ВИВЧЕННЯ СВІТЛОВИХ ЯВИЩ У 8-МУ КЛАСІ

Мета роботи: ознайомитись з методикою та технікою проведення навчального експерименту під час розгляду  у 8-му класі  питань, які пов'язані з вивченням понять: джерело світла, прямолінійність поширення світла, відбивання світла, плоскі дзеркала, заломлення світла, лін-зи, будова ока, окуляри.
Обладнання: різні типи джерел світла, освітлювач, екран, непрозорий диск, модель руху Місяця навколо Землі, прямокутна прозора посудина з водою, плоске дзеркало, оптична шайба з обладнанням, лінзи на підставці,  свічка, модель фотоапарата, модель ока.
Підготовка до роботи:
1. Ознайомитись з навчальним  матеріалом  розділу “Світлові явища” підручників  фі-зики  8-го класу.
2. Ознайомитись з цільовою програмою вивчення теми: “Світлові явища” у 8 класі.
3. Ознайомитись з цільовою програмою фахової підготовки майбутнього вчителя.
Цільова програма (А) до змісту теми “Світлові явища” рівень
первинної обізнаності.
№    Перелік пізнавальних задач    Урок    Тема
1
2
3
4
5    Прямолінійне поширення світла
Відбивання  світла
Плоске дзеркало
Заломлення  світла
Хід  променів  у  лінзах    РГ
РГ
РГ
РГ
РГ    ПВЗ
ПВЗ
ПВЗ
ПВЗ
ПВЗ

Цільова програма (Б) щодо змісту фахової підготовки
майбутнього вчителя.
№    Перелік пізнавальних задач з курсу МВФ    Знання до ла-бораторного практикуму    Знання після лабора-торного практикуму
1

2

3

5
6
7    Особливості методики викладання фізики в 8 класі.
Задачі і зміст навчання фізики в середній школі.
Розвиток мислення і творчих здібностей учнів.
Розв’язуваня задач з фізики.
Форми організації уроків з фізики.
Методика викладання теми “Світлові явища”.    РГ

