Гипермаркет знаний>>Физика>>Физика 7 класс>> Преломление света 

• Почему ложка,  опущенная в стакан с  водой,  кажется  нам  сломан­ной  на  границе  воздуха  и  воды?  Что  такое  оптическая  плотность среды?  Как  ведет  себя  свет,  переходя  из  одной  среды  в  другую?  Обо всем  этом  вы узнаете из  этого  параграфа.

1.  Проводим опыты по преломлению света

Проведем  такой  эксперимент.  Направим  на  поверхность  воды  в  ши­роком  сосуде  узкий  пучок  света  под  некоторым  углом  к  поверхности.  Мы заметим,  что в  точках  падения лучи не  только  отражаются  от  поверхности воды,  но  и  частично  проходят  в  воду,  изменяя  при  этом  свое  направление (рис.  3.33).

• Изменение направления  распространения света  в случае его  прохождения  че­рез  границу раздела  двух сред  называют  преломлением  света.

Первое  упоминание  о  преломлении  света  можно  найти  в  работах  древ­негреческого философа Аристотеля,  который  задавался  вопросом:  почему палка в воде  кажется  сломанной? А в  одном из  древнегреческих  трактатов описан такой  опыт:  «Нужно  встать  так,  чтобы плоское  кольцо,  положенное на дно сосуда,  спряталось за его краем.  Потом,  не изменяя положения глаз, налить  в  сосуд  воду. 

Рис. 3.33  Схема опыта по демонстрации преломления света. Переходя из воздуха в воду, луч све­та изменяет свое направление, смещаясь к перпендикуляру, восставленному в точке падения луча

Луч  света  преломится  на  поверхности  воды,  и  кольцо станет  видимым». Аналогичный  опыт  проиллюстрирован на рис.  3.34.

2. Выясняем причину преломления света

Так почему же свет,  переходя из одной  среды в другую,  изменяет свое направление?
Мы уже знаем,  что свет в  вакууме распространяется хотя и  с  огромной, но тем не менее конечной скоростью —  около 300 000 км/с.  В любой другой среде скорость света меньше,  чем в вакууме.

Рис. 3.34  ца рИсунке и схеме слева в чашке нет воды: пучок света, отраженный монетой, не попада­ет в глаз наблюдателя, поэтому он не видит монеты. На рисунке и схеме справа в чашку налита вода: отраженный монетой свет, преломляясь на границе «вода —  воздух», достигает глаза наблюдате­ля —  его глаз расположен так же, как и прежде, но монета становится для наблюдателя видимой

Например,  в воде скорость све­та в 1,33 раза меньше, чем в вакууме; когда свет переходит из воды в алмаз, его скорость уменьшается  еще в  1,8 раза;  в  воздухе  скорость  распростране­ния  света в  2,4  раза больше,  чем  в алмазе,  и лишь немного  ( ~ 1,0003  раза) меньше скорости света в вакууме. Именно изменение скорости  света в слу­чае  перехода  из  одной  прозрачной  среды  в  другую  является  причиной  пре­ломления света.

Принято говорить об оптической плотности среды: чем меньше скорость распространения  света  в  среде,  тем  большей  является  оптическая  плот­ность среды.

Так,  воздух  имеет  большую  оптическую  плотность,  чем  вакуум,  по­скольку  в  воздухе  скорость  света  несколько  меньше,  чем  в  вакууме.  Опти­ческая плотность воды меньше,  чем оптическая плотность алмаза,  посколь­ку скорость света в воде  больше,  чем в алмазе.

Чем  больше  отличаются  оптические  плотности  двух  сред,  тем  более преломляется  свет  на  границе  их  раздела.  Другими  словами,  чем  больше изменяется  скорость  света  на  границе раздела  двух  сред,  тем  сильнее он преломляется.

3. Устанавливаем закономерности преломления света

Рассмотрим  явление  преломления  света  подробнее.  Для  этого  снова воспользуемся  оптической  шайбой.  Установив  в  центре  диска  стеклянный полуцилиндр,  направим на него узкий пучок света (рис.  3.35).  Часть пучка отразится от поверхности полуцилиндра,  а часть пройдет сквозь него,  изме­нив  свое направление  (преломится).

На схеме по правую сторону луч SO задает направление падающего пуч­ка света, луч OK — направление отраженного пучка, луч OB — направление преломленного  пучка; MN —  перпендикуляр,  восставленный  в  точке  паде­ния луча SO.

Рис. 3.35.  Наблюдение преломления света с помощью оптической шайбы. 

