Мыльный пузырь, пожалуй, самое изысканное чудо природы
Марк Твен
Цель урока: обеспечить понимание учащимися явления интерференции света; доказать волновую природу света; показать способы получения когерентных источников.
Оборудование:
- Демонстрационное: проекционный аппарат, бипризма Френеля, щель раздвижная, светофильтры, экран, зеркало, лазерная указка, видеомагнитофон, телевизор, видеофрагмент.
- Для фронтальных работ: CD-диски, лупы, по две стеклянные матовые пластинки, мыльный раствор, каркасы в виде клина, трубки для мыльных пузырей, рабочие листы.
- Для мотивации: коллекция бабочек, стрекоз, пластинки с тонкой пленкой, большой мыльный пузырь (положить его на кусок фланели или шерсти).
План урока
- Актуализация знаний, повторение (6 мин);
- Проверка знаний (7мин);
- Изучение нового материала (18 мин);
- Фронтальный эксперимент (6 мин);
- Закрепление нового материала (4 мин);
- Подведение итогов (2мин);
- Домашнее задание, комментарии (2 мин).
ХОД УРОКА
I. Постановка проблемной задачи: обнаружить экспериментально интерференцию света, что послужит доказательством волнового характера света.
II. Актуализация знаний
- Какое явление называют интерференцией?
- Каковы условия интерференции волн?
- Какие волны являются когерентными?
- Что представляет собой интерференционная картина?
- Какую волну называют монохроматической?
- Какие лучи преломляются сильнее?
III. Повторение предшествующего материала (проводится письменно на доске одновременно с актуализацией).
- Запишите условия интерференционных максимумов и минимумов.
- Решите задачу: две когерентные волны голубого света с длиной волны 500 нм достигают некоторой точки с разностью хода 3,5 мкм. Что произойдет в этой точке: усиление или ослабление волн?
IV. Проверка знаний.
Тест [2] (Приложение 1)
V. Изучение нового материала
1. Интерференция света
Интерференционная картина наблюдается в
случае сложения когерентных волн, т.е. волны
должны иметь одинаковую частоту и постоянную во
времени разность фаз. Существует сложность
получения когерентных волн от независимых
источников. Чем это объясняется? (Время
когерентности мало, около 10-8с)
Для получения когерентных пучков можно
разделить свет от одного источника на два пучка:
одна часть излучения источника может
интерферировать с другой.
Впервые интерференцию света наблюдал английский
ученый Томас Юнг в 1802 году.
Демонстрация1. Видеофрагмент из видеоэнциклопедии для народного образования «Физика-2».
Схема опыта дана в рабочем листе (Приложение 2). Светлые полосы на экране – это интерференционные максимумы, темные полосы – интерференционные минимумы. Значит, картина, которую мы наблюдали, интерференционная. Отсюда можно сделать вывод: свет имеет волновую природу.
Кроме того, Томас Юнг измерил длины волн спектра по формуле:
где
– расстояние между светлыми полосами (зависит от цвета лучей).
Определение: интерференцией света называется явление наложения световых пучков, в результате которого образуется картина чередующихся светлых и темных полос.
Белая полоса в центре – совпадение нулевых
максимумов для всех длин волн; остальные
максимумы окрашены ближе к центру экрана в
фиолетовый цвет, дальше – красный.
Почему наблюдается такая интерференционная
картина?
При наложении электромагнитных волн в каждой
точке пространства происходит сложение
напряженностей, создаваемых в этой точке каждой
из волн.
Так как энергия колебаний (именно ее
регистрирует глаз) пропорциональна Em2,
то в тех точках, где 
, энергия колебаний минимальна, а в
точках, где 
–
энергия максимальна.
