Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Физика»Содержание №20/2007
Геометрическая оптика

Конкурс «Я иду на урок»Н.В.ПЛЕШКО,
ГОУ № 448 ВАО, г. Москва

 

Геометрическая оптика

Заключительный урокэкскурсия на природу. 11-й класс

Основная цель изучения физики в средней школе – научить объяснять окружающие физические явления. Сделать это только за счёт теоретического материала, даже с экспериментальной поддержкой, невозможно. Необходимы непосредственные наблюдения и анализ явлений природы. Именно поэтому я считаю необходимым проведение уроковэкскурсий на природе. Экскурсии позволяют учащимся уяснить связь между знаниями, приобретёнными на уроках и учебнопрактических занятиях, с действительностью и способствуют закреплению знаний. Проводить такие экскурсии мешает отсутствие методических разработок. Предлагаемая разработка выполнена в рамках дипломной работы при РГПУ им. А.И.Герцена.

Цель экскурсии: показать действие законов геометрической оптики вокруг нас.

Место проведения экскурсии: парк (сад) с водоёмом (прудом, озером, рекой).

Время проведения экскурсии: сентябрь или май, в яркий солнечный день.

Подготовка к экскурсии начинается с первых уроков изучения темы «Геометрическая оптика». Эту тему можно разделить на четыре подтемы: законы отражения, законы преломления, полное внутреннее отражение, линзы. Учащиеся делятся соответственно на четыре группы, каждая из которых получает свою подтему, и в процессе изучения всей темы отвечают за неё: собирают дополнительный материал, решают дополнительные задачи, помогают остальным разобраться в неясных вопросах. На уроке, предшествующем экскурсии, повторяются основные законы темы, демонстрируются интересные опыты, физическую суть которых учащиеся должны объяснить.

Пример опыта.  Возьмите высокую консервную банку, на высоте 5 см от дна просверлите круглое отверстие диаметром 5–6 мм. Края отверстия тщательно обработайте. Электрическую лампочку вместе с патроном аккуратно оберните целлофаном (чтобы вода не проникла в патрон и не вызвала короткого замыкания) и расположите её напротив отверстия. В банку налейте воду. Открыв отверстие, вы получите струю, освещённую изнутри. В тёмной комнате она ярко светится, и опыт выглядит очень эффектно. Струе можно придать любую окраску, поместив на пути лучей света цветное стекло. Если в струю внести палец, то она разбрызгивается, и брызги ярко светятся.

Ход экскурсии

Вступительная беседа. Вы изучаете физику в школе, читаете интересные книги по физике. Однако не всегда обращаете внимание на те физические явления, которые происходят вокруг нас. А между тем лаборатория природы очень разнообразна, явления, происходящие в ней, интересны, сложны и загадочны. Поэты и писатели не оставили без внимания красоту природы и описали многие прекрасные явления, которые физики могут объяснить научно. Вот, например, строки из стихотворения Ф.И.Тютчева: «День вечереет, ночь близка,// Длинней с горы ложится тень,// На небе гаснут облака…// Уж поздно. Вечереет день». Тютчев обратил внимание на то, что к вечеру тень от горы стала длиннее. А вот, почему так произошло, – вопрос к физикам.

А вот отрывок из рассказа М.Пришвина: «Мы идём с Ладой – моей охотничьей собакой – вдоль небольшого озера. Вода сегодня такая, что летящий кулик и его отражение в воде были совершенно одинаковы: казалось, летели нам навстречу два кулика... Лада заметалась. Какого она выберет себе: настоящего, летящего над водой, или его отражение в воде – оба ведь схожи между собой, как две капли воды. Вот бедная Лада выбирает отражение и, наверное, думая, что сейчас поймает живого кулика, с высокого берега делает скачок и бухается в воду. А верхний, настоящий кулик, улетает».

Рассказ о миражах лучше всего начать с рассказа о «летучем голландце» – корабле­призраке, встреча с которым в океане предвещает несчастье, и с другого вида миражей – фатаморганы: над песчаной равниной или поверхностью моря вдруг возникают призрачные сады и замки, фонтаны и колоннады, и при этом одна картина очень быстро сменяется другой.

