Odbicie światła od zwierciadeł
Scenariusz lekcji: Odbicie światła od zwierciadeł
1. Cele lekcji
a) Wiadomości
Uczeń:
wie, co to jest promień świetlny,
wie, co to są punktowe i rozciągłe źródła światła,
wie, co to jest cień i półcień,
wie, jak zmienia się cień i półcień, w zależności od źródła światła i odległości przedmiotu od niego,
zna prawo odbicia światła,
wie, co to jest rozproszenie światła,
wie, co to jest peryskop,
wie, co to są obrazy pozorne i rzeczywiste, otrzymane przy pomocy zwierciadeł wklęsłych i wypukłych.
b) Umiejętności
Uczeń potrafi:
narysować i uzasadnić powstawanie cienia i półcienia przedmiotu,
narysować bieg promienia padającego, odbitego i załamanego na granicy ośrodków,
wskazać zjawiska odbicia światła w otoczeniu i ich wykorzystania w przyrządach optycznych (peryskop),
wykorzystać prostoliniowy bieg promieni i zjawisko odbicia do konstruowania obrazów w zwierciadle płaskim, wklęsłym i wypukłym,
wskazać zastosowanie zwierciadeł płaskich i sferycznych,
przewidywać powiększenie obrazu w zależności od położenia przedmiotu względem ogniska.
2. Metoda i forma pracy
Wykład wprowadzający, pokaz, dyskusja.
3. Środki dydaktyczne
Wskaźnik laserowy, naczynie szklane, kadzidełka, szyba szklana, zwierciadło płaskie, wklęsłe, wypukłe, ekran, lampa, folia aluminiowa, peryskop, szklanka z wodą, świeczka.
4. Przebieg lekcji
a) Faza przygotowawcza
Przypominamy uczniom, że w ośrodkach jednorodnych światło rozchodzi się po liniach prostych. Co się stanie, gdy światło natrafi na przeszkodę lub odbije się od powierzchni zwierciadeł?
b) Faza realizacyjna
Promień świetlny. Gdy włączamy wskaźnik laserowy, zazwyczaj nie widzimy, którędy porusza się światło – widzimy jedynie jasną plamkę w miejscu, w który trafia światło wskaźnika. Wystarczy jednak rozpylić w powietrzu np. trochę wody lub dymu, aby zobaczyć wiązkę. Spowodowane to jest tym, że światło rozprasza się na kropelkach wody lub drobinkach dymu lub kurzu. Cienką smugę światła – np. taką, jaką wysyła wskaźnik laserowy – nazywamy promieniem świetlnym.
Promienia świetlnego w powietrzu nie widać
Promień staje się widoczny gdy przechodzi przez naczynie z dymem z kadzidełka
Cień i półcień. W zaciemnionym pomieszczeniu w niewielkiej odległości od ściany ustawiamy zapaloną świeczkę. Między świeczką a ścianą ustawiamy nieprzezroczysty przedmiot. Na ścianie widzimy cień przedmiotu, czyli obszar, do którego nie dociera światła świeczki. Następnie obserwujemy, jak zmienia się cień przedmiotu, gdy przedmiot przysuniemy do ekranu (nie zmieniając położenia świeczki).
Cień przedmiotu – przeszkoda daleko o źródła światła
Gdy zbliżamy przeszkodę do źródła światła cień robi się większy
Gdy zbliżamy przeszkodę do źródła światła cień robi się większy i niewyraźny – pojawiają się obszary półcienia
W wykonanym doświadczeniu płomień świeczki był niewielki w porównaniu z rzucającym cień przedmiotem. Jeżeli zamiast świeczki użyjemy źródła o większych rozmiarach, wówczas na ekranie pojawią się obszary oświetlone w różnym stopniu. Obszar do którego nie dociera światło, to cień, natomiast obszar, do którego dociera światło wysyłane tylko przez niektóre fragmenty świetlówki, to tzw. półcień.
