План-конспект урока по теме «Когерентность. Интерференция света»
Цели урока:
· способствовать формированию у учащихся представлений о сущности интерференции волн; свойствах и средствах описания явления интерференция света;
· продолжить формирование представлений о единстве света;
· содействовать дальнейшему развитию у учащихся приемов логического мышления (анализ, синтез, сравнение), структуры и правил логического изложения материала;
· создать условия для повышения познавательного интереса к предмету; формирование научного мировоззрения.
Тип урока: урок усвоения новых знаний.
Учащиеся должны знать: понятие явления интерференция света, свойства и средства описания данного явления, научные методы получения интерференционной картины и способы применения интерференции света в технике.
Учащиеся должны уметь: объяснить наблюдаемые в природе явления с точки зрения интерференции света (окрашивание радужной окраской крыльев стрекоз, мыльных пузырей, нефтяной пленки на поверхности воды, поверхности лазерных дисков).
Приборы и оборудование: программное и методическое обеспечение урока: учебное пособие «Физика,11» В.В.Жилко и др., §13; ЭСО «Физика. Волновая оптика»; компьютер и мультимедиа проектор.
План урока
| 1. Организационный этап 2. Актуализация знаний и мотивация учащихся на изучение учебного материала 3. Объяснение нового материала 4. Усвоение новых знаний 5. Подведение итогов урока. Рефлексия 6. Домашнее задание | 2 мин 3 мин 25 мин 10 мин 4 мин 1 мин |
Ход урока
1. Организационный этап
Учитель объявляет тему урока. Учащиеся открывают тетради и записывают в них дату и тему урока.
2. Актуализация знаний и мотивация учащихся на изучение учебного материала
Предлагается фронтальная форма работы.
Учащимся задать вопрос: Почему мыльные пузыри имеют радужную окраску?
Возможный вариант обсуждения. Именно интерференция делает мыльный пузырь достойным восхищения. Давайте разберёмся в сути этого явления?
Демонстрация с помощью средств ЭСО «Физика. Волновая оптика. Комплект компьютерных моделей»
Коллективно обсуждаем вопросы: Что называется интерференцией волн? При каких условиях она наблюдается? Каковы основные черты интерференционной картины? Что происходит с энергией волн при их интерференции? Какие выводы можно сделать о природе света, если бы наблюдать интерференцию света? Можно ли свет погасить светом? Почему не наблюдается интерференция света от двух электрических лампочек?
3. Объяснение нового материала
Явление интерференции лучше наблюдать в случае механических волн. Например, на поверхности воды, когда поблизости колеблются два поплавка или одновременно одной рукой бросить два камня
Допустим, что имеется два источника синусоидальных волн S1 и S2, которые создают колебания в точке С, расположенной от источника на расстоянии d1 и d2, колебания источников S1 и S2 совпадают по фазе и имеют одинаковые амплитуды и частоты. Найдём результирующее смещение точки С. Амплитуда смещения зависит от разности расстояний d2-d1, которую называют разностью хода.
Демонстрация с помощью средств ЭСО «Физика. Волновая оптика. Комплект компьютерных моделей»
Здесь возможны два предельных случая. Рассмотрим условия максимума и минимума.
Запишем условием максимума: 
.
Запишем условие минимума:.
Запишем определения
Интерференция света — явление сложения двух или более когерентных монохроматических световых волн, приводящее к образованию в пространстве устойчивой картины чередующихся максимумов и минимумов амплитуд результирующего колебания, которые образуются в разных точках пространства, в зависимости от разности фаз колебаний волн в этих точках.
Интерференция возникает только при условии, что источники волн когерентные, т.е. испускают монохроматичные световые волны с постоянной разностью фаз, и расположены близко друг от друга. Таким примером являются два зеркальных изображения одного источника света.
У двух некогерентных источников света никогда не сохраняется постоянная разность фаз волн, поэтому их лучи не интерферируют.
