Открытый урок в 9 классе: «Дисперсия света»
опыты и эксперименты по физике

Учитель физики МОУ СОШ №1 г.Дубовки

Янушевская Наталья Анатольевна

Открытый урок в 11 классе: «Дисперсия света»

Цель: изучить понятия: волновая оптика, спектр, монохроматический свет, дисперсия; объяснять окраски предметов.

Метод: объяснительно-иллюстративный, исследование.

Ход урока:

1. Организационный момент.
2. Систематизация знаний по теме «Геометрическая оптика»:

1. Закон прямолинейного распространения света в однородной среде.
2. Обратимость световых лучей
3. Скорость света в вакууме с=3·108м/с
4. Закон отражения  света
5. Закон преломления света:

Слайд 2-3.

На слайдах мы видим проявление законов отражения и законов преломления в цвете. Может ли геометрическая оптика ответить на вопрос: откуда появляются те или иные цвета и что такое цвет?

  Нет. Для этого необходимо изучить строение световых волн. А эти вопросы рассматриваются в разделе «Волновая оптика».

Слайд 4.

(«Волновая оптика» и её основные вопросы)

Слайд 5.

 Сегодня на уроке мы рассмотрим свойство «дисперсия».

Запишите тему урока:

3. Объяснение нового материала:

    Обратимся к экспериментальным данным. Ещё в 1605г. английский учёный Томас Харриот, изучая  преломление света в жидкостях, обнаружил, что показатель преломления одного и того же вещества  для  красных лучей один, а для зелёных лучей другой. Это означает, что скорость световых волн разного цвета в веществе различна.

    В настоящее время известно, что цвет, видимый глазом, определяется частотой световой волны. Поэтому открытие Харриота можно рассматривать как обнаружение зависимости показателя преломления вещества от частоты света.

  Сам Харриот о своём открытии умолчал, и о его исследовании узнали значительно позже. В 1611г. Аналогичное явление, только не в жидкостях, а в стекле, обнаружил итальянский учёный Марк Антоний Доминис. И хотя его результаты были опубликованы, широкого распространения они не получили, а сам Доминис через 13 лет умер в тюрьме инквизиции.

       В 1648г. дисперсия света была переоткрыта чешским учёным Я.М.Марци. Однако и на этот раз никто не обратил на это внимания.

    И лишь когда соответствующие  опыты были проведены Исааком Ньютоном в 1666г., мир наконец узнал о новом явлении.

   В начале 1666г. Ньютон был занят шлифовкой оптических стёкол несферической формы и решил испытать с помощью треугольной стеклянной призмы прославленное явление цветов.

Слайд 6-8.

  «Сначала вид ярких и живых красок, получавшихся при этом, приятно развлёк меня. – вспоминал впоследствии Ньютон. – Но через некоторое время, заставив  себя присмотреться к ним более внимательно, я был удивлён их продолговатой формой…»

    Наблюдаемая картина получила название призматического  или дисперсионного спектра.

До Ньютона белый (солнечный) свет считался простым, а различные цвета – его изменениями, появляющимися в результате взаимодействия света с «темнотой» или каким-либо веществом. Ньютон же, по словам современников, высказал «странную и необычную» гипотезу: «Мы должны различать два рода цветов: одни первоначальные и простые, другие же сложённые из них». Некоторые из простых лучей, по Ньютону, «способны производить красный цвет и никакого другого, другие – жёлтый и никакого другого и т.д.

    Свои окончательные выводы Ньютон сформулировал в виде нескольких теорем. Первые из них гласят:

«Теорема I. Лучи, отличающиеся по цвету, отличаются и по степени преломляемости»

«Теорема II. Солнечный свет состоит из лучей различной преломляемости»

   Итак, белый свет, по Ньютону, не является простым. Он имеет сложный состав и может быть разложен в спектр с помощью стеклянной призмы.

   Рецензию на работу Ньютона было поручено сделать Роберту Гуку. Просидев над отзывам несколько часов подряд, Гук в своей рецензии выдвинул столь сильное возражение против ньютоновской  теории, что Ньютону для обдумывания своего ответа потребовалось полгода. (По мнению Гука, утверждение о том, что в белом свете содержатся лучи всех цветов, равносильно утверждению о том, что в воздухе, заключённом в органных мехах, содержатся сразу все звуковые тона. Иными словами, это то же самое, что говорить о том, что шум есть совокупность правильных музыкальных звуков.)

    В своём ответе на рецензию Гука Ньютон ушёл от рассматриваемой проблемы и сосредоточил внимание на слабых местах теории самого Гука.

