Цветовая оптика в средней школе

Рис. 38Рис. 39

На рисунке 39 показано применение стереоскопического эффекта. Если свести глаза, то можно получить зрительную иллюзию уходящей в даль трубы.

Можно увидеть дырку в ладони. Надо альбомный лист свернуть в трубочку и около конца поставить вертикально ладонь. Если смотреть не на ладонь, а в даль, получим желаемый эффект.

А в заключение урока несколько правил рационального чтения.

1) Читать без регрессий (без возвращения к прочитанному).

2) Запоминайте только смысловые части. Досконально это мало кому удаётся.

3) Запоминайте по частям.

-- название

-- автор

ЧТО?

-- факты

-- содержание

О ЧЁМ?

-- проблемы

КАК ?

--критика

-- новизна

4) Читайте без проговаривания. Иначе вы никогда не сможете читать быстрее, чем говорите.

5) Читайте хотя бы 30-40 мин в сутки. Интеллигентный человек прочитывает 100 стр. в день.

6) Тренируйтесь с таблицами Шульте, что бы у вас расширилось поле зрения. Тогда вы сможете читать не только по слогам, словам, но и по страницам.

9 занятие.

Цель урока: рассказать о цветах, их смешивании, цветах радуги.

Приборы: вертушка цветная, вращательный компонент, призма прямого зрения, осветитель, цилиндрическая линза.

План- конспект: Сколько вы знаете цветов?

Называют.

Какие цвета в радуге?

Называют.

Какие вы знаете мнемонические фразы для запоминания порядка цветов.

Каждый охотник желает знать, где сидит фазан.

Или:

Как однажды Жак-звонарь голубой стащил фонарь.

Как расположены цвета в радуге?

(красный сверху)

Где ещё вы встречали радужную окраску? В ванне, раковине, аквариуме-- когда стекло как призма.

В технике используют призмы, например призму прямого зрения. (Показать)

Поместить в спектральные полосы разноцветные бумажки Показать и записать, что из этого выходит.

Объяснить, что данный опыт -- опыт смешивания красок. Дать несколько заданий по смешиванию красок в тетради . (Загодя сказать, чтобы принесли фломастеры, карандаши, краски.)

Потом показать смешивание света с проекционными фонарями. (См. подробнее в “Физических основах цветовой оптики”.

Домашнее задание. Нарисовать смешивание света. Спросите у старших, какие погрешности в одежде допускать нельзя.(о сочетании).Дать доклад на эту тему.

10 занятие.

Цель: Научить видеть дисгармоничное вокруг с целью его устранения в окружающей среде. Приучить к понятию гармонии и прекрасного. Провести тест Люшера, как выявляющий полезность курса. Мода: здоровое и патологичное.

Приборы: Слайды, фотографии, диафильм ”Цвет. Человек. Стандарты” диапозитивы.

План: Начать занятие с проведения теста Люшера.

Прослушать доклады о сочетаемом и не сочетаемом в одежде.

Дать понятие вообще о не сочетаемых цветах.

Рассказать о патологии в моде.

Пригласить на следующий курс.

Послесловие к первой ступени изучения цветовой оптики.

На первой ступени дети приходят подготовленные по-разному, в связи с этим не все дети способны усваивать большие объёмы информации, какие предлагаются в данном курсе, в расчёте на хорошо подготовленный класс. Поэтому для средне подготовленных классов разбить на два 2, 6, 7 на два. Для слабо подготовленных классов возможного деление большего числа занятий на две части.

Это не обходимо учитывать сразу, перед началом проведения первого занятия, чтобы все образовавшиеся занятия могли вписаться в школьный методический план.

Даже если в школе решением администрации не было отведено часов на изучение первой ступени цветовой оптики, следует во второй ступени на сколько возможно продублировать её. Концепцией цветового воспитания следует пользоваться всегда, в том числе и на обычных уроках физики. Как было отмечено выше, цветные опыты являются мощным безусловным раздражителем. Это является хорошим подспорьем при изучении материала, особенно в трудных местах, кроме того это подспудно учит эстетическому восприятию окружающего. А все вместе воздействия цветовой оптики сильно влияют на всестороннее развитие учеников.

Например в седьмом классе при преподавании темы “Давление” можно показывать равенство давлений в жидкости в аквариуме с помощью целлофанового пакета с подкрашенной водой.

При преподавании в том же седьмом классе диффузии следует наиболее широко использовать химические опыты: окрашивание фенолфталеина жидким нашатырным спиртом и его парами, показать диффузию в двух газах при помощи того же нашатырного спирта и паров соляной кислоты, показать растворимость в воде аммиака или хлороводорода, как проявление диффузии между жидкостью и газом, показать, реакцию между йодом (кристаллическим) и порошкообразным алюминием в присутствии воды, как следствие большей подвижности частиц в жидкостях нежели в газах, и наконец при демонстрации диффузии между двумя жидкостями желательно иметь обе жидкости подкрашенными. Это могут быть простая подкрашенная тушью вода и раствор соли также подкрашенный тушью другого цвета. Для этой цели можно использовать и раствор медного купороса с водой подкрашенной розово-малиновым раствором марганцовки.

Вторая ступень цветовой оптики.

Вторая ступень обучения призвана дополнить и расширить курс оптики в восьмом классе. Отличается более богатым материалом, очень высоким темпом преподавания. Главная цель углубить интерес к предмету. Дать пищу развитию интеллекта.

Вторая ступень удивляет и заинтересовывает, развивает творческое мышление, формирует навыки поиска новой информации, тягу к экспериментированию. Курс построен на сообщении информации, которая пробудит интерес к самостоятельному познанию. Однако, подача этой информации построена таким образом,, что у детей возникает чувство незаконченности, не завершённости. Это преследует две цели -- во-первых, провоцирует на самостоятельную работу и поиски новой информации по интересующей информации, а во-вторых способствует утверждению мысли, что вторая ступень курса цветовой оптики -- не последняя.

На второй ступени эксперименты усложняются, некоторые носят только познавательный характер. Количество экспериментов на уроке увеличивается, постановка требует большего времени и качества. Не все эксперименты воспроизводимы в домашних условиях, но появляются и фундаментальные, вызывающие интерес к цветовой оптике: смешивание цвета, измерение различных чувствительностей глаза.

