Некоторые законы физики трудно представить без использования наглядных пособий. Это не касается привычного всем света, попадающего на различные объекты. Так на границе, разделяющей две среды, происходит смена направления световых лучей в том случае, если эта граница намного превышает При света возникает, когда часть его энергии возвращается в первую среду. Если часть лучей проникает в другую среду, то происходит их преломление. В физике энергии, попадающий на границу двух различных сред, называется падающим, а тот, что от нее возвращается в первую среду, - отраженным. Именно взаимное расположение данных лучей определяет законы отражения и преломления света.

Термины

Угол между падающим лучом и перпендикулярной линией к границе раздела двух сред, восстановленной к точке падения потока световой энергии, называется Существует еще один важный показатель. Это угол отражения. Он возникает между отраженным лучом и перпендикулярной линией, восстановленной к точке его падения. Свет может распространяться прямолинейно исключительно в однородной среде. Разные среды по-разному поглощают и отражают излучение света. Коэффициентом отражения называют величину, характеризующую отражательную способность вещества. Он показывает, сколько принесенной световым излучением на поверхность среды энергии составит та, которая унесется от нее отраженным излучением. Данный коэффициент зависит от целого множества факторов, одними из самых важных являются угол падения и состав излучения. Полное отражение света происходит тогда, когда он падает на предметы или вещества с отражающей поверхностью. Так, например, это случается при попадании лучей на тонкую пленку серебра и жидкой ртути, нанесенных на стекло. Полное отражение света на практике встречается довольно часто.

Законы

Законы отражения и преломления света были сформулированы Евклидом еще в ІІІ в. до н. э. Все они были установлены экспериментально и легко подтверждаются чисто геометрическим принципом Гюйгенса. Согласно ему любая точка среды, до которой доходит возмущение, представляет собой источник вторичных волн.

Первый света: падающий и отражающий луч, а также перпендикулярная линия к границе раздела сред, восстановленная в точке падения светового луча, расположены в одной плоскости. На отражательную поверхность падает плоская волна, волновые поверхности которой являются полосками.

Другой закон гласит о том, что угол отражения света равен углу падения. Это происходит потому, что они имеют взаимно перпендикулярные стороны. Исходя из принципов равенства треугольников, следует, что угол падения равен углу отражения. Можно легко доказать, что они лежат в одной плоскости с перпендикулярной линией, восстановленной к границе раздела сред в точке падения луча. Эти важнейшие законы справедливы и для обратного хода света. Вследствие обратимости энергии луч, распространяющийся по пути отраженного, будет отражаться по пути падающего.

Свойства отражающих тел

Подавляющее большинство объектов только отражают падающее на них световое излучение. При этом они не являются источником света. Хорошо освещенные тела отлично видны с любых сторон, поскольку излучение от их поверхности отражается и рассеивается в разных направлениях. Это явление называются диффузным (рассеянным) отражением. Оно происходит при попадании света на любые шероховатые поверхности. Для определения пути отраженного от тела луча в точке его падения проводится плоскость, касающаяся поверхности. Затем по отношению к ней строят углы падения лучей и отражения.

Диффузное отражение

Только благодаря существованию рассеянного (диффузного) отражения световой энергии мы различаем предметы, не способные испускать свет. Любое тело будет абсолютно невидимым для нас, если рассеивание лучей будет равно нулю.

Диффузное отражение световой энергии не вызывает у человека неприятных ощущений в глазах. Это происходит от того, что не весь свет возвращается в первоначальную среду. Так от снега отражается около 85% излучения, от белой бумаги - 75%, ну а от велюра черного цвета - всего 0,5%. При отражении света от различных шероховатых поверхностей лучи направляются хаотично по отношению друг к другу. В зависимости от того, в какой степени поверхности отражают световые лучи, их называют матовыми или зеркальными. Но все-таки эти понятия являются относительными. Одни и те же поверхности могут быть зеркальными и матовыми при различной длине волны падающего света. Поверхность, которая равномерно рассеивает лучи в разные стороны, считается абсолютно матовой. Хотя в природе таких объектов практически нет, к ним очень близки неглазурованный фарфор, снег, чертежная бумага.

Зеркальное отражение

Зеркальное отражение лучей света отличается от других видов тем, что при падении пучков энергии на гладкую поверхность под определенным углом они отражаются в одном направлении. Это явление знакомо всем, кто когда-то пользовался зеркалом под лучами света. В этом случае оно является отражающей поверхностью. К этому разряду относятся и другие тела. К зеркальным (отражающим) поверхностям можно отнести все оптически гладкие объекты, если размеры неоднородностей и неровностей на них составляют меньше 1 мкм (не превышают величину длины волны света). Для всех таких поверхностей действительны законы отражения света.

Отражение света от разных зеркальных поверхностей

В технике нередко используются зеркала с изогнутой отражающей поверхностью (сферические зеркала). Такие объекты представляют собой тела, имеющие форму сферического сегмента. Параллельность лучей в случае отражения света от таких поверхностей сильно нарушается. При этом существует два вида таких зеркал:

Вогнутые - отражают свет от внутренней поверхности сегмента сферы, их называют собирающими, поскольку параллельные лучи света после отражения от них собираются в одной точке;

Выпуклые - отражают свет от наружной поверхности, при этом параллельные лучи рассеиваются в стороны, именно поэтому выпуклые зеркала называют рассеивающими.

Варианты отражения световых лучей

Луч, падающий практически параллельно поверхности, только немного касается ее, а далее отражается под сильно тупым углом. Затем он продолжает путь по очень низкой траектории, максимально расположенной к поверхности. Луч, падающий практически отвесно, отражается под острым углом. При этом направление уже отраженного луча будет близко к пути падающего луча, что полностью соответствует физическим законам.

Преломление света

Отражение тесно связано с иными явлениями геометрической оптики, такими как преломление и полное внутреннее отражение. Зачастую свет проходит через границу между двумя средами. Преломлением света называют изменение направления оптического излучения. Оно происходит при прохождении его из одной среды в другую. Преломление света имеет две закономерности:

Луч, прошедший через границу между средами, расположен в плоскости, которая проходит через перпендикуляр к поверхности и падающий луч;

Угол падения и преломления связаны.

