Реферат: Формування знань учнів з розділу "Оптика"

Реферат: Формування знань учнів з розділу "Оптика"

Міністерство освіти і науки України

Вінницький державний педагогічний університет

імені М. Коцюбинського

Інститут перспективних технологій, економіки фундаментальних наук

Кафедра методики викладання фізики та інформатики

Реферат на тему

Формування знань учнів з розділу "Оптика"

Студент

спеціальност "математика і фізика"

групи 5АМФ

БРАЦЮК Юрій Олексійович

Перевірив:

кандидат фіз. - мат. наук, доцент

ЗАБОЛОТНИЙ В.Ф.

Вінниця-2007

Зміст

1. Структура курсу оптики і зв'язок його з іншими розділами фізики

2. Особливості викладання оптики

2.2 Проблемний підхід до вивчення оптичних явищ

2.2 Специфіка демонстраційного експерименту з оптики

2.3 Лабораторні роботи, фронтальний експеримент і роботи фізичного практикуму з оптики

2.4 Розв'язування задач з оптики, домашні досліди спостереження

3. Методичні особливості вивчення геометричної оптики

3.1 Що вивчає променева оптика. Закони відбивання заломлення світла

3.2 Відбивання гомоцентричних пучків світла від плоских сферичних поверхонь. Дзеркала

3.3 Заломлення гомоцентричних пучків світла на плоских поверхнях. Повне відбивання світла

3.4 Заломлення гомоцентричних пучків світла на сферичних поверхнях. Лінзи. Аберація лінз. Об'єктиви

1. Структура курсу оптики і зв'язок його з іншими розділами фізики

Оптика (яка в середній школі включає також елементи атомної фізики) - передостанній розділ фізики. Вона ґрунтується значною мірою на матеріалі, який раніше вивчався в механіці і електриці, доповнює його й підносить на вищий якісний рівень. Явища та закономірності, що вивчаються в оптиці, складніші, ніж у попередніх розділах фізики, проте учні підходять до їх вивчення більш підготовленими, тому цей матеріал сприймається без особливих труднощів. І під час вивчення оптики слід ти від простого до складного, від відомого до невідомого, з тим щоб сприймання було глибшим і фундаментальнішим.

Отже, не випадково, в підручнику виклад починають з геометричної (або променевої) оптики, потім, вивчається хвильова оптика, а за нею квантова (чи корпускулярна). Такий розподіл матеріалу дає можливість розглянути основні властивості світла у порядку їх ускладнення - властивості прямолінійно поширюватися в однорідному просторі, хвильові й корпускулярні властивості.

Ці розділи оптики охоплюють питання, пов'язані з випусканням світла, його поширенням у простор та взаємодією з речовиною. Послідовність вивчення оптики з установленням основних логічних зв'язків між частинами навчального матеріалу, а також технічні застосування оптики подано на схемах (мал.1 і 2).

Заключний розділ курсу електрики - електромагнітні хвилі - є безпосередньою ланкою у переході до вивчення оптики, що підтверджує нерозривний зв'язок електричних і оптичних явищ. У цьому розділі встановлюється електромагнітна природа світла, доказом чого факт збігу числового значення швидкості світла і хвиль Герца. З електромагнітної природи світла безпосередньо випливають його хвильов властивості. Зробимо застереження щодо деяких термінів. Маючи на увазі природу світла, говоримо, що вона електромагнітна. Хвильові, корпускулярні особливост світла, особливість прямолінійного поширення називаємо його властивостями. Пізнавальну цінність тут має короткий історичний екскурс в історію розвитку хвильових уявлень про світло (X. Гюйгенс, М.В. Ломоносов, Л. Ейлер, Т. Юнг, О. Френель, Д.К. Максвелл, Г. Герц).

Послідовність викладання оптики здійснюється відповідно до трьох основних властивостей світла. Властивість світла прямолінійно поширюватися в однорідному середовищі лежить в основі променевої або геометричної оптики. У цьому розділ основними є поняття променя та пучків променів із спільним центром (гомоцентричн пучки променів). На самому початку вивчення променевої оптики подається поняття про енергетичні фотометричні величини. Розділ власне фотометрії, де вводиться поняття про світловий потік, найкраще дати в кінці курсу оптики. Променева оптика пояснює будову та дію основних оптичних приладів.

