Опыты. Часть 1. Отражение света

+ -
0
Опыты. Часть 1. Отражение света

Описание:

ОПЫТ 1. ОТРАЖЕНИЕ СВЕТА



Оборудование: картон, кусок стекла, зеркало, лучевой ящик

Включите фонарь в затемненной комнате. Пучок света от фонаря вы увидите особенно отчетливо, если в воздухе есть немного пыли или дыма. Края пучка ограничены прямыми линиями. В фонаре без линз ширина пучка и степень его расширения зависят от кривизны рефлектора, отражающего свет лампочки фонаря вперед.

Поставьте поперек пучка света кусок черного картона. Вас не удивляет, конечно, что картон «отрезает» свет. Но почему это происходит? Частицы, несущие световую энергию, ударяются в молекулы картона или другого какого-либо твердого материала и останавливаются. В таких случаях говорят, что свет поглощается.

Поставьте поперек светового пучка кусок стекла. Что происходит? Почему на этот раз свет не отрезан? Впрочем, внимательно оглядев комнату, вы заметите свет, отраженный от стекла; измените наклон стекла, и вы увидите: в зависимости от наклона пятна отраженного света перемещаются по стенам, полу, потолку. Но отраженный свет гораздо слабее, чем проходящий сквозь стекло.

Вы увидели, что такое частичное отражение света. Как показано на рис. 1. 1,



Рис. 1. 1. Отражение света. Падающий луч (1) отскакивает от поверхности, превращаясь тем самым в луч отраженный (2). Если луч падает перпендикулярно поверхности от N1 и N2, то и отраженный луч пойдет по тому же направлению, только в противоположную сторону — от N2 к N1. Насколько отличается от перпендикулярного направление падающего луча, настолько же отклонится от перпендикуляра и отраженный луч, идущий в противоположном направлении; углы X и Y всегда равны.


часть пучка света отбрасывается от поверхности тел, другая — проходит насквозь.

А теперь поставьте в пучок света зеркало. Поверните его так, чтобы пятно света оказалось на потолке. Это пятно ярче того, что было отражено простым стеклом. Здесь происходит не частичное, а полное отражение света; сквозь зеркало свет не проходит. Запомните — любая блестящая поверхность отражает свет. Это относится и к линзам, и к гладкой поверхности человеческого глаза.

Экспонат для выставки

Возьмите картонную коробку размером около 30 сантиметров в длину, 20 в ширину и 10 сантиметров в высоту. В узкой стенке коробки вырежьте окошко. К нему приклейте (вертикально) полоски черного картона или плотной бумаги так, чтобы получилась «гребенка». Свет от любого фонаря с рефлектором (или солнечный свет) нарисует лучевые узоры на дне коробки (рис. 1. 2).



Рис. 1. 2. Щели в передней стенке ящика позволяют получить лучевые тени для демонстрации принципов отражения света.


Вы можете менять узоры, устанавливая внутри коробки перегородку непрозрачную,— либо отражающую свет частично, или полностью. Легко заметить, как меняется лучевой узор, когда вы поворачиваете перегородку, варьируя угол падения и угол отражения света.

Существует множество способов выполнения этого опыта. Постарайтесь использовать несколько источников света; можно также окрасить дно коробки не в белый, а в другие цвета.

ОПЫТ 2. ОТРАЖЕНИЕ СВЕТА ГЛАЗОМ ЧЕЛОВЕКА



Оборудование: картонные диски — черно-белые и цветные, лупа

Пусть ваш партнер смотрит прямо перед собой, а вы смотрите на его глаз сбоку. Заметьте, что передняя часть глаза — роговица — состоит из прозрачной ткани и выгнута вперед. Она работает как мощная линза, пропускающая и фокусирующая свет.

Большая часть света, падающего на глаз, проходит сквозь роговицу внутрь глаза, но часть света от нее отражается. Подобрав соответствующую «картинку» и выбрав расстояние от нее до глаза, можно определить оптическую силу роговицы по тому, как отражается в ней эта картинка.

Сделайте черно-белую мишень — диск диаметром около 12,5 сантиметра (рис. 2.1).



Рис. 2. 1. Через отверстие в центре диска можно наблюдать отражение диска на роговице глаза.


В центре прорежьте дырочку диаметром 3—5 миллиметров. Прикрепите ручку. Смотрите прямо через отверстие в диске на глаз вашего партнера на расстоянии примерно 25 сантиметров (рис. 2.2).



Рис. 2. 2. Экспериментатор располагается в 20—30 сантиметрах от партнера, глаз которого он рассматривает через отверстие в центре диска.


