Цели занятия:
- Познакомить учащихся с корпускулярной и волновой теорией света. Обобщить знания о свете, связать их в единое целое;
- Развитие умений анализировать полученные знания и применять их на практике;
- Развитие сенсорной (восприятие внешнего мира через органы чувств) сферы личности;
- Проверить качество и прочность усвоения материала по изученной теме, уровень осмысления и обобщения;
- Развитие воображения, зрительной памяти и познавательных способностей;
- Формирование научного мировоззрения.
Ожидаемые результаты:
- Повышение эрудиции
- Развитие культуры речи
- Развитие логической культуры
- Выработка аналитических навыков
- Развитие творческих способностей
- Выработка коммуникативных навыков
- Приобретение навыков саморазвития.
Наглядность: портреты Пифагора, Архимеда, Гюйгенса, Ньютона, Юнга, Френеля и т.д., плакаты.
ТСО: компьютер, проектор, экран.
Оборудование: стробоскоп
Презентация выполнена в PowerPoint
На доске:
Чудный дар природы вечной,
Дар бесценный и святой.
В нем источник бесконечный
Наслажденья красотой.
Солнце, небо, звезд сиянье,
Море в блеске голубом,
Всю природу мирозданья
Мы лишь в свете познаем.
Добрый день, сегодня мы поговорим об истории развития взглядов на природу света, световых явлениях и иллюзиях.
Оптика - это раздел физики, в котором изучаются оптические излучения (свет), его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света с веществом. Оптика относится к числу наиболее старых и хорошо освоенных областей науки. Интерес к оптическим явлениям понятен. Около 80-85% информации об окружающем мире человек получает через зрение.
Примерно до середины XX столетия казалось, что оптика как наука, закончила свое развитие. Однако в последние десятилетия в этой области физики произошли революционные изменения, как с открытием новых закономерностей (квантовое усиление, лазеры), так и развитием идей, основанных на классических хорошо проверенных представлениях (голография).
Давайте договоримся, в процессе нашей работы очень важно:
- Высказывать свою точку зрения по поводу изучаемой темы свободно, без боязни ошибиться и быть исправленным.
- Фиксировать все высказывания соучеников: любое из них может быть важным для дальнейшей вашей работы. На данном этапе изучения темы нет «правильных» и «неправильных» высказываний.
- Уметь сочетать индивидуальную и групповую работу: индивидуальная, поможет актуализировать свои знания и опыт, групповая – услышать мнения других, изложить свою точку зрения. Обмен мнениями может помочь выработать новые идеи, которые часто являются неожиданными и продуктивными.
- Не торопиться
- Быть активными
- Уважать мнения и суждения других
Договорились? Задумайтесь над словом «свет»
Свет … Такое короткое и в то же время емкое слово. Об этом говорил известный русский физик С.И. Вавилов: «В слове «свет» заключена вся физика …» Задолго до выявления истинной природы света выдающиеся мыслители и ученые осознавали его фундаментальную роль в природе. Достаточно назвать некоторых из них: Декарт, Ньютон, Пифагор, Евклид, Птолемей, Гюйгенс, Юнг, Френель, Вавилов.
Заглянем в прошлое. Первые представления древних ученых о том, что такое свет, были весьма наивны. Считалось, что из глаз выходят особые тонкие щупальца и зрительные впечатления возникают при ощупывании ими предметов
V – IV вв. до н.э. - Пифагор считал, что объекты выстреливают крохотные частицы, попадающие в глаз человека.
II в. до н.э. - уничтожение Архимедом римского флота под Сиракузами при помощи зеркал.
II в. до н.э. - изучение Птолемеем явлений отражения и преломления света.
Аристотель предполагает, что свет распространяется прямолинейно.
Галилей проводит первые эксперименты на холмах с фонарями.
XVII в. – возникают почти одновременно две теории, одна из теорий связана с именем И. Ньютона, другая – с именем Гюйгенса. Ньютон придерживался так называемой корпускулярной (от латинского слова corpuscular - частица) теории света, согласно которой свет – это поток частиц, идущих от источника во все стороны. Согласно же представлениям Гюйгенса, свет – это волны, распространяющиеся в особой, гипотетической среде – эфире, заполняющем все пространство и проникающем внутрь всех тел.
