УРОКИ ФІЗИКИ у 7-му класі
Мета: розширити й поглибити знання учнів про явище заломлення світла та використання цього явища в різних оптичних приладах і системах, таких як лінзи; сформувати уявлення про лінзи, різні види лінз, оптичну силу і фокусну відстань лінз; навчити учнів будувати хід променя в лінзах, зображення, утворені за допомогою лінз, та розв’язувати задачі, застосовуючи формули лінзи; розвивати вміння учнів аналізувати, систематизувати, порівнювати; виховувати інтерес до вивчення фізики.
Тип уроку: урок вивчення нового навчального матеріалу.
Обладнання: лінзи, набір з геометричної оптики.
1. Актуалізація опорних знань учнів.
2. Вивчення нового навчального матеріалу.
3. Закріплення вивченого матеріалу.
4. Підсумки уроку, домашнє завдання
1. Хід променів у збиральній лінзі.
2. Хід променів у розсіювальній лінзі.
3. Побудова зображення в лінзах
І. Актуалізація опорних знань
1) Які явища свідчать про прямолінійність поширення світла?
2) Що таке світловий промінь? Як він позначається графічно?
3) У чому полягає явище заломлення світла?
4) Сформулюйте закони заломлення світла.
5) Що таке показник заломлення світла? Як його визначають?
II. Вивчення нового матеріалу
Учитель. Явище заломлення світла широко використовується в різних оптичних приладах, таких як мікроскоп, телескоп, окуляри, лінзи, бінокль, зорова труба, фотоапарат, відеокамера. Основною частиною більшості цих приладів є лінзи. Як правило, лінзи виготовляють зі скла.
Лінза — це прозоре тіло, обмежене двома сферичними поверхнями. В окремому випадку одна із поверхонь може бути плоскою.
Сферичні лінзи можуть бути шести типів: двоопукла, плоско- опукла, ввігнуто-опукла, двоввігнута, плоско-ввігнута, опукло-ввігнута. Перші три типи називають збиральними лінзами, інші — розсіювальними (але слід пам’ятати, що в середовищі, показник заломлення якого більший за показник заломлення речовини лінзи, перші три типи будуть розсіювальними, інші — збиральними).
Ми вивчатимемо тільки тонкі лінзи.
Тонка лінза — це лінза, товщина якої набагато менша, ніж радіуси кривизни обох поверхонь Найбільш поширеними у використанні є опуклі та увігнуті лінзи.
Лінзи, які в середині товщі, ніж біля країв, називають опуклими. Такі лінзи є збиральними, тому що вони перетворюють паралельний пучок променів у збіжний.
Лінзи, які в середині тонші, ніж біля країв, називають увігнутими. Такі лінзи є розсіювальними тому, що вони перетворюють паралельний пучок променів у розбіжний.
Демонстрація проходження через лінзи паралельного пучка світла (на наборі геометричної оптики). Наводимо умовні позначки збиральних і розсіювальних лінз.
Що є основними елементами лінзи?
Головна оптична вісь лінзи — пряма, що проходить через центри сферичних поверхонь лінзи.
Оптичний центр лінзи — це точка перетину головної оптичної осі з лінзою (т. О).
Побічна оптична вісь — будь-яка пряма, що проходить через оптичний центр.
Головний фокус лінзи — це точка на головній оптичній осі лінзи, у якій сходяться промені (або їх продовження), що падають на лінзу паралельно до головної оптичної осі (т. F). Внаслідок оборотності світлових променів кожна лінза має два головних фокуси — по одному з кожного боку лінзи на однаковій відстані від центра лінзи. Ці фокуси є дійсними для збиральної лінзи, бо в них перетинаються реальні пучки світла, і уявними для розсіювальної лінзи, бо в них перетинаються не самі промені, а їх продовження.
(Якщо промені падають на лінзу паралельно добічної осі, вони перетинають цю вісь у побічному фокусі, який знаходиться в точці перетину побічної осі з фокальною площиною лінзи.)
Фокальна площина лінзи — це площина, що проходить через головний фокус лінзи перпендикулярно до головної оптичної осі.
Фокусна відстань лінзи — це відстань від оптичного центра лінзи до її фокуса (F).
Фокусну відстань розсіювальної лінзи вважають від’ємною.
— Яка з двох різних збиральних лінз сильніше заломлює світло?
Після обговорення доходимо висновку: та, у якої фокусна відстань менша! Заломлювальну здатність лінзи характеризують фізичною величиною — оптичною силою лінзи.
