Урок фізики в 11 класі з теми "Світло як ЕМХ"

Тема: Світло як електромагнітна хвиля.

Мета:

• продовжити формувати в свідомості учнів природничо-наукову картину світу, зокрема знання про світло, як вид електромагнітного випромінювання;
• сформувати поняття  про явища: інтерференція, дифракція, дисперсія, поляризація світла, які доводять його хвильову природу;
• на основі спостережень  фізичних явищ та проведення дослідів розвивати в учнів уміння систематизувати результати спостережень, робити узагальнення й оцінювати їх, планувати й проводити експеримент;
• виховувати в учнів переконання в пізнаванності Природи та її явищ.

Обладнання: УПА, дифракційні пластинки, лазерні диски, папір з прорізами, скляні тригранні призми „флінт” і „крон”,  мензурки із водою, із мильним розчином, із гасовою плівкою, дротяні кільця, поляроїди, комп’ютер із записом дифракційної та інтерференційної картин.

План

І.  Оргмомент, ознайомлення з планом роботи на уроці та мотивація навчальної діяльності

ІІ.  Робота в групах

ІІІ.  Систематизація та узагальнення знань, набутих під час самостійної     роботи в групах

ІV.  Перевірка засвоєння набутих  знань

5. Підведення підсумків. Домашнє завдання
   Епіграф до уроку: Природа – єдина книга, кожна                                                           сторінка якої повна глибокого змісту.

            Гете.

Зміст та методи роботи.

І. Оргмомент, ознайомлення з планом роботи на уроці

 та мотивація навчальної діяльності.

Вчитель: Шановні одиннадцятикласники! На попередньому занятті ви завершили розгляд тем, в яких йшлося про електромагнітні хвилі, їх швидкість та поширення, властивості, способи утворення та сприймання, використання в техніці, зокрема в засобах зв’язку та на телебаченні.

 Якщо звернутися до якісної оцінки шкали електромагнітного випромінювання, то ви вже можете давати характеристику низькочастотному випромінюванню генераторів струму та радіовипромінюванню. Наступною ділянкою на цій шкалі є випромінювання з довжиною хвилі від 7,6×10^-7м до 3,8×10^-7м  ( 760 нм - 380 нм) або в частотному діапазоні   4,0× 10¹⁴Гц – 8,0*10¹⁴Гц. . 

Електромагнітні хвилі  саме такої довжини сприймаються органами зору людини. Наше  око належить до самих чутливих апаратів, яке здатне реагувати на електромагнітне випромінювання потужністю 10^-17 Вт.  А хто з вас пам’ятає, як ми у 8-му класі називали таке електромагнітне випромінювання? (вчитель дає можливість відповісти учням, що таке випромінювання – це світло)

 Саме тому наступною підтемою у вивченні фізики 11-го класу є вивчення світла. І розпочати вивчення циклу уроків я хочу з оглядової теми „Світло, як електромагнітна хвиля”. Що ми маємо з вами зробити сьогодні на уроці?  Основне завдання нашого уроку – переконатись, що світло – це електромагнітна хвиля. В чому ж ми повинні будемо впевнитись? Давайте пригадаємо загальні властивості хвиль. Основна властивість хвиль – (просить учнів відповісти) – перенесення енергії без перенесення речовини. Хвилі можуть накладатися ( учні нагадують, пригадуючи механічні хвилі, що це явище інтерференції), огинати перешкоди ( учні уточнюють, що це дифракція). Отже, наше завдання полягає в тому, щоб проспостерігати явища, які доводять хвильову природу світла, дати їм означення та вияснити умови спостереження і  описати спостережувані картини.

Подивіться уважно на обладнання на партах. Що ви бачите? Запишіть на листочках  протягом хвилини слова, які виражають явища і прилади, які ви спостерігаєте.

(через хвилину вчитель просить учнів зачитати слова, які вони записали і ділить по асоціативним словам учнів на 5-6 груп)

ІІ. Робота в групах

(стратегія непрямого та взаємодіючого навчання). – 25 хв

Учням по групам даються листки із завданнями, які вони виконують протягом 5 хв., а потім обмінюються завданнями методом каруселі.

І група.

Обладнання: Мензурка з водою і скляною паличкою, зеркало, лінзи, скляні призми, тригранні призми „крон” та „флінт”.

