Опыты с дисковым экраном

Опыт 1. Отражение от плоского зеркала.

С помощью прижима устанавливается плоское зеркало так, чтобы отражающая поверхность его совпадала с горизонтальной осью экрана (рис. 2).

Законы отражения демонстрируют с помощью одного среднего луча, меняя угол падения от 0 до 90°, при этом вертикальная ось экрана служит перпендикуляром, восстановленным к плоскости зеркала в точке падения луча.

Для демонстрации отражения от плоского зеркала двух непараллельных лучей гасят средний луч, а два боковых луча направляют на зеркало, как показано на рис. 3. Точку пересечения лучей рассматривают как светящуюся точку, от которой, на зеркало падают расходящиеся лучи.

Рис. 2. Рис. 3:

В этом случае место мнимого изображения точки представляется как пересечение лучей, что можно показать узкими полосками плотной бумаги, подложенной под зеркало.

Опыт 2. Вогнутое сферическое зеркало устанавливают так, чтобы средний луч, направленный по вертикали, после отражения совпадал с лучом падающим. Затем на зеркало направляют два параллельных луча, которые после отражения пересекаются в одной точке в главном фокусе (рис. 4).

После этого направляют боковые лучи так, чтобы они сходились в главном фокусе, и получают пучок отраженных лучей, параллельных друг другу (принцип устройства прожектора). Перемещая точку пересечения лучей (светящуюся точку) дальше от зеркала, получают сходящиеся отражения лучей (действительное изображение). Приближая светящуюся точку к зеркалу, получают расходящиеся отраженные лучи. Выпуклое зеркало устанавливают так же, как и вогнутое. На зеркало направляют два параллельных луча и получают расходящиеся отраженные лучи. Продолжение отраженных лучей (на рис. 5 может быть показано узкими полосками черной бумаги) за зеркалом дает положение главного (мнимого) фокуса зеркала.

Рис. 4 Рис. 5

Опыт 3. Прохождение луча в полуцилиндре.

На экране устанавливают прозрачный полуцилиндр, плоский срез которого обращают вверх и совмещают с горизонтальной осью экрана, а центр полуцилиндра с центром экрана. Для этой цели на матовой поверхности полуцилиндра имеется риска, перпендикулярная к плоскому срезу и проходящая через центр линзы. Эту риску совмещают с вертикальной линией, нанесенной на экран. Для демонстрации законов преломления пользуются одним средним лучом. Сначала показывают, что луч, падающий в центре и перпендикулярно на плоскость, проходит полуцилиндр без изменения своего направления. Отклонив падающий луч от перпендикуляра и определив угол падения (угол между вертикалью и падающим лучом), доказывают, что в точке падения на плоскость полуцилиндра луч преломляется и выходит из цилиндра под меньшим углом (рис. 6). Необходимо обратить внимание, что преломленный; луч внутри полуцилиндра идет по радиусу и выходит без изменения направления, так как преломляющей поверхностью в этом случае является цилиндрическая поверхность, которая перпендикулярна к радиусу в их общей точке. Изменяя угол падения, наблюдают, что соответственно изменяется и угол преломления, но, когда луч из среды, оптически менее плотной (воздух), входит в среду, оптически более плотную (стекло), то угол падения всегда больше угла преломления. Одновременно с преломленным лучом наблюдают луч, отраженный от плоской поверхности полуцилиндра, который будет слабее.

Кроме того, прибор дает возможность измерять угол падения и преломления оргстекла, из которого изготовлен полуцилиндр. Для демонстрации преломления луча при прохождении его через полуцилиндр осветитель устанавливают со стороны выпуклой части полуцилиндра. Направляя луч по вертикали к плоской грани полуцилиндра, наблюдают, что луч проходит полуцилиндр без преломления. Отклоняя осветитель, наблюдают, что при выходе из полуцилиндра со стороны плоской грани луч преломляется и отклоняется от первоначального направления, причем угол преломления стал больше угла падения (рис. 7).

Рис. 6 Рис. 7

Угол падения луча увеличивают до тех пор, пока угол преломления не приблизится к прямому. Одновременно с преломленным лучом наблюдают отраженный луч, который тем ярче, чем больше угол падения и чем угол преломления ближе подходит к 90°. Преломленный луч соответственно ослабевает по яркости, пока не будет получено полное внутреннее отражение.

Определяют величину угла, при котором начинается полное внутреннее отражение. Этот угол называют предельным углом для данного преломляющего материала.

При дальнейшем увеличении угла падения продолжается явление полного внутреннего отражения.

Явление полного внутреннего отражения демонстрируется при помощи прямоугольной призмы, как показано на рис. 8. Этот же опыт можно показать с тремя параллельными лучами.

Опыт 4. Прохождение луча через пластину, ограниченную параллельными плоскими гранями.

На экране укрепляют пластинку в виде неравнобокой трапеции большим основанием кверху, как показано на рис. 9. Сначала луч направляют перпендикулярно к основаниям трапеции (по вертикали). Луч проходит прозрачную пластину без преломления. Поворотом осветителя направляют луч под некоторым углом. После двойного преломления луч выходит из пластинки параллельно падающему со сдвигом в сторону. Увеличивая угол падения, наблюдают, что соответственно увеличивается сдвиг, но выходящий луч всегда остается параллельным лучу падающему.

Рис. 8. Рис. 9.

Опыт 5. Прохождение луча через призму.

Призмой может служить трапециевидная пластинка в виде прямоугольного равнобедренного треугольника.

Установка трапециевидной пластинки для демонстрации показана на рисунке 10. Пластинку надо установить так, чтобы место падения луча на грань призмы совпадало с центром экрана (грань призмы должна проводить через центр экрана).

Угол паления луча на грань призмы меняется поворотом осветителя, причем точка падения луча остается неподвижной. Для демонстрации хода луча в призме ее надо установить так, чтобы внутри луч прошел значительный путь. При определении мини-

Рис. 10. Рис. 11.

мального угла отклонения луча призмой последнюю укрепляют так, чтобы луч падал возможно ближе к вершине преломляющего угла, т. е. вершину призмы располагают почти в центре экрана (рис. 11). Тогда лучи падающий и выходящий из призмы пойдут почти по радиусу шайбы, что позволит определить требуемые углы по круговой шкале. Меняя угол входа луча в призму, легко заметить, что минимальный угол отклонения призмой луча получится в том случае, когда угол входа равен углу выхода луча из призмы. Устанавливая тот или иной преломляющий угол, убеждаются в следующем: чем больше преломляющий угол призмы, тем больше (минимальный угол отклонения.

Опыт 6. Прохождение лучей через призму бинокля.

Установка на экране пластинки (в виде прямоугольного треугольника) и ход двух параллельных лучей через призму бинокля изображены на рис. 12. Для более четкой демонстрации хода лучей следует поставить светофильтр. Средний луч закрывают, а пропускают один нижний, первый от среднего луча и второй верхний.