В результате наложения когерентных волн (интерференции волн) образуется интерференционная картина. Такие явления называют интерференцией волн, а саму картину - интерференционной. Для образования устойчивой интерференционной картины необходимо, чтобы волны, испускаемые источником, имели одинаковую частоту и разность фаз их колебаний была постоянной. Источники, удовлетворяющие этим условиям, называют когерентными. Причины интерференции волн: складывание когерентных волн.
Обсуждаем вопрос. Как можно получить когерентные волны?
Способы получения и наблюдения интерференции света:
1) разделение волны по фронту (опыт Юнга, бипризма Френеля, зеркала Ллойда);
2) разделение волны по амплитуде (по ходу волны)-интерференция в тонких плёнках (мыльные пузыри, бензиново-масляные плёнки, крылья насекомых, клин, кольца Ньютона).
Опыт Юнга. Впервые такое наблюдение интерференции света было проведено в 1802 г. английским ученым Томасом Юнгом.
Демонстрация с помощью средств ЭСО «Физика. Волновая оптика. Комплект компьютерных моделей»
В опыте Юнга солнечный свет падал на экран с узкой щелью S (шириной около 1 мкм). Прошедшая через эту щель световая волна падала на экран с двумя щелями S1 и S2такой же ширины, находящимися друг от друга на расстоянии d порядка нескольких микрон.
В результате деления фронта волны световые волны, идущие от щелей S1 и S2, оказывались когерентными, создавая на экране устойчивую интерференционную картину. Вследствие интерференции происходят перераспределение энергии в пространстве.
Юнг впервые измерил длины волн в различных областях видимого спектра. Расстояние от одной щели до точки максимума меньше, чем от второй. Эту разность называют разность хода и обозначают 
. Амплитуда колебаний среды в данной точке максимальна, если разность хода двух волн возбуждающих колебания в этой точке, равна целому числу длин волн: 
Амплитуда колебаний среды в данной точке минимальна, если разность хода двух волн возбуждающих колебания в этой точке, равна нечетному числу полуволн:
Практическое применение интерференции:
· Проверка качества обработки поверхностей.
Проверка качества обработки поверхностей. С помощью интерференции можно оценить качество обработки поверхности изделия с точностью до 1/10 длины волны, т. е. с точностью до 10-6 см. Для этого нужно создать тонкую клиновидную прослойку воздуха между поверхностью образца и очень гладкой эталонной пластиной. Тогда неровности поверхности размером до 10-6 см вызовут заметные искривления интерференционных полос, образующихся при отражении света от проверяемой поверхности и нижней грани.
Явление интерференции наблюдается в окружающей жизни и применяется в технике. Существуют специальные приборы – интерферометры,- которые предназначены для измерения длины световой волны, определения показателя преломления газов, для оценки качества обработки поверхности металлов и других изделий.
· Просветление оптики
Вопрос: Вы видели стопку оконных стёкол? Вы видели объективы фотоаппаратов?
Одним из применений является “просветление” оптики. Отполированная поверхность стекла отражает примерно 4% перпендикулярно падающего на неё света. Современные оптические приборы содержат большое число стеклянных деталей. Проходя через каждую деталь, свет ослабляется. Общие потери в объективе фотоаппарата составляет примерно 25%, а в призменном бинокле и микроскопе – 50%.
Для уменьшения потерь в оптических приборах все стеклянные детали, через которые проходит свет, покрывают плёнкой определённой толщины, показатель преломления которой меньше показателя преломления стекла. В результате в отражённом свете возникает интерференционный минимум, а в проходящем - возникает интерференционный максимум, т.е. через стеклянную деталь проходит больше света. Таким образом, оптика как бы “просветляется”.