    Однако вслед за возражениями Гука последовала критика со стороны Гюйгенса. «Если бы то, что лучи света в их первоначальном состоянии были некоторые красными, некоторые синими и так далее, было правдой, - писал он, - то было бы очень трудно объяснить на механических принципах, в чём  же состоит это различие цветов».

    Гюйгенс оказался очень прозорлив – объяснение этого излучения появилось лишь в  XIX в., когда было установлено, что излучения различных цветов отличаются частотой колебаний.

Слайд 9.

В самом деле, если с помощью второй призмы, перевернутой на 180 градусов относительно первой, собрать все пучки спектра, то опять получится белый цвет.

Слайд 10-12

Электромагнитное излучение одной определённой и строго постоянной частоты называется монохроматическим.

(На практике содержит узкий участок спектра)

-Дайте определение понятий «видимое излучение», «спектр», «цвет», «дисперсия».

Цвет – свойство тела вызывать определённое зрительное ощущение в соответствии со спектральным составом отражаемого или испускаемого излучения.

Спектр – совокупность гармонических колебаний (или волн), создаваемых каким-либо источником.

Видимое излучение – электромагнитное излучение с длиной волны от 380 до 780 нм.

Дисперсия – это разложение белого света на семь цветов.

Слайд 13.

Вывод:

1. Призма не изменяет свет, а лишь раскладывает его  на составные части.
2. Белый свет состоит из цветных лучей.
3. Фиолетовые лучи преломляются сильнее красных.

Почему?

Рассуждения выносятся на доску:

Классическая электромагнитная теория дисперсии была создана в конце XIX в Х.А.Лоренцом. Согласно электромагнитной теории дисперсия света является результатом взаимодействия световой волны с молекулами вещества. Когда световая волна проникает в вещество, под действием электрического поля этой волны электроны молекул начинают совершать вынужденные колебания. Частота этих колебаний совпадает с частотой волны, а амплитуда зависит от соотношения между данной частотой и собственной частотой колебаний электрона. При разной частоте света амплитуда вынужденных колебаний электронов, а также степень поляризации вещества также различны. Различной при этом оказывается и диэлектрическая проницаемость вещества . Но скорость света , а показатель преломления  

Поэтому если  зависит от частоты света, то зависимостью от частоты будут обладать  и  с .

   Скорость света в вакууме равна    с=3·108м/с. Но свет бывает разным: жёлтым, красным, зелёным и т.д. В вакууме лучи всех цветов распространяются с одной и той же скоростью. Заключение о том, что и в веществе лучи разного цвета распространяются с разной скоростью докажем на практике.

 Обратим внимание на формулу:     .

Следовательно,  (опираемся на формулу из лабораторной работы по определению показателя преломления стекла).

Необходимо определить скорость распространения монохроматических лучей в призме:

Выполнение исследовательской работы:

Учитель создаёт 7 групп. Каждой группе даёт светофильтры: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый. Каждая группа должна определить скорость распространения монохроматического света в стекле и результат вынести в таблицу, расположенную на классной доске для анализа полученного результата исследовательской работы.

(Нельзя забывать, что скорость не должна превышать скорость света в вакууме)

 «Исследование зависимости скорости монохроматического света в призме»

Цель работы: исследовать свойства монохроматического света.

Оборудование: металлическая пластина,  источник света, соединительные провода, выпрямитель ВУ-4М, треугольная призма (или  пластина с параллельными гранями), экран с щелью, световые фильтры, коврик, чистый лист бумаги, булавки, линейка, карандаш,

Ход работы

1. На металлической пластине поместите экран с щелью, треугольную призму на листе чистой бумаги и на коврике, источник света, подключенный к источнику питания.
2. К экрану с щелью прикрепите светофильтр, чтобы свет от источника питания проходил через него.
3. Далее приступайте к настройке оптической схемы. Включите источник питания и добейтесь того, чтобы через щель со светофильтром проходил узкий луч монохроматического света и падал на треугольную призму.
4. С помощью булавок зафиксируйте точку падения луча на границе двух сред, падающий луч и преломлённый луч.
5. Выполните чертёж для определения скорости света в стекле и сделайте соответствующие измерения  и .
6. Вычислите скорость распространения монохроматического света в стекле.
7. Занесите полученный результат в таблицу на классной доске.

Сделайте вывод.

Слайд 14.

Вывод:

 Красный свет, который меньше преломляется, имеет наибольшую скорость, а фиолетовый – наименьшую, поэтому призма и раскладывает свет.

Почему?

Рассуждения выносятся на доску:

Значит показатель преломления зависит от длины волны (от частоты).

Слайд 15.

Вывод: Показатель преломления зависит от длины волны  электромагнитного излучения. →  Зависимость показателя преломления света от его длины волны называется дисперсией.

