ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 6. Дослідження відбивання світла від плоского дзеркала

• Назад до змісту

ТЕМА, МЕТА, ОБЛАДНАННЯ

Тема: Дослідження відбивання світла від плоского дзеркала.

Мета: експериментально перевірити закони відбивання світла.

Обладнання: джерело світла (свічка або електрична лампа на підставці, ліхтарик або лазерна указка); екран зі щілиною; плоске дзеркало; кілька чистих білих аркушів паперу; лінійка; транспортир; добре заточений олівець.

ПІДГОТОВКА ДО ЕКСПЕРИМЕНТУ

1. Згадайте: 1) вимоги безпеки під час роботи зі скляними предметами; 2) закони відбивання світла.

1. Правила безпеки:
   Під час роботи зі скляними приладами та плоским дзеркалом слід бути обережними, уникати ударів і падінь дзеркала. Не можна торкатися гострих країв скла незахищеними руками. У разі пошкодження скла негайно повідомити вчителя, а уламки прибирати виключно за допомогою щітки та совка, у жодному разі не збираючи їх пальцями.

2. Закони відбивання світла:

• Перший закон: промінь падаючий, промінь відбитий і перпендикуляр до поверхні відбивання, проведений із точки падіння променя, лежать в одній площині.
• Другий закон: кут відбивання $\beta$ дорівнює куту падіння $\alpha$:
  $\alpha = \beta$

2. Збирання експериментальної установки (рис. 1 підручника):

1. Розміщуємо екран зі щілиною на чистому білому аркуші паперу.
2. Переміщуючи джерело світла перед екраном, отримуємо на поверхні аркуша тонку чітку світлову смужку (падаючий пучок світла).
3. Під кутом до цієї смужки вертикально (перпендикулярно до площини аркуша) встановлюємо плоске дзеркало так, щоб відбитий пучок світла також давав на білому папері яскраву і добре видиму смужку.

ЕКСПЕРИМЕНТ

1. За допомогою гострого олівця проводимо тонку лінію вздовж відбивальної поверхні плоского дзеркала.
2. Ставимо на аркуші три точки:
   • точку $O$ — у місці падіння світлового пучка на поверхню дзеркала;
   • точку $A$ — посередині падаючого світлового пучка;
   • точку $A_1$ — посередині відбитого світлового пучка.
3. Повторюємо експеримент ще два рази на нових аркушах паперу, змінюючи кут нахилу дзеркала відносно падаючого пучка світла.
4. Контрольна перевірка першого закону відбивання: трохи нахиляємо дзеркало від себе або до себе, змінюючи прямий кут між дзеркалом та аркушем паперу. Світлова смужка відбитого пучка миттєво зникає з аркуша, оскільки відбитий промінь виходить із площини паперу. Це наочно доводить перший закон: падаючий промінь, відбитий промінь і перпендикуляр завжди лежать в одній площині.

ОПРАЦЮВАННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ ЕКСПЕРИМЕНТУ

Для кожного з трьох проведених дослідів:

1. Сполучаємо лінійкою точку $A$ з точкою $O$ (отримуємо падаючий промінь $AO$), а точку $O$ з точкою $A_1$ (отримуємо відбитий промінь $OA_1$).
2. Через точку падіння $O$ за допомогою косинця або транспортира будуємо перпендикуляр $n$ до накресленої лінії поверхні дзеркала.
3. За допомогою транспортира вимірюємо:
   • кут падіння $\alpha$ (кут між падаючим променем $AO$ та перпендикуляром $n$);
   • кут відбивання $\beta$ (кут між відбитим променем $OA_1$ та перпендикуляром $n$).

Результати вимірювань:

АНАЛІЗ ЕКСПЕРИМЕНТУ ТА ЙОГО РЕЗУЛЬТАТІВ

Висновок:

1. Під час виконання лабораторної роботи ми експериментально дослідили відбивання світла від плоского дзеркала та перевірили закони відбивання. У ході дослідів встановлено, що кут відбивання світлового променя дорівнює куту його падіння ($\alpha = \beta$), а також підтверджено, що падаючий промінь, відбитий промінь і перпендикуляр до межі поділу середовищ лежать в одній площині (площині аркуша паперу).
2. Отримані результати виявилися практично точними в межах похибки шкільних вимірювальних приладів. Невеликі відхилення значень кутів (у межах $1^\circ$) зумовлені такими чинниками:
   • товщиною світлової смужки, через що точку в центрі пучка важко позначити абсолютно точно;
   • товщиною лінії олівця та похибкою встановлення нульової позначки транспортира;
   • ціною поділки шкільного транспортира ($1^\circ$);
   • можливим незначним відхиленням дзеркала від строго перпендикулярного положення до площини аркуша.

ТВОРЧЕ ЗАВДАННЯ

Умова: Скориставшись рисунком до завдання, продумайте та запишіть план проведення експерименту з визначення висоти кімнати за допомогою плоского дзеркала; зазначте необхідне обладнання. За можливості проведіть експеримент.

Обладнання: невелике плоске дзеркало, рулетка (або мірна стрічка), олівець чи крейда для позначок на підлозі.

План проведення експерименту:

1. Покласти плоске дзеркало горизонтально на підлогу на деякій відстані від стіни відбивальною поверхнею вгору.
2. Відходити від дзеркала назад уздовж прямої лінії доти, поки у центрі дзеркала не стане видно зображення стику між протилежною стіною та стелею (найвищої точки кімнати).
3. За допомогою рулетки виміряти такі величини:
   • $L$ — відстань по підлозі від стіни до центра дзеркала;
   • $l$ — відстань по підлозі від центра дзеркала до вертикалі очей спостерігача (до носків взуття);
   • $h$ — висоту від підлоги до рівня очей спостерігача.

Теоретичне обґрунтування та розрахункова формула:

Світловий промінь падає від стику стіни зі стелею на дзеркало під кутом $\alpha$ і відбивається в око під кутом $\beta$.
За другим законом відбивання світла:
$\alpha = \beta$

Оскільки перпендикуляр проведено вертикально до горизонтальної поверхні підлоги, кути між променями та підлогою також рівні:
$90^\circ - \alpha = 90^\circ - \beta$

Розглянемо два прямокутні трикутники:

• перший утворений стіною висотою $H$, відстанлю по підлозі $L$ та падаючим променем;
• другий утворений вертикаллю зросту до очей $h$, відстанню по підлозі $l$ та відбитим променем.

Ці прямокутні трикутники є подібними за гострим кутом. Із подібності трикутників записуємо пропорцію:
$\dfrac{H}{L} = \dfrac{h}{l}$

Остаточно одержуємо робочу формулу для визначення висоти кімнати:
$H = h \cdot \dfrac{L}{l}$

Приклад практичного розрахунку:

Нехай у результаті прямих вимірювань отримано такі дані:

• зріст до рівня очей $h = 1{,}60\text{ м}$;
• відстань від дзеркала до спостерігача $l = 1{,}20\text{ м}$;
• відстань від дзеркала до стіни $L = 2{,}10\text{ м}$.

Обчислення:
$H = 1{,}60 \cdot \dfrac{2{,}10}{1{,}20} = 1{,}60 \cdot 1{,}75 = 2{,}80\text{ (м)}$

Висота кімнати становить $2{,}8\text{ м}$.