Эксперимент

Компьютерный физический эксперимент

Продолжение. См. № 1, 3, 5, 7, 9, 11, 15, 17, 19, 23/2009, 1, 3/2010

7. Компьютерные физические конструкторы (продолжение)

7.6. Геометрические конструкторы. В этой статье я познакомлю читателей с оптическими конструкторами. Следует отметить, что универсальных оптических конструкторов, которые охватывали бы всю оптику – геометрическую, волновую и квантовую, – я пока не встречал. Поэтому остановлюсь в основном на наиболее популярном – «Lens2» [1]. (С конструированием волновых и квантовых процессов читатель может познакомиться в газете «Физика-ПС» [2].) Программа бесплатна, но т. к. она написана на языке VB, то требуется установка библиотеки VBRUN300.DLL. Файл установки (vbrun300.exe) этой библиотеки тут же. Распакуйте архив и запустите lens2.exe. Если не запустится – то сначала vbrun300.exe, а потом lens2.exe.

Программа имеет стандартный интерфейс. Меню содержит четыре раздела: Демонстрации, Задание, Параметры, Выход.

В меню Демонстрации имеются пять подменю: Исследование пластинки, Исследование линзы, Исследование системы линз, Исследование сферического зеркала, Исследование зеркально-линзовой системы. Они позволяют, как видно из названий, конструировать виртуальные эксперименты с вышеперечисленными оптическими приборами и системами.

В меню Задание в регистрированной версии конструктора учитель размещает задания для учащихся.

В меню Параметры находится диалоговое окно Параметры.

В панели Источник можно выбрать высоту предмета (от 0,5 до 3 см) и его расположение относительно главной оптической оси. Если предмет должен располагаться на оптической оси оптической системы, то в окне Всегда на оси необходимо поставить галочку. Если планируется помещать изображение в любую точку рабочего стола программы, то это окно необходимо оставить пустым.

В панели Число лучей можно изменять количество лучей от 2 до 10. Если необходимо изменить апертуру, то в соответствующем окне надо поставить галочку.

В нижней части диалогового окна находится панель с определением цветов.

После выбора нужных параметров нажмите кнопку Да и начинайте работу.

1. Отражение света в плоском зеркале. Геометрическая оптика начинается с изучения вопросов, связанных с отражением света. В данном конструкторе тоже есть раздел, в котором рассматривается отражение света от плоских и сферических зеркал. Рассмотрим отражение света от плоского зеркала. В меню Демонстрации откройте подменю Исследование сферического зеркала.

Так как мы ещё не задавали радиуса кривизны сферического зеркала, то по умолчанию он равен бесконечности, т. е. зеркало будет плоским. В панели инструментов, находящейся сразу под меню, в качестве предмета возьмём точечный источник света и поместим его на рабочий стол слева от зеркала. В меню Параметры выберем 5 лучей. В панели инструментов, находящейся под панелью Меню, с помощью мышки выберем точечный источник света (он имеет форму светящейся звёздочки) и поместим его в произвольную точку рабочего стола. На рабочем столе появятся отражённые лучи, их продолжение и мнимое изображение точечного источника света. С помощью линеек, обрамляющих рабочий стол, можно проверить правильность выполнения построения изображения.

Здесь должны выполняться два условия – предмет и изображение должны находиться: а) на одинаковых расстояниях от зеркала; б) на одной прямой линии, параллельной главной оптической оси. Проверяем. В данном случае предмет находится от зеркала на расстоянии 7,6 см, изображение – на таком же расстоянии от зеркала. Предмет и изображение находятся на линии, параллельной главной оптической оси. Таким образом, оба условия выполняются. Следовательно, изображение построено правильно.

На этой модели можно выяснить, как изменится расстояние от изображения до зеркала при изменении расстояния от предмета до зеркала, а также решать стандартные задачи на плоские зеркала. Например: как изменится расстояние между предметом и изображением предмета в плоском зеркале, если предмет отодвинуть от зеркала (придвинуть к нему) на 2 см? После решения этой задачи можно проверить ответ, перемещая предмет на рабочем столе программы.

