Конспект уроку "Світло як електромагнітна хвиля. Дисперсія світла. Неперервний спектр світла. Спектроскоп."

Урок 37

Світло як електромагнітна хвиля. Дисперсія світла. Неперервний спектр світла. Спектроскоп.

Мета уроку:

Навчальна. Ознайомити учнів з механізмом утворення електромагнітних хвиль, дати поняття про дисперсію світла й її з погляду електромагнітної теорії.

Розвивальна. Розвивати предметну компетентність.

Виховна. Виховувати культуру наукового мислення.

Тип уроку: Урок засвоєння нових знань.

Обладнання: Навчальна презентація, комп’ютер.

Хід уроку

I. АКТУАЛІЗАЦІЯ ОПОРНИХ ЗНАНЬ ТА ВМІНЬ

Уже в I ст. н. е. було відомо, що під час проходження через прозорий монокристал формою шестикутної призми сонячне світло розкладається в кольорову смужку — спектр. Ще раніше, в IV ст. до н. е., давньогрецький учений Аристотель висунув свою теорію кольорів. Він вважав, що основним є сонячне (біле) світло, а всі інші кольори отримують із нього шляхом додавання різної кількості темного світла.

Що собою являє дисперсія світла? Зв’язок світлових та електромагнітних хвиль?

IІІ. ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Електромагнітна теорія світла

Електромагнітна теорія світла була створена в середині XIX століття Максвеллом (1831–1879). Відповідно до цієї теорії світлові хвилі мають електромагнітну природу, а світлове випромінювання можна розглядати як окремий випадок електромагнітних явищ.

Дослідження Герца й надалі П. М. Лебедєва також підтвердили, що всі основні властивості електромагнітних хвиль збігаються із властивостями хвиль.

Лоренц (1896) установив взаємозв’язок між випромінюванням і структурою речовини й розвинув електронну теорію світла, відповідно до якої електрони, що входять до складу атомів, можуть здійснювати коливання з відомим періодом і за певних умов поглинати або випромінювати світло.

Електромагнітна теорія Максвелла у сполученні з електронною теорією Лоренца пояснювала всі відомі тоді оптичні явища й, здавалося, повністю розкривала проблему природи світла.

2. Дисперсія світла

Таке уявлення про світло панувало в науці аж до XVII ст., незважаючи на те, що були проведені численні досліди з розкладання сонячного світла за допомогою скляних призм.

Досліджуючи природу кольорів, Ньютон придумав і виконав цілий комплекс різних оптичних експериментів. Зробивши невеликий отвір у ставні вікна затемненої кімнати, Ньютон поставив на шляху пучка променів, що проходили через цей отвір, скляну призму. На протилежній стіні він одержав зображення у вигляді смужки кольорів, що чергуються. Отриманий у такий спосіб спектр сонячного світла Ньютон розділив на сім кольорів веселки — червоний, жовтогарячий, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий. У наступних дослідах з дисперсії Ньютонові вдалося з’єднати кольорові промені в біле світло. У результаті своїх досліджень Ньютон, на відміну від Аристотеля, дійшов висновку, що в разі змішування «білизни й чорноти ніяких кольорів не виникає...». Всі кольори спектра містяться безпосередньо в сонячному світлі, а скляна призма лише розділяє їх, тому що скло по-різному заломлює різні кольори. Найбільш сильно заломлюються фіолетові промені, найслабше — червоні.

Дисперсія світла — це залежність швидкості світла в речовині від частоти світла, що проходить через неї.

Різним швидкостям поширення хвиль відповідають різні абсолютні показники заломлення середовища (n = c /v ).

Дисперсія світла — це залежність показника заломлення від частоти світлової хвилі.

З дослідів Ньютона випливає, що абсолютний показник заломлення зростає зі збільшенням частоти світла. З огляду на те, що довжина хвилі обернено пропорційна частоті ( λ = c / ν ), можна стверджувати, що абсолютний показник заломлення зменшується відповідно до збільшення довжини світлової хвилі. Крім того, звідси випливає, що в разі заданої частоти довжина хвилі більша в тому середовищі, де швидкість хвилі більша.

Досліди показали, що кольори визначають саме за допомогою частоти світлової хвилі, тому, наприклад, довжина хвилі червонного світла у воді менше, ніж у вакуумі (або повітрі). Так що висновок Юнга треба уточнити в такий спосіб:

кожний колір характеризується своєю частотою хвилі.

З часом учені встановили той факт, що, розглядаючи світло як хвилю, кожний колір слід співвідносити із певною довжиною хвилі. Дуже важливо, що ці довжини хвиль міняються безперервно, відповідаючи різним відтінкам кожного кольору.

3. Застосування явища дисперсії

Відкриття явища дисперсії дозволило пояснити утворення веселки й інших подібних метеорологічних явищ. Заломлення світла у водяних крапельках або крижаних кристаликах, що плавають в атмосфері, супроводжується завдяки дисперсії у воді або льоді розкладанням сонячного світла. Обчислюючи напрямок заломлення променів у випадку сферичних водяних крапель, ми одержуємо картину розподілу кольорових дуг, що точно відповідає спостережуваним у веселці. Аналогічно, розгляд заломлення світла в кристаликах льоду дозволяє пояснити явища кіл навколо Сонця й Місяця морозної пори року, утворення так званих помилкових сонць і т. ін.