Завдання: Проспостерігайте зображення предметів у дзеркалі, у лінзі, вид скляної палички, наполовину зануреної у воду, вид джерела світла  крізь тригранну призму, розгляньте крізь неї оточуючі вас предмети.

 Які явища ви спостерігали? Які закономірності помітили? Що ви можете розповісти про спостережувані явища?

Теоретичний матеріал. На межі розподілу двох середовищ світлові хвилі

1. частково поглинаються (чорні тіла поглинають всі хвилі, а білого кольору предмети відбивають хвилі всього частотного діапазону);
2. частково відбиваються (для дзеркальної поверхні утворення зображень, для інших поверхонь – розсіяне(дифузне) відбивання, яке не дає утворення зображень предметів; колір предмета визначається довжиною відбитого від нього світла.
3. якщо середовища прозорі, то перехід світла із одного середовища в інше супроводжується явищем заломлення, що є наслідком зміни швидкості поширення світла у зв’язку із зміною оптичної густини середовища. Колір прозорого середовища визначається довжиною світлових хвиль, які в ньому поширюються.
4. При проходженні світла крізь призму воно зазнає подвійного заломлення і супроводжується розкладом світла по кольорам – в дисперсійний спектр. Це є наслідком того, що  для різних довжин (частот) світлових хвиль заломлення відбувається по-різному. Явище залежності показника заломлення світла від частоти ( довжини) світлової хвилі називають дисперсією

Історична довідка: закон заломлення відкрив голландський математик Віллеброрд Снелліус (1580-1626р), але не опублікував його. Вперше публікація закону заломлення з обґрунтуванням зроблена Рене Декартом в книзі „Діоптрика” у 1637р. Питаннями про фізичну природу білого кольору та кольорів займалися Леонардо Да Вінчі, Гук, Ломоносов, Ейлер і Ньютон. Але саме Ісаак Ньютон, купивши у 1665 році призму, довільно виділив сім кольорів, вперше ґрунтовно вивчивши та описавши явище розкладання білого світла в спектр – явище дисперсії.

ІІ група.

Обладнання: склянки з водою і тонкою плівкою гасу; склянки з мильним розчином та дротяною рамкою, кільця Ньютона.

Завдання:

1. Розгляньте забарвлення плівки гасу на поверхні води, зміну забарвлення в залежності від кута падіння променів.
2. Розгляньте забарвлення мильної плівки.
3. Проспостерігайте картину за допомогою приладу „кільця Ньютона” для білого світла і через світлофільтр.

Які явища ви спостерігали? Які закономірності помітили? Що ви можете розповісти про спостережувані явища?

Теоретичний матеріал. Світлові хвилі називаються когерентними, якщо вони мають однакову частоту (довжину хвилі) і якщо різниця фаз таких хвиль з часом не змінюється або рівна нулю. Інтерференція – це накладання (додавання) двох когерентних хвиль, в результаті чого утворюється сталий в часі просторовий перерозподіл енергії коливань, який спостерігається у вигляді інтерференційної картини. Інтерференційна картина – це чергування максимумів (посилення енергії коливань) та мінімумів (послаблення енергії коливань). Вона спостерігається лише тоді, коли:

1. хвилі когерентні;
2. різниця ходу хвиль  порівняна з довжиною хвилі;
3. різниця ходу хвиль набагато менша за відстані, які проходять хвилі до місця накладання.

Історична довідка: інтерференційні картини спостерігали І.Ньютон, Т.Юнг, О.Френель, Ломоносов, Р.Гук., Гюйгенс та інші. Але  описав це явище кількісними формулами на основі уявлень про хвильову природу світла, що є цьому причиною, лише Френель.

ІІІ група.

Обладнання:  клаптики паперу зі щілиною, кусочки лазерного диска, дифракційні гратки, клаптики паперу із отвором.

Завдання:

1. проспостерігайте вид джерела світла крізь щілину в папері та крізь отвір в папері;
2. проспостерігайте  зображення джерела світла у відбитому від поверхні лазерного диска світлі (напрям ліній запису інформації повинен  бути перпендикулярним до напрямку світлового променя);
3. проспостерігайте зображення джерела світла за допомогою дифракційних граток.

Які явища ви спостерігали? Які закономірності помітили? Що ви можете розповісти про спостережувані явища?

