Кулаковская Л.М. Конкурс знатоков оптики «В мире света»

Конкурс проводился в нашей гимназии после изучения оптики в десятых классах. Его можно провести в одиннадцатых классах во время декады физики.

В конкурсе участвуют две команды по 6 человек. За правильный ответ команде назначаются 2 очка, за неполный ответ — 1 очко. В состав жюри входят учащиеся и учитель физики. Ведущий — старшеклассник или учитель.

I. Представление команд. Ведущий представляет команды и жюри. Команды имеют свое название, девиз.

II. Разминка. Ведущий задает вопросы по очереди то одной, то другой команде.

1. Можно ли увидеть бегущий мимо нас световой луч?

2. Почему мы плохо видим предметы «у себя под носом»?

3. Каков порядок цветов в радуге?

4. С чем связана примета: «Радуга — конец дождю?»

5. Для чего одежду сталеваров изготавливают из блестящей ткани?

6. Коэффициент отражения зеркала примерно 70 %, а снега — примерно 85 % . Почему же зеркало дает изображение предмета, а снег нет?

7. Угол между падающими и отраженными лучами 20°. Под каким углом к зеркалу падает свет?

8. Чего в сундук не спрячешь? (Луч света.)

9. Кто первый сформулировал закон прямолинейного распространения света? Когда? (Древнегреческий ученый Евклид. III в. до нашей эры.)

10. Кто впервые описал закон отражения света? (Евклид.)

11. Какого цвета белый свет?

12. Кто впервые разложил белый свет на составляющие его цвета и тем самым открыл явление дисперсии? (И. Ньютон).

13. Ты за ней, она от тебя, ты от неё, она за тобой! Что это? (Тень.) Как получить от одной палки тень разной длины? (Нужно наклонять палку под разными углами по направлению к Солнцу.)

14. При каком условии непрозрачный предмет дает тень без полутени? (Когда источник света точечный.)

15. — Посмотрите, как выглядит этот мужчина на фотографии. Найдите его и следуйте за ним, как тень! Поняли? Как тень! — говорит начальник полиции сыщику.

— Так точно, понял. А что мне делать, если не будет солнца?

Когда у предметов не бывает тени? Когда возникают нерезкие тени? (При пасмурной погоде. Пыль, капельки воды рассеивают лучи во все стороны.)

16. Какое явление налагает предел на разрешающую способность телескопов и микроскопов? (Дифракция.)

III. А сейчас, пока жюри подсчитывает очки, посмотрим номера художественной самодеятельности обеих команд.

IV. Состязание знатоков. Команды располагаются за столами. На столах находятся две наливные линзы (двояковогнутая и двояковыпуклая), аквариум, спички, свечка, лист чертежной бумаги.

1. Уважаемые знатоки! Мы привыкли употреблять выражения «двояковогнутая линза» и «рассеивающая линза» в качестве синонимов. Но оказывается, что двояковогнутая линза не всегда рассеивает свет, а иногда собирает его, точно так же и двояковыпуклая не всегда его собирает.

В течение одной минуты догадайтесь, в каких случаях линзы могут поменяться ролями. (Выражения «двояковогнутая линза» и «рассеивающая линза» эквивалентны, когда показатель преломления материала линзы больше, чем у среды, в которой она находится. Если же линзы размещены в среде, показатель преломления которой больше показателя преломления материала линзы, то двояковогнутая линза будет собирать лучи как воздушный пузырек в воде, а двояковыпуклая — рассеивать.)

После ответа команды демонстрируют действия линз, которые помещают в аквариумы с водой.

2. Известно, что длина волны λ связана со скоростью распространения света в данной среде и с показателем преломления следующим образом:

 

 

 = 0,49·10^–6 м (голубой свет).

