Демонстрационные опыты с оптики в средней школе с использованием призмы

Оглавление

Введение

1.Литературный обзор

1.1. История развития геометрической оптики

1.2. Основные понятия и законы геометрической оптики

1.3. Элементы призмы и оптические материалы

2. Экспериментальная часть

2.1.Материалы и методика эксперимента

2.2. Результаты экспериментов

2.2.1. Демонстрационные опыты с использованием стеклянной призмы с преломляющим углом 90º

2.2.2. Демонстрационные опыты с использованием стеклянной призмы заполненной водой, с преломляющим углом 90º

2.2.3. Демонстрационные опыты с использованием пустотелой стеклянной призмы, и заполненной воздухом, с преломляющим углом 74º

2.3. Обсуждение результатов опытов

Выводы

Список использованной литературы

Введение

Определяющая роль эксперимента при изучении физики в школе отвечает главному принципу естественных наук, в соответствии с которым эксперимент является основой познания явлений. Демонстрационные опыты способствуют созданию физических понятий. Среди демонстрационных экспериментов одно из самых важных мест занимают опыты по геометрической оптике, которые позволяют наглядно показать физическую природу света и продемонстрировать основные законы распространения света.

В данной работе исследована проблема постановки опытов по геометрической оптике с использованием призмы в средней школе. Выбраны наиболее наглядные и интересные опыты по оптике с использованием оборудования, которое может быть приобретено любой школой или изготовлено самостоятельно.

Литературный обзор

1.1 История развития геометрической оптики.

Оптика относится к таким наукам, первоначальные представления которых возникли в глубокой древности. На протяжении своей многовековой истории она испытывала непрерывное развитие, и в настоящее время является одной из фундаментальных физических наук, обогащаясь открытиями все новых явлений и законов.

Важнейшая проблема оптики — вопрос о природе света[1]. Первые представления о природе света возникли в древние века. Ан­тичные мыслители пытались понять сущность световых явлений, базируясь на зрительных ощущениях. Древние индусы думали, что глаз имеет «огненную природу». Греческий философ и матема­тик Пифагор (582—500 гг. до н. э.) и его школа считали, что зри­тельные ощущения возникают благодаря тому, что из глаз к предме­там исходят «горячие испарения». В своем дальнейшем развитии эти взгляды приняли более четкую форму в виде теории зритель­ных лучей, которая была развита Евклидом (300 лет до н. э.). Со­гласно этой теории зрение обусловлено тем, что из глаз истекают «зрительные лучи», которые ощупывают своими концами тела и создают зрительные ощущения. Евклид является основоположником учения о прямолинейном распространении света. Применив к изу­чению света математику, он установил законы отражения света от зеркал. Следует отметить, что для построения геометрической тео­рии отражения света от зеркал не имеет значения природа происхо­ждения света, а важно лишь свойство его прямолинейного распро­странения. Найденные Евклидом закономерности сохранились и в современной геометрической оптике. Евклиду было знакомо и пре­ломление света. В более позднее время аналогичные взгляды раз­вивал Птолемей (70—147 гг. н. э.). Им уделялось большое внима­ние изучению явлений преломления света; в частности, Птолемей производил много измерений углов падения и преломления, но закона преломления ему установить не удалось. Птолемей заметил, что положение светил на небе меняется вследствие преломления света в атмосфере.

Кроме Евклида, действие вогнутых зеркал знали и другие уче­ные древности. Архимеду (287—212 гг. до и. э.) приписывают сож­жение неприятельского флота при помощи системы вогнутых зер­кал, которыми он собирал солнечные лучи и направлял на римские корабли. Определенный шаг вперед сделал Эмпедокл (492—432 гг. до н. з.), который считал, что от светящихся тел направляются истечения к глазам, а из глаз исходят истечения по направлению к телам. При встрече этих истечений возникают зрительные ощуще­ния. Знаменитый греческий философ, основатель атомистики, Демокрит (460—370 гг. до н, э.) полностью отвергает представление о зрительных лучах. Согласно воззрениям Демокрита, зрение обу­словлено падением на поверхность глаза мелких атомов, исходящих от предметов. Аналогичных взглядов позднее придерживался Эпи­кур (341—270 гг. до н. э.). Решительным противником «теории зри­тельных лучей» был и знаменитый греческий философ Аристотель (384—322 гг. до н. э.), который считал, что причина зрительных ощу­щений лежит вне человеческого глаза. Аристотель сделал попытку дать объяснение цветам как следствию смешения света и темноты.