Таблица № 33

№	Название урока.	Количество часов.
1	Применение прямолинейного распространения света. Источники света. Применение законов отражения на практике. Освещение с помощью зеркал. Задача на нахождение положения зеркала определённых параметров для получения наилучшего отражения. Наглядное представление необходимости говорить о прямолинейном распространении света лишь в однородной среде. Камера-обскура.	1
2	Построение изображение в прямых и кривых зеркалах. Зеркала сложных форм: параболические, гиперболические, эллиптические.	1
3	Полное внутреннее отражение. Линзы. Факультативные задачи на построение изображения в линзах.	1
4	Оптические приборы: микроскоп, телескоп, труба Галилея	1
5	Дефекты линз.	1
6	Дисперсия. Радуга. Спектр.	1
7	Криволинейное преломление. Миражи.	1
8	Действие света. Пределы яркостной чувствительности глаза.	1
9	Угловая чувствительность глаза. Острота зрения. Поле зрения. Угол свободы.	1
10	Чувствительность глаза к частоте мельканий. Вред мелькающего света. Особенности восприятия объектов в мелькающем свете.	1
11	Спектральная чувствительность глаза. Применение свойств дисперсии для разложения света в спектр.	1
12	История представлений о цвете. История цветового восприятия.	1
13	Цветовые стандарты. Классификация цвета.	1
14	Люминесценция. Флюоресценция. Фосфоресценция. Применение. Распространённость в природе.	1
15	Обманы зрения. Световые фокусы. Очевидное невероятное.	1
16	Действие цвета .Тест Люшера.	1
17	Гармония и прекрасное. Мода и здоровье.	1
И	того :	17

1 занятие.

Цель урока: сформировать понятие о главных законах оптики, к которым относится закон прямолинейного распространения света; применение закона прямолинейного распространения света; понятие о точечном источнике света; закон отражения; необходимость для прямолинейного распространения света однородности среды.

Приборы и принадлежности: обструганная доска из кабинета труда; лазер школьный, гелий-неоновый; аквариум с водным раствором тиосульфата натрия; лампочка для проведения лабораторных работ по оптике, Лампа накаливания на напряжение 220 В, две решётки от набора для демонстрации распространения электромагнитных волн, два больших плоских зеркала (передвижных).

План-конспект: Люди издавна заметили одно замечательное свойство света -- свет распространяется прямолинейно. Это его свойство мы используем в повседневной жизни очень часто. Вот перед нами доска. Она обстругана, но насколько ровна её поверхность? Ответ на этот вопрос даст свойство света. Посмотрим с торца и все неровности -- как на ладони видим все горбы и впадинки, если они есть. А бывает, что доска вроде бы ровная, но видим её с торца только до середины. Это значит, что доска имеет один горб посередине.

С помощью зрения можно провешивать путь: надо на всём протяжении ставить колышки. Если они сливаются в один, то всё нормально -- мы движемся прямо, а если отклонились, то последний колышек не совпадёт с остальными. Так, например, прямолинейное распространение света позволяет с помощью колышков или вех -- шестов устанавливать прямолинейные границы земельных участков, прокладывать прямолинейные лесные просеки, линии железных дорог, автострад, взлётные дорожки на аэродромах.

Этим явлением пользуются при измерении расстояния на море и в воздухе, а также для проверки прямолинейности кромок различных изделий: измерительных и чертёжных линеек, досок, планок. Это делается так, как я вам только что показывал.

Явление прямолинейного распространения света было известно, по крайней мере 2286 лет назад. Весьма вероятно, что понятие о прямой линии возникло из представления о прямолинейном распространении света в однородной среде: воздухе, воде, стекле при постоянной температуре и неизменном давлении.

Раньше я просто говорил о прямолинейном распространении света, а теперь вдруг заговорил о какой-то однородной среде.

-- Почему?

Дети должны ответить, что существует свойство преломления лучей на неоднородностях среды.

Вот сейчас мы с вами посмотрим опыт, в котором увидим, что вода, налитая в аквариуме содержит разное количество растворённой в ней соли тиосульфата натрия.

Показать опыт с лазером и аквариумом.

Показать также, что при доливании воды изменяется концентрация раствора, а вместе с ней и показатель преломления стекла, что в свою очередь влияет на искривление лазерного луча в аквариуме.

Поэтому надо всегда добавлять в определении прямолинейности распространения света, что это справедливо лишь в однородной среде.

Теперь скажите, какой моделью источника света мы пользуемся при описании источника света в геометрической оптике?

-- (ответ ученика) -- далее для краткости опускаются.

-- Правильно, мы предполагается, что он точечный. Но разве реальный источник света точечный ?

-- Какой источник света мы можем приближённо считать точечным?

-- Маленький по сравнению с чем? Ведь, если мы не указываем, относительно чего мы производим измерение или сравнение, то это сравнение теряет смысл.

Источник мы можем считать точечным, если его размеры малы по сравнению с расстояниями до этого источника.

Показать опыт с со скрещенными решётками от набора по демонстрации электромагнитных волн: показать, что если решётки сравнительно далеко от лампы накаливания, рассчитанной на напряжение 220 В, то тень получается чёткой -- квадратная решётка, затем, приближая ту же лампу к решёткам, увидим, что либо горизонтальная, либо вертикальная тень размывается и, наконец, становится неразличимой -- остаётся только тень от одной решётки.

Теперь, вместо большой лампы накаливания возьмём маленькую -- чтобы с помощью её получить размытие тени надо придвинуть почти в плотную к решёткам. Так большую лампу накаливания можно считать точечным источником света только когда расстояние от неё до решёток более 2 метров, а маленькую -- если расстояние до них меньше 10 см.

Теперь перейдём к следующей теме, А какой -- угадайте.

Для разминки пусть отгадают загадки про зеркало, приведённые в плане-конспекте занятия для первой ступени.

Вызвать кого-нибудь, чтобы для вспоминания начертил построение предмета в зеркале.

Далее обыграть момент получения многих изображений, как делалось это в первой ступени, с тем лишь отличием, что в восьмом классе это надо ещё начертить, как показано на рисунке № 40.

Рис. 40

Как можно заметить, чем меньше угол между зеркалами, тем больше изображений полу чается в зеркалах. Выведите формулу для расчёта количества изображений в зависимости от угла между зеркалами.