Преломление всегда сопровождается отражением света. Сумма энергий отраженного и преломленного пучков лучей равна энергии падающего луча. Их относительная интенсивность зависит от в падающем пучке и угла падения. На законах преломления света основывается устройство многих оптических приборов.

Типичными световыми эффектами, с которыми каждый человек сталкивается часто в быту, являются отражение и преломление. В данной статье рассмотрим случай, когда оба эффекта проявляют себя в рамках одного процесса, речь пойдет о явлении внутреннего полного отражения.

Отражение света

Перед тем как рассматривать явление следует познакомиться с эффектами обычного отражения и преломления. Начнем с первого из них. Для простоты будем рассматривать только свет, хотя эти явления характерны для волны любой природы.

Под отражением понимают изменение одной прямолинейной траектории, вдоль которой движется луч света, на другую прямолинейную траекторию, когда он встречает на своем пути препятствие. Этот эффект можно наблюдать, если направить лазерную указку на зеркало. Появление изображений неба и деревьев при взгляде на водную поверхность - это тоже результат отражения солнечного света.

Для отражения справедлив следующий закон: углы падения и отражения лежат в одной плоскости вместе с перпендикуляром к отражающей поверхности и являются равными друг другу.

Преломление света

Эффект преломления подобен отражению, только возникает он, если препятствие на пути светового луча представляет собой другую прозрачную среду. В этом случае часть первоначального луча отражается от поверхности, а часть проходит во вторую среду. Эта последняя часть называется преломленным лучом, а угол, который он образует с перпендикуляром к поверхности раздела сред, носит название угла преломления. Преломленный луч лежит в той же плоскости, что отраженный и падающий.

Яркими примерами преломления можно назвать излом карандаша в стакане с водой или обманчивая глубина озера, когда человек смотрит сверху на его дно.

Математически это явление описывают с помощью закона Снелла. Соответствующая формула выглядит так:

Здесь и преломления обозначены как θ 1 и θ 2 соответственно. Величины n 1 , n 2 отражают скорость движения света в каждой среде. Они называются показателями преломления сред. Чем больше n, тем медленнее движется свет в данном материале. К примеру, в воде скорость света на 25% меньше, чем в воздухе, поэтому для нее показатель преломления равен 1,33 (для воздуха он равен 1).

Явление полного внутреннего отражения

Приводит к одному интересному результату, когда луч распространяется из среды с большим n. Рассмотрим подробнее, что при этом будет происходить с лучом. Выпишем формулу Снелла:

n 1 * sin (θ 1) = n 2 * sin (θ 2).

Будем считать, что n 1 >n 2 . В таком случае, чтобы равенство оставалось верным, θ 1 должен быть меньше, чем θ 2 . Этот вывод справедлив всегда, поскольку рассматриваются только углы от 0 o до 90 o , в пределах которых функция синуса постоянно возрастает. Таким образом, при выходе из более плотной оптической среды в менее плотную (n 1 >n 2) луч сильнее отклоняется от нормали.

Теперь будем увеличивать угол θ 1 . В итоге наступит момент, когда θ 2 будет равен 90 o . Возникает удивительное явление: испущенный из более плотной среды луч в ней и останется, то есть для него граница раздела двух прозрачных материалов станет непрозрачной.

Критический угол

Угол θ 1 , для которого θ 2 = 90 o , принято называть критическим для рассматриваемой пары сред. Любой луч, падающий на поверхность раздела под углом, большим чем критический, отражается полностью в первую среду. Для критического угла θ c можно записать выражение, которое непосредственно следует из формулы Снелла:

sin (θ c) = n 2 / n 1 .

Если второй средой является воздух, то это равенство упрощается до вида:

sin (θ c) = 1 / n 1 .

Например, критический угол для воды составляет:

θ c = arcsin (1 / 1,33) = 48,75 o .

Если нырнуть на дно бассейна и посмотреть вверх, то можно увидеть небо и бегущие по нему облака только над собственной головой, на всей остальной поверхности воды будут видны лишь стенки бассейна.

Из приведенных рассуждений ясно, что, в отличие от преломления, полное отражение не является обратимым явлением, оно происходит только при переходе из более плотной в менее плотную среду, но не наоборот.

Полное отражение в природе и технике

Пожалуй, самым распространенным в природе эффектом, который невозможен без полного отражения, является радуга. Цвета радуги - это результат дисперсии белого света в дождевых каплях. Однако когда лучи проходят внутри этих капель, то они испытывают либо однократное, либо двукратное внутреннее отражение. Именно поэтому радуга всегда появляется двойной.

Явление внутреннего полного отражения применяют в оптоволоконной технике. Благодаря оптическим волокнам удается передавать без потерь электромагнитные волны на большие расстояния.

используется в так называемой волоконной оптике. Волоконной оптикой называется раздел оптики, в котором рассматривают передачу светового излучения по волоконно-оптическим световодам. Волоконно-оптические световоды представляют собой систему отдельных прозрачных волокон, собранных в пучки (жгуты). Свет, попадая внутрь прозрачного волокна, окруженного веществом с меньшим показателем преломления, многократно отражается и распространяется вдоль волокна (см. рис. 5.3).

1) В медицине и ветеринарной диагностике световоды используются главным образом для освещения внутренних полостей и передачи изображения.

Одним из примеров использования волоконной оптики в медицине является эндоскоп – специальный прибор для осмотра внутренних полостей (желудок, прямая кишка и др.). Одной из разновидностей таких приборов является волоконный гастроскоп . С его помощью можно не только визуально осмотреть желудок, но и произвести необходимые снимки с целью диагностики.

2) С помощью световодов также осуществляется передача лазерного излучения во внутренние органы с целью лечебного воздействия на опухоли.