4. Подведение итогов урока. Рефлексия
5. Домашнее задание
План-конспект урока по теме «Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракционная решетка»
Цели урока:
· способствовать формированию у учащихся представлений о дифракции света, понятие дифракции света с помощью принципа Гюйгенса-Френеля, зоны Френеля, устройство и принцип действия дифракционной решетки;
· содействовать дальнейшему развитию у учащихся приемов логического мышления (анализ, синтез, сравнение), структуры и правил логического изложения материала;
· создать условия для воспитания трудолюбия, внимательности, четкой постановки задачи и технологического подхода к её решению.
Тип урока: урок усвоения новых знаний.
Учащиеся должны знать: понятие явления дифракции света, свойства и средства описания данного явления, научные методы получения дифракции света с помощью принципа Гюйгенса-Френеля.
Учащиеся должны уметь: использовать дифракционную решетку при решении задач; объяснять наблюдаемые в природе явления с точки зрения дифракции света.
Программное и методическое обеспечение урока: учебное пособие «Физика,11» В.В.Жилко и др., §14; ЭСО «Физика. Волновая оптика»; компьютер и мультимедиа; ЭСО «Физика. Подготовка к ЦТ».
План урока
| 1. Организационный этап 2. Актуализация знаний и мотивация учащихся на изучение учебного материала 3. Объяснение нового материала 4. Усвоение новых знаний 5. Подведение итогов урока. Рефлексия 6. Домашнее задание | 2 мин 3 мин 25 мин 10 мин 4 мин 1 мин |
Ход урока
1. Организационный этап
Учитель объявляет тему урока. Учащиеся открывают тетради и записывают в них дату и тему урока.
2. Актуализация знаний и мотивация учащихся на изучение учебного материала.
Приведем пример из жизни.
Наши ресницы с промежутками между ними представляют собой грубую дифракционную решетку. Если посмотреть, прищурившись, на яркий источник света, то можно обнаружить радужные цвета. Явления дифракции и интерференции света помогают природе раскрашивать всё живое, не прибегая к использованию красителей.
Интерференция и дифракция – явления, подтверждающие волновую природу света. Пропуская тонкий пучок света через маленькое отверстие, можно наблюдать нарушение закона прямолинейного распространения света.
Каковы цели нашего урока? Какое явление будем изучать на уроке?
3. Объяснение нового материала
Дифракция света – огибание световой волной непрозрачных тел с проникновением в область геометрической тени и образованием там интерференционной картины.
Дифракция света- явление отклонения световых лучей в область геометрической тени при прохождении мимо краев препятствий или сквозь отверстия, размеры которых сравнимы с длиной световой волны.
Тот факт, что свет заходит за края препятствий, известен людям давно. Первое научное описание этого явления принадлежит Ф. Гримальди. В узкий пучок света Гримальди помещал различные предметы, в частности тонкие нити. При этом тень на экране оказывалась шире, чем это должно быть согласно законам геометрической оптики. Кроме того, по обе стороны тени обнаруживались цветные полосы. Пропуская тонкий пучок света через маленькое отверстие, Гримальди также наблюдал отступление от закона прямолинейного распространения света. Светлое пятно против отверстия оказывалось большего размера, чем это следовало ожидать при прямолинейном распространении света.
В 1802 году Томас Юнг поставил классический опыт по дифракции.
В непрозрачной ширме он проколол булавкой два маленьких отверстия В и С на небольшом расстоянии друг от друга. Эти отверстия освещались узким световым пучком, прошедшим через малое отверстие А в другой ширме. Именно эта деталь, до которой очень трудно было додуматься в то время, решила успех опыта. Интерферируют ведь только когерентные волны. Возникшая в соответствии с принципом Гюйгенса сферическая волна от отверстия А возбуждала в отверстиях В и С когерентные колебания. Вследствие дифракции от отверстий В и С выходили два световых конуса, которые частично перекрывались. В результате интерференции этих двух световых волн на экране появлялись чередующиеся светлые и темные полосы. Закрывая одно из отверстий. Юнг обнаружил, что интерференционные полосы исчезали. Именно с помощью этого опыта впервые Юнгом были измерены длины волн, соответствующие световым лучам разного цвета, причем, весьма точно.
