Опыты по оптике
опыты и эксперименты по физике на тему

Дидактический материал

Распространение света

Как мы знаем, один из видов теплопередачи – это излучение. При излучении передача энергии от одного тела к другим может осуществляться даже в вакууме. Существует несколько разновидностей излучений, одна из них – видимый свет.

Освещенные тела постепенно нагреваются. Значит, свет действительно представляет собой излучение.

Световые явления изучаются разделом физики, который называют оптикой. Слово "оптика" по-гречески означает "видимый", ведь свет – это видимый вид излучения. 

Изучение световых явлений имеет чрезвычайно  важное   значение для человека. Ведь более девяносто процентов информации мы получаем благодаря зрению, то есть способности воспринимать световые ощущения.

Тела, излучающие свет, называются источниками света – естественными или искусственными. 

Примеры естественных источников света – это Солнце и другие звезды, молния, светящиеся насекомые и растения. Искусственные источники света – это свеча, лампа, горелка и многие другие. 

В любом источнике света при излучении расходуется энергия.

Солнце излучает свет благодаря энергии от происходящих в его недрах ядерных реакций.

Керосиновая лампа преобразует в свет энергию, выделяющуюся при сгорании керосина.

Отражение света

Человек видит источник света, когда луч, исходящий из этого источника, попадает в глаз. Если же тело не является источником, то глаз может воспринимать лучи от какого-либо источника, отраженные этим телом, то есть, упавшие на поверхность этого тела и изменившие при этом направление дальнейшего распространения. Тело, отражающее лучи, становится источником отраженного света.

Упавшие на поверхность тела лучи изменяют направление дальнейшего распространения. При отражении свет возвращается в ту же среду, из которой он упал на поверхность тела. Тело, отражающее лучи, становится источником отраженного света.

 Когда мы слышим это слово "отражение", прежде всего, нам вспоминается зеркало. В быту чаще всего используются плоские зеркала. С помощью плоского зеркала можно провести простой опыт, чтобы установить закон, по которому происходит отражение света. Поставим осветитель на лежащий на столе лист бумаги таким образом, чтобы тонкий пучок света лежал в плоскости стола. В этом случае световой пучок будет скользить по поверхности листа бумаги, и мы его сможем видеть.

Установим вертикально на пути тонкого светового пучка плоское зеркало. Пучок света отразится от него. Можно убедиться, что отраженный пучок, как и падающий на зеркало, скользит по бумаге в плоскости стола. Отметим карандашом на листе бумаги взаимное расположение обоих световых пучков и зеркала. В результате получим схему проведенного опыта.Угол между падающим лучом и перпендикуляром, восстановленным к отражающей поверхности в точке падения, в оптике принято называть углом падения. Угол между тем же перпендикуляром и отраженным лучом – это угол отражения. Результаты опыта таковы:

1. Падающий луч, отраженный луч и перпендикуляр к отражающей поверхности, восстановленный в точке падения, лежат в одной плоскости.
2.  Угол падения равен углу отражения. Эти два вывода представляют собой закон отражения. 

Глядя на плоское зеркало, мы видим изображения предметов, которые перед ним расположены. Изображения эти в точности повторяют внешний вид предметов. Кажется, что эти предметы-двойники расположены позади поверхности зеркала.

Рассмотрим изображение точечного источника в плоском зеркале. Для этого произвольно проведем от источника несколько лучей, построим соответствующие им отраженные лучи и затем достроим продолжения отраженных лучей за плоскость зеркала. Все продолжения лучей пересекутся за плоскостью зеркала в одной точке: эта точка и есть изображение источника.

 Поскольку в изображении сходятся не сами лучи, а только их продолжения, в действительности изображения в этой точке нет: нам только кажется, что из этой точки исходят лучи. Подобное изображение принято называть мнимым.

Преломление света

Когда свет достигает раздела двух сред, часть его отражается, другая же часть проходит сквозь границу, преломляясь при этом, то есть, изменяя направление дальнейшего распространения.

Монета, погруженная в воду, кажется нам более крупной по сравнению с тем, когда она просто лежит на столе. Карандаш или ложка, помещенные в стакан с водой, видятся нам надломленными: часть, находящаяся в воде, кажется приподнятой и немного увеличенной. Эти и многие другие оптические явления объясняются преломлением света.

 Преломление света связано с тем, что в разных средах свет распространяется с различной скоростью.

Скорость распространения света в той или иной среде характеризует оптическую плотность данной среды: чем выше скорость света в данной среде, тем меньше ее оптическая плотность.

Как изменится угол преломления при переходе света из воздуха в воду и при переходе из воды в воздух? Опыты показывают, что при переходе из воздуха в воду угол преломления оказывается меньшим, чем угол падения. И наоборот: при переходе из воды в воздух угол преломления оказывается больше угла падения.

Из опытов по преломлению света стали очевидными два факта: 1. Падающий луч, преломленный луч и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения, лежат в одной плоскости.

3. При переходе из оптически более плотной среды в оптически менее плотную угол преломления больше угла падения. При переходе из оптически менее плотной среды в оптически более плотную угол преломления меньше угла падения.

Интересное явление можно наблюдать, если постепенно увеличивать угол падения при переходе света в оптически менее плотную среду. Угол преломления в этом случае, как известно, больше угла падения, и, с увеличением угла падения, угол преломления также будет увеличиваться. При некотором значении угла падения угол преломления станет равен 90о.

Будем постепенно увеличивать угол падения при переходе света в оптически менее плотную среду. С увеличением угла падения, угол преломления также будет увеличиваться. Когда угол преломления станет равным девяносто градусов, преломленный луч не переходит во вторую среду из первой, а скользит в плоскости границы раздела этих двух сред.

Такое явление называют полным внутренним отражением, а угол падения, при котором оно происходит – предельным углом полного внутреннего отражения.

Явление полного внутреннего отражения широко используется в технике. На этом явлении основано применение гибких оптических волокон, по которым проходят световые лучи, многократно отражаясь от стенок.

Явление полного внутреннего отражения широко используется в технике. На этом явлении основано применение гибких оптических волокон, по которым проходят световые лучи, многократно отражаясь от стенок.

Свет не выходит за пределы волокна вследствие полного внутреннего отражения. Более простое оптическое устройство, в котором используется полное внутреннее отражение, – это оборотная призма: она переворачивает изображение, меняя местами входящие в нее лучи.

Изображение в линзах

Линзу, толщина которой мала по сравнению с радиусами сфер, образующих поверхности этой линзы, называют тонкой. В дальнейшем мы будем рассматривать только тонкие линзы. На оптических схемах тонкие линзы изображают в виде отрезков со стрелками на концах. В зависимости от направления стрелок, на схемах различают собирающие и рассеивающие линзы. 

Рассмотрим, как проходит сквозь линзы пучок лучей, параллельных главной оптической оси. Пройдя сквозь

собирающую линзу, лучи собираются в одной точке. Пройдя сквозь рассеивающую линзу, лучи расходятся в разные стороны таким образом, что все их продолжения сходятся в одной точке, лежащей перед линзой.

Точка, в которой собираются после преломления в собирающей линзе лучи, параллельные главной оптической оси, называется главным фокусом линзы-F. 

В рассеивающей линзе лучи, параллельные ее главной оптической оси, рассеиваются. Точка, в которой собираются продолжения преломленных лучей, лежит перед линзой и называется главным фокусом рассеивающей линзы.

Фокус рассеивающей линзы получается на пересечении не самих лучей, а их продолжений, поэтому он мнимый, в отличие от собирающей, у которой фокус действительный.

У линзы два главных фокуса. Оба они лежат на равных расстояниях от оптического центра линзы на ее главной оптической оси.

Расстояние от оптического центра линзы до фокуса принято называть фокусным расстоянием линзы. Чем сильнее линза изменяет направление лучей, тем меньшим получается ее фокусное расстояние. Поэтому оптическая сила линзы обратно пропорциональна ее фокусному расстоянию.

Оптическую силу, как правило, обозначают буквой "ДЭ", и измеряют в диоптриях. Например, выписывая рецепт на очки, указывают, сколько диоптрий должна составлять оптическая сила правой и левой линз.

диоптрия (дптр) – это оптическая сила линзы, фокусное расстояние которой составляет 1м. Поскольку у собирающих линз фокусы действительные, а у рассеивающих – мнимые, то условились считать оптическую силу собирающих линз положительной величиной, а оптическую силу рассеивающих линз – отрицательной

Кто установил закон отражения света?

Для XVI века оптика была ультрасовременной наукой. Из стеклянного шара, наполненного водой, которым пользовались как фокусирующей линзой, возникло увеличительное стекло, а из него микроскоп и подзорная труба.  Крупнейшей в те времена морской державе Нидерландам требовались хорошие подзорные трубы,  чтобы загодя рассмотреть опасный берег или вовремя уйти от врага.  Оптика обеспечивала успех и надежность навигации. Поэтому именно в Нидерландах многие ученые занимались ею. Голландец Виллеброрд,  Снель ван Ройен, именовавший себя Снеллиусом (1580 - 1626), наблюдал (что, впрочем, видели и многие до него),  как тонкий луч света отражается в зеркале. Он просто измерил угол падения и угол отражения луча (чего до него не делал никто) и установил закон: угол падения равен углу отражения.

Источник. Зеркальный мир.  Гильде В. - М.:  Мир, 1982. с. 24.

Почему алмазы ценят так высоко?

Очевидно, человек особенно высоко ценит  все  то, что не поддается или с трудом поддается изменениям.  В том числе и драгоценные металлы и камни. Древние греки назвали алмаз "адамас" - неодолимый, чем выразили свое особое отношение к этому камню. Конечно, у неограненных камней (алмазы тоже не гранили)  наиболее  очевидными свойствами были твердость и блеск.

Алмазы отличаются высоким показателем преломления; 2,41 - для красного цвета и 2,47 - для фиолетового (для сравнения достаточно сказать, что показатель преломления воды 1,33,  а стекла в зависимости от сорта - от 1,5  до 1,75).

Белый свет составлен из цветов спектра. И когда его луч преломляется, каждый из составляющих цветных лучей отклоняется по-разному, он словно расщепляется на цвета радуги. Вот почему в алмазе наблюдается "игра цветов".

Древних греков,  несомненно,  восхищало и это. Мало того,  что камень исключителен по блеску и твердости,  он имеет еще и форму одного из "совершенных" тел  Платона!

Опыты

ОПЫТ по оптике №1

  Объясните потемнение бруска из дерева после его смачивания.

Оборудование: сосуд с водой, деревянный брусок.

  Объясните колебание тени неподвижного предмета при прохождении света через воздух над  горящей свечей.  Оборудование: штатив, шарик на нити, свеча, экран, проектор.  

  На лопасти вентилятора наклейте цветные кусочки бумаги и пронаблюдайте как происходит сложение  цветов  при разных режимах вращения. Объясните наблюдаемое явление.

ОПЫТ №2

Опыт Юнга по интерференции света.

Простая демонстрация поглощения света водным раствором красителя   

   Требует для своей подготовки только школьного осветителя,  стакана с водой и белого экрана. Красители могут быть самыми  разнообразными, в том числе и флюоресцирующими. 

     Учащиеся с большим интересом наблюдают изменение окраски пучка белого света по мере распространения его в красителе. Неожиданным для них оказывается   цвет вышедшего из раствора пучка. Поскольку свет сфокусирован   линзой осветителя, окраска пятна на экране определяется расстоянием  между стаканом с жидкостью и экраном.

Простые опыты с линзами.(ОПЫТ №3)

  Что произойдёт с изображением предмета, получаемого с помощью линзы, если часть линзы разбилась и изображение получают с помощью оставшейся её части?

Ответ.  Изображение получится на том же месте, где оно получалось с помощью целой линзы, но его освещённость будет меньше, т.к. меньшая часть лучей, вышедших из предмета, дойдёт до его изображения.

Положите на стол освещенный Солнцем (или мощной лампой)  маленький блестящий предмет, например, шарик от подшипника, или болтик от компьютера и посмотрите на него сквозь крохотную дырочку в листке фольги. Будут отлично видны разноцветные кольца, или овалы.  Что за явление будет наблюдаться? Ответ.  Дифракция.

Простые опыты с цветными стеклами.(ОПЫТ №4)

    На белом листе бумаги напишите  красным фломастером или карандашом “отлично” и зелёным  фломастером - “хорошо”. Возьмите два осколка бутылочного стекла - зелёное и красное.

(Внимание! будьте осторожны, о края осколков можно пораниться!)

Через какое стекло надо смотреть, чтобы увидеть оценку “отлично” ?

Ответ.  Необходимо смотреть через зелёное стекло. При этом надпись будет видна чёрной на зелёном фоне бумаги, так как красный свет надписи “отлично” не пропускается зелёным стеклом. При рассматривании через красное стекло красная надпись не будет видна на красном фоне бумаги.

ОПЫТ №5: Наблюдение явления дисперсии

Известно, что при пропускании узкого пучка белого света через стеклянную призму на экране, установленном за призмой, можно наблюдать радужную полоску, которая называется дисперсионным (или призматическим) спектром. Спектр этот наблюдается и тогда, когда источник света, призму и экран помещают в замкнутый сосуд, из которого откачен воздух.

Результаты последнего опыта показывают, что существует зависимость абсолютного показателя преломления стекла от частоты световых волн. Это явление наблюдается во многих веществах и называется дисперсией света. Существует различные опыты для иллюстрации явления дисперсии света. На рисунке представлен один из вариантов его проведения.

Явление дисперсии света было открыто Ньютоном и считается одним из важнейших его открытий. На надгробном памятнике, поставленном в 1731 году, изображены фигуры юношей, держащих в руках эмблемы самых важных открытий Ньютона. В руках одного из юношей - призма, а в надписи на памятнике есть такие слова: "Он исследовал различие световых лучей и проявляющиеся при этом различные свойства цветов, чего ранее никто не подозревал."

ОПЫТ №6:Есть ли у зеркала память?

Как нужно  поставить плоское зеркало на нарисованный  прямоугольник, чтобы получилось изображение: треугольника, четырехугольника, пятиугольника.   Оборудование: плоское   зеркало,  лист  бумаги  с  нарисованными  на  нем  квадратом.

Ответ

ВОПРОСЫ

Прозрачное оргстекло становится матовым, если его поверхность потереть наждачной бумагой.  Это же стекло снова становится прозрачным, если его потереть....   Чем? 

На шкале диафрагмы объектива наносятся числа, равные отношению фокусного расстояния к диаметру отверстия: 2; 2,8; 4,5; 5; 5,8 и т. д. Как изменится время выдержки съемки, если диафрагму перенести на большее деление шкалы?

Ответ. Чем больше число диафрагмирования, обозначенное на шкале, тем освещенность изображения меньше, а требуемая при фотографировании выдержка больше.

Чаще всего объективы фотоаппаратов состоят из нескольких линз. Свет, проходя через объектив, частично отражается от поверхностей линз. К каким дефектам это приводит при съемке?   Ответ

При съемке снежных равнин и водных поверхностей в солнечные дни рекомендуется применять солнечную бленду, которая представляет собой зачерненную внутри цилиндрическую или коническую трубку, надеваемую на
объектив. Каково назначение бленды?  Ответ 

Чтобы свет не отражался внутри объектива, на поверхность линз наносят тончайшую прозрачную пленку порядка десятитысячных долей миллиметра. Такие объективы называют просветленными. На каком физическом явлении основано просветление объектива? Объясните, почему объективы не отражают свет. Ответ.

Вопрос для форума

Почему черный бархат кажется намного темнее,  чем черный шелк ?

Почему белый свет, пройдя сквозь оконное стекло, не разлагается на составляющие? Ответ.

Блиц

1. Как называются очки без дужек? (Пенсне)

2. Что выдает орла во время охоты? (Тень.)