РГ

РГ

РГ
РГ
РГ    ПВЗ

ПВЗ

ПВЗ

ПВЗ
ПВЗ
ПВЗ
Еталоні завдання для вступного контролю (шкільний курс фізики;
первинний рівень фахової обізнаності):
1.    (А:РГ) Означте поняття: світло, джерело світла, властивості світла, прямолінійність поширення світла, плоске дзеркало, відбивання світла, закони відбивання, плоскі, увігнуті та випуклі дзеркала, їх властивості, заломлення світла, лінзи, зображення, яке дають лінзи, око, зір, фотографія, фотоапарат, лупа, мікроскоп, телескопи.
2.    (А:РГ) На яких основних законах базується геометрична оптика? За яких умов ці закони діють?
3.    (А:РГ) Як одержати тінь (напівтінь)?
4.    (А:РГ) Чому у шкільному підручнику, описуючи лінзи, мають  на увазі  тонкі    лін-зи?
5.    (А:РГ) Побудуйте зображення у збиральній (розсіювальній) лінзах, якщо предмет  розміщений між оптичним центром і фокусом (між F і 2F, за подвійною фокусною відстанню).
6.    (А:РГ)  Дано зображення оптичної осі, предмета та його зображення (з однієї або двох сторін від оптичної осі). Визначте графічно, який оптичний прилад застосов-ний?
7.    (А:РГ) Навіщо  об`єктиви  оптичних  приладів  роблять складеними з кількох лінз?
8.    (А:РГ) За допомогою збиральної лінзи утворіть зменшене, дійсне зображення вікна на протилежної стіні великої кімнати. Виконайте потрібні вимірювання і обчисліть оптичну силу лінзи. Чому цей спосіб дає наближений результат?
9.    (А:РГ) На міліметровому папері побудуйте зображення предмета, який міститься на подвійній фокусній відстані від збиральної лінзи. Виміряйте на кресленні відс-тані від предмета до лінзи і від лінзи до зображення; порівняйте ці відстані. Вимі-ряйте й порівняйте розміри зображення і предмета.
Теоретичні відомості:
Світло – це також випромінювання, але тільки та його частина, яку сприймає око, то-му світло називають ще видимим випромінюванням. Існують штучні і природні джерела сві-тла. Промінь – це лінія вздовж якої поширюється світло. Закон прямолінійного поширення світла: Світло в прозорому однорідному середовищі поширюється прямолінійно. Перший закон відбивання світла: падаючий і відбитий промінь лежать в одній площині з перпендикуляром до відбитої поверхні, проведеним у точку падіння променя. Другий закон відбивання світла: кут відбивання дорівнює куту падіння.
Зображення предмета в плоскому дзеркалі має такі особливості: це зображення уявне, пряме, за розмірами дорівнює предмету, розміщене воно на такій самій відстані за дзеркалом, на якій предмет розміщений перед дзеркалом.
Опукла лінза перетворює паралельний промінь світла в збірний, збирає його в одну точку. Опуклу лінзу називають через це збираючою лінзою. Точку, в якій перетинаються за-ломлені збиральною лінзою світлові промені, називають фокусом лінзи. Фокусні відстані за-лежать від кривизни поверхні лінзи. В кожної збираючої лінзи є два фокуси, що розташовані по двом сторонам лінзи. Промені світла, що пройшли через фокус лінзи, після заломлення стають паралельними.
Промені світла не змінюють напрямку, проходячи через оптичний центр лінзи.
Зміна напряму поширення світла при його переході через межу поділу двох середо-вищ називається заломленням світла. Падаючий і заломлений промені лежать в одній пло-щині з перпендикуляром, проведеним у точку падіння променя до площини поділу двох се-редовищ. Залежно від, того з якого середовища в яке переходить промінь, кут заломлення може бути меншим або більшим від кута падіння.
Якщо предмет міститься між лінзою  і її фокусом, то його зображення – збільшене, уявне, пряме, і розміщене воно від лінзи далі, ніж предмет. Якщо предмет міститься між фо-кусом і подвійним фокусом лінзи, то лінза дає його збільшене, обернене, дійсне зображення; воно розміщене з другого боку лінзи по відношенню до предмета, за подвійною фокусною відстанню. Розсію вальна лінза при всіх положеннях предмета дає зменшене,, уявне, пряме зображення, яке лежить з того самого боку лінзи, що й предмет.
Величину, обернену фокусній відстані лінзи, домовилися називати оптичною силою цієї лінзи.
У разі необхідності під час розглядання яких-небудь дрібних предметів чи їхніх дета-лей доводиться їх наближати до ока, щоб зображення на сітківці ставало все більшим. Але це вимагає значного напруження ока при акомодації, а при малих відстанях акомодація взагалі стає неможливою. У таких випадках перд оком розміщують короткофокусну збиральну лін-зу, яку називають лупою.
ХІД  РОБОТИ
1. Прямолінійне поширення світла [13, с. 100].
Світло від освітлювача спрямовується вздовж екрана. Там, да світло потрапляє на ек-ран, екран освітлений. Тим самим напрям поширення світла стає видимим. Електричну лам-почку ставлять всередину  непрозорої кулі, на поверхні якої зроблено отвір. Повітря навколо кулі задимлюють. Після вмикання лампочки стає видно пучки  світла,  які виходять з отворів кулі.
Світло від джерела світла поширюється прямолінійно і в усі сторони.
Екран освітлюють  освітлювачем.  На  шляху  поширення світла ставлять непрозорий диск. На екрані з’являється чітке зображення тіні. Простір, в який не потрапляє світло від джерела світла, називається тінню.
Джерело світла наближають до непрозорого диска і віддаляють від нього. Звертають увагу на розміри тіні. Розміри тіні залежать від відстані від джерела світла. При наближенні до джерела світла розміри тіні зростають. При збільшенні відстані розміри тіні зменшуються до розмірів предмета.
Напрозорий диск з попереднього досліду освітлюється двома поблизу розташованими освітлювачами. На екрані видно область, куди не потрапляє світло ні від одного, ні від дру-гого освітлювача, і бліді тіні диска (мал. 1). Частково освітлений простір називають пів-тінню.
Якщо замість освітлювача використовується електрична лампа з короткою ниткою розжарення, то на екрані спостерігається чітка тінь від непрозорого диску. На електричну лампу надівають футляр з напівпрозорого паперу. На екрані з'являється розпливчасте зоба-раження тіні, оточене півтінню. Чітка тінь від предмета отримується тільки від точкового джерела світла.
Глобус освітлюється проекційним апаратом. Біла кулька, що імітує Місяць, на висо-кому тонкому стояку переміщується навколо глобуса. Коли кулька знаходиться між освітлю-вачем і глобусом, його тінь падає на поверхню глобуса