Gdy przeszkodę oświetlimy rozciągłym źródłem światła, to zwiększa się obszar półcienia
Oddalanie przedmiotu od rozciągłego źródła światła powoduje zmniejszanie obszaru półcienia i zwiększanie obszaru cienia.
Oddalanie przedmiotu od rozciągłego źródła światła powoduje zmniejszanie obszaru półcienia i zwiększanie obszaru cienia.
Prawo odbicia. Kierujemy światło z lasera na lusterko (zwierciadło płaskie) i obserwujemy światło odbite. Zaznaczamy linią przerywaną prostą prostopadłą do zwierciadła w miejscu, gdzie światło uderza w lusterko (prosta taka nazywa się normalna do powierzchni). Kąt pomiędzy tą prostą a promieniem padającym nazywamy kątem padania światła. Kąt pomiędzy normalną a promieniem odbitym nazywamy kątem odbicia.
Obicie światła od zwierciadła płaskiego
Obicie światła od zwierciadła płaskiego (większy kąt padania światła)
Obicie światła od zwierciadła płaskiego (większy kąt padania światła)
Obicie światła od zwierciadła płaskiego (większy kąt padania światła)
Na podstawie obserwacji można stwierdzić, że:
promień padający, normalna i promień odbity leżą w jednej płaszczyźnie,
kąt odbicia światła jest równy kątowi padania.
Powyższe fakty stanowią treść prawa odbicia światła.
Rozproszenie światła. Wykorzystując światło słoneczne i zwierciadło płaskie, możemy „puszczać zajączki”, czyli oświetlać dany obiekt światłem odbitym od zwierciadła. Efektu takiego nie można osiągnąć za pomocą zmiętej folii aluminiowej, choć przecież folia aluminiowa odbija światło. Spowodowano to jest tym, że powierzchnia folii, w porównaniu do powierzchni zwierciadła jest nierówna. Dlatego odbite od niej promienie mają różne kierunki – mówimy, że światło ulega rozproszeniu.
Odbicie światła od gładkiej folii aluminiowej
Odbicie światła od pogniecionej folii aluminiowej – rozproszenie światła
Odbicie światła od pogniecionej folii aluminiowej – rozproszenie światła
Obraz przedmiotu w zwierciadle płaskim. Dane ciało widzimy wtedy, gdy światło przez nie wysyłane trafia do naszego oka, lub wtedy, gdy światło odbijające się od ciała trafia do naszego oka. Gdy światło przechodzi przez szybę, jego część przechodzi przez nią, a część odbija się tak jak od zwierciadła płaskiego. Światło docierające od przedmiotów znajdujących się za szybą umożliwia ich oglądanie. Jednocześnie szyba odbija światło tak jak lustro, dlatego widzimy za nią obrazy pozorne przedmiotów znajdujących się przed nią. Dzięki temu można uzyskać np. efekt pokazany na zdjęciu – wrażenie, że świeczka pali się pod wodą.
Pozorny obraz świeczki odbity w szklanej szybie
Pozorny obraz świeczki odbity w szklanej szybie – w tym miejscu gdzie widać obraz pozorny świeczki stoi prawdziwa szklanka z wodą
Jeżeli obok świeczki ustawimy zwierciadło, do naszych oczu trafi także światło świeczki od niego odbite. Dlatego widzimy jeszcze jedną świeczkę: świeczkę, która wydaje się znajdować za zwierciadłem. To tzw. obraz pozorny świeczki. Obraz pozorny danego punktu płomienia powstaje w miejscu przedłużenia promieni docierających od tego punktu do oka po obiciu od zwierciadła. Rysując promienie docierające do oka od innych punktów świeczki, można pokazać, że otrzymany za pomocą zwierciadła płaskiego obraz świeczki jest tej samej wielkości co świeczka i że widzimy go w takiej samej odległości od zwierciadła, w jakiej znajduje się świeczka.
