Урок по теме: «Изображения, даваемые линзой »
план-конспект урока по физике (11 класс) на тему

Описание урока
Урок по теме: «Изображения, даваемые линзой »
Цель: Научить учащихся строить изображения, даваемые линзами и описывать их.
Задачи:
Образовательные: определить понятие линзы, познакомить с собирающей и рассеивающей линзами, формула тонкой линзы, формула для оптической силы линзы, сформулировать «правила» хода лучей света в линзе и научить применять эти «правила» на практике;
Воспитательные: вырабатывать наблюдательность, навыки и культуру проведения физического эксперимента, способствовать развитию самостоятельности
Развивающие: умение разрешать проблемные ситуации, работа с компьютером, учить делать выводы по результатам
Оборудование и материалы: компьютер, проектор, презентация, набор линз, листы формата А4 в клетку, чертежные принадлежности, карточки

Перечень используемых цифровых ресурсов на уроке: слайд-фильм «Изображения, даваемые линзой»
   Отличительные особенности данного урока: современная наглядность, возможность использования пространства Интернет для получения нужной информации по теме урока.
   Работа учителя на уроке: показать учащимся пути построения изображений в линзах, помочь найти ребятам новую информацию по теме.
   Описание деятельности учащихся: просмотр слайдфильма, поиск новой информации по теме, формирование познавательного интереса к изучаемой теме, развитие логического мышления, политехнических знаний и умений.
Межпредметные связи на уроке: биология, технология, химия, история
Итоги урока: достижение образовательных, воспитательных и развивающих целей, построенных перед уроком.

                                        Ход урока

                                   1.Проверка знаний

А.Что лежит в чёрном ящике? (Узнать по подсказкам)

Учитель: А что такое линза? Выслушиваются различные варианты ответов и пояснения к ним.

Б.Историческая справка:  Изобретение линз уходит в глубь тысячелетий. Археологи находят их в довольно неожиданных местах. Это естественные линзы из грубо обломанных кусочков горного хрусталя и берилла, которые, по-видимому, применяли для добывания огня с помощью солнечных лучей. Много таких линз было обнаружено при раскопках в Египте, Греции, Месопотамии, Италии.
В развалинах Кносского дворца на Крите была найдена небольшая плоско выпуклая линза из горного хрусталя с фокусным расстоянием около 140 мм, датируемая 1200–1600 г. до н.э. (музей в г. Кандия на Крите). Историки, ссылаясь на рукописи древних писателей, предполагают, что подобными линзами пользовались и римляне. Во всяком случае, известно, что император Нерон пользовался сапфировой солнцезащитной линзой, вставленной в оправу. Первые же изображения таких линз можно увидеть на старинных китайских гравюрах, датированных VII—IX веками.
Очень интересная находка была сделана А. Лейардом при раскопках дворца Саргона в Ниневии. Он обнаружил линзу из горного хрусталя, датируемую 725 г. до н.э. Линза плосковыпуклая, овальной формы (один из диаметров – 4.2 см, другой 3.5 см) толщина линзы – 0.5 см, фокусное расстояние – 10.7 см. Эта линза была исследована в поляризованном свете английским физиком Дейвидом Брюстером. По его мнению, плоская сторона линзы является одной из природных (естественны) плоскостей кристалла, форма же выпуклой его поверхности была получена путем обработки с применением инструмента. Таким образом, Брюстер пришел к заключению, что это подлинная оптическая линза. Аналогичный вывод сделан и рядом других ученых. Однако в дальнейшем исследования привели к предположению о декоративном назначении линз.
При раскопках Г.Шлиманом Трои в 1890 году были обнаружены 6 линз из горного хрусталя. Кроме того, 41 небольшая линза из горного хрусталя такой же формы диаметром от 25 до 30 мм – это уже напоминает массовое производство очков для троянцев. Все линзы датируются приблизительно 2500 г. до н.э.
На шведском острове Готланд в кладе, зарытом около тысячи лет назад викингами, найдены линзы сложной асферичной формы из горного хрусталя. На острове нет месторождения этого минерала, поэтому предполагают, что викинги привезли их из своих плаваний. Подобная форма линз была теоретически рассчитана лишь в 17 веке Рене Декартом. В своей работе он указал, что эти линзы будут давать отличное изображение, но еще долго ни один оптик не мог их изготовить. Остается загадкой, кто и для каких целей мог их отшлифовать тысячу лет назад. Следует заметить, что тысяча лет – возраст клада, а возраст линз может оказаться большим. Месторождение горного хрусталя, из которого они изготовлены, определить не сложно по химическому составу вещества. Быть может, прозрачный кварц окажется из рудников Бразилии, ведь для высокоразвитых цивилизаций Центральной и Южной Америки, которые процветали здесь тысячу лет назад, минерал был основным сырьем для изготовления оружия и предметов искусства.
Процесс изготовления линз в больших количествах связан с изобретением очков и астрономических приборов.
Очки были изобретены, по-видимому, в Италии конце XIII в и при их изготовлении использовалось венецианское стекло. Начиная с 1300 года, в уставах гильдии венецианских стекольщиков часто упоминаются зрительные линзы и рекомендуется уничтожать подделки хрусталя из бесцветного стекла, что свидетельствует о быстром вхождении очков в моду в Венеции.
Изобретение книгопечатания в середине XV в. вызвало повышенный спрос на очки. Очковые мастера появляются во всех крупных городах Европы. Техника шлифовки стекла все более совершенствуется. Входят в употребление специальные приспособления для шлифовки линз: бронзовые, железные, медные и латунные формы - "грибы" и "чашки" различных радиусов кривизны.
Стеклянные линзы с разным увеличением, датируемые 600-400 г.г. до н.э. , найдены и в Месопотамии. Зажигательное действие линз и зеркал известно с глубокой древности

2.Изучение новой темы

• Определение линзы. Виды линз. Основные параметры линзы.

   Отражение и преломление света используют для того, чтобы изменять направление лучей, или, как говорят, управлять световыми пучками. На этом основано использование таких устройств и приборов, как прожектора, лупы, микроскопа, фотоаппарата и др. Главной частью большинства из них является линза.
   Линзой (от лат. lens - чечевица) называется прозрачное (обычно стеклянное) тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями.
   Различают выпуклые линзы, у которых середина толще, чем края, и вогнутые линзы, у которых середина тоньше, чем края. Сечения этих линз изображены на рисунках 89, а (выпуклые линзы) и 89, б (вогнутые линзы). На этих же рисунках показаны условные обозначения линз.

   Прямая, проходящая через центры С1 и С2 сферических поверхностей, ограничивающих линзу, называется главной оптической осью линзы. Точку О на этой оси называют оптическим центром линзы.
   Ход лучей света в выпуклых и вогнутых линзах различен. Выпуклые стеклянные линзы, находящиеся в воздухе, преобразуют параллельный пучок световых лучей в сходящийся; поэтому иначе их называют собирающими (рис. 90, а). Вогнутые стеклянные линзы при этом создают расходящийся пучок света, поэтому их называют рассеивающими (рис. 90, б).

• 
•    Точка F (см. рис. 90), в которой пересекаются после преломления в линзе либо сами световые лучи, когда линза собирающая, либо их продолжения в обратную сторону, когда линза рассеивающая, называется главным фокусом линзы. У собирающих линз фокус действительный, а у рассеивающих мнимый.
     У всякой линзы два главных фокуса - по одному с каждой стороны. Если слева и справа от линзы одна и та же среда, то оба эти фокуса располагаются на одинаковых расстояниях от линзы.
     Расстояние от оптического центра линзы до ее главного фокуса называется фокусным расстоянием линзы; обозначают его той же буквой, что и сам фокус:
     F - фокусное расстояние линзы.
     Фокусное расстояние линзы зависит от степени кривизны ее поверхностей. Линза с более выпуклыми поверхностями преломляет лучи сильнее, чем линза с менее выпуклыми поверхностями, и поэтому обладает меньшим фокусным расстоянием.
     Для определения фокусного расстояния собирающей линзы необходимо направить на нее солнечные лучи и, получив на экране за линзой резкое изображение Солнца, измерить расстояние от линзы до этого изображения. Поскольку лучи ввиду чрезвычайной удаленности Солнца будут падать на линзу практически параллельным пучком, то это изображение будет располагаться почти точно в фокусе линзы.
     Физическая величина, обратная фокусному расстоянию линзы, обозначается буквой D и называется оптической силой линзы:
   