Следует отметить, что воззрения древних мыс­лителей в основном базировались на простейших наблюдениях явле­ний природы. Античная физика не имела под собой необходимого фундамента в виде экспериментальных исследований. Поэтому учение древних о природе света носит умозрительный характер. Тем не менее, хотя эти воззрения в большинстве являются только гениаль­ными догадками, они, безусловно, оказали большое влияние на дальнейшее развитие оптики[2].

Арабский физик Альгазен (1038) в своих исследованиях развил ряд вопросов оптики [3]. Он занимался изучением глаза, преломлением света, отражением света в вогнутых зеркалах. При изучении пре­ломления света Альгазеи, в противоположность Птолемею, доказал, что углы падения и преломления не пропорциональны, что было толчком к дальнейшим исследованиям с целью отыскания закона преломления. Альгазену известна увеличительная способность сферических стеклянных сегментов. По вопросу о природе света Альгазен стоит на правильных позициях, отвергая теорию зри­тельных лучей. Альгазен исходит из представления, что из каждой точки светящегося предмета исходят лучи, которые, достигая глаза, вызывают зрительные ощущения. Альгазен считал, что свет обладает конечной скоростью распространения, что само по себе представ­ляет крупный шаг в понимании природы света. Альгазен дал пра­вильное объяснение тому, что Солнце и Луна кажутся на горизонте больше, чем в зените; он объяснял это обманом чувств.

Эпоха Возрождения. В области науки постепенно побеждает экспериментальный метод изучения природы. В этот период в оптике был сделан ряд выдающихся изобретений и открытий. Франциску Мавролику (1494 —1575) принадлежит заслуга достаточно верного объяснения действии очков. Мавролик также нашел, что вогнутые линзы не собирают, а рассеивают лучи. Им было установлено, что хрусталик является важнейшей частью глаза, и сделано заключение о причи­нах дальнозоркости и близорукости как следствиях ненормального преломления света хрусталиком Мавролик дал правильное объя­снение образованию изображений Солнца, наблюдаемых при про­хождении солнечных лучей через малые отверстия. Далее следует назвать итальянца Порта (1538—1615), который в 1589 г. изобрел камеру-обскуру — прообраз будущего фотоаппарата. Несколькими годами позже были изобретены основные оптические инструменты — микроскоп и зрительная труба.

Изобретение микроскопа (1590) связывают с именем голланд­ского мастера-оптика Захария Янсена. Зрительные трубы начали изготовлять примерно одновременно (1608—1610) голландские оп­тики Захарий Янсен, Яков Мециус и Ганс Липперсгей. Изобрете­ние этих оптических инструментов привело в последующие годы к крупнейшим открытиям в астрономии и биологии. Немецкому физику и астроному Н. Кеплеру (1571—1630) принадлежат фунда­ментальные работы по теории оптических инструментов и физиоло­гической оптике, основателем которой он по праву может быть наз­ван, Кеплер много работал над изучением преломления света.

