На учебном занятии по физике эффективно могут реализовываться различные инновационные технологии, методы, приемы. В материалах показаны примеры реализации межпредметных связей, использование ИКТ.
План занятия
Тема занятия «Интерференция и дифракция»
Образовательные:
1. Знает законы отражения и преломления света.
2. Объясняет основные свойства световых волн (интерференция, дифракция, дисперсия).
3. Имеет представления о способах наблюдения световых явлений в природе и быту.
Развивающие:
1. Проявляет политехническую культуру.
2. Умеет сравнивать, анализировать и обобщать.
1. Демонстрирует уважительное отношение к деятельности и труду.
Тип занятия: Усвоение нового учебного материала.
Вид занятия: комбинированное
Методы обучения:
Средства обучения:
Литература:
Основная
Дополнительная
План занятия
Этапы |
Методы и приемы |
Время |
1. Организационный момент 2. Мотивация и целеполагание 3. Усвоение нового материала: Интерактивная лекция
4. Закрепление изученного материала 5. Рефлексия
6. Подведение итога урока 7. Домашнее задание.
|
1.1.Приветствие, активизация внимания учащихся 1.2.Проверка присутствующих 2.1.Сообщение и актуализация темы занятия 2.2.Знакомство с целью занятия 3.1.Дисперсия света. 3.1.1. Информация преподавателя с обсуждением. 3.2.Интерференция. 3.2.1. Информация преподавателя с обсуждением. 3.2.2.Заполнение таблицы «Условия минимумов и максимумов» 3.2.3.Экспериментальная работа №1 3.3.Дифракция. 3.3.1. Информация преподавателя с обсуждением. 3.3.2. Экспериментальная работа №2 3.3.3. Заполнение таблицы «Световые явления» 3.4.Дифракционная решетка 3.4.1. Информация преподавателя с обсуждением. 3.4.2. Экспериментальная работа №3 3.4.3. Экспериментальная работа №4 4.1.Решение качественных и количественных задач по карточкам. 5.1.Заполнение творческой карты. 5.2.Обсуждение результатов с помощью «Рефлексивного экрана» 6.1.Выставление оценок |
5 мин.
5 мин.
45 мин
25 мин
5 мин |
План лекции:
1. Организационный момент
1.1. Приветствие.
1.2. Проверка посещаемости.
2. Мотивация и целеполагание
2.1. Сообщение и актуализация темы занятия
2.2.Знакомство с целью занятия
3. Изучение нового материала.
Слайд 1,2
3.1. ДИСПЕРСИЯ СВЕТА
Какое природное явление называют улыбкой Богини Ириды? Какое световое явление объясняет появление радуги на небе?
3.1.1. Слова преподавателя:
Ньютон догадался направить на призму световой пучок малого поперечного сечения. Пучок солнечного света проходил в затемненную комнату через маленькое отверстие в ставне. Падая на стеклянную призму, он преломлялся и давал на противоположной стене удлиненное изображение с радужным чередованием цветов. Следуя многовековой традиции, согласно которой радуга считалась состоящей из семи основных цветов, Ньютон тоже выделил семь цветов: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и красный. Саму радужную полоску Ньютон назвал спектром.
Закрыв отверстие красным стеклом, Ньютон наблюдал на стене только красное пятно, закрыв синим стеклом - синее пятно и т. д. Это означало, что не призма окрашивает белый свет, как предполагалось раньше. Призма не изменяет свет, а лишь разлагает его на составные части. Белый свет имеет сложный состав.
Луч красного цвета преломляется меньше из-за того, что красный свет имеет в веществе наибольшую скорость, а луч фиолетового цвета преломляется больше, так как скорость для фиолетового света наименьшая. Именно поэтому призма и разлагает свет. В пустоте скорости света разного цвета одинаковы.
