Введение основных понятий в оптику

Введение основных понятий в оптику

Учение о свете является одним из самых важных в современной физике. Оно основывается на волновых и квантовых представлениях. Технические приложения оптики огромны. Оптические методы широко внедряются в научные исследования и в технику (при измерениях размеров тел, в спектральном и люминисцентном анализе, исследованиях упругих свойств материалов и т.п.). Законы оптики широко применяются в оптотехнике, связанной с получением изображений в оптических инструментах, светотехнике, занимающейся освещением и источниками света, и в фототехнике, в которой используются квантовые свойства света.

Несмотря на такое огромное значение оптики и её технических приложений, содержание этого важного раздела курса физики средней школы не отражает в должной мере её успехи. Даже так называемые традиционные вопросы курса геометрической (или лучевой) оптики в практике преподавания часто не получают правильного истолкования. Речь идет не о дополнении курса физики подробностями, не имеющими принципиального характера, а о физическом истолковании понятий и законов оптики. Во многих случаях в памяти учеников остаются знания о свете, к сожалению, только как о лучах и светящихся точках. Между тем, как известно, последние являются абстракциями, так же как, например, абсолютно твердое тело, точечный электрический заряди т.п. Поэтому учащиеся пытаются применить абстрактное понятие о световых лучах как геометрических линиях и понятиях о светящихся точках как математических точках к тем областям оптических явлений, где эти понятия теряют свой смысл.

При изложении геометрической оптики в курсе физики средней школы часто не используются закон сохранения и превращения энергии, понятия об управлении световым потоком с помощью зеркал и линз, о световых пучках, с которыми только и проводятся эксперименты в школе; не рассматриваются роль диафрагм в получении изображений, глаза в их формировании; изображения не доводятся до сетчатки глаза, т.е. глаз не рассматривается совместно с оптической системой, например микроскопом и телескопом. Поэтому такое важное понятие, как мнимое изображение, не разъясняется с достаточной полнотой. Обычно не обращается внимание также на область видения изображений, поле зрения.

Программа по физике для средней школы содержит достаточный объем знаний по оптике. В неё входят также некоторые вопросы физической оптики – интерференция и дифракция света, фотоэффект, химическое действие света и их различные применения (автоматика и фотография), излучение и поглощение света атомами и др. Таким образом, по оптике объем сведений в программе достаточный. Однако в значительном усовершенствовании нуждается методика её изложения, в том числе геометрической её части (лучевой оптики). Необходимо формировать правильное понимание учащимися соотношения между волновой и геометрической оптикой, разъяснить пределы применимости последней. Пренебрежение же волновыми свойствами света приводит к тому, что остаётся невыясненным, почему существует предел увеличения оптических инструментов.

Обычно оптику разделяют на геометрическую и физическую. Геометрическая оптика, являющаяся теоретической основой оптотехники, базируется на четырех законах: прямолинейного распространения света в однородной среде; независимости световых пучков друг от друга; отражения и преломления света.

Геометрическая оптика не объясняет природы оптических явлений, а основывается на геометрических представлениях. Перечисленные выше законы относятся лишь к направлению распространения света, следовательно, имеют скорее геометрический смысл, чем физический смысл.

Методика изучения темы «отражение и преломление света»

Отражения света. Зеркала.

Во введении к данной теме подчеркивается, что на границе раздела двух сред происходит отражение и преломление света. При разделении светового потока соблюдается закон сохранения энергии.

Указывается также, что при зеркальном отражении неровности отражающей поверхности должны быть значительно меньше 1мк. Такого же порядка неоднородности могут быть в немутной преломляющей среде.

Разделение светового потока на отраженный и преломленный демонстрируется с помощью таких опытов:

1.Используется аквариум с флюоресцирующей жидкостью. Параллельный пучок лучей от проекционного фонаря направляется на экран (металлическое или стеклянное зеркало), поставленный под углом к световому потоку. Последний отражается также под углом на поверхность воды в аквариуме. Преломленный пучок света ясно виден во флюоресцирующей жидкости. Отраженный пучок можно принять на белый экран или увидеть в задымленном воздухе.

2. На оптической шайбе устанавливается стеклянный полуцилиндр. От осветителя узкий пучок света направляется на плоскую поверхность цилиндра. В последнем виден пучок преломленного света, а на белом диске шайбы – отраженный пучок. При изменении угла падения пучка можно видеть изменение яркости преломленного и отраженного пучка – яркость одного увеличивается, а другого уменьшается.

Для проверки закона отражения ставятся параллельно два опыта – с волнами на поверхности жидкости (желательно со стробоскопом) и с оптической шайбой.

Пальцем ударяют по линейному вибратору. Всплеск доходит до экрана (металлического бруска), поставленного один раз перпендикулярно линии распространения волны, а другой раз – под углом к ней. Наблюдается, в каком направлении распространяется волна. Затем рассматривается непрерывная картина распространения и отражения плоских волн. Обращается внимание на угол падения и отражения лучей. Дается рисунок наблюдаемой картины. Нормали к фронту волны вычерчиваются цветным мелком.

В опыте с оптической шайбой узкий пучок света направляется на плоское зеркало вначале перпендикулярно ему, а затем под все увеличивающемся углом и измеряются углы падения и отражения.

Обращается внимание на то, что в опыте с водяными волнами изменяется направление нормали к фронту волны (рис. 1, а), а в оптическом опыте – направление осевого луча в световом пучке (рис. 2, а).

Аналогично рассматривается отражение круговых водяных волн и расходящихся пучков. Угол между линиями, ограничивающими световой пучок, не изменяется.

Чтобы учащиеся правильно отсчитывали углы падения и отражения света, можно рекомендовать вести отсчет этих углов всегда от перпендикуляра, восстановленного в точке падения луча. При формулировке закона отражения надо подчеркнуть не только равенство этих углов, но и то, что они лежат в одной плоскости.

Сравнивается характер зеркального и диффузного отражения. В числе иллюстрирующих примеров можно показать использование зеркального гальванометра (ставится опыт с отклонением светового пятна на шкале при нагревании термопары рукой).

При наличии достаточного времени желательно ознакомить учащихся с отражательной способностью некоторых материалов – с понятием, весьма важным в светотехнике (таб 1.)

В этом месте курса возможны упражнения следующего содержания:

1. Узкий пучок света образует с плоскостью зеркала угол в 300. Какой будет угол между падающим и отраженным пучком?

2. Под каким углом к параллельному пучку света надо поставить зеркало, чтобы этот пучок пучок повернуть на 900?