Большое значение для геометрической оптики имел принцип Ферма, названный так по имени сформулировавшего его француз­ского ученого Пьера Ферма (1601—1665). Этот принцип устанавли­вал, что свет между двумя точками распространяется по такому пути, на прохождение которого затрачивает минимум времени. Отсюда следует, что Ферма, в противоположность Декарту, считал скорость распространения света конечной. Знаменитый итальян­ский физик Галилей (1564—1642) не проводил систематических ра­бот, посвященных исследованию световых явлений. Однако и в оптике ему принадлежат работы, принесшие науке замечательные плоды. Галилей усовершенствовал зрительную трубу и впервые применил ее к астрономии, в которой он сделал выдающиеся откры­тия, способствовавшие обоснованию новейших воззрений на строе­ние Вселенной, базировавшихся на гелиоцентрической системе Коперника. Галилею удалось создать зрительную трубу с увеличе­нием, рамным 30, что во много раз превосходило увеличение зри­тельных труб первых ее изобретателей. С ее помощью он обнаружил горы и кратеры на поверхности Луны, открыл спутники у планеты Юпитер, обнаружил звездную структуру Млечного Пути и т. д. Галилей пытался измерить скорость света в земных условиях, но не достиг успеха ввиду слабости экспериментальных средств, имев­шихся для этой цели. Отсюда следует, что Галилей уже имел пра­вильные представления о конечной скорости распространения света. Галилей наблюдал также солнечные пятна. Приоритет открытия солнечных пятен Галилеем оспаривал ученый-иезуит Патер Шейнер (1575—1650), которым провел точные наблюдения солнечных пятен и солнечных факелов с помощью зрительной трубы, устроен­ной по схеме Кеплера. Замечательным в работах Шейнера являет­ся то, что он превратил зрительную трубу в проекционный прибор, выдвигая окуляр больше, чем было нужно для ясного видения глазом, это давало возможность получить изображение Солнца на экране и демонстрировать ого при различной степени увеличения нескольким лицам одновременно.

XVII столетие характеризуется дальнейшим прогрессом в различных областях науки, техники и производства. [5] Значительное развитие получает ма­тематика. В различных странах Европы создаются научные обще­ства и академии, объединяющие ученых. Благодаря этому наука становится достоянием более широких кругов, что способствует установлению международных связей в науке. Во второй половине XVII столетия окончательно победил экспериментальный метод изу­чения явлений природы.

Крупнейшие открытия этого периода связаны с именем гениального английского физика и математика Исаака Ньютона /(1643— 1727). Наиболее важным экспериментальным открытием Ньютона в оптике является дисперсия света в призме (1666). Исследуя прохождение пучка белого света через трехгранную призму, Ньютон уста­новил, что луч белого света распадается на бесконечную совокуп­ность цветных лучей, образующих непрерывный спектр. Из этих опытов был сделан вывод о том, что белый свет представляет собой сложное излучение. Ньютон произвел и обратный опыт, собрав с по­мощью линзы цветные лучи, образовавшиеся после прохождения через призму луча белого света. В результате он опять получил белый свет. Наконец, Ньютон провел опыт смешения цветов с по­мощью вращающегося круга, разделенного на несколько секторов, окрашенных в основные цвета спектра. При быстром вращении диска все цвета сливались в один, создавая впечатление бело­го цвета.

Результаты этих фундаментальных опытов Ньютон положил в основу теории цветов, которая до этого не удавалась никому из его предшественников. Согласно теории цветов цвет тела определяется теми лучами спектра, которые это тело отражает; другие же лучи тело поглощает.

1.2 Основные понятия и законы геометрической оптики. Раздел оптики, который основан на представлении о световых лучах как прямых линиях, вдоль которых распространяется энергия света, называется геометрической опти­кой [6]. Такое название ей дано потому, что все явления распростране­ния света здесь могут быть исследованы путем геометрических по­строений хода лучей с учетом закона отражения и преломле­ния света. Этот закон является основой геометрической оптики.

Однако там, где речь идет о явлениях, взаимодействия света с препятствиями, размеры которых достаточно малы, законы геометрической оптики оказываются недостаточными и необходимо пользоваться законами волновой оптики. Геометрическая оптика дает возможность разо­брать основные явления, связанные с прохождением света через линзы и другие оптические системы, а также с отражением света от зер­кал. Понятие о световом луче, как о бесконечно тонком пучке света, распространяющемся прямолинейно, естественно приводит к законам прямолинейного распространения света и независимого распространения световых пучков. Именно эти, законы совместно с законами преломления и отражения света и являются основными законами геометрической оптики, которые не только объясняют многие физические явления, но и позволяют проводить расчеты и конструирование оптических приборов. Все эти законы вначале были установлены как эмпирические, то есть, основаны на опытах, наблюдениях.

При отражении света на границах раздела двух сред всегда имеет место неполное отражение, так как какое-то количество света проходит в среду, от границы с которой и происходит отражение. Если эта среда слабо поглощает, то частично прошедший свет рас­пространяется в ней на большие расстояния [5]. В случае поглощаю­щей среды проникший в нее свет быстро поглощается, а его энергия обычно переходит во внутреннюю энергию среды. Возможны и дру­гие превращении световой энергии, проникшей во вторую среду.

