урок дисперсия, скорость света, интерференция
план-конспект урока по физике (11 класс) на тему

ЗАНЯТИЕ № 51,  4.04.2017

Тема: «Дисперсия света. Скорость света. Интерференция.

              Излучение, спектры»

 Цель занятия:

 - обучающая: 

- раскрыть понятие дисперсии света (зависимость показателя преломления от частоты колебаний); изучить преломление лучей различной цветности и структуру белого света, уяснить сущность спектра;

- дать представление о скорости света, как одной из фундаментальных постоянных;

- объяснить волновые свойства света на явлениях интерференции;

 - развивающая:

-  развивать мышление через раскрытие  аналогии между механическими и электромагнитными  колебаниями, световыми и радиоволнами.

 - воспитательная: научиться использовать знания о дисперсии и интерференции в практической деятельности моряка.

Формируемые компетенции: коммуникативная, математическая; владение основными понятиями и законами физики.

Тип занятия: комбинированное занятие.

Вид занятия: лекция.

 Оборудование: оптическая скамья, призма, экран, источник света.

 Литература: Физика,11класс. Кабардин О.Ф., Глазунов АТ., Малинин А.Н. и другие. М., Просвещение, 2001 г.

План занятия:

 – этап организационный;

 – этап актуализации базовых знаний;

 – этап изучения новых знаний и способов деятельности:

- понятие дисперсии света;

- структура белого света;

- зависимость показателя преломления лучей света от их цветности;

- дисперсионный спектр;

- скорость света, диапазон оптического излучения;

- интерференция;

- условия максимумов и минимумов при интерференции;

-применение интерференции;

 – этап первичной проверки понимания изученного;

 – этап закрепления изученного;

 –  этап применения изученного;

 – этап обобщения и систематизации;

 – этап информирования о домашнем задании;

 – этап подведения итогов учебного занятия.

Организационный этап:

        - сообщаю оценки за самостоятельную работу по геометрической оптике и результаты аттестации за 3 четверть; напоминаю график консультаций и некоторые детали решаемых там проблем.

Этап актуализации базовых знаний:

После фронтального опроса по законам геометрической оптики вспоминаем о

- модели света в виде светового пучка,  принятой в геометрической оптике;

- физической величине, характеризующей оптические свойства среды (показателе преломления среды абсолютном и относительном).

Уточняем, что в геометрической оптике этот показатель определялся по внешним признакам прохождения света в среде. Одной из наших задач будет являться придача ему физического смысла и уяснение его сущности. Главная же наша задача – изучение еще одной модели света и описываемых при помощи этой модели явлений природы.

Этап изучения новых знаний и форм деятельности.

Мотивация. Мы переходим к изучению следующей разновидности науки о свете -  волновой оптики.

Волновая оптика описывает свет как электромагнитную волну (автор модели голландский ученый Х.Гюйгенс).

Зачем оптика механику и электромеханику?  Да хотя бы для того, чтобы при помощи оптических моделей понять поведение гораздо более интересных для моряка морских волн и волн электромагнитных, обеспечивающих радиосвязь судну.      

Солнечный свет имеет много тайн. Одна из них – явление дисперсии. Первым его обнаружил великий английский физик  Исаак Ньютон в 1666 году, занимаясь усовершенствованием телескопа – вокруг изображения в телескопе присутствовал радужный ореол и Ньютон задумался над его происхождением. На правильную мысль его навел самый обыденный случай: в отверстие в шторе плотно закрытого окна в его комнату попал узкий луч света. Пройдя через случайно оказавшуюся на его пути вазу с водой, он дал на противоположной стене радужное пятно. Впоследствии Ньютон усовершенствовал опыт, направив пучок света на треугольную призму (изображение на обложке учебника и в окуляре спектроскопа). Ньютон пришел к выводу, что белый свет  состоит из  красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего, фиолетового  цветов – такое разложение света впоследствии стало  называться  спектром. 

Само наблюдаемое явление получило название дисперсии.

Проведем аналогию с движением транспорта. Если машина выезжает с асфальта на обочину под острым углом к границе дороги, в каком случае занос будет больше, на большой скорости или на маленькой?  (На большой). В случае световой волны роль скорости играет частота распространения световых волн. Лучи света с большей частотой сильнее задерживаются средой и сильнее преломляются.

Дисперсией называется зависимость показателя преломления среды от частоты колебаний (или длины волны)

     n = с / V,         где с – скорость света в вакууме, V – скорость света в среде. 

Проверка понимания:  у какого цвета – фиолетового или красного показатель преломления больше? А у какого цвета больше скорость в среде?

Одной из первых проблем, связанных со светом, было определение скорости его распространения. Впервые это было сделано в 1676 г. астрономом Олафом Ремером при наблюдении за спутником Юпитера Ио. На Земле опыт по определению скорости света был впервые поставлен спустя 200 лет французом Физо . впоследствии другие ученые продолжали уточнять значение этой величины и пришли к выводу о том, что скорость света – это величина постоянная и равная 299793 км/с.

с = 299793 м/с

Задание: прочитать в учебнике § 31,   эти способы определения скорости света и объяснить их.

        Самое главное предположение, касающееся скорости света , было сделано Эйнштейном: скорость распространения света в вакууме является фундаментальной константой. Это означает то, что данная константа определяет свойства нашей Вселенной. Ее нельзя определить через другие константы, а можно только измерить опытным путем.

