Формування знань учнів з розділу "Оптика" (стр. 3 из 6)

2.4 Розв'язування задач з оптики, домашні досліди і спостереження

Розв'язування задач з оптики сприяє формуванню фізичних понять, усвідомленню і закріпленню учнями матеріалу, зв'язків між фізичними величинами. Зокрема, розв'язуючи задачі з цього розділу, учні міцніше засвоюють основні закони геометричної оптики (прямолінійне поширення світла, незалежність світлових пучків, відбивання і заломлення світла), фундаментальні поняття хвильової оптики, зокрема світлової хвилі та її характеристик, монохроматичність та розкладання білого світла в спектр, когерентності, інтерференції, дифракції, поляризації, скінченності, інваріантності й граничності швидкості світла, а також фотонну оптику; фотон і його властивості, взаємодія світла з речовиною.

Задачі з оптики поділяються на текстові (розрахункові, якісні), експериментальні, графічні (розрахункові, якісні), їх можна використати як для постановки проблеми, повідомлення нових знань, розвитку творчих здібностей учнів, так і для формування практичних умінь і навичок, перевірки якості засвоєння матеріалу, повторення, закріплення та узагальнення матеріалу. Під час розв'язування задач з оптики велике значення має органічне їх поєднання з демонстраційним і фронтальним експериментом, використанням технічних засобів навчання

Л.І. Рєзников запропонував систему задач, які не потребують складних і громіздких обчислень (задач якісних, задач на виконання побудови ходу променів тощо), але вимагають глибокого аналізу фізичного змісту явищ, використання фізичних принципів, різноманітних методів вивчення явищ, а також експериментальних досліджень. Приклади таких задач можна знайти в статті Л.І. Рєзникова "Диференціація навчального матеріалу з фізики".

Важливе значення для формування в учнів практичних умінь і навичок, елементів дослідницької роботи мають домашні завдання. Під час вивчення оптики є багато можливостей для здійснення найпростішого експерименту в домашніх умовах. Майже на кожному уроці можна дати завдання на спостереження оптичних явищ у природі або виконання дослідів а оптики. Цьому сприяє те, що в учнів дома е матеріали і навіть оптичні прилади, які можна використати для проведення спостережень і дослідів, зокрема фотокамери, проектори різних типів, плоскі й сферичні дзеркала, лінзи (окулярне скло, лупа), обладнання для фоторобіт, а також деякі предмети побуту, які можна легко пристосувати для виконання оптичних дослідів (склянки, плоскі й тригранні флакони, смужки картону тощо). Крім того, переважна більшість дослідів з оптики не потребує складного обладнання або умов, які, з погляду додержання правил техніки безпеки, не можна проводити без учителя.

Ставлячи завдання з домашнього експерименту, чітко визнають його мету, дають рекомендації учнів, літературу, не забувають про техніку безпеки: обов'язково проводять з учнями відповідний інструктаж.

З оптики домашніх дослідів можна поставити багато. Так рекомендуємо виконати вдома досліди з прямолінійного поширення світла, на закони відбивання і заломлення світла, деякі досліди з дзеркалами і лінзами, розкладання світла в спектр та ін. Виконання таких дослідів цілком безпечне і не потребує спеціальних приладів.

Особливе значення мають спостереження учнів за явищами навколишнього світу, оскільки це один із шляхів для виховання допитливості, вміння мислити, розвитку творчих здібностей учнів, збудження інтересу до науки, до пізнання невідомого. Завдання із спостереження за фізичними явищами слід пов'язувати з вивченням окремих тем, уроків. Такі завдання бажано підібрати до кожної теми програми.

3. Методичні особливості вивчення геометричної оптики

3.1 Що вивчає променева оптика. Закони відбивання і заломлення світла

Серед основних властивостей світла найбільш наочною, підтвердженою широким життєвим досвідом є властивість прямолінійно поширюватися в однорідному ізотропному середовищі. Лінія, вздовж якої поширюється енергія світла, називається світловим променем. Отже, промінь - суто геометричний образ. Саме тому, що промінь відображає тільки одну властивість світла, це поняття можна використовувати лише в певних межах. Сказане добре ілюструється за допомогою "діркової камери" - камери-обскури. Здавалося б, що промінь можна утворити на досліді, якщо на шляху світла поставити діафрагму з невеликим отвором. Але насправді це не зовсім так. Якщо отвір діафрагми широкий, на екрані утворюється розмита пляма, за формою подібна до діафрагми. Зменшуючи отвір діафрагми, побачимо, що тіньове зображення отвору переходить у чітке зображення джерела світла. Чіткість зображення зростає із зменшенням отвору. Проте це відбувається лише до певної межі, після чого дальше зменшення отвору діафрагми призводить до розмивання зображення. Нарешті, коли отвір дуже малий, весь екран буде повністю освітлений.