Введем обозначения: R — коэффициент отражения; А — коэф­фициент, определяющий поглощение света средой после его про­никновения в нее (среда полностью поглощает прошедшее в нее излучение), тогда:

R+A=1 (1)

Величины R и А могут иметь самые различные значения. R доста­точно велико у полированных поверхностей металлов или у метал­лических пленок, нанесенных на полированные поверхности ди­электриков (у серебра в видимой и инфракрасной области). Рассмотрим теперь явление преломления света. Оно происходит на границе раздела двух сред. При прохождении через такую границу луч света испытывает скачкообразное изменение направления рас­пространения. Это явление и называется преломлением света. На­ряду с этим наблюдаются явления так называемой рефракции, т. е. плавного изменения направления распространения, когда в среде имеет место градиент показателя преломления.

Преломление света подчиняется следующему закону: при прохождении света из первой среды во вторую I отношение синуса угла I' падения к синусу угла преломления равно отношению абсолютных показателей преломления второй и первой среды; лучи падающий и преломленный лежат в одной плоскости с перпендикуляром, опущенным на поверхность раздела в точке О падения луча (см. рис.1). Математически закон преломления записывается в виде:

(2) где I — угол падения световых лучей на границу раздела двух сред с абсолютными показателями преломления и ; I' — угол преломления; ON — нормаль к поверхности раздела. Отношение абсолютных показателей преломления к :

(3)

называют относительным показателем преломления двух сред.

1.3 Элементы призмы и оптические материалы.

Первым устройством для спектрального разложения света является призма, предложенная для этой цели еще Ньютоном [7]. Спектральной призмой, или просто призмой, называется многогранник, сделанный из прозрачного вещества, обладающего значительной дисперсией . При прохождениии через призму пучок лучей меняет свое направление, причем угол выхода лучей, вообще говоря, зависит от длины волны. Прохождение луча через при­зму связано с преломлением, зависящим от материала, из которого изготовлена призма. Для изготовления хороших спектральных призм должен использоваться материал, прозрач­ный в исследуемой области спектра, обладающий большой дисперсией, очень высокой оптической однородностью и изотропностью. Достаточно часто призмы изготавливают из специального оптического стекла К8. На рис.2 представлена зависимость показателя преломления стекла К8 от длины волны, иллюстрирующая дисперсию. Он должен при этом хорошо обрабатываться и быть достаточно дешевым. Широкой областью пропускания света обладает кварц, но он дорого стоит и недоступен в виде больших кусков достаточной однородности и прозрачности. В последнее время научились искусственно выращивать кристаллы оптического кварца, а также получать достаточно однородный плавленый кварц.

Рис.2

Для призм с размерами более 10 см трудно изготовить достаточно одно­родное стекло. Хорошие кристаллы кварца' больших размеров встречаются также чрезвычайно редко. Эти обстоятельства ограничивают размеры призм в промышленных приборах. Призмы большего размера изготовлены в еди­ничных лабораторных экземплярах.

Спектральные призмы больших размеров и с большой дисперсией можно сделать из призматических прозрачных сосудов, залитых соответствующими жидкостями. Такие призмы, однако, дают спектры весьма посредственного качества из-за неоднородностей, связанных с конвекционными потоками. Для ультрафиолетовой области лучше всего подходит дистиллированная вода.

Преломление в плоскости главного сечения. Вначале ограничимся рассмотрением лучей, лежащих в плоскости глав­ного сечения. Предположим, что на грань призмы падает пучок лучей, состав­ляющих угол с нормалью к первой грани призмы (рис. 3). Угол преломления этого луча обозначим , угол падения его на вторую грань и угол выхода из нее. Угол , составленный падающим и выходящим лучами, называется углом отклонения.

Рис 3.

Из рис. 3 легко понять, что:

(4)

(5)

Эти равенства и закон преломления дают четыре уравнения, связыва­ющие семь величин:

(6)
(7)

(8)

(9)

Три величины — А, и обычно заданы, и этого достаточно, чтобы опреде­лить четыре остальные.