Она выглядит: N=(360/)-- 1, где -- угол между зеркалами.

А теперь проверим вашу зрительную сметливость: посмотрите на рисунок и скажите, заденет ли спортсмен планку. (Даны два рисунка в различных ракурсах; на одном из них изображен спортсмен, а на другой -- планка для прыжков высоту).

Оказывается спортсмен заденет планку пяткой. (Показать совмещенный рисунок).

2 занятие.

Цель занятия: научить строить изображение в зеркалах различной формы; научить распознавать виды изображений (или повторить названия изображений и условия их получения); отработать применение законов отражения для построения изображений в плоских и кривых зеркалах дать дальнейшие упражнения для тренировки внимания и наблюдательности.

Приборы и принадлежности: зеркало плоское, зеркала выпуклые и вогнутые, демонстрационные рефлекторы, маленькая лампа накаливания на подставке.

План-конспект. Провести часть занятия, посвящённую получению изображений от различных зеркал аналогично тому, как это описано в первой ступени. Изменить только необходимо рисунки, приведённые ниже (№№ 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47).

Рис. 41 Рис. 42

Рис. 43 Рис. 44

Рис. 45 Рис. 46

Далее все построения объясняются.

41 рисунок построен на основе закона отражения и закона прямолинейно-го распространения света. В начале чертятся два любые луча (по закону прямолинейного распространения света), затем чертится отражение этих лучей по закону отражения (угол падения равен углу отражения), и наконец, полученные лучи продолжаются за зеркало до пересечения.

42 рисунок выполнен с применением соображения, что кривое зеркало можно представить, как множество плоских зеркал. Соответственно в каждой точке падения луча на микроскопическую плоскость, проводится нормаль к данной поверхности и проводится отражённый луч, имеющий такой же угол с нормалью, что и падающий. Логично брать лучи, о которых мы заведомо знаем, как они пойдут: параллельные главной оптической оси (они пройдут через фокус зеркала) проходящий через двойной фокус (они придут на зеркало, совпадая с нормалью, поэтому и уйдут по тому же направлению) и наконец лучи, попадающие в вершину зеркала (они отразятся, как от плоского зеркала). Лучи продолжаются в глубь зеркала до точки пересечения. Эта точка и даст положение верхней точки изображения. Еще раз подчеркнуть, что изображение за плоскостью зеркала всегда являются мнимым.

Из этих соображений и строится ход лучей в зеркалах.

Рис. 47

Навести на мысль, что при различной кривизне зеркала ход лучей изменится. Вызвать ученика к доске и попросить начертить изображение удалённого на бесконечность источника, только сказать, чтобы брал лучи по всей площади полусферы. Аккуратно пересечь близкие отражённые лучи между собой. При этом получится, что разные лучи пересекаются в различных местах, которые лежат на, так называемой , огненной линии. Объяснить, что это происходит потому, что сферическое зеркало не обладает свойством собирать лучи в одну точку.

Далее попросить сделать на доске построение для другой формы зеркала другого ученика, а класс -- в тетрадях. Предложить им гиперболическую форму. Выяснить, что тоже лучи не сходятся в одной точке.

Попробовать тогда с параболическим зеркалом. Должно получится. Перед этим можно обыграть момент, что учитель помнит, что одна из поверхностей собирает лучи в одной точке, но не помнит какая.

Разобрать решение задачи “Как повесить зеркало?”. Для своего роста, зная длину зеркала, надо повесить зеркало под таким углом, чтобы в нём видеть себя целиком на определённом расстоянии от стены. Определить минимальные размеры зеркала для выполнимости этой задачи. Объяснение проводить при помощи рисунка № 48.

Рис.48

На рисунке показано, что при построении мнимого изображения, линии образуют большой . BC можно найти, сложив проекции расстояния от пола до глаз, длины стопы и радиус головы на прямую BC при выражении проекций расстояние до глаз умножается на cos , где -- угол между стеной и зеркалом. Далее вместо проекции двух длин -- расстояния от пола до глаз и радиуса головы можно их приближенно считать равными росту. При получении проекции на BC полученная сумма роста и добавочной длины тела DF, находимая из произведения тангенса угла наклона ЕС к стене на длину стопы умножается на cos , откуда можно выразить .

Высота нижнего края зеркала определяется из соображения, что перпендикуляр зеркала должен пересекать тело пополам. С другой стороны, этот перпендикуляр имеет угол дополнительный к со стеной. Зная расстояние до стены, можно определить положение зеркала на этой стене.

Из задачи можно сделать главный вывод: можно увидеть себя целиком в зеркале, высота которого меньше чем половина роста, для этого необходимо его повесить под углом к стене, как показано на рисунке.

В заключении необходимо напомнить, что мы пользовались моделью, при которой толщину человека считали равной 0. Но поскольку это не так, то минимальные размеры зеркала будут , если приклеить его к потолку. Из этих соображений можно найти её -- ширина зеркала должна равняется половине ширины плеч, а длина -- половине толщины человека.

Для дальнейшей тренировки зрительной памяти предлагается следующее упражнение. Учащимся показывается рисунок стола, накрытого скатертью, на котором расположены без определённого порядка обычные домашние вещи: заварной чайник, тарелка, блюдце с чашкой, чайная ложка, очки, книга, самовар, яблоко, конверт, нож. Учащимся даётся задание запомнить предметы и их расположение на столе. Через 2-3 минуты рисунок убирается из поля зрения. Затем с левого дальнего края стола указывается место, в котором собака потянула скатерть. Требуется сказать, в каком порядке будут падать вещи на пол. Учащиеся ничего не должны записывать и зарисовывать.

Домашнее задание: потренироваться дома с построением изображения в зеркалах, научиться запоминать и в правильном порядке называть падающие предметы.

3 занятие.

Цель занятия: научить строить изображения в системах линз, решать задачи на построение изображения в системе линз. Разобрать свойство линз, чей коэффициент преломления меньше, чем в среде, разобрать тему “Полное внутреннее отражение”, рассказать о его применении.

Приборы и принадлежности: линзы (раздаточный материал), линзы демонстрационные наливные, лабораторный источник света, источник питания, оптическая скамья или осветитель от оптической шайбы, аквариум с водой.

