Załamanie światła
Scenariusz lekcji: Załamanie światła
1. Cele lekcji
a) Wiadomości
Uczeń:
wie, że gdy światło przechodzi z jednego ośrodka do drugiego, to ulega załamaniu,
wie, że gdy światło przechodzi z powietrza do wody, to kąt załamania jest mniejszy od kąta padania,
wie, że gdy światło przechodzi z wody do powietrza, to kąt załamania jest większy od kąta padania,
wie, co to jest całkowite wewnętrzne odbicie światła i kiedy zachodzi,
wie, co to jest światłowód,
wie, co to jest soczewka skupiająca i ognisko i ogniskowa soczewki,
wie, co to jest obraz rzeczywisty i pozorny, powiększony i pomniejszony.
b) Umiejętności
Uczeń potrafi:
narysować bieg promienia padającego, odbitego i załamanego na granicy ośrodków,
opisać i zademonstrować metodę wyznaczania ogniskowej soczewki skupiającej,
zademonstrować otrzymywanie obrazów w soczewce skupiającej,
określić powiększenie obrazu dla przedmiotów położonych w różnych odległościach od soczewki,
konstruować obrazy w soczewkach skupiających.
2. Metoda i forma pracy
Wykład wprowadzający, pokaz, dyskusja.
3. Środki dydaktyczne
4. Przebieg lekcji
Linijka, szklanka z wodą, wskaźnik laserowy, naczynie z wodą, kadzidełko, soczewka skupiająca, świeczka, ekran.
a) Faza przygotowawcza
Przypominamy uczniom, że w ośrodkach jednorodnych światło rozchodzi się po liniach prostych. Przypominamy prawo odbicia światła od zwierciadeł płaskich. Co się stanie, gdy światło będzie biegło w dwóch ośrodkach?
b) Faza realizacyjna
Efekt załamania na granicy powietrze‑woda. Nalewamy wody do szklanki. Wkładamy do niego linijkę milimetrową.
Widzimy, że:
linijka zanurzona do wody wydaje się złamana. Obraz w wodzie nie jest przedłużeniem linijki widzianej w powietrzu,
odległości pomiędzy działkami w wodzie wydają się mniejsze niż w powietrzu.
Załamanie światła na granicy powietrze‑woda. Do akwarium nalewamy do połowy wody z niewielką ilością mleka (tak aby pojawiło się niewielkie zmętnienie). Wytwarzamy dym nad wodą, zapalając kadzidełko. Kierujemy ukośnie na powierzchnię wody wiązkę światła ze wskaźnika laserowego. Przyglądamy się biegowi promienia w powietrzu i w wodzie.
Załamanie światła na granicy powietrza i wody
Kiedy promień świetlny znajduje się na granicy powietrza i wody, rozdziela się na dwa nowe promienie: odbity i załamany. Nowe promienie są prostoliniowe. Zmiana kierunku biegu promieni następuje jedynie na granicy ośrodków. Kąt padania jest równy kątowi odbicia. Kąt załamania jest mniejszy od kąta padania. Mówimy o tym, że przy przejściu od powietrza do wody promień załamuje się ku prostopadłej. Promień padający, odbity i załamany leżą w jednej płaszczyźnie.
Załamanie światła na granicy woda – powietrze. Kierujemy wskaźnik laserowy tak, aby wiązka światła padała na badaną powierzchnię oddzielającą wodę i powierzchnię od dołu.
Załamanie światła na granicy woda – powietrze
Gdy światło przechodzi z wody do powietrza, to pojawiają się dwa nowe promienie – odbity (wewnątrz wody) i załamany (w powietrzu). Promień załamuje się teraz od prostopadłej, kąt załamania w powietrzu jest większy niż kąt padania w wodzie.
Gdy kąt padania światła na powierzchnię wody wynosi 0Indeks górny oo zjawisko załamania nie zachodzi. Światło przechodzi z powietrza do szkła bez zmiany kierunku.
Załamanie światła przechodzącego z wody do powietrza powoduje, że zanurzone w niej przedmioty wydają się być wyżej, niż są w rzeczywistości.
Całkowite wewnętrzne odbicie światła. Gdy światło rozchodzące się w powietrzu pada do wody, zawsze jego część ulega załamaniu, a część odbiciu. Gdy natomiast światło rozchodzące się w wodzie dotrze do granicy między wodą a powietrzem, może się zdarzyć tak, że nie przejdzie ono do powietrza, lecz całe ulegnie odbiciu. Gdy światło przechodzi z wody do powietrza to kąt załamania światła jest wtedy większy niż kąt padania. Przy pewnym kącie padania, zwanym kątem granicznym, kąt załamania światła jest równy 90Indeks górny oo, światło biegnie wzdłuż płaszczyzny oddzielającej wodę od powietrza. Gdy kąt padania będzie większy niż kąt graniczny, to promień odbije się w całości. Zjawisko takie nosi nazwę całkowitego wewnętrznego odbicia.
Całkowite wewnętrzne odbicie światła
Całkowite wewnętrzne odbicie znalazło ono niezwykle ważne zastosowanie w światłowodach. Światłowody to bardzo cienkie włókna szklane. Światło padające na granicę dwóch ośrodków – szkła i powietrza – ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu. Światło przemieszcza się we wnętrzu światłowodu odbijając się od jego ścianek. Światłowody mogą przenosić ogromną ilość informacji (np. rozmowy telefoniczne, połączenia internetowe) w bardzo krótkim czasie. Szkło, z którego wykonane są światłowody, jest tak czyste, że sygnały świetlne mogą wędrować na bardzo duże odległości, niemal bez straty energii.
