Scenariusz lekcji: Odbicie światła od zwierciadeł

Scenariusz lekcji: Odbicie światła od zwierciadeł
1. Cele lekcji
a) Wiadomości
Uczeń:
1. wie, co to jest promień świetlny,
2. wie, co to są punktowe i rozciągłe źródła światła,
3. wie, co to jest cień i półcień,
4. wie, jak zmienia się cień i półcień, w zależności od źródła światła i odległości przedmiotu od
niego,
5. zna prawo odbicia światła,
6. wie, co to jest rozproszenie światła,
7. wie, co to jest peryskop,
8. wie, co to są obrazy pozorne i rzeczywiste, otrzymane przy pomocy zwierciadeł wklęsłych i
wypukłych.
b) Umiejętności
Uczeń potrafi:
1. narysować i uzasadnić powstawanie cienia i półcienia przedmiotu,
2. narysować bieg promienia padającego, odbitego i załamanego na granicy ośrodków,
3. wskazać zjawiska odbicia światła w otoczeniu i ich wykorzystania w przyrządach optycznych
(peryskop),
4. wykorzystać prostoliniowy bieg promieni i zjawisko odbicia do konstruowania obrazów w
zwierciadle płaskim, wklęsłym i wypukłym,
5. wskazać zastosowanie zwierciadeł płaskich i sferycznych,
6. przewidywać powiększenie obrazu w zależności od położenia przedmiotu względem ogniska.
2. Metoda i forma pracy
Wykład wprowadzający, pokaz, dyskusja.
3. Środki dydaktyczne
Wskaźnik laserowy, naczynie szklane, kadzidełka, szyba szklana, zwierciadło płaskie, wklęsłe,
wypukłe, ekran, lampa, folia aluminiowa, peryskop, szklanka z wodą, świeczka.
4. Przebieg lekcji
a) Faza przygotowawcza
Przypominamy uczniom, że w ośrodkach jednorodnych światło rozchodzi się po liniach prostych. Co
się stanie, gdy światło natrafi na przeszkodę lub odbije się od powierzchni zwierciadeł?
b) Faza realizacyjna
1. Promień świetlny. Gdy włączamy wskaźnik laserowy, zazwyczaj nie widzimy, którędy porusza się
światło – widzimy jedynie jasną plamkę w miejscu, w który trafia światło wskaźnika. Wystarczy
jednak rozpylić w powietrzu np. trochę wody lub dymu, aby zobaczyć wiązkę. Spowodowane to
jest tym, że światło rozprasza się na kropelkach wody lub drobinkach dymu lub kurzu. Cienką
smugę światła – np. taką, jaką wysyła wskaźnik laserowy – nazywamy promieniem świetlnym.
Promienia świetlnego w powietrzu nie widać
Promień staje się widoczny gdy przechodzi przez naczynie z dymem z kadzidełka
2. Cień i półcień. W zaciemnionym pomieszczeniu w niewielkiej odległości od ściany ustawiamy
zapaloną świeczkę. Między świeczką a ścianą ustawiamy nieprzezroczysty przedmiot. Na ścianie
widzimy cień przedmiotu, czyli obszar, do którego nie dociera światła świeczki. Następnie
obserwujemy, jak zmienia się cień przedmiotu, gdy przedmiot przysuniemy do ekranu (nie
zmieniając położenia świeczki).
Cień przedmiotu – przeszkoda daleko o źródła światła
Gdy zbliżamy przeszkodę do źródła światła cień robi się większy
Gdy zbliżamy przeszkodę do źródła światła cień robi się większy i niewyraźny – pojawiają się
obszary półcienia
W wykonanym doświadczeniu płomień świeczki był niewielki w porównaniu z rzucającym cień
przedmiotem. Jeżeli zamiast świeczki użyjemy źródła o większych rozmiarach, wówczas na
ekranie pojawią się obszary oświetlone w różnym stopniu. Obszar do którego nie dociera światło,
to cień, natomiast obszar, do którego dociera światło wysyłane tylko przez niektóre fragmenty
świetlówki, to tzw. półcień.
