Жарықтың толық ішкі шағылуы. Оптикалық талшықтар. Физика, 11 сынып, сабақ жоспары.

Тақырыбы:

Жарықтың толық ішкі шағылуы. Оптикалық талшықтар.

Мектеп : NIS Атырау

Мерзімі:

Уақыты: 40 мин

Мұғалімі: Есеркенова Ж.К.

Сынып : 11

Оқушылар саны:

Сабақтың мақсаты

• Оптикалық талшықтар арқылы сигналдар таратылуының ерекшеліктерін айқындайды

Осы сабақ арқылы іске асатын оқыту мақсаттары

11.6.2.4 – жарық сигналдарын таратудағы талшықтық оптикалық технологияның ерекшеліктерін түсіну

Сабақ міндеттері:

Оқушылар орындай алуы керек:

• Жарықтың толық шағылу құбылысын біледі
• Жарық сигналдарын таратуда талшықтық оптикалық технология ерекшеліктерін түсіндіре алады

Тілдік мақсат

Оқушылар өздерінің түсініктерін көрсететін жаңа сөздерді пайдаланулары керек. Олар терминдерді түсінулері және қолдана алулары керек: нормаль, түскен сәуле, сынған сәуле, түсу бұрышы, сыну бұрышы, жарықтың толық шағылуы, шекті бұрыш.

Арнайы пәндік лексика және терминология:

Жарықтың толық ішкі шағылуы – полное внутреннее отражение света - total internal reflection of light

шекті бұрыш – критический угол - critical angle

түскен сәуле – падающий угол – the incident angle

сынған сәуле – преломленный угол - refracted angle

Диалогқа/жазуға қажетті сөз тіркестері:

Жарық сәулесі ауадан шыныға өткенде, ол нормальға қарай ауытқиды. Сыну бұрышы түсу бұрышынан аз. Бұл түсу бұрышы 90°тең болғанда, орындалмайды

Өткен сабақ материалдар

Жарықтың шағылу және сыну заңдары

Қолданылатын әдістері

Диалогтік әдіс

Интербелсенді әдіс (миға шабуыл, суреттерді салыстыру бойынша ұқсастығын табу)

Түсіндіру әдісі

Жұптық жұмыс

АКТ-ні қолдану

Анимация

Күтілетін нәтиже

Оқушылар біледі:

• Шекті бұрышқа жеткен кезде, сынған сәуленің жарықтылығы нөлге тең, яғни бұл сәуле өшіп, шағылған сәуленің жарықтылығы түскен сәуленің жарықтылығына тең болатынын біледі
• Шекті (критикалық) бұрышты (c) және толық ішкі шағылуды анықтайды
• Сын тұрғысынан ойлау арқылы сұрақтарға жауап береді
• Оптикалық талшықты құралдардағы сәуленің жүру жолдарын, артықшылықтары мен кемшіліктерін айқындай алады.

Физика – сабақ жоспары

Жүру барысы

Ұйымдастыру

Оқушылармен амандасу

Өткен тақырыпты жаңа тақырыппен байланыстыру мақсатында оқушыларға проблемалық сұрақтар қою.

Миға шабуыл. Жарықтың сынуы дегеніміз не?

• Төменде берілген суреттерге назар аудара отырып, а және б суреттеріндегі айырмашылықты анықта? Себебі неде деп ойлайсың?

• Екі сурет арасында қандай байланыс бар?

• Анимация көрсету

Қандай құбылыс байқалды? Осы мақсатта жұпта талдай отырып, байқаған құбылыстарын сипаттайды және қорытынды жасайды.

Жарық шоғы тығызырақ ортадан тығыздығы азырақ ортаға өткенде, таралу жылдамдығы артады. Сәуленің түсу бұрышымен салыстырғанда сыну бұрышы да артады.

• Түсу бұрышының одан әрі артуы екі ортаны бөлетін шекарада сынудың болмауына алып келеді. Бұл құбылыс толық ішкі шағылу,ал толық ішкі шағылу болатын бұрыш шектік бұрыш деп аталады.

