конспект урока по теме "Поперечность световых волн. Поляризация света"
план-конспект урока по естествознанию (11 класс) на тему

МУНИЦИПАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ

«ПЛЕХАНОВСКАЯ  СРЕДНЯЯ  ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ  ШКОЛА №1»

ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ  ОБЛАСТЬ «ФИЗИКА»

КЛАСС:   11   (ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫЙ  ПРОФИЛЬ  ОБУЧЕНИЯ)

УЧИТЕЛЬ:     ДУДЕНКОВА ГАЛИНА ПЕТРОВНА, УЧИТЕЛЬ ФИЗИКИ, ИСТОРИИ, ОБЖ

МУНИЦИПАЛЬНОЕ  ОБРАЗОВАНИЕ  РАБОЧИЙ  ПОСЕЛОК  ПЛЕХАНОВО

ЛЕНИНСКОГО  РАЙОНА ТУЛЬСКОЙ  ОБЛАСТИ

2013

Цели урока:

Образовательные:

1. расширить знания учащихся о световых явлениях.
2. углубить знания о новых свойствах света.
3. дать представление о природе света.

Развивающие:

1. создать условия для формирования  умения наблюдать, сопоставлять и делать выводы.
2. развивать логическое мышление, воображение.
3. формировать представление о единстве понятий окружающего мира.
4. Создать условия для развития  познавательную, информационно-коммуникативную компетенции.
5. продолжить работу по формированию умений осознавать проблему, делать выводы, обобщать.

Воспитательные:

1. Создать условия для развития стремления к познанию.
2. Создать условия для воспитания  умения  выслушивать товарища, уважать мнение оппонента.
3. вызвать интерес к изучаемому матeриалу.

Задачи урока:

• усвоение  учащимися  понятий поляризация света, естественный свет, поляризованный свет;
• расширить   знания   об  ученых,  внесших  вклад в изучение поляризации света;

• применение  ранее  полученных теоретических и  практических знаний,  умений  и  навыков в сфере ИКТ: работа  с  приложениями  Open Office.org  Презентации ;
• интегрирование знаний из  областей: астрономии истории, химии, физики,  географии;
• развитие  познавательного интереса   учащихся   к  предмету;
• развитие  грамотной    речи  за  счет  обогащения  и   усложнения  ее  словарного  запаса;

• воспитание  дисциплинированности;
• воспитание  эстетического  вкуса;
• воспитания чувства  бережного  отношения  к  личному  пространству человека;
• воспитания чувства  ответственности  перед  будущими  поколениями  за  свою  деятельность.

Формы  работы  на  уроке:

фронтальная,    индивидуальная.

Методы  обучения:

словесные (рассказ,  беседа индуктивного,  репродуктивного  характера);

наглядные (демонстрация слайдов,  демонстрационный эксперимент, );

практические (фронтальный эксперимент);

Оборудование:

1. лабораторное оборудование на каждый стол: 2 поляроида
2. демонстрационное оборудование: набор по поляризации света, оптическая скамья, экран; телевизор , DVD плейер, монитор с жидкокристаллическим экраном; волновая машина., ПК, мультимедийная установка.

Ход урока:

1. организационный момент
2. подведение к новому материалу

Как вы помните, вопрос о природе света не давал учёным покоя. В конце концов договорились о корпускулярно-волновом дуализме, согласно которому свет….при излучении и поглощении ведёт себя как поток частиц, а при распространении , как волна.

      Яркие свидетельства в пользу волновой природы света дали только что изученные нами интерференция и дифракция.

   Пусть свет – волна, но волны бывают продольные и поперечные. (демонстрация действия волновой машины)

Продольные – это? ( ответы учеников)

Поперечные – это….?(ответы учеников)

- в каких средах распространяются продольные волны?( твёрдых, жидких и газообразных)

- а поперечные? (только в твёрдых)

- и к каким же волнам нам отнести свет?

В начале XIX века, когда Т. Юнг и О. Френель развивали волновую теорию света, природа световых волн была неизвестна. На первом этапе предполагалось, что свет представляет собой продольные волны, распространяющиеся в некоторой гипотетической среде – эфире. При изучении явлений интерференции и дифракции вопрос о том, являются ли световые волны продольными или поперечными, имел второстепенное значение. В то время казалось невероятным, что свет – это поперечные волны, так как по аналогии с механическими волнами пришлось бы предполагать, что эфир – это твердое тело (поперечные механические волны не могут распространяться в газообразной или жидкой среде). Однако, постепенно накапливались экспериментальные факты, свидетельствующие в пользу поперечности световых волн. Еще в конце XVII века было обнаружено, что кристалл исландского шпата (CaCO3) раздваивает проходящие через него лучи. Это явление получило название двойного лучепреломления 

В 1809 году французский инженер Э. Малюс открыл закон, названный его именем. Для продольных волн направление распространения луча является осью симметрии. В продольной волне все направления в плоскости, перпендикулярной лучу, равноправны. В поперечной волне (например, в волне, бегущей по резиновому жгуту) направление колебаний и перпендикулярное ему направление не равноправны.