Предельный угол. Выясним, какое максимальное значение A_max может иметь преломляющий угол призмы А. Положив в (4) , находим, что максимальное значение и будет 1/n . Считая, что , получаем

(10)

Если преломляющий угол больше этого значения, то любой луч, вошедший в призму, попадает на вторую грань под углом большим, чем угол полного внутреннего отражения. Следовательно, он не выходит из преломляющей грани призмы (рис. 4).

а) б)
Рис. 4 Преломление луча в призме с преломляющим углом, близким к предельному (а) и больше предельного (б).

Разумеется, угол А должен быть несколько меньше, чем предельный, соответствующий входу и выходу лучей из призмы по каса­тельным к ее граням. Если А =, то при конечной ширине падающего пучка грани призмы должны быть бесконечно большими, поскольку практически не возможно определить место (точку) вхождения падающего пучка в материал призмы, т.е. точку падения пучка.

Как мы увидим дальше, выгодно увеличивать преломляющий угол приз­мы. Материалы, из которых делаются призмы, имеют обычно значения n, лежащие в интервале 1,5—1,8. Отсюда следует, что максимальные прелом­ляющие углы могут составлять соответственно 87—67°. Практически они должны быть несколько меньше. Наиболее часто используются призмы с преломляющим углом ≈60°.

2. Экспериментальная часть.

Задача данной работы заключается в постановке учебных опытов по геометрической оптике в средней школе с использованием призмы. При этом в качестве источников света использовались маломощные лазеры, которые позволяют положить в основу опытов высокую интенсивность, малое расхождение, когерентность и монохроматичность лазерного пучка, что позволяет существенно упростить постановку и трактовку опытов по лучевой оптике.

Целью постановки таких опытов является демонстрация определяющего влияния показателей преломления света материала призмы и окружающей среды на явление преломления света в призме.

2.1.Материалы и методика эксперимента

Для постановки учебных опытов по геометрической оптике использовались доступные приборы и материалы. В качестве источников света использовались лазеры с мощностью пучка от 2 до 30 милливатт и длиной волны испускаемого света = 650 нм и 532 нм соответственно. Необходимое для постановки опытов оборудования располагалось на обычном лабораторном столе. Для измерения расстояний использовалась обычная рулетка. В качестве основных объектов использовались: сплошная стеклянная призма с преломляющим углом 90º, такая же, но пустотелая стеклянная призма, заполненная водой и пустотелая стеклянная призма с преломляющим углом 74º,заполненная воздухом. Кроме этого был использован также стеклянный аквариум объемом 15 литров и стеклянная подставка для призмы. Источники света закреплялись на обычных лабораторных штативах с зажимами. В качестве экрана использовался лист белой бумаги формата А4, закрепленный на прямоугольной рамке с возможностью поворота рамки. Интенсивность лазерного пучка оказалась достаточной для того, чтобы увидеть картину наблюдаемого явления на экране без затемнения. Результаты ряда опытов фотографировались с помощью цифрового фотоаппарата « Kodak Easy Share Z- 740 » с разрешающей способностью 5мегапикселей.

2.2. Результаты экспериментов.

2.2.1. Демонстрационные опыты с использованием сплошной стеклянной призмы с преломляющим углом 90º.

Для выполнения опыта была собрана оптическая система, показанная на рис.5

а) В качестве источника света используется «лазерная указка», испускающая красный свет с длиной волны λ =650 нм.

Расстояния между элементами оптической системы следующие: L1 = 13,4см, L2 = 15,5см. В начале опыта призма устанавливается, так как показано на рис.5, т. е. преломляющий угол А=45º. После прохождения луча через призму измеряем расстояния от стола до выхода пучка из призмы H2=13,1см, от стола до пятна на экране H3=7,3см. Потом призму устанавливаем так чтобы угол 90º был преломляющим, и пучок света не выходит из второй преломляющей грани призмы и на экране невидно пятна от проходящего через призму луча.