 Мысалы: Су үшін шекті бұрыш 49⁰, ал шыны үшін 42⁰ құрайды.

Толық шағылу құбылыс қолданылатын приборлар мен құрылғылар: - бұрылмалы призма - перископта- айналмалы призмада – бинокльде- оптикалық талшықтар – жарық өткізгіштерде Оптикалық талшық - жарықтық сигналдарды жеткізуге пайдаланылатын мөлдір материалдан жасалған жіп.

Радиотолқындар сияқты жарық та ақпараттар жеткізуге пайдаланылады. Оптикалық талшықты байланыс- мәліметтер оптикалық диэлектрикті кабельдер (оптикалық талшық) арқылы жеткізіп берілетін байланыстыӊ бір түрі. Оптикалық талшықтар арқылы мәліметтер жеткізіп беру жарықтыӊ толық ішкі шағылу құбылысына негізделген

Талшықтық оптикалық кабель  —  мәліметтерді  жарық 

көмегімен жылдам әрі сапалы тарататын кабель. Талшықты-оптикалық кабельді жасауда сәулежолдар пайдаланылады. Бұл сәулежолдардың әрқайсысының бірнеше қабат қаптармен қоршалуы олардың механикалық және  оптикалық  сипаттамасын жақсарта түседі. Мұндай қаптамалары бар сәулежолдарды оптикалық талшық деп атайды. Сәулежолдың диаметрі 50—125 мкм, ал қаптамасымен қосқанда 0,5 мм және одан үлкен оптикалық талшықтар тобы оптикалық кабельді құрайды. Оның ішіндегі талшықтар жуандау келген пластмасса түтіктерге салынады және беріктендіргіш болат және пластмасса шыбықтар қолданылады. Кабельдің ішкі бөлігін су өткізбейтін зат немесе пластмасса талшықтардың шоқтарымен толтырады. Оптикалық талшықты кабель ағытпасына бекіту өте маңызды. Қауіпсіздік үшін талшықтың ұшын желіммен, эпоксидті смоламен, т. б. саңылаусыз бітейді. Оптикалық кабельдің иілу радиусы оның маңызды ерекшелігіне жатады.

Оптикалық талшықтыӊ құрылысы

Оптикалық-талшықты кабельдер кварцтан жасалған өзекшеден, шағылдырғыш жабыннан және кабельді сыртқы әсерлерден және ылғалдан қорғайтын қабаттан тұрады. Талшықты-оптикалық кабельдердің екі түрлі типі бар: - көпмодалы немесе мультимодалы, арзан, бірақ сапасы төмен кабель; - бірмодалы кабель, қымбат, бірақ сипаттамасы жақсы.

Оптикалық талшықты кабельдің артықшылықтары:

• негізін кремний екі қышқылы құрайтын кварцтан жасалған талшық мысқа қарағанда арзан материал, сондықтан кең таралған. Дүние жүзінде әрдайым мыс қоры азайып отырады, ал бағалар жоғарылауда. Байланыс техникасында мыстың бірнеше килограмын кабельдің бірдей өткізгіштік қабілеті жақсы тазартылған 1 г әйнекпен алмастыруға болады; 
• оптикалық талшықтың диаметрі жуықтап 100 мкм-ге тең, яғни өте ықшам және жеңіл, сондықтан оларды авиацияда, құрал жасауда, кабельдік техникада қолдануға қолайлы; 
• оптикалық талшықтың негізгі қасиеті – ұзаққа шыдамдылығы. Талшықтың өмір сүру уақыты, яғни белгілі бір мезгілге оларға өздерінің қасиеттерін сақтау 25 жылдан асады, оптикалық-талшықты кабельді бір рет салуға мүмкіндік береді және қажетінше, тез әсер ететін қабылдағыш пен тасылмалдағышқа ауыстыру жолымен арнаның өткізгіш қабілетін арттырады

Оптикалық-талшықты кабельдердің кемшіліктері:

• байланыс желілерін жасауда электрлік сигналды жарыққа және жарықты электрлік сигналға айналдыратын сенімді белсенді элементтерді керек етеді.
• қосып сөндіруде көп ресурсты оптикалық коннекторлар (қосқыш) қажет;
• оптикалық талшықты өңдеу үшін прецизиондық, қымбат технологиялық жабдықтар керектігі тағы бір кемшілікке жатады;
• оптикалық кабельдердің ақаулануынан болатын шығындар мысты кабельдердікінен көп. Кіші радиуспен иілуге талшық шыдамай тез үзіледі, сондықтан шыны талшық қорғаныс қабатпен қамтамасыз етеді.

Оқыту мақсаттарына жетуге арналған тапсырмалар

1-тапсырма

(a)     Суретте оптикалық талшық берілген. Монохромат жарық сәулесі оптикалық талшыққа ауадан кіріп жатыр.

(i)      Сәуленің оптикалық талшық ішіндегі таралу траекториясын көрсетіңіз.

(ii) Сәуле оптикалық талшыққа енген кезде қандай құбылыс орын алатынын көрсетіңіз

_______________________________________________

(iii)    Өзекшенің сыну көрсеткіші 1,50, ал қабықшаның сыну көрсеткіші 1,45. Өзекше-қабықша шекарасындағы толық ішкі шағылудың шекті бұрышын табыңыз.

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ (7)

(b) (i)      Не себепті оптикалық талшықтарда қабықша қабаты қолданылуы қажет екендігінің бір себебін келтіріңіз.

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________

(ii)    (а) (iii) бөліміндегі қабықша материалының сыну көрсеткіші 1,45. Не себепті сыну көрсеткіші 1,45-тен кіші болатын материал қолдану тиімді болатындығын түсіндіріңіз.

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ (3)

(c)     Оптикалық талшықтардың қолданылуына бір мысал келтіріңіз.

____________________________________________ (1)

(Жалпы 11 балл)

Жауабы:

(a)     (i)  суреттен көрініп тұрғандай: (1)

     Сәуле нормаль сызыққа қарай сынады (1)     өзекше-қабықша шекарасында толық әшкә шағылу орын алады (1)               i = r көрсетілген (1)               сәуленің талшық бойымен жүруі және шығуы да дұрыс көрсетілген (1)

(ii)     сыну (1)

(iii)    ₁n₂ = (1)

θ_C (= θ₂) = 75.2° (1)

[немесе sin θ_C = 1/n содан sinθ_C = n_обол/n_серд (1)

      sin θ_C = 1.45/1.50 (1)

      θ_C = 75.2°(1)]

(макс 7)

(b)     (i)     өзекшенің сыртқы бетін қорғау үшін (1)

(ii)     қабылдау бұрышының көп болуы (1)көп жарықтың түсуіне мүмкіндік береді(немесе толық ішкі шағылудың шекті бұрышының кіші болуы жоғалтулардың ықтималдығын азайтады (1)

(3)

(c)     эндоскопия немесе байланыс

2-тапсырма

Суретте байланыс үшін қолданылатын қарапайым оптикалық талшықтың қимасы көрсетілген.

(a)     Өзекшенің сыну көрсеткіші 1,47 екендігін көрсетіңіз.

(1)

(b)     Сыған сәуле өзекше мен қабықша шекарасына толық ішкі шағылудың шекті бұрышымен түсуде.

(i)      Сәуле екі ортаның шекарасына Х нүктесінде түсетін болса, оның жолын көрсетіңіз.

(2)

(ii)     Толық ішкі шағылудың шекті бұрышын есептеңіз.

Шекті бұрыш = ____________________ градус

(1)

(iii)    Қабықшаның сыну көрсеткішін есептеңіз.

Сыну көрсеткіші = ____________________

(2)

(c)     Не себепті байланыс үшін қолданылатын оптикалық талшықтарда қабықша болуы қажет екендігін көрсетіңіз.

