Урок физики "Дисперсия света"

Задачи урока:

• Образовательные:
  • ввести понятия спектр, дисперсия света;
  • ознакомить учащихся с историей открытия данного явления.
  • наглядно продемонстрировать процесс разложение узкого светового луча на составляющие различных цветовых оттенков.
  • выявить различия этих элементов луча света.
  • продолжить формирование научного мировоззрения учащихся.
• Развивающие:
  • развитие внимания, образного и логического мышления, памяти при изучении данной темы.
  • стимулирование познавательной мотивации учащихся.
  • развитие критического мышления.
• Воспитательные:
  • воспитание интереса к предмету;
  • воспитание чувства прекрасного, красоты окружающего мира.

Тип урока: урок изучения и первичного закрепления новых знаний.

Методы обучения: беседа, рассказ, объяснение, эксперимент. (Информационно-развивающий)

Требования к базовому уровню подготовки: уметь описывать и объяснять явление дисперсии.

Оборудование и материалы: компьютер, цветные карточки, плоскопараллельные пластины

План урока:

Перед началом урока, на перемене провести диагностику «Цветопись класса». Каждый ученик, заходя в класс, выбирает карточку с определенным  цветом, соответствующий его настроению, составляется диаграмма  «Цветопись класса» в начале урока.  

• Желтый цвет – хорошее
• Оранжевый – очень хорошее
• Красный – радостное
• Зеленый – спокойное
• Синий – грустное
• Коричневый – тревожное
• Черный – плохое
• Белый –  безразличное

Эпиграф к уроку:

Природу нельзя застигнуть неряшливой и полураздетой, она всегда прекрасна.

Р. Эмерсон (американский философ XIX в.)

ХОД УРОКА

1. Мотивация

Солнечный свет всегда был и остается для человека символом радости, вечной юности, всего хорошего, лучшего, что может быть в жизни:

«Пусть всегда будет Солнце.
Пусть всегда будет небо…», –

Такие слова есть в известной песне автор слов – Лев Ошанин.
Даже физик. Привыкший иметь дело с фактами, с точной регистрацией явлений, подчас испытывает чувство неловкости, говоря, что свет – это электромагнитные волны определенной длины волны и ничего больше.
Длина световой волны очень мала. Представьте себе среднюю морскую волну, которая увеличилась бы настолько, что заняла одна весь Атлантический океан – от Америки до Лиссабона в Европе. Длина световой волны притом же увеличении лишь ненамного превысила бы ширину страницы книги.
Вопрос:
–  Откуда берутся эти электромагнитные волны?
Ответ:
–  Источник их – Солнце.
Вместе с видимым излучением Солнце посылает нам тепловое излучение, инфракрасное и ультрафиолетовое. Высокая температура солнца – главная причина рождения этих электромагнитных волн.

2. Оргмомент

Формулировка темы и целей урока.

Тема нашего урока – «Дисперсия света». Сегодня нам необходимо:

• Ввести понятие «спектр», «дисперсия света»;
• Выявить особенности данного явления – дисперсии света;
• Познакомиться с историей открытия данного явления.

Активизация мыслительной деятельности:

Ученик читает стихотворение

Аромат Солнца

Запах Солнца? Что за вздор!
Нет, не вздор.
В солнце звуки и мечты,
Ароматы и цветы,
Все слились в согласный хор,
Все сплелись в один узор.
Солнце пахнет травами, 
Свежими купавами,
Пробужденною весной
И смолистою сосной,
Нежно-светлотканными
Ландышами пьяными,
Что победно расцвели
В остром запахе земли.
Солнце светит звонами,
Листьями зелеными,
Дышит внешним пеньем птиц,
Дышит смехом юных лиц.
Так и молви всем слепцам:
Будет вам!
Не узреть вам райских врат,
Есть у солнца аромат,
Сладко внятный только нам,
Зримый птицам и цветам!
                                    А. Бальмонт

3. Изучение нового материала

Немного истории

Говоря об этих представлениях, следует начать с теории цветов Аристотеля (IV в. до н. э.). Аристотель утверждал, что различие в цвете определяется различием в количестве темноты, «примешиваемой» к солнечному (белому) свету. Фиолетовый цвет, по Аристотелю, возникает при наибольшем добавлении темноты к свету, а красный –  при наименьшем. Таким образом, цвета радуги –  это сложные цвета, а основным является белый свет. Интересно, что появление стеклянных призм и первые опыты по наблюдению разложения света призмами не породили сомнений в правильности Аристотелевой теории возникновения цветов. И Хариот, и Марци оставались последователями этой теории. Этому не следует удивляться, так как на первый взгляд разложение света призмой на различные цвета, казалось бы, подтверждало представления о возникновении цвета в результате смешения света и темноты. Радужная полоска возникает как раз на переходе от теневой полосы к освещенной, т. е. на границе темноты и белого света. Из того факта, что фиолетовый луч проходит внутри призмы наибольший путь по сравнению с другими цветными лучами, немудрено сделать вывод, что фиолетовый цвет возникает при наибольшей утрате белым светом своей «белизны» при прохождении через призму. Иначе говоря, на наибольшем пути происходит и наибольшее промешивание темноты к белому свету. Ложность подобных выводов нетрудно было доказать, поставив соответствующие опыты с теми же призмами. Однако до Ньютона никто этого не сделал.

