Методическая разработка по тема 3.21 Скорость света. Законы отражения и преломления света. Полное отражение света. Интерференция света.

Абсолютный показатель преломления среды показывает, во сколько раз скорость света v в дан­ной среде меньше, чем скорость света с в вакууме.

Абсолютный показатель преломления для вакуума равен 1

Скорость света в воздухе очень мало отличается от значения с, поэтому

Абсолютный показатель преломления для воздуха будем считать равным 1

Относительный показатель преломления показы­вает, во сколько раз изменяется скорость света при переходе луча из первой среды во вторую.

1. Луч падающий, перпендикуляр к границе раздела двух сред в точке падения и преломленный луч лежат в одной плоскости.

2. Отношение синуса угла падения  к синусу угла преломления  есть величина постоянная для данной пары сред:

где V₁ и V₂ – скорости распространения света в первой и второй среде.

С учетом показателя преломления закон преломления света можно записать в виде

или

где n₂₁ – относительный показатель преломления второй среды относительно первой;

n₂ и n₁ – абсолютные показатели преломления второй и первой среды соответственно

Если световые лучи из оптически более плот­ной среды 1 падают на границу раздела с оптиче­ски менее плотной сре­дой 2 (n₁n₂),то угол паде­ния меньше угла преломления   . При увели­чении угла падения можно подойти к такому его значению _пр, когда преломленный луч заскользит по границе раздела двух сред и не попадет во вторую среду,

Угол преломления , при этомвся световая энергия отражается от границы раздела.

Предельным углом полного внутреннего отражения _прназывается угол, при котором преломленный луч скользит вдоль поверхности двух сред,

При переходе из среды опти­чески менее плотной в среду бо­лее плотную полное внутреннее отражение невозможно.

Интерференцией волн называется явление увеличения или уменьшения амплитуды результирующей волны при сложении волн с одинаковой частотой колебаний и постоянной во времени разностью фаз.

В точках, где амплитуда колебаний увеличивается, наблюдается интерференционный максимум

В точках, где амплитуда колебаний

уменьшается, наблюдается

интерференционный минимум.

Волны и возбуждающие их источники называются когерентными, еслиразность фаз волн не зависит от времени, и волны имеют одинаковую длину волны. Результат наложения когерентных световых волн, наблюдаемый на экране, фотопластинке и т.д., называется интерференционной картинкой. Устойчивую интерференционную картину дают только когерентные волны.

Волны от естественных источников не бывают когерентными, поэтому для наблюдения интерференции света искусственно создают разность хода световых волн, разделяя свет от одного источника на два пучка, которые проходят разные пути r₁ и r₂, а затем эти пучки сводятся вместе на экране.

 - длина волны,

r= r₂ –r₁–геометрическая разность хода двух

волн

Δφ – разность фаз волн

Δφ=2πr/

Геометрической разностью хода называется разница расстояний, пройденных волнами от разных источников до точки, где наблюдается их интерференция

Условие интерференционных максимумов (усиление света)

Для разности фаз

Δφ= 2πk- разность фаз кратна 2π

для разности хода

r = k или

r = 2k  k-любое целое число(k =0,1,2,3, …),

Разность хода равна четному числу полуволн

Условие интерференционных минимумов (ослабление света):

Для разности фаз

Δφ= π(2k+1)

для разности хода

r = (2k + 1) ,

где k – целое число (k =0,1,2,3, …),

Разность хода равна нечетному числу полуволн

Дифракцией света называется отклонение направления распространения волн от прямолинейного у границы преграды.

Наиболее наглядно дифракция света проявляется при прохождении света через отверстия с размерами порядка длины волн оптического диапазона. Явление дифракции легко наблюдать на дифракционной решетке.

Простейшей дифракционной решеткой является система из N одинаковых параллельных щелей в плоском непрозрачном экране ширины b каждая, расположенных на равных непрозрачных промежутках a друг от друга. Величина d = b + a называется постоянной (периодом) дифракционной решетки.

Прохождение монохроматического излучения через дифракционную решетку

Монохроматическим называется излучение, состав которого определяется одной длиной волны. Например, волна с длиной волны λ = 770 нм – монохроматический красный свет.