Цей результат можна пояснити так. Від кожної точки джерела крізь отвір діафрагми проходить світловий пучок, який дає на екрані пляму, що відтворює форму отвору. Світло від усього джерела дає на екрані картину, утворену світловими плямами, що накладаються одна на одну. Оскільки при великому отворі діафрагми окремі плями на екрані більші за деталі джерела, то його зображення стає розмитим і наближається до тіньового зображення отвору діафрагми. Якщо ж отвір діафрагми невеликий, плями будуть менші за деталі джерела і утворюється чітке його зображення.

Пучок світла від джерела, що обмежується отвором діафрагми, можна вважати наближеною моделлю променя. Зменшуючи розмір отвору діафрагми, утворюємо все вужчий пучок. Проте ми не матимемо змоги створити нескінченно вузький світловий пучок - промінь. Справді, дослід показує, що дальше зменшення розміру діафрагми не тільки не приводить до зменшення перерізу пучка, а, навпаки, веде до його розширення. Тут уже проявляються хвильові властивості світла. Тому обмежимося виділенням вузьких світлових пучків і замінимо їх потім осьовими лініями, які й називатимемо променями світла.

Поняття про промінь світла дає змогу вивчити й осмислити цілий ряд оптичних явищ і законів, пояснити будову і призначення багатьох оптичних приладів. Розділ оптики, що ґрунтується на понятті про промінь, називається променевою або геометричною оптикою. Основне завдання променевої оптики - - вивчення будови та дії оптичних приладів.

Оптичні прилади призначені для створення зображення предмета. Кожний світний предмет або, що те саме, джерело світла, можна уявити собі як сукупність окремих світних точок. Зрозуміло, що зображення в цілому складається із зображень окремих точок. Тому спочатку розглянемо, як утворюється зображення окремої світної точки.

Із світної точки S, як із спільного центра промені розходяться в усіх напрямах (мал. З, а). Такий пучок променів називають розбіжним гомоцентричним пучком (тобто розбіжним пучком,що має спільний центр). Якщо примусити хоча б частину променів розбіжного гомоцентричного пучка знову перетнутися в одній точці S′ (мал.3, б), то вона й буде зображенням світної точки S.

Отже, щоб утворити зображення світної точки, треба перетворити розбіжний гомоцентричний пучок променів у збіжний,

Звідси випливає важливий висновок, який має значення для подальшого вивчення променевої оптики: незважаючи на те, що основним поняттям променевої оптики є поняття про промінь, у променевій оптиці цікавляться поведінкою не стільки одного променя, скільки сукупності променів Із спільним центром розбігу або збігу - гомоцентричними пучками променів світла. Отже, променева оптика є оптикою гомоцентричних пучків світла.

Логічно виникає питання, а яким чином, за допомогою чого можна розбіжні гомоцентричні пучки світла перетворювати в збіжні? Досвід підказує, що це можна зробити або за допомогою відривання їх, або за допомогою заломлення на межі поділу двох середовищ. У такому разі необхідно вивчити закони відбивання і заломлення гомоцентричних пучків світла. Ці закони зручно вивчати на найпростішому гомоцентричному пучкові - пучку паралельних променів світла. Він має центр збігу у нескінченності (мал. З, в). Досить простежити лише за одним променем світла у такому пучку, вивчити закономірності, яким він підлягає, оскільки всі промені пучка мають однакові властивості.

Вивчаючи закони відбивання, розглядають ідеальну дзеркальну плоску поверхню, яка повністю відбиває світло без поглинання. Певним наближенням до неї е плоске шліфоване та поліроване металеве дзеркало. (Бажано нагадати учням, що в цьому разі нерівності на плоскій поверхні будуть менші за розміри довжини хвилі). Нехай на таку поверхню падає під якимось кутом паралельний пучок світла (мал.4, а). Простежимо за ходом одного з променів. Перед цим подамо учням основні поняття, потрібні для вивчення закону відбивання світла, а саме: