Урок на тему "Інтерференція та дифракція світла"

Тема. Інтерференція та дифракція світла 

Мета: ознайомити учнів з інтерференцією та дифракцією світла,  різними способами дослідження оптичних явищ; навчити визначати й аналізувати умови, за яких спостерігаються ці явища;  продовжити формувати  уявлення про світло. Розкрити причинно-наслідкові зв’язки при спостереженні оптичних явищ у природі та в лабораторних умовах, з метою пояснення проведених експериментів (на основі розвитку уявлень і знань про світло, зв’язку електричного та магнітного полів, тощо). Продовжувати формувати інтерес до історії розвитку фізики як фундаментальної науки. Розвивати в учнів їхній світогляд на прикладі явищ інтерференції і дифракції світла ознайомити учнів із хвильовими властивостями світла; ознайомити зі способами утворення когерентних хвиль; розвивати пам'ять, мислення учнів; формувати пізнавальний інтерес до вивчення фізичних явищ.

Хід уроку

І. Організаційний момент.

На початку уроку учні отримують картки само-оцінювання своєї роботи на уроці

ІІ. Мотивація навчальної діяльності

Монах, що керує будівництвом собору, вирішив подивитися, як працюють робітники. Він підійшов до першого і попросив розказати про свою роботу.                                                     -         Я сиджу перед каменем і працюю різцем. Нудна і важка робота, - сказав той зі злістю.                                                                                                                               Монах підійшов до другого і запитав його те саме.                                                                                       -         Я ріжу камінь і цим заробляю гроші. Тепер моя сім’я не голодує,  - стримано відповів той.                                                                                                                                                                                  -         Монах запитав і третього про його роботу.                                                                                                 З боку здається, що я ріжу камінь. Але насправді я будую Собор, який простоїть тисячу років. Я будую майбутнє, посміхнувшись сказав робітник.                                                     Про що ж ідеться у даній притчі?

ІІ. Актуалізація знань.

Про світло говорили не тільки фізики, а й відомі письменники. Ось, що говорив про світло  відомий український письменник О.Гончар: « Світло – це сама загадковість… Дивовижний, найблагородніший вияв матерії, вияв її найдосконаліший, границя її можливого руху. Неперевершене в швидкості.. Воно і хвиля, і частка, і, можливо, ще щось…»

Чи правий О.Гончар у своїх твердженнях?

1. Сформулювати основні закони геометричної оптики.

2. Наведіть приклади, що підтверджують справедливість цих законів.

3. Нагадайте правила побудови зображень в лінзах.

ІІІ. Вивчення нового матеріалу.

Епіграфом до нашого уроку я взяла слова відомого фізика Араго:

Хто б міг подумати, що світло, складаючись зі світлом, може викликати темряву?

Як ви розумієте ці слова? Чи згодні ви з ними? Сьогодні на уроуі це з’ясуємо. Ми вивчимо два фізичних явища, зумовлені хвильовими властивостями світла.

Інтерференція світлових хвиль

В 1801 р молодий англійський вчений Томас Юнг кинув виклик корпускулярній теорії світла Ньютона. В Кембриджі він мав прозвисько «Феномен Юнг». Він виконав експеримент, який зацікавив вчених всього світу. Відстань між щілинами 2 мм. За теорією Ньютона: на екрані спостерігатимуться дві полоси світла. Однак, насправді, з’являються декілька світлих і темних полос. Найдивовижне: навпроти проміжку між щілинами спостерігається світла полоса.

Оскільки хвилі не взаємодіють одна з одною, то кожна область простору, куди приходять дві або кілька хвиль, буде брати участь у коливаннях, зумовлених кожною хвилею окремо.

Для того щоб знайти результуюче зміщення у певній точці простору, потрібно знайти зміщення, спричинене кожною хвилею, а потім скласти їх.

Додавання в просторі хвиль, за яких утворюється постійний у часі розподіл амплітуд результуючих коливань, називається інтерференцією.

Інтерференцією хвиль називається явище посилення коливань в одних точках простору й ослаблення в інших у результаті накладення двох або декількох хвиль, що приходять у ці точки.

Посилення хвиль називають точками максимуму, послаблення – точками  мінімума.

Когерентність

Стійка інтерференційна картина виникає тільки в тому випадку, коли складаються хвилі з однаковою довжиною хвилі і, як говорять, погоджені одна з одною за фазою — наприклад, такі, що перебувають увесь час в однаковій фазі або протифазі. Такі «погоджені» хвилі називають когерентними.

Когерентні хвилі – хвилі, що мають однакову частоту та постійну різницю фаз.

Способи отримання когерентних хвиль:

• світло одного джерела розділити на декілька (щілини, плівки)
• лазери.

??? Чому ми не бачимо інтервенційну картинку в шкільній кімнаті?

Хвилі, що йдуть від різних джерел світла, не бувають когерентними, тому що світло випускають атоми у вигляді порівняно коротких «порцій» хвиль, причому окремі порції не погоджені одна з одною. У результаті амплітуда коливань у будь-якій точці простору хаотично змінюється з часом. Ніякої стійкої картини з певним розподілом максимумів і мінімумів освітленості не спостерігається.

Оскільки світло має хвильові властивості, то повинне спостерігатися явище інтерференції світла. Але одержати інтерференційну картину (чергування максимумів і мінімумів освітленості) за допомогою двох незалежних джерел світла, наприклад двох електричних лампочок, неможливо.

Інтерференція світла

Для одержання двох когерентних світлових хвиль випромінювання від того самого атома можна розділити шляхом відбиття або заломлення на два пучки. У випадку хвиль від двох джерел взаємне посилення хвиль відбувається там, куди дві хвилі приходять в однаковій фазі, тобто максимум однієї хвилі збігається з максимумом іншої, а мінімум збігається з мінімумом.

Приклади інтерференції

• крила метеликів
• колір перлин
• мильні бульбашки
• комп’ютерні диски

Застосування  інтерференції

      -  Інтерферометри - прилади, що дозволяють оцінити якість обробки поверхні з точністю до 10-8мікрон по викривленню інтерференційних смуг);

     - просвітлення оптики (Об'єктиви фотоапаратів, запису та відтворення звуку, перископи підводнихчовнів та інші оптичні пристрої складаються з великого числа оптичних стекол, лінз, призм, які покривають тонкою плівкою для зменшення частки відбитої енергії. Товщина плівки S підбирається так, щоб в ній гасилися відбиті хвилі середньої частини спектра (зелені). Тому об'єктив має характерний бузковий відтінок (відображаються червоні і сині хвилі);

• інтерференційні мікроскопи;
• голографія.

Дифракція світла

Наявність чіткої тіні за освітленим об’єктом вважалася вагомим свідченням прямолінійного поширення світла. Проте що далі перебуває від об’єкта його тінь, то більш розпливчастими стають її обриси. З одного боку, світло проникає в область геометричної тіні, з іншого — ослаблення освітленості спостерігається в тих частинах простору, де тінь, здавалося б, має бути відсутньою.

Якщо на шляху пучка світла поставити невелике непрозоре тіло, розміри якого порівнянні з довжиною світлової хвилі, то світло, огинаючи краю цього тіла, буде відхилятися від прямолінійного поширення.

Відхилення від прямолінійного поширення хвиль, огинання хвилями перешкод, проникнення в область геометричної тіні називається дифракцією.

Це явище властиве всім хвильовим процесам. Дифракція — це порушення прямолінійності поширення хвиль під час проходження повз перешкоду або через отвір.

У середині XVII століття італійський учений Франческа Марія Гримальді поставив такий дослід: він поміщав різні предмети в дуже тонкий пучок сонячного світла, що пройшов через малюсіньку дірочку у віконній ставні, і спостерігав тіні від цих предметів на білому екрані. Досліди Гримальди свідчили про те, що

- навіть в однорідному середовищі світло не завжди поширюється прямолінійно: поблизу країв перешкод воно загинається, відхиляючись від прямолінійного поширення.

Оскільки довжина світлової хвилі дуже мала, кут відхилення світла від напрямку прямолінійного поширення незначний. Тому для виразного спостереження дифракції потрібно або використовувати дуже маленькі перешкоди, або ж розташовувати екран далеко від перешкод.