Обе эти теории длительное время существовали параллельно. Ни одна из них не могла одержать решающей победы. Лишь авторитет Ньютона заставлял большинство ученых отдавать предпочтение корпускулярной теории. Известные в то время из опыта законы распространения света более или менее успешно объяснялись обеими теориями.
На основе корпускулярной теории было трудно объяснить, почему световые пучки, пересекаясь в пространстве, никак не действуют друг на друга, ведь световые частицы должны сталкиваться и рассеиваться.
Волновая же теория это легко объясняла. Волны, например, на поверхности воды, свободно проходят друг сквозь друга, не оказывая взаимного влияния.
Однако прямолинейное распространение света, приводящее к образованию за предметами резких теней, трудно объяснить, исходя из волновой теории. По корпускулярной же теории прямолинейное распространение света является просто следствием закона инерции.
Такое неопределенное положение относительно природы света длилось до начала XIXв., когда были открыты явления дифракции света (огибание светом препятствий) и интерференции света (усиление и ослабление света при наложении световых пучков друг на друга). Эти явления присущи исключительно волновому движению. Объяснить их с помощью корпускулярной теории нельзя. Поэтому казалось, что волновая теория одержала окончательную и полную победу.
Однако в начале XX в. представления о природе света начали коренным образом меняться. Неожиданно выяснилось, что отвергнутая корпускулярная теория все же имеет отношение к действительности.
Эти два, казалось бы, несовместимых друг с другом представления о природе света в 30-х гг. XX века удалось непротиворечивым образом объединить в новой физической теории – квантовой электродинамике.
С течением времени выяснилось, что двойственность свойств, присуща не только свету, но и любой другой форме материи.
Если на клетке слона прочтешь
надпись «буйвол», не верь глазам своим.
К. Прутков «Плоды раздумья. Мысли и афоризмы»
(Справка: Козьма Прутков – это Алексей Толстой и три брата А.М., В.М., и А.М. Жемчужниковы)
(сопровождается демонстрацией презентации)
Когда мы что-нибудь видим, то обычно уверенны в том, что наше зрительное восприятие правильное. Иначе говоря, мы доверяем зрению. Но, доверяя зрению, мы нередко обнаруживаем при опытной проверке, что наше суждение о виденном, оказывается обманчивым, ложным.
- Посмотрите на рисунок 1. Какая линия, кажется длиннее, вертикальная или горизонтальная? (ученики чаще отвечают, что вертикальная линия длиннее горизонтальной)
- Одинаковы ли длины линий на рис.2?
- Как можно проверить наше зрительное восприятие длин этих линий?
Конечно, с помощью линейки.
-Результаты вас удивили? Все линии оказались одинаковыми. Мы убедились, насколько может быть сильна зрительная иллюзия. Скажите, она сохранилась после того, как были сделаны измерения?
Опыт учит, что во многих случаях нельзя для точной оценки виденного ограничиваться только зрительным восприятием. Например, мы часто допускаем ошибки, когда пытаемся определить на глаз размер предмета, расположение его частей, расположение предметов относительно друг друга. Только после измерений, опытных исследований мы оказываемся на правильном пути.
Зрительные иллюзии представляют опасность для научных работников, которым в процессе исследований приходится делать различные измерения.
Давайте попытаемся объяснить, чем обусловлены были наши иллюзии
Зрительные иллюзии, которые возникали при рассматривании рисунков 1 и 2, обусловлены тем, что нам легче делать поворот глаз в горизонтальном направлении, чем в вертикальном. Поэтому если перед глазами находятся горизонтальная и вертикальная линии одинаковой длины, то точнее судим о длине горизонтальной линии, чем о длине вертикальной, и невольно ошибаемся – вертикальная линия кажется длиннее горизонтальной.
Посмотрите на рис.3 и 4, на одинаковом ли расстоянии друг от друга находятся точки А, В и С?
