Урок-исследование на тему "Дисперсия света. Радуга"

Цель урока: сформировать у учащихся единое, целое представление о физической природе явления дисперсии света, рассмотреть условия возникновения радуги.

Задачи:

• используя методы научного познания, объяснить природу дисперсионного спектра, применять полученные знания к объяснению атмосферных оптических явлений;
• формировать исследовательские умения: получать явление дисперсии, устанавливать причинно-следственные связи между фактами, выдвигать гипотезы, их обосновывать и проверять достоверность;
• формировать эмпатические качества учащихся через эвристические приемы работы, реализовать потребности подростка  в общении, способствовать развитию качеств сотрудничества, мотивации в изучении физики;
• продолжить формирование образных и логических умений учащихся: анализировать, рассуждать, объяснять понятия, преобразовывать и творчески реконструировать учебный материал.

Классификационная характеристика урока

• Принцип организации учебного процесса – урок-исследование.
• Педагогическая технология  – проектно-исследовательский метод, деятельностный подход, исследовательская, диалогическая деятельность
• По организационным формам – индивидуальная, групповая.
• По типу управления познавательной деятельности – под руководством учителя, самостоятельная работа.
• По подходу к ребенку – личностно-ориентированное, свободное воспитание.
• По преобладающему методу обучения – методы организации и осуществления учебно-познавательной деятельности, методы стимулирования и мотивации учебной деятельности, методы контроля и самоконтроля.

Диагностика урока – фронтальный опрос, самооценка.

Место урока в процессе преподавания: Урок носит характер изучения новой темы, где  раскрывается новое явление с опорой на знания учащихся по теме «Явление преломления света. Законы преломления».Учащиеся должнынаучиться доказывать, что произошло явление дисперсии, указывать причины появления явления дисперсии, применять теоретические знания при объяснении явления радуги.

Ученик на уроке способен поставить цель, сформулировать задачи исследования, выдвинуть гипотезу, которую подтвердить  или изменить в ходе изучения темы урока, уметь проводить эксперимент  (собрать электрическую цепь, выделить световой луч).  Он, вместе с тем, способен подтвердить свои выводы, осознает связь между теорией и практикой, применением собственных знаний при объяснении природных явлений.

Урок проводится в кабинете, требует небольшой подготовительной работы, предварительно в кабинете делается затемнение, необходимое для проведения эксперимента. Учитель готовит презентацию для проведения урока «Дисперсия», готовит оборудование, необходимое для проведения исследовательской деятельности.  На самом уроке учащиеся выступают в качестве исследователей, докладчиков, педагог также постоянно находится в движении, ему необходимо поддерживать эмоциональный фон урока, быть готовым к неожиданным вопросам, уметь управлять, демонстрируя свою компетентность и т.д. Уровень подачи материала основан на культуротворческих ситуациях, использовании демонстрационного оборудования,  видеоопытах,  использовании презентации; применяется как индуктивный, так и дедуктивный способ изучения материала.

Оснащение урока:

• Оборудование: на каждом столе учащихся лабораторное оборудование «L-микро» для разложения в спектр белого света, демонстрационное оборудование «L-микро» по волновой оптике, прибор для демонстрации радуги в лабораторных условиях.
• Проведение демонстрационных экспериментов и практических наблюдений: опыт по дисперсии света с призмами. (Флинт, Крон), практическая работа «Наблюдение дисперсии света», неразложимость в спектр монохроматического света, сложение спектральных цветов.
• Техническое оснащение: мультимедийная установка.

Тип урока: изучение нового материала.

Практическое назначение урока: способствует развитию навыков работы с оборудованием  – получать и изучать дисперсионный спектр, способствует формированию целостной картины мира, совершенствовать навыки высказывать собственное мнение, публичного выступления,  работать с аудиторией, применять полученные теоретические знания при объяснении природных явлений.
Урок дает возможность применять исторические сведения, литературные образы, максимально использовать ресурсы кабинета физики, дополнительных источников, делая их субъектами образования. Урок является составной частью работы по самосовершенствованию компетентностей ученика, т.к. учащиеся в своем предметном «Портфолио» отметят свои успехи и достижения, смогут проанализировать свою деятельность на уроке.

Понятийный аппарат: преломление, абсолютный и относительный показатели преломления, скорость света, дисперсия, спектр, порядок цветов в спектре, монохроматическая волна.

Конспект урока

1. Мотивация познавательной деятельности

– Как можно объяснить удивительное многообразие красок в природе? Я хочу предложить послушать вам стихотворение Ф.И.Тютчева:

Как неожиданно и ярко,
На влажной неба синеве,
Воздушная воздвиглась арка
В своем минутном торжестве!
Один конец в леса вонзила,
Она полнеба обхватила
И в высоте изнемогла.