Теоретичний матеріал. Дифракція – це явище огинаннями хвилями перешкод або відхилення від прямолінійного напрямку поширення. За умови, коли  розміри перешкод порівнянні з довжиною хвилі і набагато менші за відстані, які долає хвиля, то  на екрані спостерігають дифракційну картину перерозподілу світлової енергії.

Прилад, що являє собою скляну пластинку із нанесеними на неї з частотою 100,200....1000 непрозорими штрихами, називається дифракційною решіткою (граткою).

Історична довідка: явище дифракції вивчали  І.Ньютон, Ейлер, Гук, Гюйгенс, Френель.  Але перша ґрунтовна праця – мемуари по дифракції, яка пояснювала явище огинання світловими хвилями перешкод, була зроблена у 1815р Огюстенем Жаном Френелем. 20 квітня 1818 року Френель завершує другу працю „Записка про теорію дифракції”.

ІV група.

Обладнання:  поляроїди, точкове джерело світла,  збиральна лінза, екран.

Теоретичний матеріал: природне світло – це електромагнітні хвилі, в яких вектори напруженості електричного поля Е та магнітної індукції В коливаються в усіх можливих напрямках орієнтації. Світло, в якого електричні коливання ( а отже і взаємно перпендикулярні їм магнітні) здійснюються лише в одній площині називається поляризованим. Явище виділення із природного світла поляризованих променів називається поляризацією.

Завдання:

1. спостерігайте зображення джерела світла через лінзу  і один з поляроїдів на екрані;
2. спостерігайте зображення джерела світла через лінзу  і обидва поляроїди на екрані ( площини поляризації паралельні);
3. спостерігайте зображення джерела світла через лінзу  і обидва поляроїди на екрані ( площини поляризації перпендикулярні).

Історична довідка: ідею полярності світлових частинок зробив Ісаак Ньютон, але явище поляризації світла було відкрите і описане у 1808 р. французьким військовим інженером Етьєном – Луї Малюсом.

ІІІ Систематизація та узагальнення знань, набутих

 під час самостійної роботи в групах.

Вчитель 1) демонструє явище заломлення світла за допомогою приладу для демонстрації цих явищ. Задає питання класу:

Що за явище ви спостерігаєте? Які причини виникнення цього явища? В чому воно полягає? Що є наслідком?

1. демонструє моделювання  явища інтерференції світла за допомогою комп’ютера. Знову задає ті ж запитання класу. Учні зачитують відповіді, записані на листочках під час роботи в групах. Вчитель, користуючись схемою явища на таблиці пояснює і уточнює незрозумілі моменти;
2. демонструє  модель явища дифракції світла за допомогою комп’ютера потім за допомогою УПА дифракцію  від дифракційної гратки, звертає увагу учнів на відхилення червоного та фіолетового кольорів. Ставить тіж питання. Учні зачитують відповіді, записані на листочках під час роботи в групах. Вчитель, користуючись схемою явища на таблиці пояснює і уточнює незрозумілі моменти;
3. По тому ж плану  проводить дослід по дисперсії від призми;
4. Дослід з поляроїдами і питання – по попередній схемі.

Далі вчитель узагальнює: На сьогоднішньому уроці ми переконались, що світло – це електромагнітна хвиля, адже  світлові хвилі накладаються – інтерферують, огинають перешкоди – дифрагують, в залежності від довжини(частоти) світла по-різному заломлюються, поляризуються. Всі ці явища доводять хвильову природу світла. На наступних уроках ми більш глибоко вникнемо в суть і природу спостережуваних явищ. А поки що давайте перевіримо на якісних запитаннях, наскільки гарно ми сьогодні познайомились із світлом – електромагнітною хвилею та явищами, які доводять його хвильову природу.

Отже, невеличкий фізичний диктант. На листочках ви читаєте запитання, вибираєте правильну відповідь і у графі питання виділяєте варіант правильної відповіді.

ІV . Перевірка засвоєння набутих  знань.

Учням роздаються тексти диктантів . За п’ять хвилин вони повинні вибрати правильні відповіді, потім, помінявшись із сусідом листочками, проводять самоперевірку робіт, вчитель виставляє оцінки.(див. додаток з текстами диктантів)

V . Підведення підсумків. Домашнє завдання.

Вчитель: ми з вами сьогодні гарно попрацювали, тому зазначимо оцінки: (учні записують в бланках свої оцінки, вчитель добавляє бал або два за активну роботу в групах).

