Інформація для вчителів
Застосування
Заломлення при переході зі скла в повітря
Явищем повного внутрішнього відбивання в оптиці називають випадок, коли світловий промінь повністю відбивається на межі поділу двох середовищ і жодного пропускання не відбувається. Таке відбивання виникає лише за певного кута - так званого граничного кута.
Особливо добре повне внутрішнє відбивання можна спостерігати при переході між прозорим середовищем, як-от вода чи скло, і повітрям.
Одне із застосувань цього - світловоди у вигляді волоконно-оптичних кабелів. Вони можуть передавати інформацію майже без втрат на відстань до 20 000 метрів.
Інша інформація для вчителя (1/4)
Попередні знання
Принцип
Учні мають перед цим засвоїти основи прямолінійного поширення і відбивання світла. Поняття перпендикуляра має бути відоме.
Світло заломлюється при переході з оптично менш густого в оптично густіше середовище (можливий і зворотний перехід). Повне внутрішнє відбивання виникає тоді, коли світло з оптично густішого середовища падає на межу поділу з оптично менш густим середовищем
і кут падіння більший за граничний кут.
Інша інформація для вчителя (2/4)
Навчальна мета
На прикладі повного внутрішнього відбивання учень знайомиться з важливим окремим випадком закону заломлення при переході світла з оптично густішого в оптично менш густе середовище, який має дуже велике значення для техніки (світловодні кабелі).
Завдання
У цьому досліді учні мають спершу поспостерігати відоме явище заломлення при переході світла зі скла в повітря, але звернути увагу й на ділянку всередині модельного тіла, а отже - на дедалі сильніше відбивання світла. Далі вони докладніше спостерігають і досліджують випадок, коли світло падає на межу поділу скло–повітря під граничним кутом повного внутрішнього відбивання.
Інша інформація для вчителя (3/4)
Зауваження
Учневі можна звернути увагу на дисперсію заломленого світла, яку можна спостерігати за кутів падіння, близьких до граничного.
Інша інформація для вчителя (4/4)
Вказівки щодо складання та виконання
Успіх досліду і особливо точне визначення граничного кута вирішальною мірою залежать від ретельного юстування схеми досліду (метод 0°) і від точного падіння світла в напрямку основи перпендикуляра. Модельне тіло має лежати на оптичному диску шорсткою стороною донизу, щоб шлях світла всередині тіла був видимий.
За потреби вчитель має допомогти у знаходженні граничного кута, бо учні, як показує досвід, дуже швидко пропускають критичний кут і виводять світло за нього.
Як можливу допомогу варто також використати невеликий шматочок білого паперу, який тримають вертикально на оптичному диску в ході заломленого пучка світла і на якому цей пучок дає світлову пляму.
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Інформація для учнів
Мотивація
Особливий вид відбивання - так зване повне внутрішнє відбивання. Воно виникає, коли світло падає на межу поділу під певним кутом - граничним кутом. При цьому відбивається майже все світло, і воно не входить у середовище.
Це явище відбувається, наприклад, у світловодах або волоконно-оптичних кабелях. За їх допомогою можна передавати інформацію майже без втрат на відстань до 20 000 м.
Повне внутрішнє відбивання у світловодах
Завдання
Що таке повне внутрішнє відбивання?
Дослідь поведінку вузьких пучків світла при переході світла зі скла в повітря, коли кут падіння більший за 40°.
Схема досліду
Обладнання
| Позиція | Обладнання | Артикул | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Освітлювач галогенний, 12 В / 20 Вт | 09801-00 | 1 |
| 2 | Модельне тіло, півкругле, r = 30 мм | 09810-01 | 1 |
| 3 | Оптичний диск | 09811-00 | 1 |
| 4 | PHYWE Джерело живлення пост. струм: 0...12 В, 2 A / змін. струм: 6 В, 12 В, 5 A | 13506-93 | 1 |
Складання
Увага!