Рис. 3.36  Установление закономерности преломления света  (а,, а 2 —  углы падения, у,, у2 —  углы
преломления). В случае увеличения угла падения света увеличивается и угол его преломления.
Если свет падает из среды с меньшей оптической плотностью в среду с большей оптической
плотностью (из воздуха в стекло) (а), то угол падения больше угла преломления. Если наоборот
(из стекла в воздух)  (б), то угол преломления больше угла падения

Все указанные лучи лежат в одной плоскости —  в плоскости поверхности  диска.

Угол,  образованный  преломленным  лучом  и  перпендикуляром  к  границе деления  двух  сред,  восставленным  в  точке  падения  луча,  называется  уг­лом преломления.

Если  теперь  увеличить  угол  падения,  то  мы  увидим,  что  увеличится и угол преломления. Уменьшая угол падения, мы заметим уменьшение угла преломления  (рис.  3.36).

Соотношение  значений  угла  падения  и  угла  преломления  в  случае  пе­рехода  пучка  света  из  одной  среды  в  другую  зависит  от  оптической  плот­ности  каждой  из  сред.  Если,  например,  свет  падает  из  воздуха  в  стекло (рис.  3.36,  а),  то угол  преломления  всегда  будет меньшим,  чем угол падения . Если же луч света направить из стекла в воздух (рис. 3.36, б), то угол преломления всегда будет большим, чем угол падения  .

Рис. 3. 36. Лучи света, идущие, например, от камешка К, лежаще­го на дне водоема, преломляются на границе «вода —  воздух». В результате мы видим мнимое изображение камешка —  K₁ и, соответственно, мнимое
изображение дна. Таким обра­зом, определяя на глаз глубину водоема, мы ошибаемся: нам ка­жется, что глубина водоема —  h₁ вместо реальной глубины h.  (Чем меньше угол, под которым мы рассматриваем дно, тем больше погрешность.)

Напомним, что оптическая плотность стекла больше  оптической  плотности  воздуха,  и  сфор­мулируем закономерности преломления света.

1.  Луч  падающий, луч  преломленный  и  перпен­дикуляр  к  границе  раздела  двух  сред,  вос­ставленный  в  точке  падения  луча,  лежат в  одной  плоскости.

2. Существуют такие  соотношения между уг­лом  падения  и углом  преломления:

а) в  случае  увеличения  угла  падения  увели­чивается и угол  преломления;

б) если луч света переходит из среды с мень­шей  оптической  плотностью  в  среду с  большей  оптической  плотностью,  то угол  преломления будет меньше,  чем  угол падения;

в) если  луч  света  переходит  из  среды с  большей  оптической  плотностью  в  сре­ду  с  меньшей  оптической  плотностью, то  угол  преломления  будет  большим,  чем угол  падения.

(Следует  отметить,  что  в  старших  классах, после изучения курса тригонометрии,  вы глуб­же познакомитесь с преломлением света и узна­ете  о нем на уровне  законов.)

4. Объясняем преломлением света некоторые оптические явления

Когда мы,  стоя на берегу водоема,  стара­емся на  глаз  определить  его  глубину,  она всег­да  кажется  меньшей,  чем  есть  на  самом  деле. Это  явление  объясняется  преломлением  света (рис.  3.37).

Следствием преломления  света в  атмосфере Земли является  тот факт,  что мы  видим Солн­це  и  звезды  немного  выше  их  реального  поло­жения  (рис.  3.38).  Преломлением  света  можно объяснить еще много природных явлений:  воз­никновение миражей,  радуги и др.

Явление преломления света является основой работы  многочисленных  оптических  устройств (рис.  3.39).  С  некоторыми  из  них  мы  познако­мимся  в  следующих  параграфах,  с  некоторы­ми — в ходе дальнейшего изучения физики.

Рис. 3. 38. Пучок световых лучей, идущий от Солнца  (положение Солнца —  S), преломляется  (кри­вая а) в атмосфере Земли. Наблюдателю кажется, что свет распространяется по прямой b и что Солнце расположено выше, чем на самом деле (положение S₁)

• Подводим итоги

Световой пучок,  падая  на  границу  раздела двух  сред,  имеющих  раз­ную оптическую плотность, делится на два пучка. Один из них — отражен­ный —  отражается  от  поверхности,  подчиняясь  законам  отражения  света.
Второй —  преломленный —  проходит через  границу раздела в другую  сре­ду,  изменяя  свое направление.

Причина  преломления  света  —  изменение  скорости  света  в  случае  пе­рехода  из  одной  среды  в  другую.  Если  во  время  перехода  света  из  одной среды  в  другую  скорость  света уменьшилась,  то  говорят,  что  свет перешел из  среды  с  меньшей  оптической плотностью  в  среду  с  большей  оптической плотностью,  и наоборот.

Преломление  света происходит  по  определенным  законам.

