Гіпермаркет Знань>>Фізика і астрономія>>Фізика 7 клас>> Фізика: Заломлення світла. Лінзи. Побудова зображень, що дає тонка лінза. Формула тонкої лінзи

  § 23. ЗАЛОМЛЕННЯ СВІТЛА
  ■ Чому ложка, опущена в склянку з водою, здається нам зламаною на межі повітря і води? Що таке оптична густина середовища? Як поводиться світло, переходячи з одного середовища в інше? Про все це ви дізнаєтеся з цього параграфа.

   1. Проводимо досліди із заломлення світла
  Проведемо такий експеримент. Спрямуємо на поверхню води в широкій посудині вузький пучок світла під деяким кутом до поверхні. Ми помітимо, що в точках падіння промені не тільки відбиваються від поверхні води, а й частково проходять у воду, змінюючи при цьому свій напрямок (рис. 3.33).
  Зміну напрямку поширення світла в разі його проходження через межу поділу двох середовищ називають заломленням світла.
  Першу згадку про заломлення світла можна знайти в працях давньогрецького філософа Арістотеля, який ставив собі питання: чому палиця у воді здається переламаною? А в одному з давньогрецьких трактатів описано такий дослід: «Потрібно стати так, щоб пласке кільце, покладене на дно посудини, сховалося за її краєм. Потім, не змінюючи положення очей, налити в посудину воду. Промінь світла заломиться на поверхні води, і кільце стане видним». Аналогічний дослід проілюстровано на рис. 3.34.

Рис. 3.34. На рисунку та схемі ліворуч у чашці немає води; пучок світла, відбитий монетою, не тотрапляє в око спостерігачеві, тому той монети не бачить. На рисунку та схемі праворуч у чашку  налито воду; відбите монетою світло, заломлюючись на межі «вода — повітря», сягає ока спостерігача — його око розташоване так само, як і доти, проте монета стає для спостерігача видимою

2. Зясовуємо причину заломлення світла

  То чому ж світло, переходячи з одного середовища в інше, змінює свій напрямок?
Ми вже знаємо, що світло у вакуумі поширюється хоч і з величезною, проте скінченною швидкістю — близько 300 000 км/с. У будь-якому іншому середовищі швидкість світла є меншою, ніж у вакуумі. Наприклад, у воді швидкість світла в 1,33 разу менша, ніж у вакуумі; коли світло переходить із води в алмаз, його швидкість зменшується ще в 1,8 разу; у повітрі швидкість поширення світла у 2,4 разу більша, ніж в алмазі, і лише трохи (~1,0003 разу) менша за швидкість світла у вакуумі. Саме зміна швидкості світла в разі переходу з одного прозорого середовища в інше є причиною заломлення світла.
  Прийнято говорити про оптичну густину середовища: чим менша швидкість поширення світла в середовищі, тим більшою є оптична густина середовища.
  Так, повітря має більшу оптичну густину, ніж вакуум, оскільки в повітрі швидкість світла дещо менша, ніж у вакуумі. Оптична густина води менша, ніж оптична густина алмазу, оскільки швидкість світла у воді більша, ніж в алмазі.
  Чим більше відрізняються оптичні густини двох середовищ, тим більше заломлюється світло на межі їх поділу. Іншими словами, чим більше змінюється швидкість світла на межі поділу двох середовищ, тим сильніше воно заломлюється.

  3. Установлюємо, що відбувається під час заломлення світла
  Розгляньмо явище заломлення світла докладніше. Для цього знову скористаємося оптичною шайбою. Установивши в центрі диска скляний півциліндр, спрямуємо на нього вузький пучок світла (рис. 3.35). Частина пучка відіб'ється від поверхні півциліндра, а частина пройде крізь неї, змінивши свій напрямок (заломиться).
 
Рис. 3.35. Спостереження заломлення світла за допомогою оптичної шайби, а — кут падіння, (B — кут відбивання, y— кут заломлення світлового пучка
  На схемі праворуч промінь SО задає напрямок падаючого пучка світла, промінь ОК — напрямок відбитого пучка, промінь ОВ — напрямок заломленого пучка; MN — перпендикуляр, поставлений у точці падіння променя SO. Усі зазначені промені лежать в одній площині — у площині поверхні диска.
  Кут, утворений заломленим променем і перпендикуляром до межі поділу двох середовищ, поставленим у точці падіння променя, називається кутом заломлення.
  Якщо тепер збільшити кут падіння, то ми побачимо, що збільшиться й кут заломлення. Зменшуючи кут падіння, ми помітимо зменшення кута заломлення (рис. 3.36).