З другою властивістю світла - хвильовою - пов'язаний наступний розділ оптики - світлові хвилі. Одним з центральних тут є поняття про швидкість поширення світла. З вивченням ц величини пов'язаний розвиток оптики, теорії відносності та інших розділів фізики. Швидкість світла входить до фундаментальних фізичних констант. Історичну цінність має астрономічний метод визначення швидкості світла, запропонований Ремером. Методично важливим є метод Фуко, бо він вперше довів, що в оптично густіших середовищах світло поширюється повільніше, ніж в оптично менш густих. Важливо також спинитися на сучасних методах визначення швидкості світла. При цьому треба підкреслити скінченність величини швидкості світла, її інваріантність, незалежність від руху джерела.

Вивчаючи інтерференцію світла, насамперед треба розглянути закон незалежності поширення світлових пучків, принцип суперпозиції, а потім - умови інтерференції: наявність когерентних хвиль і однакового напряму коливань електричного вектора. Варто відзначити, що когерентні хвилі можна дістати або за допомогою дзеркал, призм, коли схрещуються дві частини того самого пучка світла, або розщепленням пучка світла на дві частини тонкими прозорими плівками. В обох випадках пучки світла утворюються від одного й того самого джерела світла. До створення квантових генераторів було неможливо утворити стійку інтерференційну картину від двох незалежних джерел світла. Важливо спинитися також на питанні перерозподілу енергії в інтерференційному полі, і на тому, що при цьому виконується: закон збереження енергії.

Технічн застосування інтерференції свідчать, як часом в оптиці найпростішими засобами можна досягти дуже великої точності вимірювань (пробні скельця).

Важливий етап формування уявлення про світлову хвилю - визначення її довжини. Досліди з інтерференц світла, наприклад з біпризмою, дають таку можливість. Звідси легко перейти до визначення метра в довжинах світлових хвиль згідно з міжнародною системою одиниць СІ.

Для пояснення явища дифракції світла розглядають принцип Гюйгенса. Зазначають, що ним легко пояснюються закони відбивання й заломлення світла, а показник заломлення пов'язується з швидкостями поширення світла у відповідних середовищах. Принцип Гюйгенса дає змогу пояснити якісно картину дифракції, а доповнення до нього, зроблене Френелем, - описати її кількісно.

Важливим висновком з теорії дифракції є положення про роздільну здатність ока та оптичних приладів. Із застосувань дифракції заслуговує на увагу дифракційна решітка.

Вивчення явища поляризац світла дає змогу довести поперечність світлових коливань. Це положення ма принципове значення для підтвердження електромагнітної природи світла, бо електромагнітні хвилі поперечні. Закінчується цей розділ розглядом прикладів застосування поляризації світла.

Наступний розділ оптики пов'язаний з взаємодією світла з речовиною, В ньому розглядаються види випромінювань, джерела світла та спектри випромінювання. Взаємодія світла з речовиною є суто квантовим явищем. Тому тут вводиться поняття про квант енергії світла, про елементарну частинку світла - фотон і прояв квантових властивостей світла у фотоефекті, фотохімії та люмінесценції. Розглядаються досліди П.М. Лебедєва з вимірювання тиску світла. Особлива увага приділяється вивченню процесів випускання та вбирання фотонів нагрітими газоподібними тілами.

Закінчується вивчення оптики розглядом фотометрії та світлотехнічних вимірювань.

2. Особливості викладання оптики

2.2 Проблемний підхід до вивчення оптичних явищ

Революція в природознавстві, технічний прогрес сприяють швидкому розвитку наук, у тому числі й оптики. Потік інформації стає все більшим, і навіть спеціалістам важко його осягнути. Певна частина цієї інформації потрапляє у навчальний матеріал школи. Щоб учні справилися із зростаючим навантаженням, процес навчання ма бути творчим, з активним і, значною мірою, самостійним оволодінням знаннями. Вчитель повинен не лише давати суму конкретних знань, а й навчати робити самостійн висновки на їх основі, прищеплювати учням навички творчого мислення.

Одним із засобів реалізації цього положення е проблемний підхід до вивчення основ наук. Найважливіша особливість проблемного навчання, що відрізняє його від пояснювально-ілюстративного, полягає в тому, що знання подаються учням не в готовому вигляді, а як проблеми для самостійного розв'язання. Здійснюючи пошук, учні самі здобувають знання. А здобуті зусиллям власної думки знання свідоміше засвоюються та міцніше закріплюються. Саме навчання стає для учнів цікавішим, прива6ливішим.