3) Волоконная оптика нашла широкое применение и в технике. В связи с быстрым развитием информационных систем в последние годы возникла необходимость в качественной и быстрой передачи информации по каналам связи. С этой целью используется передача сигналов по лазерному лучу, распространяющемуся по волоконно-оптическим световодам.

ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА.

Интерференция – одно из ярких проявлений волновой природы света. Это интересное и красивое явление наблюдается при определенных условиях при наложении двух или нескольких световых пучков. С интерференционными явлениями мы сталкиваемся довольно часто: цвета масляных пятен на асфальте, окраска замерзающих оконных стекол, причудливые цветные рисунки на крыльях некоторых бабочек и жуков – все это проявление интерференции света.

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА - сложение в пространстве двух или нескольких когерентных световых волн, при котором в разных его точках получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны.

Когерентность.

Когерентностью называется согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов, т.е. волн с одинаковой частотой и постоянной во времени разностью фаз.

Монохроматические волны (волны одной длины волны) - являются когерентными.

Так как реальные источники не дают строго монохроматического света, то волны, излучаемые любыми независимыми источниками света всегда некогерентны . В источнике свет излучается атомами, каждый из которых испускает свет лишь в течение времени ≈ 10 -8 с. Только в течение этого времени волны, испускаемые атомом имеют постоянные амплитуду и фазу колебаний. Но получить когерентные волны можно, разделив луч света, излучаемым одним источником, на 2 световые волны и после прохождения различных путей снова их соединить. Тогда разность фаз будет определяться разностью хода волн: при постоянной разности ходаразность фаз тоже будет постоянной .

УСЛОВИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОГО МАКСИМУМА :

Если оптическая разность хода ∆ в вакууме равначетному числу полуволн или (целому числу длин волн)

(4.5)

то и колебания, возбуждаемые в точке M , будут происходить в одинаковой фазе .

УСЛОВИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОГО МИНИМУМА.

Если оптическая разность хода ∆ равна нечетному числу полуволн

(4.6)

то и колебания, возбуждаемые в точке M , будут происходить в противофазе .

Типичным и распространенным примером интерференции света – мыльная пленка

Применение интерференции – просветление оптики: Часть света при прохождении через линзы отражается (до 50% в сложных оптических системах). Сущность метода просветления – поверхности оптических систем покрывают тонкими пленками, создающие интерференционные явления. Толщина пленки d=l/4 падающего света, тогда отраженный свет имеет разность хода , что соответствует минимуму интерференции

ДИФРАКЦИЯ СВЕТА

Дифракцией называется огибание волнами препятствий, встречающихся на их пути, или в более широком смысле - любое отклонение распространения волн вблизи препятствий от прямолинейного .

Возможность наблюдения дифракции зависит от соотношения длины волны света и размера препятствий (неоднородностей)

Дифракция Фраунгофера на дифракционной решетке.

Одномерная дифракционная решетка - система параллельных щелей равной ширины, лежащих в одной плоскости и разделенных равными по ширине непрозрачными промежутками.

Суммарная дифракционная картина есть результат взаимной интерференции волн, идущих от всех щелей - в дифракционной решетке осуществляется многолучевая интерференция когерентных дифрагированных пучков света, идущих от всех щелей.

Если a - ширина каждой щели(MN) ; b - ширина непрозрачных участков между щелями (NC) , то величина d = a+ b называется постоянной (периодом) дифракционной решетки .

где N 0 - число щелей, приходящееся на единицу длины.

Разности хода ∆ лучей (1-2) и (3-4) равна СF

1. . УСЛОВИЕ МИНИМУМОВ Если разность хода CF = (2n+1)l/2 – равна нечетному числу длин полуволн, то колебания лучей 1-2 и 3-4 будут проходить в противофазе, и они взаимно погасятся освещенности :

n = 1,2,3,4… (4.8)

Класс: 11

Презентация к уроку

Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Цели урока:

Обучающие:

• Учащиеся должны повторить и обобщить знания полученные при изучении темы “Отражение и преломление света”: явление прямолинейности распространения света в однородной среде, закон отражения, закон преломления, закон полного отражения.
• Рассмотреть применение законов в науке, технике, оптических приборах, медицине, на транспорте, в строительстве, в быту, окружающем нас мире,
• Уметь применять полученные знания при решении качественных, расчетных и экспериментальных задач;

Развивающие:

1. расширить кругозор учащихся, развитие логического мышления, интеллекта;
2. уметь проводить сравнения, делать вводы;
3. развить монологическую речь, уметь выступать перед аудиторией.
4. научить добывать информацию из дополнительной литературы и из Интернета, анализировать её.

Воспитательные:

• прививать интерес к предмету физика;
• научить самостоятельности, ответственности, уверенности;
• создать ситуацию успеха и дружеской поддержки в процессе урока.

Оборудование и наглядные пособия:

• Прибор по геометрической оптике, зеркала, призмы, катафот, бинокль, оптоволокно, приборы для опыта.
• Компьютер, видеопроектор, экран, презентация “Практическое применение законов отражения и преломления света”

План урока.

I. Тема и цель урока (2 минуты)

II. Повторение (фронтальный опрос) – 4 минут

III. Применение прямолинейности распространения света. Задача (у доски). - 5 минут

IV. Применение закона отражения света. - 4 минуты

V. Применение закона преломления света:

1) Опыт - 4 минуты

2) Задача - 5 минут

VI Применение полного внутреннего отражения света:

а) Оптические приборы – 4 минуты.

в) Волоконная оптика – 4 минуты.

VII Миражи - 4 минуты

VIII.Самостоятельная работа – 7 мин.

IХ Подведение итогов урока. Домашнее задание – 2 мин.

Итого: 45 мин

Ход урока

I. Тема урока, цель, задачи, содержание. (Слайд1-2)

Эпиграф. (Слайд 3)

Чудный дар природы вечной,
Дар бесценный и святой,
В нем источник бесконечный
Наслажденье красотой:
Небо, солнце, звезд сиянье,
Море в блеске голубом –
Всю картину мирозданья
Мы лишь в свете познаем.
И.А.Бунин

II. Повторение

Преподаватель:

а) Геометрическая оптика. (Слайды 4-7)

Свет в однородной среде распространяется прямолинейно. Или в однородной среде световые лучи представляют собой прямые линии

Линия, вдоль которой распространяется световая энергия, называется лучом. Прямолинейность распространения света со скоростью 300000км/с используется в геометрической оптике.