Дифракція світла — це явище огинання границь непрозорих тіл — країв отворів, вузьких щілин і екранів, тобто порушення прямолінійності світла.

Теорію дифракції на початку XIX століття на основі хвильової теорії світла розробив французький учений Огюстен Френель. Дифракція світла визначає границі застосовності геометричної оптики.

Виявляється, закон прямолінійного поширення світла й інші закони геометричної оптики виконуються доволі точно лише в тому випадку, якщо розміри перешкод на шляху поширення світла набагато більші від довжини світлової хвилі.

Закони геометричної оптики є наслідками хвильової теорії світла, коли довжина світлової хвилі набагато менша за розміри перешкод.

Дифракційна решітка – оптичний прилад, який складається з великої кількості паралельних щілин, розташованих на однакових відстанях.

“Отже, зараз спробуємо проспостерігати дані оптичні явища в лабораторних умовах, а також пояснити механізм їх утворення”.

ІV. Закріплення навчального матеріалу. Робота в групах

Пояснення щодо організації уроку

Робота в групах (в залежності від кількості присутніх учнів в класі, слід поділити їх на невеликі групи (по 4-6 осіб в кожній)).

Заздалегідь слід підготувати роздруківки із завданнями для кожної групи. Якщо приладів у кабінеті є вдосталь, то роздати по комплекту необхідних матеріалів для експерименту на кожний стіл.

• у межах кабінету розташувати групи парт і поставити на них необхідні комплекти, попередньо, ще раз наголосивши, на правила з БЖД під час виконання експериментальних завдань;
• усі команди отримують індивідуальні завдання зі спостереженням окремого явища; на виконання досліджень учням відводиться по 5-7 хв;
• якщо ж у учнів виникають труднощі, то їм пропонується переглянути віртуальні досліди , скориставшись QR-кодами  і переглянути їх зміст через Інтернет-мережу.

В ході виконання завдань учні в групах мають разом проаналізувати послідовність виконання завдань та зробити усні і письмові висновки зі спостережень.

Вчитель, у той же час, має слідкувати за дотриманням правил техніки безпеки під час проведення дослідів.

Спостереження інтерференції світла

Мета: показати учням на практиці способи відтворення явища інтерфкренції світла в лабораторних умовах.

Обладнання: дві скляні пластинки, дротяна рамка на підставці, мильна вода, екран, кольорові олівці, кільця Ньютона.

Хід експерименту

1. Дослідити інтерференцію світла у двох скляних пластинках.
2. Спостерігати кільця Ньютона.
3. Дослідити інтерференцію світла у мильному розчині

Запитання в ході експерименту

1. Що ви спостерігаєте під час дослідів?
2. Яким чином інтерферує світло?
3. Як змінюється інтерференційна картина у мильному розчині? Від чого це залежить?
4. Де в побуті ви могли б відтворити або спостерігати дане явище самостійно?

Спостереження дифракції світла

Мета: показати учням на практиці способи відтворення явища дифракції світла в лабораторних умовах.

Обладнання: електрична лампа з прямою ниткою розжарення, екран, кольорові олівці, шматочки шовкових тканин або капрон, кольорові світлофільтри, екран зі щілиною, дифракційна гратка, лезо, пір’їна.

Хід експерименту

1. Дослідити дифракцію через тканину.
2. Дифракція від щілини.
3. Спостереження дифракції через дифракційну гратку.

Запитання в ході експерименту

1. Що ви спостерігаєте під час дослідів?
2. За яких умов дифракційна хвиля проявляється досить чітко?
3. Чому за допомогою мікроскопа не можна побачити атом?
4. Де в побуті ви могли б відтворити або спостерігати дане явище самостійно

Звіт  груп про проведену роботу

V. Рефлексія

Самостійна робота

VІ. Підсумок уроку

На зворотній стороні написати:

Знаю- (написати те, що вже було відомо з даної теми)

Хочу знати -

Дізналися –

VІІ. Домшнє завдання

Опрацювати: параграфи 30, 31;

Виконати: вправа 30 №3;

Творче завдання: Дізнайтесь у чому суть голографії, як створюють голограму, які її особливості