мал. 1                                 мал. 2                                                мал. 3
(мал. 2). В тому місці Землі, куди попадає тінь від Місяця, спостерігається сонячне затем-нення. Коли кулька при переміщенні навколо глобуса входить в тінь від глобуса, він перестає освітлюватись від джерела світла. Якщо Місяць при своєму обертанні навколо Землі попадає в тінь, що відкидається Землею, то спостерігається місячне затемнення.
2. Відбивання  світла, дзеркальне та розсіяне відбиття, закони  відбивання  світла [8, с. 156; 13, с. 101].Розсіяння світла (розсіяне або дифузне відбивання) легко можна пояс-нити, якщо порівняти відбивання його від плоского дзеркала та аркуша паперу  (мал. 3).  Дзеркальна  поверхня   відбиває  світло  у  цілком  певному  напрямку. У разі відбивання сві-тла від нерівної поверхні кожна її точка відбиває світло лише у “своєму” напрямку, що й призводить до розсіювання світла у всіх напрямках. Важливе значення мають обидва види відбивання. Важко уявити життя без дзеркал. Але уявіть собі дзеркальний екран у кінотеатрі – чи всі глядачі бачили б однаково добре зображення на ньому?
Дослідіть дзеркальне відбивання світла за допомогою оптичного диска. Диск склада-ється з білого круга, по краях якого нанесені поділки, що дають можливість відлічувати зна-чення кутів. По краю круга може рухатись освітлювач, що дає вузький промінь світла (мал. 4). У центрі диска закріплено плоске дзеркало.
Пучок світла від освітлювача спрямовується вздовж демонстраційного стола. Освіт-лювач включають і виключають, однак побачити пучок світла не можна. В той же час видно частину екрана, куди падає світло. В чистому повітрі пучок світла невидимий. Якщо повто-рити попередній дослід, але повітря вздовж пучка світла задимити (запилити), то світло осві-тлює частинки диму (пилу) і його шлях поширення стає видимим.
Світло від освітлювача спрямовують в прямокутну посудину з водою (мал. 5).  В чис-тій воді пучок світла невидимий. В воду добавляють барвник. Світло, яке падає на частинки барвника, стає видимим. Освітлені частинки дозволяють прослідкувати напрямок світлового пучка. Якщо на шляху світлового пучка поставити плоске дзеркало (мал. 6), то  воно буде змінювати напрямок світлового пучка завдяки його відбиванню.
На екрані пристрою для вивчення законів оптики  прикріплюють скляний напівци-ліндр.  Пучок світла від освітлювача напрямляють на плоску поверхню
скляної пластинки.  В  місці  падіння світлового пучка  на  скло пучок світла частково відби-вається,  а частково проходить через скло (мал. 7). При падінні світла на скло відбувається його часткове проходження крізь скло та відбивання.


мал. 4                             мал. 5                                                       мал. 6
В установці скляний напівциліндр замінюють плоским дзеркалом. До екрана, де за-лишив свій слід відбитий пучок світла, притискають листок тонкого білого картону або щільного паперу. Пучок падаючого і відбитого світла як і перше добре видно. Нижню части-ну картону притискують до дзеркала, а верхню частину нахиляють в сторону. На картоні видно тільки частину відбитого світла. Падаючий і відбитий пучки світла лежать в одній площині.
Пучок світла направляють вздовж екрана на горизонтально розміщене дзеркало так,  щоб падаючий  і  відбитий  пучки  світла співпадали, потім кут падіння змінюють.  Увагу зверта-ють на кути, які утворюються пучками світла і перпендикуляром  до  відбиваючої поверхні, встановленим в точці падіння пучка світла. Отже, кут відбивання дорівнює куту падіння.
Повторюється попередній дослід. Увага фіксується на напрямках падаючого і відби-того пучків світла. Потім освітлювач повертають так, щоб падаючий пучок світла зайняв мі-сце відбитого, тоді відбитий пучок світла займе місце падаючого. Пучки світла поміняються місцями. Ця властивість відбитого і падаючого пучків світла називають оборотністю ходу світла.
3. Плоске дзеркало. Зображення  у плоскому дзеркалі. Увігнуті та випуклі дзер-кала [13, с. 103; 8, с. 160].
Перед плоским дзеркалом встановлюють ляльку з піднятою ручкою (мал. 8). Зверта-ють увагу на те, що у зображення права і ліва частини відбитого предмета помінялися місця-ми. Так, якщо у ляльки перед дзеркалом піднята права рука, то у зображення ляльки в дзер-калі піднята ліва рука. Далі ляльку наближають до дзеркала і віддаляють від неї. Відповідно зображення здається наближеним або віддаленим від поверхні дзеркала. Так як предмета за дзеркалом немає, воно тільки здається існуючим, то таке зображення називають уявним. У дзеркального зображення по відношенню до предмета змінилось взаємне розташування пра-вої і лівої частин, але незмінним залишилось взаємне розташування верхньої і нижньої час-тин. Таке зображення називають дзеркальним, прямим.
На фоні чорного екрана вертикально встановлюють кусочок скла. Перед склом і за ним розміщують електричні лампи (мал. 9). Лампу перед склом включають в коло джерела струму. Якщо зображення включеної лампи співпадає з лампою за склом, то здається, що друга лампа ввімкнена. Циркулем або демонстраційним метром вимірюють відстані від кож-ної з ламп до дзеркала. Зображення в плоскому дзеркалі знаходиться за дзеркалом на такій самій відстані, на якій предмет розташований перед дзеркалом.



