Урок физики по теме "Волновая оптика"

Форма урока: теоретико-практическое исследование с использованием компьютера.

Цели урока:

• обобщить знания по теме «Геометрическая и волновая оптика» в физико- математическом профиле и дать общее представление темы социально-экономическому профилю;
• способствовать осознанию учениками волновой природы света;
•  продолжить формирование умения применять теоретические знания для объяснения явлений природы;
• способствовать формированию интереса к физике, развитию чувства ответственности, уверенности в себе;
• способствовать развитию самостоятельной познавательной активности учащихся.

Объект исследования: свет.

Предмет исследования: волновые свойства света.

Методы исследования:

• Организационные: комплексный метод (один объект исследования методами разных наук: физики, литературы, информатики)
• Эмпирический метод – наблюдения, лабораторный эксперимент, анализ результатов деятельности.
• Метод обработки данных – качественный метод, позволяющий провести дифференциацию и анализ материалов, выявления причинно-следственных связей при помощи сравнений и сопоставлений.

Виды деятельности:

• Теоретическое исследование.
• Проект.
• Практический эксперимент.
• Библиографическое исследование.
• Лабораторный эксперимент.
• Синтез полученных знаний в форме структурно-логической схемы, таблицы.

Оборудование:самодельные приборы для наблюдения дифракции света, мыльная жидкость, компакт-диск с записью, прибор для определения длины волны с помощью дифракционной решётки, спектроскоп, компьютер с презентацией, таблицы по интерференции и дифракции света, их практическом применении,  портреты учёных.

ХОД ЗАНЯТИЯ

Миркина Алина:

Чудный дар природы вечной,
Дар бесценный и святой,
В нём источник бесконечный
Наслажденья красотой!
Солнце, небо, звёзд сиянье,
Море в блеске голубом, –
Всю природу и созданья
Мы лишь в свете познаём!

Эпиграф нашего   урока: «Свет… такое короткое и в то же время такое ёмкое слово. «В слове «свет» заключена вся физика». (С.И. Вавилов.)

Приложение 1

– Сегодня на уроках нам предстоит провести исследование и выяснить природу света.
Объект исследования: свет
Предмет исследования: волновые свойства света
Результатом работы станет структурная схема,  в которую вы запишите основные понятия урока, свойства и практическое применение свойств света. Короткий тест на понимание основных понятий предстоит написать всему классу. Лабораторный эксперимент выполнят ученики социально – экономического профиля, а школьники физико – математического профиля выступят в роли консультантов и лаборантов при этом.
Выдающиеся мыслители и учёные осознавали фундаментальную роль света в окружающем нас мире задолго до выявления истинной природы света. Вот только некоторые из них: Пифагор, Евклид, Птолемей, Рене Декарт, Исаак Ньютон, Христиан Гюйгенс, Томас Юнг. Все они придерживались разных точек зрения, но вместе с тем понимали, что свет – чудный дар природы вечной.…
Физика – это прежде всего опыт и эксперимент.
Предлагаю начать наш урок с попытки разрешить спор между двумя учёными мужами, знаменитыми в науке своими трудами и открытиями.

Разыгрывается сценка о двух видах передачи взаимодействия на расстояние. В ролях Ньютона и Гюйгенса выступают Лимон Рома и Лимон Лёша. Они демонстрируют оба способа и формулируют свои теории. Затем задают друг другу вопросы на которые не могут ответить с точки зрения своей теории.
Кривко Артём подводит итог и формулирует гипотезу.

Гипотеза: Свет – это волна. Свет – это поток частиц.

– Вспомним о том, что нам известно о свете из 8 класса?

Учащиеся вспоминают о прямолинейном распространении света, о законах преломления и отражения, о понятии луча, о различных видах линз.

– Итак, геометрической оптикой называется раздел оптики, в котором изучаются законы распространения световой энергии в прозрачных средах на основе представления о световом луче.

Учитель: Так как основная часть класса – это представители  гуманитарного профиля обучения, то я предлагаю желающим (два человека) составить глоссарий (словарь  терминов) по нашему уроку и продемонстрировать нам его в конце нашего занятия. Итак,  исследуем свет, составим на него досье.

Павлов Антон и Петряева Света: Когда мы поворачиваем выключатель, то комната сразу же озаряется светом. Кажется, что свету совсем не надо времени, чтобы достигнуть стен. Что же скорость света бесконечна? Нет,  оказалось, что скорость света имеет определённое значение, а определить её удалось в 1676 году датскому учёному О.Рёмеру.