Odbicie palącej się świeczki w zwierciadle płaskim
Peryskop. Wykorzystując dwukrotne odbicie promieni świetlnych, można oglądać przedmioty niedostępne bezpośredniej obserwacji. Przyrząd, który służy do tego celu, nazywa się peryskopem. Peryskop jest zbudowany z zgiętej rury i dwóch zwierciadeł płaskich. Obraz odbity w górnym zwierciadle odbija się drugi raz w zwierciadle dolnym. Peryskop został wymyślony przez gdańskiego astronoma Jana Heweliusza (1611‑1687).
Peryskop wykonany przez uczniów gimnazjum
Zwierciadła kuliste wklęsłe i wypukłe. Oprócz zwierciadeł płaskich są również zwierciadła o zakrzywionych powierzchniach. Zwierciadła, których powierzchnia jest fragmentem powierzchni kuli, nazywamy zwierciadłami kulistymi. Środek takiej kuli nazywamy środkiem krzywizny zwierciadła, a jej promień – promieniem krzywizny. Linię przechodzącą przez środek kuli i tzw. wierzchołek zwierciadła nazywamy osią optyczną. Przykładem zwierciadła kulistego jest okrągła bombka lub powiększające lusterko kosmetyczne. Bombka jest zwierciadłem kulistym wypukłym, a lusterko kosmetyczne – zwierciadłem wklęsłym.
Obraz palącej się świeczki w zwierciadle wklęsłym
Obraz palącej się świeczki w zwierciadle wypukłym (bombce choinkowej)
Zwierciadło wklęsłe. Ustawiamy zwierciadło wklęsłe tak, aby promienie słoneczne były równoległe do jej osi optycznej. Na tekturze umieszczonej przed zwierciadłem obserwujemy jasną plamę. Zmieniając odległość tektury od zwierciadła, można znaleźć takie jej położenie, w którym widoczna na ekranie plamka będzie najmniejsza i najjaśniejsza. Mówimy, że zwierciadło wklęsłe skupia światło słoneczne w jednym punkcie (dlatego jest nazywane zwierciadłem skupiającym). Punkt ten nazywany jest ogniskiem zwierciadła i oznaczany literą F. Odległość między wierzchołkiem a ogniskiem zwierciadła nazywamy ogniskową zwierciadła i oznaczany literą f. Jest ona równa połowie długości promienia krzywizny zwierciadła (f = R/2).
Obrazy otrzymywane za pomocą zwierciadła wklęsłego. Przed zwierciadłem wklęsłym umieścimy plącą się świeczkę. Przesuwając ekran (np. kawałek kartonu), możemy znaleźć takie jego położenie, w którym zobaczymy ostry obraz świeczki. W innych położeniach obraz świeczki jest rozmyty – nieostry. W sytuacji widocznej na zdjęciu obraz świeczki jest mniejszy niż świeczka – dlatego nazywa się go obrazem pomniejszonym. Jest to też obraz odwrócony i rzeczywisty, gdyż powstaje w miejscu przecięcia się promieni odbitych od zwierciadła. Znając ogniskową zwierciadła kulistego i odległość przedmiotu od zwierciadła, można określić miejsce powstawania oraz charakter otrzymywanego obrazu. Można to zrobić, np. wykonując odpowiedni rysunek. Wykonując go, wystarczy rysować tylko te promienie, których kierunek po odbiciu jest znany. Są to następujące promienie:
Promień równoległy do osi optycznej zwierciadła po odbiciu przechodzi przez ognisko zwierciadła.
Promień przechodzący przez ognisko zwierciadła po odbiciu biegnie równolegle do osi optycznej.
Promień padający na wierzchołek zwierciadła po odbiciu biegnie symetrycznie do osi optycznej.
