Полное внутреннее отражение.

Урок-исследование с компьютерной поддержкой.

11 класс

“Все исследуй, давай разуму первое место”
Пифагор
Цель
. Продолжать заинтересовывать учащихся исследовательской деятельностью, развивать логическое мышление, умение обобщать, сопоставлять и применять полученные знания на практике, в быту, для объяснения наблюдаемых явлений, для понимания работы световодов. Продолжать развивать умение работать с компьютерными моделями, решать на их основе задачи. Совершенствовать навыки в создании компьютерных презентаций, в сборе и обработке материала для сообщений.
Оборудование.
Для фронтального эксперимента: Пластмассовые стаканчики с водой, пробирки, закопченные пластинки из фольги. Для демонстрационного эксперимента: Скамья с кюветой и лазером для опытов по геометрической и волновой оптике; раствор соли - 200 мл. Дистиллированная вода 200 мл + 400 мл. Раствор молока 100 мл. Лучинка, спички - для задымления. Зеркала. Шарик, закопченный сажей. Емкость с водой, штатив. Сосуд с водой с двумя отверстиями: сверху (закрыто пробкой) и около дна (закрыто пробкой, в которую вставлена стеклянная трубочка). Сообщающийся сосуд с водой; Поддон (ванна для проекций); Флюоресцирующий раствор; Штативы и подъемные столики; Воронка, широкий сосуд с водой. Видеокамера, телевизор (для наблюдения эксперимента на экране телевизора). Компьютер, проектор, интерактивная доска. Компьютерная поддержка: 1. «Образование миражей» - анимация. Библиотека наглядных пособий; ФИЗИКА, 7-11 классы. 2. Использование световодов» - видеоролик. Библиотека наглядных пособий; ФИЗИКА, 7-11 классы. 3. «Полное внутреннее отражение» - анимация. ФИЗИКА. Электродинамика, оптика и квантовая физика 10-11 классы. 4. «Отражение и преломление света» - анимация. ФИЗИКА. Электродинамика, оптика и квантовая физика 10-11 классы. 5. Презентация к уроку, несущая иллюстративную функцию, выполнена учеником. Ход урока
Постановка задачи урока. Повторение, актуализация знаний.

(Фронтальный опрос -> проблемный вопрос -> эксперимент ->

беседа).

На экране -
Слайд

№1

«Атмосферная

рефракция»,
являющийся иллюстрацией к уроку. Ре бя т а , о с н о в н а я д е я т е л ь н о с т ь н а н а ш е м у р о ке буд е т
исследовательская.
Наблюдая фронтальный и демонстрационный эксперимент, изменяя его постановку, мы
будем

исследовать,

как

происходит

распространение

светового

пучка

в

различных

средах:
оптически более и менее плотных, что происходит при переходе пучка света из одной среды в другую и на границе раздела 2 сред. На прошлом уроке, изучая закон преломления света, мы узнали и об атмосферной рефракции . -Что это за явление? (Явление искривления световых лучей при прохождении через атмосферу).
Слайд №2
-Почему возникает это явление? (У поверхности оптически более плотный воздух, с высотой плотность уменьшается, но не скачками, а непрерывно и если заменить для удобства световой пучок световым лучом (линией, направление которой совпадает с направлением потока энергии, переносимой волной), то получится плавная кривая, обращенная выпуклостью в сторону уменьшения n). -Что наблюдается в результате атмосферной рефракции?
Слайд

№3
. (Солнце, Луну, звезды видим выше того места, где они находятся на самом деле; Увеличивается продолжительность дня в средних широтах на 10-12 минут; в полярных зонах до 2-3 суток, следовательно, полярный день больше полярной ночи почти на 6 суток. Сжатие дисков Луны и Солнца у поверхности Земли (на горизонте). Мерцание звезд (воздушные потоки приводят к изменению плотности атмосферы на пути световых потоков). Мерцание у горизонта и при высоком содержании в атмосфере водяных паров больше). -
Может

ли

явление

рефракции

наблюдаться

в

жидких

прозрачных

средах?
(Учащиеся предполагают, что должно наблюдаться). -Какое условие для этого должно выполняться? (Непрерывное изменение плотности жидкости).
Подготовка к работе
Используем прибор по геометрической и волновой оптике, где источником света служит лазер. Прибор состоит из штатива (4) для установки необходимых приборов, кюветы (2), лазера (3), зеркал (1), которые можно устанавливать под наклоном. В кювету через стеклянную трубочку диаметром 1 см наливаем 100 мл дистиллированной воды, а затем 100 мл раствора поваренной соли. Подготавливаем установку за два часа до демонстрации, чтобы вследствие диффузии граница раствора и воды исчезла, и образовался раствор с постепенно уменьшающейся с высотой плотностью.
Опыт 1
Световой пучок лазера через линзу направлен на верхнюю поверхность жидкости. Проходя через полученный раствор, световой пучок искривляется.
-Объясните наблюдаемое явление, т.е. почему световой пучок искривляется.
Опыт 2
При помощи лучины (поджигаем её, а затем гасим, чтобы образовался дым) задымляем верхнюю часть кюветы. -Если при помощи собирающей линзы световой пучок направить в задымленную область кюветы, то, как он будет распространяться в этой области?
Опыт 3
-Почему туман и облака непрозрачны, ведь они состоят из маленьких прозрачных капелек воды? Наливаем в кювету раствор молока (на 200 мл дистиллированной воды 2-3 капли молока) и направляем луч лазера в этот раствор. -Что происходит со световым пучком? Объяснить. (Рассеяние света в неоднородной среде; при каждом переходе света из одной среды в другую, происходит частичное отражение света. Доля отраженного света от границы раздела двух сред тем выше, чем больше разница показателей преломления этих сред).
Объяснение