Звичайно, проблемний підхід до вивчення навчального матеріалу не варто протиставляти ншим видам навчання. Як і завжди, більша частина знань, передбачених програмою, подається у готовому вигляді за допомогою ілюстративного та репродукційного методів і лише частину знань учні можуть здобути в результат самостійного пошуку. В цьому проявляється єдність відтворюючої і творчо діяльності учнів. Творча пізнавальна діяльність їх не можлива без відтворення раніше засвоєних репродуктивним методом знань. Відтворення і творчість - дв сторони єдиного цілісного процесу пізнання.

Початком будь-якого методу проблемного навчання є проблемна ситуація. Тому треба вміти створити її або вдало скористатися нею, коли вона виникне.

Перелічимо проблемні ситуації в курсі оптики. Одні з них хоч і не можна розв'язати на основі попередніх відомостей, але з доповненнями вони стають зрозумілими ще в межах цього розділу оптики, а інколи навіть на поточному уроці. Інші можна розв'язати, лише перейшовши до нового, якісно відмінного розділу оптики: наприклад, проблему, що виникла в променевій оптиці, можна розв'язати тільки під час вивчення хвильової або фотонної і т.д.

Розглянемо останній вид проблемних ситуацій. У променевій оптиці виникає кілька ситуацій, які є проявом однієї і тієї самої проблеми. Це:

1) наявність граничного кута зору для ока;

2) залежність роздільної здатності телескопа від величини його діаметра;

3) наявність граничного корисного збільшення для мікроскопа.

Всі ці три проблемні ситуації розв'язуються в наступному розділі оптики під час вивчення явища дифракції світла. Справді, в хвильовій оптиці при вивченні дифракц розповідається, що зображення світної точки не є точка, а невеличкий світний кружечок. Перекривання кружечків для окремих точок призводить до обмеження роздільної здатності ока, зорової труби, мікроскопа.

Сам перехід від променевої оптики до хвильової можна побудувати так. Ще раз підкреслюємо, що хоч у променевій оптиці ми скористалися лише однією властивістю світла - прямолінійно поширюватись, і висновком з неї - променем, ми змогли пояснити будову цілого ряду оптичних приладів. Проте світлові процеси складні і не дивно, що ряд питань, наприклад, пов'язаних з роздільною здатністю, тут пояснити ми не можемо. Так, з геометричних міркувань променевої оптики зовсім незрозуміло, чому не можна розглядати все дрібніші деталі на предметі, поставивши один мікроскоп на другий. На всі ці питання знайдемо відповідь у хвильовій оптиці, в якій, крім властивості світла поширюватися прямолінійно, скористаємося ще й хвильовими його властивостями.

У хвильовій оптиц такою проблемною ситуацією є наявність різних видів спектрів, що ми їх демонструємо, вивчаючи явища дисперсії. Існування за одних обставин лінійчастих спектрограм, а за інших - суцільних можна пояснити лише в межах наступного розділу - фотонної оптики. Про це варто ще раз нагадати учням, переходячи від хвильової до корпускулярної (квантової або фотонної) оптики.

У фотонній оптиц такою проблемною ситуацією є неможливість пояснити походження гамма-випромінювання в межах відомостей про будову атома. Тільки перехід до нового розділу - ядерної фізики - допоможе відповісти на це питання.

Розглянемо проблемні ситуації, які розв'язуються в межах окремих розділів оптики. Вони, як правило, виникають (або їх треба створювати) під час переходу від одних понять до інших. Так, у променевій оптиці відбивання гомоцентричних пучків променів світла від плоских поверхонь змінює лише їх напрям і не створює дійсного зображення. Як же його в такому разі утворити? Відповідь на це проблемне питання знаходимо у. застосуванні вгнутих сферичних дзеркал. Проста лінза не дає якісного зображення через наявність аберацій. Що ж треба зробити, щоб утворити таке зображення? Ця проблемна ситуація розв'язується застосуванням комбінації лінз - об'єктивів. Фотоапарат це всі точки просторового предмета відтворює чітко на фотопластинці - застосовуємо діафрагму. Одного лише джерела світла та об'єктива не досить, щоб утворити на екрані проекцію діапозитива потрібної якості. Вихід - застосування додаткової лінзи (або системи лінз) - конденсатора. Ввівши додатковий об'єктив при створенні спектрографа, зможемо скористатися призмою таким чином, щоб вона не впливала на якість зображення.

Цікава проблемна ситуація виникає при розгляданні оком предмета, коли він розміщений ближче від ближньої точки - в цьому разі застосовують допоміжну короткофокусну лінзу - лупу. Проблему збільшення кута зору на предмет, до якого немає змоги наблизитись, розв'язують наближенням до ока дійсного зображення цього предмета, утвореного об'єктивом, а збільшити кут зору на дуже малий предмет можна аналогічно, утворивши за допомогою мікрооб'єктива збільшене дійсне зображення предмета, яке розглядають через лупу.