Пример: Применяется при проверке по лучу прямолинейности отстроганной доски.

Возможность видеть несветящиеся предметы связана с тем, что всякое тело частично отражает, а частично поглощает падающий на него свет. (Луна). Среда, в которой скорость распространения света меньше, является оптически более плотной средой. Преломление света - это изменение направления луча света при пересечении границы между средами. Преломление света объясняется различием в скоростях распространения света при переходе из одной среды в другую

б) Демонстрация явления отражения и преломления на приборе “Оптический диск”

в) Вопросы для повторения. (Слайд 8)

III. Применение прямолинейности распространения света. Задача (у доски).

а) Образование тени и полутени. (Слайд 9).

Прямолинейностью распространения света объясняется образование тени и полутени. При малых размерах источника или если источник, находится на расстоянии, по сравнению с которым размерами источника можно пренебречь получается только тень. При больших размерах источника света или, если источник находится близко к предмету, создаются нерезкие тени (тень и полутень).

б) Освещение Луны. (Слайд10).

Луна по своему пути вокруг Земли освещается Солнцем, она сама не светится.

1. новолуние, 3. первая четверть, 5. полнолуние, 7. последняя четверть.

в) Применение прямолинейности распространения света в строительстве, в строительстве дорог и мостов. (Слайды 11-14)

г) Задача №1352(Д) (учащийся у доски). Длина тени от Останкинской телевизионной башни, освещенной солнцем, в некоторый момент времени оказалась равной 600 м; длина тени от человека высотой 1,75 м в тот же момент времени была равна 2 м. Какова высота башни? (Слайд 15-16)

Вывод: По этому принципу можно определить высоту недоступного предмета: высоту дома; высоту отвесной скалы; высоту высокого дерева.

д) Вопросы для повторения. (Слайд 17)

IV. Применение закона отражения света. (Слайды 18-21).

а) Зеркала(Сообщение учащегося).

Свет, встречная на своем пути какой нибудь объект, отражается от его поверхности. Если она не ровная, то отражение происходит во многих направлениях и свет рассеивается.Когда же поверхность гладкая, то все лучи отходят от нее параллельно друг другу и получается зеркальное отражение.Так свет обычно отражается от свободной поверхности покоящихся жидкостей и от зеркал. Форма у зеркал может быть разная. Они бывают плоскими, сферическими, циоиндрическими, пароболическими и т.д. Свет, исходящий из обьекта, распростроняется в виде лучей, которые, падая на зеркало, отражаются. Если они вновь после этого соберутся в какой-нибудь точке,то говорят, что в ней возникло действие изображние объекта. Если же лучи остаются разьединенными, но в какой-то точке сходятся их продолжения, то нам кажется, что лучи исходят их неё именно там находится объект. Это так называемое мнимое изображение,которое создается в воображении наблюдения. С помощью вогнутых зеркал можно проецировать изображениена какую-нибудь поверхностьили собирать в одной точке слабый свет, приходящий от удаленного объекта,как это бывает при наблюдении звезд с помощью телескопа-рефлектора. В обоих случаях изображение получается действительным, другие зеркала используются для того, чтобы видить в них объект в натуральную величину (обычные плоские зеркала), увеличенным (такие зеркальца носят в дамской сумочке) или уменьшенным(зеркала заднего вида в автомобилях). Получаемые при этом изображения являются мнимыми(виртуальными). А с помощью кривых, несферических зеркал можно делать изображение искаженным.

V. Применение закона преломления света. (Слайды 22-23).

а) Ход лучей в стеклянной пластинке.

б) Ход лучей в треугольной призме. Построить и объяснить. (Учащийся у доски)

в) Опыт: Применение закона преломления. (Сообщение учащегося.) (Слайды 24)

Неопытные купальщики нередко подвергаются большой опасности только потому, что забывают об одном любопытном следствии закона преломления света. Они не знают, что преломление словно поднимает все погруженные в воду предметы выше истинного их положения. Дно пруда, речки, водоема представляется глазу приподнятым почти на третью часть глубины. Особенно важно знать это детям и вообще людям невысокого роста, для которых ошибка в определении глубины может оказаться роковой. Причина преломление световых лучей.

Опыт: На дно, стоящей перед учащимися чашки положить монетку так. чтобы она не была видна учащемуся. Попросить его не поворачивая головы, налить в чашку воды, то монетка “всплывёт”. Если из чашки спринцовкой удалить воду, то дно с монеткой опять “опустится”. Объяснить опыт. Провести опыт каждому дома.

г) Задача. Истинная глубина участка водоёма равна 2 метра. Какова кажущая глубина для человека, смотрящего на дно под углом 60°к поверхности воды. Показатель преломления воды равен 1,33. (Слайды 25-26).

д) Вопросы для повторения. (Слайд 27-28).

VI. Полное внутреннее отражение. Оптические приборы

а) Полное внутреннее отражение. Оптические приборы. (Сообщение учащегося)

(Слайды 29-35)

Полное внутренне отражение происходит в том случае, когда свет падает на границу между оптически более плотной средой и менее плотной средой. Полное внутреннее отражение находит применение во многих оптических приборах. Предельный угол для стекла 35°-40° в зависимости от показателя преломления данного сорта стекла. Поэтому в 45° призмах свет будет испытывать полное внутреннее отражение.

Вопрос. Почему оборотные и поворотные призмы лучше применять, чем зеркала?

а) Они отражают почти 100 света, так как самые лучшие зеркала - менее 100. Изображение получается более ярким.

в) Их свойства остаются неизменными, так как металлические зеркала тускнеют с течением времени из-за окисления металла.

