Scenariusz
Temat
Podsumowanie wiadomości z optyki
Etap edukacyjny
Drugi
Podstawa programowa
IX. Optyka. Uczeń:
1) ilustruje prostoliniowe rozchodzenie się światła w ośrodku jednorodnym; wyjaśnia powstawanie cienia i półcienia;
2) opisuje zjawisko odbicia od powierzchni płaskiej i od powierzchni sferycznej;
3) opisuje zjawisko rozproszenia światła przy odbiciu od powierzchni chropowatej;
4) analizuje bieg promieni wychodzących z punktu w różnych kierunkach, a następnie odbitych od zwierciadła płaskiego i od zwierciadeł sferycznych; opisuje skupianie promieni w zwierciadle wklęsłym oraz bieg promieni odbitych od zwierciadła wypukłego; posługuje się pojęciami ogniska i ogniskowej;
5) konstruuje bieg promieni ilustrujący powstawanie obrazów pozornych wytwarzanych przez zwierciadło płaskie oraz powstawanie obrazów rzeczywistych i pozornych wytwarzanych przez zwierciadła sferyczne znając położenie ogniska;
6) opisuje jakościowo zjawisko załamania światła na granicy dwóch ośrodków różniących się prędkością rozchodzenia się światła; wskazuje kierunek załamania;
7) opisuje bieg promieni równoległych do osi optycznej przechodzących przez soczewkę skupiającą i rozpraszającą, posługując się pojęciami ogniska i ogniskowej;
8) rysuje konstrukcyjnie obrazy wytworzone przez soczewki; rozróżnia obrazy rzeczywiste, pozorne, proste, odwrócone; porównuje wielkość przedmiotu i obrazu;
9) posługuje się pojęciem krótkowzroczności i dalekowzroczności oraz opisuje rolę soczewek w korygowaniu tych wad wzroku;
10) opisuje światło białe jako mieszaninę barw i ilustruje to rozszczepieniem światła w pryzmacie; wymienia inne przykłady rozszczepienia światła.
Czas
45 minut
Ogólny cel kształcenia
Utrwala wiadomości na temat zjawisk optycznych.
Kształtowane kompetencje kluczowe
1. Opisuje zjawiska optyczne wykorzystując pojęcie promienia świetlnego.
2. Objaśnia zjawisko odbicia i załamania światła.
3. Opisuje konstrukcję obrazów w zwierciadle wklęsłym oraz w soczewkach.
Cele (szczegółowe) operacyjne
Uczeń:
- objaśnia zjawiska odbicia i załamania,
- używa pojęcia promienia świetlnego w opisie zjawisk i ich rekonstrukcji.
Metody kształcenia
1. Dyskusja.
2. Analiza tekstu.
Formy pracy
1. Praca indywidualna.
2. Praca grupowa.
Etapy lekcji
Wprowadzenie do lekcji
Przygotuj krótkie wypowiedzi objaśniające poniższe pojęcia.
1. Źródła światła.
2. Cień i półcień.
3. Odbicie światła.
4. Zwierciadło płaskie.
5. Zwierciadło wklęsłe.
6. Konstrukcja obrazów w zwierciadle kulistym.
7. Załamanie światła.
8. Soczewki.
9. Konstrukcja obrazów powstających przy użyciu soczewki.
10. Widzenie oraz wady wzroku.
11. Rozszczepienie światła.
12. Prędkość światła.
Realizacja lekcji
Optyka jest działem fizyki, który zajmuje się badaniem światła i jego oddziaływania z materią. Optyka geometryczna – tłumaczy zjawiska optyczne przy założeniu, że światło rozchodzi się prostoliniowo w ośrodku optycznie jednorodnym. W optyce używamy często pojęcia ośrodka optycznego.
Ośrodek optycznie jednorodny – to ośrodek, który ma wszystkie właściwości chemiczne i fizyczne stałe w całej jego objętości np. szklana soczewka. W takim ośrodku światło rozchodzi się prostoliniowo z jednakową prędkością we wszystkich kierunkach.
Ośrodek optycznie niejednorodny - ośrodek, którego właściwości w różnych punktach jego objętości są różne np. powietrze o zmieniającej się temperaturze.
1. Źródła światła.
Źródłem światła jest każde ciało, które emituje promieniowanie świetlne w zakresie światła widzialnego.
Źródła światła dzielimy na naturalne i sztuczne.
Źródła światła mogą być:
- punktowe - tu źródło światła ma rozmiary bardzo małe w stosunku do odległości od oświetlanego przedmiotu. W przypadku źródła punktowego zakładamy, że promienie świetlne wychodzą z jednego punktu.
- rozciągłe – oznacza to, że jego rozmiary są względnie duże w stosunku do odległości do oświetlanego przedmiotu np. Słońce oświetlające Ziemię.
