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;
- 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.
Педагогическая технология - метод проблемного обучения.
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, практическая работа «Наблюдение дисперсии света», неразложимость в спектр монохроматического света, сложение спектральных цветов.
- Техническое оснащение: мультимедийная установка.
1. Мотивация познавательной деятельности
- Как можно объяснить удивительное многообразие красок в природе?
- До 1666 г. 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".
2. Актуализация знаний
Опыты И.Ньютона по дисперсии
- В 1666 году англ. физик Исаак Ньютон обратил внимание на радужную окраску изображений звезд в телескопе. Он заинтересовался этим явлением и поставил опыт. Ньютон направил световой пучок малого поперечного сечения на призму. Пучок солнечного света проходил в затемненную комнату через маленькое отверстие в ставне. Падая на стеклянную призму, он преломлялся и давал на противоположной стене удлиненное изображение с радужным чередованием цветов. Эту радужную полоску Ньютон назвал спектром (от лат. слова spectrum - "вuдение"). Замечательно, что этот опыт пережил столетия, и его методика без существенных изменений используется до сих пор.
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.
Демонстрируется непрерывный спектр белого света (Видеофрагмент «Опыт №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):
А). Разложение белого света на его цветовые составляющие (используется лабораторное оборудование L-микро). В начале эксперимента учащимся напоминается техника безопасности работы с электрооборудованием.
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.
При переходе волны из одной среды в другую изменяются и скорость, и длина волны, а частота колебаний остается неизменной.
Б) Совместно с учащимися решаем вопрос о неразложимости в спектр монохроматического света.
Видеофрагмент (Основной цвет)
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.
Зная, что белый свет имеет сложную структуру, можно объяснить удивительное многообразие красок в природе.
Давайте вспомним из почему мы видим окружающие тела? (О: Свет, падая на предметы, отражается и попадает в глаз человека). Откуда берется цвет непрозрачных предметов?
Трава и листья деревьев кажутся нам зелеными потому, что из всех падающих на них солнечных лучей они отражают лишь зеленые, поглощая остальные. Красный томат отражает только красные цвета, остальные же им поглощаются.
Цвета непрозрачных тел определяется цветом тех лучей, которые они отражают. Кстати, человеческий глаз способен различить 250 цветов, которые образуются при смешивании основных цветов.
Лист белой бумаги отражает все падающие на него лучи различных цветов. Лист черной бумаги поглощает все падающие на него лучи различных цветов.
Вне нас нет никаких красок, есть лишь волны разных длин.
Пробовали ли вы когда-нибудь смотреть на мир сквозь цветные стекла?
А сейчас посмотрим на наш город через зеленые очки.
Как же можно объяснить цвета прозрачных тел?
При пропускании белого света через окрашенное стекло оно пропускает тот цвет, в который окрашено. Это свойство используется в различных светофильтрах.
Проделаем следующий опыт. Нам потребуются:
- Белый лист бумаги с цветными рисунками
- Светофильтры
На лист направить свет через разные светофильтры.
Вывод: Красный светофильтр пропускает только красные лучи, а остальные поглощает, поэтому другие картинки выглядят черными. Взглянем на эти картинки сквозь зеленое стекло. Белый цвет стал зеленым, красный - черным, а зеленый - сохранил свой цвет.
Опыт со спектральным кругом. Объясните, почему при вращении круг становится почти белым?
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.
Американский ученый Роберт Вуд обожал химию и однажды подсыпал в остатки пищи, подаваемой в одном пансионе, немного хлорида лития LiCl, безвредного и похожего по вкусу на соль вещества. Он подозревал, что хозяйка пансиона вторично использует эти объедки, и на следующий день провел спектральный анализ якобы свежеприготовленной котлеты. Ярко-красная линия лития в спектре выдала мошенницу.
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 сообщение по теме «Радуга» 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 «Дисперсия. Радуга»)
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.
РАДУГА
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. 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
Поэтому полезно подробнееостановиться на физическом объяснении этого эффектного оптического явления.
Радуга глазами внимательного наблюдателя. Прежде всего заметим, что 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.
Вывод: явление радуги связано с явлениями преломления и отражения света. Явление дисперсии сильно увеличивает эффект радуги и позволяет видеть это прекрасное явление природы.
Дисперсия света в природе и искусстве
Из-за дисперсии можно наблюдать разные цвета света.
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.
- 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.
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
Устные вопросы:
- На сером фоне сцены находится фигура в красном. Каким светом её надо осветить, чтобы создать видимость исчезновения?)
- 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.