Оптична сила лінзи — це фізична величина, обернена до фокусної відстані: D = 1/F.
Одиницею оптичної сили є 1 діоптрія. Діоптрія — оптична сила лінзи з фокусною відстанню 1 м (1 дптр = 1/1 м). Оптичну силу збиральної лінзи домовилися вважати додатною величиною, а оптичну силу розсіювальної лінзи — від’ємною, бо вона діє на світлові пучки протилежно до дії збиральної лінзи.
Які три основних промені використовуються для побудови зображень?
1) Промінь, що проходить через оптичний центр, після проходження через лінзу не змінює напрям (рис. 1).
2) Промінь, паралельний до головної оптичної осі, після проходження через лінзу йде: а) для збиральної лінзи — через фокус, розташований по інший бік лінзи (рис. 2); б) для розсіювальної лінзи — так, що продовження променя йде через фокус, розташований по той бік лінзи, звідки падає промінь (рис. 3).
3) Промінь, що йде через «ближній» фокус (для збиральної лінзи — рис. 4) або напрямлений так, що його продовження проходить через «дальній» фокус (для розсіювальної лінзи — рис. 5), після проходження через лінзу йде паралельно до головної оптичної осі.
Розглядаються приклади побудови зображень у тонкій лінзі і робляться відповідні висновки (для збиральної лінзи):
а) якщо предмет розміщується між лінзою і її фокусом, то його зображення — уявне, пряме, збільшене і розміщене воно від лінзи далі, ніж предмет (d < F);
б) якщо предмет знаходиться у головному фокусі, то зображення предмета буде розмите (воно буде нескінченно великим і на нескінченно великій відстані від лінзи, що практично рівнозначно тому, що зображення не буде) (d = F);
в) якщо предмет розміщується між фокусом лінзи та її подвійним фокусом, то його зображення буде дійсне, перевернуте, збільшене; воно розміщене з другого боку лінзи по відношенню до предмета, за подвійною фокусною відстанню (F < d < 2F);
г) якщо предмет знаходиться у подвійному фокусі, то зображення його буде дійсним, в натуральну величину, перевернутим (d = 2F);
д) якщо предмет лежить за подвійною фокусною відстанню лінзи, то в цьому випадку зображення буде дійсне, перевернуте, зменшене і лежить з другого боку лінзи між її фокусом і подвійним фокусом (d > 2F).
Дослід показує, а побудова підтверджує, що розсіювальна лінза за всіх положень предмета дає уявне, пряме, зменшене зображення.
Для розрахунків положення зображення предмета в лінзах та обчислень різних оптичних систем використовується формула тонкої лінзи:
d — відстань від предмета до лінзи,
f — відстань від зображення предмета до лінзи.
Для розсіювальної лінзи ця формула має вигляд: -1/F = 1/d – 1/f (якщо якась величина уявна, її слід брати зі знаком «мінус»).
Лінійним збільшенням лінзи називається величина, що дорівнює відношенню лінійного розміру зображення (Н) до лінійного розміру предмета (h):
Площа зображення більша за площу тіла в Г2 разів.
III. Закріплення вивченого матеріалу
1) Що таке лінза? Яке фізичне явище покладено в основі її дії?
2) Які два основних типи лінз ви знаєте? У чому полягає їх основна відмінність?
3) Які зображення можна отримати за допомогою збиральної лінзи?
4) Яке зображення отримують за допомогою розсіювальної лінзи?
IV. Підсумки уроку, домашнє завдання
Після підбиття підсумку уроку задається домашнє завдання: прочитати матеріал за підручником, вивчити матеріал за конспектом; побудувати зображення в тонкій лінзі для випадку, коли предмет міститься: а) у потрійному фокусі (зображення буде дійсним, перевернутим, зменшеним удвічі); б) на відстані, яка вдвічі менша від фокусної відстані (зображення буде уявним, прямим, збільшеним вдвічі (точка А1 збігається з фокусом лінзи).
Використовуючи сайт ви погоджуєтесь з правилами користування
Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.
Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами.
Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.
Ми приєднуємось до закону про авторське право в цифрову епоху DMCA прийнятим за основу взаємовідносин в площині вирішення питань авторських прав в мережі Інтернет. Тому підтримуємо загальновживаний механізм “повідомлення-видалення” для об’єктів авторського права і завжди йдемо на зустріч правовласникам.
Копіюючи матеріали во повинні узгодити можливість їх використання з авторами. Наш сайт не несе відподвідальність за копіювання матеріалів нашими користувачами.