Зная, что белый свет имеет сложный состав, можно объяснить удивительное многообразие красок в природе. Если предмет, например лист бумаги, отражает все падающие на него лучи различных цветов, то он будет казаться белым. Покрывая бумагу слоем красной краски, мы не создаем при этом свет нового цвета, но задерживаем на листе некоторую часть имеющегося. Отражаться теперь будут только красные лучи, остальные же поглотятся слоем краски. Трава и листья деревьев кажутся нам зелеными потому, что из всех падающих на них солнечных лучей они отражают лишь зеленые, поглощая остальные. Если посмотреть на траву через красное стекло, пропускающее только красные лучи, то она будет казаться почти черной.
Слайд 3
3.2. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЛН
3.2.1. Сложение волн. Проще всего проследить за наложением механических волн, наблюдая волны на поверхности воды. Если мы бросим в воду два камня, образовав тем самым две круговые волны, то можно будет заметить, что каждая волна проходит сквозь другую и ведет себя в дальнейшем так, как будто другой волны совсем не существовало.
Теперь посмотрим более внимательно, что происходит в местах, где волны накладываются одна на другую. Наблюдая волны на поверхности воды от двух брошенных в воду камней, можно заметить, что некоторые участки поверхности не возмущены, в других же местах возмущение усилилось. Если две волны встречаются в одном месте своими гребнями, то в этом месте возмущение поверхности воды усиливается. Если же, напротив, гребень одной волны встречается с впадиной другой, то поверхность воды не будет возмущена.
Слайд 4
3.2.2. Листы ориентации студента Задание №1. Студенты выполняют задание во время изложения лекционного материала
Слова преподавателя:
Интерференция. Сложение в пространстве волн, при котором образуется постоянное во времени распределение амплитуд результирующих колебаний частиц среды, называется интерференцией.
Выясним, при каких условиях наблюдается интерференция волн. Для этого рассмотрим более подробно сложение волн, образующихся на поверхности воды.
Условие максимумов. На рисунке изображена зависимость от времени смещений xl и х2, вызванных двумя волнами. Разность фаз колебаний равна нулю. В результате сложения этих колебаний возникают результирующие колебания с удвоенной амплитудой.
Амплитуда колебаний частиц среды в данной точке максимальна, если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна целому числу длин волн:
∆d=±kλ где К=0,1,2, ... .
Условие минимумов. Пусть теперь на отрезке Ad укладывается половина длины волны. Очевидно, что при этом вторая волна отстает от первой на половину периода. Разность фаз оказывается равной п, т. е. колебания будут происходить в противофазе. В результате сложения этих колебаний амплитуда результирующих колебаний равна нулю,
т. е. в рассматриваемой точке колебаний нет. То же самое произойдет, если на отрезке укладывается любое нечетное число полуволн.
Амплитуда колебаний частиц среды в данной точке минимальна, если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна нечетному числу полуволн:
где k = 0,1,2
Но важно то, что амплитуда колебаний в любой точке не меняется с течением времени. На поверхности воды возникает определенное, неизменное во времени распределение амплитуд колебаний, которое называют интерференционной картиной. Белые участки в средней части фотографии соответствуют максимумам колебаний, а темные - минимумам.
Слайд 5
Когерентные волны.
Почему не интерферируют световые пучки, попадая на стену из разных окон. Почему на стене не наблюдаем чередование темных и светлых полос?
Слова преподавателя:
Для образования устойчивой интерференционной картины необходимо, чтобы источники волн имели одинаковую частоту и разность фаз их колебаний была постоянной.
Источники, соответствующие этим двум условиям, называются когерентными. Когерентными называют и созданные ими волны. Только при сложении когерентных волн образуется устойчивая интерференционная картина.
Слайд 6-8
3.2.3. Задание №2. Приложение 1.
ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА
Если свет представляет собой поток волн, то должно наблюдаться явление интерференции света. Однако получить интерференционную картину (чередование максимумов и минимумов освещенности) с помощью двух независимых источников света, например двух электрических лампочек, невозможно. Включение еще одной лампочки лишь увеличивает освещенность поверхности, но не создает чередования минимумов и максимумов освещенности.