Теория дифракции
Французский ученый О. Френель не только более детально исследовал различные случаи дифракции на опыте, но и построил количественную теорию дифракции. В основу теории Френель положил принцип Гюйгенса, дополнив его идеей об интерференции вторичных волн. Принцип Гюйгенса в его первоначальном виде позволял находить только положения волновых фронтов в последующие моменты времени, т. е. определять направление распространения волны. По существу, это был принцип геометрической оптики. Гипотезу Гюйгенса обогибающей вторичных волн Френель заменил физически ясным положением, согласно которому вторичные волны, приходя в точку наблюдения, интерферируют друг с другом.
Различают два случая дифракции:
Если преграда, на которой происходит дифракция, находится вблизи от источника света или от экрана, на котором происходит наблюдение, то фронт падающих или дифрагированных волн имеет криволинейную поверхность (например, сферическую); этот случай называется дифракцией Френеля.
Если размеры препятствия много меньше расстояния до источника, то волну, падающую на препятствие, можно считать плоской. Дифракцию плоских волн часто называют дифракцией Фраунгофера.
Демонстрация с помощью средств ЭСО «Физика. Волновая оптика. Комплект компьютерных моделей»
Принцип Гюйгенса: каждая точка поверхности, достигнутая световой волной, является вторичным источником световых волн. Огибающаявторичных волн, становится волновой поверхностью в следующий момент времени.
Принцип Гюйгенса-Френеля: каждый элемент волнового фронта можно рассматривать как центр вторичного возмущения, порождающего вторичные сферические волны, а результирующее световое поле в каждой точке пространства будет определяться интерференцией этих волн.
Демонстрация с помощью средств ЭСО «Физика. Волновая оптика. Комплект компьютерных моделей»
Дифракционная решетка представляет собой совокупность большого числа очень узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками. Если на решетку падает монохроматическая волна – то щели (вторичные источники) создают когерентные волны. За решеткой ставится собирающая линза, далее- экран. В результате интерференции света от различных щелей решетки на экране наблюдается система максимумов и минимумов.
Положение всех максимумов, кроме главного зависит от длины волны. Поэтому если на решетку падает белый свет, то он разлагается в спектр. Поэтому дифракционная решетка является спектральным прибором, служащим для разложения света в спектр. С помощью дифракционной решетки можно точно измерять длину волны, так как при большом числе щелей области максимумов интенсивности сужаются, превращаясь в тонкие яркие полосы, а расстояние между максимумами (ширина темных полос) растет.
Условие возникновения главных дифракционных максимумов, наблюдается под углом 
, имеет вид: 
– порядок максимума (или порядок спектра), 
–- длина волны падающего излучения.
Полученное условие определяет направления распространения света в пространстве, по которым на отрезке 
укладывается целое число длин волн 
Следовательно, вторичные волны от всех щелей решетки приходят в точку наблюдения синфазно и усиливают друг друга.
Демонстрация с помощью средств ЭСО «Физика. Волновая оптика. Комплект компьютерных моделей»
Разрешающая способность дифракционной решетки.
Для спектральных приборов, содержащих дифракционную решетку, важна способность раздельного наблюдения двух спектральных линий, имеющих близкие длины волн.
Способность раздельного наблюдения двух спектральных линий, имеющих близкие длины волн, называют разрешающей способностью решетки.
Если мы хотим разрешить две близкие спектральные линии, то необходимо добиться, чтобы интерференционные максимумы, соответствующие каждой из них, были по возможности более узкими. Для случая дифракционной решетки это означает, что общее число штрихов, нанесенных на решетку, должно быть по возможности очень большим. Так, в хороших дифракционных решетках, имеющих около 500 штрихов на одном миллиметре, при общей длине около 100 мм, полное число штрихов равно 50000.
