Явление дисперсии света было открыто И.Ньютоном и считается одной из важнейших его научных заслуг. Недаром на его надгробном памятнике, поставленном в 1731 году и украшенном фигурами юношей, которые держат в руках эмблемы его главнейших открытий, одна фигура держит призму, а в надписи на памятнике есть слова: «Он исследовал различие световых лучей и появляющиеся при этом различные свойства цветов, чего ранее никто не подозревал». Последнее утверждение не совсем точно. Дисперсия была известна и ранее, но обстоятельно она не изучалась.
Урок изучения нового материала «Дисперсия света» проводится в виде лекции. Объяснение данного явления с точки зрения электромагнитной теории с использованием проблемных ситуаций и современной технологии с презентацией.
Тема: Дисперсия света. (Слайд 1)
Цели:
- дать понятие о дисперсии света и объяснить ее с точки зрения электромагнитной теории.
- способствовать обучению школьников умению устанавливать взаимосвязи в изучаемых явлениях;
- выдвигать гипотезы и проверять их, используя физический эксперимент;
- делать обобщения.
- воспитание организованности, уверенности в себе, самостоятельности, взаимопроверки, ответственности.
ТСО: компьютер, мультимедийный проектор, приборы и материалы к проведению эксперимента.
План урока:
Изложение нового материала. (Слайд 2)
Дисперсия – звучит прекрасно слово,
Прекрасно и явление само
Оно нам с детства близко и знакомо,
Мы наблюдали сотни раз его!
Гром отгремел, стих летний ливень быстрый,
И над умытой свежею землей
Мостом бесплотным радуга повисла,
Пленяя нас своею красотой
Дисперсия здесь «руку приложила».
Обычный белый лучик световой
Она как будто в призме разложила
Во встреченной им капле дождевой.
1. Дисперсия света.
Перед изучением данной темы учащиеся повторяют материал о преломлении волн, в том числе световых, и ход лучей в треугольной призме.
Вспоминаем, как преломляет электромагнитные волны призма из диэлектрика и световые монохроматические пучки стеклянная призма. (опыт проводят учащиеся)
Опыт по преломлению монохроматического пучка
ставим дважды, используя призмы из разного
стекла (флинт и крон). Строим падающий и
преломленный лучи и записываю соотношение sin
/sin
=n2/n1=c2/c1,
где с1, с2 – скорость
электромагнитных волн, в первой и второй средах
соответственно.
Вывод: скорость электромагнитных волн зависит от среды.
Радугу в комнате получают при помощи призмы. (Слайд 3,4)
Именно опыт с призмой позволил Исааку Ньютону заключить в «Лекциях по оптике» в 1669 году и в мемуаре «Новая теория света и цветов», написанном в 1672 году: «Световые лучи различаются в их способности показывать ту или иную особую окраску, точно так же, как они различаются по степени преломляемости.
…Свойственные какому-либо роду лучей, они не могут быть изменены ни преломлением, ни какой-либо иной причиной…Поэтому мы должны различать два рода цветов: одни первоначальные и простые, другие же сложенные из них…В этом причина того, почему свет обыкновенно имеет белую окраску; ибо свет – запутанная смесь лучей всех видов и цветов, выбрасываемых из различных частей светящихся тел».
(Слайд 5)
Если в темной комнате толстую стеклянную пластину осветить пучком света от лампы накаливания, то присмотревшись, можно заметить, что в стекле на границе с воздухом пучок белого света расщепляется на множество плавно переходящих друг в друга цветных пучков. Это явление свидетельствует о дисперсии световых волн (от лат. disperqo – разбрасываю)
Явление дисперсии света первым начал изучать И.Ньютон (1666 год).
Замечательно, что этот опыт пережил столетия, и его методика без существенных изменений используется в физических лабораториях до сих пор. (Слайд 6)
Ньютон в темной комнате направил пучок солнечного света, прошедшего через отверстие в ставне, которым закрывалось окно, на треугольную призму. На противоположной стене Ньютон увидел яркую цветную полосу, состоящую из множества разноцветных полос, цвета которых, изменяясь плавно переходили от красного к оранжевому к желтому и до фиолетового.
Наблюдаемую на стене картину Ньютон назвал – спектром (от лат. spectrum – видение).
Если внимательно присмотреться к прохождению света через треугольную призму, то можно увидеть, что разложение белого света начинается сразу же, как только свет переходит из воздуха в стекло. В описанных опытах использовались пластина и призма, изготовленные из стекла. Вместо стекла можно взять и другие прозрачные для света материалы. Чем больше показатель преломления материала, тем ярче проявляется дисперсия света.
Среды, в которых наблюдается явление дисперсии называются – диспергирующими.
2. О чем свидетельствует явление дисперсии?
Белый свет имеет сложный состав, но это не ново. При изучении явления дифракции было установлено, что длины волн и их частоты различны для каждого цвета.
Явление дисперсии свидетельствует о том, что фазовые скорости волн входящих в состав белого света в стекле различны.
Фазовая скорость – скорость распространения фазы волны.
Действительно, непосредственно из опыта вытекает, что для показателей преломления справедливо следующее неравенство:
nк<nор<nж<nз<nг<nс<nф (Слайд 7)
Но показатель преломления равен отношению скоростей света в воздухе к фазовой скорости в стекле. Поэтому показатели преломления цветовых пучков можно выразить через их фазовые скорости:
n=c/
к; n=c/о; n=c/ж…; n=c/ф
Подставив найденные значения показателей преломления в предыдущее неравенство получим:
с/к< с/о <с/ж
< ….< с/ф или к>о>ж>….>ф
Таким образом, из явления дисперсии следует, что волны входящие в состав белого света, в веществе распространяются с различными скоростями: с наибольшей скоростью распространяются волны, которые мы воспринимаем как красный свет. И с наименьшей волны, воспринимаемые нами как фиолетовый свет.
Но восприятие цвета зависит от длины волны, а следовательно, и от частоты колебаний. Следовательно, фазовые скорости распространения световых волн зависят и от их частоты.
(Слайд 8)
Дисперсией называют зависимость показателя преломления света от частоты колебаний (или дины волны).
Итак, распределение какого-либо излучения по длинам волн (частотам колебаний) называется спектром этого излучения.
Спектр (лат слово «видимый») в котором монохроматические лучи непрерывно следуют друг за другом, называют сплошным. Примером сплошного спектра является спектр белого света.
В сплошном спектре видимого света условно принято различать семь основных цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Резкой границы среди них нет.
Каждой цветности соответствует своя длина и частота волны, такой одноцветный свет называют – монохроматическим. (Слайд 9)
| Цвет | Длина волны, нм | Ширина участка, нм |
| Красный | 800-620 | 180 |
| Оранжевый | 620-585 | 35 |
| Желтый | 585-575 | 10 |
| Зеленый | 550-510 | 40 |
| Голубой | 510-480 | 30 |
| Синий | 480-450 | 30 |
| Фиолетовый | 450-390 | 60 |
Качественное представление о причине возникновения дисперсии.
Электромагнитная волна возбуждает в веществе вынужденные колебания электронов в атомах и молекулах. Колеблющиеся электроны становятся вторичными излучателями электромагнитных волн такой же частоты, но со сдвигом фазы. Поскольку первичная и вторичная волны когерентны, они интерферируют, и результирующая волна распространяется со скоростью, отличной от скорости света в вакууме.
Учащиеся наблюдают разложение и синтез белого света с помощью призм осуществленный И.Ньютоном. (Слайд 10)
В последующих опытах Ньютону удалось соединить цветные лучи в белый свет. Для этого пропустим лучи солнечного света сквозь призму, а затем вышедшие из нее цветовые лучи соберем с помощью собирающей линзы. В месте соединения цветовых лучей, луч стал белого цвета.
В 1807 году Томас Юнг сделал столь же важное открытие, что белый свет можно получить сложением красного, зеленого, голубого.
Продемонстрировать можно при помощи вращающего круга, представляющего собой комбинацию основных спектральных цветов. (Слайд 11)
Сочетание различных цветов играет важную роль в жизни человека: одежда, мебель и т.д.
Законы сочетания цветов: (Слайд 12)
- Цвета должны быть родственные.
- Один цвет господствующий.
Задание: Какая рубашка гармонирует к голубому костюму. (По аппликациям находят более удачное решение).
Цвета непрозрачных тел. (Слайд 13)
- Многообразие цветов и оттенков в окружающем нас мире объясняет явление дисперсии.
- При взаимодействии с различными телами лучи света разного цвета по-разному отражаются и поглощаются этими телами.
- Тела, окрашенные в белый цвет, отражают лучи света разных частот одинаково хорошо.
- Тела, окрашенные в черный цвет, поглощают лучи света разных частот одинаково хорошо.
- Непрозрачные тела окрашиваются в тот цвет, лучи света которого они хорошо отражают.
- С помощью дисперсии света можно объяснить такое явление, как радуга.
Цвета прозрачных тел (Слайд 14)
- Цвет прозрачного тела определяется составом того света, который проходит через него.
- Если прозрачное тело равномерно поглощает лучи всех цветов, то в проходящем белом свете оно бесцветно, а при цветном освещении имеет цвет тех лучей, которыми освещено.
- При пропускании белого света через окрашенное стекло оно пропускает тот цвет, в который окрашено.
- Это свойство используется в различных светофильтрах.
Выводы (Слайд 15)
Закрепление
1.Пронаблюдать образование цветных кругов вокруг лампочки уличного фонаря и объяснить данное явление, отметить последовательность расположения кругов. (Объяснение связать с показателем преломления цветных лучей со скоростью распространения ?кр.> ?ф)
2.Почему видим белое – белым, черное – черным, красное – красным?
3.Пронаблюдать белый лист бумаги через цветное стекло и объяснить почему бумага принимает цвет стекла?
4.На тетради написано красным карандашом «отлично» и зеленым «хорошо». Имеются два стекла красное и зеленое, через какое надо смотреть, чтобы увидеть оценку «отлично»?
5.На сером фоне сцены находится фигура в красном. Каким светом её надо осветить, чтобы создать видимость исчезновения?
6.Из рассказа Жюля Верна «Зеленый луч»: «Видели ли вы когда-нибудь заходящее солнце на горизонте? – Да, конечно! -…Но заметили ли вы, как появляется и гаснет последний солнечный луч, когда воздух освобождается от тумана и становится прозрачным? – Вероятно, нет! И так, если представится видеть это явление – оно бывает очень редко, - то обратите внимание на то, что этот последний луч будет не красным, а зеленым. Да, да, будет иметь чудесный зеленый цвет, то есть такой зеленый, который не сможет создать ни один художник на своей палитре. Подобный зеленый цвет не удается встретить нигде в природе, ибо его нельзя найти в растительном мире, несмотря на все множество и разнообразие и у самых ярких морей»
Вопрос: Почему появляется этот зеленый луч?
Домашнее задание: §66, Рымкевич № 1051-1053.