Заглядывая вглубь света: лабораторная работа по измерению показателя преломления стекла

Физика – это не только формулы в учебнике, но и увлекательное путешествие в суть вещей. На этой неделе ученики 11-го класса на уроке физики превратили кабинет в научную лабораторию, чтобы исследовать удивительное явление – преломление света и измерить одну из ключевых характеристик материалов – показатель преломления.

Почему ломается ложка?

Наверняка каждый из вас замечал, как ложка в стакане чая кажется «сломанной» на границе воды и воздуха. Это и есть преломление – изменение направления луча света при переходе из одной прозрачной среды в другую. Стекло, вода, воздух – все они по-разному «тормозят» свет, и именно показатель преломления (n) показывает, во сколько раз скорость света в веществе меньше, чем в вакууме.

Цель эксперимента: определить, какой показатель преломления у обычного стекла.

На столе у исследователей:

• Оптическая шайба или плоскопараллельная стеклянная пластина.

• Источник света (лазер или лампочка с щелью).

• Транспортир.

• Лист бумаги, карандаш, линейка.

• Булавки (для классического метода).

Ход работы: шаг за шагом к результату

1. Подготовка: На лист бумаги ученики поместили стеклянную пластину и обвели ее контур.

2. Направляем луч: С помощью лазера или метода булавок (устанавливая две булавки на одной линии падающего луча) они направили узкий луч света на грань пластины под острым углом.

3. Ловим преломление: Наблюдали, как луч, пройдя через стекло, выходит из другой грани, смещенным, но параллельно первоначальному направлению. Отмечали на бумаге точку падения луча и точку выхода.

4. Строим и измеряем: Сняв пластину, школьники с помощью линейки и карандаша построили падающий и преломленный лучи внутри контура стекла, восстановили перпендикуляры (нормали) в точках падения. Получились два угла: угол падения (α) и угол преломления (β).

5. Применяем закон: Юные физики вспомнили закон преломления Снеллиуса, открытый еще в XVII веке: n = sin(α) / sin(β). С помощью транспортира измерили углы и вычислили синусы.

6. Точность – залог успеха: Чтобы повысить точность, эксперимент провели несколько раз для разных углов падения. Итоговый результат нашли как среднее арифметическое всех измерений.

Что у нас получилось?

После всех расчетов среднее значение показателя преломления для обычного оконного стекла у большинства групп оказалось в диапазоне n ≈ 1,5 – 1,6. Это означает, что свет в стекле распространяется примерно в полтора раза медленнее, чем в вакууме!

Зачем это нужно?

«Это скучные цифры из задачника», – скажете вы. А вот и нет! Знание показателя преломления критически важно в самых разных областях:

• Оптика: Без этих расчетов невозможно создать ни очки, ни микроскопы, ни телескопы, ни объективы фотоаппаратов.

• Медицина: На его основе работают линзы эндоскопов и лазеры для хирургии.

• Связь: По стеклянным волокнам, тонким как волос, благодаря явлению полного внутреннего отражения (прямому следствию преломления) передается интернет-трафик по всему миру.

• Ювелирное дело: Правильная огранка алмазов, превращающая их в бриллианты, рассчитана так, чтобы свет внутри камня испытывал полное внутреннее отражение и играл всеми гранями.

Наши выводы:

Эта лабораторная работа наглядно показала, что фундаментальные законы природы можно исследовать своими руками даже в школьном кабинете. Работа в команде, точность измерений, построение чертежей и применение математики – все эти навыки пригодились нам сегодня и, безусловно, пригодятся в будущем.

Физика – это красиво! И красота эта – в стройности законов, которые управляют миром, и в возможности понять их через простой эксперимент.

https://3nt.uralschool.ru/?section_id=296