Урок "Дисперсія світла"

ПЛАН УРОКУ

Тема уроку: Дисперсія світла.

Мета:

-         Виховувати: почуття прекрасного в пізнанні природи; навички взаємоконтролю, самоконтролю, розуміння ролі фізики та важливості фізичних знань у житті та майбутній професії.

Тип уроку: урок вивчення нового навчального матеріалу

Вид уроку: лекція з елементами бесіди та практикуму

Форма організації навчальної діяльності: колективна, індивідуальна, робота в парах

Методи і прийоми навчання: словесні, наочні, практичні, інтерактивні, частково-пошукові, проблемне навчання

Дидактичне забезпечення: портрет Ньютона, паперова ромашка, скляна трикутна призма, лампа на підставці, екран, лазерна указка, круг, пофарбований у кольори, електродриль, світлофільтри, обладнання для досліду по змішуванню кольорів, обладнання для досліду з доповняльними кольорами, картки з вправами, тестові завдання, презентація

Матеріально – технічне забезпечення: проектор, екран, комп'ютер.

Хід уроку.

І. Організаційний етап.

Повідомлення теми, мети й завдань уроку.

Мотивація навчання: ( Створення проблемної ситуації ).

 Природа прекрасна й загадкова, а в пізнанні чудова й захоплива. Ми не завжди звертаємо увагу на красу, яку вона нам дарує: на те багатство кольорів, яке має кожна пора року: зелена трава, блакитне небо, розмаїття квітів, осіннє листя... Важко уявити, що було б , якби колір зник. Яким був би наш світ?

Світ зробився б дуже бідним, непривабливим, чорно-білим, сірим.

Що ж таке колір? Чому різні тіла відрізняються забарвленням? Чому, наприклад, пелюстки троянд, тюльпанів червоні, пелюстки соняхів, нарцисів –жовті, а пелюстки крокусів, гіацинтів -  фіолетові. За яких умов ми бачимо світ кольоровим? (коли є світло). Знання цієї теми знадобляться вам у майбутній професії.

ІІ. Актуалізація опорних знань.

Інтерактивна вправа «Ромашка».

Запитання написані на зворотній стороні пелюсток. Здобувачі освіти виходять, відривають  пелюстки і відповідають на запитання.

1. Чи є світло електромагнітною хвилею?
2. Як поширюється світло ?
3. Чому на межі поділу двох середовищ світло заломлюється ?
4. Що змінюється в світлової хвилі під час заломлення, а що ні?
5. Сформулювати І закон  заломлення світла.
6. Сформулювати ІІ закон  заломлення світла.
7. Записати формулу зв’язку швидкості  хвилі, довжини хвилі і частоти
8. Що таке абсолютний показник заломлення?

ІІІ. Викладення нового матеріалу.

План вивчення теми

1. Досліди Ньютона.
2. Дисперсія світла.
3. Дисперсія світла в атмосфері.
4. Забарвлення предметів.

1. Досліди Ньютона (історична довідка)

Здобувач освіти. Упродовж багатьох сторіч люди робили спроби пояснити природу кольорів (червоного, зеленого, жовтого, тощо). Деякі вчені такі, як Аристотель вважали, що всі кольори утворюються від поєднання білого (колір світла) і чорного (колір темряви). Інші вважали, що це особливості нашого ока, у яке потрапляють образи, що зриваються з предметів і спричиняють в оці відчуття форми й кольору. Ця теорія панувала в науці довгий час. Ніхто й не сподівався, що причина в білому світлі, яке вважали простим.

 Сучасні погляди на природу кольорів базуються на відкритті видатного англійського вченого Ісаака Ньютона. У 1666 році І. Ньютон провів такий дослід. Проробивши маленький отвір у віконниці, вчений направив тонкий пучок сонячного світла на скляну трикутну призму. У ній пучок світла заломався, і на протилежній стіні з'явилася красива кольорова смуга. Цю кольорову смужку із семи кольорів І. Ньютон назвав спектром.