План-конспект.

1. задать вопросы для повторения материала, изложенного на первой ступени о линзах, построении изображений в них, видах изображений и условии их наблюдений.

2. Навести на мысль, что оптические свойства линзы зависят не только от формы, но также и от показателей преломления линзы и окружающей её среды. Показать на наливных линзах случай, когда коэффициент преломления линзы больше, чем среды (линза наполнена водой в воздухе) и меньше, чем у среды линза наполнена воздухом в воде, а также, случай, когда коэффициенты преломления линзы и воздуха равны. При демонстрации удобно использовать осветитель от оптической шайбы с параллельными прорезями для света; в этом случае расхождение и собирание пучков света очевидно и наглядно. Вода в аквариуме для этого опыта должна быть максимально прозрачна. Если же провести опыт с осветителем от оптической шайбы не представляется возможным, то следует использовать оптическую скамью, но для этого опыта воду брать лучше прямо из под крана, не отстоянную, чтобы в ней в достаточном количестве присутствовали частицы рассеяния.

3. Вызвать ученика к доске и на каком-нибудь примере вспомнить основные этапы построения изображения в линзе.

4. Дать оптическую схему глаза, как на первой ступени.

1.4 Способность к аккомодации. Наилучшим расстоянием для рассматриваемого предмета нормальным глазом является 25 см. Но предметы находятся на самых разных расстояниях, поэтому и глаз должен приспосабливаться к видению предметов на самых различных Такая способность аккомодацией. Аккомодация достигается путём мышечного усилия, изменяющего кривизну хрусталика. Пределы расстояний, на которые возможна аккомодация, носят название дальней и ближней точек. Для нормального глаза дальняя точка, находится на бесконечности и фиксируется без усилий, а ближняя -- на расстоянии, зависящем от возраста ( от 10 см для двадцатилетних до 22 см к 40 годам --- данные Ландсберга). В более позднем возрасте пределы аккомодации сужаются ещё более. Это называется старческой дальнозоркостью.

Близорукость приближает ближнюю точку, и она находится ближе, чем 25 см. Дальняя точка тоже приближается. Она находится на конечном расстоянии, иногда очень не большом. У дальнозорких же ближняя точка удаляется за отметку 25 см, в то время как дальняя лежит на отрицательном расстоянии , то есть дальнозоркий глаз может видеть даже сходящиеся пучки света.

Рис. 49

Как оптический инструмент дальнозоркий или близорукий глаз обладал бы целым рядом недостатков --- сферическая аберрация, хроматическая аберрация, астигматизм наклонных пучков света. Но именно эти “недостатки” являются достоинствами. Без сферической аберрации мы не смогли бы распознавать смешанные и монохроматические цвета. Оказывается зрение человека способно и на это ( правда не очень точно и часто по прошествии довольно продолжительного времени до некоторой усталости глаз ) ! Не обладай глаз астигматизмом, мы бы не смогли естественным путём увеличивать пределы аккомодации ( по одной из осей изображения ).

Решить задачу на подбор очков. Заполнить следующую таблицу.

Возраст, года	Ближайшая точка расстояния от глаз, м	Сила аккомодации, дптр.
10	0,07	14,9-14,6
15	0,08	12,0-12,3
20	0,10	--
25	0,12	--
30	0,14	--
40	0,22	--
50	--	4,9
60	--	2,1
70	--	0,25

Рассказать о женщине-микроскопе. Она на почтовой открытке написала и могла прочитать 327 000 слов или 800 страниц печатного текста. Был мужчина, который невооружённым глазом видел спутники Сатурна. У него было зрение 30 единиц.

6. Решить задачу на вычисление оптической силы линзы в системе линз. (Удобно использовать для этого задачник Гольдфарба, например № 2652).

7. Предложить таблицу 3 на 4, затем 4 на 3 и в каждом случае дать задание запомнить цифры и их расположение, показать, как можно в любом портрете человека найти достаточно элементов, похожих на цифры, чтобы запомнить, например его телефон. Показать как руками можно изобразить арабские цифры. Показать, что легче всего запоминаются числа в таблице, расположенной горизонтально со сторонами, относящимися как золотое сечение: 1:5^1/2 1,665...

4 занятие.

Цель занятия. Разобрать основные оптические схемы оптических приборов, Научится строить изображения в них.

Приборы и принадлежности. Микроскоп, телескоп, системы линз, моделирующие действия этих приборов.

План-конспект.

1. Предложить построить изображение в микроскопе, телескопе с рассеивающей линзой и трубе Галилея. Показать модели этих приборов: поставить линзы определённым образом, характерным для данного прибора и пригласить всех желающих посмотреть, что изображение получается согласно только что начерченному чертежу. Если имеются в школе микроскоп и телескоп показать их в действии и показать, например в микроскоп идеально отточенную бритву.

В качестве перехода от модели к реальным приборам. Указать, подчеркнуть и дать под запись, что оптические приборы увеличивают не предметы, а изображение.

5. Посчитать увеличение в линзе, микроскопе и телескопе.

6. Сделать вывод о причине реально не большого увеличения линзы. Дать понятие о максимально возможном увеличении микроскопа и указать причину существования такого изображения -- волновую природу света.

7. Рассказать о полном внутреннем отражении. Решить задачу с определением предельного угла. Показать волновод и построить ход лучей в волноводе.

8. Тренировка памяти представляет собой не только практические упражнения, но и теоретический материал. Так запомнить можно сам предмет, можно по ассоциации с каким-либо другим. На прошлом занятии мы запоминали цифры. Подумайте и назовите к каждой цифре ассоциацию, например цвет, вкус, запах, настроение. Таким образом запоминать не только цифры, но и события, книги фильмы,-- всё, что угодно. Предложить таблицу с числами (горизонтальную, формата 3*4).

5 занятие.

Цель занятия. Рассказать о дефектах линз, объяснить причины их возникновения, методику их устранения.

Приборы и принадлежности: линзы, обладающие чётко выраженными дефектами.

План-конспект. На прошлом занятии вы могли заметить, что изображение, полученное через линзы моделей различных приборов было неидеальным. На этом занятии мы разберём, какие бывают дефекты в линзах и как в хороших приборах они устраняются. Вы на прошлом занятии могли наблюдать, что при рассмотрении через телескоп изображение было яснее. Дело в том, что некоторые дефекты в линзах телескопа исправлены.