мал. 7                               мал. 8                                    мал. 9
Як відомо, дзеркальна поверхня відбиває падаючий на неї пучок світла направлено, але якщо плоске дзеркало закрити листком білого паперу, то на екрані можна помітити лише пляму розсіяного світла. Будь-яка недзеркальна, тобто шороховата, негладка, поверхня роз-сіює світло: відбиває падаючий на неї пучок світла у всіх напрямкам.
4. Заломлення  світла [13, с. 104].
На екран пристрою для вивчення законів оптики закріплюють скляну пластинку, яка має вигляд напівциліндра (мал. 10). На одну з паралельних граней напрямляють пучок світла. На границі поділу "повітря-світло" пучок світла змінює свій напрямок. Далі спрямовують пучок світла  від освітлювача на циліндричну поверхню пластинки (мал. 11). Прослідковуємо напрямок поширення світла всередині скляної пластинки і після виходу його в повітря. На границі поділу “скло-повітря” промінь світла змінює свій напрям.
На екрані пристрою для вивчення законів оптики закріплюють скляну пластинку, що має форму трапеції (мал. 12). На одну з паралельних граней направляється  пучок  світла.  На  границі поділу “повітря-скло” промінь світла змінює свій напрям. На виході зі світла, на гра-ниці поділу “скло-повітря”, промінь світла знову змінює свій напрям. Зміна напряму розповсюдження світла при його проходженні через границю поділу двох середовищ називається заломленням світла.
Далі змінюють кут падіння світлового променя на плоску границю пластинки. Увага звертається на відповідну зміну кута заломлення всередині скла. Кут заломлення світла тим більший, чим більший кут падіння. При переході світла з повітря у скло кут залом-лення менший кута падіння. При переході світлового променя із скла в повітря кут за-ломлення більший кута падіння. В залежності від того, з якого середовища в який пере-ходить світло, кут заломлення може бути меншим або більшим кута падіння.

Мал. 10                            мал. 11                                             мал. 12
Найпростіше знайти показник заломлення води можна так. На аркуші картону чи цу-пкого паперу, що не швидко намокає у воді, накресліть коло зі взаємноперпендикулярними діаметрами (мал. 13). Відразу побудуйте промінь ЕО. Занурте малюнок у відповідну посуди-ну з водою так, щоб діаметр АВ збігся з поверхнею води. Тепер спостерігайте, в якій точці промінь перетинає коло (точка F), і зробіть позначку. Вийміть малюнок з води, просушіть його і будуйте промінь OF. Тепер скористайтеся властивістю оборотності променів. Промінь, пущений у напрямку FO, заломиться у напрямку ОЕ. Показник заломлення води відносно повітря (наближено до вакууму) становитиме

