Свет. Распространение света в однородной среде - ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

Цели урока:

Познакомить учащихся с естественными и искусственными источниками света. Разъяснить закон прямолинейного распространения света. Объяснить природу солнечных и лунных затмений. Изучить условия образования теней и полутеней.

Оборудование (для кратковременной лабораторной работы):

Две одинаковые парафиновые свечи, экран, линейка, карандаш, спички.

Ход урока

I. Анализ итогов контрольной работы

Перед началом изучения новой темы необходимо проанализировать результаты контрольной работы, ответить на возникшие по работе вопросы, разобрать наиболее часто допускаемые ошибки.

II. Изучение нового материала

В краткой вступительной беседе учитель должен рассказать учащимся о значении света в познании человеком окружающего мира. Благодаря органу зрения, человек видит окружающий мир, осуществляет связь с окружающей средой, может работать и отдыхать. От того, как освещаются предметы, зависит продуктивность труда. Без достаточного освещения растения не могут нормально развиваться. Знание закономерностей световых явлений позволяет конструировать различные оптические приборы, которые находят широкое применение в практической деятельности человека.

Лучшая иллюстрация значению световых явлений в жизни человека - «минутный» эксперимент: предложите учащимся на одну минутку закрыть глаза и представить себе «жизнь во тьме»!!!

Что же такое свет? Все тела состоят из атомов (или молекул). Но как в гитарной струне нет звука, так в атоме нет света. Состояние атома, когда его энергия минимальна, называют нормальным (или невозбужденным). В таком состоянии атом не излучает энергии. Всякое другое состояние атома с энергией, отличной от минимальной, называют возбужденным. В возбужденном состоянии атом может находиться в течение 10‘8 с. Переход атома из возбужденного состояния в нормальное сопровождается излучением электромагнитных волн. Таким образом:

Свет - это электромагнитное изучение, воспринимаемое глазом по зрительному ощущению.

Учитель задает вопрос:

- Чем отличается излучение утюга или кипятильника от излучения электрической лампы накаливания?

Источником света называют тела, способные излучать свет. Всякое светящееся тело состоит из огромного числа «элементарных» излучателей. Таким образом, оптическое излучение источников света представляет собой набор излучений отдельных атомов и молекул.

Демонстрируя учащимся различные источники света (горящую спичку, свечку, светящуюся лампочку), учитель сообщает, что существуют естественные и искусственные источники света.

Естественные источники света - это Солнце, звезды, атмосферные заряды, а также светящиеся объекты животного и растительного мира (светлячки, гнилушки и пр.)

Искусственные источники света, в зависимости от того, какой процесс лежит в основе получения излучения, разделяют на тепловые и люминесцирующие.

- Приведите примеры естественных и искусственных источников света.

Поскольку свет - электромагнитное излучение и ему присущи все свойства электромагнитных волн, то все задачи оптики можно решить на основе волновых представлений. Но это требует применения весьма громоздкого математического аппарата. Однако при решении задач на построение изображений в зеркалах и линзах и при расчете оптических приборов ученые пользуются геометрическими методами. Эти методы составляют содержание геометрической оптики, которую иначе называют лучевой оптикой.

Основными понятиями геометрической оптики являются пучок и луч. Причем эти понятия нельзя отождествлять. Пучок света можно наблюдать, а луч только чертить на бумаге:

♦ цилиндрические или конические каналы, внутри которых распространяется свет, называются световыми пучками;

♦ лучом называется геометрическая линия, указывающая на правление переноса световой энергии.

Теперь очевидны различия данных физических понятий с такими их образно-литературными «аналогами», как «лучи Солнца», «луч света упал на стол», «Катерина - луч света в темном царстве» и т. д.

Не существует бесконечно узких световых пучков; пучок света всегда имеет конечную ширину. Луч - это как бы ось пучка, а не сам пучок.

Геометрическая оптика базируется на трех законах:

а) закон прямолинейного распространения света;

б) закон отражения света;

в) закон преломления света.

Свет в однородной среде распространяется прямолинейно - так формулируется закон прямолинейного распространения света.

- Какие примеры вы можете привести для подтверждения прямолинейного распространения света?

