Дослідження заломлення світла

Чернецький Ігор
Автор Чернецький Ігор
Завідувач відділу створення навчально-тематичних систем знань НЦ «Мала академія наук України», кандидат педагогічних наук, голова Всеукраїнської громадської організації «Асоціація учителів фізики “Шлях освіти – ХХІ”». Наукові інтереси: моделювання освітніх та навчальних середовищ загальноосвітніх і позашкільних навчальних закладів з урахуванням трендів розвитку сучасних засобів навчання.

Завдання роботи:

  1. Створити відеозапис експерименту із проходження світлового променя крізь прозорий напівциліндр за різних кутів падіння.
  2. За допомогою програмного забезпечення для аналізу відеозаписів визначити кути падіння та заломлення променя світла.
  3. Інструментами математичних таблиць розрахувати середнє значення показника заломлення світла.

Обладнання:

дошка, прозорий напівциліндр, лазерна указка, ПК, цифровий фотоапарат або відеокамера, Tracker (http://physlets.org/tracker/), Excel

Теоретична частина

Рис. 1. Зовнішній вигляд вікна програми Tracker

Явищем заломлення світла називають явище зміни напрямку проходження світла на межі розділу двох прозорих середовищ при проходженні світла крізь неї. Це явище характеризують закони заломлення. Другий закон заломлення має назву закону Снелліуса і формулюється так: відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення променя світла залишається величиною сталою для межі розділу двох середовищ і рівною відносному показнику заломлення світла для межі цих середовищ.

(1)

Для визначення показника заломлення в цій роботі використовується прозорий напівциліндр, закріплений в одній площині з лазерною указкою. Лазерна указка має на виході невелику циліндричну лінзу зі скляної палички для спрямування променя лазера на поверхню дошки, до якої приєднано напівциліндр.  Змінюючи кут падіння променя, можна зафіксувати на відеозаписі кут його заломлення і, використовуючи інструменти програми для аналізу відеозапису, виміряти ці кути. У математичних таблицях розраховується значення синусів кутів, показника заломлення для кожного кута падіння і середнє значення показника заломлення.

Хід роботи

Частина 1. Отримання відеозапису 

  1. Установіть на столі магнітну дошку.
  2. Закріпіть на дошці прозорий напівциліндр.
  3. Оберіть пристрій, яким ви будете виконувати відеозйомку. З’ясуйте якість об’єктива для подальшого врахування можливих спотворень. Використайте стандартну частоту зйомки відео (30-60 кадрів на секунду).
  4. Установіть пристрій так, щоб установка повністю потрапляла в кадр і в процесі зйомки пристрій не рухався.
  5. Увімкніть лазерну указку і спрямуйте промінь на плоску грань напівциліндра в середину грані. Переміщуйте лазерну указку так, щоб промінь продовжував потрапляти в попередню точку, але кут падіння змінювався.
  6. Якщо можливості здійснити відеозапис немає, завантажте готове відео з ресурсу. 

Частина 2. Опрацювання відео 

  1. Завантажте перше відео у програму Tracker. Завантаження здійснюється з використанням кнопки Open у верхньому меню програми.

  1. Завантаження можна здійснити також шляхом «перетягування» файлу запису у вікно програми або через меню File → Import → Video. Якщо програма не дозволила завантажити відео, необхідно дібрати інший його формат, що здійснюється шляхом використання редакторів відео.
  2. Використовуючи кнопки керування в нижній частині вікна з відео, перегляньте запис.
  3. Якщо об’єктив пристрою для зйомки дає спотворення зображення, використайте відповідний фільтр відео.
  1. Для вимірювання кута падіння і кута заломлення променя оберіть у верхньому меню кнопку Create – Measuring Tools – Protractor.

  1. На екрані з’явиться транспортир у вигляді кута, опорні точки якого можна переміщувати перетягуванням. За потреби змініть колір лінії.
  2. Перемістіть точки кута на кут падіння, а потім – на кут заломлення і занотуйте значення до таблиці. Значення кута відтворюється поблизу транспортира і у стрічці верхнього меню.
  3. Перекрутіть ролик на кадр, що відповідає наступному куту падіння, і повторіть дії.

Аналіз даних

  1. У математичних таблицях Excel побудуйте таблицю та виконайте всі необхідні обрахунки. Визначте середнє значення показника заломлення nc.
  2. Сформулюйте висновок до роботи. 

Таблиця результатів 

№ Кут падіння променя в градусах,

α (град)

 Кут заломлення променя в градусах,

γ (град)

 Кут падіння променя в радіанах,

α (рад)

 Кут заломлення променя в радіанах,

γ (рад)

 sin α sin γ n12 nc