Запитання до здобувачів освіти. Які цих сім кольорів, та яка їх послідовність?

(І. Ньютон виокремив сім кольорів: червоний, оранжевий, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий; чіткої межі між кольорами немає.)

Порядок розташування кольорів легко запам'ятати по абревіатурі слів:

•     Чекав обіду журналіст,

          З'їв бутерброд - став футболіст.

• Чабан отару жене за блакить синю файну.
• Час обіду – жуй зубами гарні, свіжі фрукти.

Запитання до здобувачів освіти. Біле світло буде простим чи складним? (Складним, бо складається з семи кольорів).

Ньютон дійшов висновку, що біле світло має складну структуру, тобто біле світло містить електромагнітні хвилі різних частот.

Другий важливий висновок Ньютона полягає в тому, що світло різних кольорів характеризується різними показниками заломлення в певному середовищі. Це означає, що абсолютний показник заломлення n_ф для фіолетових кольорів більший, ніж для червоного n_ч , n_ф >  n_ч. Залежність показника заломлення світла від його кольорів Ньютон назвав дисперсією (від латинського слова dispersio – “розсіювання”).

2. Дисперсія світла

Дослід1. Розкладання скляною призмою світла у спектр.

За допомогою скляної призми, що освітлюється лампою на підставці, спостерігаємо розкладання світла у спектр, який видно на екрані.

Висновок. (Роблять здобувачі). Біле світло має складну структуру, тобто містить електромагнітні хвилі різних частот.

Запитання до здобувачів освіти. Світло якого кольору заломлюється найбільше, а якого найменше? (найбільше - фіолетового,  найменше - червоного?)

Відповідно до хвильової теорії кольори світла визначаються частотою електромагнітної хвилі, якою є світло. Найменшу частоту має червоний колір, найбільшу – фіолетовий. Аналізуючи досліди Ньютона і спираючись на хвильову теорію світла, можна зробити висновок: показник заломлення світла залежить від частоти світлової хвилі.

Різним швидкостям поширення хвиль відповідають різні абсолютні показники заломлення середовища ().

Явище розкладання світла в спектр, обумовлене залежністю абсолютного показника заломлення середовища від частоти світлової хвилі, називають дисперсією світла.

З огляду на те, що довжина хвилі обернено пропорційна частоті (λ=с/ν) можна стверджувати, що абсолютний показник заломлення зменшується відповідно до збільшення довжини світлової хвилі.

Звідси випливає те, що в разі заданої частоти довжина хвилі більша в тому середовищі, де швидкість хвилі більша.

Під час переходу з одного середовища в інше швидкість υ поширення світлової хвилі змінюється, але частота ν, а отже, і колір світла залишаються незмінними. Тому, відповідно до формули υ=λν, змінюється довжина світлової хвилі. Під час переходу в середовище з більшою оптичною густиною довжина хвилі, як і її швидкість, зменшується:

Досліди довели, що колір визначає саме частота світлової хвилі, тому, наприклад, довжина хвилі червоного світла у воді менше, ніж у вакуумі (або повітрі).

З явища дисперсії випливає, що хвилі, що входять до складу білого світла, в речовині поширюються з різними швидкостями: з найбільшою швидкістю поширюються хвилі, які ми сприймаємо як червоне світло, і з найменшою хвилі, які сприймаються нами як фіолетове світло:

Колір світла залежить від частоти.

Різним кольорам відповідають хвилі різної довжини. Тим не менш, межі діапазонів білого світла і складових його кольорів прийнято характеризувати їх довжинами хвиль у вакуумі. Таким чином, біле світло - це складне світло, сукупність хвиль довжинами від 380 до 760 нм.

Дослід 2.  Проходження монохроматичного світла через призму.

 Пропустимо крізь скляну трикутну призму світло від лазерної указки. На екрані ми побачимо промінь того ж кольору, що вийшов заломленим.

Електромагнітна хвиля певної постійної частоти називається монохроматичною.