Далі продумайте, як можна визначити показник заломлення даного скла іншими спо-собами, які вам відомі. Визначте показники заломлення світла для інших рідин (олія, розчин солі тощо).
5. Лінзи, хід  променів  у  лінзах, одержання зображень за допомогою лінз, вимі-рювання фокусної  віддалі  та оптичної сили лінзи.
Промінь світла направляється на ту частину скляної пластинки, де плоскі грані утво-рюють двогранний кут 45 (мал. 14). Після подвійного заломлення промінь світла виходить відхиленим в товстішу сторону пластинки.
Повторюється попередній дослід, але на цей раз пучок світла направляється на ту час-тину пластинки, де плоскі грані утворюють кут 60 (мал. 15). Заломлений промінь світл від-хиляється від початкового напрямку в товстішу сторону пластинки.
мал. 13                                             мал. 14                             мал. 15
На екран пристрою для вивчення законів оптики закріплюють двовгнуту  лінзу.  Від  освітлювача  на лінзу направляють вздовж головної оптичної осі  центральний  пучок  світла.  Пучок світла проходить через лінзу,  не змінюючи  свого напрямку. Другий пучок світла направляють паралельно першому. Проходячи через лінзу, він  відхиляється  в  ширший бік лінзи.  Третій пучок світла направляють паралельно першим двом, але нижче головної оптичної осі. Пройшовши  через  лінзу,  пучок світла відхиляється в ширшу сторо-ну лінзи (мал. 16).








.








Мал.16                   мал.17                                        мал.18
6. Зображення, яке дає лінза [13, с. 107].
Полум’я свічки за допомогою сферичної збиральної лінзи проектується на екран (мал. 17). Свічка знаходиться між фокусом і подвійним фокусом лінзи. Якщо предмет знаходиться між фокусом і подвійним фокусом лінзи, то лінза дає його збільшення, перевернуте, дійсне зображення; воно розміщене з іншого боку від лінзи по відношенню до предмета, за подвій-ною фокусною відстанню. Якщо предмет знаходиться за подвійною фокусною відстанню від лінзи, то лінза дає зменшене, перевернуте, дійсне зображення предмета, що лежить на іншій стороні лінзи між її фокусом і подвійним фокусом (продемонструйте це).
7. Будова проекційного апарата [13, с. 107].
Світло від освітлювача направляється на діапозитив або будь-який інший прозорий ма-люнок, а далі збиральною лінзою проектують його на екран (мал. 18). На екрані отримують збільшене зображення малюнка. Проекційний апарат складається із освітлювача і збиральної лінзи (об’єктива). Прозорий малюнок розміщується між джерелом світла і об’єктивом.

Додаткові експериментальні завдання.
1.    Одержіть на екрані чітке зменшене зображення джерела світла. Виміряйте в метрах відстань d від джерела світла до лінзи та відстань f від лінзи до екрана. Побудовою знайдіть положення головних фокусів лінзи і визначте фокусну відстань лінзи та її оптичну силу. Визначте фокусну відстань F та оптичну силу D за формулою:
.
При визначенні оптичної сили лінзи фокусну (і всі інші) відстань слід брати в метрах, лише тоді оптичну силу можна визначити у діоптріях. Далі одержіть на екрані збільше-не зображення джерела світла і виконайте всі попередні вимірювання та розрахунки. Установіть, де необхідно розташувати джерело світла, щоб на екрані було його зобра-ження такого самого розміру, як і джерело. Перевірте свій висновок на досліді.
Еталоні завдання для підсумкового контролю рівня
фахової обізнаності.

1.    (Б:ПВЗ) Які досліди можна продемонструвати за допомогою приладу для геометрич-ної оптики?
2.    (Б:ПВЗ) Які досліди можна запропонувати для демонстрації різних видів дзеркал?
3.    (Б:ПВЗ) Запропонуйте установку для демонстрації повного відбиття світла з викорис-танням прямокутного акваріума, наповненого водою.
4.    (Б:ПВЗ) Як продемонструвати досліди для відбивання світла?Сонце  від Землі так да-леко, що його промені, які падають на лінзу, паралельні один одному. Ячи можна за допомогою сонячних променів визначити фокусну відстань збиральної лінзи? Як це зробити?
5.    (Б:ПВЗ) Які недоліки приладів для демонстрацій по геометричній оптиці?
6.    (А:ПВЗ) Нагріта праска й увімкнута електрична лапа є джерелами випромінювання. Чим відрізняється одне від одного випромінювання, створені цими приладами.
7.    (Б:ПВЗ) Як перевірити закони заломлення світла?
8.    (А:ПВЗ) Напів циліндричне дзеркало, поперечний переріз якого являє собою півкруг, помістили в широкий пучок світла, паралельний оптичній осі зеркала. Знайти найбі-льший кут між променями в відбитому від дзеркала пучку світла.
9.    (Б:ПВЗ) Як продемонструвати прямолінійність поширення світла?