Презентация «Астрономический метод измерения скорости света».

Впервые скорость света лабораторным методом удалось измерить французскому физику И.Физо в 1849 году.

Презентация «Лабораторный метод измерения скорости света».

Кривко Артём: Познакомимся с ещё одним выдающимся физиком, принцип которого лежит в основе волновой оптики.

Быкова Даша: Историческая справка (презентация) о Гюйгенсе.

Кривко Артём: Известные нам уже законы отражения и преломления света выводятся из одного общего принципа, описывающего поведение волн. Этот принцип впервые был выдвинут современником Ньютона Христианом Гюйгенсом.

Принцип Гюйгенса (слайд на компьютере)

Каждая точка среды, до которой дошло возмущение, сама становится источником вторичных волн.
Вернёмся к нашей гипотезе. «Свет – это волна». Теперь нам надо это доказать, а помогут нам в этом занимательные опыты и демонстрации.

Алексеева Алина – Презентация о Ньютоне, опытах Ньютона и дисперсии. Алина предлагает всем присутствующим посмотреть разложение света в треугольной призме на слайде презентации.

Заводской Валера: А я предлагаю вам  посмотреть сплошной дисперсионный спектр с помощью спектроскопа – аппарата, позволяющего разделить волны различной длины и не допускающий перекрытия отдельных участков спектра.
Устройство и принцип работы ученик рассказывает и показывает. Затем предлагает всем присутствующим посмотреть дисперсионный спектр.

Румянцева Оксана – Сообщение «Цвета радуги».

Комиссаров Кирилл – «Опыт по получению белого света при помощи вращающегося цветного диска».

Савина Татьяна – «Делаем радугу» опыт с зеркалом, водой и листом бумаги.

Кривко Артём: 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 создаём при этом свет 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 зелёными потому, что из всех падающих на них солнечных лучей они отражают лишь зелёные, поглощая остальные.

Дуденко Надя и Климович Женя:

Горит, как хвост павлиний,
Каких цветов в нём нет!
Лиловый, красный, синий,
Зелёный, жёлтый цвет.

С.Я.Маршак

– Мы предлагаем вам полюбоваться на это чудо, мыльные пузыри. Именно окраска мыльных пузырей натолкнула выдающегося физика Томаса Юнга на открытие явления интерференции в тонких плёнках и подтверждение волновой природы света. Мы видим, как меняется цвет пузыря со временем.
– А почему это происходит?

Лимон Роман: Я могу ответить на ваш вопрос. В мыльном пузыре мы наблюдаем интерференцию света в тонкой мыльной плёнке. Интерференция – это сложение двух волн, вследствие которого наблюдается устойчивая во времени картина усиления или ослабления результирующих световых колебаний в различных точках пространства.
Английский учёный Томас Юнг объяснил, что радужная окраска мыльных пузырей объясняется сложением волн 1 и 2 (по таблице «Волновая оптика»), одна из которых (1) отражается от наружной поверхности плёнки, а другая (2) – от внутренней. При этом происходит интерференция световых волн. Δ

Результат интерференции (усиление или ослабление результирующих колебаний) зависит

• от угла падения света на плёнку
• её толщины
• длины волны

Усиление света произойдёт в том случае, если преломлённая волна 2 отстанет от отражённой волны 1 на целое число длин волн, т. е.выполняется условие максимума

Δd = kλ,  где Δd – разность хода двух волн, λ – длина волны, k = 1,2,3…

Если же вторая волна отстанет от первой на половину длины волны или на нечётное число полуволн, то произойдёт ослабление света.

Δd = (2k +1)λ,
                     2

Когерентность волн, отражённых от наружной и внутренней поверхностей плёнки, обеспечивается тем, что они являются частями одного и того же светового пучка. Цуг волн от каждого излучающего атома разделяется плёнкой на два, а затем эти части сводятся вместе и нтерферируют.
Юнг так же понял, что различие в цвете связано с различием в длине волны (или частоте световых волн). Световым пучкам различного цвета соответствуют волны различной длины. Для взаимного усиления волн, отличающихся друг от друга длиной (углы падения предполагаются одинаковыми), требуется различная толщина плёнки. Следовательно, если плёнка имеет неодинаковую толщину, как у ваших пузырей, то при освещении её белым светом появляются различные цвета.     

Дуденко Надя: «Мыльный пузырь, витая в воздухе… зажигается всеми оттенками цветов, присущими окружающим предметам. Мыльный пузырь, пожалуй, самое изысканное чудо природы» Марк Твен. Готовясь к уроку, мы нашли загадки и высказывания о различных оптических явлениях и применении их в оптических приборах и у нас получился такой буклет (Девочки всем предлагают буклет –Приложение 2).