Вот видите, сколько интересных явлений хранит в себе природа?! На экскурсии, на которую мы с вами отправляемся, мы постараемся пронаблюдать и объяснить с научной точки зрения интереснейшие оптические явления.

Подготовка учащихся к экскурсии. Каждая из четырёх групп делится на две подгруппы. Затем формируются две новые группы – одна из первых подгрупп, вторая – из вторых. Такое деление поможет справиться с любым вопросом: и по отражению, и по преломлению, и по полному отражению, и по линзам.

Задания группе I (проводит наблюдения у воды)

1. На поверхности реки или озера (пруда) против солнца видна сверкающая дорожка. Пронаблюдайте и объясните, как она образуется. Будет ли наблюдаться это явление при идеально спокойной поверхности воды? Почему дорожка всегда ориентирована на наблюдателя?

2. Многие думают, что пейзаж, отражённый в спокойной воде, ничем не отличается от реального пейзажа и только перевёрнут вверх ногами. Проверьте, так ли это. Сможете ли вы увидеть отражение верхушки камня, лежащего наполовину в воде? Если на противоположном берегу пруда вы видите дерево и солнце над ним, сравните эту картину с отражённой в воде. Что вы замечаете? Объясните наблюдаемое явление, сделав схематический чертеж.

3. В солнечную погоду утром или вечером, когда Солнце находится низко над горизонтом и в воздухе стоит лёгкий туман, можно наблюдать отражение солнечных лучей от спокойной поверхности воды. Эти лучи поднимаются над ландшафтом, как луч огромного прожектора. При таких наблюдениях лучше смотреть по направлению к солнцу, а поверхность воды не должна быть покрыта рябью. Поднимающийся кверху световой луч будет виден тем лучше, чем длиннее и прямее канал, участок реки, озера или пруда. Пронаблюдайте и объясните это явление.

4. а) Если вам нужно перейти через ручей вброд, постарайтесь сначала определить его глубину на глаз. Потом возьмите палку и проверьте, правильно ли вы определили глубину. Если ошиблись, то как: показался вам ручей более глубоким, чем на самом деле, или менее? Почему? Какой вывод следует из проведённого наблюдения? Почему река кажется мельче, если смотреть на неё с берега? Если плыть на лодке по спокойной поверхности озера с чистой, прозрачной водой, то кажется, что самое глубокое место всё время находится как раз под лодкой. Чем это объяснить?

б) Заметьте на небольшой глубине камешек. Попробуйте попасть в него концом палки. Убедитесь, что сделать это тем труднее, чем более полого по отношению к поверхности воды приходится смотреть на него. Объясните наблюдаемое явление.

в) Обратите внимание на форму тех предметов, которые вы видите сквозь воду. Почему весло, наклонно опущенное в воду, кажется сломанным в том месте, где оно проходит сквозь поверхность воды? Почему та часть весла, которая находится под водой, кажется приподнятой? Придавайте веслу различные наклоны и замечайте, при каком наклоне этот кажущийся перелом заметнее. Отчего предметы под водой кажутся расположенными выше своего действительного положения? Какую закономерность вы обнаружили?

Задания группе II (проводит наблюдения на суше)

1. В ясный солнечный день в тени густого дерева можно наблюдать многочисленные светлые пятнышки. Какова форма этих пятен? Почему? От чего зависит их размер? Под любым ли деревом это происходит и почему?

2. Понаблюдайте за своей собственной тенью. Вся ли она одинаково резкая? Какая часть тени ствола дерева более отчётливая? Будет ли одинаковой по размеру ваша тень утром, в обед и к вечеру?

3. Почему длинная аллея деревьев на значительном расстоянии от наблюдателя кажется сходящейся в одну точку?

4. а) Рассмотрите вблизи росинку на стебельке травы и лист растения, покрытый росой. Каким кажется лист? Посмотрите на него под разными углами. Что вы видите? Объясните явление. Посмотрите на относительно большие плоские капли росы. Какими они кажутся, если смотреть на них под сравнительно большим углом? Почему? Сделайте аргументированные выводы из проведённых наблюдений.

