Формирование и развитие основных понятий геометрической оптики в курсе физики средней школы (стр. 5 из 8)
в) Задания степени сложности III – это творческие экспериментальные работы по геометрической оптике.
1. Определите фокусное расстояние собирающей линзы с помощью измерительной линейки [11].
Оборудование: собирающая линза, источник света, экран, измерительная линейка.
Постройте ход лучей в линзе и получите изображение S' источника света S (рис. 2.1.4). Рассчитайте искомое фокусное расстояние линзы по формуле:
; 
 |
Рис. 2.1.4
Если источником света служит окно или освещенное солнцем предметы за окном, то расчетная формула упрощается, т. к. в этом случае d®¥ и, следовательно, F~f.
2. Сконструируйте из двух собирающих линз модель телескопа трубы Кеплера. Рассчитайте ее увеличение и результат расчета проверьте опытом.
Оборудование: две собирающие линзы – короткофокусная и длиннофокусная, измерительная линейка, метр демонстрационный.
Указания: соберите трубу Кеплера: объективом должна служить длиннофокусная линза, окуляром – короткофокусная, расстояния L между линзами должно быть равно L=F1+F2, F1– фокусное расстояние объектива,
F2– окуляра. Изобразите ход лучей в трубе Кеплера (рис. 2.1.5).
Рис. 2.1.5
Выведите теоретическим путем формулу для рассчета увеличения Г такого телескопа:
Найдите экспериментально увеличение трубы Кеплера. Для этого нужно одним глазом рассматривать через оптическую систему шкалу демонстрационной линейки, расположенной у классной доски, а втором – невооруженным смотреть на эту линейку, при этом можно увидеть наложение двух шкал. Нужно сосчитать, сколько в одном делении шкалы, видимой через трубу Кеплера, помещается делений, наблюдаемых невооруженным глазом; это и есть увеличение Г.
Этап III – рассмотрение практических применений законов геометрической оптики в быту и технике.
Для всех уровней одинаков. Заслушиваются сообщения, заранее подготовленные в ходе домашней работы. На этом этапе работы, учащиеся ведут краткие записи в тетрадях.
Итоги работы – чтение одной из записей, сделанной в тетрадях, с добавлением и уточнением.
Этап IV – самостоятельная теоретическая работа – решение расчетных задач (15 минут). Примеры задач [12]:
1. На тонкую линзу с фокусным расстоянием F падает луч света под углом a к главной плоскости линзы. После преломления этот луч выходит из линзы под углом b=ka к ее главной плоскости. Найдите расстояние от точки падения луча на линзу до ее оптического центра.
Решение:
Т. к. линза тонкая, любой луч, проходящий через ее оптический центр не изменяет в дальнейшем своего направления (например, луч 2 на рис. 2.1.6).
 |
Рис. 2.1.6
Можно утверждать, что все параллельные лучи после преломления в собирающей линзе должны проходить через одну точку А, лежащую в ее фокальной плоскости. Вспоминая соотношение между длинами катетов в треугольнике и его углами, а также следующее из условия соотношение
, обратившись к рис. 1, найдем расстояние от точки падения луча на линзу до ее оптического центра:(ctgb-ctga)Fдля луча 1,
(ctga-ctgb)F для луча 3,
(ctga+сtgb)F для луча 4.
2. Квадрат со стороной а=0,5 см расположен перед линзой с фокусным расстоянием F=10 см так, что одна пара его сторон перпендикулярна, а другая – параллельна главной оптической оси линзы, причем эта ось проходит через центр квадрата. Расстояние от ближайшей стороны квадрата до линзы b=30 см. Найти площадь изображения квадрата [12].
Решение: Пусть линза является тонкой, а световые пучки, с помощью которых формируется изображение, являются достаточно узкими, т. е. справедливо так называемое параксиальное приближение.
Рис. 2.1.7
В этом случае лучи, падающие на линзу параллельно ее главной оптической оси, после преломления проходят через главный фокус F, а лучи, идущие через оптический центр линзы (т. О), проходят через линзу без преломления. Поэтому изображение квадрата, все точки которого находятся от линзы на расстоянии больше фокусного, будет действительным и таким, как показано на рис. 2.1.7, т. е. будет иметь вид равнобочной трапеции.
