Природничі науки. 8 клас. Інтегрований курс. Мандренко
Тема 2. Заломлення світла. Лінзи
rnk.com.ua/108804
Будете навчатися:
- розуміти причини заломлення світла;
- пояснювати заломлення світла на межі поділу двох середовищ;
- розрізняти типи лінз;
- зрозуміти будову ока та відрізняти вади зору;
- застосовувати здобуті знання у повсякденному житті.
Заломлення світла
На межі поділу двох середовищ частина світла відбивається, частина поглинається (внаслідок чого внутрішня енергія середовища збільшується), а частина заломлюється та проходить у інше середовище (рис. 9.12). За цих умов заломлений промінь змінює напрямок свого поширення. Це явище називається заломленням світла. Заломленням називають зміну напрямку поширення світла, коли воно переходить крізь межу двох середовищ. Але чому світло змінює свій напрямок, проходячи з одного середовища в інше?
Рис. 9.12. Заломлення, поглинання та відбивання світлового проміня
Таблиця 9.1. Швидкості світла в деяких середовищах
|
Середовище |
Швидкість світла, км/с |
|
Вакуум |
300 000 |
|
Повітря |
299 704 |
|
Лід |
228 782 |
|
Вода |
225 341 |
|
Скло |
200 000 |
|
Цукор |
192 300 |
|
Сірковуглець |
184 000 |
|
Рубін |
170 386 |
|
Діамант |
123 845 |
Ви вже знаєте, що швидкість світла дорівнює 300 000 км/с, проте ця швидкість є такою лише у вакуумі — просторі, де практично немає речовини: атомів і молекул (наприклад, між Сонцем та Землею). Коли світло поширюється в середовищі, воно взаємодіє з молекулами цього середовища, через що його швидкість зменшується. Це означає, що в будь-якому середовищі швидкість світла є меншою, ніж у вакуумі. У таблиці 9.1 можна побачити швидкості світла в різних середовищах.
Оскільки прозорі речовини по-різному впливають на швидкість світла, їх характеризують показником заломлення середовища n.
Показник заломлення середовища показує, у скільки разів швидкість світла у вакуумі більша за швидкість світла у певному середовищі. В таблиці 9.2 надані показники заломлення деяких прозорих середовищ.
Рис. 9.13. Текстова формула показника заломлення середовища
Прийнято говорити про оптичну густину середовища: під час опису переходу світла між двома середовищами те, яке має більший показник заломлення, називається оптично густішим.
Таблиця 9.2. Показники заломлення світла деяких середовищ
|
Середовище |
Абсолютний показник заломлення, n |
|
Повітря |
1,0003 |
|
Лід |
1,31 |
|
Вода |
1,33 |
|
Бензин |
1,5 |
|
Скло |
1,43-2,17 |
|
Кварц |
1,54 |
|
Алмаз |
2,42 |
|
Скипидар |
1,47 |
|
Спирт |
1,36 |
Попрактикуйтеся
1. Поміркуйте та наведіть приклади, де людина використовує заломлення світла.
2. У двох закоркованих посудинах містяться прозорі рідини — спирт і скипидар. Чи можна, не відкорковуючи ємностей, визначити, де яка рідина? Поясніть свою відповідь.
3. Скориставшись даними таблиці 9.1, порівняйте:
- а) швидкість світла у воді та льодові;
- б) оптичну густину рубіна та діаманта.
4. Скориставшись даними таблиці 9.2, порівняйте:
- а) яке середовище більше заломлює світловий промінь — лід чи діамант;
- б) швидкість світла в кварці та діаманті.
5. Поясніть, чому показник заломлення скла не має точного значення, а варіюється в межах 1,43-2,17.
Закони заломлення світла
Ha основі багатьох дослідів науковцями були сформульовані закони заломлення світла.
1-й закон. Промінь, що падає, промінь заломлений і перпендикуляр до межі поділу двох середовищ, проведений із точки падіння променя, лежать в одній площині.
2-й закон. Для двох даних середовищ відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення є величиною незмінною.