Wymienione wyżej promienie świetlne wychodzące z czubka płomienia świecy po odbiciu od zwierciadła przecinają się w jednym punkcie. W tym miejscu powstaje obraz czubka promienia. Zmieniając odległość świeczki od zwierciadła, możemy otrzymać inne obrazy świeczki. Gdy odległość przedmiotu od zwierciadła wklęsłego jest mniejsza niż ogniskowa, promienie odbite od zwierciadła nie przecinają się (tworzą wiązkę rozbieżną). Wówczas obraz rzeczywisty nie powstaje. Gdy jednak promienie odbite od zwierciadła trafią do naszego oka, zobaczymy obraz pozorny świeczki, na przecięciu przedłużeń promieni świetlnych.
Obraz rzeczywisty, powiększony i odwrócony, otrzymany za pomocą zwierciadła wklęsłego
Obraz rzeczywisty, pomniejszony i odwrócony, otrzymany za pomocą zwierciadła wklęsłego
Obraz pozorny, powiększony i prosty, otrzymany za pomocą zwierciadła wklęsłego
9. Zwierciadła wypukłe. Wiązka promieni równoległych do osi optycznej zwierciadła wypukłego po odbiciu od niego będzie wiązką rozbieżną. Dlatego zwierciadło kuliste wypukłe nazywane jest zwierciadłem rozpraszającym. Przedłużenie promieni odbitych od zwierciadła przechodzą przez jeden punkt, nazywany ogniskiem pozornym zwierciadła wypukłego. Obraz pozorny powstaje w miejscu przecięcia przedłużeń promieni odbitych od zwierciadła. Zwierciadła kuliste wypukłe umieszczane są przy drogach, w supermarketach i stosowane są jako lusterka wsteczne w samochodach.
Obraz pozorny, pomniejszony, prosty, otrzymany za pomocą zwierciadła wypukłego.
Wielokrotne odbicia w czterech zwierciadłach wypukłych
c) Faza podsumowująca
W ośrodkach jednorodnych (np. w próżni) światło porusza się po liniach prostych.
Jeżeli światło na swojej drodze napotyka ciała nieprzezroczyste, na ekranie powstanie cień tego ciała.
Gdy rozmiary źródła światła są porównywalne z rozmiarami przedmioty, oprócz cienia pojawia się też półcień.
Światło, padając na powierzchnię zwierciadła ulega odbiciu, zgodnie z prawem odbicia światła.
Światło, padając na nierówną powierzchnię ulega rozproszeniu.
Zjawisko to zostało wykorzystane do budowy peryskopu.
Zwierciadło kuliste stanowi część gładkiej, wypolerowanej powierzchni sfery. Rozróżniamy zwierciadła kuliste wklęsłe i wypukłe.
Zwierciadło wklęsłe skupia wiązkę promieni równoległych a wypukłe rozprasza.
Przy pomocy zwierciadeł możemy otrzymywać różnego rodzaju obrazy, rzeczywiste i pozorne, powiększone i pomniejszone. Zależy to od odległości przedmiotu od zwierciadła.
5. Bibliografia
Ginter Jerzy Fizyka 3 dla gimnazjum WSiP Warszawa 2001.
Ginter Jerzy, Hercman Karol, Kurek Ewa, Natorf Włodzimierz Fizyka i astronomia Program nauczania gimnazjum WSiP Warszawa 1999.
6. Załączniki
Zadanie domowe
Zad. 1. Punktowa żarówka znajduje się w odległości 6 m od ściany. Ty stoisz w odległości 3 m od żarówki.
ile razy twój cień jest szerszy od ciebie.
W jakiej odległości musisz stanąć, aby twój cień był trzy razy szerszy od ciebie.
Zad. 2. Zbuduj model peryskopu z kartonu i dwóch prostokątnych lusterek kieszonkowych.
Zad. 3. Obejrzyj obraz lampy lub okna, utworzony przez promienie odbite od wewnętrznej powierzchni szkła okularów przeciwsłonecznych. Poruszając lekko okularami, zaobserwuj, gdzie znajduje się utworzony obraz rzeczywisty.