нового

материала

на

основе

проблемного

фронтального эксперимента и проблемной задачи

(Проблемный

фронтальный

эксперимент

->

проблемная

задача

->

эвристическая

беседа

->

вывод,

сформулированный

учащимися)
Исследуем, что будет происходить при переходе светового пучка из оптически более плотной среды в оптически менее плотную.
Фронтальный эксперимент №1
На ваших столах стаканчики с водой и пробирки. Опустите в пробирку карандаш и поставьте в сосуд с водой. (Одновременно я делаю опыт на демонстрационном столе, оператор проецирует его при помощи видеокамеры на экран телевизора). Что вы наблюдаете? (Та часть пробирки, которая опущена в воду, посеребрена, карандаша в ней не видно).
Слайд №4
-Изменяя положение наблюдения, всегда вы видите пробирку посеребренной? (Нет) Из стакана налейте воды высотой 2 сантиметра в пробирку и вновь опустите её в стаканчик. -Что вы наблюдаете? (Там, где вода в пробирке - карандаш виден, посеребрения нет; где воздух в пробирке - посеребрение пробирки). -
Ваши предположения, почему так происходит
?
Задача:
Луч света падает из воды на границу раздела “вода-воздух” под углом 60 градусов. Найдите угол преломления луча в воздухе.
Слайд №5


Дано:
α= 60°; n = 1,33.
Найти:
β- ?
Решение
sin β = n sin α β= arcsin (n sinα) = arcsin (1,33*,0866)= arcsin 1,15. Но такого быть не может. Чтобы ответить на эти вопросы, познакомимся с явлением полного внутреннего отражения. Напишите в тетради тему урока “Полное внутреннее отражение”.
Слайд №6 «Полное внутреннее отражение»
Обратимся к эксперименту (Опыт 4).
Опыт 4
В кювету наливаем дистиллированную воду, закрашенную двумя чайными ложками раствора молока, сверху - задымление. Будем направлять лазер снизу на воду под разными углами. Обращаем внимание учащихся, что при малом угле падения часть света проходит в воздух (большая), а незначительная часть отражается от раздела двух сред. При большем угле падения
световая энергия падающего луча перераспределяется
: все более интенсивным становится отраженный луч. При определенном угле падения, отраженный луч скользит по поверхности воды:
β= 90°
. Этот угол обозначается
α

0
- предельный угол полного отражения - угол падения света на границу раздела двух сред, при котором свет в оптически менее плотную среду преломляется под углом в 90 градусов. (Пока проводился опыт, учащийся меняет презентацию на Медиаресурс [2]) Найдем, чему равен предельный угол полного отражения.
Используя

Медиаресурсы

[2],
пошагово разбираем
анимацию
«Полное внутреннее отражение» Обращаю внимание:
W

пад

= W

отр

+ W

пр.
В тетради рисунок сделать дома, используя учебник [1]. Вывод, чему равен
α

0
, пишем в тетради на уроке. -Сформулировать закон преломления света. Выполнить запись символами на доске. . (При переходе из оптически менее плотной в оптически более плотную среду).
-Физический смысл показателя преломления? (Показатель преломления показывает, во сколько раз скорость света во второй среде меньше скорости света в первой). Для нашего случая: при переходе светового луча из оптически более плотной среды в менее плотную , но β= 90° следовательно sin β= 1 и . Для прозрачных веществ рассчитаны по этой формуле
α

0
. Чем оптически плотнее среда, тем
α

0
меньше. Например, для алмаза n = 2,42; α 0 = 24° 40’; для воды α 0 = 48° 35’.
Ответим на вопрос фронтального эксперимента и задачи
. (При определенном угле наклона пробирка кажется посеребренной, т.к. световые лучи падают на границу раздела сред вода - воздух под углом
α
больше
α

0
,возникает явление полного внутреннего отражения. Когда в пробирку наливаем воду, оптическая плотность сред одинакова - свет отражается от поверхности карандаша).
Используя

интерактивную

модель

«Отражение

и

преломление

света» [2],


и непрозрачный экран от интерактивной доски, закрывающий значения результатов эксперимента,
рассчитать:
1. Угол β, если заданы показатель преломления n=1.20 и α= 32º 2. Каким должен быть α 0 для данного вещества. Открыть шторку, сравнить результаты 3. Изменить показатель преломления стекла и вновь произвести расчёты. Сделать вывод о связи между показателем преломления и
α

0
Пока проводятся расчёты задания №3, вновь возвращаемся к презентации. Анализируем таблицы.
Слайд №7

Учитель.
Полное внутреннее отражение встречается в природе:
Слайд

№8
Так неожиданно и ярко На влажной неба синеве Воздушная воздвиглась арка В своем минутном торжестве! Один конец в леса вонзила. Другим за облака ушла. Она полнеба обхватила И в высоте изнемогла. (Ф.И. Тютчев) -Что это за прекрасное явление? И преломление света, и полное внутреннее отражение имеют место при возникновении радуги. Об этом мы поговорим на последующих уроках.
Сообщения учеников.