Уважаемые знатоки, подумайте, не означает ли это, что ныряльщику, находящемуся под водой, лучи красного фонаря будут казаться голубыми? (Ощущение того или иного цвета определяется не длиной волны, зависящей от частоты электромагнитных колебаний, воздействующих на окончания зрительного нерва, которая при переходе из одной среды в другую не меняется, так как определяется не средой, а источником света. Поэтому свет, воспринимаемый в воздухе как красный, будет казаться таким же и в воде.)

3. Известно, что диаметр зрачка человеческого глаза может меняться от 2 до 8 мм. Уважаемые знатоки! Объясните, почему максимальная острота зрения имеет место при диаметре 3-4 мм? (При большом диаметре зрачка острота зрения уменьшается из-за большой сферической аберрации глаза, вызванной пропусканием широких пучков света. При малом диаметре зрачка глаза получаются искаженные изображения, обусловленные дифракционными явлениями.)

Аберрация — это искажение изображения вследствие несовершенства оптической системы. Изображение предмета было бы четким, если бы лучи из любой его точки собирались в точку. На самом деле точка всегда изображается в виде некоторого пятна. Дело в том, что чем дальше от главной оптической оси проходит луч, тем ближе к линзе пересекает он ее ось. т.е. тем меньше его фокусное расстояние. Это так называемая сферическая аберрация.

4. Уважаемые знатоки! Наверняка все вы знакомы с романом, отрывок из которого сейчас будет прочитан.

«Незнакомец вдруг поднял руки, обтянутые перчатками, сжал кулаки, топнул ногой и крикнул: «Стойте!» — так исступленно, что миссис Холл немедленно умолкла.

— Вы не понимаете, — сказал он, — кто я и чем занимаюсь. Я покажу вам. Как бог свят, покажу! — при этих словах он приложил руку к лицу и сейчас же отнял ее. Посреди лица зияла пустая впадина. Держите, — сказал он и, шагнув к миссис Холл, подал ей что-то. Не сводя глаз с его преобразившегося лица, миссис Холл машинально взяла протянутую ей вещь. Затем, рассмотрев, что это, она громко вскрикнула, уронила её на пол и попятилась. По полу покатился нос — нос незнакомца, розовый, лоснящийся.

Затем он снял очки, и все вытаращили глаза от удивления. Он снял шляпу и стал яростно срывать бакенбарды и бинты. Они не сразу поддались его усилиям. Все замерли в ужасе.

— О господи! — вымолвил кто-то. Наконец бинты были сорваны.

То, что предстало взорам присутствующих, превзошло все ожидания. Миссис Холл, стоявшая с разинутым ртом, дико вскрикнула и побежала к дверям. Все вскочили с мест. Ждали ран, уродства, видимого глазом ужаса, а тут ничего. Бинты и парик полетели в распивочную, едва не задев стоявших там. Все кинулись прочь с крыльца, натыкаясь друг на друга, ибо на пороге гостиной, выкрикивая несвязные объяснения, стояла фигура, похожая на человека вплоть до воротника пальто, а выше не было ничего. Решительно ничего!» (Г.Уэллс. «Человек-невидимка». Главный герой — Гриффин, который сделал себя невидимым. Стр. 138.) Хочу спросить вас: в каком случае человек (или какой-то предмет), находясь в прозрачной среде, будет невидимым? (В том случае, если оба вещества имеют одинаковые показатели преломления.)

Это Г.Уэллс знал. Вот как он об этом пишет: «Вы прекрасно знаете, что тела либо поглощают свет, либо отражают, либо преломляют его, или, может быть, все вместе. Если тело не отражает, не преломляет и не поглощает света, то оно не может быть видимо само по себе...

... Если вы положите кусок обыкновенного стекла в воду или, еще лучше, в какую-нибудь жидкость, более плотную, чем вода, то вы стекла почти совсем не увидите, потому что свет, переходя из воды в стекло, преломляется и отражается очень слабо и вообще не подвергается почти никакому воздействию. Стекло в таком случае столь же невидимо, как струи углекислоты или водорода в воздухе...

... Если разбить кусок стекла и мелко истолочь его, оно станет гораздо более заметным в воздухе и превратится в белый непрозрачный порошок...

... Но если белый стеклянный порошок высыпать в воду, то он почти совершенно исчезает. Стеклянный порошок и вода имеют почти одинаковый коэффициент преломления, и свет, переходя из одной среды в другую, почти не преломляется и не отражается...

Что не учел Г.Уэллс в своем романе с точки зрения физики? (Чтобы быть невидимым, весь Гриффин — в том числе и его глаза — должен иметь такой же показатель преломления, как и воздух. Значит, будучи невидимым, Гриффин и сам ничего не видел.)

Вот к каким интересным выводам приводит нас физическая наука!

5. Феликс Кривин в книге «Несерьезные Архимеды» приводит диалог, который, якобы, состоялся между знаменитым английским физиком И. Ньютоном и его соседом:

— Послушайте, Ньютон, как вы сделали это своё открытие, о котором столько говорят?

— Да так, обычно. Просто стукнуло в голову.

Они стояли каждый в своем дворе и переговаривались через забор по-соседски.

— Что стукнуло в голову?

— Яблоко. Я сидел, а оно упало с ветки. — Сосед задумался. Потом сказал:

— Признайтесь, Ньютон, это яблоко было из моего сада? Вот видите, ветка свешивается к вам во двор, а вы имеете привычку здесь сидеть, я это давно заметил.

Ньютон смутился.

— Честное слово, не помню, что это было за яблоко.

На другой день, когда Ньютон пришел на свое излюбленное место, ветки яблони там уже не было. За забором под яблоней сидел сосед. — Отдыхаете? — спросил Ньютон.

— Угу.

Так они сидели каждый день — Ньютон и его сосед. Ветка была спилена, солнце обжигало Ньютону голову, и ему ничего не оставалось, как заняться...

Вопрос. Чем занялся Ньютон, и каким был итог его занятий? (Ньютон занялся изучением световых явлений. Итогом этих занятий является его фундаментальный труд «Оптика», изданный в 1704 году.)

Данный диалог между соседом и Ньютоном желательно инсценировать.

{mospagebreak} 

6. В современном мире наблюдается тенденция к комплексному использованию разных форм человеческой деятельности. Например, успешно развиваются комплексные науки: био- и геофизика, физическая химия и другие. Эта же тенденция находит свое выражение и в отдельных видах искусства, а также в их соединении. Сюда же относится светомузыка (дается небольшая светомузыкальная заставка), которая основана на сложном синтезе и взаимодействии музыкальных звуков и красочных световых проекций.

Уважаемые знатоки! Ответьте, пожалуйста: «Когда впервые в России состоялось исполнение музыкальных произведений в сопровождении света? Что было исполнено? Назовите авторов первых светомузыкальных произведений. В вашем распоряжении одна минута». (Первое исполнение светомузыки состоялось в Москве в 1918 году во время празднования годовщины Октябрьской революции. Были исполнены «Интернационал», «Прометей». У истоков светомузыкального искусства стояли А.Н. Скрябин, М.К. Чюрленис.)

7. В зал вносят и устанавливают на столе закрытый ящик. Ведущий читает стихотворение.

Смотрю — и что ж в моих глазах?В фигурах разных и в звездахСапфиры, яхонты, топазы,И изумруды, и алмазы,И аметисты, и жемчуг,И перламутр, все вижу вдруг!Лишь сделаю рукой движенье —И новое в глазах явленье!

Уважаемые знатоки! Что за прибор, которому посвящено только что прочитанное стихотворение, находится в черном ящике? Когда примерно он изобретен? (Калейдоскоп: состоит из трубки с зеркальными пластинами и осколками цветных стекол. Предназначен для наблюдения быстро сменяющихся красочных узоров. Изобретен в 1817 году шотландским физиком Д.Брюстером.)

