Застосування світловода на уроках фізики
Школяр розуміє фізичний досвід тільки тоді добре, коли він його робить сам. Але ще краще він розуміє його, якщо сам робить прилад для експерименту.
Фізичний експеримент. Постановка його на уроці дозволяє вчителю не тільки детально розглянути фізичні явища, а й звернути увагу учнів на найважливішу особливість конкретних фізичних законів - принципову обмеженість будь-якого з них.
1. Закон прямолінійного поширення світла і світловод
Явище поширення світла описується, зокрема, законом прямолінійного поширення. У підручнику фізики для 8-го класу цей закон набраний жирним шрифтом: «Світло в прозорій однорідному середовищі поширюється прямолінійно». При цьому згадується, що освіта тіні - одне з досвідчених доказів цього закону. Однак тінь може вийти тільки в разі, коли в однорідну середу введено відрізняється від неї тіло, тобто коли середовище стає оптично неоднорідною.
У навчальному посібнику для 11-го класу вивчення прямолінійного поширення світла проводиться із залученням принципу Гюйгенса-Френеля. У методичних посібниках для вчителя можна зустріти рекомендації з проведення відповідних дослідів. Однак не завжди в однорідному середовищі світло поширюється прямолінійно.
Звернемося, наприклад, до световоду, виготовленому зі скла або оргскла. Для світла це прозора однорідне середовище, але в световоде світло поширюється. непрямолінійно. Вірніше, всередині серцевини * світло поширюється дійсно прямолінійно, але дійшовши до кордону серцевина-оболонка, випробовує повне внутрішнє відбиття і змінює напрямок поширення.
Тут саме час поговорити про область застосовності приватних фізичних законів. До них відноситься і закон прямолінійного поширення світла, він застосуємо лише в разі необмеженої однорідного середовища. Тому формулювання його повинна бути уточнена: світло поширюється прямолінійно в прозорій оптично однорідної необмеженому середовищі. Трохи пізніше учні дізнаються, що якщо середовище обмежена, то на кордоні розділу можуть відбутися такі явища, як відображення, заломлення і поглинання світла. Ці ж явища мають місце, якщо в оптично однорідне середовище введена неоднорідність, в цьому випадку відбуваються інтерференція, дифракція і розсіювання світла.
2. Як зробити світловод
Зовнішній вигляд навчального світловода в роботі і спосіб кріплення джерела світла показані на рис.1. З листа оргскла товщиною 4 мм різаком виріжте дві смужки довжиною приблизно 50 см і шириною 10 мм. Торці і вузькі бічні поверхні смужок відшліфуйте послідовно все більш дрібною шкіркою. Грубу тканину або шматок повсті злегка змочіть гасом і натріть полировальной пастою ГОІ і обробіть їм спочатку торці обох смужок, а потім - бічні поверхні однієї з них. Полірувати потрібно до тих пір, поки оброблювані поверхні не стануть абсолютно прозорими.
Взявши одну зі смужок за кінці, помістіть її над розпеченій електроплиткою. Переміщаючи і повертаючи смужку, тримайте її над плиткою до повного розм'якшення, а потім швидко зігніть так, щоб вийшли два відігнутих коліна. Зафіксуйте виріб, щоб, охолонувши, воно зберегло свою форму. Другу смужку зігніть так само, використовуючи першу в якості шаблону. Взагалі кажучи, форма світловода може бути довільною, рекомендована просто більш зручна в навчальних дослідах. Бажано, щоб радіус кривизни вигинів світловода був не менше 15 мм.
Підберіть полихлорвиниловую трубку діаметром приблизно 10 мм і лампочку на напругу 3,5 або 6,5 В. До цоколю лампочки припаяйте гнучкі провідники довжиною приблизно 60 см. Від трубки відріжте шматок завдовжки 40 мм і вставте в нього лампочку так, щоб вона зайшла повністю. Одержаний патрон з лампочкою надіньте на один з кінців світловода. Прилад для дослідів готовий.
