Учитывая возрастные особенности, в X-XI классах целью организации суда является применение интеллектуального инструментария для доказательства своей точки зрения и проявления мировоззренческой позиции [5]. В игре учитывается направление программы курса физики (квантовые идеи связаны с рассматриваемой ранее волновой теорией электромагнитного излучения). Учитывается уровень класса и каждого ученика. Ролевые игры проблемного характера позволяют школьникам развивать предметные умения и навыки, стимулируют школьников к реализации своего творческого потенциала [1].
Согласно шести валеологическим показателей ЗОЖ положительные эмоции поддерживаются за счет снятия напряжения в процессе игры. Участниками движет азарт, поэтому активны все.
Цель: формирование ключевых компетенций обучающихся.
Задачи:
- Познакомить обучающихся с фундаментальными опытами в оптике, формируя представления о дуализме свойств видимого излучения (обучающая).
- Развивать критическое и творческое мышление; умение аргументировать и формулировать выводы (развивающая).
- Воспитывать убежденность необходимости обосновывать высказываемую позицию, уважительное отношение к мнению оппонента, умение сотрудничать в процессе совместного выполнения задач (воспитывающая).
Время реализации - 60 минут.
Используемое оборудование: компьютерный класс с выходом в Интернет; колонки; проектор; интерактивная доска.
За несколько дней обучающиеся получают роли, тему домашнего задания, которую они должны защитить в виде минипроекта. Подготавливаются демонстрационные опыты, материалы из коллекции ЦОР.
Правила игры. Идет соревнование между двумя группами свидетелей. Победитель определяется по сути изложенного вопроса. Учитель выступает в роли судьи, в случае неверных объяснений свидетелей проводит коррекцию с помощью интерактивной доски. Дидактические задачи осуществляются через игровую задачу. Это делает игру особой формой обучения, когда дети непреднамеренно усваивают знания, умения, навыки.
Игровая задача: выяснить природу видимого излучения.
Подготовка к основному этапу занятия. Ученики проходят в класс и рассаживаются согласно ролям, к которым они заранее готовились. На столах - листы с заданиями. Звонок на урок.
Основной этап. Здравствуйте, ребята! Гаснет свет, слова учителя (слайд №1): Сегодня мы с вами проводим игру "Суд над видимым излучением". В процессе игры вы должны отвечать на вопросы заданий. В конце занятия, проведя рейтинговую оценку, вы узнаете на сколько вам удалось решить проблему: "Самое темное в науке - это свет!" (слайд №2).
Роли: судья (учитель); свет - видимое излучение; прокурор; адвокат 1; адвокат 2; секретарь суда; свидетели (скорость света, интерференция, дифракция, дисперсия, поляризация, фотоэффект, эффект Комптона, лазер, представитель микромира, опыт Ботэ).
Секретарь суда: Встать! Суд идет!
Судья: Сегодня слушается дело № 1 по обвинению Света, он же - видимое излучение, он же - поток корпускул, он же - поток квантов, он же - поток фотонов. Свет обвиняется в том, что обладает двойными свойствами. С одной стороны ведет себя, как электромагнитная волна, а с другой - как поток частиц - корпускул. Мы призываем сегодня обстоятельно разобраться в поставленном вопросе, со справедливостью и бесстрастием выслушать показания свидетелей и вынести справедливый приговор. Установим личность подсудимого. Подсудимый, представьтесь.
Свет: Свет Видимый.
Судья: Ваша биография.
Свет: Видимый свет - электромагнитное излучение, испускаемое нагретым или находящимся в возбужденном состоянии веществом, воспринимаемое человеческим глазом. Цвет определяется длиной волны для монохроматического излучения. Длины волн примерно 380-760 нм (от фиолетового до красного). За пределами этой области электромагнитное излучение не вызывает у человека зрительных ощущений. Скорость в вакууме с = 299 792 458 м/с. Мои черты характера: яркость, освещённость, световой поток.
Судья: Ваши родители.
Свет: Мой отец - Атом, мать - Шкала электромагнитных излучений.