У хвильовій оптиц до таких проблемних ситуацій можна; віднести виникнення кольорових смуг під час освітлення тонких плівок, подвійне променезаломлення в анізотропних кристалах, розмивання зображення в камері-обскурі при значному зменшенні розміру діафрагми та ін.

У фотонній оптиц проблемні ситуації виникають, коли спостерігають відмінності лінійчастих спектрограм, що належать різним хімічним елементам; при спробі пояснити виникнення характеристичних рентгенівських спектрів; під час пояснення далекого нфрачервоного випромінювання тощо.

Наведені приклади свідчать про широкі можливості застосування проблемного навчання в курсі оптики.

2.2 Специфіка демонстраційного експерименту з оптики

Особливістю оптичних дослідів є те, що більшість з них слід проводити в повністю або частково затемненій аудиторії; демонстрування окремих явищ потребує штучних прийомів для того, щоб зробити світлові лучки видимими всьому класу, а для цього потрібні пояснення; в окремих випадках в утворенні зображень бере участь око спостерігача, отже, для всіх учнів класу повинні бути однакові умови для дослідів і спостережень.

Ці особливост оптичного експерименту вимагають від учителя виконання всього комплексу фізичного експерименту: демонстраційних дослідів, лабораторних робіт фронтального експерименту, практикуму, самостійних домашніх дослідів. Самостійн досліди і спостереження з оптики мають велике значення, тому методику виконання цього виду експерименту докладно розглянемо пізніше.

Промисловість випускає достатню кількість оптичних приладів, які в сукупності з деякими побутовими приладами забезпечують можливість викладання оптики на експериментальній основі.

У шкільній практиці часто використовуються оптичні прилади, в яких за допомогою вузьких щілин, діафрагм, ребристих поверхонь, дзеркал штучно поділяють світлові пучки на окремі частими (наприклад, оптична шайба). Такі прилади лише відтворюють у динаміці креслення на дошці. Методисти, зокрема Л.І. Рєзников, не відкидаючи цінності таких приладів, рекомендують ставити досліди з усім світловим потоком, що падає на плоскі й сферичн поверхні та лінзи, поєднуючи їх з утворенням зображень освітлених або самосвітних предметів. Досліди з приладами типу оптичної шайби - проміжні між малюнком і демонстрацією самого явища.

Оптичн вимірювання умовно поділяють на дві групи: вимірювання властивостей речовини характеристик оптичних приладів (показник заломлення, фокусна відстань, збільшення тощо) і вимірювання самого випромінювання (світловий потік, сила світла, довжина світлової хвилі тощо).

Бажано урізноманітнювати досліди з оптики на ту саму тему. Це збуджуватиме в учнів нтерес до вивчення фізики, сприятиме розвитку їх фізичного мислення, привчатиме знаходити спільне в різних дослідах і пояснювати суть явища. Для світлових вимірювань доцільно широко використовувати термопари, фотоелементи та нші датчики, навіть до того, як учні вивчатимуть їх. Досить тільки сказати дещо про принцип дії цих датчиків.

Ефективність демонстраційних дослідів з оптики неабиякою мірою визначається потужністю джерела і спектральним складом його світла. Широко використовуються потужн лампи розжарення та ртутно-кварцеві лампи (наприклад, ПРК-4). Останні мають ще й ту перевагу, що дають ультрафіолетове випромінювання, потрібне для проведення дослідів з фотоефекту, люмінесценції та ін. Останнім часом у школі почали використовувати також лазер

Під час проведення демонстрацій з оптики слід додержувати правил техніки безпеки, особливо під час проведення дослідів з потужними джерелами ультрафіолетового світла. Тривале нтенсивне опромінювання ультрафіолетовим світлом шкідливе для людини, може викликати сильні опіки. Під дією ультрафіолетового світла, а також потужного лазерного променя може виникнути опік ока, що іноді призводить до тимчасової втрати зору. Тому в дослідах з ртутно-кварцовими лампами насамперед слід захищати очі від прямої дії променів на око.

Щоб створити оптимальні умови для спостереження оптичних явищ, бажано обладнати фізкабінет екранами різних видів: проекційним, пристінним поворотним, переносним, матовим (напівпрозорим); а для демонстрування явищ, що відбуваються в горизонтальній площині, та для зміни ходу світлових променів зручно мати велике плоске дзеркало (40X60 см).