– Какое явление описано в этих поэтических строках? (Радуга)

– До 1666г считалось, что цвет – это свойство самого тела. С давних времен наблюдалось разделение цвета радуги, и было известно, что образование радуги связано с освещенностью дождевых капель. Существует поверье: кто пройдёт под радугой, тот на всю жизнь останется счастливым. Сказка это или быль? Можно ли пройти под радугой и стать СЧАСТЛИВЫМ? Разобраться в этом поможет одно удивительное физическое явление, благодаря которому можно видеть наш окружающий мир цветным. Почему  мы можем видеть красивыми цветы, удивительные краски картин художников: Почему мир дарит нам целую гамму различных по красоте и неповторимости пейзажей? Это явление – дисперсия. Давайте попробуем сформулировать тему нашего урока. (Учащиеся предлагают различные варианты темы урока)

Тема урока: Дисперсия света. Урок наш пройдет в форме исследования. Поэтому необходимо поставить цель и задачи нашего исследования.

(Ребята предлагают свои варианты, затем записываем вместе в тетради)

Цель: изучить дисперсию и выяснить причины появления радуги.

Задачи:

• выяснить, что такое дисперсия;
• история открытия дисперсии;
• объяснить причины появления дисперсии;
• провести эксперимент по получению дисперсии;
• рассмотреть природное явление – радугу.

Гипотеза:  если знать явление дисперсии, то можно объяснить природные явления и получить радугу в лабораторных условиях. Любое исследование предполагает выбор объекта и предмета исследования

Объект исследования: световые волны, дисперсия

Предмет исследования: радуга

Дисперсия – звучит прекрасно слово,
Прекрасно и явление само,
Оно нам с детства близко и знакомо,
Мы наблюдали сотни раз его!

Великий древнегреческий мыслитель Аристотель утверждал, что цвет определяется разным количеством темноты, примешиваемой к белому свету. При наибольшем добавлении темноты получается фиолетовый, а при наименьшем – красный цвет. Авторитет Аристотеля был непоколебим и все же…

2. Введение в тему урока

Опыты И.Ньютона по дисперсии

– Кто из вас, ребята,  слышал или знает об этом удивительном явлении или его открытии?
Явление дисперсии было открыто И.Ньютоном и считается одной из важнейших его заслуг. "Он исследовал различие световых лучей и появляющиеся при этом различные свойства цветов, чего раньше никто не подозревал" ("История физики", Б. И .Станков, стр. 123.). Около 300 лет назад Исаак Ньютон пропустил солнечные лучи через призму. 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 проявляющиеся при этом различные свойства, чего ранее никто не подозревал». Он открыл, что белый свет – это «чудесная смесь цветов».
Итак, что же сделал Ньютон? Повторим опыт Ньютона.
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 призма, изготовленная из стекла. Вместо стекла можно взять и другие прозрачные для света материалы. Замечательно, что этот опыт пережил столетия, и его методика без существенных изменений используется до сих пор. 

Демонстрируется непрерывный спектр белого света  (используем разные прозрачные материалы)

Видеофрагмент «Наблюдение дисперсии». (Приложение 1)

Прежде чем разобраться в сути этого явления, давайте вспомним  о преломлении световых волн.

Фронтальный опрос:

• Какое явление называется преломлением света?
• Сформулируйте законы преломления света
• Чем вызвано преломление световых волн?
• Какую физическую величину называют абсолютным показателем преломления?
• Каков его физический смысл?
• Какая среда называется оптически более плотной или менее плотной?
• Как определяются показатели преломления через скорость света в средах?
• Где свет распространяется с большей скоростью?
• Какова причина уменьшения скорости света при его переходе из вакуума в среду, или из среды с меньшей оптической плотностью в среду с большей оптической плотностью?

– В чем состоит особенность прохождения светового пучка через призму?
1 вывод Ньютона: свет имеет сложную структуру, т.е. белый свет содержит электромагнитные волны разных частот.
2 вывод Ньютона: свет различного цвета отличается степенью преломляемости, т.е. характеризуется разными показателями преломления в данной среде.

3. Погружение в тему урока

Наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, меньше всего – красные.
Совокупность цветных изображений щели на экране и есть непрерывный спектр. Исаак Ньютон условно выделил в спектре семь основных цветов:
Порядок расположения цветов просто запомнить по аббревиатуре слов: каждый охотник желает знать, где сидит фазан. Резкой границы между цветами нет.
Различным цветам соответствуют волны различной длины. Никакой определенной длины волны белому свету не соответствует. Тем не менее, границы диапазонов белого света и составляющих его цветов принято характеризовать их длинами волн в вакууме. Таким образом, белый свет – это сложный свет, совокупность волн длинами от 380 до 760 нм.