        Волновая теория  позволила рассчитать частоты и длины волн оптической части диапазона электромагнитных волн.  Длина волны λ, частота ν и скорость света с связаны следующим соотношением:

                                                с = λν

Световое, воспринимаемое глазом излучение занимает узкий диапазон длин волн между 8 * 10-7 м и 4 * 10-7 м. Этим длинам волн соответствуют частоты от 3,75 * 1014  Гц до 7,5 * 1014 Гц. Видимый свет располагается на шкале электромагнитных излучений между инфракрасным и ультрафиолетовым излучением. Каждому цвету соответствует своя длина  и частота волны, такой одноцветный свет называется монохроматическим светом.

Для лучей света различной цветности показатели преломления данного вещества различны: вследствие этого при отклонении призмой пучок белого света разлагается в спектр.

Получим дисперсионный спектр при помощи оптической скамьи. Закрывая отверстие источника света различными фильтрами, можно менять окраску падающего на призму луча. На экране будет  наблюдаться пятно, окраска которого соответствует окраске падающего луча.

Задача: Определить ширину частотного белого света, если длина волны красного света 800 нм, а фиолетового = 300 нм.

Вопрос: какой цвет образуется при сложении красного и желтого цветов?  (оранжевый).

То есть световые колебания могут, сложившись, создать новое колебание, новый  более яркий  цвет. Опыт на оптической скамье. Но не всегда при сложении двух колебаний происходит усиление света. При некоторых условиях происходит и его ослабление. При этом наблюдается стабильное распределение освещенных и затемненных участков пространства.

В морской практике встречается выражение «девятый вал». При посещении моря в шторм можно наблюдать периодическое усиление и ослабление набегающих на берег волн. Это связано со сложением двух или нескольких волн, в случае берега – прямой и отраженной от него волны. Понимание этого процесса поможет выбрать правильный момент для прыжка в воду или для выхода из воды на берег, для перемещения в экстремальной обстановке по палубе судна.

Сложение в пространстве двух или нескольких волн, при котором образуется постоянное во времени распределение амплитуды результирующих колебаний, называется интерференцией.

Для получения четкой интерференционной картины требуется сложение  волн, равных или кратных по частоте и согласованных по фазе, то есть когерентных волн. Свет от одного источника делится на два тонких пучка. Самый простой способ для этого предложил Т.Юнг в 1802 г. Он направил свет на ширму с двумя близко расположенными отверстиями. На экране за ширмой наблюдалась интерференционная картина. (см. цветную вкладку учебника). Освещенные места называются максимумами освещенности, темные – минимумами. У каждого максимума и минимума есть свой порядок. Центральный максимум имеет нулевой порядок :   k = 0  .

Затем идет минимум нулевого порядка, потом максимум первого и так далее. Рассмотрим условия, при которых на экране получаются максимумы и минимумы освещенности.

                                                                                                                 Таблица 1.

Задача: два источника когерентного излучения с длиной волны 4*10-7 м  находятся соответственно на расстоянии 2 и 6 см от точки наблюдения. Что будет наблюдаться в точке – максимум или минимум интерференции?

Интерференцию легко пронаблюдать вокруг нас.

Задание: приведите примеры наблюдения  интерференционных колец или полос (радужные разводы на оптическом диске, на нефтяной пленке).

 Все мы наблюдали такие кольца на бензиновой пленке. Но где же на этой пленке могли взяться когерентные источники света? Оказывается, дело в том, что сам падающий на пленку луч делится на две части – отраженную от верхней стороны пленки и преломленную и отраженную от нижней стороны пленки. Естественно, оба луча имеют одну природу и когерентны. При сложении эти лучи дают интерференционную картину.

Применение этого явления:  измерение толщины пленки по цвету и расположению колец; просветление оптики.

При прохождении света через оптические приборы часть света отражается от внешних их поверхностей и теряется для зрения. Если покрыть поверхность линзы тонкой пленкой, то свет будет отражаться и от верхней и от нижней стороны пленки. Если подобрать толщину пленки таким образом, чтобы при сложении этих двух лучей образовался минимум, то вся лучистая энергия останется в теле линзы и используется для дальнейшего сохранения интенсивности света. Ведь при интерференции свет не исчезает, а перераспределяется в пространстве. Толщину пленки подбирают таким образом, чтобы максимально ослаблялся средний световой диапазон, то есть зеленый свет. Фиолетовый и красный цвета ослабляются меньше, поэтому у объективов фотоаппаратов фиолетовый оттенок.  

Этап обобщения и систематизации

1.Белый свет имеет сложную структуру, призма разлагает белый свет на составные части.

2.Наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, меньше других – красные.

3.Скорость красного света в среде больше скорости фиолетового; скорость лучей в веществе зависит от их цвета.

4.  Скорость  света в вакууме является фундаментальной константой и одинакова для всех цветов спектра.

5. При сложении двух когерентных волн наблюдается явление интерференции.

6. Разность хода двух волн должна равняться целому числу длин волн в максимуме интерференции.

Этап информирования о домашнем задании:

Прочитать §31, 32, 33. Выучить определения. Подготовиться к лабораторной работе  «Наблюдение явления интерференции».

Задача. Определить значение скоростей для красного и фиолетового, если длины волн соответственно равны 840 нм, и 300 нм. (n1=1,73;    n2=1,8)

Этап подведения итогов занятия.