Принцип Гюйгенса. Закон отражения света - Световые волны - Оптика

Цели: познакомить учащихся с особенностью распространения света на границе раздела двух сред; сформулировать принцип Гюйгенса.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Повторение изученного

1. Вопросы для повторения.

- Что такое свет?

- Как называется раздел физики, изучающий световые явления?

- Какие источники света вы знаете?

- Какая среда называется оптически однородной?

- Как распространяется свет в однородной оптической среде?

- Какие опыты доказывают, что свет в оптически однородной среде распространяется прямолинейно?

2. Анализ экспериментов.

1. Поставьте две одинаковые свечи на расстоянии 50-60 см от экрана. Посередине между экраном и свечами вертикально поместите линейку. Зажгите свечи. Что получилось на экране? Зарисуйте в тетради, что у вас получилось.

2. Произвольно перемещайте экран и линейку. Зафиксируйте изменения очертаний теней и полутеней.

3. Погасите одну свечу. Изменилось ли при этом изображение на экране? Если изменилось, то как?

4. Поместите экран на расстояние 50-60 см от зажженных свечей. Между экраном и свечами поместите карандаш сначала вертикально, а потом горизонтально. Результат занесите в тетрадь.

- Что доказывают данные опыты?

III. Изучение нового материала

В оптике, так же как и в механике, первые шаги были сделаны в древности. Тогда были открыты два закона геометрической оптики: закон прямолинейного распространения света и закон отражения. К познанию этих законов древние пришли, вероятно, очень давно. Опыт повседневной жизни: наблюдение тени, применение метода визирования при измерении земельных площадей и при астрономических наблюдениях - приводил древних, во-первых, к понятию луча света, а во-вторых, к понятию прямолинейного распространения света. Наблюдая затем явления отражения света, в частности, в металлических зеркалах, которые были хорошо известны в то время, древние пришли к пониманию закона отражения. Данные законы были описаны знаменитым греческим ученым Евклидом, жившим в III веке до н.э.

Законы отражения света можно вывести из принципа описывающего поведение волн. Этот принцип впервые был выдвинут современником Ньютона - Христианом Гюйгенсом.

Согласно принципу Гюйгенса, каждая точка среды, до которой дошло возмущение, сама становится источником вторичных волн.

Этот принцип пригоден для описания распространения волн любой природы: механических, световых.

MN - отражение поверхности;

A₁A и В₁В - два луча падающей волны;

АС - волновая поверхность;

α - угол падения.

Волновую поверхность отраженной волны можно получить, если провести огибающую вторичных волн, центры которых лежат на границе раздела сред. Различные участки волн поверхности АС достигают отражающей границы не одновременно. В точке А раньше, чем в точке В на время Когда волна достигает точки В, в этой точке начинается возбуждение вторичной волны с центром в точке А:

Отраженные лучи АА₂ и ВВ₂ перпендикулярны волновой поверхности BD. Угол γ - угол отражения. Так как AD = СВ, ΔADB и ΔАСВ - прямоугольники, то угол падения равен углу отражения.

Падающий луч, луч отраженный и перпендикуляр, поставленный в точке падения, лежат в одной плоскости. Это и есть закон отражения.

В середине XVII в. французский ученый П. Ферма выдвинул принцип, из которого вытекали все законы оптики.

Свет, идущий из одной точки пространства в другую, всегда распространяется по пути, требующему минимального времени.

Пусть на зеркальную поверхность падает свет из точки А. В точке А' собираются лучи, отраженные от зеркала.

Предположим, что свет из точки А в точку А’ может попасть двумя путями, отражаясь от точек O и O'. Время прохождения через точку O:

где v - скорость света.

Покажем, что время прохождения света по траектории АОА' меньше, чем по траектории АО'А'. Найдем производную и приравняем к нулю:

В зависимости от свойств и качества отражающей поверхности отражение может иметь различный характер. Различают отражение зеркальное (правильное) и рассеянное.

Если отражающая поверхность имеет вид поверхности, размеры неровностей которой меньше длины световой волны, то она называется зеркальной.

Если размеры неровностей соразмерны с длиной волны или ее превышают, такое отражение называют рассеянным или диффузным.

Диффузное отражение позволяет нам видеть предметы, оно имеет место в малой степени и при отражении от самой гладкой поверхности. Иначе мы не могли бы увидеть поверхность зеркала.

Плоское зеркало

Плоским зеркалом называют плоскую поверхность зеркально отражающую свет. Изображение предмета в плоском зеркале мнимое, симметричное предмету относительно зеркала. Изображение равно по размеру предмету.

Плоские зеркала имеют широкое применение. Устанавливаются в салонах автомобилей, для декоративного оформления внутри магазинов, в шкалах измерительных приборов высокой точности.

Широко применяется на практике устройство, состоящее из трех взаимно перпендикулярных зеркал. Устройство называют уголковым отражателем. Он обладает замечательным свойством: при любом угле падения луч падающий и луч, последовательно отразившийся от трех зеркал, - оказываются параллельными.

Уголковые отражатели доставлены на Луну и используются для точного измерения расстояния до нее с помощью лазерных лучей. Погрешность измерения составляет всего лишь 0,1 м.

Большое распространение получили катафоты - красные отражатели света, устанавливаемые на автомобилях, велосипедах и дорожных знаках. Катафот представляет собой мозаику трехгранных зеркальных углов.

IV. Закрепление изученного

- В чем заключается принцип Гюйгенса?

- В чем заключается принцип Ферма?

- Какое отражение называется диффузным, зеркальным?

- Сформулируйте закон прямолинейного распространения света.

- Сформулируйте закон отражения.

- Что такое плоское зеркало? Где оно применяется?

V. Подведение итогов урока

Домашнее задание

п. 60.

Изготовьте модель перископа и испытайте.