Gdy przeszkodę oświetlimy rozciągłym źródłem światła, to zwiększa się obszar półcienia
Oddalanie przedmiotu od rozciągłego źródła światła powoduje zmniejszanie obszaru półcienia i
zwiększanie obszaru cienia.
Oddalanie przedmiotu od rozciągłego źródła światła powoduje zmniejszanie obszaru półcienia i
zwiększanie obszaru cienia.
3. Prawo odbicia. Kierujemy światło z lasera na lusterko (zwierciadło płaskie) i obserwujemy światło
odbite. Zaznaczamy linią przerywaną prostą prostopadłą do zwierciadła w miejscu, gdzie światło
uderza w lusterko (prosta taka nazywa się normalna do powierzchni). Kąt pomiędzy tą prostą a
promieniem padającym nazywamy kątem padania światła. Kąt pomiędzy normalną a promieniem
odbitym nazywamy kątem odbicia.
Obicie światła od zwierciadła płaskiego
Obicie światła od zwierciadła płaskiego (większy kąt padania światła)
Obicie światła od zwierciadła płaskiego (większy kąt padania światła)
Obicie światła od zwierciadła płaskiego (większy kąt padania światła)
Na podstawie obserwacji można stwierdzić, że:

promień padający, normalna i promień odbity leżą w jednej płaszczyźnie,

kąt odbicia światła jest równy kątowi padania.
Powyższe fakty stanowią treść prawa odbicia światła.
4.
Rozproszenie światła. Wykorzystując światło słoneczne i zwierciadło płaskie, możemy „puszczać
zajączki”, czyli oświetlać dany obiekt światłem odbitym od zwierciadła. Efektu takiego nie można
osiągnąć za pomocą zmiętej folii aluminiowej, choć przecież folia aluminiowa odbija światło.
Spowodowano to jest tym, że powierzchnia folii, w porównaniu do powierzchni zwierciadła jest
nierówna. Dlatego odbite od niej promienie mają różne kierunki – mówimy, że światło ulega
rozproszeniu.
Odbicie światła od gładkiej folii aluminiowej
Odbicie światła od pogniecionej folii aluminiowej – rozproszenie światła
Odbicie światła od pogniecionej folii aluminiowej – rozproszenie światła
5. Obraz przedmiotu w zwierciadle płaskim. Dane ciało widzimy wtedy, gdy światło przez nie
wysyłane trafia do naszego oka, lub wtedy, gdy światło odbijające się od ciała trafia do naszego
oka. Gdy światło przechodzi przez szybę, jego część przechodzi przez nią, a część odbija się tak jak
od zwierciadła płaskiego. Światło docierające od przedmiotów znajdujących się za szybą
umożliwia ich oglądanie. Jednocześnie szyba odbija światło tak jak lustro, dlatego widzimy za nią
obrazy pozorne przedmiotów znajdujących się przed nią. Dzięki temu można uzyskać np. efekt
pokazany na zdjęciu – wrażenie, że świeczka pali się pod wodą.
Pozorny obraz świeczki odbity w szklanej szybie
Pozorny obraz świeczki odbity w szklanej szybie – w tym miejscu gdzie widać obraz pozorny świeczki
stoi prawdziwa szklanka z wodą
Jeżeli obok świeczki ustawimy zwierciadło, do naszych oczu trafi także światło świeczki od niego
odbite. Dlatego widzimy jeszcze jedną świeczkę: świeczkę, która wydaje się znajdować za
zwierciadłem. To tzw. obraz pozorny świeczki. Obraz pozorny danego punktu płomienia powstaje w
miejscu przedłużenia promieni docierających od tego punktu do oka po obiciu od zwierciadła. Rysując
promienie docierające do oka od innych punktów świeczki, można pokazać, że otrzymany za pomocą
zwierciadła płaskiego obraz świeczki jest tej samej wielkości co świeczka i że widzimy go w takiej
samej odległości od zwierciadła, w jakiej znajduje się świeczka.
