теплові, джерела холодного світла, що вони є природні і штучні. Варто познайомити учнів із швидкістю світла, щоб у учнів не виникало враження, що світло поширюється миттєво. Зупиняються на питанні про час, протягом якого доходить до нас світло від різних небесних тіл. Складають таблицю, в якій вказують відстані до небесних тіл у світлових роках:

Сонце – 8,5 хв. (150 000 000 км.)

Місяць – 1,25 с. (384 000 км.)

Меркурій, Юпітер – 4,3 року (40 000 000 000 000 км.)

Полярна зірка – 46,5 року.

Отже, людина бачить зірки такими, якими кожна з них була за те число років, протягом якого світло поширювалось від них до спостерігача.

Прямолінійне поширення світла. Спочатку пригадують, що вже бачили, як пучки сонячного світа проникають через розриви у хмарах, або проходять скрізь щілину у шторах. Ці спостереження повинні стати основою для введення понять: «пучок світла», «світна точка», «світловий промінь», «точкове джерело світла». Необхідно розрізняти поняття реального пучка світла, тобто власне світлового пучка і його найпростішого ідеалізованого уявлення – гомоцентричного пучка світла. У реальному пучку промені «переплутані», а в ідеалізованому (гомоцентричному) вони виходять з одного центру. Потім переходять до введення поняття «світна точка» - це уявне джерело світла, яке не має розмірів і випромінює світло рівномірно в усіх напрямках. Далі вказують, що, будь-яка пряма лінія, початком якої служить світна точка, називається променем світла. Промінь вказує на один із нескінченої безлічі можливих напрямків поширення світла. Світловий промінь – це теж ідеалізація, яка необхідна для геометричної побудови на дошці, в зошити і ін.

Прямолінійне поширення світла вивчають за допомогою до­слідів, на експериментальній основі.

а) Увімкнену електричну лампочку накривають коробкою з тонкого картону й гострим предметом (шилом, цвяхом) проколюють у різних місцях стінок коробки отвори. За положенням «зайчиків» на стелі й на стінах щодо отворів коробки й лампочки робиться висновок про прямолінійність поширення випромінювання світла

б) Перед лампочкою ставлять два-три екрани 1, 2, 3 з отворами (d = = 1-1,5 см) так, щоб на просвітному екрані Е була видна пляма світла (рис. 1). Домігшись цього, протягують через отвори нитку й, туго натягнувши її між лампочкою й плямою, демонструють прямолінійність поширення світла.

в) На дошці-екрані УПГО розташовують освітлювач. Спостерігають різкі межі сформованого освітлювачем пучка світла. До межі пучка прикладають лінійку або уздовж межі натягують нитку й візуально переконуються у прямолінійності поширення світла.

Запропонований дослід стає ще більш ефектним і переконливим, якщо на виході освітлювача розташувати багатощільову діафрагму. Спостережувана на екрані картина однозначно свідчить про прямолінійність поширення світла.

Після виконання запропонованої серії дослідів робиться висновок про те, щосвітло від джерела світла в однорідному середовищі поширюється прямолінійно й в усі боки.

Далі пояснюють утворення тіні і напівтіні та показують, що критерієм істинності отриманих знань є перевірка їх на практиці, у житті. Пояснюють сутність місячних і сонячних затемнень.

Відбивання світла. Вивчення цієї теми починають з демонстрації досліду:

Рис. 2. До вивчення закону відбиван­ня світла

Для уточнення понять «кут падіння» та «кут відбивання» треба запропонувати визначити їх у випадках:

Рис. 3.

Графічну побудову зображення світної точки в плоскому дзеркалі можна здійснити двома способами.

Перший спосіб. Оскільки точка задається перетином двох прямих, то досить узяти будь-які два промені, що виходять із розглянутої : точки S, і спрямувати їх довільним чином на плоске дзеркало. Потім і відповідно до закону відбивання побудувати відбиті дзеркалом про­мені. Продовживши відбиті промені за лінію дзеркала, одержуємо точку їхнього перетину, уявне зображення світної точки S.