Трудно поверить, что точка В делит отрезок прямой АС пополам. А на рис.4 отрезки АВ и ВС кажутся одинаковой длины, хотя на самом деле отрезок АВ значительно длиннее отрезка ВС.
Чем вызваны эти иллюзии?
Когда мы смотрим на рис.3, нам кажется, что мы видим оба отрезка прямой неодинаковой длины одновременно. Однако на самом деле мы видим их не сразу, а незаметно для себя переводим взгляд, например с точки В к точке С вдоль отрезка ВС. Если бы на конце С не было развилки, то наш взгляд чуточку задержался бы на конце отрезка. Но так как отрезок ВС разветвляется в точке С, то мы невольно переводим взгляд на развилку, направленную по ходу поворота глаз, и на это затрачивается время.
Что касается отрезка АВ, то мы переводим взгляд из точки В в точку А вдоль ВА и задерживаем взгляд в точке А. Здесь развилка своими концами обращена навстречу повороту глаз, и мы не переводим свой взгляд за точку А, следовательно, время обозрения отрезка ВА меньше времени обозрения отрезка ВС. Поэтому нам кажется, что ВС больше АВ, тогда как в действительности они равны.
На сетчатках обоих глаз возникают изображения отрезков в том виде, в каком они кажутся нам? Давайте проверим экспериментально.
Освещаем рисунки стробоскопом (или искровым электрическим разрядом) с длительностью, меньшей, чем 0,1с. Иллюзия исчезает.
- Почему исчезла иллюзия?
Иллюзия исчезает потому, что глаза за малое время вспышки не успевают сделать поворот и обозреть отрезки от одного конца до другого, и на сетчатке обоих глаз получаются правильные изображения отрезков, поэтому в течение очень малого промежутка времени в нашем сознании остается правильный образ отрезков и иллюзия не успевает возникнуть.
Посмотрите на рис. 5
На рис.5 изображены схематически два кристаллика, наблюдаемые в микроскоп. Они выпуклы, их скошенные грани обращены к нам.
Обратите внимание на длину ребер АВ и СD; иллюзия налицо: СD кажется длиннее АВ. Даже опытный микроскопист может быть введен в заблуждение.
Глядя на рис.6, мы, без всякого сомнения, видим спираль, а на рис.7 перед нами явный перекос букв в слове «тень». В действительности на рис.6 изображены концентрические окружности, а на рис.7 буквы поставлены прямо. Давайте разделимся на две группы и 1-я группа попытается объяснить иллюзию на рис.6, а вторая на рис.7
При проверке циркулем и линейкой эти зрительные иллюзии опровергаются, но не устраняются. Впрочем, обе иллюзии можно устранить вспышками света. Эти иллюзии усиливаются штриховым фоном, но котором изображены окружности и буквы.
Оптических обманов очень много, можно наполнить целый альбом различными примерами таких иллюзий.
Рис.8 дает возможность познакомиться с другим несовершенством нашего глаза – астигматизмом.
Посмотрите на него одним глазом, все ли буквы этой надписи, кажутся одинаково черными? Заметьте, какая буква всего чернее. Теперь повернем рисунок боком. Произойдет неожиданная перемена: самая черная буква станет серой и чернее прочих покажется уже другая буква. Дело в том, что наш глаз по различным направлениям не вполне одинаково преломляет лучи, а потому мы не можем сразу видеть одинаково отчетливо и вертикальные, и горизонтальные, и косые линии.
Нашу способность – поддаваться зрительным обманам вовсе не следует рассматривать только как недостаток зрения. Она имеет и свою выгодную сторону, о которой часто забывают. Дело в том, что, если бы глаз наш неспособен был поддаваться никаким обманам, не существовало бы живописи, и мы лишены были бы всех наслаждений изобразительного искусства, а также кино и телевидения – художники, режиссеры и операторы широко пользуются в работе этими недостатками зрения.
А теперь, посмотрите на рисунок 9 в течение полминуты. Вы должны сосредоточиться и запомнить его детально.
Готовы? А теперь быстро переведите свой взгляд на серый фон, например на недостаточно освещенную стену класса. Что вы видите? Вам покажется негативный образ бабочки.