Мишень должна быть хорошо освещена. Следите за отражением мишени на роговице глаза — когда вы перемещаете мишень, движется и ее изображение на роговице.

Укажите кончиком пальца на какое-либо место в верхнем краю диска, и пусть ваш партнер смотрит на это место. Как изменилась теперь форма отражения мишени на роговице? Попробуйте то же самое, указывая пальцем на правую, левую половину диска, нижнюю часть. Вы убедитесь, что роговица на самом деле не шаровидна, а слегка конусообразна. Проверьте теперь, как изменится изображение диска на роговице, если мишень будет цветной. Как выглядит изображение при разных цветах мишени?

Сейчас вы работаете с роговицей не как с линзой, а как с зеркалом. Изображение мишени видно не очень ясно именно потому, что часть света проходит сквозь роговицу. Главное назначение роговицы — преломлять свет и формировать изображение внутри глаза. Светопреломляющая сила глаза примерно на три четверти зависит от роговицы. Как любая другая линза, роговица не только преломляет, но и отражает свет. Возьмите в одну руку лупу и посмотрите на нее, приставив к глазу мишень. Если вы правильно подберете расстояние, вы увидите на поверхности лупы отражение мишени.

Экспонат для выставки

Изготовьте различные мишени и сделайте модель роговицы, глядя на которую посетители смогут увидеть отражение мишеней. Для демонстрации отраженных изображений используйте самые разнообразные изогнутые поверхности — металлические или мраморные шарики, лупы, стекла очков — любые блестящие поверхности.

ОПЫТ 3. ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА



Оборудование: лучевой ящик, источник света, лупа, небольшой картонный экран
Прежде чем приступить к этому опыту, убедитесь еще раз в том, что вы хорошо понимаете законы преломления света.

Используйте ту же коробку, что и в предыдущем опыте. Можно повернуть ее окошко к яркому лучу солнечного света — получится великолепный лучевой узор. Обратите внимание на то, что лучевые тени при очень далеком источнике света (а Солнце практически можно считать бесконечно удаленным источником) параллельны.

Поставьте перед окошком большую лупу (рис. 3.1).



Рис. 3. 1. Если на лупу падает параллельный пучок лучей света, то расстояние от лупы до той точки, где прошедшие сквозь нее лучи собираются воедино, и есть фокусное расстояние лупы.


Подберите такое расстояние между лупой и окошком, чтобы получился хороший лучевой узор. Итак, что же получается? Почему образуется такой лучевой узор?

Вы видите, что лучи света пересекаются в определенной точке — фокусной точке линзы (лупы). Ее удаленность от линзы зависит от оптической силы последней. Можно использовать не Солнце, а обычный источник, но тогда лучи света не будут вполне параллельными (рис. 3.2).



Рис. 3. 2. Когда опыт ставится в затемненной комнате, лучевые узоры хорошо видны на задней стенке ящика, если свет от какого-либо источника проходит сквозь лупу и щели в передней стенке. На рисунке эти узоры не видны, так как при фотографировании комната была освещена яркой вспышкой.


Изучите получше вашу лупу. Вы сразу видите, что в середине она толще, чем по краям. Это собирательная линза. Вспомните, что сделала она с лучами света: преломила их так, что лучи сблизились, конвергировали к одной точке — фокусу. Как вы думаете, почему это произошло?

Если у вас есть линзы разной силы, поработайте с каждой из них. Возможно, вы сумеете найти линзу рассеивающую, дивергирующего действия. Лучше если это будут достаточно сильные линзы. И отверстие в коробке вам придется уменьшить, потому что ваши линзы в большинстве будут, вероятно, небольшого диаметра.

Лупа, как и любая собирательная линза, дает истинное изображение. Приблизьте линзу к отверстию — и на листе бумаги, который служит экраном, вы получите изображение отдаленных предметов. Прямое это изображение или перевернутое? Объясните, почему.

Установите источник света, большую лупу и экран, как показано на рис. 3. 3.



Рис. 3. 3. В затемненной комнате подберите такое расстояние между источником света, лупой и экраном, при котором на экране получается наиболее резкое изображение.


Вырежьте из картона звездочку и прикрепите ее к источнику света.

Перемещая лупу, вы узнаете многое о фокусировке и преломлении света. Используйте самые различные предметы. Что происходит, если предмет приблизить к лупе? Надо ли при этом приближать или отодвигать экран, чтобы получить четкое изображение? А если у вас есть лупы разной силы, то какую надо взять лупу, чтобы получить четкое изображение более близкого к лупе предмета (при постоянном расстоянии от лупы до экрана), сильнее или слабее? Что вы узнали о формировании изображений, работая с этой установкой?