б) Если рассматривать пейзаж через дождевую каплю, медленно стекающую по стеклу движущегося автомобиля, автобуса или трамвая, то предметы кажутся перевёрнутыми и «движущимися» в противоположном направлении по сравнению с теми же объектами, если на них смотреть через чистое стекло. Пронаблюдайте и объясните. Можно проделать следующее: возьмите стеклышко и капните на него каплю воды; держите стекло перед собой, смотрите на каплю и перемещайтесь, как будто вы едете в автомобиле.

в) Ветровое стекло автомобиля во время дождя покрывается каплями воды. Объясните, в чём причины плохой видимости, которую создаёт это явление, и назовите возможные пути борьбы с ним.

5. а) Измерьте расстояние до выбранного объекта (дерево, дом), находящегося через дорогу (реку, озеро). Для этого используйте метод триангуляции.

Метод триангуляции. Из двух точек, расстояние между которыми известно, находят направление на объект. По известному расстоянию L и углам и можно вычислить все элементы треугольника и, в частности, его высоту h, которая и будет искомой длиной.

б) Используя этот же метод, определите высоту объекта.

Где можно использовать такой способ определения расстояния до объекта и его высоты?

Для демонстрации таких явлений, как миражи, можно порекомендовать учащимся следующее:

1. В жаркий летний день пронаблюдайте за разогретым полотном асфальтированной дороги. Не кажется ли вам, что дорога покрыта лужами воды? При каком условии это возможно? Определите, под каким углом можно увидеть мираж. Измерьте температуру асфальта (предложите свой способ) и температуру воздуха, прилегающего к асфальту. Объясните физическую сущность явления и сделайте вывод.

2. Если луг лежит на равнине, то весной, в яркие солнечные дни после прохладных ночей, можно увидеть по всему горизонту белую полосу, над которой как бы плавают в воздухе, ни на что не опираясь, дома и верхушки деревьев. Наклонившись, вы увидите, что и ближе к вам ландшафт искажён: появляются какие­то лужи воды, отражающие дома на фоне чистого неба. Мираж лучше виден, если смотреть в направлении солнца. Измерьте температуру воздуха у поверхности почвы и на высоте 1 м от поверхности. Если разность температур будет превышать 6–7 °С, то явление будет хорошо заметно. Пронаблюдайте и объясните его физический смысл.

Задания на дом. Каждой из двух групп составить письменный отчёт об экскурсии с объяснением наблюдений.

Подведение итогов. Отчёты проверяются и на следующем уроке анализируются учителем.

КРАТКОЕ ОБЪЯСНЕНИЕ НАБЛЮДЕНИЙ

I группа

1. Световые дорожки появляются вследствие отражения света от поверхности воды, взволнованной ветром. Свет виден вдоль линии пересечения поверхности воды с вертикальной плоскостью, проходящей через наш глаз и источник света. Луч от источника S отражается от зеркала А и попадает в глаз наблюдателя. Если переместить зеркало в точку N, то отражённый свет попадёт в глаз, только если зеркалу придать наклон, что соответствует наклону поверхности воды на волне.

Аналогичная ситуация возникает при наклоне зеркала в противоположную сторону. Точки N, N1 представляют крайние положения волн, когда отражённый свет ещё будет попадать в наш глаз. Расстояние NN1 является длиной световой дорожки.

Чем больше наклон зеркала N (что соответствует большей высоте и крутизне волн), тем больше расстояние NN1.

Ясно, что при идеально спокойной поверхности воды световая дорожка наблюдаться не будет.

2. Наблюдатель видит солнце выше дерева, в то время как в отражении солнце загорожено деревом.

4. Пусть Н – истинная глубина водоёма. Точка А находится на дне водоёма. Луч света из т. А попадает в точку раздела двух сред O и, преломившись, попадает в глаз наблюдателя – т. В. Глаз проецирует т. А в т. А1, и глубина водоёма нам кажется равной h.

Из рисунка видно, что кажущаяся глубина водоёма h зависит от истинной глубины H и от угла наблюдения . Выразим эту зависимость математически:

Из АОС и А1ОС имеем:

Исключив из этих уравнений ОС, получим:

Так как sin = n sin , получим:

Таким образом:

а) Водоём нам кажется мельче, чем он есть на самом деле. Глубина будет казаться максимальной при = 0°, т.к. sin 0° = 0.

