Завдання 3 (При демонстрації дослідів по геометричній оптиці приміщення має бути затемнене.) Дослід 1. Закон відбивання світла

При підготовці приладу по геометричній оптиці до роботи регулюють освітлення екрану. Для цього послабляють кульовий шарнір і повертають або зміщують освітлювач до тих пір, поки середня смужка світла не пройде через увесь екран (по його діаметру). У цьому положенні освітлювач закріплюють. Якщо ж при цьому смужка світла буде розпливчатою, не різкою, то, відпустивши гвинт, що фіксує електропатрон в освітлювачі, обертають, опускают або піднімають електропатрон до отримання чіткої смужки світла на екрані. Якщо бічні смужки світла не доходять до країв екрану, то слід змінити нахил освітлювача. Після наладки усі гвинти надійно закріплюють.

Установку збирають по Рис. 278. За допомогою зажиму установлюють плоске дзеркало з набору оптичних деталей так, щоб його відзеркалювальна поверхня співпадала з горизонтальною віссю. Залишають лише один середній промінь. Змінюють кут падіння від 0 до 90°, відмічають кут відбивання, порівнюють ці кути, роблять висновок.

Повторюють дослід, демонструючи властивості оборотності світлових пучків, для чого переводять освітлювач з однієї частини диска в іншу.

Дослід 2. Закони заломлення світла

а) На екрані встановлюють прозорий напівциліндр матовою стороною до екрану і плоским зрізом вгору так, щоб він співпадав з горизонтальною віссю. Центр напівциліндра поєднують з центром екрану за допомогою риски на матовій поверхні напівциліндра.

При демонстрації досліду користуються середнім променем. Направляють промінь в центр напівциліндра перпендикулярно до площини (промінь проходить без зміни напряму). Відхиляють промінь, що падає, від перпендикуляра і помічають, що заломлений промінь виходить з напівциліндра під іншим кутом. Порівнюють кути падіння і заломлення, роблять висновок. Повторюють дослід при іншому куту падіння. (Під час досліду слід звернути увагу на роздвоєння пучка світла на межі розділу двох середовищ.)

б) Напівциліндр опуклою стороною встановлюють до освітлювача (плоский зріз співпадає з горизонтальною віссю). Змінюють кути падіння, відмічають напрям заломленого променя. Порівнюють ці кути, роблять висновок. (При збільшенні кута падіння ярскравість відбитого пучка зростає, а заломленого — зменшуеться.) Збільшують кут падіння до тих пір, доки заломлений промінь не зникне. При подальшому збільшенні кута падіння буде спостерігатися тільки відбитий промінь. Спостерігають явище повного відбивання світла.

Питання. Чому дорівнює граничний кут повного відбивання? (Відповідь дайте з однією значущою цифрою.)

Дослід 3. Закони заломлення світла

Устаткування 1) оптичний диск, 2) проекційний апарат ФОС-67, 3) скляний напівциліндр.

С кляний напівциліндр зміцнюють в центрі оптичного диска так, щоб плоска грань скла співпала з діаметром диска, що має на кінцях ділення в 90° (рис, 383). На відстані 1 - 1,5 м ось диска встановлюють універсальний проекційний апарат з лампою 300вт. Перед конденсором апарата розташовують горизонтально розсувну щілину (її встановлюють в ширмі дискової діафрагми). Вузький пучок світла направляють уздовж нульового діаметру диска на плоску грань скляного напівциліндра. Злегка пересуваючи диск вперед, назад і повертаючи навколо вертикальної оси, домагаються чіткого сліду пучка на поверхні диска і усередині скла. Для отримання у пучка різких країв переміщають об'єктив.

З підготовленою установкою в злегка затемненому класі демонструють 1) заломлення світла при переході з повітря в скло і 2) заломлення світла при переході із скла в повітря.

Спочатку показують, що пучок світла, перпендикулярний падаючому на плоску грань скла, проходить напівциліндр без зміни свого напряму (Рис. 384, а).

Потім диск повертають на деякий кут навколо горизонтальної осі і спостерігають в точці падіння роздвоєння пучка, що падає : частина світла відбивається від скла і йде в повітрі під кутом, що дорівнює куту падіння, інша частина проходить з повітря в скло. Звертають увагу учнів на те, що заломлений пучок йде по радіусу усередині напівциліндра. Тому він виходить із скла без зміни свого напряму (Рис. 384, б). Змінюючи кут падіння, показують, що відповідно змінюється і кут заломлення, але останній залишається завжди менше кута падіння. У міру наближення кута падіння до 90° кут заломлення зростає до максимального значення в 42° (рис 384, в).

При збільшенні кута падіння помітно зростає яскравість відбитого пучка, а заломленого відповідно зменшується. При цьому спостерігається також збільшення ширини заломленого пучка, тоді як у відбитого пучка вона залишається постійною.

Для встановлення закону заломлення через кожні 10 - 20° вимірюють кути падіння і заломлення ,відлічуючи їх по кутових діленнях диска від кінців нульового діаметру. Результати вимірювань записують на класній дошці в таблицю, в яку вносять додатково числові значення синусів кутів і їх відношення.

Кут падіння α (в град)	Кут заломлення γ (в град)	sin α	sin γ		n1=sinα/sinγ		n2=sinγ/sinα
10 20 30 40 50 60	7 13 19 25 30 35	0,174 0,342 0,5 0,643 0,766 0,866	0,122 0,225 0,326 0,423 0,5 0,574		1,42 1,52 1,53 1,52 1,53 1,51		0,7 0,69 0,65 0,66 0,66 0,67
		Середнє		1,51		0,67

Демонстрацію заломлення світла при переході з середовища оптично щільнішою в середовище оптично менш щільніше починають з пучка, що йде по нульовому діаметру диска. Повертають диск і направляють пучок світла на опуклу поверхню напівциліндра (Рис. 385, а). В цьому випадку пучок проходить напівциліндр без заломлення.

Потім направляють пучок під деяким кутом. Звертають увагу на те, що пучок при вході в скло з відомої вже причини не заломлюється, а при виході із скла відхиляється від первинного напряму, причому кут заломлення став більше кута падіння (Рис. 385, б).

Кут падіння збільшують до тих пір, поки кут заломлення не наблизиться до прямого, але так, щоб ще не відбулося повне відбивання розглядати яке в цьому досліді передчасно (Рис. 385, в)

Одночасно із заломленим пучком спостерігають відбитий; він буде тим яскравіше, чим більше кут падіння. Яскравість заломленого пучка відповідно слабшатиме.

Щоб не робити нового запису результатів вимірів, кути падіння беруть рівними кутам, записаним в другому стовпці приведеної вище таблиці. Тоді кути заломлення виявляються рівними відповідно до кутів першого стовпця таблиці. У колишній таблиці додають ще один стовпець, в який записують значення показника заломлення повітря відносно скла.

На підставі проведених дослідів роблять наступні висновки:

1) пучок падаючий, пучок заломлений і перпендикуляр до поверхні розділу двох середовищ лежать в одній площині;

2) відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення є постійна величина; вона не залежить від кута падіння і визначається оптичними властивостями середовищ, що граничать. Крім того, співставлення обох дослідів дозволяє установити:

1) властивість оборотності світлових пучків при віддзеркаленні і заломленні

2) взаємний зв'язок між відносними показниками заломлення скла і повітря, а саме: