Применение световода на уроках физики

В.В.Майер, ГГПИ им. В.Г.Короленко, г. Глазов; Е.С.Объедков, школа N 548, г. Москва

Школьник понимает физический опыт только тогда хорошо, когда он его делает сам. Но еще лучше он понимает его, если сам делает прибор для эксперимента.

П.Л.Капица

Физический эксперимент... Постановка его на уроке позволяет учителю не только подробно рассмотреть физические явления, но и обратить внимание учащихся на важнейшую особенность конкретных физических законов - принципиальную ограниченность любого из них.

1. Закон прямолинейного распространения света и световод

Явление распространения света описывается, в частности, законом прямолинейного распространения. В учебнике физики для 8-го класса этот закон набран жирным шрифтом: «Свет в прозрачной однородной среде распространяется прямолинейно». При этом упоминается, что образование тени - одно из опытных доказательств этого закона. Однако тень может получиться только в случае, когда в однородную среду введено отличающееся от нее тело, т.е. когда среда становится оптически неоднородной.

В учебном пособии для 11-го класса изучение прямолинейного распространения света проводится с привлечением принципа Гюйгенса-Френеля. В методических пособиях для учителя можно встретить рекомендации по проведению соответствующих опытов. Однако не всегда в однородной среде свет распространяется прямолинейно.

Обратимся, например, к световоду, изготовленному из стекла или оргстекла. Для света это прозрачная однородная среда, но в световоде свет распространяется... не прямолинейно. Вернее, внутри сердцевины* свет распространяется действительно прямолинейно, но дойдя до границы сердцевина-оболочка, испытывает полное внутреннее отражение и меняет направление распространения.

Здесь самое время поговорить об области применимости частных физических законов. К ним относится и закон прямолинейного распространения света, он применим лишь в случае неограниченной однородной среды. Поэтому формулировка его должна быть уточнена: свет распространяется прямолинейно в прозрачной оптически однородной неограниченной среде. Несколько позже учащиеся узнают, что если среда ограничена, то на границе раздела могут произойти такие явления, как отражение, преломление и поглощение света. Эти же явления имеют место, если в оптически однородную среду введена неоднородность, в этом случае происходят интерференция, дифракция и рассеяние света.

2. Как сделать световод

Внешний вид учебного световода в работе и способ крепления источника света показаны на рис.1. Из листа оргстекла толщиной 4 мм резаком вырежьте две полоски длиной примерно 50 см и шириной 10 мм. Торцы и узкие боковые поверхности полосок отшлифуйте последовательно все более мелкой шкуркой. Грубую ткань или кусок войлока слегка смочите керосином и натрите полировальной пастой ГОИ и обработайте им сначала торцы обеих полосок, а затем - боковые поверхности одной из них. Полировать нужно до тех пор, пока обрабатываемые поверхности не станут совершенно прозрачными.

Взяв одну из полосок за концы, поместите ее над раскаленной электроплиткой. Перемещая и поворачивая полоску, держите ее над плиткой до полного размягчения, а затем быстро изогните так, чтобы получились два отогнутых колена. Зафиксируйте изделие, чтобы, остыв, оно сохранило свою форму. Вторую полоску изогните так же, используя первую в качестве шаблона. Вообще говоря, форма световода может быть произвольной, рекомендованная просто более удобна в учебных опытах. Желательно, чтобы радиус кривизны изгибов световода был не менее 15 мм.

Подберите полихлорвиниловую трубку диаметром примерно 10 мм и лампочку на напряжение 3,5 или 6,5 В. К цоколю лампочки припаяйте гибкие проводники длиной примерно 60 см. От трубки отрежьте кусок длиной 40 мм и вставьте в него лампочку так, чтобы она зашла полностью. Получившийся патрон с лампочкой наденьте на один из концов световода. Прибор для опытов готов.

3. Демонстрационные опыты

Они дадут наибольший эффект, если учащиеся будут иметь возможность одновременно выполнять ученические опыты на своих рабочих местах.

Опыт 1. Покажите учащимся световод и лампочку. На лампочку наденьте кожух и соедините его с одним концом световода. Включите питание и покажите, что свет выходит только через второй торец световода (рис. 1).

При демонстрации этого опыта ученики 8-го класса сразу замечают противоречие между увиденным и изложенным в учебнике. Возникает уникальная ситуация, позволяющая учителю говорить о границах применимости физических законов вообще и закона прямолинейного распространения света в частности. Вместе с тем нельзя ограничиться только констатацией факта ограниченности действия закона прямолинейного распространения света. Необходимо указать причину того, почему свет распространяется внутри световода практически без потерь: каждый раз, доходя до поверхности, свет испытывает полное внутреннее отражение и возвращается назад, внутрь световода.

Опыт 2. Снимите со световода кожух с лампочкой и замените световод другим, имеющим матовые узкие грани. Включите источник, и учащиеся с изумлением обнаружат, что свет через такой световод не проходит (рис. 2)!

Вначале они совершенно обескуражены: неужели эти узкие матовые полоски по бокам световода есть истинная причина того, что свет через него не проходит?! Но внимательное рассмотрение показывает, что второй световод совершенно не отличается от первого, поэтому они приходят к выводу, что, действительно, попадая на матовые грани, свет рассеивается на них, в значительной мере выходя за пределы световода. На эти грани не попадут только те лучи, которые идут строго по оси световода, а таких лучей тем меньше, чем длиннее световод и чем меньше его поперечное сечение.

Учащиеся формулируют гипотезу: если матовые грани сделать прозрачными, то световод начнет пропускать свет.

Опыт 3. Тряпочкой, смоченной в машинном масле, проведите по матовым граням световода и продемонстрируйте, что через него при этом начинает проходить свет.

Значит, сделанное предположение верно: тонкая пленка масла на матовой поверхности предотвращает рассеяние света, и результат почти такой же, как если бы все грани световода были отполированы.

Опыт 4. Под световодом с полированными поверхностями поставьте стакан с глицерином (рис. 3), имеющим показатель преломления, близкий к показателю преломления оргстекла (с худшими результатами можно использовать насыщенный раствор поваренной соли). Включите лампочку и покажите, что свет проходит через световод. Погрузите нижнюю изогнутую часть световода в стакан с жидкостью и продемонстрируйте, что интенсивность прошедшего пучка резко уменьшится.

Объясните результат опыта тем, что свет из оргстекла проходит в глицерин, т.к. эти две среды мало различаются оптически, а значит, контактируя, образуют среду, близкую к оптически однородной. В такой среде свет распространяется прямолинейно до ее границы. Если учащиеся знакомы с явлением полного внутреннего отражения света, то результат опыта можно объяснить тем, что изнутри на границу оргстекло-глицерин свет падает под углом, меньшим предельного, поэтому преломляется из оргстекла внутрь глицерина.

То, что свет входит в глицерин, учащиеся могут обнаружить, поместив под стакан лист белой бумаги.

Опыт 5. Продемонстрируйте световод и затем на верхнее его колено приклейте кусок темной изоленты (рис. 4). Свет перестает проходить через световод! Оторвите изоленту - свет появляется, вновь приклейте - он исчезает.

Опыт объясняется тем, что клейкий состав изоленты имеет показатель преломления, близкий к показателю преломления оргстекла. Поэтому свет на изгибе выходит из оргстекла и поглощается окрашенным слоем изоленты.