Цели урока:
- образовательная – ознакомление учащихся с действием большого числа параллельных щелей (т.е. с действием дифракционной решетки);
- развивающая – развитие умений по качественному и количественному описанию дифракционной картины, навыков выделения главного, изложения данного материала; развитие внимательности, навыков сравнивать и обобщать факты;
- воспитательная – любознательность, коллективная работа и товарищеская взаимопомощь.
Оборудование: компьютер, мультимедийный проектор, стеклянные призмы, приборы для определения длины волны света с помощью дифракционной решетки, дифракционные решетки (1 : 50), источник света.
ХОД УРОКА
I. Устная разминка
а) Найдите логическую тройку:
|
скорость света |
1 с |
|
время |
1 Гц |
t |
частота |
1 м/с |
|
показатель преломления |
безразмерная |
v |
разность хода лучей |
1 м |
n |
скорость |
1 кг |
c |
длина волны |
1о |
б) Фронтальный опрос.
1) Какое физическое явление называют
дифракцией?
2) Сформулируйте принцип Гюйгенса – Френеля.
3) Какое физическое явление называют дифракцией?
4) С каким явлением важно не путать дифракцию? (Рефракция)
В чем оно заключается?
5) Почему на практике трудно наблюдать дифракцию
света?
6) Каковы границы применимости геометрической
оптики?
7) Какие волновые явления Вы еще знаете?
II. Изучение нового материала
До сегодняшнего урока мы с Вами рассматривали дифракцию при прохождении волн через одиночную или двойную щель. Интересно понаблюдать за действием большого числа параллельных щелей, находящихся близко друг от друга, т. е за действием так называемой дифракционной решетки. Распространяющиеся волны, выходя из каждой щели, имеют форму цилиндрической поверхности (поскольку ширина щели меньше длины волны света), как показано на рисунке 1 (Приложение, слайд 3).
Если волны на рисунке 1 заменены монохроматическими лучами, как на рисунке 2, и показаны лишь некоторые дифрагирующие лучи, то может быть получена более наглядная картина дифракции. На рисунке 2а (Приложение, слайд 4) показаны лучи, падающие и выходящие перпендикулярно по отношению к решетке. Когда на их пути помещается собирающая линза, то они собираются в фокусе линзы, т. е. в точке О. Все они находятся в одинаковой фазе и поэтому усиливают друг друга при встрече, образуя яркий пучок света.
На рисунке 2б (Приложение,
слайд 5) показаны такие же лучи, выходящие под
углом 
1
по отношению к решетке. Ширина каждой щели в
решетке составляет а, а ширина каждой
светонепроницаемой части – b. Их сложение
позволяет заметить из геометрических
соображений, что
(а + b) =
sin 1
(рис. 2в) (Приложение,
слайд 6). Показаны лучи, которые исходят от
верхнего края каждой щели, и каждый луч должен
пройти на одну длину волны () больше, чем располагающийся
над ним. Нижний луч проходит на три длины волны
больше, чем верхний луч и все эти лучи находятся в
фазе. Когда они достигают линзы, они продолжают
оставаться в фазе, поскольку разность пройденных
расстояний между последующими лучами составляет
. Поэтому,
будучи собранными в фокусе линзой, все они
взаимоусилятся и дадут второй яркий пучок.
На рисунке 2г (Приложение,
слайд 7)показаны лучи, исходящие под углом 2,
таким, что sin 2=2 / (а + b); разность хода
между последующими лучами составляет 2. И снова
лучи взаимоусиливаются, когда фокусируются
линзой. Подобным же образом если разность хода
составляет три длины волны, то 3 = (а + b) sin 3.
В общем виде уравнение разности хода может быть
записано как k = (а + b) sin k,
где k = 0, 1, 2, 3 и т. д. Щели (шириной а)
должны быть весьма близки друг к другу
(расстояние b мало), 600 штрихов на
миллиметр вполне обычное дело. В этом случае (а
+ b) =1 / 600 (мм). Расстояние (а + b) = d называется
периодом решетки: уравнение, связывающее период,
следующее:
d sin = k .
Рисунок 3 (Приложение, слайд 8) обобщает наши результаты. Когда монохроматический свет падает нормально на решетку, а проходящий через решетку свет проходит через линзу, то образуются яркие пучки света, как показано на рисунке. Средний пучок соответствует k = 0, а второй пучок с каждой из сторон соответствует k = 2.