Висновок. (Роблять здобувачі). Світло відхиляється, але нового спектра не утворює. Саме таке світло можна вважати простим.

Дослід 3. Змішування кольорів на крузі за допомогою обертання.

Шляхом додавання різних кольорів спектра можна отримати біле світло. Круг розділений на три сегмента. Кожен сегмент пофарбований у кольори: червоний, жовтий, синій. Надіваємо цей круг на вісь і швидко обертаємо. Ми побачимо, що круг має білий колір.

Висновок: (Роблять здобувачі). При досить швидкому обертанні круга, ми побачили сіруватий, практично білий колір. На досліді ми переконалися у тому, що біле світло не є простим воно є сумішшю всіх кольорів спектра.

Запитання до здобувачів освіти. Які ви знаєте основні кольори? (Червоний, жовтий,синій). Як же можна отримати решту кольорів? (Шляхом змішування)

Є основні кольори - це кольори, які не можуть бути утворені сполученням інших кольорів, а можуть лише самі сполучатися: червоний, зелений, синій. Всі кольори можуть бути утворені накладанням цих кольорів у відповідних співвідношеннях й інтенсивностях. Застосування: в телевізорах, в комп'ютерах, смартфонах. В принтері для одержання різних кольорів використовуються три кольорових картриджі. Є вторинні кольори - це кольори, утворені сполученнями різних пар: Жовтий = червоний + зелений, блакитний = зелений+синій, пурпуровий = червоний+синій. Використання: при малюванні, фарбуванні.

Запитання до здобувачів освіти. Як можна це використати у вашій майбутній професії? (При оформленні клумб, паркових доріжок, лавочок, сходів і т.д.)

Дослід 4. Змішування кольорів

Робимо кольорове колесо. Шість склянок, три з яких порожні, а три наповнені кольоровою водою основних кольорів, сполучаємо паперовими серветками. Через деякий час з основних кольорів отримуємо вторинні.

Висновок. (Роблять здобувачі). Є основні кольори, а решту можна отримати з них шляхом змішування.

Є доповняльні кольори - це кольори, оптичне змішування яких приводить до формування білого кольору (вторинний колір змішаний з відсутніми основними)

Дослід 5. Спостереження доповняльних кольорів

Якщо освітити зеленим світлом предмет, то він відкине тінь червоного кольору.

Висновок.(Роблять здобувачі). Доповняльним кольором до зеленого є червоний.

3. Дисперсія світла в атмосфері.

Веселка - це оптичне явище в атмосфері, яке являє собою кілька кольорових дуг, спостережуваних на тлі хмари, якщо та знаходиться навпроти Сонця.

Запитання до здобувачів освіти.  Коли утворюється веселка? (Після дощу або під час дощу, якщо Сонце невисоко над горизонтом).

Веселка - це безперервний спектр сонячного світла, утворений розкладанням світла в краплях дощу, як у призмах. З дощових крапель під різними кутами заломлення виходять різнокольорові світлові пучки.

Спостерігач, перебуваючи поза дощовою зоною, бачить над обрієм приблизно на відстані 1-2 км веселку ( у зоні дощу) у вигляді різнокольорових дугоподібних смуг на тлі дощових хмар, що освічуються Сонцем.

Запитання до здобувачів освіти. Якого кольору верхня смуга веселки і нижня? (Верхня – червоного, нижня – фіолетового).

 Верхня смуга веселки (червона) знаходиться не вище, ніж 42° над обрієм, нижня смуга - фіолетова, а між ними розташовані всі інші ділянки спектра. У цей час Сонце знаходиться невисоко над обрієм за спиною спостерігача, а центр веселки - під обрієм. Чим вище Сонце над обрієм, тим меншу частину веселки ми бачимо. Якщо Сонце піднялося вище 43° над обрієм, то веселку не видно. Але якщо піднятися високо над земною поверхнею, то можна побачити все кільце веселки.

