Застосування світловода на уроках фізики
В. В. Майєр, ГГПІ ім. В. Г. Короленка, м. Глазов;
Е. С. Об'єдков, школа N 548, м. Москва
Школяр
розуміє фізичний досвід тільки тоді добре, коли він його робить сам. Але ще
краще він розуміє його, якщо сам робить прилад для експерименту.
П. Л. Капіца
Фізичний
експеримент ... Постановка його на уроці дозволяє вчителю не тільки докладно
розглянути фізичні явища, а й звернути увагу учнів на важливу особливість
конкретних фізичних законів - принципову обмеженість будь-якого з них.
1. Закон прямолінійного поширення світла і
світловод
Явище
поширення світла описується, зокрема, законом прямолінійного
розповсюдження. У підручнику фізики для 8-го класу цей закон набраний жирним
шрифтом: «Світло в прозорій однорідному середовищі поширюється прямолінійно».
При цьому згадується, що освіта тіні - одне з досвідчених доказів
цього закону. Проте тінь може вийти тільки у випадку, коли в однорідну
середу введено що відрізняється від неї тіло, тобто коли середовище стає оптично
неоднорідною.
В
навчальному посібнику для 11-го класу вивчення прямолінійного поширення світла
проводиться із залученням принципу Гюйгенса-Френеля. У методичних посібниках
для вчителя можна зустріти рекомендації з проведення відповідних дослідів.
Однак не завжди в однорідному середовищі світло поширюється прямолінійно.
Звернемося,
наприклад, до світловод, виготовленому зі скла або оргскла. Для світла це
прозора однорідна середу, але в світловод світло поширюється ... НЕ
прямолінійно. Вірніше, усередині серцевини * світло поширюється дійсно
прямолінійно, але дійшовши до кордону серцевина-оболонка, відчуває повне
внутрішнє віддзеркалення і змінює напрямок поширення.
Тут
самий час поговорити про область застосовності приватних фізичних законів. До
них належить і закон прямолінійного поширення світла, він можна застосовувати лише в
випадку необмеженої однорідного середовища. Тому формулювання його повинна бути
уточнена: світло поширюється прямолінійно в прозорій оптично однорідною
необмеженої середовищі. Трохи пізніше учні дізнаються, що якщо Середа
обмежена, то на межі розділу можуть відбутися такі явища, як відображення,
заломлення і поглинання світла. Ці ж явища мають місце, якщо в оптично
однорідне середовище введена неоднорідність, в цьому випадку відбуваються
інтерференція, дифракція і розсіювання світла.
2. Як зробити світловод
Зовнішній
вид навчального світловода в роботі і спосіб кріплення джерела світла показані на
рис.1. З листа оргскла товщиною 4 мм різаком виріжте дві смужки довжиною
приблизно 50 см і шириною 10 мм. Торці і вузькі бічні поверхні смужок
відшліфуйте послідовно все більш дрібною шкіркою. Грубу тканину або шматок
повсті злегка змочіть гасом і натріть полировальной пастою ГОИ і
обробіть їм спочатку торці обох смужок, а потім - бокові поверхні однієї
з них. Полірувати потрібно до тих пір, поки у процесі "поверхні не стануть
абсолютно прозорими.
Взявши
одну зі смужок за кінці, помістіть її над розпеченим електроплиткою.
Переміщуючи і повертаючи смужку, тримайте її над плиткою до повного розм'якшення,
а потім швидко изогн так, щоб вийшли два відігнутих коліна.
Зафіксуйте виріб, щоб, охолонувши, воно зберегло свою форму. Другу смужку
изогн так само, використовуючи перший як шаблон. Взагалі кажучи, форма
світловода може бути довільною, рекомендована просто більш зручна у
навчальних дослідах. Бажано, щоб радіус кривизни вигинів світловода був не
менше 15 мм.
Підберіть
поліхлорвінілових трубку діаметром приблизно 10 мм і лампочку на напругу 3,5
або 6,5 В. До цоколі лампочки припаяти гнучкі провідники завдовжки приблизно 60 см.
Від трубки відріжте шматок завдовжки 40 мм і вставте в нього лампочку так, щоб вона
зайшла повністю. Одержаний патрон з лампочкою надягніть на один з кінців
світловода. Прилад для дослідів готовий.
3. Демонстраційні досліди
Вони
дадуть найбільший ефект, якщо учні будуть мати можливість одночасно
виконувати учнівські досліди на своїх робочих місцях.
Досвід
1. Покажіть учням світловод і лампочку. На лампочку надіньте кожух і
з'єднайте його з одним кінцем світловода. Увімкніть живлення і покажіть, що світло
виходить тільки через другий торець світловода (рис. 1).
При
демонстрації цього досвіду учні 8-го класу відразу помічають протиріччя між
побаченим і викладеним у підручнику. Виникає унікальна ситуація, що дозволяє
вчителю говорити про межі застосування фізичних законів взагалі і закону
прямолінійного поширення світла зокрема. Разом з тим не можна
обмежитися лише констатацією факту обмеженості дії закону
прямолінійного поширення світла. Необхідно вказати причину того, чому
світло поширюється всередині світловода практично без втрат: кожен раз,
доходячи до поверхні, світло випробовує повне внутрішнє віддзеркалення і
повертається назад, всередину світловода.
Досвід
2. Зніміть з світловода кожух з лампочкою і замініть світловод іншим, що мають
матові вузькі межі. Увімкніть джерело, і учні з подивом виявлять, що
світло через такий світловод не проходить (рис. 2)!
Спочатку
вони абсолютно збентежені: невже ці вузькі матові смужки з боків
світловода є справжня причина того, що світло через нього не проходить?! Але
уважний розгляд показує, що другий світловод абсолютно не
відрізняється від першого, тому вони приходять до висновку, що, дійсно,
потрапляючи на матові грані, світло розсіюється на них, значною мірою виходячи за
межі світловода. На ці межі не потраплять тільки ті промені, які йдуть строго
по осі світловода, а таких променів тим менше, чим довше світловод і чим менше
його поперечний переріз.
Учні
формулюють гіпотезу: якщо матові межі зробити прозорими, то світловод
почне пропускати світло.
Досвід
3. Ганчіркою, змоченою в машинному маслі, проведіть по матовим гранях світловода
і продемонструйте, що через нього при цьому починає проходити світло.
Значить,
зроблене припущення вірне: тонка плівка масла на матовому поверхні
запобігає розсіювання світла, і результат майже такий же, як якби всі
грані світловода були відполіровані.
Досвід
4. Під світлопроводом з полірованими поверхнями поставте склянку з гліцерином
(рис. 3), що мають показник заломлення, близький до показника заломлення
оргскла (з гіршими результатами можна використовувати насичений розчин
кухонної солі). Увімкніть лампочку і покажіть, що світло проходить через
світловод. Помістіть нижню вигнуту частина світловода у склянку з рідиною і
продемонструйте, що інтенсивність минулого пучка різко зменшиться.
Поясніть
результат досвіду тим, що світло з оргскла проходить в гліцерин, тому що ці два
середовища мало відрізняються оптично, а значить, контактуючи, утворюють середовище,
близьку до оптично однорідною. У такому середовищі світло поширюється
прямолінійно до її межі. Якщо учні знайомі з явищем повного
внутрішнього відбиття світла, то результат досвіду можна пояснити тим, що
зсередини на кордон оргскло-гліцерин світло падає під кутом, меншим
граничного, тому заломлюється з оргскла всередину гліцерину.
Те,
що світло входить в гліцерин, учні можуть виявити, помістивши під склянку лист
білого паперу.
Досвід
5. Продемонструйте світловод і потім на верхню його коліно приклейте шматок
темної ізоляційної стрічки (мал. 4). Світло перестає проходити через світловод! Відірвіть
ізоляційну стрічку - світ з'являється, знову приклейте - він зникає.
Досвід
пояснюється тим, що клейкий складу ізоляційної стрічки має показник заломлення,
близький до показника заломлення оргскла. Тому світло на вигині виходить з
оргскла і поглинається пофарбованим шаром ізоляційної стрічки.
Список літератури
Для
підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.1september.ru/
