16.2 Вивчення теми «Світлові явища» в школі.

Поширення світла. Тему слід розпочати з вступної бесіди про оптичні явища. Звернути увагу на застосування на практиці знань про прямолінійне поширення світла, дати короткі відомості сонячну систему. При вивчені світлових явищ необхідно широко застосовувати експеримент. Ряд дослідів вимагають затемнення. Без затемнення викладення оптики зводиться до словесного пояснення. Затемнення слід зробити в тій кімнаті, де будуть проводитись досліди з оптики. Штори для затемнення можна, у крайньому випадку. Виготовити з газетного паперу, складеного з кількох шарів і зачорненого фарбою. Вони повинні мати дерев’яні планки з петлями на верхній планці для підвішування.

Вступна бесіда. Вступну бесіду можна почати з пригадування того, що при вивченні способів передачі теплоти ми зустрічалися з передаванням її видимими і невидимими. В оптиці будуть вивчені закони особливих явищ, які називаються світловими явищами. Світлові або оптичні, явища зв’язані між собою формою руху матерії. Випромінювання існує незалежно від нас, але промені, які названі у фізиці видимими, діють на наш орган зору – на очі. В наслідок цього ми сприймаємо навколишній світ. Спочатку людина знала лише про існування видимих променів. Далі з розвитком фізики було досліджено, що випромінювання відбувається і невидимими променями, тобто такими, які на наші очі не діють. Світлові промені дають нам можливість бачити навколишні предмети і завдяки цьому ми можемо вивчати навколишній світ. Пізнання законів поширення світла допомогло розширити знання людей. Мікроскоп, побудований за законами оптики, дає можливість розглядати невидимі людському оку предмети, а телескоп дає можливість спостерігати за деякими тілами. За допомогою фотоапарата можна зафіксувати певні явища, які потім можна досліджувати. Таким чином, у вступній бесіді слід перекреслити пізнавальне і практичне знання законів оптики і цим привернути увагу учнів до теми.

Джерела світла. Учні самі зможуть навести різні джерела світла як природні, так і штучні. Необхідно підкреслити роль Сонця як джерела енергії. При розгляді штучних джерел світла, зокрема електричних ламп розжарювання, звернути увагу на те, що в енергію видимого світла перетворюється незначна кількість електричної енергії (близько 3%) і що економічними є лампи денного світла. Далі пояснюємо, що тіла, які самі не світяться, ми бачимо лише тоді, коли вони освітлюються якимсь джерелом світла. Взагалі світло, яку падає на тіло, може або проходити через нього, або відбиватися, або поглинатися. Якщо більшість світла пропускається тілами, то їх називають прозорими. Тіла, які не пропускають світлові промені, називаються непрозорими. Якщо більшість світла відбивається від тіл, то їх називають блискучими або світлими.

Прямолінійне поширення світла. Беруть два екрани х отворами, а третій з металевого скла або промасленого паперу. Встановлюють джерело світла і екрани так, щоб отвори і волосок лампи були на одній прямій. Тоді на третьому екрані буде видно світловий «зайчик». Ще краще й демонстративніше буде, коли за допомогою двох штативів пропустити нитку через отвори так, щоб вона показувала напрям променя. Коли перерізати нитку і виключити світло, то на півпрозорому екрані буде видно світлову пляму. Коли зсунути один непрозорий екран в сторону, то пляма зникне. Цей дослід, як і попередній, проводиться при затемнені.

Затемнення Сонця і Місяця. Перш ніж приступити до пояснення затемнень, необхідно дати короткі відомості про Сонце як центр «сонячної системи», планети, Місяць як супутник Землі. Для демонстрування затемнення Сонця і Місяця необхідно в затемненій кімнаті встановити велике вгнуте дзеркало з лампою у його фокусі. Пучок паралельних променів замінює промені від Сонця. Землю буде зображати невеликих розмірів глобус, а Місяць – я якийсь круглий предмет, наприклад крокетна кулька або яблуко. Коли розташувати кульку або яблуко між дзеркалом і глобусом, то на «Землю» буде падати тінь від «Місяця». Коли кулю чи яблуко поставити за глобусом, то спостерігатиметься затемнення «Місяця». Далі потрібно графічно зобразити затемнення Місяця і Сонця. Звертаємо увагу учнів на, що для утворення конічної тіні від Місяця необхідно провести зовнішні дотичні від Місяця до Сонця.

Відбивання й заломлення світла. Вивчення даної теми потребує як найбільшого унаочнення. Звичайно краще мати набір дзеркал, лінз. Призм, а також мати проекційний ліхтар, фотоапарат. Але можна майже всі досліди проробити з деталями з проекційного ліхтаря або фільмоскопа. У фільмоскопі є сферичне дзеркало. Яке легко вийняти; для дослідів з лінзами можна використати лінзи об’єктива. Більшість дослідів з оптики можна продемонструвати за допомогою приладу для геометричної оптики.