Определение:  Зависимость скорости света в веществе (или показателя преломления) от частоты волны ( или цвета)  называется дисперсией света.

Слайд 16

Первичная проверка понимания:

• Что называют дисперсией света?
• Какой свет называют монохроматическим?
• Какой свет будет распространяться в веществе призмы (из стекла) с большей скоростью?
• Что произойдет при соединении световых лучей спектра?
• Чем объяснить белый цвет снега, черный цвет сажи, зеленый цвет листьев, красный цвет флага?

От чего зависит цветность световых волн? От частоты (только частота не изменяется при переходе из одной прозрачной среды в другую и цвет тоже не изменяется)

Объяснение цветности:

    Особенно значительной становится амплитуда колебаний электронов в веществе при v≈v0. В этом случае наблюдается резонансное поглощение энергии и излучения соответствующих частот из падающего света «выпадают» (поглощаются).

У молекул бесцветного прозрачного вещества, например стекла, наиболее существенные резонансные частоты лежат в ультрафиолетовой области. Поэтому обычное стекло хорошо пропускает видимый свет и поглощает ультрафиолетовый.

У цветных стекол резонансы имеются и в видимом диапазоне частот. Из-за этого часть проходящего света поглощается и остается лишь тот, который и придает цвет стеклу. Например, глядя на лампу накаливания через синий светофильтр, мы увидим ее синей потому, что синий светофильтр из всей совокупности излучений лампы пропускает только синие, фиолетовые и голубые лучи, а остальные поглощает.

Цвет непрозрачных предметов определяется тем светом, который они диффузно (рассеянно) отражают. Так, например, предмет, поглощающий все лучи, кроме зеленых, отражая последние, приобретает зеленый цвет. Если же поверхность какого-то предмета одинаково хорошо отражает лучи всех цветов спектра, то она будет казаться белой. Белые поверхности характеризуются значительным коэффициентом отражения. Причем, чем больший коэффициент отражения имеет белая поверхность, тем более светлой она кажется. Очень светлым поэтому выглядит белый порошок оксида магния (коэффициент отражения 96%). Свежевыпавший снег отражает 85% падающего светового потока, белая бумага — 75%.

«Черных лучей» в природе не существует. Предмет нам кажется черным в том случае, когда он поглощает почти весь падающий на него свет, одинаково плохо отражая лучи всех цветов. Например, коэффициент отражения черного бархата составляет всего лишь 0,3%.

Вообще все цвета, встречающиеся в природе, делят на ахроматические и хроматические. К ахроматическим цветам относятся белый, черный и серый цвета.

     К хроматическим относятся спектральные цвета (от красного до фиолетового), пурпурные (малиновый, вишнёвый и сиреневый) и все остальные (коричневый, салатный и т.д.), получившиеся в результате смешения различных цветов между собой. Пурпурные цвета возникают при смешении в разной пропорции красных и фиолетовых или синих цветов.

Красный, зеленый и синий цвета являются взаимно независимыми. Это означает, что каждый из них не может быть получен в результате смешения двух других. Направив на белый экран три пучка света, пропущенные соответственно через красный, зеленый и синий светофильтры, в месте их пересечения можно получить белый цвет. Правда, он получится лишь при одном совершенно определенном соотношении яркостей складывающихся световых пучков. Изменяя это соотношение, в результате смешения красного, зеленого и синего цветов можно получить практически любой другой хроматический цвет.

Слайд 17

Объяснение на основе свойства дисперсии света природного явления «Радуга»

4. Закрепление:

Слайд 18

Закрепление полученных на уроке знаний:

Тест по теме «Дисперсия света»

Слайд 19

• Самопроверка
• Самоанализ (рефлексия)

5. Домашнее задание:

Слайд 20.

Домашнее задание:

• Параграф 37 (учебник под редакцией А.А.Пинского)
• Рымкевич №1081,1083,1084
• Творческое задание: «Применение дисперсии света.»

Список используемой литературы:

1. Рымкевич А.П., « Задачник» для 10 – 11 классов, Москва, издательство «Дрофа», 2006
2. Громов С.В.,  «Физика – 11», Москва, издательство «Просвещение», 2009  
3. Мякишев Г.Я., «Физика – 11», Москва, издательство «Дрофа», 2006
4. Пинский А.А., «Физика – 11», Москва, издательство «Просвещение», 2009
5. Тарасов Л.В., Тарасова А.Н. «Беседы о преломлении света» /под ред. В.А. Фабриканта, изд. «Наука», 1982.
6.    Гершензон Е.М., Малов Н.Н., Мансуров А.Н. «Курс общей физики» М. «Просвещение»,1992.
7. Королев Ф.А. «Курс физики» М., «Просвещение», 1974.