Рис. 3.36. Установлення закономірностей заломлення світла (а₁, а₂ — кути падіння, у₁, у₂ — кути заломлення). У разі збільшення кута падіння світла збільшується й кут його заломлення. Якщо світло падає із середовища з меншою оптичною густиною в середовище з більшою оптичною густиною (з повітря в скло) (а), то кут падіння більший за кут заломлення. Якщо навпаки (зі скла в повітря) (б), то кут заломлення більший за кут падіння

  Співвідношення значень кута падіння і кута заломлення у випадку переходу пучка світла з одного середовища в друге залежить від оптичної густини кожного із середовищ. Якщо, наприклад, світло падає з повітря на скло (рис. 3.36, а), то кут заломлення завжди буде меншим, ніж кут падіння (у₁ < а₁, у₂ < а₂). Якщо ж промінь світла спрямувати зі скла в повітря (рис. 3.36, б), то кут заломлення завжди буде більшим, ніж кут падіння (у₁ > а₁, у₂ > а₂).
  Нагадаємо, що оптична густина скла є більшою від оптичної густини повітря, і сформулюємо закономірності заломлення світла.
1. Промінь падаючий, промінь заломлений і перпендикуляр до межі поділу двох середовищ, поставлений у точці падіння променя, лежать в одній площині.
2. Існують такі співвідношення між кутом падіння і кутом заломлення:
   а) у разі збільшення кута падіння збільшується й кут заломлення;
   б) якщо промінь світла переходить із середовища з меншою оптичною густиною в середовище з більшою оптичною густиною, то кут заломлення є меншим, ніж кут падіння;
   в) якщо промінь світла переходить із середовища з більшою оптичною густиною в середовище з меншою оптичною густиною, то кут заломлення є більшим, ніж кут падіння.
   (Слід зазначити, що в старших класах, після вивчення курсу тригонометрії, ви глибше познайомитесь із заломленням світла і дізнаєтеся про нього на рівні законів.)

 4. Пояснюємо заломленням світла деякі оптичні явища
  Коли ми, стоячи на березі водойми, намагаємося на око визначити її глибину, вона завжди здається меншою, ніж є насправді. Це явище пояснюється заломленням світла (рис. 3.37).
  Наслідком заломлення світла в атмосфері Землі є той факт, що ми бачимо Сонце й зорі трохи вище від їхнього реального положення (рис. 3.38). Заломленням світла можна пояснити ще багато природних явищ: виникнення міражів і веселки та ін.
  Явище заломлення світла є основою роботи численних оптичних пристроїв (рис. 3.39). Із деякими з них ми познайомимось у наступних параграфах, із деякими — в ході подальшого вивчення фізики.

Рис. 3.37. Промені світла, що йдуть, наприклад, від камінця К, який лежить на дні водойми, заломлюються на межі «вода — повітря». У результаті ми бачимо уявне зображення камінця — K₁ і, відповідно, уявне зображення дна. Таким чином, визначаючи на око глибину водойми, ми помиляємося: нам здається, що глибина водойми — h₁, замість реальної глибини h. (Чим меншим є кут, під яким ми роздивляємося дно, тим більша похибка.)

Рис. 3.38. Пучок світлових променів, який іде від Сонця (положення Сонця — S), заломлюється (крива а) в атмосфері Землі. Спостерігачеві здається, що світло поширюється по прямій b і, що Сонце є розташованим вище, ніж насправді (положення S₁)

  ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ
  Світловий пучок, падаючи на межу поділу двох середовищ, які мають різну оптичну густину, поділяється на два пучки. Один із них — відбитий — відбивається від поверхні, підпорядковуючись законам відбивання світла. Другий — заломлений — проходить через межу поділу в друге середовище, змінюючи свій напрямок.
  Причина заломлення світла — зміна швидкості світла в разі переходу з одного середовища в інше. Якщо під час переходу світла з одного середовище в інше швидкість світла зменшилася, то говорять, що світло перейшло із середовища з меншою оптичною густиною в середовище з більшою оптичною густиною, і навпаки.