Далі потрібно перейти до демонстрування основних дослідів з відбивання світла. Це демонструється за допомогою приладу для геометричної оптики, а якщо такого приладу немає можна продемонструвати простіший дослід: на шляху променів від Сонця або паралельного пучка променів, що йде від вгнутого дзеркала, поставити непрозорий екран з отворами в ньому. Коли на шляху пучка променів поставити дзеркало то учні спостерігатимуть відбивання цих променів.

При пояснені досліду потрібно дати поняття про кут падіння та кут відбивання. При цьому слід у точці падіння поставити перпендикулярно стержень і показати, що промінь падаючий, відбитий і перпендикуляр, проведений у точці падіння, лежать в одній площині. Для кращого спостереження можна в площині променів поставити білий екран.

Порівняння кута відбивання та кута падіння приводять до встановлення їх рівності, щоб показати, що ці кути завжди рівні, досить змінити кілька разів кут падіння, і щоразу перевіряти рівність кутів.

Необхідно також виконати на дошці кілька вправ на побудову кута падіння або відбивання. При цьому встановити, що коли промінь від другого джерела пустити в напрям відбитого променя, тобто що падаючий і відбитий промені міняються своїми місцями.

Зображення в плоскому дзеркалі. Приклад з відбивання від дзеркальної поверхні був підготовчим для розгляду відбивання від плоского дзеркала. З нього учні засвоїли властивість наших очей бачити предмет на продовжені променів, які потрапили в око. Коли учням поставити питання, чим пояснити те, що плоскому дзеркалі людина бачить своє відображення, то вони пояснять його так, як і в зазначеному прикладі.

Далі слід продемонструвати, що зображення знаходиться за дзеркалі на такій же віддалі як і предмет. Для цього демонструємо дослід з двома свічками. Коли запалити одну свічку перед склом, а другу поставити на такій же віддалі, як і першу, то здаватиметься, що й друга свічка горить.

Заломлення світла. При переході до розгляду заломлення світла необхідно нагадати учням про прямолінійне поширення світла і зауважити, що прямолінійно світло поширюється тільки в однорідному середовищі.

Далі природно поставити питання. Як поширюється світло при переході з одного прозорого середовища в інше. Відповідь на це запитання повинен дати дослід. Як при розгляді попередніх підтем, спочатку слід демонструвати такі досліди, які яскраво показують, що на межі двох середовищ промені різко змінюють свій напрям і в іншому, однорідному середовищі поширюються теж прямолінійно. Тут було б недоцільно почати з таких прикладів, як «згинання» палиці в воді, «згинання» ложки в стакані.

Досить наочно заломлення світла на межі повітря і скла можна показати на приладі для геометричної оптики. При цьому одночасно видно заломлення і відбивання світла. Можна проробити аналогічні досліди, спрямувавши в затемненій кімнаті пучок променів на поверхню води в посудині. Від проекційного ліхтаря промені спрямовують через щілину на дзеркало, а від нього - на поверхню води. Щоб продемонструвати одночасно і хід променів з води у повітря, можна на дно посудини покласти плоске дзеркало. Щоб учні могли краще бачити хід променів потрібно скаламутити воду крейдою, повітря – задимити. При демонструванні будь-якого з цих дослідів необхідно в точці падіння поставити перпендикулярно тонкий стержень, щоб показати кут падіння і кут заломлення.

Поняття про показник заломлення треба дати. Заломлення пояснити зміною швидкості світла при переході з одного середовища в інше, а означення показника заломлення дається як відношення світла у порожнечі до швидкості світла в даному середовищі. Зверніть увагу учнів, що середовище, в якому швидкість світла менша за швидкість у даному середовищі, називається оптично густішим. Зміна швидкості зв’язана з зміною напрямку променя. В оптично густішому середовищі промінь наближається до перпендикуляра, опущеного в точку падіння. При виході з оптично густішого в оптично рідше середовище промінь відхиляється від перпендикуляра. Опущеного в точку падіння. На закінчення розглядають таблицю показників заломлення і обчислюють швидкість світла в воді і склі.

Дія вбираючої та розсіювальної лінзи. Продемонструвати хід променів крізь лінзу можна за допомогою прикладу для геометричної оптики. Коли через щілини направити паралельні пучки променів, то учням досить добре буде видно, що промені після заломлення у вбираючій лінзі нахиляються біля головної оптичної вісі і збираються в одній точці – фокусі. Як і в попередніх дослідах, промені. що проходять через щілини, можуть бути або від Сонця або від електричної лампочки. Аналогічно демонструється дія розсіювальної лінзи.

Якщо нема приладу для геометричної оптики, можна аналогічний дослід проробити так: проти сонячних променів, що ідуть з вікна, поставити чорний екран з маленькими дірочками по колу, не більшому ніж круг перерізу лінзи. Лінзу для цього краще брати великих розмірів, наприклад плоско – опуклу лінзу від конденсора проекційного екрану ліхтаря. Коли напустити диму, то в ньому буде яскраво видно пучки світла до заломлення і після заломлення в лінзі.

При дослідах у затемненій кімнаті можна використовувати промені від електричної лампи, вміщеної у фокусі великого сферичного дзеркала.

