Практическое задание № 6. «Законы отражения и преломления света в задачах»

Цель: Формирование умений применять, полученные знания на практике

Геометрическая оптика – это раздел оптики, в котором изучаются законы распространения световой энергии в прозрачных средах на основе представления о световом луче.

Световой луч – это линия, имеющая направление, вдоль которого распространяется энергия световых волн.

В однородной среде свет распространяется прямолинейно, а на границе раздела сред с разными показателями преломления происходят явления отражения и преломления.

Сформулируем законы отражения и преломления света:

1. Закон отражения света: падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости (плоскость падения). Угол отражения γ равен углу падения α.

2. Закон преломления света: падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления β есть величина, постоянная для двух данных сред и равна обратному отношению показателей преломления двух сред: 

Постоянную величину n называют относительным показателем преломления второй среды относительно первой.

Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления:

Физический смысл показателя преломления – это отношение скорости распространения волн в первой среде υ₁ к скорости их распространения во второй среде υ₂: 

Если первая среда представляет собой воздух или вакуум, то скорость распространения волны равна скорости света с. Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления.

Абсолютный показатель преломления равен отношению скорости света c в вакууме к скорости света υ в среде: 

Явление полного внутреннего отражения.

Если свет распространяется из среды с большим показателем преломления   (оптически более плотной) в среду с меньшим показателем преломления   (оптически менее плотной) (n₂ < n₁), например, из стекла в воздух, то, согласно закону преломления, преломленный луч удаляется от нормали и угол преломления β больше, чем угол падения α.

Если α  = α _пр , то интенсивность преломленного луча обращается в нуль, а интенсивность отраженного равна интенсивности падающего (рис. г)

Таким образом, при углах падения в пределах от  α _пр до π/2, луч не преломляется, а полностью отражается в первую среду, причем интенсивности отраженного и падающего лучей одинаковы.  

Это явление называется полным отражением.

Для угла падения α = α_пр,  sin β = 1;  

Тогда

Если второй средой является воздух (n₂ ≈ 1), то формулу удобно переписать в виде 

Задачи:

Уровень А (выберете букву правильного ответа):

1. По современным представлениям, свет, – это…

А) … механические волны, распространяющиеся в среде с большой скоростью;

Б) … поток частиц (фотонов), летящих с большой скоростью от источника света;

В) … электромагнитная волна;

Г) … сложный электромагнитный процесс, сочетающий как волновые, так и квантовые свойства.

2. За какое примерно время свет может пройти расстояние от Солнца до Земли, равное 150 млн. км?    

А) 0;           

Б) 8,3 мин;    

В) 1,3 с;         

Г) 1200 с.

3. Угол падения луча на зеркальную поверхность 20º. Каков угол между отраженным лучом и зеркальной поверхностью?  

А) 70º;     

Б) 40º; 

В) 20º;

Г) 90º.

4. Человек приближается к плоскому зеркалу со скоростью 2 м/с. С какой скоростью он приближается к своему отражению?

А) 0;   

Б) 2 м/с;         

В) 3 м/с;        

Г) 4 м/с.

5. Под каким углом (в градусах) должен падать свет на границу "вода–стекло", чтобы отраженный луч оказался перпендикулярным преломленному лучу? 

1)  60     

2) 64    

3) 38    

4) 26        

5)48

6. Угол между падающим лучом и отраженным лучом равен 70^о. Чему равен угол падения?

1)  70⁰                    

2) 140⁰                      

3) 35⁰                        

4) 20⁰

7. При переходе света из первой среды во вторую угол падения равен 30⁰, а угол преломления 60⁰. Каков относительный показатель преломления второй среды относительно первой?

Уровень В:

8. Луч сета падает из воздуха на поверхность жидкости под углом 40⁰ и преломляется под углом 24⁰. При каком угле падения луча угол преломления будет 20⁰?

9. Скорость распространения света в прозрачной среде 225000 км/с, а во второй среде 200 000км/с. Луч света падает на поверхность раздела этих сред под углом 30⁰ и переходит во вторую среду. Определить угол преломления луча.

10. Монета лежит в воде на глубине 2 м. Будем смотреть на неё сверху по вертикали. На какой глубине мы увидим монету. Показатель преломления воды 1,33. Для малых углов тангенс считать равным синусу.

11. От предмета высотой 3 см получили с помощью линзы действительное изображение высотой 18 см. Когда предмет передвинули на 6 см к линзе, то получили мнимое изображение высотой 9 см. Определить фокусное расстояние и оптическую силу линзы.

Критерии оценки:

Домашнее задание:

Задачи:

1. В комнате вертикально висит зеркало, верхний край которого расположен на уровне волос верхней части головы человека ростом 182 см. Какой длины должно быть зеркало, чтобы этот человек видел себя в зеркало во весь рост?

2. Водолаз определил угол преломления луча в воде. Он оказался равным 32⁰. Под каким углом к поверхности воды падают лучи?

3. На дне ручья лежит камушек. Мальчик хочет попасть в него палкой. Прицеливаясь, мальчик держит палку в воздухе под углом 45⁰. На каком расстоянии от камушка воткнется палка в дно ручья, если его глубина 32см?

4. Определить угол преломления луча при переходе из воздуха в этиловый спирт, если угол между отраженным и преломленным лучами 120⁰.

5. Луч света переходит из глицерина в воду. Определить угол преломления луча, если угол падения луча равен 30⁰.

6. Луч падает на поверхность воды под углом 40⁰. Под каким углом должен упасть луч на поверхность стекла, чтобы угол преломления оказался таким же?