4. Выводы из опытов:

• Скорость света зависит от среды.
• Призма разлагает свет.
• Белый свет – сложный свет, состоящий из световых волн различных цветов.

Вывод: при прохождении света через вещество, имеющее преломляющий угол, происходит разложение света на цвета.

5. Исследовательская экспериментальная работа

Учащиеся выполняют творческое экспериментальное задание (6-7 мин):

5.1. Разложение белого света на его цветовые составляющие (используется лабораторное оборудование L-микро). В начале эксперимента учащимся напоминается техника безопасности работы с электрооборудованием.

При выполнении практического задания обратить внимание учащихся на угол падения лучей на призму (кювету с водой).

5.2. После выполнения практического задания рассмотрите окрашивание в цвета радуги света, проходящего через призму, от яркого источника света.
Работа с учебником (§ 60 ). Определение дисперсии.

Дисперсия – зависимость показателя преломления и скорости света от частоты световой волны.

За счёт дисперсии происходит разложение белого света (но это происходит и при интерференции, дифракции, поляризации). В веществе же скорость света зависит от  частоты и показателя преломления.

n = c/v = f(v)

Вывод: В веществе скорость распространения коротковолнового излучения меньше, чем длинноволнового. Значит показатель преломления n для фиолетового света больше, чем для красного.
Механизм дисперсии объясняется следующим образом. Электромагнитная волна возбуждает в веществе вынужденные колебания электронов в атомах и молекулах. Так как дисперсия возникает вследствие взаимодействия частиц вещества со световой волной, то это явление связано с поглощением света – превращением энергии электромагнитной волны во внутреннюю энергию вещества.
Разделение цветов в пучке белого света происходит из-за того, что волны разной длиной волны преломляются или рассеиваются веществом по-разному, а также в результате дифракции или интерференции. Например, вследствие того, что волны разной длины волны преломляются по-разному, пучок белого света, попадая на тонкую пленку, интерферирует и возникает радужная окраска (мыльные пузыри, крылья насекомых… и др),  из-за того, что волны разной длины волны по-разному рассеиваются на скоплениях молекул в воздухе, возникает голубой цвет неба. Радуга – разделение света при преломлении капельками воды.
Максимальное поглощение энергии возникает при резонансе, когда частота v падающего света равна v колебаний атомов. Ещё раз обращаем внимание учащихся на то, что при переходе волны из одной среды в другую изменяются и скорость, и длина волны, а частота колебаний остается неизменной.

5.3.Совместно с учащимися решаем вопрос о неразложимости в спектр монохроматического света.

Проверим, будет ли разлагаться на цвета свет, имеющий определенную окраску. Используем ту же установку по изучению дисперсии света, закроем щелевую диафрагму красным светофильтром. Призма не добавляет никаких новых оттенков в свет, в котором с самого начала присутствовала только цветовая составляющая. Объясняя наблюдаемый эффект, необходимо подчеркнуть, что светофильтр пропускает свет в некотором определенном интервале длин волн. При этом световые волны с другими длинами поглощаются в материале светофильтра.
Точно такой же вывод можно сделать, рассмотрев прохождение через призму излучения полупроводникового лазера. Излучаемый лазером свет является существенно более монохроматическим, чем свет графического проектора после светофильтра. Рассматривая результаты проведенных экспериментов, учащиеся делают вывод о том, что монохроматическое излучение в спектр разложить нельзя.

Видеофрагмент (Приложение 2)

6. Первичный контроль усвоения знаний (Фронтальный опрос. Учащимся необходимо закончить утверждение)

• Призма не изменяет свет, а лишь… (разлагает)
• Белый свет как электромагнитная волна состоит из… (семи цветов)
• Световые пучки, отличающиеся по цвету, отличаются и по … (степени преломляемости)
• Наиболее сильно преломляется … (фиолетовый свет)
• Меньше преломляется… (красный свет)
• Красный свет, который меньше преломляется, имеет … в среде, а фиолетовый … (наибольшую скорость, наименьшую скорость)
• Фиолетовые лучи преломляются сильнее красных, следовательно, …(nф> nк)
• Дисперсия – зависимость … в веществе от частоты волны (скорости света). Зависимость показателя преломления света от … (частоты или длины волны) также называется дисперсией.