- Есть у волн  одно свойство однозначно говорящее о поперечности…поляризация.

ВИДЕОФРАГМЕНТ 1 ( что такое поляризация)

(эвристическая беседа с учениками)

-Давайте вспомним  электромагнитные волны..

- кто помнит почему для  наилучшего приёма волн антенны должны быть параллельны друг другу?

- с этими волнами всё более или менее понятно – параллельны антенны, принимается волна – радио слышим, не параллельна – не слышим.  А как быть со светом?

- Пусть источник света- солнце, приёмник стекло. Если свет поперечная волна, значит поляризуется, и значит, что поворачивая стекло можно заставить его не принимать свет?

-Так получается?

- давайте проверим.

(демонстрационный опыт по поляризации света)

3. объяснение нового материала

ВИДЕОФРАГМЕНТ №2(поляризация света)

Кристалл турмалина имеет ось симметрии и принадлежит к числу так называемых одноосных кристаллов. Возьмем прямоугольную пластину турмалина, вырезанную таким образом, чтобы одна из ее граней была параллельна оси кристалла. Если направить нормально на такую пластину пучок света от электрической лампы или солнца, то вращение пластины вокруг пучка никакого изменения интенсивности света, прошедшего через нее, не вызовет. Можно подумать, что свет только частично поглотился в турмалине и приобрел зеленоватую окраску. Больше ничего не произошло. Но это не так. Световая волна приобрела новые свойства.

Эти новые свойства обнаруживаются, если пучок заставить пройти через второй точно такой же кристалл турмалина , параллельный первому. При одинаково направленных осях кристаллов опять ничего интересного не происходит: просто световой пучок еще более ослабляется за счет поглощения во втором кристалле. Но если второй кристалл вращать, оставляя первый неподвижным , то обнаружится удивительное явление - гашение света. По мере увеличения угла между осями интенсивность света уменьшается. И когда оси перпендикулярны друг другу, свет не проходит совсем. Он целиком поглощается вторым кристаллом. Как это можно объяснить?

Из описанных выше опытов следует два факта: во-первых, что световая волна, идущая от источника света, полностью симметрична относительно направления распространения (при вращении кристалла вокруг луча в первом опыте интенсивность не менялась) и, во-вторых, что волна, вышедшая из первого кристалла, не обладает осевой симметрией (в зависимости от поворота второго кристалла относительно луча получается та или иная интенсивность прошедшего света).

     Продольные волны обладают полной симметрией по отношению к направлению распространения (колебания происходят вдоль этого направления, и оно является осью симметрии волны). Поэтому объяснить опыт с вращением второй пластины, считая световую волну продольной, невозможно.

     Полное объяснение опыта можно получить, сделав два предположения.

     Первое предположение относится к самому свету. Свет – поперечная волна. Но в падающем от обычного источника пучке волн присутствуют колебания всевозможных направлений, перпендикулярных направлению распространения волн 

 Согласно этому предположению световая волна обладает осевой симметрией, являясь в то же время поперечной. Волны, например, на поверхности воды такой симметрией не обладают, так как колебания частиц воды происходят только в вертикальной плоскости.

     Световая волна с колебаниями по всем направлениям, перпендикулярным направлению распространения, называется естественной. Такое название оправдано, так как в обычных условиях источники света создают именно такую волну. Данное предположение объясняет результат первого опыта. Вращение кристалла турмалина не меняет интенсивность прошедшего света, так как падающая волна обладает осевой симметрией (несмотря на то, что она поперечная).

     Второе предположение, которое необходимо сделать, относится к кристаллу. Кристалл турмалина обладает способностью пропускать световые волны с колебаниями, лежащими в одной определенной плоскости . Такой свет называется поляризованным или, точнее, плоскополяризованным в отличие от естественного света, который может быть назван также неполяризованным. Это предположение полностью объясняет результаты второго опыта. Из первого кристалла выходит плоскополяризованная волна. При скрещенных кристаллах (угол между осями 90°) она не проходит сквозь второй кристалл. Если оси кристаллов составляют между собой некоторый угол, отличный от 90°. то проходят колебания, амплитуда которых равна проекции амплитуды волны, прошедшей через первый кристалл, на направление оси второго кристалла.

Прямыми опытами доказано, что световая волна является поперечной. В поляризованной световой волне колебания происходят в строго определенном направлении.

