РОЗРОБКА УРОКУ

за темою:


" Узагальнення і систематизація знань з розділу «Оптика». Фізична природа корпускулярно-хвильового дуалізму світла."

(11 клас)
 

Додаткові матеріали до розробки уроку за темою: " Узагальнення і систематизація знань з розділу «Оптика». Фізична природа корпускулярно-хвильового дуалізму світла."

1. Презентація до уроку.
   https://bit.ly/3JAyJ1C

2. Анімаційне відео.
   https://bit.ly/37SEl9J

КОНСПЕКТ УРОКУ

Тема уроку: Узагальнення і систематизація знань з розділу «Оптика». Фізична природа корпускулярно-хвильового дуалізму світла.

Мета уроку:

Навчальна: Узагальнити та систематизувати знання учнів з хвильової та квантової оптики, розглянути боротьбу наукових концепцій та еволюцію поглядів на природу світла. Використовуючи дослідницькі методи, критично проаналізувати сучасні погляди на природу світла, спробувати знайти оптико-механічні аналогії.
Розвиваюча: розвивати пізнавальні і дослідницькі  здібності учнів, їх критичне мислення, творчий підхід до навчання як засіб підтримки стійкого інтересу до фізики;
Виховна: виховувати інтерес до пізнання оточуючого світу, уважність, зібраність, спостережливість.

Прогнозований розвиток ключових компетентностей: 01-спілкування державною мовою, 03-математична грамотність, 04-компетентність в природничих науках і технологіях, 06 - уміння вчитися впродовж життя, 09 – загальнокультурна грамотність.

Тип уроку:  урок узагальнення і систематизації знань, урок-лекція.
 

Наочність і обладнання: навчальна презентація, комп’ютер, підручник, картка-форма для дослідницької діяльності.

Очікувані результати:  узагальнення і систематизації знань з розділу "Оптика", критичний аналіз сучасних поглядів на природу світла, спроба власних досліджень, висування гіпотез шляхом пошуку оптико-механічних аналогій.

Стислий опис (анотація) уроку: Даний урок розглядається як робота над розв'язанням педагогічної проблеми, над якою працює автор – "Розвиток критичного мислення учнів шляхом залучення їх до наукових досліджень на уроках фізики". Оновлення змісту освіти вимагає від сучасного уроку фізики існування ознак інноваційності, науковості, елементів STEM-освіти, технологічності, інтерактивності, коворкінгу. Такий підхід дозволяє сформувати в учнів інтерес до досліджень в галузі фізики, вибору в майбутньому професійної кар'єри науковця чи інноватора. Урок узагальнення і систематизації знань – один з небагатьох типів уроків, де можна реалізувати вищезазначені вимоги в умовах традиційної класно-урочної системи. Наприкінці вивчення розділу "Оптика" учні ознайомлені з тим, що світло – це і електромагнітна хвиля, і частинка (фотон) одночасно. Однак власний досвід викладання даного розділу показує, що при цьому учні мають значні труднощі з модельним представленням такого "симбіозу" хвилі і частинки. Більше того, сучасна теоретична фізика теж не може похвалитися глибинним розумінням фізичної природи корпускулярно-хвильового дуалізму. Ця суперечлива недосконалість в поглядах на світло дає простір для дослідницької діяльності учнів. Урок структурований за принципом:  повторення і узагальнення існуючих на сьогодні і вже вивчених раніше учнями впродовж розділу парадигм у питанні природи світла, виявлення їх недоліків шляхом критичного аналізу та дослідницької діяльності по пошуку оптико-механічних аналогій, які "проливають світло" на реально існуючий механізм випромінювання, поширення та поглинання світла.

ХІД УРОКУ.

І. ОРГАНІЗАЦІЙНИЙ ЕТАП. (1 хв.)

Поділ класу на групи по 4 учні, роздача карток-форм для дослідницької діяльності.

II. ПОВТОРЕННЯ І УЗАГАЛЬНЕННЯ ОПОРНИХ ПОНЯТЬ. (25 хв)
(лекція, бесіда - орієнтовний текст нижче)

Доброго дня всім присутнім!

Наше заняття сьогодні я розглядаю як можливість доторкнутися до багатьох загадок оптики та відчути себе науковцями і дослідниками. Ми розглянемо багато речей, про які не пишуть в підручниках з фізики, а ті факти, які ви вже знаєте, - спробуємо критично переосмислити та інтерпретувати з позицій класичної фізики та модельних уявлень. (СЛАЙД 1)Тема нашого уроку - «Узагальнення і систематизація знань з розділу «Оптика». Фізична природа корпускулярно-хвильового дуалізму світла».

Сподіваюсь, що ви виконали моє домашнє завдання і повторили все, що вивчили до цього про світло. Пропоную провести експрес-опитування за такими питаннями:

1. Що називають електромагнітною хвилею? У діапазоні яких довжин хвиль перебуває видиме світло?

2. Що називають дисперсією світла? Хто вперше теоретично пояснив явище дисперсії?

3.Що називається явищем інтерференції світлових хвиль? Які хвилі можуть зазнавати інтерференції? Які хвилі називаються когерентними?

4. Що називається явищем дифракції? Хто запропонував прийняту на сьогодні теорію явища дифракції? При якій умові закони геометричної оптики є частинним випадком хвильової оптики?

5. Що називається поляризацією світла? Чому природне світло не є поляризованим?

Дякую всім за відповіді. То ж перейдемо до основної частини уроку.

Коли у 1873 році Максвелл в знаменитому «Трактаті про електрику і магнетизм», користуючись моделлю деякого гідродинамічного механізму в рідкому ефірі, передбачив існування електромагнітних хвиль, а Герц у 1886 році експериментально довів їх реальність та дослідив їх властивості, фізика всі мала підстави вважати себе тріумфатором серед наук про природу. Здавалося, що  хвильова теорія світла, фундамент якої заклали Гюйгенс, Френель та Юнг, отримала остаточну перемогу над корпускулярною концепцією світла Ньютона.  Таким чином, в той момент ніхто не сумнівався, що світло – це електромагнітні хвилі оптичного діапазону, для яких властива поляризація, інтерференція та дифракція.

Якою ж була на той час система поглядів на природу світла?   (СЛАЙД 2)

Світло вважалось поперечною електромагнітною хвилею з довжинами в діапазоні від 400нм(фіолетове) до 760нм (червоне), що поширюється у нерухомому ефірі із швидкістю . Фронт світлової хвилі утворюється за принципом Гюйгенса - Френеля. Енергія світлової хвилі пропорційна квадрату амплітуди і частоти. Світлові хвилі випромінюються атомами незалежно один від одного у вигляді послідовності («цуга») хвиль  протягом часу порядку . Цуг хвиль має скінченну протяжність вздовж променя

(СЛАЙД 3)

Світлові хвилі можуть зазнавати інтерференції  – взаємного та постійного в часі посилення або послаблення амплітуди коливань хвиль у результаті їх накладання в певній області простору. Інтерферувати можуть тільки когерентні хвилі - хвилі з однаковою довжиною хвиль та сталою різницею фаз. Існує проблема когерентності, бо природні джерела не дають когерентних світлових хвиль, оскільки акти випромінювання світла атомами здійснюються нескориговано, з різними фазами. Єдино можливим способом отримання інтерференції від природнього джерела світла, як показав Юнг - є розщеплення світлової хвилі на дві компоненти і послідуюче їх накладання. Тут, правда, виникає одна серйозна теоретична трудність – який механізм в межах одного  цуга хвиль  забезпечує синфазне їх поширення, адже його результуюче випромінювання джерелом в кожен момент часу складається з вкладів величезного числа атомів ?

Для світлових хвиль властива дифракція – відхилення від прямолінійного поширення світла поблизу країв непрозорих перешкод, розміри яких сумірні з довжиною хвилі світла. Пояснюється це явище, згідно принципу Гюйгенса-Френеля, як результат інтерференції вторинних хвиль. Слід, проте, зазначити, що дане пояснення не розкриває всіх особливостей цього явища.

Все сказане вище повністю узгоджувалось з хвильовою  електродинамікою Максвелла.

Але тріумф тривав недовго.

У 1887 році Майкельсон та його помічник Морлі, використовуючи спеціально сконструйований ними інтерферометр , поставили експеримент, який мав на меті виявити рух Землі у гіпотетично нерухомому ефірі. Результати досліду показали, що швидкість «ефірного вітру» біля поверхні Землі складає 3 км/c замість очікуваної в 30 км/c, що в 1905 році було інтерпретовано Ейнштейном як «нульовий» результат досліду і відсутність ефіру взагалі в природі. На сьогодняшній день багато дослідників ставлять під сумнів правомірність такого трактування.

(СЛАЙД 4)

У зв’язку з бурхливим розвитком електроосвітлювальної техніки наприкінці XIX ст. виникла необхідність теоретичного та експериментального вивчення випромінювальної здатності тіл та спектрального складу їх випромінювання при різних температурах. Було встановлено, що випромінювальна здатність абсолютно чорного тіла є прямо пропорційною до четвертого степеня абсолютної температури                       (закон Стефана-Больцмана), а також закон «зміщення» Віна -

                        , суть якого в тому , що з ростом температури максимум випромінювальної  здатності зміщується в сторону більш коротких хвиль. Погляньте на графік – площа фігури під спектральним розподілом випромінених довжин хвиль чисельно дорівнює енергії, випроміненій тілом за одиницю часу . Зрозуміло, що із збільшенням температури ця площа буде більшою, проте максимум випроміненої енергії припадатиме на більш короткі хвилі.

Однак спроби теоретичного обгрунтування експериментальних закономірностей  в спектрах випромінювання  тіл, здійснені на основі припущення, що світло є електромагнітними хвилями, приводили до абсурдного результату, при якому  повна випромінена тілом в області коротких хвиль енергія дорівнює нескінченності, що дістало назву «ультрафіолетової катастрофи».

У 1900 році Планк висунув гіпотезу, що правильний вираз для випромінювальної здатності можна отримати тільки тоді, коли вважати, що випромінювання світла відбувається не неперервно, а у вигляді окремих порцій – квантів випромінювання.  Енергія такого кванта пропорційна його частоті              . Гіпотеза Планка не пояснювала фізичні причини такої пропорційності, але знімала всі теоретичні труднощі.   Формула Планка суперечила хвильовій концепції світла, оскільки енергія хвилі пропорційна квадрату частоти та амплітуди і може мати будь-які значення! Це була катастрофа для фізики! Весь жах фізиків перед такою ситуацією можна проілюструвати словами Лоренца: «теорію квантів можна порівняти з ліками, що виліковують хворобу, але вбивають пацієнта».

Тим більше, що новий удар по основам електромагнітної теорії світла нанесли  відкриті О.Столєтовим закони зовнішнього фотоефекту (СЛАЙД 5) – явища виривання електронів з речовини під дією електромагнітного випромінювання. І якщо перший закон фотоефекту (максимальна сила фотоструму насичення прямо пропорційна світловому потоку) можна було легко пояснити з точки зору хвильової теорії світла як результат того, що хвилі більшої інтенсивності виривають більшу кількість електронів з речовини, то другий, а особливо – третій закони фотоефекту було неможливо інтерпретувати з позицій електромагнітної теорії Максвелла.

Гіпотеза Ейнштейна про те, що світло не тільки випромінюється, але ще й поширюється квантами в поєднанні з формулою   дала змогу пояснити всі труднощі і саме Ейнштейн вперше прийшов до висновку, що квант світла локалізований в мікрочастинці, яку відкриє Людвіг Боте у 1923 році, і яку пізніше назвуть фотоном. Властивості фотона приведені в цій таблиці. (СЛАЙД 6)  Прошу звернути увагу, що з фотоном пов’язана довжина хвилі, причому чим вона менша, тим більшою є динамічна маса, імпульс та  енергія фотона.

Тиск світла  як явище створення світлом механічного тиску на поверхні макроскопічних тіл, передбачене Максвеллом і експериментально відкрите П. Лєбєдєвим, допускало трактування як з позицій хвильової, так і квантової теорії світла.

Так що ж таке світло та електромагнітне випромінювання взагалі? Це хвилі чи потік частинок? З одного боку, явища поляризації , інтерференції , дифракції світла без сумніву свідчать його хвильову природу світла, з іншого – закономірності в спектрах випромінювання, явище фотоефекту, тиску світла та його фотохімічна дія свідчать про його корпускулярну природу. Така подвійність у властивостях світла, наявність у нього одночасно і хвильових, і квантових властивостей, дістала назву корпускулярно-хвильовий дуалізм. Крім того,  вважається, що світло більше виявляє хвильові властивості в області довгих хвиль (радіовипромінювання) і більше квантові в діапазоні коротких хвиль (рентгенівські промені).

Чому ж сучасній фізиці, не дивлячись на численні спроби та достатню кількість накопичених дослідних даних, не вдається дати наочну інтерпретацію подвійної корпускулярно-хвильової природи світла?
Можливо, нам з вами вдасться зробити це зараз разом на цьому уроці?

Давайте спочатку виділимо ті сторони світлових хвиль і частинок, які, на перший погляд,  суттєво відрізняють їх один від одного.

ХВИЛЯ:

1. Хвиля є процес, пов’язаний зі станом несучого її матеріального середовища та поширенням у ньому коливань. У теорії Максвелла таким середовищем є ефір, проте ідеалізація його властивостей та трактування офіційною фізикою  результату досліду Майкельсона - Морлі як факту відсутності його в природі взагалі (замість вдосконалення його моделей!), призвели до того, що фактично на сьогодні вважається, що електромагнітним хвилям середовище не потрібне, що вони матеріальні самі по собі.
2. Вважається, що хвилі переносять енергію, але не переносять речовину середовища.
3. Хвиля не може бути локалізована в області простору, співрозмірній з довжиною хвилі. Іншими словами, про хвильовий процес можна говорити лише тоді, коли довжина і ширина потоку хвиль значно більша, за довжину хвилі.

ЧАСТИНКА:

1. З частинками пов’язане уявлення про локалізоване в малому об’ємі простору згущення речовини. Ідеалізованою моделлю цього є матеріальна точка.
2. Частинка при русі переносить і речовину, і енергію.
3. Положення частинки в просторі завжди однозначно задається її координатами. При цьому вона може мати два напрямки обертання навколо власної осі.

А зараз я скажу одну важливу річ - вказані властивості хвилі і частинки виключають одна одну доти, поки ми не припустимо, що хвиля і частинка можуть бути одночасно народжені середовищем у деякому динамічному процесі, а в питанні корпускулярно-хвильового дуалізму світла варто пошукати якісь механічні аналогії.

Щоб звузити коло можливих аналогій, потрібно визначитися при цьому з формами руху матерії. Як відомо, динамічна маса та імпульс фотона залежать прямо пропорційно до частоти. Подібним чином ведуть себе в природі утворення, які прийнято називати торнадо – газові вихори - газодинамічні високоущільнені об’єкти із в’язкого і стисливого газу, у якому потенціальна енергія атмосфери концентрується в кінетичній енергії обертального руху. Для газових вихорів типу торнадо характерною є сталість циркуляції газу у кожному перерізі. Це означає, що чим швидше обертається вихор (тобто чим більша частота), тим  меншим є радіус обертання і тим більшою є густина його речовини, а отже, і маса  вихора.  Вихори можуть взаємно посилювати або послаблювати один одного, причому з часом їх частота усереднюється, а рух стає синфазним! Здогадались, до якого поняття це може мати відношення?!

Але найдивніша річ  пов’язана з енергією вихора. (СЛАЙД 7)

Як відомо, квантова фізика трактує пропорційність частоти і енергії випромінювання як свідчення особливих законів мікросвіту, оскільки для звичайних тіл, що обертаються за законами  механіки, енергія пропорційна не частоті, а квадрату частоти. Насправді ніякої суперечності немає. якщо вважати, що фотон є вихоровим утворенням . Давайте поглянемо на формули енергії вихора. Енергія вихора - це кінетична енергія  обертального руху газу. Але якщо при цьому припустити, що фотон веде подібно до газового вихору з умовою сталості циркуляції , то виникає питання  -  вихровим ущільненням якої газоподібної матерії є фотон. Звичайно, на думку приходить ЕФІР – матеріальне середовище, яке завдяки Ейнштейну зникло з фізики.

Як бачимо, вихрова модель фотона пояснює багато його властивостей, проте не пояснює сутність  корпускулярно-хвильового дуалізму світла. Але виявляється природа й тут нам дала адекватну механічну аналогію, якій несправедливо мало приділяється уваги.  Мова йде про так звану вихрову доріжку Кармана. (СЛАЙД 8) Вихрова доріжка Теодора Кармана - ланцюжок вихорів, які спостерігаються при обтіканні рідиною або газом протяжних циліндричних тіл з поздовжньою віссю, перпендикулярною до  напрямку руху суцільного середовища. Зараз ви можете бачити комп’ютерну модель даного процесу. Відрив вихорів відбувається з двох сторін тіла по черзі з частотою . Після зриву вихори утворюють два ланцюжки позаду тіла, напрямок обертання вихорів в одному ланцюжку протилежний напрямку обертання в іншому. Як бачимо, даний вид руху має одночасно ознаки і хвилі, і частинки. Хвильовий процес має місце в проміжках між сусідніми центрами вихроутворень, які обертаються в протилежні сторони.