Вопросы для обсуждения:

• Как можно наблюдать явление дисперсии света?
• Чем объясняется разложение белого цвета на цветные пучки?
• На стеклянную призму направляют луч красного света. Будет ли наблюдаться разложение этого света на какие-либо цветные лучи?
• Наблюдается ли дисперсия света при прохождении через вакуум?
• Будет ли наблюдаться дисперсия, если свет переходит из одной среды в другую, обе среды имеют одинаковые показатели преломления?

7. Продолжим изучение световых явлений на примере радуги

Слово предоставляется ученикам класса, подготовившими лучшие проекты по теме «Радуга» (Приложение 3)
Сложностью белого света объясняются красивейшие оптические явления в атмосфере радуга, гало, перламутровые облака. Эти явления можно наблюдать у нас на Ямале.
Расскажут нам об истории изучения и теории возникновения радуги наши исследователи-теоретики: Елена К. и Евгения О. (Приложение 4)
Радугу «творят» водяные капли: в небе – дождинки, на поливаемом асфальте – капельки, брызги от водяной струи. Однако не все знают, как именно преломление света на капельках дождя приводит к возникновению на небосводе гигантской многоцветной дуги. Яркая радуга, которая возникает после дождей или в брызгах водопада – это первичная радуга. Цветные полосы сильно отличаются по яркости, но порядок всегда одинаков: внутри дуги всегда находится фиолетовая полоса, которая переходит в синюю, зелёную, жёлтую, оранжевую и красную – с внешней стороны радуги. Выше первой, в небе, возникает вторая менее яркая дуга, в которой цветовые полосы расположены в обратном порядке. (видеоролик «Физика радуги»)

Основные черты радуги будем изучать по распространению света внутри одной изолированной капли воды. На рисунке изображён путь одного луча, участвующего в образовании основной радуги. Каждая капелька воды в воздухе выполняет роль крохотной призмы, дробящей свет на разные цвета.

Наблюдать радугу можно во время дождя при условии, что Солнце или источник света, близкий по спектру к солнечному, находится позади наблюдателя. Размер видимой части радуги зависит от положения Солнца относительно горизонта.

Вывод: явление радуги связано с явлениями преломления и отражения света. Явление дисперсии сильно увеличивает эффект радуги и позволяет видеть это прекрасное явление природы.

8. Домашнее задание §60; эксперимент с творческим отчетом.

Разложите солнечный луч. Поставьте зеркало в воду под небольшим углом. Поймайте зеркалом солнечный луч и направьте его стену. Поворачивайте зеркало до тех пор, пока не увидите спектр. Вода выполняет роль призмы, разлагающей свет на составляющие его цвета.

9. Обобщение, закрепление изученного материала

Выводы (можно использовать источник знаний – учебник)

• Белый цвет – это … смесь спектральных цветов.
• Разложение белого света в спектр – это разделение его на лучи спектральных цветов, происходящее в результате … преломления луча в призме.
• Показатель преломления зависит от … цвета спектральной составляющей белого света. Лучи, соответствующие различным цветам, при попадании в одну и ту же среду преломляются под разными углами, поскольку … их скорости в данной среде различны.
• Цвет, который нельзя разделить на составные части, называется ...монохроматичным.

Учащиеся отвечают на устные вопросы, выполняют задания теста (если останется время)

Устные вопросы:

• Почему дисперсионный спектр белого света, полученный при его пропускании через стеклянную призму, сжат в красной части и растянут в фиолетовой?
• Зелёный пучок цвета переходит из воздуха в воду. Меняются ли при этом его частота, длина волны, цвет?
• Почему в комнате с тёмными обоями темно, а со светлыми – светло?
• На пути белого пучка поставили красный и зелёный светофильтры, один за другим. Что получится на выходе? Ответьте после просмотра следующего фрагмента (Приложение 5)
• На белом листе написано красным карандашом «отлично», а зеленым — «хорошо». Имеются два стекла — зеленое и красное. Через какое стекло надо смотреть, чтобы увидеть оценку «отлично»?

10. Итог урока: Вместе с учащимися учитель выясняет, что узнали нового. Что называется дисперсией?
Добились ли поставленных цели и задач, продвинулись ли в своих знаниях? (учащиеся сопоставляют поставленные цель, задачи, справедливость гипотезы).

• При объяснении сложности света мы использовали методы научного познания наблюдение, опыт, практика.
• Совершенствовали умения: выдвигать гипотезу, работать с учебником, сравнивать, обобщать, делать выводы, применять полученные знания в новой ситуации.

Если останется время, можно предложить тест по дисперсии света (Приложение 6)
Проведение урока сопровождается презентацией «Дисперсия света».
В классах физико-математического профиля на втором уроке рассматриваем теорию и условия возникновения радуги.

Самоанализ урока (Приложение 7)