Під час сонячного освітлення веселку можна спостерігати іноді у водоспадах чи фонтанах, у процесі роботи поливальної машини. Вдається бачити веселку на росі, що покриває траву, - це так звана росяна веселка.

Історична довідка

Здобувач освіти. Одну з перших спроб пояснити веселку зробив у 1611 р. італієць Антоніо Домініко. Його пояснення суперечило біблійному, тому він був відлучений від церкви й засуджений до страти, але у в'язниці він помер, не дочекавшись страти; його тіло й рукописи були спалені. Більш повне пояснення дав французький вчений Рене Декарт у 1637 р.; він спирався на ідеї Домініко та закони заломлення і відбивання світла в крапельках дощу, але розкрити, чому веселка кольорова, а не чорно-біла, вчений не зміг. Через 30 років теорія Декарта була доповнена англійським вченим Ісааком Ньютоном знаннями про явище дисперсії. Дисперсія й створювала різнокольорову веселку, яку називали іноді за її красу «райською дугою» або «райдугою».

Саме дисперсія пояснює виникнення такого явища, як гало. Це явище можна спостерігати взимку у вигляді кіл, стовпів, хрестів навколо Сонця і Місяця. Тут дисперсія спостерігається в крижаних кристаликах.

4. Забарвлення предметів

А тепер спробуємо з'ясувати, чому світ є різноколірним.

Забарвлення — властивість предметів відбивати, перевипромінювати й розсіювати світло, що визначає їх візуальне сприйняття — кольори, які людина сприймає за певних умов.

Знаючи, що біле світло є складним, можна пояснити чому навколишній світ, освітлений лише одним джерелом білого світла – Сонцем, ми бачимо різноколірним? Чому при однаковому сонячному світлі ми бачимо альбомний аркуш білим, траву – зеленою, пелюстки тюльпанів, троянд – червоними, пелюстки соняшника, нарцисів – жовтими, а пелюстки крокусів, гіацинтів -  фіолетові?

На перше запитання можна відповісти одразу. Аркуш відбиває майже все сонячне світло. Зелена трава, освітлена тим самим джерелом, відбиває переважно промені зеленого кольору, а решту поглинає. Червоні пелюстки тюльпанів відбивають переважно промені червоного кольору, а інші поглинають,  пелюстки крокусів, гіацинтів відбивають світло фіолетового кольору, а решту поглинають. А от чорна шерсть кота поглинає промені всіх кольорів, тому, хоч яким світлом ми його освітимо кіт однаково здаватиметься чорним. До речі, саме через поглинання світла чорні поверхні можуть досить нагріватися.

ІV.  Закріплення нового матеріалу.

1.Робота в парах.

У вас на партах є матеріал – підказка для виконання наступних вправ. Прочитайте, обговоріть ці питання, виконайте вправи. Після завершення зробіть взаємоперевірку.  Кожна правильна відповідь оцінюється  двома балами.

Кольори непрозорих тіл

Тіла білого кольору відбивають однаково промені всіх кольорів.

Тіла чорного кольору поглинають промені всіх кольорів. Непрозорі тіла забарвлюються в той колір, промені світла якого вони добре відбивають.

Кольори прозорих тіл

Колір прозорого тіла визначається складом того світла, яке проходить крізь нього.

Зафарбоване скло пропускає лише ті промені, колір яких воно має, решту кольорів поглинає.

Вправи

1. Світло якого кольору проходить крізь синє скло? Поглинається ним?

2. У воді поширюються пучки світла червоного, оранжевого та блакитного кольорів. Швидкість поширення якого з пучків буде більшою?

3. На скляну призму направляють промінь червоного або зеленого світла. Чи спостерігатиметься розкладання цього світла на якісь кольорові промені?

4. Якими здаватимуться червоні літери на білому папері, якщо дивитися на них крізь зелене скло? Яким при цьому здаватиметься колір паперу?

5. Через скло якого кольору не можна побачити текст, написаний фіолетовим чорнилом на білому папері?

2. Задача . Здобувач освіти біля дошки.