2. Способы получения когерентных источников
В основе получения когерентных источников света лежит тот факт, что источник света и его изображение когерентны. Какими способами можно получить изображение источника света? (Отражение и преломление)
Заполнение рабочего листа: отражение – зеркало Ллойда; преломление – бипризма Френеля; отражение и преломление – цвета тонких пленок, кольца Ньютона. (Приложение 3)
Демонстрация 2. Зеркало Ллойда (в качестве источника света можно использовать лазерную указку). [5]
Прямой пучок света от источника интерферирует с пучком, отраженным от зеркала под углом, близким к прямому. В этом случае источниками когерентных волн являются источник и его мнимое изображение в зеркале.
Фронтальный эксперимент. Наблюдение интерференционной картины в точках максимума и минимума.
Оборудование: CD-диски и лупы.
Демонстрация 3. Бипризма Френеля (проводит консультант из числа учащихся). [6]
Оборудование: проекционный аппарат, бипризма Френеля, экран, чертеж на доске готовится до урока.
Для учителя: бипризма Френеля позволяет продемонстрировать всему классу явление интерференции света. Она представляет собой две призмы с очень малыми преломляющими углами, сложенные основаниями. Волна, идущая от источника S , раздваивается путем преломления в двух половинках бипризмы и доходит до точки экрана по двум различным путям. В той области, где перекрываются обе части волны. Наблюдается интерференционная картина.
Выводы.
1. Любой источник когерентен самому себе и своему изображению (в данном случае мнимому).
2. При интерференции происходит перераспределение энергии.
3. Частные случаи интерференции (фронтальные эксперименты)
Фронтальный эксперимент 1. Интерференция в тонких пленках.
Оборудование: матовые стеклянные пластинки.
Проводят консультанты из числа учащихся.
Ученики помогают увидеть интерференционную
картину, затем один из консультантов чертит ход
лучей в тонких пленках на доске.
Аналогичную картину можно увидеть в следующих
случаях: бензин на воде, масляные пятна, нефтяная
пленка.
Вывод. Наблюдается при малой толщине пленки.
(Далее при объяснении можно использовать компьютерную презентацию, кодоскоп, магнитную доску).
При встрече двух когерентных волн происходит
их взаимное наложение. Напряженности 
согласно принципу
суперпозиции складываются геометрически. Волны
в месте встречи не взаимодействуют. Ведь после
встречи они распространяются независимо друг от
друга.
Энергия волны пропорциональна квадрату
амплитуды колебаний: W~ Ea2. При
взаимном наложении волн их энергии не
складываются, как смещения (амплитуды), а
перераспределяются в пространстве. Какова
наибольшая толщина слоя?
Пусть плоская волна АН достигает поверхности
слоя в точке А (рис. а). Из точки волна
распространяется в слое по пути АВС, а из точки Н
– в воздухе по пути НС. Если оба когерентных цуга
перекрываются в точке С (а значит, и по пути СD), то
в этой точке (и по лучу зрения CD) они
интерферируют (рис. б). Если же запаздывание
первого волнового цуга таково, что он, дойдя до
точки С, здесь уже не встретит второй цуг, который
покинул эту точку раньше, то интерференции не
будет (рис.в).
Фронтальный эксперимент. Интерференция в клине. [4]
Оборудование: каркасы, мыльный раствор.
Для учителя. Для опыта надо подготовить подходящей формы каркас. Проволока берется медная или латунная диаметром 2–3 мм. Её концы пропаиваются. Каркас следует изготовить без перекосов и перед опытом смазать мылом. Во время опыта к каркасу снизу подносится сосуд с мыльным раствором до полного погружения, а затем сосуд убирается (вниз). Мыльный раствор можно приготовить из моющего средства с добавлением сахара или шампунь с глицерином. Это позволит сделать пузыри более прочными.
Вопросы:
- Почему пленка сначала белая?
- Какова причина возникновения цветных полос?
- Почему перед разрывом пленка становится черной?
Фронтальный эксперимент. Кольца Ньютона (на мыльных пузырях).