Некоторые источники (лазеры) могут испускать поляризованный свет. В таком свете колебания электрического и магнитного полей происходят не по всем направлениям, а только в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Такой свет называют линейно поляризованным (или плоско поляризованным). (демонстрационный эксперимент с турмалином для лазера)

 Не только кристаллы турмалина способны поляризовать свет. Таким же свойством, например, обладают так называемые поляроиды. Поляроид представляет собой тонкую (0.1 мм) пленку кристаллов герапатита, нанесенную на целлулоид или стеклянную пластинку. С поляроидом можно проделать те же опыты, что и с кристаллом турмалина. Преимущество поляроидов в том, что можно создавать большие поверхности, поляризующие свет.

4. Закрепление нового материала.

А теперь давайте послушаем сообщение о том где и как еще применяется поляризация света .

(Сообщение заранее подготовлено учеником, демонстрируются слайды 1 и 2)

Поляризация света играет заметную роль в живой природе. Многие живые существа способны чувствовать Поляризация света, а некоторые насекомые (пчёлы, муравьи) ориентируются в пространстве по поляризованному (в результате рассеяния в атмосфере) свечению голубого неба. При определённых условиях к Поляризация света становится чувствительным и человеческий глаз (т. н. явление Хайдингера).

ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ФИЛЬТРЫ

Поляризация света может происходить и в естественных условиях - при зеркальном отражении от любых неметаллических поверхностей. Естественный свет, будучи изначально неполяризованным (точнее, хаотически поляризованным, то есть состоящим из смеси волн с разным направлением поляризации), при зеркальном отражении от неметаллических поверхностей приобретает свойства линейно-поляризованного света. Физически это объясняется тем, что для света с разным направлением поляризации относительно поверхности, при зеркальном отражении от неметаллической поверхности создаются разные условия. Наиболее благоприятны условия отражения для света с поляризацией, параллельной плоскости падения - такой свет отражается без потерь. Свет с иной ориентацией плоскости поляризации в большей или меньшей степени гасится при отражении.

Поэтому наиболее очевидное применение поляризатора - это устранение (или, по крайней мере, уменьшение интенсивности) бликов, образующихся на блестящих неметаллических поверхностях, например, стеклянных витринах и окнах, окрашенных или покрытых пластиком поверхностях, водной глади и так далее. Использовать поляризационный светофильтр достаточно просто - ведь производимый им эффект заметен на глаз и хорошо виден в видоискателе фотоаппарата. При этом единственное, что желательно знать из теории, это то, что степень поляризации отраженного света варьируется при изменении угла падения (отражения) света. Угол, при котором поляризация отраженного света достигает максимума, зависит от материала отражающей поверхности и составляет обычно 50-60 градусов от нормали отражающей поверхности (соответственно - 30-40 градусов от самой поверхности). Поэтому для того, чтобы при помощи поляризационного светофильтра полностью ликвидировать нежелательное отражение от блестящей поверхности, есть смысл выбрать направление съемки таким образом, чтобы отражающая поверхность (блики с которой предполагается убирать) располагалась под оптимальным углом к фотоаппарату.

Поляризационный фильтр также весьма эффективен и в случаях, когда поверхность объекта съемки имеет смешанный зеркально-диффузный характер отражения. Достаточно совсем немного времени для того, чтобы найти вокруг себя уйму предметов, поверхность которых обладает таким типом отражения при разной ориентации плоскости поляризации фильтра меняется оттенок цвета многих предметов, окраска их становится сочнее и насыщеннее. Главное тут - не переусердствовать, потому как совсем лишенные бликов предметы выглядят бесформенными. Да и цвет некоторых предметов может измениться достаточно значительно, выйдя за пределы приемлемого для восприятия.

Кроме такого очевидного примера использования поляризационного светофильтра есть еще масса не столь очевидных, но не менее удачных и эффективных способов его применения - поляризованный свет присутствует вокруг нас в большом количестве. Голубое небо, например, обязано своим цветом рассеянию сине-фиолетовой части солнечного света на мельчайших капельках воды, составляющих атмосферную дымку. А поскольку отражение света от поверхности каждой капельки носит характер зеркального отражения от неметаллической поверхности, то свет, идущий от неба, оказывается линейно-поляризованным. Следовательно, выбрав соответствующее направление съемки, можно при помощи поляризационного светофильтра сделать голубое небо значительно темнее, не оказывая влияния на воспроизведение остальных деталей пейзажа. Максимальный эффект применения фильтра достигается в том случае, когда солнце находится под углом около 90 градусов к направлению съемки, а плоскость поляризации фильтра установлена в горизонтальное положение.