8. Архитектура может иногда выступить против техники, которой мы пользуемся. Так, в отдельных районах больших городов из-за разной высоты зданий очень затруднен прием радио- и особенно телепередач. В связи с этим появляются предложения придерживаться единообразия при строительстве. Уважаемые знатоки! Расскажите о том, какие технические средства дают возможность преодолеть указанное выше затруднение, как эти средства связаны с оптикой и как они помогают сохранить красивые ансамбли городов. (Учеными разработана система подземных коммуникаций для телепередач на основе волоконных световодов, действие которых базируется на явлении полного отражения света. Стекловолоконный канал не подвержен помехам и дает четкое цветное изображение. Так, оптическое явление может оказаться важным звеном, сохраняющим красоту архитектурного облика города и вместе с тем обеспечивающим изящное решение технической проблемы.)

V.Конкурс капитанов. (Ведущий задает по очереди вопросы капитанам.)

1. Однажды иранец привез из Тегерана электрический фонарь. Его окружила толпа, чтобы поглядеть на диковинку. Направив луч в навес базара, владелец фонаря обратился к одному из любопытствующих:

— Если заберешься по лучу на навес, я дам тебе пять риалов. Поглядев на пятно света, тот сказал:

— Нашел дурака! Залезу наверх, а ты выключишь фонарь, и я грохнусь оземь!

Вопрос. Можно ли было выполнить предложение владельца фонаря? При каком условии видны лучи света?

2. Учительница сообщает классу:

— Сегодня вечером, ребята, будет лунное затмение. Лучший ученик тут же просит уточнить:

— По какому каналу телевидения?

Вопрос. Как возникают лунные затмения? Если на Земле наблюдается полное лунное затмение, то что увидит космонавт, оказавшийся в это время на Луне?

3. Зубной врач говорит пациентке:

— Не нужно так широко раскрывать рот.

— Но вы же сами сказали мне, что должны ввести туда зеркальце и инструменты.

— Но сам то я остаюсь снаружи.

Вопрос. Какие зеркала используют стоматологи? С какой целью?

4. Сын обращается к отцу:

— Папа, дай мне денег, я хочу посмотреть на Луну в телескоп.

— Подожди немножко! Через две недели будет полнолуние, и тогда за те же деньги увидишь больше.

Вопрос. Какую видимую форму имела Луна в момент разговора отца с сыном? Изобразите схематически в правильной последовательности основные четыре фазы Луны.

5. Доктор, а вы уверены в том, что если я буду есть много морковки, то у меня улучшится зрение?

— Конечно, вы видели когда-нибудь кролика в очках?

Вопрос. В чем отличие зрения кролика от зрения человека?

6. Почему охотник, когда стреляет, закрывает один глаз?

— Потому, что если он закроет оба глаза, то ничего не увидит.

Вопрос. А как бы вы ответили на заданный вопрос?

7. Решил человек разбогатеть, купил квасу и поехал в пустыню продавать его. Сидит, ждет жаждущих питья. Смотрит, караван идет.

— Квас, свежий квас, холодные квас! — кричит он. Но на него никто не обращает внимания. Он давай снова кричать:

— Квас, холодный квас!

А караван идет мимо. Тогда он подскакивает к последнему караванщику и говорит:

— Друг, купи квасу! И слышит:

— Уйди, мираж, уйди.

Вопрос. Что такое мираж? При каких условиях он возникает? Где обычно наблюдается?

8. Бензиновая колонка в африканской пустыне. Большая вывеска над ней гласит: «Наполни бак и все канистры. Три следующие бензиновые станции, которые ты увидишь, — мираж».

Вопрос. Какой вид миража возникает обычно в пустыне? Изобразите схематически, как возникает мираж в пустыне.

9. (Вопрос обеим командам.) А сейчас перед вами очки. Определите, какой дефект зрения у хозяина этих очков? Объясните. (Очки с рассеивающей линзой носят люди, страдающие близорукостью, очки с собирающей линзой — люди, страдающие дальнозоркостью.)