Так как, к сожалению, в школьном курсе физики не изучаются сферические зеркала, то для продвинутой части учеников я их рассмотрю несколько позже – в системах линз и зеркал.

 

2. Опыты с плоскопараллельной пластинкой. В меню Демонстрации откроем подменю Исследование пластинки – на рабочем столе появится плоскопараллельная пластинка. В меню Параметры выберем 5 лучей. В нижней части рабочего стола находятся два окна для ввода толщины пластинки и показателя преломления вещества, из которого сделана пластинка. Толщину пластинки советую сделать 4–5 см, чтобы лучше увидеть преломление лучей в ней. В панели инструментов, находящейся под панелью Меню, с помощью мышки выберем точечный источник света и поместим его в произвольную точку на главной оптической оси плоскопараллельной пластинки.

На рабочем столе появятся лучи, падающие на плоскопараллельную пластинку, преломлённые в пластинке, выходящие из пластинки, и мнимое изображение, получившееся на продолжении лучей, вышедших из пластинки. С помощью линеек, обрамляющих рабочий стол, можно проверить, насколько верно в программе введены толщина пластинки, показатель преломления пластинки, и вычислить скорость света в пластинке, если принять, что вне пластинки она равна с.

Изменяя параметры плоскопараллельной пластинки и расположение источника света на рабочем столе, вы можете предлагать учащимся самые разнообразные экспериментальные задачи. В качестве примера предлагаю такие: получить зависимость расстояния от изображения до источника света: а) от толщины и показателя преломления плоскопараллельной пластинки; б) от расстояния между источником света и плоскопараллельной пластинкой.

 

3. Опыты с плоским зеркалом и плоскопараллельной пластинкой. Для развития мыслительных способностей учащихся полезно предложить оптическую систему, состоящую из плоского зеркала и плоскопараллельной пластинки. В меню Демонстрации откроем подменю Исследование сферического зеркала. Как уже говорилось, по умолчанию зеркало будет плоским. В панели инструментов, находящейся сразу под меню, в качестве предмета возьмём светящуюся стрелку – на рабочем столе появится мнимое изображение предмета.

А теперь ставим задачу: что произойдёт с изображением, если перед предметом и зеркалом поместить плоскопараллельную пластинку с заданными значениями толщины и показателя преломления? Разъясняем, что могут измениться высота изображения и расстояние от изображения до зеркала. После решения задачи проводим эксперимент и сверяемся с результатами, полученными учащимися.

При желании учитель сам может придумать серию разнообразных задач или предложить учащимся придумать свои задачи.

 

4. Опыты с линзами. В меню Демонстрации откроем подменю Исследование линзы – на рабочем столе появится линза. В меню Параметры выберем 5 лучей. В нижней части рабочего стола находятся три окна для ввода радиусов кривизны линзы (точнее, 1/R₁ и 1/R₂) и показателя преломления.

Пусть 1/R₁ = 0,2 см^–1; 1/R₂ = 0,2 см^–1, а n = 1,6. Тогда по формуле линзы, которая приведена в нижней части рабочего стола, F = 4,17 см.

Пустим на линзу параллельный пучок лучей. Эти лучи соберутся в фокусе линзы.

Определим с помощью линейки фокусное расстояние линзы. С этой целью измерим расстояние от оптического центра линзы до точки, в которой пересеклись преломлённые лучи. Оно действительно равняется 4,17 см. При желании опыты с линзами можно продолжить. Задавая различные положительные и отрицательные значения 1/R₁ и 1/R₂ и n, можно исследовать ход лучей как в собирающих, так и рассеивающих линзах.

 

Литература

1. Программa «lens2.exe» // Л.В. Пигалицын. Компьютерные технологии в преподавании физики и астрономии. [Электронный ресурс]. URL: http://www.physics-computer.by.ru
2. Пигалицын Л.В. Компьютерный физический эксперимент // Физика-ПС. 2008. № 21; 2009. № 1; № 11. Изд. дом «1 сентября».

Продолжение следует