Применение. Поворотные призмы применяются в перископах. Оборотные призмы – в биноклях. На транспорте применяется угловой отражатель – катафот, его укрепляют сзади – красный, впереди – белый, на спицах колес велосипеда – оранжевый. Световозвращатель или оптическое устройство, отражающее свет обратно к освещающему его источнику независимо от угла падения света на поверхность. Ими оборудуются все транспортные средства и опасные участки дорог. Изготавливается из стекла или пластмасс.

б) Вопросы для повторения. (Слайд 36).

в) Волоконная оптика. (Сообщение учащегося). (Слайды 37-42).

На полном внутреннем отражении света основана волоконная оптика. Волокна бывают стеклянные и пластиковые. Диаметр их очень маленький- несколько микрометров. Пучок этих тонких волокон называется световодом, свет передвигается по нему почти без потерь, даже если предать световоду сложную форму. Это используется в декоративных светильниках, при подсветки струй в фонтанах.

Световоды находят применение для передачи сигналов в телефонной и других видах связи. Сигнал представляет собой модулированный световой пучок и передается с меньшими потерями, чем при передаче электрического сигнала по медным проводам.

Световоды применяются в медицине – передача четкого изображения. Вводя через пищевод “эндоскоп” врач получает возможность обследовать стенки желудка. По одним волокнам посылается свет для освещения желудка, по другим идёт отражённый свет. Чем больше волокон, и чем они тоньше, тем лучше получается изображение. Эндоскоп полезен при обследовании желудка и других труднодоступных мест, при подготовки больного к операции или при поиски травм и повреждений без хирургического вмешательства.

В световоде происходит полное отражение света от внутренней поверхности стеклянного или прозрачного пластикового волокна. На каждом из торцов световода имеются линзы. На торце обращенном к объекту. линза превращает исходящие из него лучи в параллельный пучок. На торце, обращенном к наблюдателю, имеется зрительная труба, позволяющая рассмотреть изображение.

VII. Миражи. (Учащийся рассказывает, дополняет учитель) (Слайды 43-46).

Французская армия Наполеона в 18 веке встретилась в Египте с миражом. Солдаты увидели впереди “озеро с деревьями”. Мираж - французское слово, означает “отражать как в зеркале”. Солнечные лучи проходят через воздушное зеркало, порождают “чудеса”. Если земля хорошо нагрета, то нижний слой воздуха значительно теплее, чем слои расположенные выше.

Мираж - оптическое явление в ясной, спокойной атмосфере при различной нагретости отдельных ее слоев, состоящее в том, что невидимые, находящиеся за горизонтом предметы отражаются в преломленной форме в воздухе.

Поэтому солнечные лучи, пронизывая воздушную толщу, никогда не идут прямолинейно, а искривляются. Это явление называется рефракцией.

Мираж многолик. Он может быть простым, сложным, верхним, нижним, боковым.

Когда нижние слои воздуха хорошо нагреты, то наблюдается нижний мираж – мнимое перевернутое изображение предметов. Так чаще всего бывает в степях и пустынях. Этот вид миража можно увидеть в Средней Азии, Казахстане, Поволжье.

Если приземные слои воздуха гораздо холоднее, чем верхние, то возникает верхний мираж - изображение отрывается от земли и повисает в воздухе. Предметы кажутся ближе и выше, чем на самом деле. Этот вид миража наблюдается ранним утром, когда солнечные лучи еще не успели согреть Землю.

На поверхности моря в жаркие дни моряки видят корабли, повисшие в воздухе, и даже предметы далеко за горизонтом.

VIII. Самостоятельная работа. Тест – 5 мин. (Слайды 47-53).

1. Угол между падающем лучом и плоскостью зеркала равен 30°. Чему равен угол отражения?

2. Почему для транспорта световым сигналом опасности является красный цвет?

а) ассоциируется с цветом крови;

б) лучше бросается в глаза;

в) имеет самый малый показатель преломления;

г) имеет наименьшее рассеивание в воздухе

3. Почему рабочие на стройке носят каски оранжевого цвета?

а) оранжевый цвет хорошо заметен на расстоянии;

б) мало изменяется во время непогоды;

в) имеет наименьшее рассеивание света;

г) согласно требованию безопасности труда.

4. Чем объяснить игру света в драгоценных камнях?

а) их грани тщательно шлифуются;

б) большим показателем преломления;

в) камень имеет форму правильного многогранника;

г) правильным расположением драгоценного камня по отношению к световым лучам.

5. Как изменится угол между падающим на плоское зеркало и отраженным лучами, если угол падения увеличить на 15°?

а) увеличится на 30°;

б) уменьшится на 30°;

в) увеличится на 15°;

г) увеличится на 15°;

6. Какова скорость света в алмазе, если показатель преломления равен 2,4?

а) примерно 2000000 км/с;

б) примерно 125000 км/с;

в) скорость света не зависит от среды, т.е. 300000 км/с;

г) 720000 км/с.

IХ. Подведение итогов урока. Домашнее задание. (Слайды 54-56).

Анализ и оценка деятельности учащихся на уроке. Учащиеся обсуждают вместе с учителем результативность урока, оценивают свою деятельность.

1. Сколько правильных ответов вы получили?

3. Узнали ли вы что-то новое?

4. Лучший докладчик.

2) Проделать опыт с монеткой дома.

Литература

1. Городецкий Д.Н. Проверочные работы по физике “Высшая школа”1987
2. Демкович В.П. Сборник задач по физике “Просвещение” 2004
3. Джанколе Д. Физика. Издательство “Мир” 1990
4. Перельман А.И. Занимательная физика Издательство “Наука” 1965
5. Лансберг Г.Д. Элементарный учебник физики Издательство “Наука” 1972
6. Интернет-ресурсы

Явление полного внутреннего отражения используется в волоконной оптике, для передачи световых сигналов на большие расстояния. Использование обычного зеркального отражения, не дает желаемого результата, так как даже зеркало самого высокого качества (посеребренное) поглощает до 3% световой энергии. При передачи света на большие расстояния энергия света приближается к нулю. При входе в световод падающий луч направляется под углом заведомо больше предельного, что обеспечивает отражение луча без потерей энергии. Световоды, состоящие из отдельных волокон, достигают в диаметре человеческого волоса, при скорости передачи более быстрой, чем скорость протекания тока, что позволяет ускорить передачу информации.

