Урок в 11-м классе "Полное отражение света"
методическая разработка по физике (11 класс) на тему

Наука давно перестала чуждаться жизни
и написала на своем знамени:
"Посев научный взойдет для жатвы народной".
Менделеев Д.И.

Цель – развитие познавательного интереса, умения составлять алгоритмы “переноса” - применения приобретенных знаний в нестандартной (новой) учебной ситуации; формирование учебно-познавательных и информационных компетенций учащихся.

Задачи  урока:

предметные

создать условия для:

1. формирования понятия о физическом явлении “полное внутреннее отражение света”;
2. выяснить условия возникновения полного отражения;
3. изучение практического применение этого физического явления;

метапредметные:

1. создать условия для формирования мировоззренческих понятий: о причинно-следственных связях в окружающем мире, о познаваемости окружающего мира и человечества;
2. создать условия для развития умения анализировать, сопоставлять факты, выделять главное, устанавливать причинно – следственные связи, формировать умения работать с различными литературными источниками;
3. создать условия для самоорганизации и коммуникативных умений при работе в парах, группах

личностные:

1. продолжить формирование научного мировоззрения учащихся на примере         законов геометрической оптики.

Оборудование: мультимедийный проектор, интерактивная доска, интерактивный модуль “Геометрическая оптика” Г.В.Гордона [2], видеоролики домашнего эксперимента, презентация “Полное отражение света” [1], образец оптико-волоконного кабеля, новогодняя ёлка на светодиодах.

Структура урока

Ход урока

Учитель: ...Еще древнеримский ученый Плиний в своей “Естественной истории”, написанной около двух тысяч лет назад,  рассказывал о ловцах жемчуга, набиравших в рот оливковое масло перед погружением и выпускавших его под водой. Растекавшаяся по поверхности моря масляная пленка, показатель преломления которой больше, чем у воды, резко уменьшала яркость бликов и улучшала условия видимости.  Сегодня на уроке мы изучим новое явление, происходящее на границе раздела двух сред, выясним условия его возникновения, познакомимся с проявлением полного отражения в природе и технике.

1.Актуализация знаний

А) Определите физическое явление, выраженное стихами:

Как неожиданно и ярко,

На влажной неба синеве,

Воздушная воздвиглась арка

В своём минутном торжестве!

Один конец в леса вонзила,

Другим за облака ушла –

Она полнеба обхватила

И в высоте изнемогла.

Тютчев

Где ночь в лесу всего длинней?

- Длинней? Наверно, у корней.

Вот у вершин другие ночи:

Там день длинней, а ночь короче!

                            А.Кондратьев

В нём столько блеску было,

Была такая спесь,

А он – воды и мыла

Раздувшаяся смесь.

Огнями на просторе

Играет лёгкий шар:

То в нём синеет море,

То в нём горит пожар.

Ах, как играет этот Север!

Ах, как пылает надо мной

Разнообразных радуг веер

В его короне ледяной!

М. дудин

Б) фронтальная беседа

1.Всегда ли световые лучи распространяются в среде прямолинейно?

                  2.Какие явления наблюдаются на границе раздела двух прозрачных сред?

                   ( могут не сказать об отражении..)

            3.Сформулируйте закон отражения света.

            4.Сформулируйте закон преломления света.

                 5. Каков физический смысл абсолютного показателя преломления?

2.Стадия вызова

Работа по вариантам (ряды) см. Приложение1

Предлагается решить задачу, в которой рассматривается обратный ход луча из оптически более плотной среды в оптически менее плотную. Решая задачу, учащиеся приходят к парадоксальному явлению, не объясняемому с точки зрения математики.

Итак, возникла проблемная ситуация! Для разрешения проблемы обратимся к опытам:

А) Рассмотрим ход лучей, направленных из воды в воздух (демонстрация: аквариум с водой, лазерная указка). Луч света направим из воды в воздух. Отмечаем, что при увеличении угла падения интенсивность преломленного и отраженного луча изменяются.

Учитель:

Несложное явление полного внутреннего отражения, впервые описанное Иоганном Кеплером в начале XVII века и, казалось бы, прекрасно изученное, сегодня стало объектом пристального внимания. А впервые эти эффекты исследовал русский физик Александр Александрович Эйхенвальд ровно более ста лет назад.

Вначале полное отражение представляло лишь любопытное явление. Сейчас оно постепенно приводит к революции. За “новаторские достижения в области передачи света по волокнам для оптической связи” Нобелевская премии по физике 2009 года присуждена Чарльзу Као. Открытие Као, которое он сделал в 1966 году, проложило дорогу оптическим волокнам, которые используются сегодня в области телевидения и интернет - связи. Ему удалось разработать метод производства сверхчистого оптического волокна, благодаря чему световые сигналы стало возможным передавать без искажений на расстояние до 100 км, по сравнению всего лишь с десятками метров, что было пределом на тот момент.