Экспонат для выставки

Возможности здесь очень разнообразны. Подготовьте различные линзы в сочетании с одним и тем же лучевым ящиком. Соберите систему из нескольких линз. Экспериментируйте и наблюдайте. Идея «оптической скамьи», состоящей из источника света, линзы и экрана, может быть использована во многих вариантах. Пусть поработает ваше воображение.

ОПЫТ 4. ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА В ГЛАЗУ ЧЕЛОВЕКА



Оборудование: источник света, лупа, картонный экран, маска для линзы

Проекционный фонарь — прекрасный источник света для некоторых опытов. Установите лупу и экран, как на рис. 4. 1.



Рис. 4. 1. Два отверстия в картонной маске, закрывающей лупу, следует поместить так, чтобы расстояние между ними было меньше диаметра светового пятна, проектируемого на экран. Это пятно будет тем больше, чем дальше экран от проектора.


Вместо проекционного можно, конечно, использовать и хороший карманный фонарь. Вырежьте кусок картона того же размера, что и лупа. Эту маску надо либо прикрепить к лупе лентой, либо просто придерживать возле нее, когда это потребуется.

Сначала прорежьте в картоне два отверстия (очень удобен дырокол для подшивки бумаг) так, чтобы оба оказались в пределах светового круга, проектируемого через лупу на экран. Вы получите перфорированную маску. Сначала отложите маску и найдите положение лупы и экрана, при котором изображение источника света будет не в фокусе.

А теперь приложите к лупе перфорированную маску. Что получается на экране? Два крошечных изображения расположены далеко друг от друга, потому что система не сфокусирована. Передвиньте экран так, чтобы изображения обоих отверстий полностью совпали.

Это произойдет, когда расстояние от экрана до лупы станет равным фокусному расстоянию лупы. Если экран слишком близко — расстояние до него меньше фокусного, значит, лупа недостаточно сильна: система «дальнозоркая». Дальнозоркий глаз имеет недостаточно сильную оптику; без напряжения дальнозоркий глаз не получает четкого изображения, причем последнее тем менее четко, чем ближе рассматриваемый предмет, — зрение вдаль лучше, чем вблизи (отсюда и название дальнозоркий). Но между вашей установкой и оптикой глаза есть существенная разница: последняя регулирует свою фокусировку автоматически.

Отодвиньте экран на расстояние, большее фокусного. Вы снова получите удаленные друг от друга изображения двух отверстий. Оптическая сила лупы теперь слишком велика; система «близорука» — подобно тому, как близорук глаз, оптическая система которого слишком сильна: фокусное расстояние меньше, чем расстояние до сетчатки.

Помните — это всего лишь аналогия. Для того чтобы лучше моделировать условия преломления света в глазу, надо проделать еще ряд действий с вашей установкой.

Не меняя расстояния между лупой и экраном (последний находится точно на фокусном расстоянии), двигайте объект (источник света), то приближая его к лупе, то отдаляя от нее. В первом случае расхождение отверстий показывает, что система «дальнозоркая» (объект находится слишком близко), во втором случае система «близорука» — объект слишком отдален.

Что произойдет, если, сохраняя неизменным положение объекта и экрана, перемещать лупу? Что вы узнали об изображениях и оптических системах при такой постановке опыта? Какому элементу оптической системы глаза соответствует подвижная лупа?

В квадратном куске плотного черного картона (сторона квадрата около 5 сантиметров) тонкой булавкой сделайте две дырочки на расстоянии примерно 2,5 миллиметра одна от другой — расстояние между дальними краями дырочек должно быть меньше, чем диаметр вашего зрачка. Не огорчайтесь если с первой попытки у вас это не получится. Обязательно проследите, чтобы края дырочек были четкими и правильными.

На куске белого картона нарисуйте прямую линию и повесьте его на стену так, чтобы линия была горизонтальной на уровне ваших глаз. Станьте примерно в 120 сантиметрах от стены и смотрите на линию одним глазом через обе дырочки в черном картоне, расположив их вертикально. Если ваш глаз точно сфокусирован к расстоянию, с которого вы ведете наблюдение, вы увидите одну линию, если нет, то две.

Булавку держите примерно в 30 сантиметрах перед глазом, как показано на рис. 4.2;



Рис. 4. 2. Полоску картона с двумя булавочными отверстиями держите как можно ближе к глазу (второй глаз закрыт).