Приведена аналогія може бути застосована у повній мірі для пояснення не тільки корпускулярно-хвильової природи світла, але й окремих параметрів фотона та світлової хвилі, а також багатьох понять оптики.

Так яким же можна уявити фотон? Давайте продовжимо дослідницьку діяльність. (СЛАЙД 9)

1. Неважко здогадатися, що довжиною хвилі фотона є відстань між двома сусідніми центрами вихорів одного ряду. Частинки існують навколо центрів вихроутворення і мають тим більшу масу, чим більша частота їх обертання.
2. Середній час випромінювання атомом фотона становить , тому при середній частоті атом здійснює коливань. Таким чином, можна припустити, що фотон, отриманий в результаті випромінювання атомом, є  вихровою доріжкою Кармана довжиною приблизно .
3. У кінці вивчення шкільного курсу фізики  ви знатимете, що кожна мікрочастинка, крім заряду і маси , має ще й таку характеристику як спін . Квантова фізика дуже неохоче пов’язує його з напрямком осьового обертання частинки. Фотон має два значення спіну : +1 і -1. Дана модель фотона піднімає завісу і над цією таємницею: вихори в сусідніх рядах обертаються в протилежних напрямках.
4. Відсутність заряду у фотона можна пояснити так: правогвинтовий і лівогвинтовий напрямки обертання зумовлюють замикання вихорів і тому вихровий рух не виходить за межі вузької області простору.
5. Сьогодні ми згадували, що вихори можуть утворювати спільну вихрову систему з усередненою частотою і синхронізацією фаз. Якщо розглянути просторову геометрію такої інтерпретації фотона, то видно, що об’єднання фотонів в один цуг є енергетично вигідним процесом, оскільки при такому утворенні загальна площа поверхні фотона буде найменшою, частота обертання вихорів буде взаємно усереднюватися, а  розсіювання енергії стане мінімальним.

Ось так красиво все обставила природа у питанні сутності світла.

Готовий відповісти на ваші запитання.

IІІ. САМОСТІЙНА ДОСЛІДНИЦЬКА ДІЯЛЬНІСТЬ УЧНІВ (15 хв).

А зараз пропоную вам відчути себе в ролі дослідників та першовідкривачів. І хто знає, можливо хтось із вас в майбутньому стане відомим науковцем, який відкриє нові закономірності природи…Кожній групі роздано картку-форму для дослідницької діяльності. (СЛАЙД 10) На основі вже вивченого в цьому розділі, на основі почутого сьогодні спробуйте самостійно дати відповіді на запропоновані мною проблемні питання дослідницько-пошукового характеру, що стосуються природи світла. Варіанти ваших відповідей потрібно вписати у відведені місця нижче кожного з питань. У кінці приведіть висновки, які ви зробили для себе на уроці про природу корпускулярно-хвильового дуалізму світла. Можна користуватися будь-якими джерелами. При цьому не намагайтеся обмежувати творчий політ власних думок – не бійтесь формулювати найсміливіші свої думки і припущення. Відкриття робить не той, хто погоджується з авторитетами, а той, хто намагається їм суперечити. Наприкінці відведеного часу на слайді з’являться мої варіанти відповідей, цікаво буде порівняти їх з вашими. Бажаю успіху!

IV. ПІДВЕДЕННЯ ПІДСУМКІВ УРОКУ. ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ (4 хв.)

Висновки:

1. Існує принципова можливість побудови теоретичної моделі корпускулярно-хвильового дуалізму світла, заснованої на припущенні, що в його основі лежить відоме в класичній фізиці явище, як вихрова доріжка Кармана.
2. Всі оптичні явища, а також фізичні параметри фотона можуть бути пояснені з позиції зазначеної вище оптико-механічної аналогії. При цьому виникає потреба постановки питання про середовище, динамічні процеси в якому лежать в основі всіх властивостей світла. Таким середовищем може бути ефір, на уявлення про існування якого спиралася класична фізика.

Домашнє завдання: опрацювати підсумки та завдання для самоперевірки до розділу ІІІ «Оптика» (с.208 – с.209)