Учитель дает определение полного отражения света: полное отражение – это явление отражения света от оптически менее плотной среды, при котором отсутствует преломление света, а интенсивность отраженного света почти равна интенсивности падающего.

Сумма энергий…

Б) Модель на интерактивной доске…

Выводы (делают дети):

1. При определенном угле, вся энергия падающего луча полностью отражается внутрь среды, более  оптически плотной. Это явление наблюдается только тогда, когда угол падения равен предельному углу полного отражения. Это угол падения света на границу раздела двух сред, при котором свет преломляется в оптически менее плотную среду под углом 90°, т.е. фактически отражается!
2. Когда угол будет больше предельного угла, то луч полностью отражается.

3. Стадия реализации и осмысления

3.1. Организация работы с учебником:

ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ЯВЛЕНИЯ (это то, что должно остаться в тетради)

1. Внешние признаки явления
2. Условия, при которых протекает явления
3. Механизм протекания явления
4. Количественная характеристика явления!!!! (Это то, что в учебнике)
5. Практическая значимость явления (рассмотрим в дальнейшем)

3.2.Учитель: 

А). Фронтальная беседа с классом по итогам прочтения текста учебника…

Б) Интерактивная модель перехода из разных сред в оптически менее плотную среду  и определение предельного угла отражения света (таблица)

3.3. Фронтальный и демонстрационные эксперименты и их объяснения и применение:

А) химический стакан и пробирка

Б) видео..

В) применение

Учитель: рассказывает о явлениях в природе, связанных с полным отражением света:

1. Полное внутреннее отражение можно наблюдать, если смотреть из-под воды на поверхность: при определенных углах на границе раздела наблюдается не внешняя часть (то, что в воздухе), а видно зеркальное отражение объектов, которые находятся в воде.
2. Полным внутренним явлением объясняется явление миража. Мираж — оптическое явление в атмосфере: отражение света границей между резко разными по теплоте слоями воздуха. Для наблюдателя такое отражение заключается в том, что вместе с отдалённым объектом (или участком неба) видно его мнимое изображение, смещенное относительно предмета.
3. Радуга. Чаще всего наблюдается первичная радуга, при которой свет претерпевает одно внутреннее отражение. Ход лучей показан на рисунке справа вверху. В первичной радуге красный цвет находится снаружи дуги, её угловой радиус составляет 40–42°.
4. Сложное оптическое явление в атмосфере, состоящее из нескольких форм миражей, при котором отдалённые предметы видны многократно и с разнообразными искажениями. Фатаморгана возникает, когда в нижних слоях атмосферы образуется несколько чередующихся слоев воздуха различной плотности, способных давать зеркальные отражения. В результате отражения, а также преломления лучей реально существующие предметы дают на горизонте или над ним по нескольку искажённых изображений, частично налагающихся друг на друга и быстро меняющихся во времени, что и создаёт причудливую картину.
5. Чем объяснить “игру камней”? В ювелирном деле огранка камней подбирается так, что на каждой грани наблюдается полное отражение света.

Учитель: На явлении полного внутреннего отражения основано появление раздела волоконной оптики. Волоконная оптика – это система передач оптических изображений с помощью стекловолокон (световодов)

Световод представляет собой нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения. Каждый световод состоит из центрального проводника света (сердцевины) – стеклянного волокна, и стеклянной оболочки, обладающей меньшим показателем преломления, чем сердцевина. Распространяясь по сердцевине, лучи света не выходят за ее пределы, отражаясь от покрывающего слоя оболочки. 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). За счёт многократного полного отражения свет может быть направлен по любому пути, прямому и изогнутому. Волокна собираются в жгуты. При этом по каждому из волокон передаётся какой-нибудь элемент изображения. Луч света “посылается” к границе раздела двух сред под углом большим предельного угла. Благодаря этому он претерпевает полное отражение.

Учитель предлагает более подробно познакомиться с практическим применением волоконной оптики .

Учитель подводит итоги урока, оценивает подготовку и работу на уроке, сообщает домашнее задание .

4. Стадия рефлексии

 индивидуальная работа (тестирование) см. Приложение 2 и взаимопроверка результатов, выставление отметок

5.Итоги урока

Кто решит задачу на полное отражение света?!

При переходе из первой среды во вторую угол преломления равен 45° градусов, а при переходе из первой среды в третью угол преломления равен 30° (при том же угле падения).  Определите предельный угол полного отражения для света, идущего из третьей среды во вторую.