Самым основным дефектом является сферическая аберрация. Она присуща практически всем линзам за редчайшим исключением, так как почти все линзы делаются сферическими. Но это не идеальная форма для линзы и она даёт размытие изображения, как показано на рисунке 50.

Различают сферическую, хроматическую, кому, астигматизм. Вид изображений, полученных при этих аберрациях показан на рисунке 2 и рисунке 1 приложения.

Рис. 50

Например, при диаметре зрачка 4 мм сферическая аберрация?D достигает 1 дптр, равно , как и хроматическая аберрация. Для оптических приборов это большая величина. Поэтому Гельмгольц оценивал глаз, как плохой оптический прибор. Однако, для оценки не столько важна абсолютная величина, сколько относительная. Абсолютная сила глаза равна 58,64 дптр, тогда D/D=0,017, что является хорошим свидетельством добротности глаза.

Хроматическая аберрация глаза снижается также за счёт того, что глаз хуже видит красные и фиолетовые лучи, что характеризует кривая видности, изображённая на рисунке № 9.

Глаз обладает сферической аберрацией в очень малой степени, поскольку поверхность хрусталика не сферическая, а более сложной формы.

При нормальном зрении аберрации практически исправлены. Например, при яркости L=17 кд/м² диаметр зрачка d=3,63 мм и угловой предел разрешения глаза -- 0,64 полностью совпадает с дифракционным пределом. Это были даны характеристики аберраций для глаза. Но глаз -- сложная структура. Разберём более простые случаи -- дефекты в линзах.

Если сделать большой и точный чертёж преломления лучей в сферической линзе, то будет видно, что лучи в одну точку не собираются. Края такой линзы преломляют лучи света сильнее, чем середина и промежуточная область. Особенно хорошо заметна сферическая аберрация в шаровых линзах. (Раздать для ознакомления стеклянные шарики, выпускаемые заводом стекловолокна.)

На демонстрационном столе показать толстую сферическую линзу. Получить изображение с помощью этой линзы. Показать, что изображение размытое. Закрыть края линзы кольцевой диафрагмой, показать, что хотя изображение и стало бледнее, но чёткость его увеличилась.

-- Посмотрите через шарики на стол и другие предметы. Какие ещё дефекты вы видите?

-- Края предмета увеличиваются сильнее и смещаются от центра.

-- Правильно. Посмотрите на изображение, даваемое той же линзой от квадратной сетки. Вы видите, что изображение сетки деформировалось Её изображение стало похоже на подушку. Зарисуйте его. Такой вид дефекта изображения называется подушкообразной дисторсией. Запишите это.

Показать линзу с другим видом дисторсии.

-- Обратите внимание, если в изображении сетки, даваемой предыдущей линзой углы сетки вытягивались от центра, теперь они сжимаются. Форма сетки тяготеет к форме окружности. Зарисуйте вид изображения. Запишите, что этот вид изображения называется бочкообразной дисторсией.

-- Как вы думаете, как эти виды искажений получаются?

-- Они происходят из-за разности в увеличении центральных областей и краевых.

-- А это от чего зависит ?

-- От показателя преломления стекла.

-- Да, такая зависимость действительно наблюдается, но для небольших линз обычно она крайне мала. Что более существенно ?

-- Но ведь преломление должно быть на краях и в центре другим! Да конечно, но от чего оно ещё зависит? На прошлом занятии изучали.

-- От формы линзы. Да, конечно от несовершенства форм линз.

-- Тогда скажите, как можно исправить изображение, если имеется линза со значительной дисторсией, например , подушкообразного типа.

-- Надо использовать ещё и линзу с другой дисторсией.

-- Если мы поставим, например в объектив фотоаппарата ещё одну линзу, то изменится фокусное расстояние. Затем появляется сразу вопрос, куда её ставить, и наконец, будет ли таким образом устранена дисторсия.

-- Надо, чтоб одна линза была одновременно сделана из стекла с бочкообразной и подушкообразной дисторсией?

-- Правильно. А как это сделать?

-- Надо две линзы сложить вместе, чтобы не было пространства между ними и подобрать их силу такой, какая требуется.

-- Молодец! Действительно так и исправляют дисторсию.

Теперь посмотрим, какие ещё аберрации бывают. Показать астигматизм наклонных пучков.

-- При прохождении через толстую линзу под наклоном лучи от удалённого источника не собираются в одну точку. Причиной этому служит то, что лучи, проходящие через линзу в вертикальном (для определённости) направлении испытывают большее преломление, так как проходят в преломляющей среде большее расстояние, чем лучи, преломляющиеся в горизонтальном направлении.

В связи с этим наблюдается интересная картина собирающихся лучей. Они образуют пятно овальной, почти круглой формы. При удалении пятно сначала сжимается в направлении перпендикулярном наклону линзы, превращаясь в отрезок, затем превращается в окружность, поскольку в этом направлении сжатие изображения сменилось растяжением, и наконец, сжимается в направлении параллельном наклону, снова превращаясь в отрезок. После фигура расширяется, поскольку два фокуса линзы, соответственно в вертикальном и горизонтальном направлении уже пройдены.

Это явление называется астигматизмом наклонных пучков.

Зарисуйте изменение вида светового поля при прохождении горизонтального и вертикального фокуса линзы.

Иногда наблюдается явление астигматизма не связанное с наклоном линзы относительно потока лучей. Этому обязан дефект формы линзы, которая даёт чёткое изображение только на криволинейной поверхности, На пример на вогнутой или на выпуклой части сферы. В таком случае при точной фокусировке центра изображения, изображение на краях линзы размывается либо в горизонтальном, либо в вертикальном направлении. Это случается, когда кривизна средней части линзы не соответствует кривизне её краёв.

Существует ещё такой дефект линзы, как кома.

При этом края изображения фокусируются не чётко, как при сферической аберрации, кроме того имеется более чёткий вариант изображения, расположенный ближе к центру, тем самым искажая действительность.

И наконец, хроматическая аберрация. Её вид показан на цветной вклейке в приложении (рис. 1).

Её возникновение обусловлено наличием такого свойства сред, как дисперсия.