б) Чем больше – угол, под которым мы смотрим в водоём на предмет, тем меньше нам кажется глубина, на которой он находится. Следовательно, истинное положение предмета более искажено. Поэтому нам труднее попасть в него палкой.

в

II группа

1. В тени деревьев видны беспорядочно расположенные на земле светлые пятна различной величины, но одинаковой эллиптической формы. Их образуют солнечные лучи, проникающие через просветы в листве деревьев. Эти светлые пятна – изображение Солнца.

Как же объяснить эллиптическую форму изображения Солнца?

Направим луч света перпендикулярно на лист бумаги – мы увидим круглое пятно. Поднимем лист выше – пятно станет меньше. Отсюда следует, что пучок лучей, образующих такое пятно, имеет форму конуса. Наклоним лист – пятно примет форму эллипса.

Почему же на земле получается изображение Солнца, а не отверстия? Рассмотрим рисунок.

Пусть AB – предмет, A1B1 – изображение предмета, СD – отверстие в ширме. Мы видим, что лучи, выходящие из какой­либо точки предмета, например А, и проходящие через отверстие, дают на экране изображение этой точки в виде пятна А1, размеры которого тем меньше, чем меньше отверстие и чем дальше точка А от него. Такие пятна получаются от всех точек предмета. Они дают изображение предмета АВ, которое тем меньше размыто по краям, чем меньше отверстие и чем дальше предмет. Форма изображения при этом очень мало зависит от формы отверстия.

2. Тень ног резко очерчена, тень головы расплывчата. Тень нижней части ствола дерева или столба отчётлива, а тень более высоких частей всё более расплывчата. Причину этого явления следует искать в том факте, что Солнце не есть просто точка, точечный источник света. Рассмотрим рисунок:   SS' – неточечный источник, АВ – предмет, CD и FN – области полутени, DF – область полной тени, Э – экран. В первом случае предмет находится дальше от экрана Э, его изображение менее резкое, область полутени большая. Во втором случае изображение предмета более резкое, т.к. предмет расположен ближе к экрану. То же происходит и при освещении любого предмета. Те части его, которые дальше от земли, дают менее чёткое изображение, а те части, которые ближе к земле, – более чёткое.

 

 

3.   Чем больше расстояние до предмета, тем меньше угол, под которым мы видим его.

4. а) Рассмотрим росинку… Крошечные шарообразные капли не смачивают листок – область касания мала, между каплей и листком много воздуха. Лист, покрытый росой, кажется серым изза того, что лучи света отражаются в крошечных каплях и снаружи, и изнутри; большое число лучей даже не достигает самой травинки. Большие плоские капли кажутся серебряными, если на них смотреть под сравнительно большим углом, – в этом случае лучи полностью отражаются задней поверхностью капли.

Выберем большую каплю и посмотрим на неё одним глазом. Мы увидим, как появляются цвета сразу же, как только угол зрения относительно направления падения луча станет достаточно большим. Сначала мы увидим голубой цвет, затем – зелёный, затем – совершенно отчётливо – жёлтый, оранжевый и красный. Это и есть то явление, которое мы часто наблюдаем в больших масштабах в радуге.

б) Капли дождя на окнах вагона создают крошечные изображения, подобно сильным линзам. Эти изо­бражения, конечно, искажены, поскольку капля по форме далека от совершенной линзы. Очень интересно, что изображения перевёрнуты («вверх ногами»). Хотя пейзаж движется в направлении, противоположном движению поезда, мы видим, что его изображение движется в том же направлении, что и поезд.

Наталия Валерьевна Плешко

Наталия Валерьевна Плешко окончила РПГУ им. А.И.Герцена, учитель физики 1-й квали­фикационной категории, педагогический стаж 9 лет. В семье растут два сына – ученики 8го и 1-го классов. Все очень любят выбираться на природу, в лес. Последние четыре года всей семьёй уезжают на машине в карельские леса – с палаткой, лодкой, удочками. Кредо учителя: «Уча других, учусь сама».