Если же белый свет проходит через
дифракционную решетку, то центральный яркий
пучок остается белым. Вместе с тем, поскольку
углы отклонения несколько различаются для лучей
каждого отдельного цвета (кр > ф кр
> ф),
то вместо ярких пучков одного цвета,
образованных монохроматическим светом,
формируется спектр. Спектр при k = 1
называется спектром первого порядка, а при k
= 3 – спектром третьего порядка.
III. Совершенствование знаний и умений
а) Физкультминутка.
После гимнастики для глаз – подумайте, как могли бы Вы очень быстро “изготовить” грубую дифракционную решетку? (Ресницы, необходимо прищуриться.) Пронаблюдайте. Почему такая решетка “грубая”?
б) Предлагаю учащимся с помощью прибора для определения длины световой волны и дифракционной решетки (1 : 50) пронаблюдать дифракционный спектр и сравнить его со спектром, полученным с помощью стеклянной призмы.
Отличаются ли спектр, формируемый
дифракционной решеткой, от спектра, образуемого
призмой? Проанализируйте увиденное и сделайте
вывод. (предполагаемый ответ: “Спектр,
формируемый дифракционной решеткой, отличается
от спектра, образуемого призмой, тем, что цвета
здесь располагаются в обратном порядке. Лучи
красного цвета – с наибольшей длиной волны(кр>
ф)
– отклоняются решеткой в наибольшей степени (кр>
ф),
в то же время призмой они отклоняются в
наименьшей степени”).
Изменяется ли ширина дифракционного спектра в зависимости от изменения расстояния от дифракционной решетки до экрана? Как изменяется?
Изменится ли дифракционная картина, если часть решетки закрыть? (Пронаблюдав, учащиеся должны придти к следующему выводу: яркость картины уменьшится). Почему?
в) Просмотр фрагмента фильма “Дифракция”.
Для чего применяются дифракционные решетки?
Почему решетки чаще используются для образования спектра, чем призмы? (Потому что они дают более широкое разложение спектра.)
Как изменяется ширина спектра с повышением порядка k? (Ширина спектра с повышением порядка увеличивается.) Пронаблюдайте.
г) Решение задач.
Задача 1. Дифракционная решётка имеет 50 штрихов на миллиметр. Под какими углами видны максимумы первого и второго порядка монохроматического излучения с длиной волны 400 нм?
Задача 2. На дифракционную решётку, постоянная
которой равна 0,01 мм, направлена
монохроматическая волна. Первый
дифракционный максимум получен на экране
смещенным на 3 см от первоначального
направления света. Определить , если
расстояние между экраном и решёткой равно 70
см.
(Задача 1 решается учащимися самостоятельно, решение проверяется по слайду (Приложение, слайд 9) презентации; задачу 2 один учащийся решает на доске, остальные в тетрадях самостоятельно.)
IV. Дополнительные дифференцированные задания по карточкам (по времени)
Образец карточки.
1. Как изменяется длина волны и частота при прохождении волн через узкую щель?
Частота |
Длина волны |
||
А |
увеличивается | увеличивается | |
Б |
увеличивается | уменьшается | |
В |
уменьшается | увеличивается | |
Г |
уменьшается | остается неизменной | |
Д |
остается неизменной | остается неизменной |
2. Ниже приведены виды электромагнитного излучения:
А – гамма-лучи;
Б – инфракрасные лучи;
В – радиоволны;
Г – ультрафиолетовые лучи;
Д – лучи жёлтого цвета.
Которое из них претерпевает наименьшую дифракцию, проходя через узкое отверстие?
3. Определите длину волны для линии в дифракционном спектре второго порядка, совпадающей с изображением линии спектра третьего порядка, у которого длина волны равна 400 нм.
V. Итог урока, оценки, домашнее задание
§50, подготовка к лаб. работе №6 “Определение длины световой волны с помощью дифракционной решетки”, выполнить задание по карточке. (После проверки задания, карточка вклеивается в тетрадь). Образец карточки – Приложение, слайд 10.
P.S. К огромному сожалению, в виду ограничения объёма приложения, в презентации оставлена небольшая часть слайдов.