Судья: У Вас есть братья и сестры?
Свет: Я родился в многодетной семье.
Судья: Что Вы собой представляете?
Свет: Мои волновые свойства проявляются в закономерностях распространения, интерференции, дифракции, поляризации, а корпускулярные - в процессах взаимодействия света с веществом.
Судья: Слово предоставляется обвинению.
Прокурор: Проблема: самое темное в науке - это свет! Предлагаю рассмотреть развитие взглядов на природу света. Моя гипотеза: Если видимое излучение имеет свойства непрерывности, характерные для электромагнитного поля и дискретности, характерные для корпускул - фотонов, то свет обладает дуализмом, т.е. двойственностью свойств.
Судья: Есть ли вопросы к подсудимому у защиты?
Адвокат 1: У меня есть вопрос к суду, будет ли приниматься во внимание тот факт, что такие великие люди, как Исаак Ньютон, Томас Юнг и Максвелл подтверждали волновые свойства моего подзащитного?
Судья: Суд учтет все факты.
Адвокат 2: Лауреаты Нобелевской премии Альберт Эйнштейн, Комптон, Ботэ, Басов, Прохоров, Таунс подтвердили квантовые свойства Света. Будет ли суд рассматривать их мнение?
Судья: Суд рассмотрит все факты, ведь цель суда - выяснить природу видимого излучения. Слово предоставляется защите.
Адвокат 1: Важнейшую роль в выяснении природы света сыграло опытное определение его скорости. Прошу пригласить свидетелей.
Секретарь суда: Свидетель Ремер (опыт Ремера по оценке скорости света).
Прокурор: Количественные оценки скорости света, сделанные Рёмером были не точными [7].
Секретарь суда: Свидетели Физо и Фуко (опыты Физо и Фуко по оценке скорости света).
Адвокат 1: Идеи опытов Физо и Фуко были использованы в работах американского физика А. Майкельсона. Полученное в 1926 году значение с = 299796 + 4 км/с вошло в международные таблицы. Сейчас зубчатое колесо заменяется электронным преобразователем света.
Адвокат 2: Протестую! В качестве источника света сейчас выступает лазер, а приемником света служит фотоэлемент. Это существенно снизило погрешности. Решением Генеральной ассамблеи Международного комитета по численным данным для науки и техники (1973 г.) скорость света в вакууме принято считать равной с = 299792458 + 1,2 м/с.
Секретарь суда: Свидетели Майкельсон и Морли (Опыт Майкельсона - Морли).
Адвокат 1: Таким образом, было
экспериментально подтверждено, что скорость
света в вакууме\ с 
3*108 м/с, что совпадает с
расчетами Максвелла для э/м волн, значит, свет -
это э/м волна.
Есть ли вопросы к обвиняемому у прокурора?
Прокурор: Ярославский летописец считает, что затмение Солнца оказалось причиной поражения князя Игоря в битве с половцами в 1185 году. Как Вы это объясните суду?
Свет: Солнечное затмение - величественное явление природы. Никакого вреда человеку оно причинить не может. Платон (430 г. до н. э.) установил закон: Свет распространяется в однородной среде прямолинейно. При движении вокруг Земли Луна в определенные периоды времени оказывается между Землей и Солнцем и закрывает собой Солнце.
Судья: Слово предоставляется защите.
Адвокат 1: Передовые люди разных времен старались развеять у народа страх, вызываемый затмениями. Известно письмо Петра I к адмиралу Головину: "Господин адмирал. Будущего месяца в первый день будет великое солнечное затмение. Того ради изволь сие поразгласить в наших людях, что когда оное будет, дабы за чудо не поставили".
Прокурор: Можно ли точно предсказать наступление затмения?
Адвокат 1: Еще в древности установили, что примерно через 18 лет, затмения повторяются. Этот промежуток был назван саросом (повторение). В наше время затмения предсказывают с точностью до 4 секунд. Геродот указывал, что во время битвы между лидийцами и мидянами произошло солнечное затмение. Оно так поразило сражавшихся, что положило конец войне. Историки не знали точное время этого события. Вычисление показало, что затмение происходило 28 мая 585 г. до н. э. Подобные рассчеты объяснили и другие исторические события.