посмотрев на нее, вы заметите, что горизонтальная линия на стене как бы раздвоилась. Поверните картон так, чтобы дырочки расположились горизонтально. Посмотрите на горизонтальную линию. Булавка «раздвоилась». Почему? Как вы думаете, близорук или дальнозорок ваш глаз по отношению к расстоянию до булавки, когда вы смотрите на булавку, и наоборот? Опыт получится хорошо лишь у человека не старше 40 лет. Помните, что смотреть надо через обе дырочки сразу.

По тому, как двоится отдаленный предмет, можно определить фокусировку глаз к данному расстоянию. Прикройте одну из дырочек и обратите внимание, какое из двух изображений пропадет. Это не так-то просто. Надо помнить, что изображение предмета на сетчатке глаза перевернуто и нижней части предмета соответствует верхняя (на сетчатке) точка изображения. Проверьте это на установке объект — лупа — экран, собранной вами ранее.

Экспонат для выставки

С помощью лупы и маски с двумя отверстиями можно очень эффектно демонстрировать некоторые оптические явления, приложимые и к оптике глаза,— главным образом соотношение объекта и его изображения. Хорошо дополнить экспонат рисунками, на которых показаны результаты ваших опытов с описанными приборами.

ОПЫТ 5. ДИАФРАГМЫ



Оборудование: источник света, фигурные маски, лупа, картонный экран, диафрагмы

Установите источник света, лупу и картонный экран, как показано на рис. 5. 1.



Рис. 5. 1. Черное изображение на экране очень четкое — у вас такой четкости не получится.


Прикрепите маску — черную фигуру — к источнику света так, чтобы она оказалась в центре светового пучка.

Работайте в затемненной комнате. Расстояние между источником, лупой и экраном подберите таким образом, чтобы изображение фигуры на экране было как можно более четким. Внимательно изучите полученное изображение. Четкие ли у него края? Вместо простой фигуры поставьте фестончатую. Различаете ли вы все детали изображения? Обратите внимание на его яркость в центре и по краям.

Прорежьте в картоне несколько отверстий разных размеров: с 5-, 2-, 1-копеечную монету и с булавочную головку; кусок картона с одним из указанных отверстий будет служить диафрагмой. Ставьте перед лупой разные диафрагмы и смотрите, как меняется изображение.

У большинства линз края оптически менее совершенны, чем центральная часть. Но чем меньше отверстие диафрагмы, тем меньше количество света; а булавочное отверстие может оказаться даже помехой для получения четкого изображения. Зато при иной постановке опыта булавочное отверстие само фокусирует свет и дает изображение без всякой линзы. Правда, это изображение хуже того, которое получается с лупой. Возьмите круглую картонную коробку (вроде тех, в каких продают конфеты «Лимонные дольки»). Открытый конец затяните бумагой и закрепите ее аптекарской резинкой. В донышке коробки, по возможности в центре, толстой булавкой или иголкой проткните отверстие.

Направьте отверстие на пламя свечи (рис. 5. 2).



Рис. 5. 2. В совершенно темной комнате рассмотрите изображение пламени свечи, которое получится в вашей камере-обскуре.


Подберите расстояние до свечи так, чтобы получить изображение пламени на бумаге. Разберитесь, почему изображение перевернуто и как вообще получается изображение без линзы. Это простое устройство— камера-обскура. Теперь вы познакомились с очень важным фактором: диафрагмы улучшают фокусировку. Это верно для всякой оптической системы, в том числе и для оптики глаза.

Вы можете увеличить четкость собственного зрения, используя диафрагму с булавочным отверстием; это особенно заметно, если без диафрагмы ваш глаз видит предмет нечетко. Проверьте себя и членов вашей семьи; те из них, кто при чтении пользуется очками, пусть попробуют читать без очков, глядя через булавочное отверстие.

Два картонных кружка с булавочными отверстиями — ваши картонные очки; в каждом кружке проделайте по нескольку отверстий. Попробуйте носить такие очки на улице. Посмотрите вдаль, приложив к глазу лупу, — вы все видите нечетко; теперь посмотрите через ту же лупу, приложив ее снаружи к вашим дырчатым картонным очкам.

Экспонат для выставки

Можно подготовить установку со сменными диафрагмами и демонстрировать влияние размера отверстия на качество изображения. Легко организовать опыт так, чтобы его наблюдала целая группа людей одновременно и зрители могли самостоятельно менять диафрагму.

Продолжение в следующей статье: Опыты ? Часть 2

----

Статья из книги: Опыты со зрением в школе и дома | Грегг Дж.

Возможно, Вам будет интересно

Поделитесь своим мнением. Оставьте комментарий

Автору будет приятно узнать обратную связь о своём посте.

    • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
      heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
      winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
      worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
      expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
      disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
      joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
      sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
      neutral_faceno_mouthinnocent

Комментариев 0