Дисперсией называют зависимость коэффициента преломления среды от частоты падающего излучения. В самом начале мы предполагали, что свет -- поток частиц. Но оказывается, что свет ещё проявляет и волновые свойства. А у каждой волны есть своя частота и период. Произведение длины волны на частоту является скоростью распространения данной волны в среде.

с=;n=n();

Чем выше частота, тем больше коэффициент преломления для этого света в данной среде. Эта зависимость сложна, поэтому для простоты её можно представить в виде с погрешностью 0,16%.

n= 0,5834

Но это не значит, что свет волна, или частица. По сути дела он не является ни тем ни другим, совмещая в себе свойства и того и другого . В этом специфика микрообъектов. Как мы помним, частицы света очень малы.

Если перейти вновь на корпускулярный язык описания частиц света, то можно сказать, что результатом дисперсии света будет является разложение его в спектр.

Хроматическая аберрация устраняется с помощью материалов, обладающих разной дисперсией.

Во всех случаях исправляются аберрации диафрагмами, которые вырезают лучи, дающие размытие изображения, чтобы работать с приосевыми лучами.

В качестве домашнего задания следует показать, что идеальной формой линзы является гиперболоид, ограниченный плоскостью.

Тренировка памяти. Предложить таблицу символов: пароход, знак рака и т. д. Пускай попробуют запомнить по ассоциации, как на прошлом занятии. Домашнее задание: тренироваться дома с запоминанием чего угодно.

6 занятие.

Цель занятия. Подробно ознакомить учащихся с понятием дисперсии. Выделить её проявление в природе, научить распознавать её и в быту. Радуга как частный случай проявлении дисперсии. Дать чёткое представление, что не всякая радужная окраска является следствием дисперсии.

Приборы и принадлежности: призма прямого зрения, оптическая скамья, трёхгранные призмы из флинта, из крона, зеркало, аквариум, осветитель, дифракционная решетка, мыльные плёнки, поляроиды.

План-конспект.

На прошлом занятии мы говорили, что результатом дисперсии является разложение света в спектр, или распределение их по сортам: красные, жёлтые, синие и т. д.

Оказывается, что дисперсия не только окрашивает изображения в линзах, она может проявляться на границе раздела любых двух сред. А узнаём мы о её проявлении по спектру. Солнечный спектр мы и называем радугой. Вы конечно давно видели красивейшее из явлений природы -- радугу.

-- Она является солнечным спектром, разложенным с помощью чего ?

-- С помощью дождя.

-- Разве дождь является средой ?

-- С помощью воды.

-- И так, у нас опять получилось две среды -- воздух и вода.

Давайте посмотрим опыт с призмой. Поставить щель и показать опыт с призмой Обратить внимание, что получается два спектра один удалённый на угол отклонения, а другой -- на 180 от первого. У радуги точно также, но тот, который претерпевает только преломление проецируется на фоне солнечного света, отражённого от неба и потому не виден. А тот, который отражается, виден нам как радуга под углом 42 по отношению к центру радуги. К стати теперь понятна форма радуги: дождинок много, и все они дают вклад в разложение света, если угол с направлением на наш глаз соответствует 42 Таких положений бесчисленное множество, но все они лежат на образующих конуса с высотой которого составляют угол 42. В сечении образующие образуют окружность, но мы видим лишь часть этой окружности, поскольку капель дождя ниже видимого горизонта попадает мало, да и трава обладая неровным фоном сильно маскирует. Скажите, у радуги какой самый верхний цвет? Какой самый нижний? Скажите порядок цветов в радуге, скажите все мнемонические правила для их запоминания.

Когда мы в классе изучали закон преломления, мы рассматривали лучи различного света, как один. Посмотрите ещё раз на экран. На какой угол отклоняются разноцветные лучи ?

Ученик подходит, измеряет угол отклонения и сообщает классу 50 (стоит призма из лёгкого крона).

А теперь померим угол, на который лучи расходятся -- 1-2 Значит мы не очень погрешили против истины, когда считали эти лучи как один.

Только что мы ещё раз получили подтверждение закона преломления -- угол, на который отклоняются лучи в радуге 42 градуса, а в стеклянной призме -- 50,то есть больше. Давайте проверим, подсчитав по формуле правильно ли мы померили угол. Коэффициенты преломления возьмите в таблице. Считают, получают -- всё верно.

-- Как вы думаете, если я поставлю теперь призму из более оптически плотного стекла, я получу спектр более или менее широким?

Разобрать: длина волны прежняя; изменился коэффициент преломления -- больше коэффициент преломления -- больше угол преломления, поэтому и спектр станет более широким.

Давайте проверим, что я вас не обманываю.

Показать с тяжёлым флинтом. Спектр действительно шире.

Но не всегда удобно пользоваться трёхгранной призмой. Поэтому люди придумали призму прямого зрения. Она составлена из трёх призм, где средняя имеет самый большой коэффициент преломления. Дважды преломлённый луч, подает на основание призмы, под большим углом к нормали, где испытывает полное внутреннее отражение, затем ещё два раза преломляясь до выхода из призмы и вследствие симметрии проходит параллельно основанию. Но так бы было, если бы у нас на призму падали лучи одного сорта. Но поскольку у нас спектр излучения непрерывный, то и лучи в следствии дисперсии отклонятся на различные углы.

-- Определите, где у призмы прямого зрения находится основание. Что для этого надо помнить ?

Если группа молчит, то наводить вопросами:

-- Какой луч преломится сильнее?

-- Фиолетовый.

-- Начертите разложение, преломление, отражение, затем ещё два преломления -- лучи еще сильнее разошлись. Так скажите, если у меня фиолетовый справа, то основание большой призмы будет справа или слева? Правильно, слева.

Давайте теперь получим дисперсию, что называется, в домашних условиях.

Показать дисперсию с аквариумом, наполненным водой и зеркалом. (При разложении света в спектр на границе водораздела. Затем разложенный свет отражается зеркалом на экран, расположенный в стороне источника света, попутно испытывая повторное разложение на границе водораздела). Показать этот опыт со щелью. Спросить, зачем нужна эта щель.

Показать, что без щели получаются лишь красная и синяя полоса по краям белёсого пятна. Попросить объяснить.