Судья: Подсудимый, каким образом можно наблюдать солнечное затмение?
Свет: В Х веке арабский ученый Альхазен делал маленькое отверстие в палатке и рассматривал изображения солнца на противоположной стенке. Изучая эти явления, он сделал вывод о прямолинейном распространении света. Известно, что угол падения равен углу отражения, поэтому в зеркале можно увидеть не только собственное лицо, но и источник света. На этом принципе построено великое изобретение - камера-обскура, которой пользовался Альхазен.
Адвокат 1: А первым применил эту камеру для зарисовок пейзажей Леонардо да Винчи, потом голландский художник Ян Вермер. В настоящее время применяют "стенопы" - фотоаппараты с маленьким отверстием. Изображения отличаются мягким рисунком, и глубиной резкости [12].
Секретарь суда: В распоряжение суда поступили телеграммы.
"Приобретение любого знания всегда полезно для интеллекта, так как он сможет отбросить бесполезные вещи и удержать хорошие. Ибо ничто нельзя ни любить, ни ненавидеть, прежде чем не имеешь об этом ясного представления. Леонардо да Винчи".
"Я, сэр Исаак Ньютон, английский физик и математик, рад, что законы излучения не оставляют ваши души равнодушными. Спорьте! В споре родится истина. И, если вы ее отыщете, корпускулярно-волновой дуализм откроет вам двери в чудесный мир науки".
Судья: Подсудимый, как вы объясните, что Луна иногда приобретает кроваво-красный цвет, наблюдаемый многими свидетелями?
Свет: Луна проходит от Земли в стороне, противоположной Солнцу, и попадает в тень, отбрасываемую земным шаром. Во время затмения Луна не исчезает полностью. Солнечные лучи, проходя сквозь земную атмосферу, преломляются, входят внутрь земной тени и попадают на Луну. Так как красные лучи спектра менее всего рассеиваются в атмосфере, Луна во время затмения приобретает кроваво-красную окраску [13].
Прокурор: Если свет распространяется прямолинейно, как Вы объясните, почему с Лазурного берега можно увидеть Корсику, расположенную за 200 километров оттуда? И почему жители бельгийского города Вервье в 1815 году видели в небе армию? Ведь битва при Ватерлоо в произошла за сто километров от этого города.
Свет: Рефракция в атмосфере создает миражи - мнимые изображения отдаленных предметов.
Адвокат 1: Еще Аристотель и Птолемей изучали преломление света. Демонстрируя увеличение или уменьшение людей и предметов, их появление или исчезновение, а также свободное "парение" над землей, Дэвид Копперфилд, вполне расчетливо опирается на знание законов физики и применяет самую современную оптическую технику [5].
Прокурор: Если свет преломляется, преходя из одной среды в другую, как вы объясните то, что контрабандисты опускают бриллиант в стакан с водой и он становится невидимым? Существует выражение "бриллиант чистой воды".
Свет: Мы видим прозрачный предмет только
потому, показатели преломления воздуха и
предмета различны. Вода видна в воздухе потому,
что n возд 1, а n воды 1,3. У бриллианта n = 2,4. Поэтому
он должен быть виден в воде примерно как стекло в
воздухе. Если в воду опустить стекло с n 1,3, то оно станет совершенно
невидимым [20].
Адвокат 1: Японцы изобрели специальный костюм, в котором человек становится прозрачным. Взгляните на видеофайл. На самом деле секрет костюма прост. Сзади видеокамера, спереди проектор. Вид камеры в зависимости от поворота обрабатывает компьютер.
Судья: Подсудимый, какова область применения ваших сил?
Свет: Чем больше длина волны, тем меньше энергия и импульс фотонов и тем труднее обнаружить квантовые свойства. Наоборот, чем меньше длина волны, тем больше энергия и импульс фотонов, тем труднее обнаружить волновые свойства. Например, дифракция рентгеновских лучей была обнаружена только на дифракционной решетке кристаллов.