На сьогоднішньому уроці ви пересвідчились у хвильових властивостях світла. Але якщо світло -  це хвиля, то яка ж його швидкість поширення. Якими методами  вперше було виміряно швидкість світла? Саме над цими проблемними питаннями ви попрацюєте дома, опрацьовуючи конспективно § 24 „Світло як електромагнітна хвиля. Швидкість світла”. Бажаючі можуть підготувати доповіді по історичним дослідам з визначення швидкості світла. Для цього окрім доповіді на ватмані потрібно накреслити схему досліду по визначенню шуканої величини. (далі вчитель визначає трьох учнів ініціативної групи, які підготують доповіді на наступний урок) крім роботи над  §24, всі повинні опрацювати конспект і пам’ятати означення явищ, які ми сьогодні на уроці розглянули. Всі ці явища на подальших уроках ми будемо вивчати більш ґрунтовно і описувати їх мовою математики, вчитись розв’язувати задачі з хвильової оптики.

Д/З: конспект, §24, доповіді.

Далі вчитель просить учнів продемонструвати один із розданих їм кольорових квадратиків:

Червоний колір – на уроці ви відчували дискомфорт, вам було незрозуміло;

Жовтий колір – вам було байдуже;

Синій колір – вам сподобалось, працювати було легко і комфортно.

Література:

1. Фізика (рівень стандарту, за навчальною програмою авторського колективу під керівництвом В. М. Локтєва). Підручник для 11 класу закладів загальної середньої освіти (автори Бар’яхтар В.Г., Довгий С.О., Божинова Ф.Я., Кірюхіна О.А.), ТОВ «Видавництво «Ранок», 2019.
2. Методика преподавания физики в средней школе: частные вопросы: Учебное пособие./С.В.Анофрикова, М.А.Бобкова и др; Под ред С.Е.Каменецкого – М.: Просвещение,1987. – с.190 -211.
3. Шахмаев Н.М., Шилов В.Ф. Физический эксперимент в средней школе: Механика.Молекулярная физика. Электродинамика. – М.:Просвещение,1989.
    

ДОДАТОК (тексти диктантів).

І варіант.

ІІ вар.

І група.

Обладнання: Мензурка з водою і скляною паличкою, зеркало, лінзи, скляні призми, тригранні призми „крон” та „флінт”.

Завдання: Проспостерігайте зображення предметів у дзеркалі, у лінзі, вид скляної палички, наполовину зануреної у воду, вид джерела світла  крізь тригранну призму, розгляньте крізь неї оточуючі вас предмети.

 Які явища ви спостерігали? Які закономірності помітили? Що ви можете розповісти про спостережувані явища?

Теоретичний матеріал. На межі розподілу двох середовищ світлові хвилі

1. частково поглинаються (чорні тіла поглинають всі хвилі, а білого кольору предмети відбивають хвилі всього частотного діапазону);
2. частково відбиваються (для дзеркальної поверхні утворення зображень, для інших поверхонь – розсіяне(дифузне) відбивання, яке не дає утворення зображень предметів; колір предмета визначається довжиною відбитого від нього світла.
3. якщо середовища прозорі, то перехід світла із одного середовища в інше супроводжується явищем заломлення, що є наслідком зміни швидкості поширення світла у зв’язку із зміною оптичної густини середовища. Колір прозорого середовища визначається довжиною світлових хвиль, які в ньому поширюються.
4. При проходженні світла крізь призму воно зазнає подвійного заломлення і супроводжується розкладом світла по кольорам – в дисперсійний спектр. Це є наслідком того, що  для різних довжин (частот) світлових хвиль заломлення відбувається по-різному. Явище залежності показника заломлення світла від частоти ( довжини) світлової хвилі називають дисперсією

Історична довідка: закон заломлення відкрив голландський математик Віллеброрд Снелліус (1580-1626р), але не опублікував його. Вперше публікація закону заломлення з обґрунтуванням зроблена Рене Декартом в книзі „Діоптрика” у 1637р. Питаннями про фізичну природу білого кольору та кольорів займалися Леонардо Да Вінчі, Гук, Ломоносов, Ейлер і Ньютон. Але саме Ісаак Ньютон, купивши у 1665 році призму, довільно виділив сім кольорів, вперше ґрунтовно вивчивши та описавши явище розкладання білого світла в спектр – явище дисперсії.