Під час проведення будь – якого з описаних дослідів необхідно показати учням, що фокусна віддаль міряється від лінзи до фокуса. При цьому слід звернути увагу на те, що лінза має фокуси по обидві сторони. Далі необхідно пояснити причину збирання променів в одній точці: лінзу можна розглядати як тіло, складене з окремих призм. При цьому слід показати хід променів.

Наступним дослідом повинно бути збирання паралельних променів у фокусі лінзи. Паралельними променями можна вважати промені від Сонця і ті, які ідуть від далекого джерела і падають на лінзу малих розмірів. При пояснені дослідів дається означення лінзи, головної оптичної осі, фокуса і фокусної віддалі.

Утворення зображень за допомогою збиральної лінзи. Для демонстрації зображень за допомогою збиральної лінзи можна використовувати оптичну лаву її можна виготовити у майстерні. Екраном: може бути фанерна дощечка з наклеєним листком паперу. Джерелом світла може бути свічка або електрична лампочка, яка закривається ковпачком з отворами у вигляді букви «Т». Для лінзи слід зробити підставу, на якій вона кріпиться. Дослід виконується у напівзатемненій кімнаті. Спочатку необхідно виміряти фокусну віддаль лінзи і відмінити положення фокуса на оптичній лаві. Далі розташувати екран за подвійною фокусною віддалю лінзи, а джерело світла – в її фокусі. На екрані буде світлий круг. Учні повинні пояснити, чому заломлені промені ідуть паралельним пучком. Після цього слід підкреслити, що для одержання збільшеного зображення необхідно, щоб джерело світла знаходилось трохи далі від фокуса, а екран – далеко від фокуса. Пересуваючи екран, продемонструвати, що для одержання більшого зображення слід екран відсувати від лінзи якомога далі,а предмет наближати до фокуса лінзи.

Аналогічним способом демонструють утворення дійсного зменшеного зображення. При цьому слід звернути увагу на зміну місцями предмета і його зображення в обох дослідах.

Далі необхідно пояснити побудову зображень. Пояснення можна почати з побудови зображення точки, що не лежить на головній оптичній осі. Для полегшення порівняння ходу променів крізь лінзу з відбиванням від угнутого дзеркала, слід ввести подвійну фокусну віддаль. Зауважимо, що учням обов’язково треба сказати, що ми вивчаємо тонкі лінзи і при побудові зображень товщину лінзи до уваги не беремо. Ось чому на рисунку ми змінюємо хід променів у площині, яка проходить через оптичний центр лінзи. Крім побудови дійсних зображень, необхідно розглянути випадок утворення уявного зображення. Пояснити, що через уявність зображення його всьому класу показати не можна.

Око як оптичний прилад. Зір. На цей час учні вивчали будову ока на уроках анатомії і фізіології. Отже, на уроках фізики необхідно дати лише основні доповнення. Будову ока можна розглянути на його моделі. Особливу увагу слід звернути на кришталик, який виконує ту саму роль, що й об’єктив в фотоапараті. При цьому підкреслити ту особливість, що із змінною віддалі від предмета до ока, для одержання чіткого зображення на сітківці дією м’язів змінюється кривизна кришталика, а отже й його фокусна відстань. Це називається акомодацією ока. Бажано мати з бичачого ока кришталик і продемонструвати, що він змінюється при розгляданні одного й того ж предмета на різних віддалях.

Окуляри. Щоб встановити поняття про віддаль найкращого зору, кожному учневі дають масштабну лінійку і нитки. Дають завдання читати підручник, покладений на стіл. За сигналом учителя учні, не міняючи положення голови, вимірюють віддаль від книжки до очей. В наслідку ви отримаєте близько 25см. Це віддаль є та, при якій око найменше стомлюється.

Далі встановіть, що таке короткозорість та далекозорість. Щоб пояснити призначення окулярів при короткозорості, можна виконати такий дослід. На екрані одержується дійсне зменшене зображення якогось предмета. Потім віддаляють лінзу від екрана. З’ясовують, що тепер чітке зображення буде перед краном. Останнє перевіряється одержанням зображення на листі паперу. Також з’ясовують, чому на екрані зображення не чітке. Після цього ставлять між лінзою і екраном заздалегідь підібрану розсіювальну лінзу. На екрані буде чітке зображення. Аналогічно з далекозорістю.

Лупа. Можна провести коротку лабораторну роботу. Кожному учневі видається лупа, екран і лінійка. Спочатку визначається фокусна віддаль лупи. Далі учні крізь лупу розглядають дрібні предмети. Після цього будують на дошці хід променів при користуванні лупою. Підкресліть, що через лупу ми бачимо уявне зображення, збільшене, пряме. Збільшене уявлення ми бачимо тому, що промені після заломлення в лупі входить в око під більшим кутом зору, ніж коли ми безпосередньо розглядаємо предмет. Таким чином, щоб побачити дуже малий або дуже далекий предмет, необхідно збільшити кут зору, якими є мікроскоп і телескоп.

16.3 Сонце щосекунди випромінює енергію 1,08×10²⁰кВт × год. Знайти зміну маси Сонця при цьому. Через скільки часу маса Сонця становитиме 0,9 його маси на даний момент, що становить 1,97×10³⁰кг.

Дано : Розв’язання