Теперь вы также внимательно посмотрите на рис.10.
Повторите опыт, но взгляд свой переведите на белый фон, например на чистый тетрадный лист. Что изменилось в зрительном ощущении?
Вы видели послеобраз позитивного вида. Вероятно, вам приходилось наблюдать, как после быстрого исчезновения на экране компьютера черно-белого изображения, например картинки, вы продолжаете видеть в течение очень короткого времени негативное ее изображение.
Причина возникновения послеобразов следующая. Когда мы смотрим на рис.9 или рис.10, на тех местах сетчатки глаз, на которые падает свет от светлых мест предмета, происходит раздражение колбочек, и это раздражение сразу не прекращается после перевода нашего взгляда с предмета на фон. Поэтому образ предмета в том или ином виде остается в нашем сознании в течение короткого времени.
Если предмет цветной, то цвет послеобраза будет дополнительным. Например, если предмет красного цвета, то послеобраз представится зеленовато-голубым. Если предмет синего цвета, то послеобраз будет желтым.
Мы живем в мире разнообразных световых явлений. Многие из них, например такие, как вечерние зори, когда небо и облака над горизонтом как будто пылают в огне, весьма красочны. Чтобы выяснить причины тех или иных световых явлений, нужно обнаружить связь наблюдаемого явления с другими явлениями и объяснить его на основании определенного закона природы. Тогда загадочность явления исчезнет, и мы приобретем о нем научное знание.
И в повседневной жизни мы встречаемся со многими световыми явлениями, но обычно не задумываемся над ними – настолько они привычны для нас, а вот объяснить их часто затрудняемся.
Например, чайная ложка, опущенная в стакан с водой, кажется нам надломленной или сломанной, в зависимости от того, с какой стороны мы смотрим на ложку. Почему?
При переходе света из одной среды в другую, например, из воздуха в стекло или воду, а также наоборот, свет резко отклоняется от прямолинейного направления на границе раздела этих сред. Это явление называется преломлением света.
Применяя знания темы «Законы отражения света» и аналогию, попытайтесь ответить на вопросы: какие лучи называют падающими и отраженными. Дайте определение угла падения и угла отражения. Чтобы помочь вам, я предлагаю посмотреть на плакат.
(беседа по плакату)
Причина преломления лучей при переходе света из одной среды в другую – неодинаковая скорость распространения света в различных средах. Если преломленный луч в данной среде приближается к перпендикуляру, то это значит, что скорость света в этой среде меньше, чем в той, из которой луч входит в данную среду. Если преломленный луч удаляется от перпендикуляра, то скорость света в этой среде больше, чем в той, из которой луч выходит.
В оптике принято при сравнении двух различных сред называть оптически более плотной ту среду, в которой свет распространяется с меньшей скоростью, и, наоборот, называть менее, оптически плотной ту среду, в которой свет распространяется с большей скоростью.
Оптическая плотность среды и плотность вещества, численно равная массе вещества в единице объема, не одно и то же. Например, оптические плотности глицерина и скипидара одинаковы, т.е. скорость распространения света в этих веществах одна и та же, но плотности этих веществ различны: глицерина – 1,26 г/см3 , скипидара – 0,87 г/см3 .
Белый свет имеет сложный состав, он состоит из волн разного цвета. Исаак Ньютон, разноцветную полосу, которая образуется после прохождения света через призму назвал спектром (от лат. Spectrum, что означает видение), а явление разложения света призмой – дисперсией (от лат dispersion, что означает рассеяние).
Красный свет преломляется слабо, а фиолетовый сильнее, чем остальные.
Пучки, имеющие строго определенную длину волны называются монохроматическими. Это слово произошло от двух греческих слов (моно-с) – один и (хрома)- цвет.
Тела, которые нас окружают, отражают только те цвета, которыми сами обладают. Так, зеленое яблоко отражает только зеленый цвет и поглощает все другие. Синяя шапочка отражает только синий цвет и поглощает все другие, а красная роза отражает красный свет. Поэтому через синий фильтр мы ее увидим черной.