Выясним, в чем причина этого и при каких условиях можно наблюдать интерференцию света.
Интерференция в тонких пленках.
Вы тоже много раз видели интерференционную картину, когда в детстве развлекались пусканием мыльных пузырей или наблюдали за радужным переливом цветов тонкой пленки керосина либо нефти на поверхности воды. Именно интерференция света делает мыльный пузырь столь достойным восхищения.
При этом происходит интерференция световых волн - сложение двух волн, вследствие которого наблюдается устойчивая во времени картина усиления или ослабления результирующих световых колебаний в различных точках пространства. Результат интерференции (усиление или ослабление результирующих колебаний) зависит от угла падения света на пленку, ее толщины и длины волны света. Усиление света произойдет в том случае, если преломленная волна 2 отстанет от отраженной волны 1 на целое число длин волн. Если же вторая волна отстанет от первой на половину длины волны или на нечетное число полуволн, то произойдет ослабление света.
|
Следовательно, если пленка имеет неодинаковую толщину, то при освещении ее белым светом должны появиться различные цвета.
Подобно тому как высота звука определяется его частотой, цвет света определяется частотой колебаний или Длиной волны.
В природе нет никаких красок, есть лишь волны разных длин волн. Глаз - сложный физический прибор, способный обнаруживать различие в цвете, которому соответствует весьма незначительная (около 10~6 см) разница в длинах световых волн. Интересно, что большинство животных не способны различать цвета. Они всегда видят черно-белую картину. Не различают цвета дальтоники - люди, страдающие цветовой слепотой.
Слайд 9-10
НЕКОТОРЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ
Существуют специальные приборы - интерферометры, действие которых основано на явлении интерференции. Назначение их может быть различным: точное измерение длин световых волн, показателя преломления газов и других веществ. Имеются интерферометры специального назначения.
Мы остановимся на двух применениях интерференции.
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.
Просветление оптики. Объективы фотоаппаратов и кинопроекторов, перископы подводных лодок и различные другие оптические устройства состоят из большого числа оптических стекол - линз, призм и др. Проходя через такие устройства, свет отражается от многих поверхностей. Поэтому сквозь прибор часто проходит всего 10-20% поступающего в него света. В результате этого освещенность изображения получается слабой. Кроме того, ухудшается качество изображения. Для устранения этих неприятных последствий отражения света от поверхностей оптических стекол надо уменьшить долю отражаемой энергии света. Получаемое с помощью прибора изображение становится при этом ярче, просветляется. Отсюда и происходит термин просветление оптики.
Слайд 11
3.3. ДИФРАКЦИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЛН
3.3.1. Способностью огибать препятствия обладают и звуковые волны. Вы можете слышать сигнал машины за углом дома, когда самой машины не видно. В лесу деревья заслоняют ваших товарищей. Чтобы их не потерять или не потеряться самому, вы начинаете кричать. Звуковые волны в отличие от света свободно огибают стволы деревьев и доносят ваш голос до товарищей. Отклонение от прямолинейного распространения волн, или огибание волнами препятствий - называется дифракцией. Дифракция присуща любому волновому процессу, так же как и интерференция. При дифракции происходит искривление волновых поверхностей у краев препятствий.
Дифракция волн проявляется особенно отчетливо в случаях, когда размеры препятствий меньше длины волны или сравнимы с ней.
Слайд 12
3.3.2. Задание №2. Приложение 2.
ДИФРАКЦИЯ СВЕТА
Если свет представляет собой волновой процесс, то наряду с интерференцией должна наблюдаться и дифракция света. Ведь дифракция - огибание волнами краев препятствий - присуща любому волновому движению. Но наблюдать дифракцию света нелегко, так как волны отклоняются от прямолинейного распространения на заметные углы только на препятствиях, размеры которых сравнимы с длиной волны, а длина световой волны, как мы с вами знаем, очень мала.