Оптически однородной считается такая среда, в которой свет распространяется с постоянной скоростью. Если имеются две среды, в которых свет распространяется с различными скоростями, то среду, где свет распространяется с меньшей скоростью называют оптически более плотной, а среду, где свет распространяется с большей скоростью - оптически менее плотной.

Тень и полутень. Прямолинейность распространения света подтверждается образованием тени. Если взять небольшой источник света, экран и между ними поместить непрозрачный предмет, то на экране появится темное изображение его очертаний - тень.

Тень - область пространства, в которую не попадает световая энергия от источника света.

- Почему образование тени служит доказательством прямолинейности распространения света?

Проводя опыт, мы не учитывали размеры источника света. Источник света, размеры которого малы по сравнению с расстоянием до экрана, называют точечным источником света. Если же мы возьмем больший источник света, то на экране вокруг тени образуется еще и полутень.

Полутень - область пространства, в которую световая энергия от источника света попадает частично.

Образованием тени и полутени объясняются солнечные и лунные затмения. При солнечном затмении полная тень от Луны падает на Землю. Из этого места Земли Солнца не видно. Когда Луна, вращаясь вокруг Земли, попадает в ее тень, то наблюдается лунное затмение.

В заключение урока можно рассказать о практическом использовании закона прямолинейного распространения света (строительство, прокладка дорог, определение высоты предметов и т. д.)

III. Кратковременная лабораторная работа

1. Поставьте две одинаковые свечи на расстоянии 50-60 см от экрана. Посредине между экраном и свечами вертикально поместите линейку. Зажгите свечи. Что получилось на экране? Зарисуйте в тетради, что у вас получилось в результате эксперимента. Укажите на рисунке область тени и полутени.

2. Произвольно перемещайте экран и линейку. Зафиксируйте изменения очертаний теней и полутеней. Запишите результат наблюдений.

3. Погасите одну свечу. Изменилось ли при этом изображение на экране? Если изменилось, то как?

4. Поместите экран на расстоянии 50-60 см от зажженных свечей. Между экраном и свечами поместите карандаш: сначала вертикально, а затем на экран. Какова разница в формах теней и полутеней? Почему?

5. Сделайте вывод об условиях образования тени и полутени. Запишите вывод в тетрадь.

Домашнее задание

1. § 29 учебника; вопросы и задания к параграфу;

2. Экспериментальное задание к параграфу (стр. 80).

Приложение к уроку

Развитие взглядов на природу света и первые открытия в области физической оптики

В древности представления о природе света были весьма примитивными, фантастическими и к тому же весьма разнообразными. Однако, несмотря на разнообразие взглядов древних на природу света, уже в то время наметились три основных подхода к решению вопроса о природе света. Эти три подхода в последующем оформились в две конкурирующие теории - корпускулярную и волновую теории света.

Подавляющее большинство древних философов и ученых рассматривало свет как некие лучи, соединяющие светящееся тело и человеческий глаз. При этом одни из них полагали, что лучи исходят из глаз человека, они как бы ощупывают рассматриваемый предмет. Эта точка зрения имела сначала большое число последователей. Даже такой крупнейший ученый, как Евклид, придерживался ее. Формулируя первый закон геометрической оптики, закон прямолинейного распространения света, Евклид писал: «Испускаемые глазами лучи распространяются по прямому пути». Такого же взгляда придерживался Птолемей и многие другие ученые и философы.

Однако позже, уже в средние века, такое представление о природе света теряет свое значение. Все меньше становится ученых, следующих этим взглядам. И к началу XVII века эту точку зрения можно считать уже забытой.

Другие, наоборот, считали, что лучи испускаются светящимся телом и, достигая человеческого глаза, несут на себе отпечаток светящегося предмета. Такой точки зрения придерживались атомисты Демокрит, Эпикур, Лукреций.

Эта точка зрения уже позже, в XVII веке, оформилась в корпускулярную теорию света, согласно которой свет есть поток частиц, испускаемых телом.

Третья точка зрения на природу света была высказана Аристотелем. Он рассматривал свет не как истечение чего-то от светящегося предмета в глаз и тем более не как некие лучи, исходящие из глаза и ощупывающие предмет, а как распространяющееся в пространстве (в среде) действие или движение.

Мнение Аристотеля в его время мало кто разделял. Но в дальнейшем, опять же в XVII веке, его точка зрения получила развитие и положила начало волновой теории света.

