Урок з теми „Розвиток поглядів на природу світла. Корпускулярно-хвильовий дуалізм"

Тема уроку: „Розвиток поглядів на природу світла. Корпускулярно-хвильовий дуалізм" (11 клас).

Мета уроку: Показати основні етапи еволюції поглядів про природу світла. Розвивати в учнів спостережливість, уміння шукати причинно-наслідкові зв'язки. Розширити кругозір учнів показуючи зміну поглядів на природу світла.

Тип уроку: Урок застосування знань, умінь та навичок.

Обладнання: Таблиці, портрети вчених, прилади для демонстрації мильних бульбашок та тиску світла.

Щоб урок пройшов ефективно, проводили підготовчу роботу:

1.     Під час    вивчення    окремих    питань    оптики    робимо    відповідні узагальнення,   розповідаємо   про   вчених,   з   ім'ям   яких   пов'язано формування тієї чи іншої ідеї.
2.     Заздалегідь ознайомлюємо  учнів  з  темою  і метою  уроку,  з рекомендованою літературою.
3.     Заздалегідь учні отримують певні завдання.

Хід уроку.

Учитель.

Вивчаючи розділ „Оптика" ми велику увагу приділили „Світловим явищам". Розглянули наукові факти і припущення. За допомогою різних гіпотез пояснили механізм відомих оптичних явищ. З'ясували, які моделі світла відповідають цим гіпотезам, а також зазначили переваги і недоліки кожної з них.

А сьогодні ми повинні відповісти на запитання „Що таке світло -- хвиля чи частинка (корпускула)?".

Розглядаючи розвиток основних поглядів на природу світла, виділяємо декілька періодів.

Про первісні уявлення про природу світла нам будуть розповідати учні першої групи.

Учень 1. Люди вже з давніх-давен намагалися з'ясувати природу світла. Проблема природи світла виникла в зв'язку зі спробами древніх мислителів розв’язати питання про зір. Вже старогрецькі філософи усвідомлювали, що зорові відчуття зумовлені взаємодією ока з предметом і що посередником цієї взаємодії є промені. Але не знаючи справжньої природи світлових променів, вони висували різні гіпотези і моделі світла.

Так, Піфагор (580-500 рр. до н.е) був прихильником теорії променів, згідно з якою зір зумовлений особливими променями, що виходять з очей.

Учень 2. Засновник атомістики Демокріт (460 -370 рр. до н.е) міркував інакше. Він вважав, що зір зумовлений падінням на поверхню ока дрібних атомів, що виходять з променів.

Відомі на той час експериментальні факти (прямолінійне поширення світла, явище відбивання і заломлення світла) пояснювали як однією, так і другою теорією. Це тому, що для геометричних побудов не мала значення природа променів, а важлива лише властивість прямолінійного поширення. Щоб їх обґрунтувати, використовувався повсякденний досвід. Показовим щодо цього є висловлювання Аристотеля (384 -322 рр. до н.е): „Якщо б бачення залежало від світла, що виходить з ока, як ліхтар, то чому б нам не бачити в темряві?".

Учень 3. Завершується цей період публікацією закону заломлення світла, зробленого Декартом. До цього часу вже було остаточно усвідомлено: зорові відчуття зумовлені дією світла на око. Декарт (1596 -1650) вважав, що світло - це згущення, вони поширюються в ідеально пружному середовищі (ефірі), яке заповнює світловий простір і проміжки між частинками тіл. Але послідовно провести цю ідею Декарт не міг і при виведенні законів відбивання і заломлення світла користувався уявленням про світло, як про потік частинок.

Учитель: Так які підсумки ми можемо зробити?

Учні: Цей період характеризується виділенням світла в матеріальний об'єкт і висуненням перших образних моделей світла - у вигляді корпускул (Демокріт), у вигляді згущень, які поширюються в просторі (Декарт). Але за відсутністю наукових фактів вони залишилися припущеннями.

Учитель: В основі другого періоду лежать хвильові та корпускулярні уявлення про природу світла (друга половина XVII - початок XIX ст.). Цей етап пов'язаний з відкриттям нових оптичних явищ - дифракції, інтерференції та поляризації світла – і наполегливими спробами з'ясувати їхню суть, тобто розкрити механізм взаємодії. Тут остаточно викристалізовуються два істотно відмінні уявлення про природу світла - хвильові та корпускулярні. Відповідно до них будуються образні моделі світла та його взаємодія з речовиною. Уявлення про цей етап дає аналіз оптичних досліджень Грімальді (1618-1663), Гюйгенса (1629 -1695) і Ньютона (1643-1727).