Рассказать о применении дифракции в спектроскопии. Обратить внимание, на непрерывность солнечного спектра. Показать газоразрядную трубку, сказав, что спектры бывают и дискретными.

Во всех расчётах мы считали коэффициент преломления воздуха, равному 1. Но это верно только в не очень точных приближениях. N_{воздуха}=1,0004. Поэтому, лучи от солнца, попадая в земную атмосферу разлагаются в спектр. Это можно видеть лишь на закате или восходе только в очень ясную и спокойную погоду. Лучи солнца преломляясь в воздушной призме отклоняются к основанию, то есть к земле. Это значит, что такое явление можно наблюдать сразу после захода Солнца или перед восходом. Зелёные и синие лучи плохо видны: во-первых они сильно поглощаются в атмосфере, а во-вторых к ним наш глаз менее чувствителен, чем к жёлтым (при ярком освещении). Поэтому после созерцания заходящего Солнца это увидеть не удаётся. Но на восходе зелёные, а в очень спокойную погоду даже синие лучи хорошо видны.

В качестве повторения показать опыты по интерференции в тонких плёнках, разложению света дифракционной решеткой и радужную окраску при прохождении света через два поляроида и материал между ними, испытывающий механическое напряжение. Каждый раз при просмотре нового опыта дети должны отвечать, что они видят красивую картинку, но к дифракции она не имеет никакого отношения. Как было подробно описано ранее, эти опыты имеют ещё и громадный эстетический заряд, что является рекомендацией их показывать при первом удобном случае. После демонстраций сказать, что все показанные явления мы будем изучать в одиннадцатом классе, а более подробно -- на третьей ступени факультатива.

Тренировка памяти. Предложить новые картинки, в которых представлены различные фигуры, которые надо отождествить с каким-нибудь животным. Показать новые картинки, на которых изображены фигурки, означающие предметы действия. Их надо запомнить по действию, которое они совершают.

Показать одну картину, затем аналогичную с недостающими элементами. Учащиеся должны назвать все недостающие элементы, используя два принципа запоминания.

7 занятие.

Цель занятия. Дать понятие о распространении света в неоднородной среде. Рассказать о миражах.

Приборы и принадлежности. Диафильмы, киноматериалы соответствующего содержания, “Факультативный курс” Пёрышкина и Чемакина, аквариум маленького объёма с неравномерным по концентрацией раствором гипосульфита натрия (хлоридом натрия) или серной кислотой, раствором спирта, лазер ЛГ 206 или оптическая скамья.

План-конспект. Свет может распространятся в разных средах раньше мы изучали его распространение в однородных средах, посмотрим, что изменится при прохождении света в неоднородной среде.

Показать опыт.

-- Наблюдаемое явление как будто противоречит закону прямолинейного распространения света. однако причину явления не трудно объяснить. Здесь имеет место прохождение света сквозь неоднородную жидкость. Действительно, вследствие диффузии граница раствора и воды исчезла и образовался раствор с постепенно уменьшающейся с высотой оптической плотностью. Вы видели полное внутреннее отражение от различных слоёв жидкости, только оно было не прямолинейным.

Оптически неоднородной средой может быть такая Среда (газ, жидкость, твёрдое тело), в которой оптическая плотность уменьшается или увеличивается непрерывно и постепенно, в зависимости от температуры и давления. Поэтому в неоднородной среде скорость света изменяется непрерывно и постепенно, следовательно в ней не наблюдается резкого изменения направления распространения света.

Такое же явление возникает и в земной атмосфере, так как её оптическая плотность уменьшается с высотой. Поэтому лучи от небесных лучей преломляются и мы их видим не там, где они находятся на самом деле. Это явление называется атмосферной рефракцией. Она наиболее сильна у горизонта. Из-за этого мы можем видеть, например восход солнца 4 минуты раньше, чем мы бы видели, если бы атмосферы не было.

В спокойном воздухе в ясные дни, в особенности в утреннее и предвечернее время, над горизонтом на фоне неба или под линией горизонта иногда возникает прямое или перевёрнутое изображение наземных предметов, скрытых от нашего взора различными препятствиями. Это есть мнимое изображение в атмосфере или мираж.

Иногда это бывает очень красиво и удивительно.

Оптическая плотность земной атмосферы, кроме того, что она уменьшается с высотой, вблизи земной поверхности зависит от температуры самой поверхности.

Наблюдениями установлено, что рано утром или после жаркого дня и безветренной ночи слой воздуха вблизи поверхности почвы или моря холоднее выше лежащих слоёв воздуха. Его оптическая плотность поэтому выше, чем верхних слоёв. поэтому свет, отраженный от предметов в приземном слое воздуха, преломляется вверх, к менее оптически плотным слоям. В результате свет огибает поверхности суши или моря. Такие миражи называются верхними. Они отличаются чёткостью изображения предметов, находящихся на больших расстояниях от наблюдателя. Например мираж сражения при Ватерлоо в июне 1815 года наблюдали жители бельгийского города, отстоящего от места сражения на 800 км. Удивительный мираж корабля, попавшего в шторм у берегов Чили, видела в 1898 году команда другого корабля в Тихом океане за 1700 км. Далёкий корабль, гонимый бушующими волнами нёсся на корабль наблюдателей (конечно, это было только изображение), а затем исчез в далию.

Иногда встречаются миражи (особенно в горах) когда некоторые предметы отбрасывают колоссальные тени на облачном небе (например, при закате).

Наблюдаются миражи и над горячими поверхностями. Такие миражи часты в пустынях. Они кажется расположенными под горизонтом, поэтому называются нижними.

При таких миражах наблюдаются перевёрнутые изображения.

Вместо дороги в точке, где виден предмет, у наблюдателя возникает иллюзия озера, будто дорога уходит в воду, в которой и видно отражение.

В миражах над сильно нагретой поверхностью изображение может быть и перевёрнутым. Вы видели это в опыте с аквариумом и лазером: когда коэффициенты преломления сильно отличаются можно увидеть и многократное отражение. В этом случае миражи вводят в наблюдателей настолько сильно, что им кажется, будто они видят реальную действительность. В знойных песках пустыни утомлённые путешественники, увидев мираж оазиса или озера, стремятся их достигнуть, но глубоко разочаровываются, когда мираж отодвигается и исчезает.