Другий спосіб. Будуємо точку, симетричну точці S щодо площини дзеркала. Побудована точка і є шукане уявне зображення.

Другий спосіб, що опирається на наслідок із закону відбивання світла, набагато економічніший за перший. Тому треба орієнтувати учнів на усвідомлене застосування саме цього способу.

Знаючи, як будується зображення точки в дзеркалі, досить просто побудувати зображення якого-небудь протяжного предмета, уявивши останній у вигляді сукупності точок, що світяться власним або відбитим світлом.

Рисунки при вивченні закону відбивання світла

Рис. 4.

Заломлення світла на межі поділу двох середовищ. Починають вивчення цього явища з демонстрації досліду з шайбою Гартля.

Щоб розібратися в суті явища, ставлять серію дослідів:

1. Вузький пучок світла спрямовують у центр плоскої поверхні пів циліндра. На межі поділу «повітря-скло» спостерігають зміну напрямку пучка світла.

2. Спрямовують пучок на циліндричну поверхню півциліндра за радіусом. Простежують напрямок поширення світла в плексигласі й після виходу з нього, тобто в повітрі. Фіксують зміну напрямку світла на межі «скло-повітря».

Означення: Зміна напрямку поширення світла при його проходженні через межу поділу двох середовищ називається заломлення світла.

Повторюють перший дослід, змінюючи кут падіння пучка світла. Роблять висновки:

а) кут заломлення світла тим більший, чим більший кут падіння;

б) при переході світла із повітря в скло кут заломлення менший від кута падіння.

Повторюють другий дослід. Роблять висновок:

а) при переході світла зі скла в повітря кут заломлення більший від кута падіння.

Помилки фізичного характеру в рисунках, пов’язаних з вивченням заломлення світла, є одними з найпоширеніших. Щоб уникнути їх, треба при побудові ходу променів не забувати, з якого саме середовища, більш-менш оптично щільного, іде світло і відповідно до цього будувати кути заломлення меншими або більшими за кути падіння. Межу двох середовищ зображують якнайтоншою прямою лінією; одне із середовищ, частіше оптично більш густе, показують нанесенням горизонтальних штрихів (по­дібно зображенню води); перпендикуляр необхідно зображувати пунктирною лінією (рис. 5)

Рис. 5.

Удома пропонується розв’язати такі завдання.

На одному березі невели­кої водойми стоїть дерево, а на іншому—людина. Зна­йдіть побудовою положен­ня точки на поверхні води, у якій відбивається про­мінь світла, що потрапляє в око людини від вершини дерева (див. рисунок).

Рис. 6

Проходження світла через призму розглядають як пізнавальну задачу на основі вже відомих законів заломлення. Особливу увагу звертають на правильність побудови ходу променів.

Якщо дивитися крізь скляну призму АВС, розташувавши око в області вихідного із призми світлового пучка, то джерело світла S буде здаватися зміщеним у положення S`. Зображення S` - уявне зображення джерела S.

Лінзи. Лінзи – прозорі тіла, обмежені з двох сторін сферичними поверхнями. Лінзи є двоопуклі, плоскоопуклі, ввігнутоопуклі, двоввігнуті, плосковвігнуті, опукловвігнуті.

При вивченні лінз з`ясовуються їх оптичні характеристики, призначення і принцип дії. Уводяться поняття про оптичний центр лінз, про головну й побічну осі, передній і задній фокуси, фокусну відстань, фокальну площину, про дійсний і уявний фокуси. Методика їхнього формування загальновідома.

Дисперсія світла. Спектральний склад світла. На початку уроку варто з’ясувати чи доводилося учням спостерігати, як при освітленні деяких предметів сонячним, тобто білим, світлом виходить кольорове забарвлення (наприклад, мильної бульбашки).

Учні до цього прикладу, як правило, додають і інші випадки, наприклад кольорове фарбування, нафтової плями на поверхні води, кольорові пучки, що йдуть від грані дзеркала, нарешті, веселка й т. д.

Чим пояснюється різне забарвлення тіл і кольори веселки при освітленні білим світлом? Щоб зрозуміти виникнення природних кольорів і штучних фарб, треба познайомитися зі складом білого світла й властивостями його складових частин.

Склад білого світла й властивості його складових частин. Наводиться невелика історична довідка про дослід Ньютона в 1666 р. Ньютон довів, що сонячне світло складне і що показник заломлення світла залежить від його кольору (демонструється основ­ний дослід: розкладання білого світла, пропущеного через вузьку щілину, за допомогою призми).

Умовою одержання гарного спектра є рівність відстаней від при­зми до першого екрана, на який проектувалася щілина без призми, і від призми до другого екрана, на який проектується спектр.

Додатково використовується прилад — збиральна лінза для про­ектування освітленої щілини на екран. Екран варто розташувати на такій відстані, щоб на ньому вийшло зображення щілини — цим досягається виразність зображення. (У розпорядженні експеримен­татора повинен бути другий рухливий екран.)

Установка для демонстрації явища збирається безпосередньо на уроці перед учнями. Схема установки креслиться на дошці з поясненням призначення окремих її частин.

Примітка. При демонструванні звертається увага учнів на те, що призма встановлюється своїм ребром заломлення паралельно щілині.

Демонстрація виконується в кілька етапів. Спочатку учні спо­стерігають на екрані отримане за допомогою лінзи зображення щі­лини (призми на шляху світла ще немає). Потім на шляху пучка розміщують призму. Учні встановлюють, що замість світлого зображення щілини на екрані одержано послідовний ряд її кольорових зображень.

Сукупність кольорових зображень освітленої білим світлом щі­лини називається спектром.

Спектр складається з багатьох кольорових смуг, кольори яких послідовно й непомітно переходять один в одний.

Основні кольори були зазначені ще Ньютоном, а саме: червоний, жовтогарячий, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий.

Деякі із проміжних кольорів мають складні назви: жовто-зеле­ний, зелено-блакитний тощо.

Учні встановлюють, які пучки найменше відхилилися від початкового напрямку і які найбільше. Учитель відзначає, що різне відхилення від початкового напрямку є ознакою різного заломлення кольорових пучків, що збільшується від червоних кольорів до фіолетового. Учні разом з учителем установлюють: біле світло складається з багатьох кольорових пучків, що мають різну заломлюваність.

Розкладання білого світла на кольори називається дисперсією світла. На підставі результатів виконаних дослідів робиться висновок про те, що пучок білого світла є складним і що він складається із семи основних кольорів, що є простими – однорідними.

У вакуумі світло будь-якої кольоровості поширюються з однаковою швидкістю, що дорівнює 300000 км/с.

Примітка. Необхідно звернути увагу учнів, що розкладання білого світла на кольорові пучки відбувається вже на першій грані призми при переході світла з повітря в скло й що на другій грані при переході світла зі скла в повітря кут розхилу кольорових пучків світла збільшується внаслідок вторинного заломлення.

Синтез білого світла. Висновок про склад білого світла може одержати подальше підтвердження, якщо спробувати скласти із всіх спектральних кольорових пучків біле світло. Інакше кажучи, порівняння двох протилежних процесів — аналізу й синтезу — становить повне доведення складності складу білого незабарвленого пучка світла.

1-й варіант досліду: на шляху спектральних променів ставиться циліндрична лінза, утворювальні якої — паралельні щілині, і пересувається доти, поки на екрані не вийде біла смуга.

2-й варіант досліду: на шляху спектральних променів ставиться сферична збиральна лінза.

3-й варіант досліду: на відцентровій машині у швидке обертання (більше 10 об/с) приводиться диск з нанесеними на нього кольоровими секторами, так званий диск Ньютона.

Висновок з досліду: при накладанні всіх спектральних пучків отримують біле світло.

Складання білого світла із всіх кольорових спектральних пучків називається синтезом білого світла.

Синтез білого світла зробив уперше Ньютон в 1667 р.