Світлова хвиля з частотою 7,2∙10 ¹⁴ Гц при поширенні в прозорому середовищі має довжину хвилі 312,5 нм. Яка швидкість світла в цьому середовищі?
Дано:                      СІ                       Розв'язання.

ν = 7,2∙10¹⁴ Гц                    υ = λ ν   [υ] = Гц∙м = с^-1 ∙м = м/с

λ=312,5 нм        312,5∙10^-9м                  υ = 312,5 ∙10^-9 ∙7,2∙10¹⁴ = 2,25 ∙ 10⁸(м/с)

Знайти:  υ -?                                                                  Відповідь: 2,25 ∙ 10⁸ м/с.                      

3. Самостійна робота. Тест

Потрібно дати відповідь на тести та виконати самоперевірку. Ключове слово для перевірки «Вишиванка». За кожну правильну відповідь, крім 2-ї та 3-ї, які оцінюються двома балами, виставляється один бал.

1. Хтось у лузі біля річки загубив барвисті стрічки. Дощик вгледів, підібрав, небеса підперезав.

[с] хмара;         [в] веселка;          [з] лоза;           [б] барвінок.

2. На білому аркуші написано червоним олівцем «12», а зеленим - «7». Здобувач освіти відповів на відмінно. Є два шматочки скла - зелене й червоне. Через яке скло треба дивитися, щоб побачити отриману оцінку?

 [и ]зелене;               [з] червоне.

3. Будь-який колір від змочування водою робиться густішим. Чому?

[б] вода - рідина;       [с] відбувається дифузія;       [ш] завдяки водяній плівці поглинається більше світла;           [м] залежить від кольору.

4. Які кольори є основними?

[ч] синій, жовтий, червоний;           [ю] зелений, фіолетовий, блакитний;       [о] оранжевий, жовтий, синій;         [и] червоний, зелений, синій.

5. Хто з учених першим відкрив явише дисперсії?

[ж] Юнг,          [з] Гюйгенс;         [с] Френель;            [в] Ньютон.

6. Який параметр не змінюється за переходу променя з повітря у воду?

[ф] швидкість;      [а] частота;       [б] довжина хвилі;     [с] напрямок поширення.

7. Який промінь поширюється у воді з більшою швидкістю?

[ф] зелений;             [н] червоний;             [с] блакитний;            [ж] оранжевий.

8. Яке слово бере участь в описі явища дисперсії?

[к] розкладання;        [о] когерентний;            [ч] накладання;          [з] гасіння.

9. Найбільший показник заломлення в склі мають промені

[о] зелені;              [з] сині;               [с] червоні;               [а] фіолетові

V. Підбиття підсумків уроку.

1. Висновки по уроку.

Залежність швидкості поширення пучка світла в певному середовищі від кольору пучка називають дисперсією світла. У результаті дисперсії біле світло, що пройшло, наприклад, крізь призму, утворює спектр, тобто виявляється розкладеним на сім спектральних кольорів (червоний, оранжевий, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий).

За заданої частоти довжина хвилі більша в тому середовищі, де швидкість хвилі більша.

Кожний колір характеризується своєю частотою хвилі.

У разі накладання двох різних спектральних кольорів утворюються інші кольори.

Завдяки тому що різні тіла по-різному відбивають, заломлюють і поглинають світло, ми бачимо навколишній світ різноколірним.

2.Оголошення оцінок.

Домашнє завдання.

1). Вивчити теоретичний матеріал з підручника: Головко М. В., Крячко І. П., «Фізика і астрономія 11кл.», §21(1).

2). Експериментальне завдання

Наповніть неглибоку посудину водою й поставте її біля стіни. На дно посудини помістіть плоске дзеркало під тупим кутом до дна. Дзеркало має бути цілком занурене у воду. Спрямуйте на нього пучок світла — на стіні з'явиться «сонячний зайчик». Уважно роздивіться його та поясніть явище, яке спостерігається.

3). Творче завдання. Знайдіть цікаві факти з біографії Ньютона.