Волоконные световоды с успехом применяют в медицине. Например, световод вводят в желудок или в область сердца для освещения или наблюдения тех или иных участков внутренних органов. Использование световодов позволяет исследовать внутренние органы без введения лампочки, то есть исключая возможность перегрева.

е) Рефрактометрия (от лат. refractus - преломленный и греч. metreo - измеряю) - метод анализа, основанный на явлении преломления света при прохождении из одной среды в другую. Преломление света, то есть изменение его первоначального направления, обусловлено различной скоростью распределения света в различных средах.

28.Поляризация света. Свет естественный и поляризованный. Оптически активные вещества. Измерение концентрации раствора по углу поворота плоскости поляризации (поляриметрия).

а) Поляризацией света называется выделение из пучка естественного света лучей с определенной ориентацией электрического вектора.

б) ЕСТЕСТВЕННЫЙ СВЕТ (неполяризованный свет)- совокупность некогерентных световых волн со всеми возможными направлениями напряжённости эл.-магн. поля, быстро и беспорядочно сменяющими друг друга. Свет, испускаемый отд. центром излучения (атомом, молекулой, узлом кристаллич. решётки и т. п.), обычно поляризован линейно и сохраняет состояние поляризации в течение 10-8 с и меньше (это следует из экспериментов по наблюдению интерференции световых пучков при большой разности хода, когда, следовательно, могут интерферировать волны, испущенные в начале и в конце указанного временного интервала). В следующем акте излучения свет может обладать др. направлением поляризации. Обычно одновременно наблюдается излучение огромного числа центров, различно ориентированных и меняющих ориентацию но законам статистики. Это излучение и является Е. с. <Мн. источники света (раскалённые тела, светящиеся газы) испускают свет, близкий к Е. с., но всё же в небольшой степени поляризованный. Это объясняется прохождением света внутри источника от глубинных слоев наружу и прохождением света через среду от источника к наблюдателю (поляризация при отражении, при рассеянии света средой, дихроизм среды и т. п.). Близок к Е. с. прямой солнечный свет.

ПОЛЯРИЗОВАННЫЙ СВЕТ - световые волны, электромагнитные колебания которых распространяются только в одном направлении. Обычный СВЕТ распространяется во всех направлениях, перпендикулярных к направлению его движения. В зависимости от сетки колебаний ученые различают три вида поляризации: линейную (плоскостную), круговую и эллиптическую. В линейно поляризованном свете электрические колебания ограничиваются только одним направлением, и магнитные колебания направлены под прямыми углами. Линейно поляризованный свет возникает при ОТРАЖЕНИИ, например, от листа стекла или поверхности воды, при прохождении света через некоторые виды кристаллов, например, кварца, турмалина или кальцита. Поляризационный материал используется в поляризующих солнцезащитных очках для того, чтобы ослабить яркий свет путем отведения света, поляризующегося при отражении.

в)Оптически активные вещества - среды, обладающие естественной оптической активностью. Оптическая активность - это способность среды (кристаллов, растворов, паров вещества) вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через неё оптического излучения (света). Метод исследования оптической активности - поляриметрия.

г) Быстрота и точность определения концентрации очень многих растворов оптическим путем сделали этот метод весьма распространенным. Основан он на явлении вращения плоскости поляризации света.

Вещества, способные вращать плоскость поляризации падающего на них линейно поляризованного света, называются оптически активными. Оптически активными могут быть чистые жидкости(например, скипидар), растворы некоторых веществ (водный раствор сахара), некоторые углеводы. Направление вращения плоскости поляризации у различных веществ не одинаково. Если смотреть навстречу лучу, проходящему через вещество, то одна часть веществ вращает плоскость поляризации по часовой стрелке (правовращающие вещества), другая – против (левовращающие вещества). Некоторые вещества имеют две модификации, одна из которых вращает плоскость поляризации по часовой стрелке, другая – против (кварц).

Естественный свет, проходя через поляризатор П, превращается в плоскополяризованный. Cветофильтр F пропускает на кварцевую пластинку К свет определенной частоты. Кварцевая пластинка вырезана перпендикулярно оптической оси, следовательно, свет распространяется вдоль этой оси без двойного лучепреломления. Если заранее, в отсутствие кварцевой пластинки, установить анализатор А на полное затемнение (николи скрещены), то при внесении кварцевой пластинки поле зрения просветляется. Для полного затемнения теперь нужно повернуть анализатор на некоторый угол φ. Таким образом, поляризованный свет, прошедший через кварц, не приобрел эллиптической поляризации, а остался линейно поляризованным; при прохождении через кварц плоскость поляризации лишь повернулась на некоторый угол, измеряемый поворотом анализатора А, необходимым для затемнения поля в присутствии кварца. Меняя светофильтр, можно обнаружить, что угол поворота плоскости поляризации для разных длин волн различен, т.е. имеет место вращательная дисперсия.

Для данной длины волны угол поворота плоскости поляризации пропорционален толщине пластинки d:

где φ – угол поворота плоскости поляризации; d – толщина пластины; α – удельное вращение.

Удельное вращение зависит от длины волны, природы вещества и температуры. Например, у кварца α = 21,7 град/мм для λ = 589 нм и α = 48,9 град/мм для λ = 405 нм.

При распространении линейно поляризованного света в растворе оптически активного вещества угол поворота плоскости поляризации зависит от толщины слоя d и от концентрации раствора С:

На рис. 2, а обозначены: E1 – световой вектор левой составляющей, E2 – световой вектор правой составляющей, РР – направление суммарного вектора E .

Если скорости распространения обеих волн неодинаковы, то по мере прохождения через вещество один из векторов, например E1, будет отставать в своем вращении от вектора E2 (см. рис. 2, б), т.е. результирующий вектор E будет поворачиваться в сторону более «быстрого» вектора E2 и займет положение QQ. Угол поворота будет равен φ.