φ- угол дифракции

Лучи, прошедшие дифракционную решетку, когерентны, поэтому дают на экране интерференционную картину.

Для двух лучей, испытывающих дифракцию на краях двух соседних щелей, геометрическая разность хода r =dsin

Положение главных максимумов освещенности в дифракционной картинке, получаемой при нормальном падении световой волны на поверхность решетки, определяется соотношением:

d sin= k

где d sin-разность хода лучей световых волн от соседних щелей;-угол дифракции, т.е. угол между направлением хода падающей на решетку световой волны и направлением хода волны на выходе ее из щели; k – порядок максимума (k = 0,1,2,3,…).

ПРИЛОЖЕНИЕ №1

КОНТРОЛЬ ЗНАНИЙ ПО ПРЕДЫДУЩЕЙ ТЕМЕ (устно)

«Принципы радиосвязи. Радиолокация и телевидение»

Студенту предлагается дать развернутый ответ на следующие вопросы.

План устного опроса:

1. В чем заключаются принципы радиосвязи?

2. С какой целью применяется способ модуляции?

3. С какой целью применяется способ детектирования?

4. Как можно объяснить распространение радиоволн различной длины по Земле?

5. Как электромагнитные волны используются в телевидении?

6. Как осуществляется междугородная телефонная связь?

Эталоны ответов.

1. Принципы радиосвязи

Переменный электрический ток высокой частоты, созданный в передающей антенне, вызывает в окружающем пространстве быстроменяющееся электромагнитное поле, которое распространяется в виде электромагнитной волны. Достигая приемной антенны, электромагнитная волна вызывает в ней переменный ток той же частоты, на которой работает передатчик.

Важнейшим этапом в развитии радиосвязи было создание в 1913 г. генератора незатухающих электромагнитных колебаний. Кроме передачи телеграфных сигналов, состоящих из коротких и более продолжительных импульсов («точки» и «тире») электромагнитных волн, стала возможной надежная и высококачественная радиотелефонная связь - передача речи и музыки с помощью электромагнитных волн.

При радиотелефонной связи колебания давления воздуха в звуковой волне превращаются с помощью микрофона в электрические колебания той же формы. Казалось бы, если эти колебания усилить и подать в антенну, то можно будет передавать на расстояние речь и музыку с помощью электромагнитных волн. Однако в действительности такой способ передачи неосуществим. Дело в том, что частота звуковых колебаний мала, а электромагнитные волны низкой (звуковой) частоты имеют малую интенсивность. Следовательно, для осуществления передачи информации в виде звуковых волн, необходимы такие принципы радиосвязи, как модуляция звукового сигнала и его дальнейшее детектирование.

1. Модуляция

Для осуществления радиотелефонной связи необходимо использовать высокочастотные колебания, интенсивно излучаемые антенной. Незатухающие гармонические колебания высокой частоты вырабатывает генератор, например генератор на транзисторе. Для передачи звука эти высокочастотные колебания изменяют, или, как говорят, модулируют, с помощью электрических колебаний низкой (звуковой) частоты. Можно, например, изменять со звуковой частотой амплитуду высокочастотных колебаний. Этот способ называют амплитудной модуляцией. На рисунке приведены три графика: а) график колебаний высокой частоты, которую называют несущей частотой;

б) график колебаний звуковой частоты, т. е. модулирующих колебаний;

в) график модулированных по амплитуде колебаний.

Без модуляции мы в лучшем случае можем контролировать лишь, работает станция или молчит. Без модуляции нет ни телефонной, ни телевизионной передачи. Модуляция — медленный процесс. Это такие изменения в высокочастотной колебательной системе, при которых она успевает совершить очень много высокочастотных колебаний, прежде чем их амплитуда изменится заметным образом.

1. Детектирование

Основные принципы радиосвязи представлены в виде блок-схемы:

В приемнике из модулированных колебаний высокой частоты выделяются низкочастотные колебания. Такой процесс преобразования сигнала называют детектированием. Полученный в результате детектирования сигнал соответствует тому звуковому сигналу, который действовал на микрофон передатчика.

После усиления колебания низкой частоты могут быть превращены в звук.