Согласно формуле тонкой линзы расстояние от линзы до изображений наиболее удаленной и ближайшей к ней сторон квадрата должны быть равны:
и 
,h – высота трапеции.
Определим длинны оснований трапеции А1 и А2. Из подобия соответствующих треугольников на рис. 2.1.7 следует:
и[12]
Т. к. площадь трапеции равна половине произведения суммы длин оснований на высоту, то искомая площадь изображения квадрата при соблюдении указанных выше предположений равна:
Этап V – подведение итогов урока. На данном уроке учащиеся повторили материал по геометрической оптике 8 класса, углубили знания по теме, рассмотрели практическое применение геометрической оптики, усовершенствовали навыки решения задач по данной теме.
В результате такого построения занятия каждый ученик опрошен не менее трех раз, а главное – работа дифференцирована.
План урока.
1) Объяснение нового материала.
а) Строение глаза с анатомо-физиологической точки зрения.
б) Глаз как оптическая система. Демонстрационные опыты: показ хода лучей в нормальном, близоруком, дальнозорком глазах.
2) Ученический фронтальный эксперимент.
а) Сборка модели нормального глаза, получение одновременно перевернутых изображений далекого и близкого предметов.
б) Сборка моделей близорукого и дальнозоркого глаза.
3) Исправление дефектов зрения с помощью очков.
4) Фронтальные опыты по подбору собирающей линзы для очков, исправляющих дальнозоркость, и по устранению близорукости рассеивающей линзой.
5) Оптическая сила линзы, единицы оптической силы.
6) Домашнее задание.
Цель урока: изучить строение глаза с анатомо-физиологической точки зрения, повторить строение глаза как оптического прибора, закрепить умение рассчитывать оптическую силу линзы.
Ход урока:
а) Глаз человека – зрительный анализатор, 95% информации об окружающем нас мире мы получаем через глаза. Современному человеку приходится целый день работать с близкорасположенными объектами: смотреть на экран компьютера, читать и т. д. Наш глаз испытывает огромную нагрузку, в результате чего многие люди страдают глазными болезнями, дефектами зрения. Каждый должен знать как устроен глаз, каковы его функции [13].
Глаз представляет собой шарообразное тело диаметром около 25 мм и массой 8 г. Стенки глазного яблока образованы тремя оболочками. Наружная – белочная оболочка состоит из плотной непрозрачной соединительной ткани. Она позволяет глазу сохранять свою форму. Следующая оболочка глаза – сосудистая, в ней располагаются все кровеносные сосуды, питающие ткани глаза. Сосудистая оболочка черная, т. к. ее клетки содержат черный пигмент, который поглощает световые лучи, препятствуя их рассеиванию вокруг глаза. Сосудистая оболочка переходит в радужную, которая определяет цвет глаз. Радужная оболочка – это кольцевая мышечная диафрагма с небольшим отверстием в центре – зрачком. Почему он воспринимается нами как черный? Известно, что то место, откуда не исходят световые лучи, воспринимается нами черным (рис. 2.2.1) Через зрачок световые лучи проникают внутрь глаза, но обратно не выходят, оказавшись как бы в ловушке. Зрачок регулирует поступление света в глаз, рефлекторно сужаясь или расширяясь. За зрачком располагается прозрачный хрусталик, имеющий форму двояковыпуклой линзы. Он эластичен, может менять свою кривизну с помощью ресничной мышцы. Поэтому обеспечивается точная фокусировка лучей света.
 |
S – источник света.
Рис. 2.2.1. Абсолютно черное тело (лучи проникают внутрь тела, но обратно не выходят).
б) Теперь рассмотрим глаз, как оптическую систему. Она включает в себя роговицу, хрусталик, стекловидное тело. Главная роль в создании изображения принадлежит хрусталику. Он фокусирует лучи на сетчатке, благодаря чему возникает действительное уменьшенное перевернутое изображение предметов, которое мозг корректирует в прямое. (Далее на модели демонстрируется глаз с нормальным зрением. Опыт проводится в затемненном помещении. Нужно объяснить учащимся, что лучи фокусируются на сетчатке, на задней стенке глаза. Учителю необходимо обратить внимание на то, что в его распоряжении имеются только две выпуклые линзы – фокусными расстояниями 70 и 140 мм.