Различие в скорости распространения света с разными направлениями круговой поляризации обусловлено асимметрией молекул или же асимметричным расположением атомов в кристалле. Для измерения углов поворота плоскости поляризации используются приборы, которые называются поляриметрами и сахариметрами.

29.Особенности излучения и поглощения энергии атомами и молекулами. Спектры (излучения и поглощения) атомарные, молекулярные и спектры кристаллов. Спектрометрия и ее применение в медицине.

Атом и молекула могут находиться в стационарных энергетических состояниях. В этих состояниях они не излучают и не поглощают энергии. Энергетические состояния схематически изображают в виде уровней. Самый нижний уровень энергии - основной - соответствует основному состоянию.

При квантовых переходах атомы и молекулы скачкообразно переходят из одного стационарного состояния в другое, с одного энергетического уровня на другой. Изменение состояния атомов связано с энергетическими перехо­дами электронов. В молекулах энергия может изменяться не только в результате электронных переходов, но и вследствие изменения колебания атомов и переходов между вращательными уровнями. При переходе с более высоких энергетических уровней на нижние атом или молекула отдает энергию, при обратных переходах поглощает. Атом в основном состоянии способен толь­ко поглощать энергию. Различают два типа квантовых переходов:

1) без излучения или поглощения элек­тромагнитной энергии атомом или молекулой. Такой безызлучательный переход происходит при взаимодействии атома или молекулы с другими частицами, например в процессе столкновения. Различают неупругое столкновение, при котором изменяется внутреннее состояние атома и осуществляется безызлучательный переход, и упругое - с изменением кинетической энергии атома или молекулы, но с сохранением внутреннего состоя­ния;

2) с излучением или поглощением фотона. Энергия фотона равна разности энергий начального и конечного стационарных состояний атома или молекулы

В зависимости от причины, вызывающей квантовый переход с испусканием фотона, различают два вида излучения. Если эта причина внутренняя и возбужденная частица самопроизвольно переходит на нижний энергетический уровень, то такое излучение называют спонтанным. Оно случайно и хаотично по времени, частоте (могут быть переходы между разными подуров­нями), по направлению распространения и поляризации. Обычные источники света испускают в основном спонтанное излучение. Дру­гое излучение вынужденное, или индуцированное.Оно возникает при взаимодействии фотона с возбужденной частицей, если энергия фотона равна разности уровней энергий. В результате вынужденного квантового перехода от частицы будут распростра­няться в одном направлении два одинаковых фотона: один - пер­вичный, вынуждающий, а другой - вторичный, испущенный. Излучаемая атомами или молекулами энергия формирует спектр испускания, а поглощаемая - спектр поглощения.

Квантовые переходы осуществляются не между любыми энерге­тическими уровнями. Установлены правила отбора, или запрета, формулирующие условия, при которых переходы возможны и не­возможны или маловероятны.

Энергетические уровни большинства атомов и молекул достаточ­но сложны. Структура уровней и, следовательно, спектров зависит не только от строения одиночного атома или молекулы, но и от внешних причин.

Спектры являются источником различной информации.

Прежде всего по виду спектра можно идентифицировать атомы и молекулы, что входит в задачи качественного спектрального анали­за. По интенсивности спектральных линий определяют количество излучающих (поглощающих) атомов - количественный спектраль­ный анализ. При этом сравнительно легко находят примеси в кон­центрациях 10~5-10~6% и устанавливают состав образцов очень малой массы - до нескольких десятков микрограммов.

По спектрам можно судить о строении атома или молекулы, структуре их энергетических уровней, подвижности отдельных частей больших молекул и т.п. Зная зависимость спектров от по­лей, воздействующих на атом или молекулу, получают информацию о взаимном расположении частиц, ибо воздействие соседних атомов (молекул) осуществляется посредством электромагнитного поля.

Изучение спектров движущихся тел позволяет на основании оптического эффекта Доплера определить относительные скорости излучателя и приемника излучения.

Если учесть, что по спектру вещества удается сделать выводы о его состоянии, температуре, давлении и т.п., то можно высоко оце­нить использование излучения и поглощения энергии атомами и молекулами как исследовательский метод.

В зависимости от энергии (частоты) фотона, испускаемого или поглощаемого атомом (или молекулой), классифицируют следу­ющие виды спектроскопии: радио-, инфракрасная, видимою излуче­ния, ультрафиолетовая и рентгеновская.

По типу вещества (источника спектра) различают атомные, молекулярные спектры и спектры кристаллов.

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ СПЕКТРЫ - спектры поглощения, испускания или рассеяния, возникающие при квантовых переходах молекул из одного энергетич. состояния в другое. M. с. определяются составом молекулы, её структурой, характером хим. связи и взаимодействием с внеш. полями (и, следовательно, с окружающими её атомами и молекулами). Наиб. характерными получаются M. с. разреженных молекулярных газов, когда отсутствует уширение спектральных линий давлением: такой спектр состоит из узких линий с доп-леровской шириной.

Рис. 1. Схема уровней энергии двухатомной молекулы: a и б -электронные уровни; u" и u"" - колебательные квантовые числа; J" и J "" - вращательные квантовые числа .

В соответствии с тремя системами уровней энергии в молекуле - электронной, колебательной и вращательной (рис. 1), M. с. состоят из совокупности электронных, колебат. и вращат. спектров и лежат в широком диапазоне эл--магн. волн - от радиочастот до рентг. области спектра. Частоты переходов между вращат. уровнями энергии обычно попадают в микроволновую область (в шкале волновых чисел 0,03-30 см -1), частоты переходов между колебат. уровнями -в ИК-обла-сть (400-10 000 см -1), а частоты переходов между электронными уровнями - в видимую и УФ-области спектра. Это разделение условное, т. к. часто вращат. переходы попадают и в ИК-область, колебат. переходы - в видимую область, а электронные переходы - в ИК-область. Обычно электронные переходы сопровождаются и изменением колебат. энергии молекулы, а при колебат. переходах изменяется и вращат. энергия. Поэтому чаще всего электронный спектр представляет собой системы электронно-колебат. полос, причём при высоком разрешении спектральной аппаратуры обнаруживается их вращат. структура. Интенсивность линий и полос в M. с. определяется вероятностью соответствующего квантового перехода. Наиб. интенсивные линии соответствуют переходу, разрешённому отбора правилами.К M. с. относят также оже-спектры и рентг. спектры молекул (в статье не рассматриваются; см. Оже-эффект, Оже-спектроскопия, Рентгеновские спектры, Рентгеновская спектроскопия) .