Пропуская тонкий пучок света через маленькое отверстие, можно наблюдать нарушение закона прямолинейного распространения света: светлое пятно на экране против отверстия будет иметь большие размеры, чем размеры пучка.
Опыт Юнга. В 1802 г. Т. Юнг, открывший интерференцию света, 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.
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.
3.3.3. Лист ориентации студента. Задание №3.
Слайд 13
Задание №2. Приложение 3.
3.4. ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА
3.4.1. На явлении дифракции основано устройство оптического прибора - дифракционной решетки.
Дифракционная решетка представляет собой совокупность большого числа очень узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками. Хорошую решетку изготовляют с помощью специальной делительной машины, наносящей на стеклянную пластину параллельные штрихи. Число штрихов доходит до нескольких тысяч на 1 мм; общее число штрихов превышает 100 000. Просты в изготовлении желатиновые отпечатки с такой решетки, зажатые между двумя стеклянными пластинами. Наилучшими качествами обладают так называемые отражательные решетки. Они представляют собой чередующиеся участки, отражающие свет и рассеивающие его. Рассеивающие свет штрихи наносятся резцом на отшлифованную металлическую пластину.
|
|
|
Рассмотрим элементарную теорию дифракционной решетки. Пусть на решетку падает плоская монохроматическая волна длиной волны А. Вторичные источники, расположенные в щелях, создают световые волны, распространяющиеся по всем направлениям. Если на этом отрезке укладывается целое число длин волн, то волны от всех щелей, складываясь, будут усиливать друг друга.
|
где величина k - О, 1, 2, ... определяет порядок спектра.
За решеткой помещают собирающую линзу и за ней - экран на фокусном расстоянии от линзы. Линза фокусирует лучи, идущие параллельно, в одной точке. В этой точке происходит сложение волн и их взаимное усиление. Наряду с картиной, получаемой в результате дифракции света, в случае дифракционной решетки наблюдается дифракционная картина и от отдельных щелей. Интенсивности максимумов в ней меньше интенсивности главных максимумов.
Между максимумами расположены минимумы освещенности. Чем больше число щелей, тем более резко очерчены максимумы и тем более широкими минимумами они разделены. Световая энергия, падающая на решетку, перераспределяется ею так, что большая ее часть приходится на максимумы, а в область минимумов попадает незначительная часть энергии.
Слайд 14
Приведите примеры простейших дифракционных решеток с которыми вы встречаетесь в природе и быту.
Слова преподавателя:
Наши ресницы вместе с промежутками между ними представляют собой грубую дифракционную решетку. По этому, если посмотреть, прищурившись, на яркий источник света, то можно обнаружить радужные цвета. Белый свет разлагается в спектр при дифракции вокруг ресниц. Лазерный диск с бороздками, проходящими близко друг от друга, подобен отражательной дифракционной решетке. Если вы посмотрите на отраженный им свет от электрической лампочки, то обнаружите разложение света в спектр.
3.4.2. Задание №2. Приложение 4.
Демонстрация приборов:
1. Диск.
2. Труба прямого видения.
3. Щель переменной толщины.
4. Дифракционная решетка.
4. Закрепление изученного материала.
4.1.Решение качественных и количественных задач по карточкам.
Лист ориентации студента. Задание №4
5. Подведение итогов занятия.
5.1 Рефлексия:
Лист ориентации студента. Задание №5
Лист ориентации студента. Задание №6
6. Домашнее задание. Лист ориентации студента. Задание №7
6.1 Выставление оценок.
Лист ориентации студента
Тема занятия: «Интерференция и дифракция света»
Цели занятия:
Знать:
- физическую сущность явлений интерференции, дифракции, дисперсии света;
- границы применения геометрической оптики;
Уметь:
- определять результат интерференции и дифракции света по исходным условиям;
- определять длину световой волны различными способами;
- осуществлять наблюдения явлений интерференции и дифракции и объяснять их;
Распознавать:
- световые явления в окружающей природе, технике.