Знаючи, що біле світло має складну структуру, можна пояснити дивне розмаїття фарб у природі. Покриваючи папір шаром, наприклад, червоної фарби, ми не створюємо при цьому світла нових кольорів, але затримуємо на аркуші деяку частину наявного. Відбиватися тепер будуть тільки червоні промені, інші ж поглине шар фарби. Трава й листя дерев здаються нам зеленими, тому що з усіх сонячних променів, які падають на них, вони відбивають лише зелені, поглинаючи інші. Якщо подивитися на траву через червоне скло, що пропускає лише червоні промені, то вона буде здаватися майже чорною.

4. Спектри світла

Електромагнітне випромінювання будь-якої природи може характеризуватися спектром коливань, на які можна розкласти його за довжиною хвилі або частотою. Залежно від характеру поширення електромагнітних хвиль оптичні спектри поділяють на спектри випромінювання, поглинання, розсіювання і відбиття.

Оптичні спектри випромінювання спостерігаються у джерел світла, які випускають фотони внаслідок збудження речовини під впливом зовнішнього чинника. Наприклад, розжарена вольфрамова нитка електричної лампи випромінює світло внаслідок її нагрівання при проходженні по ній електричного струму. Останні три види спектрів спостерігаються в разі проходження випромінювання крізь речовину, внаслідок чого відбувається його поглинання, розсіювання і відбивання залежно від властивостей і довжини хвилі або її частоти.

Оптичні спектри поглинання, розсіювання і відбивання характеризують властивості речовини

Оптичні спектри спостерігають візуально за допомогою спектральних приладів і фіксують, як правило, фотографічним способом або за допомогою фотоелементів. Спектри можуть бути (мал. 1):

а) суцільними,  що  охоплюють  широкий діапазон довжин хвиль;

б) лінійчастими, що складаються з окремих спектральних ліній певної довжини хвилі X;

 в) смугастими — набір окремих смуг, що належать певному інтервалу довжин хвиль.

Мал. 1. Види оптичних спектрів: а – суцільний; б – лінійчастий випромінювання; в – лінійчастий поглинання; г – смугастий

Суцільний оптичний спектр спостерігається за умови термодинамічної рівноваги речовини і випромінювання за даної температури. Проте в реальних умовах досягти такого стану практично неможливо, тому найчастіше одночасно спостерігають різні види спектрів. Так, за звичайних умов сонячне світло бачать у спектроскопі у вигляді суцільного спектра з темними лініями поглинання.

Механізм утворення суцільних оптичних спектрів пояснює класична електродинаміка. За її тлумаченням поглинуте електромагнітне випромінювання збуджує в речовині хвилі, частота яких відповідає частоті падаючого світла.

Проте класична фізика виявилася безпорадною у поясненні лінійчастих і смугастих спектрів випромінювання і поглинання світла атомами і молекулами. їхню природу можна зрозуміти лише на основі квантових постулатів Бора та інтерпретації квантових переходів між рівнями енергії в атомах і молекулах.

5. Спектроскоп

Для вивчення спектрів спочатку ознайомимося з приладом для їх дослідження.

Для точного одержання та дослідження спектрів використовують спектральні апарати – прилади, які дають чіткий спектр, тобто прилади, які добре розділяють хвилі різної довжини і не допускають перекривання окремих ділянок спектра. Найпростіші спектральні апарати вам уже знайомі – це призма та дифракційна гратка.

Точнішими є спектроскоп та спектрограф, які у принципі роботи використовують властивість гратки чи призми розкла дати світло у спектр.

Мал. 2. Спектроскоп

Спектроскопом називається прилад, за допомогою якого візуально досліджується спектральний склад світла, що випромінюється деяким джерелом.

Мал. 3. Принцип роботи спектроскопа

Принцип роботи спектроскопа: в коліматорі є щілина (Мал. 3), куди попадає світло пучком падає на лінзу. Світло із лінзи виходить паралельним пучком, дальше попадає на призму. Звідки виходять паралельні пучки різного напрямку, хвилі різного кольору. Пучки заломившись в лінзі утворюють в фокальній площині зображення щілин.

ІV. ЗАКРІПЛЕННЯ НОВИХ ЗНАНЬ І ВМІНЬ

1. Зв’язок електромагнітної хвилі з світловою?
2. Як можна спостерігати явище дисперсії світла?
3. Де можна використати дисперсію світла?
4. Які спектри ми можемо спостерігати?
5. За яких умов можна отримати суцільний спектр?
6. Чи можливо отримати суцільний спектр в реальних умовах?
7. Для чого використовують спектроскоп?
8. Чи спостерігається дисперсія світла під час проходження через вакуум?
9. Чим пояснюється розкладання білого світла на кольорові пучки?

V. ПІДБИТТЯ ПІДСУМКІВ УРОКУ

Бесіда за питаннями

1. Одним із недоліків перших телескопів Галілея було райдужне забарвлення країв зображень. Поясніть це явище.
2. Яким ви побачите білий аркуш паперу, якщо освітити його червоним світлом? Чи зміниться відповідь, якщо взяти аркуш кольорового пареру?

Роз’вязування задач

1. Вода освітлена за допомогою фільтра зеленим світлом з довжиною хвилі 500нм. Якою буде довжина хвилі у воді? Який колір побачить людина, яка розплющила очі під водою?
2. Яка довжина хвилі жовтого світла пар натрію в склі з показником заломлення 1,56? Довжина хвилі цього світла в повітрі дорівнює 589 нм.

VI. Домашнє завдання

Опрацювати § 43, Вправа № 33 (1 – 3)