1. Распространение радиоволн

При использовании электромагнитных волн для радиосвязи как источник, так и приемник радиоволн чаще всего располагают вблизи земной поверхности. Форма и физические свойства земной поверхности, а также состояние атмосферы сильно влияют на распространение радиоволн. Особенно существенное влияние на распространение радиоволн оказывают слои ионизированного газа в верхних частях атмосферы на высоте 100—300 км над поверхностью Земли. Эти слои называют ионосферой. Ионизация воздуха верхних слоев атмосферы вызывается электромагнитным излучением Солнца и потоком заряженных частиц, излучаемых им.

Проводящая электрический ток ионосфера отражает радиоволны с длиной волны λ 10 м как обычная металлическая пластина. Но способность ионосферы отражать и поглощать радиоволны существенно меняется в зависимости от времени суток и времен года. Именно по этой причине радиосвязь, особенно в диапазоне средних длин волн (100—1000 м), гораздо надежнее ночью и в зимнее время.

Устойчивая радиосвязь между удаленными пунктами на земной поверхности вне прямой видимости оказывается возможной из-за способности радиоволн огибать выпуклую земную поверхность (явление дифракции). Это огибание выражено тем сильнее, чем больше длина волны. Поэтому радиосвязь на больших расстояниях за счет огибания волнами Земли оказывается возможной лишь при длинах волн, значительно превышающих 100 м (средние и длинные волны).

Короткие волны (диапазон длин волн от 10 до 100 м) распространяются на большие расстояния только за счет многократных отражений от ионосферы и поверхности Земли. Радиоволны в этом диапазоне оказываются «запертыми» в тонком слое, ограниченном поверхностью Земли и ионосферой. В результате волны, излучаемые радиостанцией, расположенной, например, в центре Азии, достигают радиоприемников в Южной Америке.

Длинные радиоволны для этой цели менее пригодны из-за значительного поглощения поверхностными слоями Земли и ионосферой. И все же наиболее надежная радиосвязь на ограниченных расстояниях при достаточной мощности передающей радиостанции обеспечивается на длинных волнах.

Ультракороткие радиоволны (λ

В последнее время сделано много попыток обнаружения других цивилизаций и передачи им сигналов. Отправлены сообщения с больших радиотелескопов, в которых содержатся формулировки математических теорем, физических законов, сведения о человеке и т. д. Однако можно сказать, что наиболее мощным сигналом, переданным во Вселенную, является колоссальный рост интенсивности радиоизлучения вследствие развития на Земле телевидения и сотовой связи. Земля из ненаблюдаемого с других звезд объекта превратилась в яркую радиозвезду, непрерывно излучающую мощный поток радиоволн.

Принцип сотовой связи. Сотовая телефонная связь основана на компьютерных системах, которые связывают номера абонентов и адреса наиболее близких ретрансляторов. Во время соединения компьютерная система находит оптимальный путь связи абонентов — последовательность передачи сигналов через выбранные ретрансляторы. Сотовый телефон абонента постоянно принимает сигнал ретранслятора, с которым он связан. При перемещении абонента происходит перерегистрация — привязка абонента к новому, ближайшему ретранслятору.

Итак, распространение радиоволн существенно зависит от их длины волны. Короткие волны (с длиной волны от 10 до 100 м) многократно отражаются от ионосферы и поверхности Земли. Длинные волны (λ 100 м) «скользят» вдоль поверхности Земли. Ультракороткие радиоволны (λ

1. Понятие о телевидении

Радиоволны используются для передачи не только звука, но и изображения в телевидении.

Принцип передачи изображения

На передающей станции производится преобразование изображения в последовательность электрических сигналов. Этими сигналами модулируются колебания, вырабатываемые генератором высокой частоты. Модулированная электромагнитная волна переносит информацию на большие расстояния. В приемнике производится обратное преобразование. Высокочастотные модулированные колебания детектируются, а полученный сигнал преобразуется в видимое изображение.

Для передачи движения немного отличающиеся друг от друга изображения движущегося объекта (кадры) передаются десятки раз в секунду (в России - 50 раз в секунду).