Решетки в зависимости от их применения бывают металлическими или стеклянными. Лучшие металлические решетки имеют до 2000 штрихов на один миллиметр поверхности, при этом общая длина решетки составляет 100-150 мм. Наблюдения на металлических решетках проводят только в отраженном свете, а на стеклянных – чаще всего в проходящем свете.
 |
Демонстрация с помощью средств ЭСО «Физика. Волновая оптика. Комплект компьютерных моделей»
Для закрепления нового материала можно совместно с учащимися разобрать 10 тестовых заданий из ЭСО «Физика. Подготовка к ЦТ» тема «Волновая оптика»
4. Подведение итогов урока. Рефлексия
· Было ли интересно сегодня на уроке?
· Вы принимали участие в обсуждении вопросов?
· Удовлетворяет ли Вас темп работы на уроке?
5. Домашнее задание
Учебное пособие «Физика,11» В.В.Жилко и др., §14, подготовиться к уроку решения задач.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Несомненно, освоение информационных компьютерных технологий и их внедрение в образовательный процесс должно происходить уже средней школе, с тем, чтобы выпускник как можно быстрее включался в жизнь общества. Для того чтобы эффективно использовать компьютер, надо уметь скорее не программировать, надо уметь владеть эффективными готовыми программами (ЭСО), позволяющими решать очень разные задачи.
Анализируя электронные средства обучения, предлагаемые сегодня учителю физики, считаю, что на уроке их можно использовать для:
· демонстраций и иллюстраций текстов, формул, фотографий, схем при изучении нового материала;
· демонстраций фотографий ученых, их кратких биографий в виде презентаций или Web-страниц;
· иллюстрации методики решения разноуровневых задач;
· проведения лабораторного практикума;
· контроля за уровнем знаний учащихся;
· творческих, исследовательских заданий;
· проектной деятельности;
· создания компьютерных моделей физических процессов;
· решения экспериментальных задач с использованием компьютерного эксперимента.
Целесообразно применение информационных компьютерных технологий при изучение разделов физики, например, квантовая физика, 11 класс, для которых характерно:
· отсутствие лабораторного практикума как такового на уроке – практикум заменяется компьютерным лабораторным практикумом (изучение фотоэффекта, эффекта Комптона, радиоактивных излучений и т. д. на компьютерных моделях);
· ограниченность демонстрационного эксперимента – демонстрации по квантовой физике транслируются на экране с помощью мультимедийной аппаратуры и персонального компьютера;
· малая степень наглядности – использование компьютерных презентаций и анимации физических процессов снимает данную проблему;
· сложность при решении задач – автоматическое решение задач по предложенным учениками формулам в электронных таблицах, использование компьютерных моделей при решении задач.
Таким образом, использование информационных компьютерных технологий в образовательном процессе делает обучение более содержательным, зрелищным, способствует развитию самостоятельности и творческих способностей обучаемого, существенно повышает уровень индивидуализации обучения. Данные технологии позволяют учащимся работать в своем собственном режиме, не создавая дискомфорта: не успел, не услышал и т.д. Для учащихся, обладающих высокими учебными возможностями, они создают условия за то же самое время получить углубленные или расширенные знания, что значительно экономит время обучающегося и учителя. Причем каждый сам выбирает и уровень учебного материала, который может (а главное хочет) усвоить. Данные технологии открывают новые возможности и перед учителем при подготовке и проведении уроков, позволяют выстроить урок, сделать его разнообразнее по формам, повысить мотивацию к учению, осуществить дифференциацию и индивидуализацию обучения, выстроить индивидуальные образовательные траектории для сильных и слабых учащихся, осуществлять четкий мониторинг за деятельностью учащихся.
Из всего сказанного видна правомерность внедрения новых информационных, в том числе компьютерных, технологий обучения в образовательный процесс при обучении физике в средней школе..