Солнечный свет имеет много тайн. Одна из них – явление дисперсии. Первым его обнаружил великий английский физик Исаак Ньютон в 1666 году, занимаясь усовершенствованием телескопа.

Дисперсия света (разложение света) –  это явление, обусловленное зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от частоты (или длины волны) света (частотная дисперсия), или, то же самое, зависимость фазовой скорости света в веществе от длины волны (или частоты).

Экспериментально дисперсия света была открыта И. Ньютоном около 1672 года, хотя теоретически достаточно хорошо объяснена значительно позднее.
Один из самых наглядных примеров дисперсии –  разложение белого света при прохождении его через призму (опыт Ньютона). Сущностью явления дисперсии является неодинаковая скорость распространения лучей света c различной длиной волны в прозрачном веществе –  оптической среде (тогда как в вакууме скорость света всегда одинакова, независимо от длины волны и следовательно цвета). Обычно чем больше частота волны, тем больше показатель преломления среды и меньше ее скорость света в ней:

• у красного цвета максимальная скорость в среде и минимальная степень преломления,
• у фиолетового цвета минимальная скорость света в среде и максимальная степень преломления.

Дисперсия света позволила впервые вполне убедительно показать составную природу белого света.

Белый свет разлагается на спектр и в результате прохождения через дифракционную решётку или отражения от нее (это не связано с явлением дисперсии, а объясняется природой дифракции).

Дифракционный и призматический спектры несколько отличаются: призматический спектр сжат в красной части и растянут в фиолетовой, и располагается в порядке убывания длины волны: от красного к фиолетовому; нормальный (дифракционный) спектр –  равномерный во всех областях и располагается в порядке возрастания длин волн: от фиолетового к красному.

Зная, что белый свет имеет сложную структуру, можно объяснить удивительное многообразие красок в природе. Если предмет, например лист бумаги, отражает все падающие на него лучи различных цветов, то он будет казаться белым. Покрывая бумагу слоем красной краски, мы не создаем при этом света нового цвета, но задерживаем на листе некоторую часть имеющегося. Отражаться теперь будут только красные лучи, остальные же поглотятся слоем краски. Трава и листья деревьев кажутся нам зелеными потому, что из всех падающих на них солнечных лучей они отражают лишь зеленые, поглощая остальные. Если посмотреть на траву через красное стекло, пропускающее лишь красные лучи, то она будет казаться почти черной.

Явление дисперсии, открытое Ньютоном, – первый шаг к пониманию природы цвета. Глубина понимания дисперсии пришла после того, как была выяснена зависимость цвета от частоты (или длины) световой волны.

Томас Юнг (1773-1829 г.г.) в 1802 году первым измерил длины волн разных цветов.

После открытия дисперсии света основной величиной, определяющей цвет света, стала длина волны. Главный цветоприемник – сетчатка глаза.

Цвет – есть ощущение, которое возникает в сетчатой оболочке глаза при её возбуждении световой волной определенной длины. Зная длину волны испущенного света и условия его распространения, можно наперед с  высокой степенью точности сказать, какой цвет увидит глаз.

Может быть так, что сетчатка глаза плохо воспринимает один из основных цветов или совсем на него не реагирует, тогда у этого человека нарушается цветоощущение. Такой недостаток зрения назван дальтонизмом.

Хорошее цветоощущение очень важно для ряда профессий: моряков, летчиков, железнодорожников, хирургов, художников.  Созданы специальные приборы – аномалоскопы для исследования нарушений цветового зрения.

Дисперсией объясняется факт появления радуги после дождя (точнее тот факт, что радуга разноцветная, а не белая).
Первая попытка объяснить радугу как естественное явление природы была сделана в 1611 году архиепископом Антонио Доминисом.

1637 год – научное объяснение радуги впервые дал Рене Декарт. Он объяснил радугу на основании законов преломления и отражения солнечного света в каплях дождя. Явление дисперсии еще не было открыто, –  поэтому радуга Декарта оказалась белой.

Спустя 30 лет Исаак Ньютон дополнил теорию Декарта, объяснил, как преломляются цветные лучи в каплях дождя.

«Декарт повесил радугу в нужном месте на небосводе, а Ньютон расцветил её всеми красками спектра»

Американский ученый А. Фразер

Радуга –  это оптическое явление, связанное с преломлением световых лучей на многочисленных капельках дождя. Однако далеко не все знают, как именно преломление света на капельках дождя приводит к возникновению на небосводе гигантской многоцветной дуги. Поэтому полезно подробнее остановиться на физическом объяснении этого эффектного оптического явления.

Радуга глазами внимательного наблюдателя. Прежде всего, радуга может наблюдаться только в стороне, противоположной Солнцу. Если встать лицом к радуге, то Солнце окажется сзади. Радуга возникает, когда Солнце освещает завесу дождя. По мере того как дождь стихает, а затем прекращается, радуга блекнет и постепенно исчезает. Наблюдаемые в радуге цвета чередуются в такой же последовательности, как и в спектре, получаемом при пропускании пучка солнечных лучей через призму. При этом внутренняя (обращенная к поверхности Земли) крайняя область радуги окрашена в фиолетовый цвет, а внешняя крайняя область –  в красный. Нередко над основной радугой возникает еще одна (вторичная) радуга –  более широкая и размытая. Цвета во вторичной радуге чередуются в обратном порядке: от красного (крайняя внутренняя область дуги) до фиолетового (крайняя внешняя область).

Для наблюдателя, находящегося на относительно ровной земной поверхности, радуга появляется при условии, что угловая высота Солнца над горизонтом не превышает примерно 42°. Чем ниже Солнце, тем больше угловая высота вершины радуги и тем, следовательно, больше наблюдаемый участок радуги. Вторичная радуга может наблюдаться, если высота Солнца над горизонтом не превышает примерно 52.

Радуга может рассматриваться как гигантское колесо, которое как на ось, надето на воображаемую прямую линию, проходящую через Солнце и наблюдателя.

Дисперсия является причиной хроматических аберраций –  одних из аберраций оптических систем, в том числе фотографических и видео-объективов.

Дисперсия света в природе и искусстве

• Из-за дисперсии можно наблюдать разные цвета света.
• Радуга, чьи цвета обусловлены дисперсией, –  один из ключевых образов культуры и искусства.
• Благодаря дисперсии света, можно наблюдать цветную «игру света» на гранях бриллианта и других прозрачных гранёных предметов или материалов.
• В той или иной степени радужные эффекты обнаруживаются достаточно часто при прохождении света через почти любые прозрачные предметы. В искусстве они могут специально усиливаться, подчеркиваться.
• Разложение света в спектр (вследствие дисперсии) при преломлении в призме –  довольно распространенная тема в изобразительном искусстве. Например, на обложке альбома Dark Side Of The Moon группы Pink Floyd изображено преломление света в призме с разложением в спектр.

Открытие дисперсии стало в истории науки весьма значительным. На надгробии ученого есть надпись с такими словами: «Здесь покоится сэр Исаак Ньютон, дворянин, который… первый с факелом математики объяснил движения планет, пути комет и приливы океанов.

Он исследовал различие световых лучей и проявляющиеся при этом различные свойства цветов, чего ранее никто не подозревал. …Пусть смертные радуются, что существовало такое украшение рода человеческого».

4. Закрепление

• Ответить на вопросы по изученной теме.
• Рубрика «Подумайте…»
• Вопрос: почему радуга круглая?
• Составление «Синквейна» по теме «Дисперсия»

  Синквейн 1 строка.  – Одно существительное, являющееся темой синквейна. 2 строка. – 2 прилагательных, раскрывающие тему. 3 строка. – 3 глагола, описывающие действия. 4 строка. – Фраза, в конкретной форме. 5 строка. – Слово – резюме, дающее новую интерпретацию слова (темы). Пример: Масса. физическая, скалярная. измеряем, имеем, увеличиваем. Одно из физических характеристик материи, определяющая её инертные и гравитационные свойства. физическая величина

5. Подведение итогов урока

В конце урока провести опять диагностику «Цветопись класса». Выяснить какое стало настроение в конце  урока, на основе чего  составляется диаграмма  «Цветопись класса» и сравнивается результат, какое настроение было у учеников в начале урока и в конце.

6. Домашнее задание:  §66

Литература:

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика: Учебник для 11 класса средней школы. – М.: Просвещение, 2006.
2. Рымкевич А.П. Сборник задач по физике для 9-11 классов средней школы. – М.: Просвещение, 2006.
3. Хрестоматия по физике: Учебное пособие для учащихся 8-10 классов средней школы / Под ред. Б.И. Спасского. – М.: Просвещение, 1987.
4. Журнал «Физика в школе» № 1/1998 г.