Явление поляризации света имеет большое практическое применение

В машиностроении и строительной индустрии явление поляризации света используют для исследования напряжений, возникающих в узлах машин и строительных конструкций. В фотографии поляризационные светофильтры применяются для гашения бликов, возникающих при зеркальном отражении света от фотографируемых объектов. Используя явление поляризации, можно плавно регулировать интенсивность светового излучения. Для этого перед источником света ставят поляризатор и анализатор, относительным поворотом которых достигают необходимого эффекта.

Слайд 1                                                    слайд 2

Используя имеющееся оборудование у вас на столах найдите среди источников света в классе те которые излучают естественный свет и те, которые излучают поляризованный свет. ( практическое задание)

-естественный свет (лампы дневного света, экран телевизора с электроннолучевой трубкой)

- поляризованный свет ( жидкокристаллический монитор, экраны телефонов)

- поляризованный свет может оказывать влияние на живые организмы и в частности на организм человека. О чем сейчас нам расскажет тот, кто серьезно занимался дома этой проблемой.

Следует выступление одного из учеников. Текст приводится ниже.

Общее отсутствие понимания экологических проблем привело к загрязнению основных жизненно важных элементов – воздуха , воды и продуктов питания. Стало очевидно, что мы недооцениваем роль этих основных источников жизни, и поэтому ухудшается состояние здоровья людей.

В  последнее время мы осознали, что дышим загрязненным воздухом, питаемся недоброкачественными продуктами и пьём неочищенную воду. Один из важнейших источников- свет- был , тем не менее обойден вниманием. И недостаточное питание и недостаточное количество света одинаково вредны для нашего здоровья. Если свет – важный для жизни источник, то представляется логичным, что слабое или недостаточное освещение существенно влияет на каждый организм. Сто процентов тела человека состоит из клеток, точнее сказать из 60 – 80 млрд. клеток . В этой огромной массе клеток постоянно происходят разнообразные сложные биохимические и биофизические процессы. Чтобы система оставалась дееспособной ей требуется постоянный приток энергии.

Применение поляризованного света в медицине началось в конце XX века. В середине 80-х годов появились физиотерапевтические аппараты, излучающие видимый поляризованный некогерентный низкоэнергетический (Пайлер) свет. Наиболее эффективными среди них, благодаря своим физико-техническим характеристикам, оказались аппараты Биоптрон (ЭВОЛАЙТ, БИОНИК, Биоптрон-1-компакт, БИОПТРОН-3, Биоптрон-про, Биоптрон-2). Они излучают линейно-поляризованный (95%) свет с длиной волны 80-3400 нм (видимый спектр). Преобразованный поляризацией световой поток не содержит ультрафиолетовых и значительной части инфракрасных лучей. Важной особенностью поляризованного света является его десинхронизация во времени и пространстве (некогерентность), а также очень низкая (неповреждающая) интенсивность потока энергии (40 мВт/см2). Такой поток электромагнитных волн (Пайлер / PILER — Polarized Polychromatic Incoherent Low-Energy Radiation) не нарушает сложных биохимических процессов внутри клеток, органов и тканей и не вызывает сбоев в работе нервной, эндокринной и иммунной систем. Обеспечивается прямая доставка квантов энергии непосредственно к органеллам клетки, расположенной на коже или слизистых, а также к форменным элементам крови, проходящей в кожных капиллярах. Развивается комплекс биофизических ответных реакций, общим итогом которых является многоуровневая оптимизация клеточной функции. Отсутствие побочных неблагоприятных эффектов сводит к минимуму противопоказания и опасность передозировки. С помощью Пайлер-света лечат повреждения покровных тканей (травмы, ожоги, аллергии, воспаления) и нарушения функций (иммунной системы) опосредованно через неинвазивное восстановление функции форменных элементов крови. Имеются обнадеживающие клинические результаты применения Пайлер-света в лечении пациентов с неврологическими, стоматологическими, урологическими, гинекологическими и другими заболеваниями . В последнее время доказана возможность активации точек акупунктуры и накоплен опыт успешного лечения болевых синдромов путем воздействия на противоболевые точки акупунктуры .

_ СЛОВО УЧИТЕЛЯ

Единственное о чем нам забыл рассказать докладчик, так это то, что время проведения физиотерапевтических процедур с поляризованным светом составляет 1-10 минут. Вы сейчас смогли узнать какие из ваших любимых гаджетов излучают поляризованный свет и , надеюсь, задумаетесь о том стоит ли продолжительное время работать с такими источниками неестественного света

5. Подведение итогов.( фронтальная беседа)

• Итак, что нового вы узнали на уроке?
• Пригодятся ли полученные знания вам в жизни?