Адвокат 1: Ваша честь, у меня есть еще свидетели.
Судья: Секретарь, пригласите свидетелей защиты и помогите им предъявить доказательства.
Секретарь суда: Свидетель Дифракция.
Дифракция: Дифракция (от лат. diffractus - разломанный) - явление отклонения распространения волны от законов геометрической оптики. Дифракционные эффекты зависят от соотношения между длиной волны и размером неоднородностей среды. В 1818 году Френель представил в Парижскую академию наук парадоксальные расчеты. В центре тени от шарика на экране наблюдалось светлое пятно. Ученые не верили своим глазам, обнаружив это пятно в эксперименте, но это была не иллюзия, а факт, подтверждающий волновую природу света.
Судья: Все мы видели цветную "небесную арку". После освежающего грозового ливня она радует глаз своим многоцветием на фоне свинцовых туч. Как возникает и что представляет собой это поразительное зрелище?
Секретарь суда: Свидетель Дисперсия.
Дисперсия: В прежние времена люди считали радугу "небесным знамением". Древние греки думали, что радуга - это улыбка богини Ириды [15].Теория радуги предложена Ньютоном. Дисперсия - это явление зависимости абсолютного показателя преломления вещества от длины волны света. У красного цвета минимальная степень преломления, у фиолетового - максимальная; в вакууме скорости света разного цвета одинаковы. Показатель преломлеения n=c/v, где с - скорость света в вакууме, а v - скорость света в среде. Поэтому скорость света фиолетового цвета меньше чем скорость света красного цвета vк>vф. Значит, скорость света в веществе зависит от его длины волны. В вакууме скорость света не зависит от его цвета [3].
Адвокат 1: Ваша честь, моряки, побывавшие в Исландии, привозили необычные прозрачные кристаллы. Например, сквозь кусок исландского шпата можно увидеть надпись раздвоенной. Это сыграло важную роль в открытии поляризации света. У меня есть свидетель.
Секретарь суда: Свидетель Поляризация.
Поляризация: Анализируя результаты опытов, Гюйгенс пришел к выводу, что обыкновенному и необыкновенному лучам соответствуют различные скорости распространения в кристалле. Поляризация - это пространственная упорядоченность направления колебаний частиц среды в поперечной волне. Плоскость, в которой колеблются частицы среды в волне - это плоскость поляризации. [9].Сегодня известно, свет - поперечная электромагнитная волна.
Адвокат 1: Солнечные очки из поляризованного стекла пропускают только вертикальные колебания, поэтому яркость света уменьшается. Поляризацию применяют в стереокино. Недавно были получены материалы с необычными оптическими свойствами. Луч света, преломленный на границе воздух - композит, отклонялся в сторону, противоположную отклонению в привычном случае, т.е., показатель преломления композита - отрицательный [6].
Секретарь суда: Свидетель Интерференция.
Интерференция: Интерференция света - сложение световых волн, при котором наблюдается пространственное распределение интенсивности света в виде чередующихся светлых и тёмных полос. Объяснение этого явления было дано в начале 19 в. Юнгом и Френелем. (Опыт Юнга). Применения интерференции: приборы-интерферометры (измерение длин световых волн, показателя преломления веществ); проверка качества обработки поверхностей; просветление оптики; голография.
Секретарь суда: Свидетель Голография.
Голография: Голография (греч.holos - полный и grapho - пишу). Первые попытки получения голограмм предпринимал Габор. Еще менее полувека назад показ объемных изображений поражал воображение аудитории. Однако вскоре был создан голографический фильм, и не за горами время, когда объемные кино и телевидение станут повседневной реальностью. Таким образом, одно из наиболее интересных практических применений волновых свойств света,- голография.
Адвокат 2: Заявляю протест! Истинный переворот в развитии голографии произошел в 1960 году с появлением лазеров. Поэтому я прошу допросить родственника Света - Лазера.
Судья: Суд не возражает. Свидетель, представьтесь.