А какие цвета будут отражать белый и черный предметы?
Обычная белая бумага отражает примерно 60 – 70% белого цвета, желтая и голубая – 25% белого цвета, а черная бумага – 5%.
Теперь мы достаточно знаем о свете и его законах, чтобы объяснить некоторые оптические явления природы.
Иногда мы видим на небе гало - оптическое явление в атмосфере в виде светлого или радужного кольца вокруг Солнца или Луны. От греч. Halos - световое кольцо вокруг Солнца или Луны. Гало возникает в результате отражения и преломления света в ледяных
кристаллах высоких (перисто-слоистых) облаков или тумана. Нередко гало является признаком близкого прохождения теплого фронта. Иногда гало наблюдается в виде нескольких пятен ("ложные Солнца"), световых столбов, дуг и др.
Формы гало многообразны, как и формы кристаллов и снежинок. Наиболее часто наблюдается круг вокруг Солнца, радиусом 22 угловых градуса, реже дополнительное кольцо в 46 градусов и касательные дуги.
Часто по сторонам от Солнца видны довольно яркие, слегка радужные пятна света, называемые «ложными солнцами». Иногда одно или два из них видны даже в отсутствие развернутой картины гало. гало возникает в средних широтах довольно часто. Например, по статистике, в Москве и Санкт-Петербурге - в среднем, раз в три дня. Но, так как это явление не столь ярко и впечатляюще, на него редко обращают внимание. Ночью иногда наблюдается и гало вокруг Луны.
Думаю, что все вы видели радугу. Когда и почему она появляется на небосклоне?
Радуга - оптическое явление в атмосфере в виде одной или нескольких
разноцветных дуг, видимых на небосводе на фоне освещаемой Солнцем завесы дождя, находящейся в противоположной стороне от Солнца. Возникновение радуги объясняется преломлением, отражением и дифракцией света в каплях дождя.
Пожалуй, трудно найти явление природы, которое так хорошо было бы известно всем, как радуга. Наверное, не существует на земном шаре ни одного человека, который не видел бы это одно из красивейших явлений природы. Конечно, увидеть полную дугу в 1800 можно далеко не каждый раз. Чаще всего видна только часть дуги.
Сколько цветов вы видите в радуге?
Психологические опыты показали, что человеческий глаз различает в радуге около 160 оттенков цветов, а у наблюдающих радугу поднимается настроение, улучшается самочувствие.
Естественная радуга образуется на расстоянии 1-2 км от наблюдателя; чем мельче капли дождя, тем радуга тусклее, чем крупнее капли, тем радуга ярче.
Ну, вот мы и поговорили о красках нашего неба, о законах отражения и преломления света, об оптических явлениях в атмосфере. Я не могу сказать, что все аспекты были рассмотрены. Ясно одно – тайн у нашей Земли и нашего Солнца, еще очень много. Они с большой неохотой приоткрывают перед нами занавес. А вот заглянуть туда или нет, зависит от вас и вашего любопытства. Может быть, вы не успокоитесь на этом и продолжите изучение данной темы самостоятельно. Человек живет интересно тогда, когда задает себе вопросы и старается найти на них ответы.
Домашнее задание: подготовить творческую работу, презентацию или публикацию по оптическим явлениям в атмосфере (заря, зарница, миражи, сумерки, полярное сияние, фата - моргана)
Литература:
- М.И. Блудов Беседы по физике, ч.2, - М: «Просвещение», 1985.
- В. Шабловский. Занимательная физика, серия «Нескучный учебник»: Тригон,С-П, 1997.
- А.В. Перышкин, В.П. Чемакин факультативный курс физики, - М: «Просвещение», 1980.
- Г.Я. Мякишев, А.З. Синяков Физика; Оптика. Квантовая физика, 11 класс, - М: Дрофа, 2001.
- Г. М. Голин классики физической науки. – М: Высшая школа, 1989.
- С.В. Зверева В мире солнечного света. – Л: Гидрометеоиздат, 1988.
- Энциклопедия «Кругосвет», Москва, 2000 г.