Odbicie palącej się świeczki w zwierciadle płaskim
6. Peryskop. Wykorzystując dwukrotne odbicie promieni świetlnych, można oglądać przedmioty
niedostępne bezpośredniej obserwacji. Przyrząd, który służy do tego celu, nazywa się
peryskopem. Peryskop jest zbudowany z zgiętej rury i dwóch zwierciadeł płaskich. Obraz
odbity w górnym zwierciadle odbija się drugi raz w zwierciadle dolnym. Peryskop został
wymyślony przez gdańskiego astronoma Jana Heweliusza (1611-1687).
Peryskop wykonany przez uczniów gimnazjum
7. Zwierciadła kuliste wklęsłe i wypukłe. Oprócz zwierciadeł płaskich są również zwierciadła o
zakrzywionych powierzchniach. Zwierciadła, których powierzchnia jest fragmentem
powierzchni kuli, nazywamy zwierciadłami kulistymi. Środek takiej kuli nazywamy środkiem
krzywizny zwierciadła, a jej promień – promieniem krzywizny. Linię przechodzącą przez
środek kuli i tzw. wierzchołek zwierciadła nazywamy osią optyczną. Przykładem zwierciadła
kulistego jest okrągła bombka lub powiększające lusterko kosmetyczne. Bombka jest
zwierciadłem kulistym wypukłym, a lusterko kosmetyczne – zwierciadłem wklęsłym.
Obraz palącej się świeczki w zwierciadle wklęsłym
Obraz palącej się świeczki w zwierciadle wypukłym (bombce choinkowej)
8. Zwierciadło wklęsłe. Ustawiamy zwierciadło wklęsłe tak, aby promienie słoneczne były
równoległe do jej osi optycznej. Na tekturze umieszczonej przed zwierciadłem obserwujemy jasną
plamę. Zmieniając odległość tektury od zwierciadła, można znaleźć takie jej położenie, w którym
widoczna na ekranie plamka będzie najmniejsza i najjaśniejsza. Mówimy, że zwierciadło wklęsłe
skupia światło słoneczne w jednym punkcie (dlatego jest nazywane zwierciadłem skupiającym).
Punkt ten nazywany jest ogniskiem zwierciadła i oznaczany literą F. Odległość między
wierzchołkiem a ogniskiem zwierciadła nazywamy ogniskową zwierciadła i oznaczany literą f. Jest
ona równa połowie długości promienia krzywizny zwierciadła (f = R/2).
9. Obrazy otrzymywane za pomocą zwierciadła wklęsłego. Przed zwierciadłem wklęsłym
umieścimy plącą się świeczkę. Przesuwając ekran (np. kawałek kartonu), możemy znaleźć takie
jego położenie, w którym zobaczymy ostry obraz świeczki. W innych położeniach obraz świeczki
jest rozmyty – nieostry. W sytuacji widocznej na zdjęciu obraz świeczki jest mniejszy niż świeczka
– dlatego nazywa się go obrazem pomniejszonym. Jest to też obraz odwrócony i rzeczywisty, gdyż
powstaje w miejscu przecięcia się promieni odbitych od zwierciadła. Znając ogniskową zwierciadła
kulistego i odległość przedmiotu od zwierciadła, można określić miejsce powstawania oraz
charakter otrzymywanego obrazu. Można to zrobić, np. wykonując odpowiedni rysunek.
Wykonując go, wystarczy rysować tylko te promienie, których kierunek po odbiciu jest znany. Są
to następujące promienie:

Promień równoległy do osi optycznej zwierciadła po odbiciu przechodzi przez ognisko
zwierciadła.

Promień przechodzący przez ognisko zwierciadła po odbiciu biegnie równolegle do osi
optycznej.

Promień padający na wierzchołek zwierciadła po odbiciu biegnie symetrycznie do osi
optycznej.
Wymienione wyżej promienie świetlne wychodzące z czubka płomienia świecy po odbiciu od
zwierciadła przecinają się w jednym punkcie. W tym miejscu powstaje obraz czubka promienia.