Оборудование: мыльный раствор, стеклянная трубка.
Замечали ли вы когда-нибудь радужные кольца в луже воды, если в нее попало масло? Такие кольца можно увидеть и на мыльных пузырях, когда свет падает на их тонкую оболочку. Эти цветные кольца называют кольцами Ньютона, поскольку они впервые были исследованы сэром Исааком Ньютоном (1642–1727), знаменитым английским ученым и математиком.
При недостатке времени изучается дома самостоятельно. Для получения колец Ньютона используется также линза с очень малой кривизной, лежащая на плоской отшлифованной стеклянной пластинке. Между линзой и пластинкой около точки их соприкосновения образуется тонкий воздушный клин. Параллельный пучок света падает на плоскую поверхность линзы и частично отражается от верхней и нижней поверхностей воздушного промежутка между линзой пластинкой. При наложении отраженных волн возникают интерференционные кольца. В центре находится темное кольцо. Оно окружено чередующимися светлыми и темными кольцами, ширина и интенсивность которых убывает по мере удаления от центрального пятна. В проходящем свете наблюдается противоположная картина – центральное пятно светлое, следующее кольцо темное, затем светлое и т. д.
Расчет интерференционной картины (в отраженном свете) приводит к следующим выражениям для радиусов светлых и темных колец:
VI. Закрепление изученного материала
- Чем объясняется радужная окраска крыльев стрекоз?
- Почему толстый слой нефти не имеет радужной окраски?
- Можно ли наблюдать интерференцию света от двух поверхностей оконного стекла?
Задачи.
- Из сказки Г-Х. Андерсена «Снежная королева».
«…В одной руке у Кая – маленькая чашечка с мыльной водой, в другой – глиняная трубочка. Он пускает пузыри, доска качелей качается, пузыри разлетаются по воздуху, переливаясь на солнце всеми цветами радуги».
Почему на поверхности мыльных пузырей видны радужные полосы? (Радужные полосы возникают в результате интерференции световых волн, отраженных от наружной и внутренней поверхностей мыльного пузыря.)
- Из иракской сказки «Смеющаяся рыбка».
«Посмотри, дяденька, на эту рыбу – видел ли ты такую в своей жизни? Присмотрись к её чешуе – она разноцветная! Голод притупил твое зрение, и ты перестал замечать красивое и доброе! Это не рыба, а чудо».
Чем объясняется разноцветность чешуи сказочной рыбки? (Интерференцией света на чешуйках, в частности.)
VII. Подведение итогов урока
- Наблюдая интерференционную картину, мы доказали, что свет- это электромагнитная волна.
- Вы узнали способы получения когерентных источников света: разделение пучка света от одного источника, а также падающий пучок и отраженный или преломленный.
- Познакомились с общими и частными случаями интерференции: интерференция в тонких пленках, в клине и кольца Ньютона.
Инструктаж выполнения домашней работы: самостоятельное изучение колец Ньютона, чертеж в рабочем листе, применение интерференции.
VIII. Домашнее задание: §70, чертеж, Рымкевич №1091, 1094-1096.
Примечание. Подчеркнутый текст вносится в рабочие листы.
Список литературы
- В.А.Касьянов Физика, 11класс – Москва, Дрофа,
2005.
А.Е.Марон, Е.А.Марон Физика. Дидактические материалы. 11 класс – Москва, Дрофа, 2005. - А.П.Рымкевич Задачник Физика 10-11классы – Москва, Дрофа, 2005.
- Л.И.Резников Методика преподавания физики в средней школе – Москва, Издательство Академии педагогических наук РСФСР, 1963.
- В.С.Зенчук Вопросы оптики в факультативных курсах – Ярославль, Издательство Министерства Просвещения РСФСР, Ярославский педагогический институт имени К.Д.Ушинского, кафедра общей физики, 1970.
- В.А.Буров Демонстрационный эксперимент по физике, частьII.