Заломлення світла відбувається за певними законами.

Рис. 3.39. Оптичні пристрої, робота яких базується на явищі заломлення світла

  Контрольні запитання
1 Яке явище ми спостерігаємо, коли світло проходить через межу поділу двох середовищ? 2. Які досліди підтверджують явище заломлення світла на межі поділу двох середовищ? 3. У чому причина заломлення світла? 4. Швидкість світла у воді в 1,3 разу менша, ніж швидкість світла в повітрі. Яке середовище має більшу оптичну густину? 5. Який кут називається кутом заломлення? б. Сформулюйте закономірності заломлення світла.

  Вправи

1. Визначте кут падіння променя, якщо заломлений промінь є перпендикулярним до межі поділу двох середовищ.

2. Перенесіть рисунок до зошита. Вважаючи, що середовище 1 має більшу оптичну густину, ніж середовище 2, для кожного випадку схематично побудуйте падаючий або заломлений промінь, позначте кут падіння й кут заломлення. 

3. Пучок світла падає з повітря на поверхню скла (див. рисунок). Перенесіть рисунок до зошита та схематично покажіть подальший хід пучка світла в склі та повітрі.
4. Промінь світла падає з повітря у воду під кутом 60° . Кут між відбитим і заломленим променями становить 80° . Обчисліть кут заломлення променя.
5. Обчисліть швидкість світла в алмазі.
6. Якщо дивитися на предмети крізь тепле повітря, яке піднімається від багаття, то здаватиметься, що предмети коливаються. Чому?
7. У чистому ставку можна бачити риб. Глибина, на якій плаває риба, є меншою, більшою чи дорівнює тій глибині, на якій ви її бачите? Обґрунтуйте свою відповідь за допомогою схематичного рисунка.

  Експериментальні завдання
1. Покажіть і поясніть кому-небудь зі своїх друзів чи близьких згаданий у параграфі дослід із кільцем, що був описаний в одному з давньогрецьких трактатів (зрозуміло, що замість кільця можна скористатися й іншим предметом).
2. Приготуйте насичений розчин кухонної солі, додаючи сіль у теплу воду доти, доки сіль перестане розчинятися. Дайте розчину відстоятися протягом кількох годин і обережно перелийте його в чисту банку. Опустіть у розчин скляну паличку (кульку). Поясніть, чому занурений предмет практично не видно.
 
  Фізика й техніка в Україні
 
  Видатний фізик Леонід Ісаакович Мандельштам (1879—1944) народився в Могильові. Незабаром сім'я переїхала до Одеси, де Мандельштам навчався в гімназії. Згодом він закінчив фізико-математичний факультет Новоросійського університету.
  Л. І. Мандельштам вивчав поширення електромагнітних хвиль, перш за все — видимого світла. Він виявив цілий ряд ефектів, деякі нині носять його ім'я (комбінаційне розсіювання світла, ефект Мандельштама—Бриллюена тощо).
  Величезною є роль Л. І. Мандельштама в підготуванні нових поколінь фізиків. Він був одним із організаторів Політехнічного інституту в Одесі. Серед його учнів — видатні фізики І. Є. Тамм, М. Д. Папалексі, М. О. Леонтович, Г. С. Ландсберг та інші.

  § 26. ЛІНЗИ
  ■ На уроках природознавства ви, напевно, користувалися мікроскопом. Дехто з ваших друзів (а може, і ви самі) має окуляри. Най імовірніше, більшість із вас знайомі з біноклем, зоровою трубою, телескопом. Усі ці прилади мають спільне: їхньою основною частиною є лінза.

  1. Знайомимося з різними видами лінз
  Лінзою (сферичною) називають прозоре тіло, обмежене з двох боків сферичними поверхнями (зокрема, одна з поверхонь може бути площиною). За формою лінзи поділяються на опуклі (рис. 3.50) та увігнуті (рис. 3.51).
  Якщо товщина лінзи d у багато разів менша від радіусів R₁і R₂ сферичних поверхонь, що утворюють лінзу, то таку лінзу називають тонкою лінзою (рис. 3.52). Далі, говорячи про лінзу, ми завжди матимемо на увазі таку лінзу.
  Зазвичай опуклі лінзи є збиральними: паралельні промені, що падають на збиральну лінзу, пройшовши крізь неї, перетинаються в одній точці (рис. 3.53).
  Увігнуті лінзи найчастіше бувають розсіювальними: паралельні про мені після проходження крізь розсіювальну лінзу виходять розбіжним пучком (рис. 3.54).