3. Демонстраційні досліди
Вони дадуть найбільший ефект, якщо учні будуть мати можливість одночасно виконувати учнівські досліди на своїх робочих місцях.
Досвід 1. Покажіть учням світловод і лампочку. На лампочку надіньте кожух і з'єднайте його з одним кінцем світловода. Увімкніть харчування і покажіть, що світло виходить тільки через другий торець світловода (рис. 1).
При демонстрації цього досвіду учні 8-го класу відразу помічають протиріччя між побаченим і викладеним у підручнику. Виникає унікальна ситуація, що дозволяє вчителю говорити про межі застосування фізичних законів взагалі і закону прямолінійного поширення світла зокрема. Разом з тим не можна обмежитися тільки констатацією факту обмеженості дії закону прямолінійного поширення світла. Необхідно вказати причину того, чому світло поширюється всередині світловоду практично без втрат: кожен раз, доходячи до поверхні, світло відчуває повне внутрішнє віддзеркалення і повертається назад, всередину світловода.
Досвід 2. Зніміть з світловода кожух з лампочкою і замініть світловод іншим, мають матові вузькі межі. Увімкніть джерело, і учні з подивом виявлять, що світло через такий світловод не проходить (рис. 2)!
Спочатку вони абсолютно збентежені: невже ці вузькі матові смужки з боків світловода є справжня причина того, що світло через нього не проходить. Але уважний розгляд показує, що другий світловод абсолютно не відрізняється від першого, тому вони приходять до висновку, що, дійсно, потрапляючи на матові грані, світло розсіюється на них, значною мірою виходячи за межі світловода. На ці межі не потраплять тільки ті промені, які йдуть строго по осі світловода, а таких променів тим менше, чим довше світловод і чим менше його поперечний переріз.
Учні формулюють гіпотезу: якщо матові грані зробити прозорими, то світловод почне пропускати світло.
Досвід 3. Ганчірочкою, змоченою в машинному маслі, проведіть по матовим гранях світловода і продемонструйте, що через нього при цьому починає проходити світло.
Значить, зроблене припущення вірне: тонка плівка масла на матової поверхні запобігає розсіювання світла, і результат майже такий же, як якщо б всі грані світловода були відполіровані.
Дослід 4. Під світловодом з полірованими поверхнями поставте склянку з гліцерином (рис. 3), що має показник заломлення, близький до показника заломлення оргскла (з гіршими результатами можна використовувати насичений розчин кухонної солі). Увімкніть лампочку і покажіть, що світло проходить через світловод. Занурте нижню вигнуту частину світловода в стакан з рідиною і продемонструйте, що інтенсивність минулого пучка різко зменшиться.
Поясніть результат досвіду тим, що світло з оргскла проходить в гліцерин, тому що ці два середовища мало різняться оптично, а значить, контактуючи, утворюють середу, близьку до оптично однорідною. В такому середовищі світло поширюється прямолінійно до її кордону. Якщо учні знайомі з явищем повного внутрішнього відбиття світла, то результат досвіду можна пояснити тим, що зсередини на кордон оргскло-гліцерин світло падає під кутом, меншим граничного, тому заломлюється з оргскла всередину гліцерину.
Те, що світло входить в гліцерин, учні можуть виявити, помістивши під стакан аркуш білого паперу.
Досвід 5. Продемонструйте світловод і потім на верхню його коліно приклейте шматок темної ізоляційної стрічки (рис. 4). Світло перестає проходити через світловод! Відірвіть ізоляційну стрічку - світло з'являється, знову приклейте - він зникає.
Досвід пояснюється тим, що клейкий склад ізоляційної стрічки має показник заломлення, близький до показника заломлення оргскла. Тому світло на вигині виходить з оргскла і поглинається забарвленим шаром ізоляційної стрічки.