§ 14. Лінзи. Оптична сила лінзи
На уроках біології ви, напевно, працювали з мікроскопом. Скоріш за все, ви знайомі з біноклем, підзорною трубою, телескопом, користувалися фотоапаратом. Дехто з вас носить окуляри. Усі ці пристрої мають спільне — їхньою основною частиною є лінза. Про те, яке значення мають ці пристрої в житті людини, ви можете розповісти й самі, а от про те, що таке лінза, які існують види лінз та які їхні властивості, дізнаєтесь із цього параграфа.
1. Розрізняємо лінзи
Лінза — прозоре тіло, обмежене з двох боків сферичними поверхнями*.
* Одна з поверхонь лінзи може бути площиною, бо площину можна розглядати як сферу нескінченного радіуса. Лінзи також бувають циліндричними, але зустрічаються такі лінзи рідко.
За формою лінзи поділяють на опуклі (рис. 14.1) й увігнуті (рис. 14.2).
Рис. 14.1. Опукла лінза — лінза, товщина якої посередині більша, ніж біля країв: а — вигляд; б — різні опуклі лінзи в розрізі
Рис. 14.2. Увігнута лінза — лінза, товщина якої посередині менша, ніж біля країв: а — вигляд; б — різні увігнуті лінзи в розрізі
Якщо товщина d лінзи в багато разів менша від радіусів сферичних поверхонь, що обмежують лінзу, таку лінзу називають тонкою. Далі розглядатимемо тільки тонкі лінзи.
Пряму, яка проходить через центри сферичних поверхонь, що обмежують лінзу, називають головною оптичною віссю лінзи (рис. 14.3).
Рис. 14.3. Тонка сферична лінза: О1О2 — головна оптична вісь лінзи; d — товщина лінзи; R1, R2 — радіуси сферичних поверхонь, які обмежують лінзу; О — оптичний центр лінзи
Якщо на лінзу спрямувати пучок світлових променів, вони заломляться в ній, тобто змінять свій напрямок. Разом із тим на головній оптичній осі лінзи є точка, яку промінь світла проходить не заломлюючись. Цю точку називають оптичним центром лінзи (див. рис. 14.3).
Спрямуємо на лінзу пучок променів, паралельних її головній оптичній осі. Якщо ці промені, пройшовши крізь лінзу, йдуть збіжним пучком, то така лінза є збиральною. Точку F, у якій при цьому перетинаються заломлені промені, називають дійсним головним фокусом лінзи (рис. 14.4).
Рис. 14.4. Хід променів після заломлення в збиральній лінзі. Точка F — дійсний головний фокус лінзи
Лінза є розсіювальною, якщо промені, паралельні її головній оптичній осі, пройшовши крізь лінзу, йдуть розбіжним пучком. Точку F, у якій перетинаються продовження заломлених променів, називають уявним головним фокусом лінзи (рис. 14.5).
Рис. 14.5. Хід променів після заломлення в розсіювальній лінзі. Точка F — уявний головний фокус лінзи
Зверніть увагу: будь-який пучок паралельних променів, навіть якщо ці промені не є паралельними головній оптичній осі, після заломлення у збиральній лінзі завжди перетинаються в одній точці (рис. 14.6) (якщо лінза розсіювальна, в одній точці перетинаються продовження заломлених променів).
Рис. 14.6. Хід паралельних променів після заломлення у збиральній лінзі
Якщо оптична густина матеріалу, з якого виготовлена лінза, більша за оптичну густину середовища (nл > nc), то опукла лінза збиратиме промені (тобто буде збиральною), а ввігнута лінза розсіюватиме промені (тобто буде розсіювальною).
Якщо оптична густина матеріалу, з якого виготовлена лінза, менша за оптичну густину середовища (nл < nс), то опукла лінза буде розсіювальною (рис. 14.7, а), а ввігнута лінза — збиральною (рис. 14.7, б).
Рис. 14.7. Опукла (а) й увігнута (б) повітряні лінзи у воді
• Як ви вважаєте, збиральною чи розсіювальною буде опукла скляна лінза в повітрі? опукла повітряна лінза у склі?
2. Даємо означення оптичної сили лінзи
Незалежно від форми кожна лінза має два головні фокуси*, розташовані на однаковій відстані від оптичного центра лінзи (див. рис. 14.8).
* Надалі головний фокус лінзи зазвичай називатимемо фокусом лінзи.
Рис. 14.8. Чим меншими є радіуси R сферичних поверхонь, що обмежують лінзу, тим сильніше ця лінза заломлює світло, отже, тим менша її фокусна відстань F
Відстань від оптичного центра лінзи до головного фокуса називають фокусною відстанню лінзи.
Фокусну відстань (як і фокус) позначають символом F. Одиниця фокусної відстані в СІ — метр:
Фокусну відстань збиральної лінзи домовилися вважати додатною, а розсіювальної — від’ємною. Очевидно, що чим сильніші заломлювальні властивості має лінза, тим меншою за модулем є її фокусна відстань (рис. 14.8).
Фізичну величину, яка характеризує лінзу та є оберненою до фокусної відстані лінзи, називають оптичною силою лінзи.
Оптичну силу лінзи позначають символом D і обчислюють за формулою:
1 діоптрія — це оптична сила лінзи, фокусна відстань якої дорівнює 1 м.
Оптична сила збиральної лінзи є додатною, а розсіювальної лінзи — від’ємною.
Підбиваємо підсумки
Прозоре тіло, обмежене з двох боків сферичними поверхнями, називають лінзою.
Лінза є збиральною, якщо пучок паралельних променів, що падає на неї, після заломлення в лінзі перетинається в одній точці. Цю точку називають дійсним фокусом лінзи. Лінза є розсіювальною, якщо паралельні промені, що падають на неї, після заломлення йдуть розбіжним пучком, а продовження заломлених променів перетинаються в уявному фокусі лінзи.
Контрольні запитання
1. Дайте означення лінзи. 2. Які види лінз вам відомі? 3. Чим розсіювальна лінза відрізняється від збиральної? 4. Що називають дійсним фокусом лінзи? 5. Чому фокус розсіювальної лінзи називають уявним? 6. Що називають фокусною відстанню лінзи? 7. Дайте означення оптичної сили лінзи. У яких одиницях її вимірюють? 8. Оптичну силу якої лінзи взято за одиницю?
1. Оптична сила однієї лінзи дорівнює -2 дптр, а другої +2 дптр. Чим відрізняються ці лінзи?
2. Фокусна відстань однієї лінзи +0,5 м, а другої +1 м. Яка лінза має більшу оптичну силу?
3. Оптична сила лінзи дорівнює -1,6 дптр. Якою є фокусна відстань цієї лінзи? Яка це лінза — збиральна чи розсіювальна?
4. Дві збиральні лінзи виготовлені з одного сорту скла. Як на дотик визначити, яка лінза має більшу оптичну силу?
5. На лінзу спрямували паралельний пучок світла (рис. 1). Визначте, яка це лінза. Перенесіть рисунок до зошита. Позначте оптичний центр і фокус лінзи. Виміряйте фокусну відстань та визначте оптичну силу лінзи.
6. У льоду є порожнина у вигляді увігнутої лінзи. Ця лінза збиратиме чи розсіюватиме світло? Обґрунтуйте свою відповідь.
7. Які із зображених на рис. 2 трикутників є подібними? Визначте довжину відрізків S1A1 і OF, якщо АО = 10 cм, SA = 2 см, ОА1 = 6 см.
Експериментальне завдання
Запропонуйте метод вимірювання фокусної відстані та оптичної сили збиральної лінзи за допомогою лінійки. Проведіть вимірювання.
Підказка: промені, які йдуть від віддаленого предмета, є паралельними.
Фізика і техніка в Україні
Інститут фізики НАНУ (Київ) — провідна наукова установа з вирішення фундаментальних проблем експериментальної та теоретичної фізики.
Широко відомі досягнення вчених інституту в галузі фізики твердого тіла й рідких кристалів, оптики, фізичної та квантової електроніки, ядерної енергетики, нанофізики тощо. Співробітники інституту стали авторами шести зареєстрованих наукових відкриттів.
З інститутом пов’язані імена таких видатних науковців, як В. П. Линник, Г. В. Пфейффер, В. Є. Лашкарьов, С. І. Пекар, М. В. Пасічник, О. І. Лейпунський, Н. Д. Моргуліс, Г. Д. Латишев, О. С. Давидов, А. Ф. Прихотько, Μ. Т. Шпак та ін.
На базі структурних підрозділів Інституту фізики в складі Академії наук було створено Інститут металофізики, Інститут напівпровідників, Інститут теоретичної фізики, Інститут ядерних досліджень, Інститут прикладної оптики НАНУ. Сьогодні в Інституті фізики працюють видатні вчені, академіки НАНУ: А Г. Наумовець (фізична електроніка) — віце-президент НАНУ, М. С. Бродин (нелінійна оптика) — почесний директор інституту, Л. П. Яценко (когерентна і квантова оптика) — директор інституту з 2008 р.