2. Cień i półcień.
W ośrodku jednorodnym optycznie światło rozchodzi się prostoliniowo. Prostą, wzdłuż której rozchodzi się światło nazywamy promieniem świetlnym.
Cień to obszar, do którego nie dochodzą promienie świetlne zatrzymane przez nieprzezroczysty obiekt.
Półcień to obszar oświetlony przez część światła emitowanego przez źródło. Półcień powstaje, gdy obiekt oświetlany jest przez rozciągłe źródło światła.
3. Odbicie światła.
Promień świetlny padający na granicę dwóch ośrodków optycznych ulega odbiciu. Kąt padania promienia świetlnego jest równy kątowi odbicia. Kąty te mierzymy względem prostej prostopadłej do granicy tych ośrodków w punkcie padania promienia świetlnego. Prostą tę nazywamy normalną (prostopadłą padania).
Normalna, promień padający i promień odbity leżą w jednej płaszczyźnie.
4. Zwierciadło płaskie.
Zwierciadła płaskie są gładkimi powierzchniami odbijającymi światło. Wykonuje się je zwykle ze szkła pokrytego warstwą aluminium lub srebra albo innego metalu.
Wiązka równoległych promieni świetlnych padających na zwierciadło ulega odbiciu, a promienie w wiązce odbitej nadal pozostają względem siebie równoległe.
Jeśli powierzchnia odbijająca jest chropowata, wówczas kierunki promieni odbitych stają się rozbieżne.
Obraz utworzony w zwierciadle płaskim jest prosty i pozorny. Obraz pozorny powstaje za zwierciadłem w miejscu przecięcia się przedłużeń promieni odbitych.
5. Zwierciadło wklęsłe.
Zwierciadło kuliste (inaczej sferyczne) wklęsłe jest zwierciadłem, którego powierzchnia odbijająca jest wewnętrzną częścią kuli. Zwierciadło wklęsłe może być również wycinkiem paraboloidy.
Układ optyczny zwierciadła wklęsłego stanowią:
Główna oś optyczna - prosta przechodząca przez środek krzywizny zwierciadła (C) i jego wierzchołek (V).
Promień krzywizny (R) – promień kuli, której część wewnętrzna jest powierzchnią odbijającą zwierciadła.
Ognisko zwierciadła (F) – jeśli promienie biegną równolegle do osi optycznej zwierciadła to po odbiciu przetną się w tym samym punkcie leżącym na osi optycznej zwanym ogniskiem.
Ogniskowa (f) – to długość odcinka łączącego ognisko z wierzchołkiem zwierciadła.
Zależność między ogniskową a promieniem krzywizny:
6. Konstrukcja obrazów w zwierciadle kulistym.
Do skonstruowania obrazu w zwierciadła kulistym potrzebne są przynajmniej dwa z poniższych promieni:
Promień równoległy do osi optycznej, który po odbiciu od zwierciadła przechodzi przez ognisko.
Promień biegnący przez środek krzywizny zwierciadła, który po odbiciu wraca tym samym torem.
Promień przechodzący przez ognisko zwierciadła, który po odbiciu staje się równoległy do osi optycznej.
Obraz powstający w zwierciadle wklęsłym może być powiększony, równy lub pomniejszony, rzeczywisty lub pozorny, prosty lub odwrócony.
7. Załamanie światła.
Jeżeli promień świetlny trafi na granicę dwóch ośrodków optycznie różnych, nastąpi zmiana jego kierunku – czyli załamanie światła.
Kąt pomiędzy kierunkiem promienia padającego a prostopadłą do powierzchni granicznej (normalną) w punkcie padania nazywamy kątem padania.
Kąt załamania to kąt pomiędzy prostopadłą do powierzchni granicznej (normalną) w punkcie załamania światła a kierunkiem promienia załamanego.
Promień padający, prostopadła (normalna) i promień załamany leżą w jednej płaszczyźnie.
Przyczyną zjawiska załamania jest zmiana prędkości rozchodzenia się światła przy przejściu z jednego ośrodka do drugiego.
Jeżeli prędkość rozchodzenia się światła w pierwszym ośrodku jest większa niż w tym, do którego światło przechodzi, wówczas kąt padania jest większy od kąta załamania.
Jeżeli prędkość rozchodzenia się światła w pierwszym ośrodku jest mniejsza niż w drugim, wówczas kąt padania jest mniejszy od kąta załamania.
Jeśli światło pada prostopadle na granicę dwóch ośrodków, to kierunek jego biegu nie ulegnie zmianie (mimo, iż prędkości jego rozchodzenia się w tych ośrodkach są różne).
[Grafika interaktywna]
8. Soczewki.
Soczewka to ciało przezroczyste ograniczone powierzchniami kulistymi, parabolicznymi lub walcowymi.