Представить себе, как велика бывает зрительная иллюзия миража, достаточно привести следующий пример. 11 марта 1917 года в Месопотамии было прекращено сражение между турецкими и английскими частями, так как противники стреляли не друг в друга, а по мнимым целям, то есть по миражам.

Тренировка памяти. Упражнение с окном мнемониста.

Вначале из ватмана изготовляется окно. Это квадрат 80*80 см, окружённый черной каймой 3 см и разделён крестом толщиной 1 см на 4 равные части.

1 упражнение: поместить в левый верхний квадрат символ, используемый в работе с таблицами для тренировки зрительной памяти. Созерцать его 15 мин. Закрыть глаза, представить, его послеобраз. Заставить послеобраз двигаться в на правлении к другому квадрату. Стремиться увидеть в естественном, а не в негативном свете.

Окно мнемониста -- великолепная структура для запоминания.

8 занятие.

Цель занятия. Показать действие света на материалы различной окраски, рассказать и показать его действие на изменении химического состава вещества, на разложении красок, на изменении заряда облучаемых тел. Дать представление о яркостной чувствительности глаза.

Приборы и принадлежности: снег, лоскутки материи различного цвета, мощный источник теплового излучения (в снежное время года -- Солнце), засвеченная фотоплёнка, заряженный электрометр, дуговая лампа или другой источник УФ излучения, затемнение.

План-конспект. Какие действия света вы знаете ?

-- Тепловое.

-- Правильно.

Показать опыт со снегом.

-- Мы только что видели, что менее всех утопился в снег белый кусок ткани. Как вы думаете, рационально ли создала природа белого медведя белым?

-- Нет.

-- Но природа, оказывается ошибок не делает. Делаем их только мы с вами. Белый медведь выглядит белым, так как верхние волоски его шерсти состоят из прозрачных трубчатых волокон. Ниже расположена чёрная шерсть. Которая и поглощает солнечные лучи. Кроме того, медведь греется также и снизу. Пустотелые волоски предохраняют медведя в отсутствии солнечного излучения. Белый свет как плохо поглощает так плохо и излучает. И медведь не переохлаждается в долгие полярные ночи.

А вы знаете, что сделан световой утюг, у которого гладящая поверхность сделана из жаропрочного стекла. Он даёт тепло, видимый свет, чем полезен при оценке его работоспособности и УФ, так как лампа очень мощна. Из его достоинств является бесспорным то, что он нагревается почти мгновенно, так же быстро нагревает гладящееся изделие и наконец, ультрафиолетовое излучение обеззараживает ткань.

Светом оказывается ещё и лечат. все вы знаете, что лёгкий загар полезен, потому что под действием ультрафиолетовых лучей в коже синтезируется вместе с пигментом и витамин D. Это известно всем и известно давно, но мало кто знает, что гелий-неоновым лазером лечат ишемическую болезнь сердца, как наружно, так и внутренне: с помощью волноводов в вену вводят свет этого лазера В процессе исследований обнаружено, что свет лазера помогает увеличить пластичность мембран капилляров, что только благотворно сказывается на лечении больных.

1 вариант. (Не снежное время года).

Заранее приготовить толченый лёд и покрыть таз с этим льдом лоскутками материи (тонкой!!) различного цвета. Над тазом на расстоянии 40-50 см разместить электронагреватель с рефлектором мощностью 1кВт.

2 вариант.

Заранее сказать детям, что в такое место кладу лоскутки. Желательно, чтобы они при этом присутствовали. Через несколько дней проверить.

В результате опыта видно, что все лоскутки углубились на разную глубину. Белый остался на поверхности, а чёрный ушёл в снег глубже всех. Объяснить детям, что цветная материя поглощает свет с различной интенсивностью. Чёрная поглощает практически весь поток энергии, даваемой Солнцем, а белый практически всё отражает. Чёрный превращает всю полученную энергию в тепло. Таким образом, хотя в этот день (если делать этот опыт на улице) может быть и минусовая температура воздуха, тепло света растопит под лоскутками снег, что и послужит причиной их углубления. Оказывается свет действует не только на человека, но и на растения.

Для улучшения урожая путём сохранения в земле почвенной влаги, а также для борьбы с сорняками грядки покрывают плёнкой. Такой процесс называется мульчированием. Раньше считалось, что плёнка должна иметь черный цвет чтобы земля сильнее прогревалась, однако опыты показали, что для растений важен цвет мульчи и при определённом цвете урожай получается максимальный. Так при применении красной мульчи, наивыгоднейшей для томатов урожай поднялся на 20 %. Картофелю и сладкому перцу больше подходит белая мульча. Урожай соответственно повышается на 25 и 20 %.

Рассказать, что раньше бельё отбеливали на солнце. Причиной отбеливания были тогда УФ лучи, которые разлагали молекулы краски. Сейчас мы имеем дело с фотоаппаратами, которые действуют, используя действие света на соединения плёнки. В результате действия лучей света происходит, как и в случае с отбеливанием белья химическая реакция, результатом которой в данном случае является получение свободного серебра, которое и имеет чёрный цвет.

Рассказать, что свойства света зависят от его длины волны. Рассказать, что коротковолновые лучи более энергичны.

Дать таблицу:

Диапазон длин волн, мкм	Энергия у поверхности Солнца %.	Энергия у поверхности Земли %.
0,3-0,4	5	1
0,4-0,75	52	40
0,75-2,3	45	59

Далее показать опыт по разрядке электрометра, заряженного отрицательно светом дуги или другого источника, дающего ультрафиолетовый свет, пояснив при этом, что свет обладает также и электрическим действием.

Но действие света распространяется также и на наши глаза.

При переходе к новой теме я расскажу вам про один интересный опыт . Возможно мы его как-нибудь с вами проделаем.

Оказывается, что дождевые капли вибрируют. Они изменяют свой диаметр лишь на 0,3 % , но это даёт интересный эффект -- капля начинает рассеивать свет гораздо сильнее. Вибрирующая капля даёт вспышки рассеяния света, превышающие в десятки раз рассеяние света неподвижной каплей.

Для этого достаточно в тёмное время суток направить вверх неширокий яркий луч любого стабилизированного источника света и посмотреть на падающие капли под углом 40-50 градусов к горизонту.

...