Учні другої групи пояснюють в чому полягає мета дослідів, які проводив Грімальді.

Учень: У першому з них на шляху світлового пучка він ставив палицю. На великій відстані від неї тінь була ширшою, ніж це дозволяли закони геометричної оптики. У другому - пластинку з двома близько розміщеними отворами. При цьому на екрані спостерігалися дві плями, які взаємно перекривались. У місці їх накладання утворювалися темні й світлі смуги.

Учитель: Які висновки треба зробити з цих дослідів?

Учень: Накладання світла на світло може спричинити зменшення освітленості. Хочу зазначити, що до таких висновків прийшов і Грімальді, але він не зміг розкрити суті спостережуваних явищ, а обмежився лише припущенням про хвильову природу світла.

Учитель: Над питанням з оптики працював вчений Хрістіан Гюйгенс, з роботами якого ми вже ознайомились.

Проводимо бесіду за таким планом:

1. Суть принципу Гюйгенса.
2. Які закони геометричної оптики можна пояснити за цим принципом?
3. Яка модель світла за Гюйгенсом?
4. Які оптичні явища можна пояснити за допомогою цієї моделі?
   Учитель: В чому полягає значення робіт X. Гюйгенса?

Учні: Значення робіт Гюйгенса зумовлено відкритим ним принципом, який дає змогу зробити кінематичний аналіз хвильового руху. Але через те, що він вважав світлові хвилі поздовжніми, та не зміг пояснити прямолінійного поширення світла, теорію кольорів, а також відкритого ним явища поляризації світла при подвійному променезаломленні.

Учитель: На протязі декількох уроків ми ознайомилися з оптичними дослідами І. Ньютона.

Проводимо бесіду за таким планом:

1.                       Які фундаментальні дослідження Ньютона покладено в основу теорії кольорів? Описати їх.
2.  Які досліди з дифракції світла проводив Ньютон? Висновки з них.
3.    У чому суть корпускулярної теорії світла, створеної Ньютоном?
4.    Які вихідні факти було покладено в основу цієї теорії?

В чому полягає значення робіт І. Ньютона?

Учень: В оптиці Ньютон зосередив основну увагу на експериментальних дослідженнях, намагаючись відділити вірогідні факти від суперечливих гіпотез. Найважливішим експериментальним відкриттям Ньютона було явище дисперсії світла, яке покладено в основу теорії кольорів. І.Ньютон був прихильником корпускулярної теорії, вихідним фактом якої було прямолінійне поширення світла.

Учитель: В першій половині XIX ст. почалося обґрунтування хвильової гіпотези та побудова основ хвильової теорії світла. В історії розвитку оптики цей період знаменує собою остаточну перемогу хвильової теорії світла - оптики пружного ефіру. Причому перемога ця зумовлена не відкриттям нових оптичних явищ, а детальним вивченням і з'ясуванням суті вже відомих.

Початок цього етапу розвитку хвильової теорії поклав Т.Юнг (1773-1829).

Пропоную дати відповідь на запитання, які в свій час поставив Юнг:

1. Чому  швидкості частинок, які  випускають слабкі  й сильні джерела світла, однакові?
2.    Чому,   переходячи  з   одного   середовища   в   інше,   частина променів постійно відбивається, а друга постійно заломлюється?

Які висновки треба зробити з робіт Т.Юнга?

Учень: Проаналізувавши ці питання, приходимо до висновку, що вони не пояснюються на основі корпускулярної теорії. Юнг розглянув ці проблеми на основі хвильової теорії світла і відкрив принцип суперпозиції хвиль, що дало йому змогу пояснити деякі явища і досліди, зокрема, кільця Ньютона, кольори тонких пластинок та ін. Але Юнг вважав світлові хвилі поздовжніми і тому за допомогою такої моделі не зміг пояснити явища подвійного променезаломлення.

Учитель: Але перед наукою стояла проблема - створити теорію світла, яка б дала пояснення всім відкритим оптичним явищам. Розв'язанню цієї проблеми сприяли дослідження О.-Ж.Френеля (1788-1827).

Проводимо бесіду за таким планом:

1. Які доповнення до принципу Гюйгенса вніс Френель?

2. Які закони геометричної оптики можна пояснити за принципом Гюйгенса-Френеля?

3. Які досліди з інтерференції світла проводив Френель?

4. Яка модель світла за Френелем? Її переваги і недоліку.
Учитель: Яку теорію створив Френель на основі своїх досліджень.