б) Повторяем опыт, но используем вместо лазера испускающего красный свет, лазер испускающий зеленый свет с длиной волны λ=532 нм. Схема установки та же. Измерив L1 = 13,1см, H2=12,8см и H3= 5,7см, наблюдаем, что зеленый свет явно преломляется призмой больше. Повернув призму так чтобы угол 90º, был преломляющим, наблюдаем аналогичное исчезновение пятна на экране на зеленом свете. Результаты опытов б) сфотографированы и представлены на рис. 7.

в) Повторяем опыт еще раз, но используем в качестве источника света мощный фонарик с лампой накаливания, дающий узкий пучок. В этом случае на экране наблюдаем разложение света в спектр со следующим чередованием цветов сверху вниз: красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий.

1 – лазер, 2 – призма, 3 – экран

рис.5

с) Для изменения условий прохождения света через призму поместим сплошную стеклянную призму на специальной стеклянной подставке в аквариум, заполненный водой. Остальные условия опыта аналогичны вариантам а) и в). Собранная оптическая система представлена на рис.6

1– лазер, 2 – призма, 3 - экран

рис.6

а)

в)

Рис.7 Прохождение лазерного пучка через сплошную стеклянную призму при двух различных значениях преломляющего угла А.

а)=45º

в) =90º

2.2.2. Демонстрационные опыты с использованием пустотелой стеклянной призмы, заполненной водой с преломляющим углам 90º.

Для выполнения опыта была собрана оптическая система, показанная на рис.5 с тем отличием, что вместо сплошной стеклянной призмы использовалась пустотелая стеклянная призма, заполненная водой.

Расстояния между элементами оптической системы следующие: L1 = 18см, L2 = 15,5см. В начале опыта призма устанавливается, так как показано на рис.5. После прохождения луча через призму измеряем расстояния от стола до выхода пучка из призмы H2=17,5см, от стола до пятна на экране H3=12,5см. Потом призму устанавливаем так чтобы угол 90º был при вершине, т. е. преломляющий угол равен 90º. Как и в предыдущем опыте, пятно от прошедшего сквозь призму лазерного пучка не наблюдается.

Используя вместо лазера с красным светом лазер с зеленым светом. Схема установки та же. Измерив L1 = 12,5см, L2 = 12см и H2=18,1см, H3=7,1см наблюдаем, что зеленый свет преломляется больше. Повернув призму так, чтобы угол 90º стал преломляющим, наблюдаем такое же исчезновение на экране пятна от прошедшего через призму пучка.

2.2.3. Демонстрационные опыты с использованием пустотелой стеклянной призмы, и заполненной воздухом, с преломляющим углом 74º.

Для выполнения опыта была собрана оптическая система, показанная на рис.6 с тем отличием, что вместо сплошной стеклянной призмы использовалась пустотелая стеклянная призма, заполненная воздухом, с преломляющим углом А=74º.

Погрузив в аквариум пустотелую призму, повторяем предыдущий опыт с использованием вариантов а), б) и в). Луч света сначала идет из среды оптически более плотной в среду, оптически менее плотную. Наблюдаем, что в этом случае лазерный пучок отклоняется не вниз, к основанию призмы, как обычно, а вверх, то есть в противоположном направлении. При постановке этого опыта использовались оба лазера, испускающие красный и зеленый свет: варианты а) и б). Результаты для красного излучения: L1 = 17см, L2 = 15,5см, и H2=19см, H3=32см, для зеленого: L1 = 18см, L2 = 15,5см, и H2=18,6см, H3=29,5см.

По аналогии с вариантом в) (см. стр.20) заменяем лазер достаточно мощным источником белого света: фонариком с узким световым пучком. В этом случае наблюдаем на экране разложение белого света в спектр с обычным чередованием цветов сверху вниз: от красного к синему, то есть аналогично опыту со сплошной стеклянной призмой в воздухе.

2.3. Обсуждение результатов опытов.

В результате проведения опытов с призмами, сделанными с использованием разных материалов – стекло, вода, воздух – и помещенными в разные среды – воздух, вода – удалось наглядно продемонстрировать выполнение законов преломления света в призме в этих различных ситуациях. Зная геометрию главного сечения призмы и характерные расстояния, определяющие реальное прохождение пучка света через призму, можно построить ход лучей в призме для разных ситуаций. Такое построение представлено на рис. 8, 8а, 9, 10. Очевидно, зная ход лучей в призме, легко найти показатель преломления материала призмы по закону преломления света (см. соотношение (2)). Действительно, так как при вхождении, луча в призму , где и - абсолютные показатели преломления окружающей среды и материала призмы, то . Полагая известной величину и определив величины и по измеренным отрезкам на рис. 8, 8а и 9, можно найти величину для соответствующих случаев: и , (рис.11). Показатель преломления стекла можно найти и по фотографии на рис.6а, на которой четко виден ход зеленого луча в стеклянной призме, окруженной воздухом.

Преломляющий угол 90º; свет не проходит через вторую преломляющую грань.

Преломляющий угол 45º.

Рис.8 Ход лучей красного и зеленого света в сплошной стеклянной призме, окруженной воздухом.

Преломляющий угол 45º

Рис. 8а. Ход лучей красного и зеленого света в сплошной стеклянной призме, окруженной водой.

Преломляющий угол 90º

Преломляющий угол 45º Рис. 9. Ход лучей в пустотелой стеклянной призме, заполненной водой и окруженной воздухом.

Преломляющий угол 74º

Рис.10. Ход лучей в пустотелой стеклянной призме, заполненной воздухом и окруженной водой.

Рис.11. Определение величин и по измеренным отрезкам:

Результат измерений соответствующих отрезков такой: . Определив показатель преломления стекла призмы , можно найти значение предельного преломляющего угла призмы по соотношению (10) (см. лит. обзор =84º).

Теперь легко объяснить результаты опытов со стеклянной призмой с преломляющим углом 90º. Так как 90º>84º, то мы в этом случае наблюдаем явление, когда любой луч, вошедший в призму, попадает на вторую преломляющую грань под углом, большим, чем угол полного внутреннего отражения. Следовательно, он не выходит из преломляющей грани призмы (см.§1.3). Для случая пустотелой призмы, заполненной водой =97º. Наблюдаем тот же эффект исчезновения пятна от лазерного пучка на экране.

Следует отметить, что выполнить подобные измерения и построения достаточно просто для любого ученика средней школы. Результаты определения показателей преломления стеклянной призмы для зеленого (λ=532 нм) и красного (λ =650 нм) света по отрезкам следующие: ; . Можно видеть, что > , что соответствует известным данным (см. рис. 2).

Конечно, при такой простой постановке опытов точность определения величин показателей материалов призм невелика, но зато такая оценка позволяет сравнить показатели преломления для разных длин волн.

Полученные результаты вполне надежны и хорошо иллюстрируют зависимость показателя преломления от длины волны используемого света, а также явления полного внутреннего отражения света в призме с преломляющим углом, больше критического.

Наглядно показано, что в случае, когда>, то есть при использовании призмы, заполненной воздухом и окруженной водой, ограничение на прохождение света через призму определяется не величиной преломляющего угла, а величиной критического угла падения света на первую преломляющую грань. Это соответствует известному явлению полного внутреннего отражения света.

Таким образом, в данной работе наглядно проиллюстрированы законы преломления и отражения света в призме, а также явления полного внутреннего отражения света.

Оценки показателей преломления материалов призм, сделанные по результатам опытов, неплохо соответствуют известным данным.

Выводы

Наглядно проиллюстрированы законы преломления и отражения света в призме, а также явления полного внутреннего отражения света.

Список литературы

1. Годжаев Н.М. Оптика - M.:Высшая школа,1977.

2. Гершензон Е.М.,Малов-Н. Н.,Эткин В.С.Курс общей физики: Оптика и

атомная физика. - М.: Просвещение ,1981.

3. Ландсберг Г.С. Оптика. - М.:Наука,1976.

4. Королев Ф.А. Курс физики: Оптика, атомная и ядерная физика.- М.:

Просвещение, 1974.

5. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика-11.-М: Просвящение,1993.

6. Савельев И.В. Курс физики: В 3-х т.-М.: Наука,1978 г.

7. Зайдель А. Н., Островская Г. В., Островский Ю. И. Техника и практика спектроскопии. – М: «Наука»,1976.

8. Стекло оптическое бесцветное, ГОСТ – 13659 – 79. – М: Государственный комитет СССР по стандартам, 1985.