   Чем меньше фокусное расстояние линзы, тем больше ее оптическая сила, т. е. тем сильнее она преломляет лучи.
   Единицей оптической силы в СИ является метр в минус первой степени (м-1). Иначе эта единица называется диоптрией (дптр). 1 дптр - это оптическая сила линзы с фокусным расстоянием 1 м.
   У собирающих и рассеивающих линз оптические силы отличаются знаком. Собирающие линзы обладают действительным фокусом, поэтому их фокусное расстояние и оптическая сила считаются положительными (F>0, D>0). Рассеивающие линзы обладают мнимым фокусом, поэтому их фокусное расстояние и оптическая сила считаются отрицательными (F<0, D<0).
   Многие оптические приборы состоят из нескольких линз. Оптическая сила системы нескольких близкорасположенных линз равна сумме оптических сил всех линз этой системы. Если, например, имеются две линзы с оптическими силами D1 и D2, то их общая оптическая сила будет равна:
 

Заметим, что складываются при этом лишь оптические силы. Фокусные расстояния складывать не имеет смысла, так как фокусное расстояние нескольких линз не совпадает с суммой фокусных расстояний отдельных линз.

Формула линзы 

Демонстрация опыта: измерить фокусное расстояние собирающей линзы.

Построение изображений, даваемых линзой

При помощи линз можно не только собирать и рассеивать лучи света, но и получать разнообразные изображения предметов. Именно благодаря этой способности линзы широко используются на практике. Так, линзы в киноаппаратах способны давать увеличенное в сотни раз изображение маленького кинокадра, а в фотоаппарате такие же линзы дают уменьшенное изображение фотографируемого предмета, умещающееся внутри аппарата на обычной фотопленке. Как же получаются столь различные изображения?

Оказывается, характер получаемого изображения зависит от взаимного расположения предмета и линзы. Изменяя расстояние между ними, можно увеличить или уменьшить изображение, сделать его прямым или обратным (перевернутым), действительным или мнимым.

Как получается изображение? Мы знаем, что любой (видимый) объект представляет собой совокупность светящихся своим или отраженным светом точек. От этих точек исходят расходящиеся пучки лучей, которые после преломления в линзе либо сами, либо своими продолжениями снова сходятся в определенных точках; их совокупность и образует изображение данного предмета.

Для построения изображения каждой точки достаточно двух лучей. Из бесчисленного множества лучей, выходящих из данной точки, выбирают те, ход которых наиболее прост и потому легко может быть воспроизведен в процессе построения изображения. Такими лучами являются:

1. луч, проходящий через центр линзы (при прохождении через линзу этот луч практически не изменяет своего направления);
2. луч, падающий на линзу параллельно ее главной оптической оси (после преломления в линзе этот луч либо сам, если линза собирающая, либо своим продолжением в обратную сторону, если линза рассеивающая, проходит через главный фокус линзы).

     Чтобы построить изображение линейного предмета, например стрелки АВ (рис. 91), необходимо построить сначала изображение точки А, затем изображение точки В, после чего надо соединить точки А1 и В1,; отрезок А1В1 и будет являться изображением данного предмета.

Используя эти указания, выясним, каким является изображение, даваемое собирающей линзой, при трех разных расстояниях предмета от линзы.

1. Пусть расстояние от предмета АВ до линзы превышает ее фокусное расстояние более чем в 2 раза (рис. 91, а).

Построим сначала изображение точки А. Для этого проведем из этой точки два луча, один из которых направим параллельно главной оптической оси линзы (после преломления в линзе он пройдет через ее главный фокус), а другой — через оптический центр линзы. Эти лучи пересекутся в некоторой точке А1. Точка А1 будет изображением точки А.

Построим теперь изображение точки В. Для этого, как и раньше, проведем из нее два луча — один параллельно главной оптической оси линзы, а другой через ее центр. Точка пересечения этих лучей В1 будет изображением точки В.

Изображения всех остальных (промежуточных) точек предмета АВ будут лежать между А1 и В1. Соединив эти точки, проведя стрелку от первой из них ко второй, мы получим отрезок А1В1 — изображение предмета АВ.

Мы видим, что если предмет находится за двойным фокусом собирающей линзы, то его изображение является: а) действительным; б) уменьшенным; в) обратным (перевернутым).

Такое изображение используют в фотоаппарате, устройство которого будет рассмотрено в следующем параграфе.

2.        Пусть предмет АВ находится между фокусом и двойным фокусом
линзы (рис. 91, б).

Как и в предыдущем случае, проведем сначала два луча из точки А. Точка их пересечения А1 будет изображением точки А. Затем проведем два луча из точки В. Точка их пересечения В1 будет изображением точки В.