Лазер: LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) - устройство, использующее эффект вынужденного излучения для создания когерентного потока света. В 1917 г. Эйнштейн впервые ввел представление о вынужденном испускании. В 1952 г. советские физики Басов и Прохоров одновременно с Таунсом (амер.) предложили использовать вынужденное испускание для усиления и генерирования. В основе работы лазера лежит принцип Фабриканта (1951 г.). Начался "лазерный" период оптики. Благодаря высокой направленности лазерные источники света обладают большой яркостью и мощностью. Лазерная указка размером с авторучку вызывает необъяснимое восхищение. Я знаю уважаемых людей, которые, увидев эту игрушку в первый раз, немедленно купили ее и теперь не могут с ней расстаться [8].
Адвокат 2: Лазерная указка используется в медицине для проецирования изображений на сетчатку; в системах навигации; для добавления субтитров на киноэкраны; в лазерных шоу, для считывания штрих-кодов. С самого момента разработки лазер называли устройством, которое само ищет решаемые задачи. Лазер стал одним из самых значимых изобретений XX века [22]. На глазах одного поколения произошло формирование голографии, лазерных технологий. С помощью лазера измерено расстояние до Луны. Лазеры успешно используются в химии, медицине, биологии [23].
Судья: Мы заслушали свидетелей, но на основе волновой теории невозможно объяснить происхождение линейчатых спектров, излучения нагретыми телами, явления фотоэффекта, и подобных явлений. В связи с этим у меня вопрос к обвиняемому. Как вы все это объясните?
Свет: Решить эту проблему помог в 1900 году Макс Планк. В классической физике испускание и поглощение света источником рассматривается как непрерывный процесс. Планк высказал гипотезу, согласно которой атом излучает энергию не непрерывно, а порциями - квантами. Энергия кванта Е= hv, где h=6,63*10-34 Дж *с - постоянная Планка.
Адвокат 2: Формула Планка блестяще согласуется с опытами Герца и Столетова. Я прошу вызвать свидетелей.
Судья: Секретарь, пригласите свидетелей обвинения и предъявите их доказательства.
Секретарь суда: Свидетель Фотоэффект.
Фотоэффект. В 1887 году Генрих Герц открыл явление фотоэффекта. Продолжив исследования Герца, в 1889 году русский ученый Столетов объяснил законы фотоэффекта.
Выводы Эйнштейна: 1.Электромагнитная волна состоит из отдельных порций-квантов.
2. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта: hv = Авых+mv2/2. Скорость электрона зависит от частоты света и работы выхода электрона из металла, но не зависит от интенсивности света.
Адвокат 2: У меня есть доказательство квантования электромагнитной волны, что подтверждает вывод Эйнштейна о существовании фотонов - эффект Комптона.
Судья: Есть вопросы у обвинения?
Прокурор: Если фотоны обладают импульсом, то свет должен оказывать давление на тело. Вопрос к обвиняемому. На основе квантовой или волновой теории вы можете объяснить это?
Свет: У меня есть расчеты, подтверждающие объяснение светового давления как на основе квантовой, так и на основе волновой теории.
Судья: Передайте документы через секретаря.
Адвокат 2. Ваша честь, я хочу пригласить ранее не заявленного свидетеля - представителя микромира.
Прокурор: Я возражаю. Сегодня мы рассматриваем дело о видимом излучении. Причем здесь микромир?
Адвокат 2: Луи де Бройль предположил, что установленные ранее для квантов света - фотонов корпускулярно - волновой дуализм присущ всем частицам вещества - электронам, протонам, атомам и т.д.[10].
Секретарь суда: Вызывается свидетель Представитель микромира.
Представитель микромира: Де Бройль изложил
идеею корпускулярно-волнового дуализма: и
корпускулярные, и волновые черты присущи всем
видам материи - энергия E = hv и импульс p=
h/ 
характерны для любых
частиц. Формула де Бройля:
= h/р. Любой частице, обладающей импульсом,
сопоставляют волновой процесс с длиной волны . В 1924 году В.Боте
поставил опыт, который подтвердил квантовый
характер излучения [16].