Zmieniając odległość świeczki od zwierciadła, możemy otrzymać inne obrazy świeczki. Gdy
odległość przedmiotu od zwierciadła wklęsłego jest mniejsza niż ogniskowa, promienie odbite od
zwierciadła nie przecinają się (tworzą wiązkę rozbieżną). Wówczas obraz rzeczywisty nie
powstaje. Gdy jednak promienie odbite od zwierciadła trafią do naszego oka, zobaczymy obraz
pozorny świeczki, na przecięciu przedłużeń promieni świetlnych.
Obraz rzeczywisty, powiększony i odwrócony, otrzymany za pomocą zwierciadła wklęsłego
Obraz rzeczywisty, pomniejszony i odwrócony, otrzymany za pomocą zwierciadła wklęsłego
Obraz pozorny, powiększony i prosty, otrzymany za pomocą zwierciadła wklęsłego
9. Zwierciadła wypukłe. Wiązka promieni równoległych do osi optycznej zwierciadła wypukłego po
odbiciu od niego będzie wiązką rozbieżną. Dlatego zwierciadło kuliste wypukłe nazywane jest
zwierciadłem rozpraszającym. Przedłużenie promieni odbitych od zwierciadła przechodzą przez
jeden punkt, nazywany ogniskiem pozornym zwierciadła wypukłego. Obraz pozorny powstaje w
miejscu przecięcia przedłużeń promieni odbitych od zwierciadła. Zwierciadła kuliste wypukłe
umieszczane są przy drogach, w supermarketach i stosowane są jako lusterka wsteczne w
samochodach.
Obraz pozorny, pomniejszony, prosty, otrzymany za pomocą zwierciadła wypukłego.
Wielokrotne odbicia w czterech zwierciadłach wypukłych
c) Faza podsumowująca
1. W ośrodkach jednorodnych (np. w próżni) światło porusza się po liniach prostych.
2. Jeżeli światło na swojej drodze napotyka ciała nieprzezroczyste, na ekranie powstanie cień tego
ciała.
3. Gdy rozmiary źródła światła są porównywalne z rozmiarami przedmioty, oprócz cienia pojawia się
też półcień.
Światło, padając na powierzchnię zwierciadła ulega odbiciu, zgodnie z prawem odbicia światła.
Światło, padając na nierówną powierzchnię ulega rozproszeniu.
Zjawisko to zostało wykorzystane do budowy peryskopu.
Zwierciadło kuliste stanowi część gładkiej, wypolerowanej powierzchni sfery. Rozróżniamy
zwierciadła kuliste wklęsłe i wypukłe.
8. Zwierciadło wklęsłe skupia wiązkę promieni równoległych a wypukłe rozprasza.
9. Przy pomocy zwierciadeł możemy otrzymywać różnego rodzaju obrazy, rzeczywiste i pozorne,
powiększone i pomniejszone. Zależy to od odległości przedmiotu od zwierciadła.
4.
5.
6.
7.
5. Bibliografia
1. Ginter Jerzy Fizyka 3 dla gimnazjum WSiP Warszawa 2001.
2. Ginter Jerzy, Hercman Karol, Kurek Ewa, Natorf Włodzimierz Fizyka i astronomia Program
nauczania gimnazjum WSiP Warszawa 1999.
6. Załączniki
Zadanie domowe
Zad. 1. Punktowa żarówka znajduje się w odległości 6 m od ściany. Ty stoisz w odległości 3 m od
żarówki.
1. ile razy twój cień jest szerszy od ciebie.
2. W jakiej odległości musisz stanąć, aby twój cień był trzy razy szerszy od ciebie.
Zad. 2. Zbuduj model peryskopu z kartonu i dwóch prostokątnych lusterek kieszonkowych.
Zad. 3. Obejrzyj obraz lampy lub okna, utworzony przez promienie odbite od wewnętrznej
powierzchni szkła okularów przeciwsłonecznych. Poruszając lekko okularami, zaobserwuj, gdzie
znajduje się utworzony obraz rzeczywisty.