Рис. 9.14. Текстова формула другого закону заломлення світла
Проаналізувавши останню формулу, можемо зробити такі висновки:
- чим більше змінюється швидкість світла, тим більше світло заломлюється;
- якщо промінь світла переходить у середовище з більшою оптичною густиною (тобто швидкість світла зменшується), то кут заломлення є меншим від кута падіння: γ < α;
- якщо промінь світла переходить у середовище з меншою оптичною густиною (тобто швидкість світла збільшується), то кут заломлення є більшим за кут падіння: γ > α.
Попрактикуйтеся
6. Поміркуйте: чи може світло перейти крізь межу двох середовищ, не змінюючи напрямку свого поширення.
7. Світловий промінь, який перейшов з повітря в скло, зазнав заломлення. Порівняйте кути падіння та заломлення променя.
Завдання 9.2. Дослідження заломлення світла
Дослідження заломлення світла різними прозорими середовищами. Дослідимо заломлення світла в різних прозорих середовищах та з'ясуємо, чи існують закономірності між кутом падіння та кутом заломлення. Сплануйте та проведіть дослідження, у якому необхідно отримати заломлення світлового променя в прозорому середовищі, виміряти кути падіння та заломлення та порівняти їх.
Рис. 9.15. Схема експерименту
1. Підготуйте необхідні прилади та укладіть таблицю для результатів вимірювань.
2. Проведіть дослідження, виконавши такі дії:
- а) розташуйте прозору поверхню на аркуші паперу;
- б) спрямуйте промінь світла на прозоре середовище під кутом. Переконайтеся, що промінь, який падає, і заломлений промінь видно на аркуші;
- в) намалюйте промінь, що падає, і заломлений промінь, зазначивши напрямки стрілками;
- г) встановіть перпендикуляри з точки падіння променів на межі середовищ;
- ґ) виміряйте кути падіння α1 і заломлення γ1 для повітря-середовище, та кути α2 і γ2 для середовище-повітря;
- д) повторіть дослід, змінюючи кут падіння, і занотуйте результати до таблиці.
3. Проаналізуйте експеримент та його результати:
- а) встановіть співвідношення між кутом падіння і кутом заломлення;
- б) оцініть точність результатів і причини похибок;
- в) порівняйте результати першого і другого досліду та зробіть висновки.
Лінзи
Існує чимало оптичних приладів, у яких використовується явище заломлення світла. Своєрідною частиною більшості з них є лінзи.
Лінза — це прозоре тіло, обмежене двома сферичними поверхнями або сферичною поверхнею та площиною. Залежно від того, якими поверхнями обмежене тіло лінзи, розрізняють опуклі та увігнуті лінзи. (рис. 9.16). Опукла лінза — лінза, товщина якої посередині більша, ніж біля країв (рис. 9.16 а).
Рис. 9.16. Лінзи: а) двоопукла, плоско-опукла, увігнуто-опукла; б) двоввігнута, плоско-ввігнута, опукло-ввігнута
Увігнута лінза — лінза, товщина якої посередині менша, ніж біля країв (рис. 9.16 б). Будемо вивчати тільки лінзи, товщина яких порівняно з їхнім діаметром є малою. Їх називають тонкими лінзами. На рис. 9.17 представлене схематичне позначення опуклої та ввігнутої лінзи. Точка посередині тонкої лінзи — це її оптичний центр. Жоден промінь не заломлюється, проходячи крізь цю точку. Крізь оптичний центр перпендикулярно до площини лінзи проходить її головна оптична вісь.
Рис. 9.17. Схематичне позначення лінз
Лінзи поділяють на збиральні та розсіювальні. Збиральна лінза — це лінза, яка перетворює паралельний пучок променів в збіжний. Точка на головній оптичній осі, у якій перетинаються заломлені промені, має назву дійсний фокус лінзи, та позначається літерою F. Розсіювальна лінза — це лінза, яка перетворює паралельний пучок променів у розбіжний. Точка на головній оптичній осі, у якій перетинаються продовження заломлених променів, має назву уявний фокус лінзи та позначається F'.
Попрактикуйтеся
8. Поміркуйте, які з лінз на рис. 9.16 можуть бути збиральними, а які — розсіювальними?
9. Поміркуйте, чому сонячної літньої днини не радять поливати рослини в саду?
Оптична сила лінзи
Кожна лінза має два фокуси, розташовані на однаковій відстані від оптичного центра лінзи. Фокусна відстань лінзи F — це відстань від оптичного центра лінзи до фокуса. Оптична сила лінзи D — це фізична величина, яка характеризує заломлювальні властивості лінзи та є оберненою до її фокусної відстані.
Рис. 9.18. Текстова формула оптичної сили лінзи
Оптична сила лінзи вимірюється в діоптріях. 1 діоптрія (дптр) — це оптична сила лінзи, фокусна відстань якої дорівнює 1 м. Оптична сила збиральної лінзи є додатною (D > 0), а розсіювальної лінзи — від'ємною (D < 0). Чим більшою є товщина лінзи, тим сильніше ця лінза заломлює світло, отже, тим менша її фокусна відстань.
Попрактикуйтеся
10. Оптична сила лінз у окулярах для читання становить +3 дптр, а у окулярах для зору на відстані -2 дптр. У чому полягає різниця між цими лінзами?
11. Чому дорівнює оптична сила лінзи, фокусна відстань якої дорівнює 5 см?
Побудова зображень в лінзі
Розглянемо, як відбувається зображення в лінзі. Будь-який предмет можна подати як сукупність точок.
Для побудови зображення в лінзі деякого предмета АВ достатньо знайти точки перетину (точки А1 та В1) будь-яких двох променів, що проходять крізь лінзу. На рис. 9.21 можна побачити побудову зображення в збиральній (а) та розсіювальній (б) лінзах. Побудова здійснена за допомогою двох променів. Червоний промінь, який проходить крізь оптичний центр О лінзи, не заломлюється та не змінює свого напрямку. Зелений промінь, паралельний головній оптичній осі лінзи, після заломлення в лінзі прямує через фокус F (для збиральної лінзи), або продовження променя йде крізь фокус F' (для розсіювальної лінзи). Зображення предмета, отримане в збиральній лінзі, буде дійсним, збільшеним і перевернутим, а в розсіювальній лінзі зображення — уявним, зменшеним і прямим.
Рис. 9.19. Побудова зображення предмета в збиральній (а) та розсіювальній (б) лінзах
Попрактикуйтеся
12. На рис. 9.19 побудовано зображення предмета АВ, який розташовано за фокусом лінзи. Зробіть аналогічну побудову зображень, розташувавши предмет:
- а) у фокусі лінзи;
- б) між фокусом лінзи та лінзою.
13. Проаналізуйте отримані зображення.
14. Об'єднайтеся в пари, отримайте лупу та виберіть кілька об'єктів для дослідження. Знайдіть найкращу відстань для отримання чіткого зображення, заміряйте її. Порівняйте відстані з іншими парами та проаналізуйте, чому можуть бути розбіжності в результатах. Обговоріть свої висновки з іншими парами.
Око людини. Вади зору
• Склера — непрозора частина білкової оболонки, найміцніша, складається зі сполучної тканини, у якій щільно переплітаються колагенові та еластичні волокна. Виконує опорну функцію та надає очному яблуку форму. Спереду склера переходить у прозору рогівку.
• Рогівка — єдина частина тіла людини, яка не отримує кисень через кровоносну систему. Клітини рогівки отримують кисень, розчинений у сльозах, безпосередньо з повітря. Рогівка заломлює та пропускає світлові промені всередину ока.
• Судинна оболонка забезпечує постачання очей кров'ю.
• Райдужка містить пігмент меланін, який зумовлює її забарвлення. Має вигляд диска з отвором усередині — зіницею.
• За райдужною оболонкою розташований кришталик, який, завдяки скороченню війчастих м'язів циліарного тіла, здатний змінювати свою кривизну.
• Внутрішня оболонка ока — сітківка — є світлосприймальною. Вона перетворює подразнення на нервовий імпульс і здійснює первинну обробку зорового сигналу.
• Всю порожнину ока (очне яблуко) позаду кришталика заповнює прозора желеподібна маса, як розплавлене скло, тому назва склисте тіло.
Хід променів світла крізь оптичний апарат: спочатку світло проходить крізь рогівку, рідину передньої камери, зіницю, кришталик, склоподібне тіло й, нарешті, потрапляє на сітківку, де утворюється зображення тіла. Коли промені світла, пройшовши крізь оптичні середовища ока, фокусуються не на сітківці, виникають аномалії зору: якщо попереду неї — короткозорість, якщо позаду — далекозорість (рис. 9.20).
Рис. 9.20. Утворення зображення тіла в здоровому оці (а), при далекозорості (б) та короткозорості (в)
Попрактикуйтеся
15. Розгляньте рис. 9.20 та поміркуйте, які лінзи треба використати для кожної вади зору, щоб зображення було на сітківці.
16. Розгляньте будову ока та поміркуйте.
- а) Яку функцію виконує зіниця? Коли і навіщо вона змінює свій розмір?
- б) Яку функцію виконує райдужка? Чому вона має різне забарвлення?
- в) Яким за видом лінзи є кришталик?
- г) Як побудована сітківка і яку функцію вона виконує?
- ґ) Чому око може адаптуватися до різного рівня освітлення?
17. Об'єднайтеся в групи та дослідіть, у яких галузях суспільства та професіях використовуються лінзи. Наведіть приклади їх застосування в медицині, фотографії, оптиці, науці та астрономії. Підготуйте коротку презентацію і поділіться з класом.
Наука в дії. Сучасні телескопи
Сучасна астрономія покладається на використання потужних інструментів. Професіонали працюють із телескопами, вага яких досягає десятків і сотень тонн. Ці телескопи дають змогу астрономам спостерігати за подіями не лише в нашій галактиці, а й за межами її. На спостережній станції астрономічної обсерваторії Одеського національного університету імені І. І. Мечникова, розташованій у селі Маяки на Одещині, встановлено найбільший телескоп в Україні (рис. 9.21).
Рис. 9.21. Телескоп астрономічної обсерваторії Одеського національного університету імені І. І. Мечникова
Він стежить за небезпечними астероїдами та геостаціонарними супутниками Землі. Крім того, цей телескоп використовується для спостереження за «космічним сміттям» — залишками супутників та станцій, які вже відслужили свій термін. Це важливо для забезпечення безпеки нових космічних об'єктів і уникнення зіткнень.
Підсумки
• Заломлення світла — це зміна напряму поширення світла при переході через межу двох середовищ.
• Показник заломлення середовища свідчить про те, у скільки разів швидкість світла у вакуумі перевищує швидкість світла в цьому середовищі.
Закони заломлення світла
- 1. Промінь, що падає, і промінь заломлений лежать в одній площині з перпендикуляром до поверхні в точці заломлення.
- 2. Відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення для двох даних середовищ є постійним.
• Лінза — прозоре тіло, обмежене двома сферичними поверхнями чи сферичною поверхнею та площиною.
• Оптична сила лінзи D — це фізична величина, яка характеризує заломлювальні властивості лінзи та є оберненою до її фокусної відстані.
Ключові поняття
Заломлення світла, показник заломлення середовища, оптична густина середовища, збиральна та розсіювальна лінзи, оптичний центр, головна оптична вісь, дійсний та уявний фокуси лінзи, фокусна сила лінзи, оптична сила лінзи, діоптрія, склера, рогівка, райдужка, зіниця, кришталик, судинна оболонка, сітківка, склисте тіло, далекозорість, близорукість.
Оцініть свої досягнення
• Я можу пояснити заломлення світла на межі поділу двох середовищ.
• Я можу спланувати експеримент, щоб підтвердити закони заломлення світла.
• Я можу розрізняти збиральні та розсіювальні лінзи і будувати зображення в лінзах.
• Я можу дібрати правильний тип лінз для різних вад зору.