ІІ група.

Обладнання: склянки з водою і тонкою плівкою гасу; склянки з мильним розчином та дротяною рамкою, кільця Ньютона.

Завдання:

1.               Розгляньте забарвлення плівки гасу на поверхні води, зміну забарвлення в залежності від кута падіння променів.
2.               Розгляньте забарвлення мильної плівки.
3.               Проспостерігайте картину за допомогою приладу „кільця Ньютона” для білого світла і через світлофільтр.

Які явища ви спостерігали? Які закономірності помітили? Що ви можете розповісти про спостережувані явища?

Теоретичний матеріал. Світлові хвилі називаються когерентними, якщо вони мають однакову частоту (довжину хвилі) і якщо різниця фаз таких хвиль з часом не змінюється або рівна нулю. Інтерференція – це накладання (додавання) двох когерентних хвиль, в результаті чого утворюється сталий в часі просторовий перерозподіл енергії коливань, який спостерігається у вигляді інтерференційної картини. Інтерференційна картина – це чергування максимумів (посилення енергії коливань) та мінімумів (послаблення енергії коливань). Вона спостерігається лише тоді, коли:

1. хвилі когерентні;
2. різниця ходу хвиль  порівняна з довжиною хвилі;
3. різниця ходу хвиль набагато менша за відстані, які проходять хвилі до місця накладання.

Історична довідка: інтерференційні картини спостерігали І.Ньютон, Т.Юнг, О.Френель, Ломоносов, Р.Гук., Гюйгенс та інші. Але  описав це явище кількісними формулами на основі уявлень про хвильову природу світла, що є цьому причиною, лише Френель.

ІІІ група.

Обладнання:  клаптики паперу зі щілиною, кусочки лазерного диска, дифракційні гратки, клаптики паперу із отвором.

Завдання:

1. проспостерігайте вид джерела світла крізь щілину в папері та крізь отвір в папері;
2. проспостерігайте  зображення джерела світла у відбитому від поверхні лазерного диска світлі (напрям ліній запису інформації повинен  бути перпендикулярним до напрямку світлового променя);
3. проспостерігайте зображення джерела світла за допомогою дифракційних граток.

Які явища ви спостерігали? Які закономірності помітили? Що ви можете розповісти про спостережувані явища?

 Дифракція – це явище огинаннями хвилями перешкод або відхилення від прямолінійного напрямку поширення. За умови, коли  розміри перешкод порівнянні з довжиною хвилі і набагато менші за відстані, які долає хвиля, то  на екрані спостерігають дифракційну картину перерозподілу світлової енергії.

Прилад, що являє собою скляну пластинку із нанесеними на неї з частотою 100,200....1000 непрозорими штрихами, називається дифракційною решіткою (граткою).

Історична довідка: явище дифракції вивчали  І.Ньютон, Ейлер, Гук, Гюйгенс, Френель.  Але перша ґрунтовна праця – мемуари по дифракції, яка пояснювала явище огинання світловими хвилями перешкод, була зроблена у 1815р Огюстенем Жаном Френелем. 20 квітня 1818 року Френель завершує другу працю „Записка про теорію дифракції”.

ІV група.

Обладнання:  поляроїди, точкове джерело світла,  збиральна лінза, екран.

Завдання:

1. спостерігайте зображення джерела світла через лінзу  і один з поляроїдів на екрані;
2. спостерігайте зображення джерела світла через лінзу  і обидва поляроїди на екрані ( площини поляризації паралельні);

спостерігайте зображення джерела світла через лінзу  і обидва поляроїди на екрані ( площини поляризації перпендикулярні

Теоретичний матеріал: природне світло – це електромагнітні хвилі, в яких вектори напруженості електричного поля Е та магнітної індукції В коливаються в усіх можливих напрямках орієнтації. Світло, в якого електричні коливання ( а отже і взаємно перпендикулярні їм магнітні) здійснюються лише в одній площині називається поляризованим. Явище виділення із природного світла поляризованих променів називається поляризацією.

Історична довідка: ідею полярності світлових частинок зробив Ісаак Ньютон, але явище поляризації світла було відкрите і описане у 1808 р. французьким військовим інженером Етьєном – Луї Малюсом.

dsin = k

 = k   

 = (2k + 1) /2