Слідкуй за тим, щоб вузький пучок світла з освітлювача завжди йшов точно в напрямку центра оптичного диска (до основи перпендикуляра) і щоб модельне тіло не змінювало свого положення під час пересування освітлювача.
- Поклади оптичний диск перед собою на стіл і постав півкругле модельне тіло (шорсткою поверхнею донизу) в межах позначок до вертикальної лінії.
Схема установки
Виконання (1/5)
Постав освітлювач з однощілинною діафрагмою з боку лінзи навпроти модельного тіла. Півкругла сторона модельного тіла й освітлювач при цьому стоять одне навпроти одного.
- Під'єднай освітлювач до блока живлення (12 В ~).
Введення блока живлення в роботу
Виконання (2/5)
Юстування ходу променів
- Відрегулюй свою схему досліду так, щоб вузький пучок світла, який падає вздовж оптичної осі, після проходження крізь скло йшов далі по оптичній осі.
- Тепер пересувай освітлювач доти, доки світло не падатиме на модельне тіло під кутом 35°.
- Поспостерігай за поведінкою вузького пучка світла після проходження крізь модельне тіло при потраплянні на межу поділу скло–повітря. Запиши свої спостереження.
- Виміряй кут заломлення і теж запиши виміряне значення.
Виконання (3/5)
Повертання освітлювача
- Тепер пересувай освітлювач, доки падаючий пучок світла не утворить із перпендикуляром падіння кут 40°.
- Поспостерігай за поведінкою вузького пучка світла при потраплянні на межу поділу скло–повітря (зокрема й за ділянкою всередині модельного тіла). Запиши свої спостереження.
- Виміряй відповідний кут заломлення і запиши виміряне значення.
Виконання (4/5)
Пересування освітлювача
- Обережно пересуваючи освітлювач, збільшуй кут падіння і спостерігай при цьому за ходом заломленого пучка світла та за ділянкою всередині модельного тіла. Запиши свої спостереження.
- Виміряй кут падіння і кут відбивання саме тоді, коли кут заломлення дорівнює якраз = 90°. Запиши свої спостереження і виміряні значення.
Виконання (5/5)
Пересування освітлювача
- Тепер пересувай освітлювач, доки падаючий пучок світла не утворить із перпендикуляром падіння кут 50°. Поспостерігай і запиши свої результати.
- Виміряй і в цьому випадку кут між відбитим пучком світла і перпендикуляром падіння та знову запиши виміряне значення.
- Вимкни блок живлення.
Протокол
Завдання 1
Питання
Питання
Завдання 2
Питання
Питання
Завдання 3
Питання
Питання
Завдання 4
Питання
Явище, яке ти спостерігав, називають повним внутрішнім відбиванням. За яких умов воно виникає? Оціни, правдиве чи хибне наведене твердження.
Повне внутрішнє відбивання виникає, коли світло з оптично менш густої речовини (повітря) падає на межу поділу з оптично густішою речовиною (скло) і кут падіння менший за певний кут (граничний кут).
Завдання 5
Чому теплими літніми днями асфальтова дорога вдалині здається мокрою, коли дивитися на неї з автомобіля? Заповни пропуски в тексті. Повітря безпосередньо біля асфальтової дороги сильно ____ і тому є ____, ніж ____ шар повітря над ним. За дуже ____ падіння світла виконується умова ____. Сонячне світло відбивається на ____ й потрапляє в око спостерігача, у якого через це виникає враження, ніби перед ним удалині дзеркальна водна поверхня.
Завдання 6
Питання
Додаткове завдання
Спробуй за допомогою закону заломлення й оборотності ходу світла обґрунтувати виникнення повного внутрішнього відбивання. Заповни пропуски в тексті. Коли світло падає на ____ повітря–скло, ____ не може набувати значень, більших за 90°. Отже, і ____ не може бути більшим за 90°, якщо хід світла йде у зворотному напрямку. Тому ____, починаючи з якого відбувається повне відбивання світла, - це той, за якого заломлений пучок світла лише ковзає по межі поділу скло–____.