Рис. 3. 39. Оптические устройства, работа которых базируется на явлении преломления света

• Контрольны вопросы

1. Какое  явление мы наблюдаем,  когда  свет проходит через  границу раздела двух  сред? 

2.  Какие  опыты подтверждают явление  прелом­ления  света  на  границе  раздела  двух  сред? 

3. В  чем  причина  пре­ломления  света? 

4.  Скорость  света  в  воде  в  1,3  раза  меньше,  чем скорость  света  в  воздухе.  Какая  среда  имеет  большую  оптическую плотность? 

5.  Какой угол называется углом преломления? 

6.  Сфор­мулируйте закономерности преломления  света.

• Упражнения 

1. Определите угол падения луча,  если преломленный луч  перпенди­кулярен  к  границе раздела двух  сред.

2. Перенесите рисунок в тетрадь.  Считая,  что среда  I  имеет большую оптическую  плотность,  чем  среда  2,  для  каждого  случая  схема­тически  постройте  падающий  или  преломленный  луч,  обозначьте угол падения и угол преломления.

3.  Пучок света падает из воздуха на поверхность стекла (см.  рисунок). Перенесите  рисунок  в  тетрадь  и  схематически  покажите  дальней­ший ход пучка света в стекле и воздухе.

4 . Луч  света  падает  из  воздуха  в  воду  под  углом  60° .  Угол  между отраженным  и  преломленным  лучами  составляет  80° .  Вычислитеугол преломления луча.

5. Вычислите скорость света в  алмазе.

6.  Если  смотреть на предметы  сквозь теплый воздух,  который подни­мается от костра,  то будет казаться,  что предметы колеблются. По­чему?

7.  В  чистом  пруду  можно  видеть  рыб.  Глубина,  на  которой  плавает рыба, меньше,  больше или равна той глубине,  на которой вы ее ви­дите? Обоснуйте свой  ответ с помощью  схематического рисунка.

• Экспериментальные задания

1. Покажите  и  объясните  кому-нибудь  из  своих  друзей  или  близких упомянутый  в  параграфе  опыт  с  кольцом,  который  был  описан в  одном из древнегреческих  трактатов  (понятно,  что  вместо кольца
можно  воспользоваться и другим предметом).

2. Приготовьте насыщенный раствор поваренной соли, прибавляя соль в  теплую  воду  до  тех  пор,  пока  соль  не  перестанет  растворяться. Дайте  раствору  отстояться  в  течение нескольких  часов  и  осторож­но  перелейте  его  в  чистую  банку.  Опустите  в  раствор  стеклянную палочку  (шарик).  Объясните,  почему  погруженный  предмет  прак­тически не виден.

• Физика и техника в Украине

Выдающийся  физик Леонид Исаакович Мандельштам  (1879—1944)  родился  в  Могилеве.  В  скором  времени  семья  переехала в  Одессу,  где Мандельштам  учился  в  гимназии.  Co  временем  он  за­кончил физико-математический факультет Новороссийского универ­ситета.

Л.  И.  Мандельштам  изучал  распространение  электромагнитных волн, прежде всего —  видимого света. Он обнаружил  целый  ряд эф­фектов,  некоторые ныне  носят его  имя  (комбинационное рассеяние света, эффект Мандельштама— Бриллюена  и  т.  п.).

Огромна роль Л. И. Мандельштама в подготовке новых поколений физиков.  Он  был  одним  из  организаторов  Политехнического  инсти­тута в Одессе. Среди его учеников —  выдающиеся физики И. Е. Тамм, M  Д. Папалекси, М. О. Леонтович,  Г. С. Ландсберг и другие.

Физика. 7 класс: Учебник / Ф. Я. Божинова, Н. М. Кирюхин, Е. А. Кирюхина. — X.: Издательство «Ранок», 2007. — 192 с.: ил.

Содержание урока
 конспект урока и опорный каркас
 презентация урока
 интерактивные технологии 
 акселеративные методы обучения

Практика
 тесты, тестирование онлайн
 задачи и упражнения 
 домашние задания
 практикумы и тренинги
 вопросы для дискуссий в классе

Иллюстрации
 видео- и аудиоматериалы
 фотографии, картинки 
 графики, таблицы, схемы
 комиксы, притчи, поговорки, кроссворды, анекдоты, приколы, цитаты

Дополнения
 рефераты
 шпаргалки 
 фишки для любознательных 
 статьи (МАН)
 литература основная и дополнительная
 словарь терминов

Совершенствование учебников и уроков
 исправление ошибок в учебнике
 замена устаревших знаний новыми 

Только для учителей
 календарные планы
 учебные программы
 методические рекомендации  
 обсуждения

 Идеальные уроки-кейсы

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.

Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь - Образовательный форум.