Соединив точки А1 и В1, получим отрезок А1В1 — изображение предмета АВ.

Мы видим, что если предмет находится между фокусом и двойным фокусом собирающей линзы, то его изображение является: а) действительным; б) увеличенным; в) обратным (перевернутым) .

Такое изображение используют при работе с проекционными аппаратами (диапроекторами, киноаппаратами и т.д.).

3.        Пусть предмет АВ находится между линзой и ее фокусом
(рис. 91, в).

Направив из точки А на линзу два стандартных луча, мы увидим, что после преломления в линзе они выйдут из нее расходящимися. Изображением точки А в этом случае будет точка пересечения не самих лучей, а их продолжений в обратную сторону. Таким образом, А1 — это мнимое изображение точки А.

Аналогично получаем точку В1— мнимое изображение точки В.

Соединив точки А1и В1, получаем отрезок А1В1 — мнимое изображение предмета АВ.

Итак, если предмет находится между собирающей линзой и ее фокусом, то его изображение является: а) мнимым; б) увеличенным; в) прямым (неперевернутым).

Такое изображение получают, когда пользуются лупой (увеличительным стеклом) при разглядывании мелких деталей какого-либо предмета или текста. В этом случае необходимо получать именно увеличенное изображение. А поскольку оно еще оказывается и прямым, то его удобно рассматривать (или читать).

Рассмотрим теперь изображение, даваемое рассеивающей линзой (рис. 91, г). Эта линза образует расходящийся пучок света. Поэтому действительных изображений с ее помощью получить нельзя.

Рассеивающая линза при всех положениях предмета дает мнимое, уменьшенное и прямое изображение

Закрепление знаний:

1)Решение кроссворда

 \    Впишите в горизонтальные строки  слова, означающие: 1 — прибор для демонстрации опытов по оптике, 2 — оптический прибор, действующий благодаря преломлению света, 3 — точка, в которой линза собирает лучи, параллельные ее оптической оси, 4 - вид линзы, 5 — свойство лучей света, проходящих через линзу, 6 — оптический прибор, действующий благодаря отражению света, 7 — вид линзы, 8 — характеристика источника света.

     Если вы заполните строки правильно, то в выделенном вертикальном столбце прочтете название единицы оптической силы линзы.

2)Исследовательская работа

Исследовательская работа №1

Нарисуйте в собирающей линзе изображение стрелки, стоящей на оптической оси между линзой и фокусом.

Исследовательская работа №2

Нарисуйте в собирающей линзе изображение стрелки, стоящей на оптической оси между фокусом и двойным фокусом

Исследовательская работа №3

Нарисуйте в собирающей линзе изображение стрелки, стоящей на оптической оси за двойным фокусом.

Исследовательская работа №4

Нарисуйте в рассеивающей линзе изображение стрелки, стоящей на оптической оси между линзой и фокусом.

Исследовательская работа №5

Нарисуйте в рассеивающей линзе изображение стрелки, стоящей на оптической оси между фокусом и двойным фокусом.

Исследовательская работа №6

Нарисуйте в рассеивающей линзе изображение стрелки, стоящей на оптической оси за двойным фокусом.

Данные результатов исследований заносим в таблицу и проецируем на экран. (Слайд ).

Из полученной таблицы видно, что по мере приближения предмета к линзе размер изображения увеличивается. Можно ли сказать, что размер изображения обратно пропорционален расстоянию от предмета до линзы.

Нельзя! Потому что, во-первых при d=F изображения нет совсем, а во-вторых при дальнейшем приближении к линзе, на расстояниях меньших фокусного изображение снова уменьшается.

3)Физический диктант

                               Вставьте пропущенные слова или завершите предложение

• Прозрачные тела, ограниченные с двух сторон сферическими поверхностями называются …
• Линзы бывают двух видов: …
• Линзы, у которой края толще, чем середина, являются …
• Линзы, у которой края намного тоньше, чем середина, являются …
• У каждой линзы есть два …            - по одному с каждой стороны.
• Выпуклая линза называется …                  а вогнутая -
• Величина, обратная фокусному расстоянию линзы называется …
• Если F < d <2 F , то изображение будет …                        расположенным по другую сторону от линзы
• Если d >2 F , то изображение будет …
• Если d < F , то изображение будет …
• Линзы применяются в устройствах, например: …

Итоги урока, домашнее задание: 63, 64 Примеры решения задач:1.упр.9(11)

Подготовиться к выполнению лабораторной работы