На явлении полного внутреннего отражения основано появление раздела волоконной оптики, в котором изучается формирование изображений при распространении света по световодам. Высоко прозрачные световоды изготовляют из весьма чистых материалов. Основной метод этого производства - вытягивание световода из расплава кварцевого стекла; наружная оболочка из того же кварца легируется примесями, снижающими показатель преломления (бор, германий, фосфор). Волоконная оптика применяется в медицине, для передачи большого объема информации, для освещения недоступных мест, в рекламе, бытовой осветительной технике.
Слайд №9
А сейчас послушаем
сообщения одноклассников об использовании

световодов.
-
Сообщение
о медицинских приборах, лазерной терапии и хирургии, использующих волоконную оптику
Слайд №9.
По гиперссылке –
видеофильм
о световодах из «Библиотеки наглядных пособий»
Сообщение о миражах
.
Слайд №10
По гиперссылке – из «Библиотеки наглядных пособий»
анимация о миражах
, звук убирается, учащийся комментирует сам.
Закрепление (экспериментальные задачи)

Опыт 5
Достаю сосуд с водой, в котором находится шарик (от прибора теплового расширения тел), покрытый сажей. Устанавливаю на демонстрационном столе. -Какого цвета этот шар? (Оператор с помощью видеокамеры проецирует на экран телевизора). Вынимаю шар из воды - оказывается, он черный и покрыт сажей. -Почему шар, покрытый сажей, в воде казался посеребренным? Чтобы ответить на этот вопрос проведем
Фронтальный эксперимент №2
Металлическую фольгу, покрытую сажей, опустите в воду. -Что вы наблюдаете? Теперь рассмотрите эту фольгу в воздухе. -Почему сажа сухая? Исследуйте, как ведет себя вода, когда вы ее брызгаете на фольгу с сажей. (Учитель проводит такой же опыт, видеооператор проецирует на экран).
Вывод:
сажа не смачивается водой; когда мы закопченную фольгу опускаем в воду, около сажи остается слой воздуха, наблюдается полное внутреннее отражение на границе “вода - воздух”, фольга в воде кажется посеребренной.
Опыт 6

В бутыль, имеющую отверстие около дна, наливаем воду, закрываем пробкой. Отверстие снизу закрывается пробкой со вставленной стеклянной трубочкой, чтобы сделать узкую струю воды. С противоположной стороны бутыли устанавливаем лазер так, чтобы его луч попал в стеклянную трубочку. Слегка открываем верхнюю пробку, вытекает струйка воды, луч лазера изгибается вслед за изгибом воды. v Почему?
Дома
: параграф 43, провести исследовательскую работу. Из пластмассовой крышки (из-под кофе) вырезать кружок диаметром 3 см, в центр воткнуть английскую булавку (оператор проецирует на экран телевизора) и исследовать, как будет видна булавка при постепенном погружении в широкий сосуд с водой, если смотреть на нее из одного и того же положения сбоку через поверхность воды. Какие части булавки видны, когда пластмассовая крышка плавает. Обратить внимание на то, как видна булавка в воздухе, если кружок расположить сбоку от сосуда на уровне поверхности воды в сосуде. Зарисовать в тетради, дать объяснение. На следующем уроке будем решать экспериментальные, качественные и количественные задачи на полное внутреннее отражение.
Литература
1. Г.Я. Мякишев. Б.Б. Буховцев. Физика 11. Москва. Просвещение. 2. Е.В. Фабрикантова “Что же такое физика?” Газета “Физика” №7, 2000. 3. Энциклопедия для детей Аванта+. Физика. Т.16. Часть 2. Москва, 2001 г. С. 88-89. 4. Л.Е. Гусева. “Физика. Человек. Здоровье”. Газета “Физика” №7, 2000. 5. Л.Е. Гусева. “Лазерная медицина”. Газета “Физика” №11, 2000. 6. В.А. Мезенцев “Этот загадочный мир”. Московский рабочий. 1975 г. 41-42
Медиаресурсы:
1. Библиотека наглядных пособий; ФИЗИКА, 7-11 классы. На платформе «1С: Образование. 3.0»: 2СD: Под р е д а к ц и е й Н.К.Ханнанова. – Дрофа-Формоза-Пермский РЦИ. 2. ФИЗИКА. Электродинамика, оптика и квантовая физика 10- 11 классы. Программное обеспечение для интерактивных досок. Компания «Физикон», 2009