Изображение кадра преобразуется с помощью передающей вакуумной электронной трубки-иконоскопа в серию электрических сигналов. Кроме иконоскопа существуют и другие передающие устройства. Внутри иконоскопа расположен мозаичный экран, на который с помощью оптической системы проецируется изображение объекта. Каждая ячейка мозаики заряжается, причем ее заряд зависит от интенсивности падающего на ячейку света. Этот заряд меняется при попадании на ячейку электронного пучка, создаваемого электронной пушкой. Электронный пучок последовательно попадает на все элементы сначала одной строчки мозаики, затем другой строчки и т. д. (всего 625 строк). От того, насколько сильно меняется заряд ячейки, зависит сила тока в резисторе R. Поэтому напряжение на резисторе изменяется пропорционально изменению освещенности вдоль строк кадра.

Принцип приема изображений

Высокочастотные сигналы, полученные на выходе трубки, попадают на антенну, излучающую соответствующие электромагнитные волны. Эти сигналы формируются в телевизионном приемнике после детектирования. Это видеосигналы. Они преобразуются в видимое изображение на экране приемной вакуумной электронной трубки — кинескопа. Электронная пушка такой трубки снабжена электродом, управляющим числом электронов в пучке и, следовательно, свечением экрана в месте попадания луча. Системы катушек горизонтального и вертикального отклонения заставляют электронный луч обегать весь экран точно таким же образом, как электронный луч обегает мозаичный экран в передающей трубке.

Синхронность движения лучей в передающей и приемной трубках достигается посылкой специальных синхронизирующих сигналов. Телевизионные радиосигналы могут быть переданы только в диапазоне ультракоротких (метровых) волн. Такие волны распространяются обычно лишь в пределах прямой видимости антенны. Поэтому для охвата телевизионным вещанием большой территории необходимо размещать телепередатчики как можно ближе друг к другу и поднимать их антенны как можно выше.

Башня Останкинского телецентра в Москве высотой 540 м обеспечивает надежный прием телепередач в радиусе 120 км.

В настоящее время телевизионная сеть в нашей стране насчитывает несколько тысяч вещательных станций; их передачи принимают около 100 млн телевизоров.

Для получения цветного изображения осуществляется передача трех видеосигналов, несущих компоненты изображения, соответствующие основным цветам (красному, зеленому, синему). Зона надежного приема телевидения непрерывно увеличивается, в основном за счет использования ретрансляционных спутников.

1. Развитие средств связи

Еще сравнительно недавно междугородная телефонная связь осуществлялась исключительно по проводам. В настоящее время все шире применяются кабельные и радиорелейные линии, повышается уровень автоматизации связи.

В радиорелейных линиях связи используются ультракороткие (дециметровые и сантиметровые) волны. Эти волны распространяются в пределах прямой видимости, поэтому линии состоят из цепочки маломощных радиостанций, каждая из которых передает сигналы к соседней как бы по эстафете. Такие станции имеют мачты высотой 60—80 м, находящиеся на расстоянии 40—60 км друг от друга.

Все большей популярностью пользуются оптоволоконные линии связи, позволяющие передавать большой объем информации. Процесс передачи основан на многократном отражении лазерного луча, распространяющегося по тонкой трубке (волокну). Такая связь возможна между двумя неподвижными объектами.

Успехи в области космической радиосвязи позволили создать новую систему связи, названную «Орбита». В этой системе используются ретрансляционные спутники связи. Спутники связи серии «Молния» запускаются на сильно вытянутые орбиты. Период их обращения составляет около 12 ч. Созданы мощные и надежные системы, обеспечивающие телевизионным вещанием районы Сибири и Дальнего Востока. Они позволяют осуществить телефонно-телеграфную связь с отдаленными районами нашей страны.

Новые спутники связи серии «Радуга» запускаются на орбиту радиусом около 36 000 км. На этой орбите период обращения спутника равен 24 ч, и поэтому спутник все время находится над одной и той же точкой поверхности Земли.

Совершенствуются и находят новые применения и такие сравнительно старые средства связи, как телеграф и фототелеграф. В год по фототелеграфу передаются десятки тысяч газетных полос, с которых печатаются сотни миллионов экземпляров газет.

Телевидение охватывает почти все населенные пункты нашей страны. В нашей стране создается Единая автоматизированная система связи. В связи с этим развиваются, совершенствуются и находят новые области применения различные технические средства связи.