2.3 Лабораторні роботи, фронтальний експеримент і роботи фізичного практикуму з оптики

Програма з фізики передбачає набуття учнями умінь і навичок дослідним шляхом (з виконанням необхідних розрахунків) визначати показник заломлення речовини, довжину світлової хвилі, користуватися оптичними приладами і визначати їхні основн характеристики (оптичну силу, фокусну відстань лінзи або системи лінз), користуватися спектроскопом, фотоапаратом, фотоелементами, фотореле. Це можна здійснити лише за допомогою системи фронтального експерименту (фронтальн досліди і спостереження) та фізичного практикуму.

На факультативних заняттях, у позаурочний час або й безпосередньо на уроках можна додатково провести ряд лабораторних робіт, зокрема спостереження оптичних зображень за допомогою невеликого отвору в непрозорому екрані, визначення видимого збільшення лупи, зорової труби, мікроскопа, показника заломлення за допомогою рефрактометра, визначення роздільної здатності ока, визначення спектральних границь чутливості ока, визначення радіуса кривизни лінзи за допомогою кілець Ньютона.

Неабияке значення для вироблення в учнів практичних умінь і навичок має систематичне проведення фронтальних дослідів, які є органічною складиною частиною уроку і можуть мати як самостійну мету, так і виконуватися під час підготовки до лабораторної робити. Наведемо деякі з можливих фронтальних дослідів: спостереження ходу променів і одержання зображень у плоских і сферичних дзеркалах, лінзах, плоскопаралельній скляній пластинці і тригранній призмі, порівняння сили світла за допомогою фотометра (можна саморобного), спостереження світлових спектрів за допомогою лінзи дифракційної решітки, спектрограм випускання і вбирання, дія вакуумного (напівпровідникового) фотоелемента, визначення залежності опору напівпровідникового фоторезистора від освітленості, будова і дія фотореле тощо. Цей перелік можна продовжити. Якщо фізичний кабінет добре обладнаний, можна порадити ввести до фізичного практикуму виконання робіт, рекомендованих факультативним курсом фізики: залежність потужності випромінювання чорного тіла від температури, визначення ефективного перерізу взаємодії фотона з молекулою флуоресцину, визначення сталої Планка, вивчення спектра водню, якісний спектральний аналіз. Великий пізнавальний ефект дасть і робота фізичного практикуму з використанням лазера, наприклад, вивчення явища інтерференції світла - дослід Юнга з двома отворами.

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 геометрично 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 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 дослідницько роботи мають домашні завдання. Під час вивчення оптики є багато можливостей для здійснення найпростішого експерименту в домашніх умовах. Майже на кожному уроц 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 тригранн 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 геометрично оптики

3.1 Що вивчає променева оптика. Закони відбивання і заломлення світла

Серед основних властивостей світла найбільш наочною, підтвердженою широким життєвим досвідом 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 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 рунтується 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 виплива 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 виника 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 раз 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, потрібн для вивчення закону відбивання світла, а саме:

а) про кут падіння променя α, як кут між променем, що падає, і перпендикуляром, установленим до площини в точці падіння;

б) про кут відбивання γ. що визначається аналогічно;

в) про площину падіння, що проходить через падаючий промінь та перпендикуляр;

г) про площину відбивання, що визначається аналогічно до площини падіння.

(Мал.4)

Закон відбивання складається з двох частин або правил:

1) падаючий промінь, перпендикуляр в точці падіння і відбитий промінь лежать в одній плішини (або площина падіння збігається, з площиною відбивання);

2) кут падіння променя світла дорівнює куту відбивання.

Отже, Ідеальна плоска поверхня - дзеркало - не змінює вигляду або, як кажуть, структури паралельного пучка світла - він лишається і після відбивання паралельним змінює лише напрям свого поширення. Таке підбивання називається дзеркальним.

Металеві поверхні, лише шліфовані, але не поліровані, можуть мати окремі нерівності, розміри яких перевищують довжину хвилі. І тоді падаючий паралельний пучок після відбивання розсіюється (мал.4, б), хоч переважна частина енергії світла все-таки поширюється в напрямі дзеркального відбивання. Коли нерівності нагромаджен хаотично (матові поверхні), паралельний пучок повністю розсіюється і напрям поширення енергії не залежить від напряму падіння (дифузне відбивання світла). Цей вид відбивання світла має дуже важливе значення в житті людей і тварин, бо да змогу бачити не лише світні тіла, а й несвітні, що опромінюються джерелами світла.

Бажано підкреслити, що закон від