10. Однажды человек увидел, что его сосед положил перед своим ослом вместо травы щепки, и спросил:

— Ай, сосед, разве животное может есть щепки?

— Я знаю, что не может, но что мне делать? Травы нет, а бедный осел голоден.

— Ты, что же, хочешь обмануть его? Он не такой дурак, чтобы вместо травы есть щепки.

— Я не позволю ему поступать так, как он хочет, — возразил сосед. Сейчас он будет есть.

И надел ослу очки с зелеными стеклами.

Вопрос. Почему так поступил сосед? Какого цвета покажутся предметы белого, синего, красного цвета через зеленые очки?

11. Кому яркие звезды кажутся крупнее: человеку с нормальным зрением или близорукому? Почему? (Близорукому, так как четкое изображение будет не на сетчатке глаза, а несколько впереди, дальше лучи расходятся, и на сетчатку попадает расходящийся пучок лучей.)

А сейчас оба капитана получат оптический кроссворд, при правильном заполнении которого вы прочитаете по горизонтали слово, обозначающее оптическое явление, используемое в зеркалах.

 

 

По вертикали:

1. Точка, в которой собираются все лучи, прошедшие через собирающую линзу. (Фокус.)

2. Частично освещенное пространство. (Полутень.)

3. Единица оптической силы линзы. (Диоптрия.)

4. Один из основных элементов оптических приборов. (Линза.)

5. Вид предмета на экране. (Изображение.)

6. Излучение, видимое глазом. (Свет.)

7. Оптический прибор, позволяющий рассматривать предметы, находящиеся на большом расстоянии от наблюдателя. (Бинокль.)

8. Раздел физики, в котором изучаются световые явления. (Оптика.)

9. Оптический прибор, образующий изображение предмета путем отражения падающих на него лучей. (Зеркало.)

VI. Пока капитаны справляются с кроссвордом, ведущий, обращаясь к зрителям, читает строки русского поэта Ф.И.Тютчева:

Как неожиданно и яркоНа влажной неба синевеВоздушная воздвиглась аркаВ своем минутном торжестве!О, в этом радужном виденьеКакая нега для очей!Оно дано нам на мгновенье,Лови его — лови скорей!

1. О чем идет речь? Объясните возникновение радуги. (Световой луч разлагается в капельке дождя, как в призме, на спектр.)

2. Если на спиртовке нагреть медную пластинку, то на ее поверхности образуются разноцветные пятна. Отчего это происходит? (Пятна — результат интерференции отраженного света в образовавшейся тонкой пленке оксида.)

3. Фотограф увидел, что во время фотографирования на объектив фотоаппарата села муха. Появится ли на снимке изображение мухи? (Изображения не будет. Она лишь закроет часть объектива, уменьшится освещенность пленки, но изображение останется прежним, так как от всех точек предмета лучи пройдут через объектив.)

4. Можно ли добыть огонь с помощью льда? (Да. Для этого нужно сделать изо льда двояковыпуклую линзу, которая имеет свойство собирать падающие на нее параллельные лучи солнца в одну точку, и зажечь горючий материал.)

5. Почему для сигнала остановки выбран красный цвет? (Красные лучи имеют большую длину волны и рассеиваются в воздухе слабее лучей иных цветов. Поэтому они проникают дальше, чем всякие другие. Кроме того, выбор красного цвета объясняется большей чувствительностью глаза к этой окраске.)

Ведущий может также предложить залу поиграть в игру «Веришь — не веришь». Ведущий читает фразы, а участники отвечают. Например:

1. Свет от источника распространяется прямолинейно во все стороны. (Не верю.)

2. Закон отражения выполняется только для зеркальных поверхностей. (Не верю.)

3. Собирающая линза всегда дает действительное изображение, а рассеивающая — мнимое. (Не верю.)

4. Близорукому нужны очки с рассеивающей линзой. (Верю.) И т.д.

В заключение конкурса жюри подводит итоги, выигравшая команда награждается пирогом.