Критерии оценки:

Оценка «5» - на поставленный вопрос студент дал полный развернутый ответ и ответил на дополнительный вопрос;

Оценка «4» - на поставленный вопрос студент дал полный развернутый ответ, но не ответил на дополнительный вопрос;

Оценка «3» - на поставленный вопрос студент дал неполный ответ и не смог ответить на дополнительный вопрос;

Оценка «2» - не ответил на поставленный вопрос.

ПРИЛОЖЕНИЕ №2

ЗАДАНИЯ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ И СИСТЕМАТИЗАЦИИ НОВЫХ ЗНАНИЙ (письменно, не оценивается)

Физика 11 Разноуровневые самостоятельные и контрольные работы А. Кирик стр. 56 достаточный уровень №1-5.

Эталоны ответов к заданиям для закрепления и систематизации

ПРИЛОЖЕНИЕ № 3

ЗАДАНИЯ ДЛЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ

(Устно, не оценивается. Эталоны ответов к вопросам для предварительного контроля знаний содержатся в исходном материале)

1. Чему равна скорость света в вакууме?

2. Какие законы геометрической оптики вам известны?

3. Что называют отражением света?

4. В чем заключается закон отражения света?

5. Что называют преломлением света?

6. Абсолютный показатель преломления среды, что это?

7. Что называют полным отражением света?

8. Какое явление называют интерференцией волн?

9. В каком случае наблюдается интерференционный максимум?

10. В каком случае наблюдается интерференционный минимум?

11. При каком условии возможна интерференция света?

ПРИЛОЖЕНИЕ №4

КОНТРОЛИРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ (письменно)

Тест

1.Основоположников волновой теории света является…

А. Ньютон Б. Гюйгенс В. Максвелл Г. Ремер Д. Физо

2.Кто определил скорость света первым?

А. Ньютон Б. Гюйгенс В. Максвелл Г. Ремер Д. Физо

3.Определить угол отражения света, если угол между падающим лучом и отражающей поверхностью равен 50⁰.

А. 50⁰ Б. 0⁰ В. 40⁰ Г. 130⁰

4.Угол между падающим лучом и перпендикуляром, восстановленным в точке падения, называется…

А. Угол падения Б. Угол преломления В. Угол отражения

5.При переходе из более плотной оптической среды в оптически менее плотную…

А. Угол падения больше чем угол преломления;

Б. Угол падения меньше чем угол преломления;

Г. Угол падения равен углу преломления.

Эталоны ответов к заданиям контролирующего материала:

Критерии оценки:

за 3 правильных ответа – «3» балла;

за 4 правильных ответа – «4» балла;

за 5 правильных ответов – «5» баллов.

ЗАДАНИЕ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ВНЕАУДИТОРНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ

Цель: Определить объем информации для самостоятельной работы студента, обратить внимание на значимые моменты.

Время для выполнения задания: 45 минут.

Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Соцкий, Физика. 11 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений (с приложением на электронном носителе). Базовый и профильный уровни - М.: Просвещение, 2011 г., с. 170-179, параграфы 59-62 прочитать, конспект выучить.

Критерии оценки:

• студент выучил конспект – «3» балла;

• студент прочитал параграфы и выучил конспект, не ответил на дополнительный вопрос по теме – «4» балла;

• студент выучил конспект, владеет информацией из учебника, ответил на дополнительный вопрос по теме – «5» баллов.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Законы отражения и преломления света. Полное внутреннее отражение [Электронный ресурс]/ Studfiles // Режим доступа https://studfiles.net/preview/1787988/page:12/

2. Классная физика – всегда рядом! «Принципы радиосвязи» [Электронный ресурс]/ Class-fizika // Режим доступа http://class-fizika.ru/11_44.html

3. Свойства электромагнитных волн [Электронный ресурс]/Studfiles // Режим доступа https://studfiles.net/preview/1787988/page:11/

4. Тест по теме «Геометрическая оптика. 11 класс» [Электронный ресурс]/ Pedsovet // Режим доступа http://pedsovet.su/load/73-1-0-31948

5. Физика. 11 класс: Учебник для общеобразоват. учреждений с приложением на электронном носителе: базовый и профильный уровни: [Текст]/ Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н.Н. Соцкий.-20-е изд.-М.:Просвещение, 2011.–399 с.