1 себеп ______________________________________________________________________________________________

2 себеп __________________________________________________________________________________________ (2)

(Жалпы 8 балл)

Жауабы:

(a)     (n  =)     немесе 0.2436 / 0.1657      

0.24 / 0.17 = 1.41 қабылданбайды

және  ( = 1.4699) =  1.47   3 немесе одан көп мәнді сан қолданады

Мұқият болу:14.1 / 9.54 = 1.478

1

(b)     (i)      сәуле шекара бойымен кетеді

Ауытқу 1 мм-ден көп болмауы тиіс.

(жартылай) шағылу көрсетілген (пунктир немесе тұтас сызық қабылданады)

Қабылданады: нормалдан 70 ° -тан 85 °, белгілеу арқылы көрсетуге болады, мысалы θ

2

(ii)     (90 − 9.54 = ) 80.46 немесе 80.5 (^° ) (қабылданады 80^° )

қабылданбайды 81 градус

1

(iii)    (n = n_c sin θ)

80 немесе 81 градус қабылданады

= 1.47 sin 80.46^°   қатені көшіру bii

=1.45      (1.4496)

2 балл дұрыс жауап үшін

2

(c)              •        өзекшені (сызылулардан, созылулардан немесе сынудан) қорғау үшін

Сигнал «сапасы» туралы тұжырымдар жеткіліксіз

•        сигналдың «қабаттасуын» болдырмау/ ақпарат қауіпсіздігін қамтамасыз ету / ақпарат/мәлімет/сигнал жоғалуын болдырмау

"жоғалу" жеке қабылданбайды.

•        толық ішкі шағылу бұрышын арттыру / (модальдік) дисперсия / түсу бұрышы аз сәулелер өзекшеде сынатын болады

‘жарық жоғалуы’ қабылданбайды

•        ақпаратты тасымалдау жылдамдығын арттыру

‘сигнал жоғалуы’және басқа альтернативті жауаптар

Максимум екеуі дұрыс (әр пункттен )      

2

[8]

«Еліміздегі оптикалық талшық өндірісі» эссе

Қосымша мәліметтер

Дифференциация – қосымша көмекті қалай жоспарлайсыз? Қабілетті оқушыларға қандай тапсырмалар жоспарлайсыз?

Бағалау –оқушылардың

білімін қалай тексересіз

Пәнаралық байланыс

Қауіпсіздік ережелерін сабақ барысында сақтауИКТ –ні қолдану

Құндылықтар

Барлық оқушылар:

Қойылған сұрақтарға жауап іздейді, қажетті мәліметтерді дәптерге түсіреді

Оқушылардың көпшілігі:

Пікірлерін ортаға салады

Кейбір оқушылар

Сұрақтар қояды

Жұптар бірін –бірі бағалайды

Қойылған сұрақтарға жауап беруіне байланысты қолпаштау, мадақтау

Қалыптастырушы тапсырмалар арқылы

• Геометриямен, биологиямен
• қорытындылары мен теорияларын бір-бірімен және мұғаліммен талқылау, олардың пікірлерін сыйлау қабілеттерін дамытады және бір-бірімен, үлкендермен қарым-қатынас жасауын тиімді етеді.
• өз бетімен жұмыс істеуге дағдыланады
• кабинетте қауіпсіздік ережесін есте сақтайды
• бірін-бірі тыңдап үйренеді
• бір-бірінің жұмысын көшірмейді

Рефлексия

Сабақтың мақсаты / оқу мақсаты дұрыс па?

Оқушылар бүгін не оқып-үйренді?

Оқу атмосферасы қандай болды?

Мен дифференцияланған жұмысты сәтті дайындай алдым ба?

Мен уақытты сақтадым ба?

Мен жоспарда қандай өзгеріс енгіздім және қандай?

Төменде қалдырылған орынды жүргізілген сабақ бойынша түсіндірмелер үшін қолданыңыз. Сол жақтағы бағанда берілген сабақ бойынша неғұрлым маңызды сұрақтарға жауап беріңіз.