Цели урока.
Образовательные:
- обобщить знания по теме “Световые явления”;
- акцентировать одновременность волновой и корпускулярной природы света;
- проверить самостоятельную подготовку учеников к заданным на предыдущем уроке ответам.
Воспитательные:
- отрабатывать коммуникативные навыки;
- отстаивать собственную точку зрения, опираясь на собственные знания и на научные источники.
Развивающие:
- развивать способность наблюдать;
- способность анализировать и делать выводы;
- формировать навыки работы с дополнительной литературой.
Тип урока: смешанный: ролевой и фронтальный опрос по поставленным на предыдущем уроке вопросам.
Ход урока
I. Организационный момент. Вступление.
Учитель:
Итак, тема нашего урока: “Оптические явления”. А что понимают под оптическими явлениями?
Ответ:
Это различные явления, связанные с распространением света.
Учитель:
Давайте поговорим о тех явлениях, с которыми вы встречались в вашей жизни. Во-первых, я хотела бы отметить, что понятие “свет” - неоднозначно. С одной стороны это электромагнитные волны, а с другой - это поток частиц.
И чтобы разобраться в этом, мы пригласили к нам знаменитых ученых, которые помогут нам понять физическую суть интересующих нас вопросов.
II. Выступление “ученых”
Евклид (древнегреческий ученый):
Я хочу добавить, что первый трактат, который я написал под названием “Оптика”, гласит: “Исходящие из глаз лучи распространяются прямолинейно”. Сегодня это может вызвать у вас улыбку, но первые иногда ошибаются.
Альхазен (арабский ученый, 11 век):
Я сделал следующий важный шаг в изучении световых явлений. В книге “Сокровище оптики” я написал: “Зрительный образ создается лучами, которые испускаются видимыми предметами и попадают нам в глаз”.
Оле Ремер (датский астроном, 17 век):
По данным наблюдений за затмением спутников Юпитера я впервые смог определить скорость света. И хотя впоследствии выяснилось, что полученный мною результат не очень точен, главным было то, что скорость света оказалась конечной. Так было установлено, что свет движется.
Исаак Ньютон (английский ученый, 17 век):
Я полагаю, что свет - поток мельчайших частиц, корпускул. Это объясняет прямолинейное его распространение, а также его отражение и распространение в пустоте - благодаря этому мы видим Солнце и звезды.
Христиан Гюйгенс (голландский ученый, 17 век):
Свет - это волны. Ведь световые лучи свободно проходят один сквозь другой. В пересекающихся же потоках частиц должны происходить столкновения.
Томас Юнг (английский ученый, 18 век):
(Слайд № 1. Презентация)
При наложении световых потоков на выходе я получил не две светлые полосы, как ожидалось, а чередующиеся цветные. Это говорит о том, что свет - это волна и при наложении двух волн происходит усиление и ослабление их в различных точках пространства, что и объясняет сложный состав белого света и появление цветных полос. Это интерференция волн! Для потока частиц “взаимного гашения” быть не может!
Исаак Ньютон:
Но ведь 100 лет назад я наблюдал такую же картину: (слайд № 2) - но не понял тогда ее природу.
Да, теперь понятна и окраска мыльных пузырей и крыльев насекомых!
Франческа Мария Гримальди (итальянский ученый, 17 век):
Я наблюдал странные тени от небольших предметов, помещенных в очень узкий пучок света. Они не имели резких границ, а почему-то были окаймлены цветными полосами! Т.е. вблизи края препятствия свет загибается, отклоняясь от прямолинейного распространения. Я назвал это явление “дифракция”.
Огюст Френель (французский ученый,18 век):
Это же подтверждает волновую теорию света!
Христиан Гюйгенс:
Если считать, что каждая точка волнового фронта становится источником вторичных волн, то явление так называемой вами “дифракции” становится понятным! (Cлайды № 3 и № 4).
Я могу теперь объяснить и явление отражения, и явление преломления света. Все стало очевидным.
Учитель:
В течение полутора веков ни одна из двух теорий света не могла одержать убедительной победы над другой. Но в 19 веке волновая теория начала “одерживать верх”. Выяснилось, что некоторые явления можно объяснить только с помощью волновой теории, а затем на опыте была установлена природа электромагнитных волн.
И сторонники корпускулярной теории света сдались: пришлось признать, что ошибаться мог и великий Ньютон.
Генрих Герц (немецкий ученый):
Я на опыте проверил, что свет может выбивать электроны из металла, т.е. ведет себя как поток частиц! Это явление фотоэффекта.
Альберт Эйнштейн (американский ученый):
О да, Ньютон прав, настаивая на корпускулярной природе света! Но прав и Гюйгенс, считавший, что свет имеет волновую природу! Я предлагаю вашему вниманию формулу фотоэффекта, которая примирит всех и даст ответ на все вопросы: (слайд № 5).
III. Фронтальный опрос.
Учитель:
Теперь послушаем ваши ответы на вопросы, которые были заданы вам на прошлом уроке для самостоятельной подготовки.
Вопрос 1:
Почему на поверхности лужи и даже океана появляются иногда радужные пятна?
Ответ:
Радужные полосы появляются на тонкой масляной пленке, плавающей на воде. Это результат проявления интерференции световых волн. Да и в океане это возможно из-за наличия на поверхности воды пролитого мазута или горючего топлива морских кораблей.
Вопрос: 2
Почему компакт – диск переливается радужными цветами?
Ответ:
Блестящую поверхность диска покрывает невероятное количество расположенных близко друг к другу впадинок. Они расположены так близко друг к другу, что образуемая ими структура может влиять на распространение света. Когда белый свет падает на такую поверхность, то разлагается на составляющие цвета. Порядок расположения цветов зависит от длины волны. Это отклонение и создает развернутые полосы спектра.
Вопрос 3:
Как объяснить устройство данного светильника. Свет идет по кривой трубочке?
Ответ:
Это же световод: (слайд № 6).
Падая под большим углом в плотное прозрачное стеклянное волокно луч света отражается, не имея возможности при преломлении выйти в воздух. Если по одному волокну пропускать свет в труднодоступное место, а с помощью другого наблюдать обратный, то можно заглянуть внутрь желудка, даже сердца!
Вопрос 4:
А почему бывает радуга?
Ответ:
Когда мы на практической работе смотрели через край призмы на окно, то видели радугу. Волны разной частоты распространяются с разной скоростью в более плотной, чем воздух среде. Проходя разный путь, они четко разделяются, и каждый цвет виден отдельно. Ньютон назвал такую картину “спектр” - “видение”, а явление - “дисперсия”, что означает “рассеяние”. Аналогично происходит и на капельках воды в воздухе после дождя или над рекой. Из дождевых капель под разными углами преломления выходят разноцветные световые пучки. На расстоянии около 2 км можно наблюдать радугу в виде разноцветных дугообразных полос на фоне облаков, освещаемых Солнцем. Каждый цвет радуги создается волнами определенного диапазона длин волн. Наибольшая длина соответствует красному (760 нм) цвету, а наименьшая - фиолетовому (380 нм). Т.е. красный и фиолетовый разделяются в пространстве. Все “красные” капли наблюдатель будет видеть под одним углом (не выше 42°), а оранжевые, желтые, зеленые, голубые, синие и фиолетовые под другими углами. Поэтому они будут казаться расположенными по дуге окружности. На рис.1 изображена получившаяся радуга. В это время Солнце находится невысоко над горизонтом за спиной наблюдателя, а центр радуги – под горизонтом. Чем выше Солнце над горизонтом, тем меньшую часть радуги мы видим. Если Солнце поднимется на 43° над горизонтом, радуга и вовсе перестанет быть видимой. Но если подняться в этом месте высоко над землей, то можно увидеть даже полное радужное кольцо. Можно увидеть радугу на траве, покрытой утренней росой. Она даже называется росной радугой. В солнечную погоду можно наблюдать радугу на брызгах фонтана или поливальной машины. (слайды № 7 и № 8).
Вопрос 5:
А почему мы видим предметы окрашенными в разные цвета? Почему листья зеленые, а кровь красная?
Ответ:
Тела способны поглощать лучи одной частоты и отражать лучи другой частоты. Так, если белый свет падает на лист, поглощающий все цвета кроме зеленого, то отраженный зеленый свет и воспринимает наш глаз. Именно хлорофилл в листьях поглощает красные и синие лучи.
Кровь обязана своим красным цветом гемоглобину, в котором есть атом железа, не поглощающий именно красный свет.
Вопрос 6:
Почему небо голубое, а закат красный?
Ответ: (слайд № 9).
Свет рассеивается на молекулах воздуха, размеры которых во много раз меньше длины световой волны. Фиолетовые лучи рассеиваются в 16 раз сильнее, чем красные. Остальные цвета видимого света входят в состав рассеянного обратно пропорционально четвертой степени своих длин волн. В итоге смешивания всех рассеянных цветовых лучей цвет их смеси получается голубым. Проходя на закате больший путь, голубые лучи поглощаются сильнее и видимыми остаются красные. Поэтому закат красный.
Вопрос 7:
Расскажите о том, что такое “мираж”.
Ответ: (слайд №10)
Когда лучи света проходят через неоднородно нагретый воздух, они искривляются. Например, в пустыне нижние слои воздуха нагреваются от горячего песка, поэтому они теплее верхних слоев. Когда на некоторой высоте или у самой поверхности Земли образуется сравнительно тонкий слой очень теплого воздуха с малым показателем преломления, лучи, идущие от наземных предметов, испытывают полное отражение. В результате лучи искривляются так, как показано на рисунке. Луч, идущий от голубого неба, попадает в глаз путника снизу, и поэтому путнику кажется, что он видит водоем, отражающий небо. В средних широтах также можно наблюдать подобный мираж. Благодаря ему в жаркий летний день пассажир или водитель видит впереди “лужи” на совершенно сухом асфальте, а иногда даже кажется, что дорога не только полита водой, но и уходит в озеро. Верхний мираж возникает над сильно охлажденной поверхностью, например над холодной водой. И тогда изображение видно над предметом, то есть видение появляется сказочным образом в небе. Удивительно то, что это кажущееся изображение можно фотографировать и получать реальные фотографии миражей.
Вопрос 8:
Что такое “гало”?
Ответ:
Это удивительные светлые или радужные круги, образующиеся вокруг Солнца или даже более сложные фигуры, которые возникают в результате преломления солнечных или лунных лучей на ледяных кристалликах тонких перисто-слоистых облаков.
Вопрос 9:
Можно ли наблюдать нимб над головой человека?
Ответ:
Вокруг тени предмета, например самолета, отбрасываемой на облако или слой тумана, иногда образуется одно или несколько радужных концентрических колец. Это явление называют “глория”, что дословно означает “сияние”, “ореол”. Причина этого - дифракция солнечного или лунного света на кристалликах или капельках облаков. Глории, появляющиеся вокруг головы человека, назвали “нимбами”.
IV. Дополнительное сообщение учителя.
Я хочу сделать вам сообщение о еще одном очень интересном способе получения изображения - о голографии. (Слайды № 11 и № 12)
Голограмма – объемное изображение предмета. Необходимым условием получения голограммы является пучок монохроматического света. Волны должны быть когерентными, чтобы разность их фаз не менялась в течение всего времени записи. Если в некоторой области пространства складываются несколько электромагнитных волн, частоты которых с очень высокой степенью точности совпадают, возникает интерференция. Когда записывают голограмму, в определенной области пространства складывают две волны: одна из них идет непосредственно от источника (опорная волна), а другая отражается от объекта записи (объектная волна). В этой же области размещают фотопластинку (или иной регистрирующий материал). В результате на этой пластинке возникает сложная картина полос потемнения, которые соответствуют распределению электромагнитной энергии (картине интерференции) в этой области пространства. Если теперь эту фотопластинку осветить волной близкой к опорной, то она преобразует эту волну в волну, близкую к объектной. Таким образом, мы будем видеть такой же свет, какой отражался бы от объекта записи. Не менее удивительно и то, что даже маленький кусочек голограммы содержит информацию обо всем объекте.
Первая голограмма была получена в 1947 году (задолго до изобретения лазеров) Деннисом Габором в ходе экспериментов по повышению разрешающей способности электронного микроскопа. Он же придумал само слово “голография”, которым он подчеркнул полную запись оптических свойств объекта. К сожалению, его голограммы отличались низким качеством. Получить устойчивую интерференционную картину без когерентного источника света невозможно. После создания в 1960 году красных рубинового (работающего в импульсном режиме) и гелий- неонового (работающего в непрерывном режиме) лазеров, голография начала интенсивно развиваться. На слайдах №11 и №12 показаны два способа получения интерференционной картины на фотопластинке.
Наиболее широкое применение голография находит в науке и технике. Голографическим методом контролируют точность изготовления изделий сложной формы. Для этого исследуемую деталь облучают светом лазера, и отраженный свет пропускают сквозь голограмму эталонного образца. При отклонении размеров от эталонных возникают полосы интерференции, по числу и форме которых судят о степени точности изготовления объекта исследования. Голографическими методами можно распознавать образы, т.е. искать объект, идентичный заданному, среди множества других похожих на него. Такими объектами могут быть буквы или слова, фотографии людей, отпечатки пальцев и так далее.
V. Подведение итогов урока. Выставление оценок.
Учитель:
Ну что ж, наш урок подошел к концу. Спасибо всем, кто принял активное участие в работе. Надеюсь, что урок позволил вам расширить свой кругозор, пополнить знания о мире, в котором мы живем, проявить способность перевоплощения. Всем отвечавшим пора поставить оценки.
Список используемой литературы
- Л.Э.Генденштейн, Ю.И.Дик. Физика-11”. Илекса”, 2006.
- Б.И.Спасский. Хрестоматия по физике. М. “Просвещение”, 1982.
- О.Ф.Кабардин. История физики и развитие представлений о мире. ООО “Издательство Астрель”, 2005.
- МСЭ. Государственное научное изд-во “Советская энциклопедия”, 1958.
- http://www.krugosvet.ru. Применение голографии.