Soczewki mogą zarówno skupiać, jak i rozpraszać światło. Soczewki dzielą się na skupiające i rozpraszające.
Przykłady zastosowań soczewek: okulary, lupa, mikroskop optyczny, luneta, teleskop.
Układ optyczny soczewki stanowi:
- Oś optyczna – prosta przechodząca przez środki krzywizn powierzchni, z których została utworzona soczewka.
- Ognisko (F) – jeśli promienie biegną równolegle do osi optycznej soczewki to po przejściu przez nią przetną się w tym samym punkcie leżącym na osi optycznej zwanym ogniskiem.
- Ogniskowa (f) – odległość ogniska od środka soczewki.
9. Konstrukcja obrazów powstających przy użyciu soczewki.
Do konstrukcji obrazu powstającego przy użyciu soczewki skupiającej potrzebne są przynajmniej dwa z niżej opisanych promieni:
- promień równoległy do osi optycznej – po przejściu przez soczewkę przechodzi przez ognisko;
- promień przechodzący przez ognisko – po przejściu przez soczewkę wychodzi równoległy do osi optycznej;
- promień przechodzący przez środek soczewki – po przejściu przez soczewkę nie zmienia kierunku (nie ulega odchyleniu).
W celu przeprowadzenia konstrukcji obrazu w soczewce rozpraszającej wykorzystuje się dwa promienie:
- promień padający równolegle do osi optycznej – po przejściu przez soczewkę jego przedłużenie przechodzi przez ognisko pozorne;
- promień przechodzący przez środek soczewki – po przejściu przez soczewkę jego kierunek (tor) nie ulega zmianie.
Obraz powstający w soczewce skupiającej może być powiększony, równy lub pomniejszony, rzeczywisty lub pozorny, prosty lub odwrócony. W soczewkach rozpraszających powstały obraz jest zawsze prosty, pomniejszony i pozorny.
10. Widzenie oraz wady wzroku.
Podstawowym organem narządu wzroku jest oko, w którym ważną rolę pełni soczewka. Promienie światła po przejściu przez rogówkę padają na soczewkę skupiającą, która tworzy na siatkówce oka obraz pomniejszony, odwrócony i rzeczywisty.
Oko ludzkie ma zdolność akomodacji, czyli zdolność dopasowania oka do odległości w jakiej znajduje się oglądany przedmiot. Możliwe jest to dzięki zdolności soczewki do zmiany kształtu.
Minimalna odległość dobrego widzenia dla oka ludzkiego pozbawionego wady wzroku wynosi około 25 cm.
Najczęściej spotykane wady wzroku to:
- Krótkowzroczność - to wada związana z zaburzeniem załamania światła przez soczewkę (zbyt wypukłą) lub oddaleniem się siatkówki od soczewki (wydłużona gałka oczna). Obraz odległego przedmiotu powstaje przed siatkówką i jest interpretowany przez mózg jako niewyraźny i zatarty. Do korekty tej wady stosuje się soczewki rozpraszające.
- Dalekowzroczność (nadwzroczność) - to wada związana z zaburzeniem załamania światła przez soczewkę (za bardzo spłaszczoną) lub zbyt dużym zbliżeniem się soczewki do siatkówki (skrócona gałka oczna). Obraz odległego przedmiotu powstaje za siatkówką i jest interpretowany przez mózg jako nieostry. Do korekty tej wady wzroku stosuje się soczewki skupiające.
11. Rozszczepienie światła.
Światło białe to mieszanina barw od fioletowego do czerwonego. Barwy te możemy zobaczyć przepuszczając wiązkę światła białego przez pryzmat.
Pryzmat to bryła przezroczysta (wykonana zwykle ze szkła), będąca graniastosłupem o podstawie trójkąta.
Światło przechodząc przez pryzmat ulega dwukrotnemu załamaniu, po raz pierwszy na granicy ośrodków powietrze–szkło (przy wejściu do pryzmatu), po raz drugi na granicy szkło–powietrze (przy wyjściu z pryzmatu).
Podczas przejścia przez pryzmat największemu odchyleniu od pierwotnego kierunku ulega światło fioletowe, a najmniejszemu – czerwone.
Zjawisko rozszczepienia światła nazywane jest dyspersją.
12. Prędkość światła.
Światło w próżni rozchodzi się z prędkością o wartości w przybliżeniu 300000 .
W ośrodkach materialnych szybkość światła jest mniejsza i różna dla różnych ośrodków np. w wodzie to 225000 , a w lodzie 229000 .
Podsumowanie lekcji
Optyka geometryczna to dział fizyki, który tłumaczy zjawiska optyczne przy założeniu, że światło rozchodzi się prostoliniowo w ośrodku optycznie jednorodnym.