Współczynnik załamania światła. Współczynnik załamania światła dla danego ośrodka to liczba, która mówi ile razy prędkość światła w danym ośrodku jest mniejsza od prędkości światła w próżni. Dla wody wynosi on 1,33, co oznacza, że światło w wodzie porusza się z prędkością (300 000 km/s)/1,33≈225 000 km/s.
Współczynnik załamania światła zależy od długości światła (barwy światła), dlatego światła białe rozszczepia się, gdy pada na powierzchnię wody lub na pryzmat.
Soczewki. Soczewka jest bryła wykonaną z przezroczystego materiału ograniczoną dwiema powierzchniami sferycznymi lub jedną powierzchnią płaską, a drugą sferyczną. Soczewkę dwuwypukłą, a także płasko‑wypukłą, nazywamy soczewką skupiającą, gdyż wiązka promieni równoległych do jej osi optycznej zostaje skupiona w jednym punkcie. Punkt ten nazywamy ogniskiem soczewki.
Ognisko soczewki
Jeżeli wiązka promieni będzie padać na soczewki z drugiej strony, to skupi się w drugim ognisku. Odległość tych ognisk od środka soczewki jest dla każdej soczewki taka sama i nosi nazwę ogniskowej soczewki. Wiązka promieni równoległych do osi optycznej soczewki dwuwklęsłej i płasko wklęsłej po przejściu przez takie soczewki jest rozbieżna. Dlatego soczewki takie nazywamy soczewkami rozpraszającymi. Ognisko soczewki rozpraszającej nazywa się ogniskiem pozornym – jest to punkt, w którym przecinają się przedłużenia promieni, które przeszły przez soczewkę.
Zdolność skupiająca soczewki jest to odwrotność jej ogniskowej, mierzymy ją w dioptriach.
D = 1/f
D – zdolność skupiająca [1/m = D]
f – ogniskowa [m]
Zdolność skupiająca soczewki o ogniskowej 0,5 m wynosi 2 D. Ogniskowa soczewki o zdolności skupiającej –4D wynosi –0,25 m.
Obrazy otrzymywane za pomocą soczewek. Za pomocą soczewek można otrzymywać obrazy przedmiotów. Na ekranie ostry obraz przedmiotu powstanie tylko wówczas, gdy ekran znajdzie się w odpowiednim miejscu. Podobnie jak dla zwierciadeł, konstruując obrazy przedmiotu wykorzystujemy tylko te promienie, których bieg znamy:
Promień równoległy do osi optycznej, po przejściu przez soczewkę przechodzi przez ognisko soczewki.
Promień przechodzący przez środek soczewki nie zmienia kierunku.
Promień przechodzący przez ognisko biegnie równolegle do osi optycznej.
Gdy będziemy zbliżali przedmiot do soczewki skupiającej, jego obraz będzie powstawał coraz dalej od soczewki i będzie powiększał się. Będzie to obraz rzeczywisty, powiększony i odwrócony.
Obraz powiększony, rzeczywisty i odwrócony – przedmiot jest w odległości większej niż ogniskowa soczewki i mniejszej niż podwojona ogniskowa
Gdy będziemy oddalali przedmiot do soczewki skupiającej, jego obraz będzie powstawał coraz bliżej od soczewki i będzie pomniejszał się. Będzie to obraz rzeczywisty, pomniejszony i odwrócony.
Obraz pomniejszony, rzeczywisty i odwrócony – przedmiot jest w odległości większej niż iż podwojona ogniskowa soczewki
Gdy odległość między przedmiotem a soczewką skupiającą jest mniejsza niż ogniskowa, obraz rzeczywisty nie powstaje, gdyż promienie biegnące od przedmiotu po przejściu przez soczewkę są rozbieżne. Gdy promienie te trafią do naszego oka, to wtedy zobaczymy obraz pozorny przedmiotu, w punkcie przecięcia przedłużeni promieni.
Obraz pozorny, powiększony, prosty – przedmiot jest w odległości mniejszej niż ogniskowa soczewki
Obraz uzyskiwany za pomocą soczewki rozpraszającej jest zawsze pozorny, prosty i mniejszy niż przedmiot, niezależnie od odległości przedmiotu od soczewki. Soczewka rozpraszająca używana jest między innymi w wizjerach instalowanych w drzwiach mieszkań.
c) Faza podsumowująca
Na granicy dwóch ośrodków światło ulega załamaniu i odbiciu.
Przy padaniu światła od powietrza do wody lub szkła kąt załamania jest mnijszy od kąta padania.
Przy padaniu swiatła od wody lub szkła do powietrza kąt załamania jest większy od kąta padania.
Punkt, w którym soczewka skupia promienie równoległe do osi optycznej, nazywamy ogniskiem soczewki.
Soczewka skupiająca może wytwarzać obrazy rzeczywiste i pozorne, powiększone i pomniejszone. Zależy to od odległości przedmiotu od soczewki.
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. W odległości 20 cm nad powierzchnią wody w akwarium znajduje się mała żaróweczka. Jak biegną wewnątrz akwarium promienie:
taki, który pada z zewnątrz prostopadle na powierzchnie wody akwarium?
takie, dla których kąt padania jest równy 10Indeks górny oo?
Zad. 2. Zbadaj w inny sposób obrazy wytwarzane przez soczewkę skupiającą.
Popatrz przez szkło powiększające na odległy przedmiot, na przykład dom po drugiej stronie ulicy. Co widzisz?
Połóż na zadrukowanej kartce papieru szkło powiększające, tak aby w jego środku znalazła się mała literka. Powoli odsuwaj szkło od kartki, tak aby wybrana przez ciebie litera stale była widoczna w środku soczewki. Jaki obraz powstaje, kiedy odległość szkła od kartki jest mała? Co się dzieje, kiedy odległość tę stopniowo powiększasz? Podczas obserwacji twoje oko powinno być możliwie jak najdalej od kartki.