3. Чем славен художник Куинжи? (Умением изображать прозрачность воздуха и лунного света)

4. Как называются лампы, освещающие сцену? (Софиты)

5. Драгоценный камень голубого или зеленоватого цвета? (Бирюза)

6. Укажите, в какой точке находится рыба в воде, если рыбак видит ее в точке А.

Блиц

1. Чего в сундук не спрячешь? (Луч света)

2. Какого цвета белый свет? (Белый свет состоит из ряда разноцветных лучей :красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего, фиолетового)

3. Что больше: облако или тень от нее? (Облако отбрасывает суживающийся к земле конус полной тени, высота которого из-за  значительных размеров облака велика. Поэтому тень облака мало отличается по размерам от самого облака)

4. Ты за ней, она от тебя, ты от нее, она за тобой. Что это такое? (Тень)

5. Виден край, а не дойдешь. Что это?(горизонт)

Оптические  иллюзии.

1

Вам не кажется, что черные и белые полосы движутся в противоположных направлениях?  Если вы будете наклонять голову - то вправо, то влево -  направление вращения тоже меняется.

2

Бесконечная лестница, ведущая вверх.

Солнце и глаз

не будь подобен Солнцу глаз,

Не смог бы Cолнце он увидеть...  В.Гёте

      Сопоставление глаза и Солнца так же старо, как и сам человеческий род. Источник такого сопоставления — не наука. И в наше время рядом с наукой, одновременно с картиной явлений, раскрытой и объясненной новым естествознанием, продолжает бытовать мир представлений ребенка и первобытного человека и, намеренно или ненамеренно, подражающий им мир поэтов. В этот мир стоит иногда заглянуть как в один из возможных истоков научных гипотез. Он удивителен и сказочен; в этом мире между явлениями природы смело перекидываются мосты-связи, о которых иной раз наука еще не подозревает. В отдельных случаях эти связи угадываются верно, иногда они в корне ошибочны и просто нелепы, но всегда они заслуживают внимания, так как эти ошибки нередко помогают понять истину. Поэтому и к вопросу о связи глаза и Солнца поучительно подойти сначала с точки зрения детских, первобытных и поэтических представлений. 

    Играя «в прятки», ребенок очень часто решает спрятаться самым неожиданным образом: он зажмуривает глаза или закрывает их руками, будучи уверен, что теперь его никто не увидит; для него зрение отождествляется со светом.

     Еще удивительнее, впрочем, сохранение такого же инстинктивного смешения зрения и света у взрослых. Фотографы, т. е. люди несколько искушенные в практической оптике, нередко ловят себя на том, что закрывают глаза, когда при заряжении или проявлении пластинок нужно тщательно следить, чтобы свет не проникал в темную комнату.

     Если внимательно прислушаться к тому, как мы говорим, к нашим собственным словам, то и здесь сразу обнаруживаются следы такой же фантастической оптики.

    Не замечая этого,  люди говорят: "глаза засверкали",  "солнце выглянуло", "звезды смотрят".

  У поэтов перенос зрительных представлений на светило и, наоборот,  приписывание глазам свойств источников света - самый обычный,  можно сказать,  обязательный прием:

Звезды ночи,

Как обвинительные очи,

За ним насмешливо глядят.

... Его глаза сияют.

А.С.Пушкин.

С тобой на звезды мы глядели,

Они на нас.  Фет.

Как Вас  видит  рыба?

Из за преломления света рыбак видит рыбу не там,  где она находится на самом деле.

В соответствии с законами оптики рыба может видеть стоящего в воде рыбака парящим в воздухе.

Народные приметы

 Красный огонь в печи — к морозу. Почему так считают?

Ответ.

В преддверии мороза воздух сильно охлаждается и таким холодным попадает через трубу в топку печи. Энергия, выделяющаяся при горении дров, частично идет на нагревание этого воздуха, поэтому пламя “остывает” и приобретает красную окраску; если бы температура пламени была выше, пламя имело бы более белую окраску.

Относительная спектральная чувствительность среднего человеческого глаза (яркий свет)

где спектральная чувствительность глаза