Рис. 3.50. Різні види опуклих лінз у розрізі: а — двоопукла лінза, б — плоско-опукла лінза, в — увігнуто-опукла лінза
 
Рис. 3.51. Різні види увігнутих лінз у розрізі: а — двоувігнута лінза, б — плоско-увігнута лінза, в — опукло-увігнута лінза
 
Рис. 3.52. Тонка сферична лінза: d <<R₁, d << R₂
 
Рис. 3.53. Паралельні промені, заломлюючись у збиральній лінзі, перетинаються в одній точці (праворуч — умовне зображення збиральної лінзи)

Файл:3.54.jpg

Рис. 3.54. Паралельні промені, заломлюючись у розсіювальній лінзі, розходяться (праворуч — умовне зображення розсіювальної лінзи)

  2. Вивчаємо характеристики лінзи
  Проведемо пряму, яка проходить через центри сферичних поверхонь, що обмежують лінзу. Цю пряму називають головною оптичною віссю лінзи. Точку лінзи, яка розташована на головній оптичній осі і через яку промінь світла проходить, не змінюючи свого напрямку, називають оптичним центром лінзи (рис. 3.55). На рисунках оптичний центр лінзи зазвичай позначають літерою О.
  Точку, у якій збираються після заломлення промені, паралельні головній оптичній осі збиральної лінзи, називають дійсним фокусом збиральної лінзи (рис. 3.56).
  Якщо пучок променів, паралельних головній оптичній осі, спрямувати на розсіювальну лінзу, то після заломлення вони вийдуть розбіжним пучком.

Рис. 3.55. Пряма АВ, яка проходить через центри О₁, і O₂ сферичних поверхонь, що обмежують лінзу, називається головною оптичною віссю лінзи. Точка О — оптичний центр лінзи
  
Рис. 3.56. Дійсний фокус збиральної лінзи - точка F 
  Однак їхні продовження зберуться в одній точці на головній оптичній осі лінзи (рис. 3.57). Цю точку називають уявним фокусом розсіювальної лінзи.
  На рисунках фокус лінзи позначають літерою F.
  Відстань від оптичного центра лінзи до фокуса називають фокусною відстанню лінзи.
  Фокусна відстань позначається символом F і вимірюється в метрах. Фокусну відстань збиральної лінзи домовилися вважати додатною (F>0), а розсіювальної — від'ємною F<0).
  Очевидно, що чим сильніші заломлювальні властивості має лінза, тим меншою є її фокусна відстань (рис. 3.58).
  Фізична величина, що характеризує заломлювальні властивості лінзи та обернена до фокусної відстані, називається оптичною силою лінзи.
  Оптична сила лінзи позначається символом D та обчислюється за формулою

        1

D = ------

       F

де F — фокусна відстань лінзи.
  Одиницею оптичної сили є діоптрія.

Рис. 3.58. Чим меншими є радіуси сферичних поверхонь, що обмежують лінзу, тим сильніше ця лінза заломлює світло, отже, тим менша її фокусна відстань F
  1 діоптрія (дптр) — це оптична сила такої лінзи, фокусна відстань якої дорівнює 1 м.
  Якщо лінза збиральна, то її оптична сила є додатною. Оптична сила розсіювальної лінзи є від'ємною. Наприклад, оптична сила лінз у бабусиних окулярах +3 дптр, а в маминих -3 дптр. Це означає, що в бабусиних окулярах стоять збиральні лінзи, а в маминих — розсіювальні.

  ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ
  Прозоре тіло, обмежене з двох боків сферичними поверхнями, називають лінзою. Лінзи бувають збиральними та розсіювальними, а за формою — опуклі та увігнуті.
  Лінза називається збиральною, якщо пучок паралельних променів, що падає на неї, після заломлення в лінзі перетинається в одній точці. Цю точку називають дійсним фокусом лінзи.
  Лінза називається розсіювальною, якщо паралельні промені, що падають на неї, після заломлення в лінзі йдуть розбіжним пучком, однак продовження цих заломлених променів перетинаються в одній точці. Ця точка називається уявним фокусом лінзи.                                                                                                                                                    1
  Фізична величина, що характеризує заломлювальні властивості лінзи та є оберненою до фокусної відстані лінзи, називається оптичною силою лінзи ( D = -----. Оптична сила лінзи вимірюється в діоптріях (дптр).                                                                                                                                                                                                                      F

  Контрольні запитання
1. Що називають лінзою? 2. Які види лінз вам відомі? 3. Чим розсіювальна лінза відрізняється від збиральної? 4. Що називають дійсним фокусом лінзи? 5. Чому фокус розсіювальної лінзи називають уявним? 6. Що називають фокусною відстанню лінзи? 7. Яку фізичну величину називають оптичною силою лінзи? 8. Назвіть одиницю оптичної сили лінзи. 9. Оптичну силу якої лінзи взято за одиницю?

  Вправи 

1. На лінзу спрямували паралельний пучок світла (див. рисунок). Визначте, яка це лінза — збиральна чи розсіювальна. Перенесіть рисунок до зошита. Позначте оптичний центр і фокус лінзи. Виміряйте фокусну відстань лінзи та визначте її оптичну силу.
2. Оптична сила однієї лінзи дорівнює -2 дптр, а другої - + 2 дптр. Чим відрізняються ці лінзи одна від одної? Яка лінза має більшу оптичну силу?

3. Фокусна відстань однієї лінзи дорівнює +0,5 м, а другої - + 1 м.
4. Чому не можна поливати рослини на клумбі сонячного дня?
5. У склі є порожнина у вигляді двоопуклої лінзи. Ця лінза збиратиме чи розсіюватиме промені? Обґрунтуйте відповідь.
6. Дано дві двоопуклі лінзи, виготовлені з одного сорту скла. Як на дотик визначити, яка лінза має більшу оптичну силу?

  Експериментальні завдання
1. Запропонуйте метод визначення фокусної відстані збиральної лінзи за допомогою лінійки.
2. Спробуйте в домашніх умовах виготовити лінзу. Який матеріал зручніше взяти? Визначте фокусну відстань і оптичну силу такої лінзи.

  Фізика й техніка в Україні
 
  Ізюмський казенний приладобудівний завод — провідне підприємство України з виготовлення оптичного скла. Завод випускає понад 200 марок кольорового та безбарвного скла, у тому числі волоконне, лазерне, молочне, фотохромне, з високим коефіцієнтом заломлення.
Завод є розробником і єдиним на території СНД виробником морських стаціонарних маяків, що працюють у телекерованому режимі.
Завод — єдине в нашій країні підприємство з виробництва сенситометричних приладів, необхідних для контролю якості кіно- та фотоматеріалів. На заводі розробляються й випускаються надточні лазерні далекоміри, а також серія високоточних оптико-механічних та оптико-електронних приладів.

Фізика. 7 клас: Підручник / Ф.Я. Божинова.

_{Календарно-тематичне планування з фізики, завдання та відповіді школяру, курси учителю з фізики 7 класу}

Зміст уроку
 конспект уроку і опорний каркас                      
 презентація уроку 
 акселеративні методи та інтерактивні технології
 закриті вправи (тільки для використання вчителями)
 оцінювання 

Практика
 задачі та вправи,самоперевірка 
 практикуми, лабораторні, кейси
 рівень складності задач: звичайний, високий, олімпійський
 домашнє завдання 

Ілюстрації
 ілюстрації: відеокліпи, аудіо, фотографії, графіки, таблиці, комікси, мультимедіа
 реферати
 фішки для допитливих
 шпаргалки
 гумор, притчі, приколи, приказки, кросворди, цитати

Доповнення
 зовнішнє незалежне тестування (ЗНТ)
 підручники основні і допоміжні 
 тематичні свята, девізи 
 статті 
 національні особливості
 словник термінів                          
 інше 

Тільки для вчителів
 ідеальні уроки 
 календарний план на рік 
 методичні рекомендації 
 програми
 обговорення

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