Спектры кристаллов (оптические) по структуре разнообразны. Наряду с узкими линиями они содержат широкие полосы (отношение частоты n к скорости света с от долей до нескольких тыс. см -1 ) и сплошные области спектра, простирающиеся на десятки тыс. см -1 (см. Спектры оптические ). В инфракрасной области спектров поглощения наблюдаются полосы, связанные с квантовыми переходами между энергетическими уровнями, обусловленными колебательными движениями частиц кристалла, которым сопутствуют изменения электрического дипольного момента: поглощается фотон и рождается квант колебаний кристаллической решётки - фонон. Процессы, сопровождающиеся рождением нескольких фононов, «размывают» и усложняют наблюдаемый спектр. В реальном кристалле обычно есть дефекты структуры (см. Дефекты в кристаллах ), вблизи них могут возникать локальные колебания, например внутренние колебания примесной молекулы. При этом в спектре появляются дополнительные линии с возможными «спутниками», обусловленными связью локального колебания с решёточными. В полупроводниках некоторые примеси образуют центры, в которых электроны движутся на водородоподобных орбитах. Они дают спектр поглощения в инфракрасной области, состоящий из серии линий, заканчивающихся непрерывной полосой поглощения (ионизация примеси). Поглощение света электронами проводимости и дырками в полупроводниках и металлах начинается также в инфракрасной области (см. Металлооптика ). В спектрах магнитоупорядоченных кристаллов аналогично фононам проявляют себя магноны (см. Спиновые волны ).

В спектре рассеянного света из-за взаимодействия света с колебаниями решётки, при которых изменяется поляризуемость кристалла, наряду с линией исходной частоты n o появляются линии, сдвинутые по обе стороны от неё на частоту решёточных колебаний, что соответствует рождению или поглощению фононов (см. Комбинационное рассеяние света, рис. 1 ). Акустические решёточные колебания приводят к тому, что при рассеянии света на тепловых флуктуациях у центральной (не смещенной) релеевской линии также появляются боковые спутники, обусловленные рассеянием на распространяющихся флуктуациях плотности (см. Рассеяние света ).

Большинство неметаллических кристаллов за инфракрасной областью в определённом интервале частот прозрачно. Поглощение возникает снова, когда энергия фотона становится достаточно велика, чтобы вызвать переходы электронов из верхней заполненной валентной зоны в нижнюю часть зоны проводимости кристалла. Спектр этого интенсивного собственного поглощения света отображает структуру электронных энергетических зон кристалла и простирается дальше в видимый диапазон, по мере того как «включаются» переходы между др. энергетическими зонами. Положение края собственного поглощения определяет окраску идеального кристалла (без дефектов). Для полупроводников длинноволновая граница области собственного поглощения лежит в ближней инфракрасной области, для ионных кристаллов - в ближней ультрафиолетовой области. Вклад в собственное поглощение кристалла наряду с прямыми переходами электронов дают и непрямые переходы, при которых дополнительно рождаются или поглощаются фононы. Переходы электронов из зоны проводимости в валентные зоны могут сопровождаться рекомбинационным излучением.

Электрон проводимости и дырка благодаря электростатическому притяжению могут образовать связанное состояние - экситон. Спектр экситонов может варьироваться от водородоподобных серий до широких полос. Линии экситонного поглощения лежат у длинноволновой границы собственного поглощения кристалла Экситоны ответственны за электронные спектры поглощения молекулярных кристаллов. Известна также экситонная люминесценция.

Энергии электронных переходов между локальными уровнями дефектных центров попадают обычно в область прозрачности идеального кристалла, благодаря чему они часто обусловливают окраску кристалла. Например, в щёлочно-галоидных кристаллах возбуждение электрона, локализованного в анионной вакансии (F-центр окраски), приводит к характеристической окраске кристалла. Различные примесные ионы (например, Тl в КСl) образуют центры люминесценции в кристаллофосфорах . Они дают электронно-колебательные (вибронные) спектры. Если электрон-фононное (вибронное) взаимодействие в дефектном центре слабое, то в спектре появляется интенсивная узкая бесфононная линия (оптический аналог линии Мёссбауэра эффекта ), к которой примыкает «фононное крыло» со структурой, отражающей особенности динамики кристалла с примесью (рис. 3 ). С ростом вибронного взаимодействия интенсивность бесфононной линии падает. Сильная вибронная связь приводит к широким бесструктурным полосам. Поскольку часть энергии возбуждения в процессе колебательной релаксации до излучения рассеивается в остальном кристалле, максимум полосы люминесценции лежит по длинноволновую сторону от полосы поглощения (правило Стокса). Иногда к моменту испускания светового кванта в центре не успевает установиться равновесное распределение по колебательным подуровням, при этом возможна «горячая» люминесценция.

Если кристалл содержит в качестве примесей атомы или ионы переходных или редкоземельных элементов, с недостроенными f- или d-оболочками, то можно наблюдать дискретные спектральные линии, соответствующие переходам между подуровнями, возникающими в результате расщепления атомных уровней внутрикристаллическим электрическим полем

СПЕКТРОМЕТРИЯ - совокупность методов и теория измерений спектров эл.-магн. излученияи изучение спектральных свойств веществ и тел в оптич. диапазоне длин волн(~1 нм - 1 мм). Измерения в С. осуществляются с помощью спектральныхприборов.