В XVII веке в связи с развитием оптики вопрос о природе света вызывает все больший и больший интерес. При этом формируются две противоположные теории света: корпускулярная и волновая.

Для развития корпускулярной теории света была более благоприятная почва. Действительно, для геометрической оптики представление о том, что свет есть поток особых частиц, было вполне естественным. Прямолинейное распространение света хорошо объяснялось с точки зрения этой теории. Также хорошо объяснялся и закон отражения света. Да и закон преломления не противоречил этой теории. Общее представление о строении вещества также не вступало в противоречие с корпускулярной теорией света. В основе бывших тогда представлений о строение вещества лежала атомистика. Все тела состоят из атомов. Между атомами существует пустое пространство. В частности тогда считали, что межпланетное пространство является пустым. В нем и распространяется свет от небесных тел в виде потоков световых частиц. Поэтому вполне естественно, что в XVII веке было много физиков, которые придерживались корпускулярной теории света.

В XVII веке, как уже было сказано, начинает развиваться и представление о волновой природе света. Родоначальником волновой теории света можно считать Декарта. Декарт был противником существования пустого пространства. В связи с этим он не мог считать свет потоком световых частиц. Свет, по Декарту, это нечто вроде давления, передающегося через тонкую среду от светящегося тела во все стороны. Если тело нагрето и светится, это значит, что его частицы находятся в движении и оказывают давление на частицы той среды, которая заполняет все пространство. Эта среда получила название эфира. Давление распространяется во все стороны и, доходя до глаза, вызывает в нем ощущение света.

Такова точка зрения Декарта на природу света. Нужно только отметить, что в своем сочинении, посвященном специально оптике, Декарт пользуется и корпускулярной гипотезой. Но это, как он сам говорит, сделано для того, чтобы его рассуждения были более понятны. Поэтому неправы те, кто на основе только этого сочинения зачисляют Декарта в сторонники корпускулярной теории света. Ученые XVII и XVIII века это хорошо понимали и считали Декарта родоначальником волновой теории света.

Конечно, у Декарта нет еще представления о световых волнах. Он представлял себе свет как распространяющееся движение, или импульс в эфире. Но важнее то, что Декарт рассматривает свет уже не как поток частиц, а как распространение давления, или движение импульса и т. п. Декарт пришел к отказу от корпускулярной теории света чисто умозрительным путем. Никаких опытных данных, которые говорили бы за волновую теорию света, тогда еще не было. Первое открытие, свидетельствующее о волновой природе света, было сделано итальянским ученым Франческо Гримальди (1618-1663). Оно было опубликовано в 1665 г. после смерти ученого.

Гримальди заметил, что если на пути узкого пучка световых лучей поставить предмет, то на экране, поставленном сзади, не получится резкой тени. Края тени размыты, кроме того, вдоль тени появляются цветные полосы. Открытое явление Гримальди назвал дифракцией, но объяснить его правильно не сумел. Он понимал, что наблюдаемое им явление находится в противоречии с законом прямолинейного распространения света, а вместе с тем и с корпускулярной теорией. Однако он не решился полностью отказаться от этой теории. Свет, по Гримальди, распространяющийся световой флюид (тонкая неощутимая жидкость). Когда свет встречается с препятствием, то оно вызывает волны этого флюида. Гримальди привел аналогию с волнами, распространяющимися по поверхности воды. Подобно тому, как вокруг камня, брошенного в воду, образуется волна, так и препятствие, помещенное на пути света, вызывает в световом флюиде волны, которые распространяются за границы геометрической тени.

Следующий шаг в развитии волновой теории света был сделан Гюйгенсом. Гюйгенс работал над волновой теорией света в 70-х годах XVII века. В это время он написал «Трактат о свете», содержание которого доложил Парижской академии наук. Однако опубликовал он это сочинение позже, в 1690 г., уже после того, как стали известны работы Ньютона по оптике.

Гюйгенс полагал, что все мировое пространство заполнено тонкой неощутимой средой - эфиром, который состоит их очень маленьких упругих шариков. Эфир также заполняет пространство между атомами, образующими обычные тела.

Распространение света, по Гюйгенсу, есть процесс передачи движения от шарика к шарику, подобно тому, как распространяется импульс вдоль стальных шаров, соприкасающихся друг с другом и вытянутых в одну линию.