Судья: Суд выслушал все доводы. Переходим к прениям. Слово защите.
Адвокат 1: В XIX веке после работ Юнга, Френеля и Максвелла проблема была решена - свет - это электромагнитная волна.
Адвокат 2: Однако в начале XX века после работ Эйнштейна, Комптона, Ботэ, Басова, Прохорова, Таунса было доказано, что свет - это поток фотонов. Противоречия в свойствах объясняет корпускулярно - волновой дуализм - электронов, протонов, нейтронов и других частиц.
Судья: Слово обвинению.
Прокурор: Идея корпускулярно - волнового дуализма заключается в признании того, что Свет обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами. При этом: чем короче длина волны, тем ярче корпускулярные свойства, чем больше длина волны, тем ярче волновые свойства. Позднее Л. де Бройль высказал идею, что дуализм присущ всем частицам вещества. Эта гипотеза подтвердилась экспериментально. Поэтому я отказываюсь от обвинения.
Судья. Решение: суд постановил: Свет, видимое излучение, обвиняющийся в двойственности свойств оправдать. Всем участникам суда глубоко изучить квантовую механику в 11 классе. В дальнейшем проникать в тайны микромира, разрешать загадки природы и ставить их на службу человеку. Подготовить презентации новых открытий в квантовой физике. Заседание суда считаю закрытым.
Подведение итогов, саморефлексия. В процессе игры участники, защищая минипроекты, реализуют в логике "дизайн-петли" проект "Фундаментальные опыты в оптике".
Хотите узнать свою оценку? Сформулируйте вывод о свойствах видимого излучения. Прошу вас заполнить свой "Лист успеха". Подведем итоги, используя рейтинговую оценку по формуле: рейтинговая оценка = (коллективная оценка + самооценка + оценка учителя)/3.
Спасибо за внимание.
Список использованных источников.
- Блудов М.И. Беседы по физике. Часть II- М.: "Просвещение", 1984.
- Касьянов В.А. Физика 10 класс.- М.: Дрофа, 2007.
- Кикоин А.К. Что такое радуга?- М.: "Бюро Квантум". К - № 12, 1984.
- Ланина И.Я.100 игр по физике. - М.: "Просвещение", 1995.
- ЛеоновичА. А так ли хорошо знакомы вам оптические построения?- М.:"Бюро Квантум". К-№ 3, 1998.
- ЛеоновичА. А так ли хорошо знакомы вам зрительные иллюзии? - М.: "Бюро Квантум". К-№ 5, 2006.
- Васильев А. Два бургомистра.- М.: "Бюро Квантум". К-№ 3, 2003.
- Обухов С. Лазерная указка.- М.: "Бюро Квантум". К-№ 1, 2000.
- Варламов А.А. Поляризация света. - М.: "Бюро Квантум". К- № 1, 1987.
- Под ред. В.Н. Лозовского. Курс физики.- СПб.: Лань, 2003.
- http://www.alsak.ru/component/option,com_sobi2/Itemid,110/
- http://prophotos.ru/history/3096-kamera-obskura-ot-antichnosti-k-vozrozhdeniyu
- www.bestreferat.ru/referat-19215.html
- http://yakub-b.narod.ru/grafika/Vermeer/Vermeer.htm
- http://chkola-suerka.ru/index.php/2010-12-10-11-05-07/88-q-q-
- http://pro7.kmx.ru/sess2011/fizika/40.htm
- http://ru.wikipedia.org
- http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc1p/16678
- http://www \игры задачи\8014_didakt_igri_fiz\didakt igri fizika\Игры.files
- http://otvet.mail.ru/question/17345776/
- http://www.log-in.ru/articles/48/
- http://ru.wikipedia.org/wiki/%CF%F0%E8%EC%E5%ED%E5%ED%E8%E5_%EB%E0%E7%E5%F0%EE%E
- http://www.mobidik-consulting.ru/articles/laser/laser/
- http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/163709/
- http://physik.ucoz.ru/load/videofilmy/optika/