Д/З

Литература

1. Презентация “Полное отражение света”. [1]
2. Гордон Г.В. Геометрическая оптика. http://www.rusedu.ru/detail_6171.html [2]
3. Борисов К. Оптиволоконные системы освещения. http://www.trikita.by/service6.html
4. Буховцев Б.Б., Мякишев Г.Я. Учебник по физике 11 класс. М.:Просвещение.2010
5. Вараксина Е. И. Полное внутреннее отражение света в жидкости. http://fiz.1september.ru/articles/2009/17/14 .
6. Касьянов В.А. Учебник по физике 11 класс. М.:Дрофа.2002
7. Латышевская Т. Ю., Новоселов К. С. Нанотехнологии для Волоконной Оптики. http://www.kabel-news.ru/
8. http://traditio.ru/wiki/ Внутреннее отражение
9. http://hghltd.yandex.net/. Полное отражение света
10. http://ru.wikipedia.org/wiki/Световод
11. http://images.google.ru . Миражи
12. http://school426-spb.by.ru . Фата-Моргана
13. http://www.genon.ru/GetAnswer. Фотографии
14. http://www.universal-fibre-optics.com/russian/applications.html .Оптико-волоконные системы освещения
15. http://www.ifmo.ru/faculty/5. Уникальный роботизированный комплекс
16. http://www.forc-photonics.ru/ru/production/volokonno-opticheskie_datchik/1/68/.Оптические приборы
17. http://optika8.narod.ru/Opiti.htm . Геометрическая оптика
18. http://canegor.urc.ac.ru/bezpriborov/63832896.html. Опыты, демонстрирующие полное внутреннее отражение света
19. http://www.nvtc.ee/e-oppe/Sidorova/objects . Применение полного внутреннего отражения света.
20. http://iuyt.ru/index.php?newsid=38. Светодизайн
21. http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/144040/ Фата-моргана

1- й ряд

Луч света падает из воды на границу раздела двух сред «вода - воздух» под углом 60 0. Найдите угол преломления луча в воздухе.

(абсолютный показатель преломления воды принять равным 1,33).

2- й ряд

Луч света падает из воды на границу раздела двух сред «стекло - воздух» под углом 60 0. Найдите угол преломления луча в воздухе.

 (абсолютный показатель преломления стекла принять равным 1,5.)

3- й ряд

 Луч света падает из воды на границу раздела двух сред «стекло - вода» под углом 60 0. Найдите угол преломления луча в воздухе.

 (абсолютный показатель преломления стекла принять равным 1,7; а воды – 1, 33).

Приложение 2

Тест

1.  На рисунке показан световой луч, падающий на плоское зеркало. Выберите правильное утверждение.

А. Угол отражения луча больше угла падения.

Б. Отраженный луч лежит в плоскости рисунка.

В. Угол падения луча на поверхность зеркала меньше 30°.

Г. Угол падения луча на поверхность зеркала меньше 45°.

2. На рисунке показан световой луч, проходящий границу раздела двух прозрачных сред. Отметьте, какие из следующих четырех утверждений правильные, а какие — неправильные.

А. Скорость света в среде 1 меньше, чем в среде 2.

Б. Оптическая плотность среды 2 больше, чем оптическая плотность среды 1.

В. Угол падения луча больше 60°.

Г. Угол преломления луча меньше 45°.

3. Луч света падает нормально на границу раздела двух сред.  Угол преломления луча будет:

А. Больше угла падения

Б. Меньше угла падения

В. Отраженный и преломленный лучи в данном случае совпадают.

Г. Падающий, отраженный и преломленный лучи лежат в одной плоскости.

4. Световой луч падает на границу раздела вода-воздух (см. рисунок). На границе происходит отражение и преломление света. Отметьте, какие из следующих четырех утверждений правильные, а какие — неправильные.

А. Угол падения луча меньше 45°.

Б. Оптическая плотность воздуха больше, чем оптическая плотность воды.

В. Угол отражения луча меньше 45°.

Г. Угол преломления луча меньше угла падения.

5.Луч света проходит через три прозрачные среды с показателями

преломления n1, n2 и n3 . Каково соотношение между показателями

преломления сред?

  А. п1 > п2>  п3

  Б. п1 < п2 < п3

  В. п1 <  п2  >п3

  Г. п1 >  п2<  п3

6.*  Световой луч проходит в вакууме расстояние S1 = 30 см, а в прозрачной жидкости за это же время расстояние S2 = 0,25 м. Определите показатель преломления жидкости.