Линзы.
При изучении линз выясняются их оптические характеристики, назначение и принцип действия. Дается квалификация линз, приводятся их схематические изображения и условные обозначения. При этом обычно указывается, что собирающие линзы толще посредине, чем по краям, а рассеивающие – наоборот. Однако это справедливо, лишь, когда показатель преломления вещества линзы больше, чем окружающей среды. В противном случае линзы с большей толщиной посредине будут рассеивающими, а с меньшей – собирающими.
Напоминается, что диафрагма ограничивает световой пучок, идущий от источника света, вырезает лишь часть светового потока. Линза, вставленная в диафрагму (оправу), собирает или рассеивает световые пучки[1]. Это действие линз иллюстрируется двумя параллельно поставленными опытами: с плоскими волнами на поверхности жидкости и со световым параллельным пучком.
В первом опыте плоские волны на поверхности жидкости превращаются линзой в круговые. За линзой они движутся вперед вогнутостью, а затем, пройдя через область, где происходит сужение волн, - вперед выпуклостью, т.е. сначала они собираются, а затем, расходятся.
Во втором опыте показывается схождение, а затем расхождение пучка света. Аналогичные опыты ставятся с рассеивающими линзами.
Вводятся понятия об оптическом центре линзы, о главной и побочной оптической оси, переднем и заднем фокусе, фокусном расстоянии, фокальной плоскости, о действительном и мнимом фокусе. Здесь важно подчеркнуть следующее:
· положение фокуса определяется для параксиальных (приосевых) лучей и для линз с малой кривизной поверхностей;
· Световые пучки неодинаковой цветности собираются в разных точках;
· Параллельный пучок белого света собирается линзой почти в одной точке при условии сохранения параксиальности лучей;
· Переднее и заднее фокусные расстояния несимметричной линзы одинаковы;
· Луч в направлении к оптическому центру линзы смещается ею тем меньше, чем она тоньше.
Таким образам, в школе изучаются тонкие линзы и приосевые световые пучки.
При изложении понятия об оптической силе линзы полезно разъяснить следующее: оптическая сила системы сложенных вместе тонких линз равна алгебраической сумме (с соблюдением правила знаков) оптических сил этих линз; для определения оптической силы рассеивающей линзы необходимо измерить оптическую силу системы, состоящей из данной рассеивающей и собирающей линзы большей оптической силы, а затем вычесть последнюю из результата, полученного для системы линз. Это может быть проверено на практическом занятии.
Роль линз в концентрации энергии света полезно показать на опыте, в котором приемником излучения является фотоэлемент или чувствительная термопара (рис.6). От маленького источника света 1 излучение через диафрагму 2 направляется на приемник энергии 3, который соединен с электроизмерительным прибором 4. После того как диафрагма закрывается собирающей линзой 5, показания прибора возрастают.
Затем показывается изображение светящейся точки в линзе. В качестве источника света берется лампочка, помещенная в футляре с малым круглым отверстием. Вначале экран (матовое стекло, белая плотная бумага) медленно перемещается вдоль оси светового пучка и «прощупывается», как он формируется, переходит от сходящегося в расходящийся, и в месте этого перехода обнаруживается изображение. Рассеивание света от экрана дает возможность учащимся видеть изображение точки.
Геометрические построения проводятся для трех случаев: когда точечный источник света находится в стороне от оптической оси, на самой оси и на расстоянии от оси, большем радиуса главного сечения линзы. Обращается внимание на то, как перемещается изображение, если источник света движется к оптической оси и от неё, вправо и влево; как определить область видения изображения.
На рисунке 7-а толстыми линиями показаны лучи, выбранные для построения изображений светящейся точки S; тонкими линиями изображены границы светового пучка, падающего на линзу. После преломления все лучи пересекаются в точке S1.
Для построения изображения светящейся точки, находящейся на главной оптической оси (рис 7-б), проводят любую линию к линзе, а затем строят вспомогательную линию (штриховая), параллельную данной и проходящую через оптический центр линзы. Она пересекает главную фокальную плоскость. Через эту точку пересечения пройдет и первый луч. Наконец, через точку S1 пройдут все лучи светового пучка, падающего на линзу.
На рисунке 7,в дано построение изображения точки в линзе, если она находится в стороне от оптической оси на расстоянии, большем радиуса главного сечения линзы. Относительно этой линии и строится изображение. Реальный пучок света ограничен на рисунке тонкими линиями.
Чтобы чертеж был более выразительным, лучи, ограничивающие весь пучок света, падающего на линзу, можно изобразить мелом (в тетрадях ученики рисуют обычным карандашом), а лучи, служащие для геометрического построения изображения, - цветным мелком (в тетрадях цветным карандашом) или толстыми линиями. Точечный источник света S (см. рис 7.) виден в пределах 4p стерадиан, а изображение – лишь в пределах ограниченного угла, зависящего от диаметра главного сечения линзы. Применив плоский рассеивающий экран, можно сделать изображение источника света видимым всему классу. Наконец, показывается, что светящаяся точка и её изображение сопряжены.
Методика изучения темы “волновые свойства света”. Интерференция света.
В качестве основного эксперимента по интерференции выбирают опыт Юнга, зеркала или бипризму Френеля или наконец, кольца Ньютона. Опыт Юнга действительно прост по своей идее, не требует дополнительного построения лучей, как в других опытах, числовой расчет несложен и, наконец, на волновой ванне легко осуществить аналогичный опыт. Однако он связан с явлением дифракции на щелях. Для истолкования опыта с зеркалами или бипризмой Френеля необходимо знать лишь соответственно закон отражения или преломления. И не смотря на то что явление отражения проще преломления, построение отраженных пучков и мнимых источников в двух зеркалах представляется более сложным, чем в бипризме. Поэтому опыт с бипризмой Френеля желательно выбрать в качестве исходного по интерференции.
Кольца Ньютона или цвета тонких пленок могут быть рассмотрены в качестве дополнительных иллюстраций.
Внимание учащихся надо обратить на то, что прямым доказательством волновой природы света явилась интерференция. Свет, прибавленный к свету, не только усиливает свет, но может ослабить его и даже гасить. Ставятся два опыта, подтверждающие это, - с волнами на воде и со светом.
Принцип действия волновой ванны следующий. Волны на поверхности воды (рис.8) действуют как рассеивающие (А, В) и собирающие (C, D, E) линзы. Поэтому на соответствующих участках экрана будет усиление или ослабление света (вне связи с явлением интерференции).
Два вибратора, насаженные на стальную пластинку и совершающие колебания синхронно, при погружении в воду дают две системы круговых водяных волн, которые, интерферируя, образуют ряд максимумов и минимумов. Так как волны рассматриваются в теневой проекции, то будут видны темные и светлые полосы. Полезно показать опыт при одной, а затем при другой частоте колебаний стальной пластинки, для чего её длину следует изменить. Картина интерференции от этого не изменится – будут лишь другими расстояния между максимумами и минимумами интенсивностей колебаний.
Оптический опыт ставится с набором А.П. Кузьмина[2]. Пучок свет, полученный после конденсора проекционного фонаря 1 (рис.9), равномерно освещает узкую вертикально расположенную щель 2. Щель является источником излучения для призмы Френеля 3,помещенной от неё на расстоянии 10 – 15 см. Затем два пучка света проходят через светофильтр 4, расположенный в деревянной рамке, как для проекции диапозитива. В пазы этой рамки помещены раздельно два светофильтра, например красный и синий. Наконец на расстоянии до 2 м от бипризмы на демонстрационном столе размещается переносной белый экран 5 размером примерно 30Х50 см. Длина щели и ребро бипризмы должны быть параллельны. Если дополнительно используется цилиндрическая линза, то образующая также должна быть параллельна щели. Вначале добиваются этой параллельности, а затем щель сужается до 0,15 – 0,1 мм.
Для увеличения ширины интерференционной картины и видимости ее всему классу плоскость экрана располагается под большим углом к оптической оси установки. Дается схема распространения световых волн через бипризму (рис.10).
Опыт ставится с красным, а затем с зеленым или синим светофильтром. Обращается внимание, что в середине интерференционной картины образуется светлая полоса А (по цвету светофильтра), а с обеих сторон от нее – чередующиеся темные и светлые полосы. Так как изменение расстояния между этими полосами при смене светофильтра в классном опыте трудно заметить, можно показать фотографии интерференционных полос в разных цветах.
Для увеличения ширины интерференционной картины и видимости её всему классу плоскость экрана располагается под большим углом к оптической оси установки.
Дается следующее определение: явление интерференции состоит в наложении световых пучков, в результате которого образуется устойчивая картина чередующихся светлых и темных полос.
На основе знаний, полученных учащимися из раздела о механических колебаниях и волнах, разъясняется, почему колебания в одних местах усиливаются, а в других ослабляются.
Разъясняется, что:
· В каждой точке пространства, где волны сходятся, имеет место сложение колебаний;
· Разность фаз Dj двух колебаний в каждой точке со временем не изменяется;
· В разных точках пространства сдвиг фаз неодинаков. Поэтому в одних точках колебания друг друга усиливают, а в других ослабляют;
· При интерференции выполняется закон сохранения энергии.
Первый вывод состоит в том, что явление интерференции можно объяснить только на основе волновой теории. Значит, свет имеет волновую природу.
Далее определяются условия, необходимые для образования интерференции, - когерентность. Приводится пример с колебаниями двух механических вибраторов, насажанных на одну стальную пластинку, и подчеркивается, что они совершают колебания с одинаковой частотой, в одинаковых фазах и в одной плоскости.