Алексеева Алина: Простая интерференционная картина получается в тонкой плёнке воды между двумя стеклянными пластинами, у вас на столе лежат такие пластины, и вы можете наблюдать кольца Ньютона в отражённом свете на тёмном фоне. А так же  вы можете проверить зависимость наблюдаемой картины от угла падения света, от толщины плёнки.

Лимон Алексей: Применения интерференции очень важны и обширны. (Таблица «Применение интерференции» материал  п.69).

• Интерферометры – специальные приборы, действие которых основано на явлении интерференции. Назначение их различное: точное измерение длин  световых волн, измерение показателя преломления газов и других веществ.
• Проверка качества обработки поверхностей.
• Проверка кривизны поверхности линз.
• Просветление оптики. (Презентация по материалу учебника стр. 194-195)

Кривко Артём: Давайте вспомним, на какой каверзный вопрос Ньютона не смог ответить Гюйгенс?
Правильно, «Почему за предметом образуется тень.?» Если свет – это волна, то  для него должна наблюдаться дифракция.

Дифракция – это огибание волнами краёв препятствий. Дифракция присуща любому волновому движению.
Но наблюдать дифракцию света нелегко. Дело в том, что волны отклоняются от прямолинейного распространения на заметные углы только на препятствиях, размеры которых сравнимы с длиной волны, а длина световых волн очень мала.
Опыты по дифракции в 1802 году провёл Томас Юнг.

Фёдорова Оля и Кирилова Маша – Презентации «Томас Юнг», «Опыт Юнга по дифракции».

Кривко Артём: Дифракционную картину на различных препятствиях мы можем наблюдать с помощью диска, дифракционной решётки.
Дифракционная решётка – представляет собой совокупность большого числа очень узких щелей, разделённых непрозрачными промежутками.
Наши ресницы с промежутками между ними представляют собой грубую дифракционную решётку. Поэтому, если посмотреть, прищурившись, на яркий источник света, том можно обнаружить радужные цвета. Белый свет разлагается  в спектр при дифракции вокруг ресниц. Лазерный диск подобен отражательной дифракционной решётке.
Предлагаю всем посмотреть спектр, получаемый с помощью дифракционной решётки.

(Проводится наблюдение дифракционного спектра).

Учитель: Ответьте на вопрос: «Чем отличается дисперсионный спектр от дифракционного?»
С помощью дифракционной решётки можно проводить очень точные измерения длины волны.

Лабораторная работа  №3 «Определение длины волны света» (Приложение 3).

1 вариант – определяет длину волны красного цвета
2 вариант – определяет длину волны фиолетового цвета
3 вариант – определяет длину волны зелёного цвета

Ольха Юля: Параграф 73 начало о световых волнах, продольные они или поперечные.

Ильчанинов Игорь, ЕрмаковЕфим: Опыт с турмалином и выводы.

Зотина Ира: Поперечность световых волн и электромагнитная теория света.

Костенко Ася: Презентация «Максвелл»

Закрепление.

– Мы рассмотрели с вами дисперсию, интерференцию и дифракцию световых волн, доказывая волновую природу света. Проверим, как нам удалось усвоить такой объём знаний. Вам предлагается тест (Приложение 4) по этой теме, ответьте на вопросы.
Поднимите руки те, у кого все 7 ответов совпали. А теперь те у кого 5-6 верных ответов. Итак вы видите предварительный результат усвоенных новых знаний, понятий.

Учитель: Давайте проверим таблицы, которые вы заполняли в течение уроков, у кого что получилось. ( Ученики зачитывают полученный материал).

Демонстрирую примерную таблицу, которая могла у  школьников получиться.

Структурная схема по теме «Волновая оптика»

Во время урока, Дуденко Надя и Климович Женя делали для нас глоссарий, который поможет вам ориентироваться в теме «Оптика». Сейчас девочки познакомят нас с результатами работы (Приложение 5).

Заключительное слово

– Итак, сегодня мы убедились на практике, что свет – это электромагнитные волны, поэтому, как и в случае любых других волн, наблюдается интерференция и дифракция света. Мы измерили длину волны с помощью спектрального прибора – дифракционной решётки – и ещё раз убедились, что свет – чудный дар природы вечной…
Свет ежедневно, ежечасно дарит нам волшебные мгновенья «наслажденья красотой».