Учні: Френель створив струнку математичну теорію дифракції, яка дала йому можливість пояснити прямолінійне поширення світла з погляду хвильової моделі; здійснив блискучі експерименти з інтерференції поляризованого світла, на основі яких доведено попередність світлових хвиль; модель світла за Френелем - поперечна хвиля, яка поширюється в невагомому ефірі, що заповнює весь простір і тіла.

Учитель: Хочу підкреслити, що в науці важливо не тільки виявити нове явище, а й не менш важливо з'ясувати його суть, механізм взаємодії об'єктів, яким воно зумовлено. Отже, успіх наукового дослідження забезпечується єдністю експериментального і теоретичного методів пізнання.

Учитель: У другій половині XIX ст. Максвелл висунув гіпотезу про електромагнітну природу світла.

Вихідним фактом для цього був збіг значень швидкості світла і електромагнітних хвиль.

Чому ця гіпотеза не суперечила іншим фактам?

Учні: Так, відповідно до гіпотези, модель світла має бути аналогічною до моделі електромагнітної хвилі, володіючи властивостями періодичності в просторі й часі і поляризації. А отже, вже відомі явища - прямолінійне поширення світла, інтерференція, дифракція і поляризація світла - дістали своє природне пояснення у межах електромагнітних хвиль. Для остаточного доведення електромагнітної природи світла потрібно було експериментально підтвердити, що світло взаємодіє із зарядженими частинками відповідно до законів електродинаміки.

Учитель: Після ряду дослідів вчені прийшли до висновків:
1. Падаючий пучок світла тисне як на поверхню, що поглинає, так і на поверхню, що відбиває; 2. Сили тиску світла прямо пропорційні енергії падаючого променя і не залежать від кольору. 3. Спостережувані сили тиску світла в межах похибок спостережень кількісно дорівнюють силам тиску променистої енергії.

Учні: Виміряний таким чином тиск світла за величиною повністю збігається з теоретичними значеннями, передбаченими Максвеллом.

Учитель: Але в XX ст. Виникають факти, що не знайшли собі пояснення в межах хвильових уявлень про світло. Це приводить до виникнення квантової моделі світла. Які це факти?

Учні: В кінці XX ст. Виявилося серйозне розходження між результатами теоретичних обчислень розподілу енергії в спектрі випромінювання тіл і експериментом. Такі явища, як фотоефект, люмінесценція та інші, не можна було пояснити за допомогою хвильової теорії.

Учитель: Що таке фотоефект? Які закони фотоефекта ви знаєте? Які експериментальні факти не можна було пояснити на основі моделі електромагнітної хвилі?

Учні:  1. При фотоефекті світло з даною довжиною хвилі по-різному діє на різні метали.

2. Кінетична енергія електрона, вирваного світлом з металу, не залежить від інтенсивності падаючого світла, а залежить лише від його частоти.

Учитель: Роботи яких вчених допомогли пояснити ці суперечності.

Учні: М. Планк, А. Ейнштейн.

Учитель: Які висновки були зроблені вченими?

Учні: М. Планк: групу явищ, пов'язаних з виникненням і перетворенням світла, можна пояснити, якщо припустити, що енергія світла поширюється в просторі не неперервно, а дискретно, певними порціями - квантами. Квантова модель світла зручна для пояснення таких оптичних явищ, як фотоефект, фотолюмінісценція, фотохімічні дії світла та ін.

Учні: Ейнштейн, пояснюючи явище фотоефекту, використав до ньютонівські уявлення про неподільні світлові частинки, але на новому, вищому рівні, коли оптика вже не могла відмовитися від хвильових уявлень.

Учитель: Ще раз звертаємося до проблеми, поставленої на початку уроку: яка ж природа світла?

Учні: Одні оптичні явища можна пояснити, використовуючи модель світла у вигляді електромагнітної хвилі, а інші, - вважаючи світло потоком частинок.

Учитель: Так світло - це частинка чи хвиля?

Учні: У розумінні класичної фізики світло - це не хвилі і не частинки, воно мас електромагнітну природу. При малих частотах більше проявляються хвильові властивості світла, а при великих - корпускулярні. Світло одночасно має властивості неперервних електромагнітних хвиль і властивості дискретних фотонів. Воно має протилежні властивості - неперервності і дискретності.

Учитель: Сьогодні на уроці ми визначили, що світло має подвійні властивості. Володіє корпускулярно-хвильовим дуалізмом.

Домашнє завдання:

 Заповніть таблицю.