Temat

Zjawisko załamania światła

Etap edukacyjny

Drugi

Podstawa programowa

IX. Optyka. Uczeń:

6) opisuje jakościowo zjawisko załamania światła na granicy dwóch ośrodków różniących się prędkością rozchodzenia się światła; wskazuje kierunek załamania.

Czas

45 minut

Ogólny cel kształcenia

Opisuje zjawiska towarzyszące rozchodzeniu się światła.

Kształtowane kompetencje kluczowe

1. Rozpoznaje zjawisko załamania światła.

2. Wyjaśnia zjawisko załamania światła.

Cele (szczegółowe) operacyjne

Uczeń:

- opisuje jakościowo i ilościowo zjawisko załamania światła,

- określa przyczyny i skutki zjawiska załamania światła.

Metody kształcenia

1. Dyskusja.

2. Doświadczenie.

Formy pracy

1. Praca grupowa.

2. Praca z całą klasą.

Etapy lekcji

Wprowadzenie do lekcji

Powtórzenie wiadomości:

- W jaki sposób rozchodzi się światło?

- Sformułuj prawo odbicia światła.

Realizacja lekcji

Polecenie
Przypomnij sobie, jak wygląda obraz twoich nóg, gdy stoisz zanurzony po pas w wodzie. Zanotuj cechy tego obrazu. Porównaj swoje obserwacje z obserwacjami innych uczniów.

Polecenie
Przeprowadź obserwację według poniższej instrukcji.

Eksperyment

Problem badawczy:
Pojawiająca się moneta.

Hipoteza:
Moneta będzie widoczna w innym miejscu.

Materiały:
- kubek z nieprzezroczystego materiału,
- moneta,
- butelka z wodą.

Instrukcja:
1. Umieść monetę w nieprzezroczystym kubku.
2. Odchyl głowę tak, by moneta przestała być dla ciebie widoczna (zniknie za krawędzią kubka).
3. Patrz, nie ruszając głową, w ten sam punkt.
4. Nalej wodę do kubka, tak, by był prawie pełny.

Obserwacje:
Zanotuj, co zaobserwowałeś.

Polecenie
Odpowiedz na pytania:
1. Co spowodowało, nim została dolana woda, że moneta zniknęła?
2. Jaka jest przyczyna tego, że moneta stała się ponownie widoczna?
3. Czy obserwator musiał zmienić pozycję, by zobaczyć monetę?
4. Co możesz powiedzieć o przebiegu promieni świetlnych odbitych od monety?

Rozwiązanie:
Moneta przestała być widoczna, bo oczy obserwatora znalazły się w takiej pozycji, że promienie świetlne odbite od monety natrafiały na krawędź kubka zamiast do jego oczu. Po dolaniu wody do kubka promienie świetlne odbite od monety uległy załamaniu w stosunku do normalnej, przechodząc z wody do powietrza. Normalna oznacza tu linię prostopadłą w punkcie załamania do powierzchni rozgraniczającej dwa ośrodki, przez które przechodzą promienie świetlne.

[Ilustracja 1]

Zjawisko załamania światła.

Definicja
Zjawisko załamania światła to zmiana kierunku rozchodzenia się promieni świetlnych przy przekraczaniu granicy dwóch ośrodków, w których światło rozchodzi się z różną prędkością.

Przyczyną zjawiska załamania jest zmiana prędkości rozchodzenia się światła przy przejściu z jednego ośrodka do drugiego. Jeśli prędkość rozchodzenia się światła w pierwszym ośrodku vIndeks dolny 1₁ jest większa od prędkości w drugim ośrodku vIndeks dolny 2₂, to kąt padania α jest większy od kąta załamania β.

W optyce używamy pojęcia gęstości optycznej ośrodka, która nie ma nic wspólnego z gęstością materii wyrażoną w $\frac{kg}{m^3}$. Z dwóch ośrodków gęstszy optycznie to ten, w którym światło rozchodzi się z mniejszą prędkością.

Definicja
Normalna to linia prostopadła do powierzchni rozgraniczającej dwa ośrodki, przez które przechodzą promienie świetlne.

Definicja
Kąt padania to kąt pomiędzy kierunkiem promienia padającego a normalną w punkcie padania.

Definicja
Kąt załamania to kąt pomiędzy kierunkiem promienia załamanego a normalną w punkcie padania.

Promień padający, promień załamany i normalna leżą w jednej płaszczyźnie.

[Ilustracja interaktywna]

Polecenie
Na rysunkach poniżej widoczny jest promień świetlny przechodzący przez dwa ośrodki oznaczone numerami 1 i 2. Określ, który z ośrodków jest gęstszy optycznie. W którym z nich prędkość światła będzie większa?

[Ilustracja 2]

Odpowiedź:
a) ośrodek 2 jest gęstszy optycznie, prędkość światła jest większa w ośrodku 1: vIndeks dolny 1₁ > vIndeks dolny 2₂,
b) ośrodek 1 jest gęstszy optycznie, prędkość światła jest większa w ośrodku 2: vIndeks dolny 2₂ > vIndeks dolny 1₁.

Gdy promień świetlny pada prostopadle na granicę dwóch ośrodków, czyli kąt padania wynosi 0°, to kąt załamania wynosi również 0°. Wynika z tego, że kierunek promienia świetlnego nie ulega zmianie. Prędkość rozchodzenia światła jest różna dla obu ośrodków.

[Ilustracja 3]

Zjawisku załamania światła towarzyszy zawsze zjawisko odbicia światła. Powierzchnią odbijającą jest granica dwóch ośrodków.

Podsumowanie lekcji

Zjawisko załamania światła to zmiana kierunku rozchodzenia się promieni świetlnych przy przekraczaniu granicy dwóch ośrodków, w których światło rozchodzi się z różną prędkością.