Вопросы, подлежащие изучению:
1. Дисперсия света
2. Интерференция света
3. Условия max и min интерференции
4. Интерференция в тонких пленках
5. Примеры интерференции в природе, технике
6. Дифракция света
7. Опыт Юнга
8. Дифракционная решетка
Задания для самостоятельного выполнения:
Задание №1. Во время лекции заполните таблицу.
Таблица 1. Условие минимумов и максимумов
|
Условие минимумов |
Условие максимумов |
Рисунок |
|
|
Формула разности хода |
|
|
Результат сложения волн |
|
|
Фаза колебаний |
|
|
Задание 2. Выполнить по описанию экспериментальные задания по вариантам.
Приложение 1-4
Задание №3. Во время лекции заполните таблицу. (На выполнение задания отводится 10мин.)
Таблица 2. Световые явления
Название явления |
Физический смысл |
Что наблюдаем |
Где наблюдается |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Задание № 4. Выполняется по карточкам. Приложение 5.
Задание № 5. Заполнить творческую карту. Приложение 6.
Задание № 6. Продолжить два любых высказывания. Слайд 15.
1. я узнал...
2. было интересно...
3. было трудно...
4. я выполнял задания...
5. я понял, что...
6. теперь я могу...
7. я приобрел...
8. я научился...
9. я смог...
10. я попробую...
11. меня удивило...
12. мне захотелось...
Задание № 7. Домашнее задание:
Ответить на вопросы:
1. Чем объясняется радужная окраска тонких интерференционных пленок?
2. Почему толстый слой нефти не имеет радужной окраски?
3. Почему видимая радужная окраска мыльной пленки все время меняется?
4. Каким способом получают когерентные световые волны?
5.
Чем объясняется видимая расцветка крыльев стрекоз, жуков
и некоторых других
насекомых?
6. При каких условиях наблюдается дифракция света?
7. Чем объяснить радужную окраску дисков для лазерных проигрывателей?
Приложение 1
Экспериментальная работа №1
"Наблюдение интерференции света на мыльном пузыре".
1. Учащиеся выдувают мыльные пузыри (См. рисунок).
2. Наблюдаем на верхней и нижней его части образование интерференционных колец, окрашенных в спектральные цвета. Верхний край каждого светлого кольца имеет синий цвет, нижний - красный. По мере уменьшения толщины пленки кольца, также расширяясь, медленно перемещаются вниз. Их кольцеобразную форму объясняют кольцеобразной формой линий равной толщины.
Приложение 2
Экспериментальная работа № 2.
"Наблюдение дифракции света на узкой щели"
Оборудование: (см рисунок)
Приложение 3
Экспериментальная работа № 3.
"Наблюдение дифракции света на грампластинке и лазерном диске".
Оборудование: лампа с прямой нитью накала, грампластинка (см. рисунок 11)
Грампластинка является хорошей дифракционной решеткой.
Объяснение: Яркость дифракционных спектров зависит от частоты нанесенных на грампластинку бороздок и от величины угла падения лучей. (см. рисунок)
Аналогичным образом пронаблюдаем дифракцию на лазерном диске. (см. рисунок)
Поверхность компакт-диска представляет собой спиральную дорожку с шагом соизмеримым с длиной волны видимого света.На мелкоструктурной поверхности проявляются дифракционные и интерференционные явления. Блики компакт- дисков имеют радужную окраску.
Приложение 4
Экспериментальная работа № 4.
"Наблюдение дифракционной окраски насекомых по фотографиям".
Оборудование: (см рисунки)
Приложение 5
Вариант 1
Укажите, при каких из перечисленных ниже значениях разности хода в т. А будет наблюдаться максимум интерференции:
0; 300 нм; 600 нм; 900 нм; 1200 нм; 1500 нм; 3000 нм; и т.д.
Как изменяется толщина пятна от края к центру?
Записать разность хода для интерферирующих лучей а) в отраженном свете; б) в проходящем свете, если:
Вариант 2
Укажите, при каких из перечисленных ниже значениях разности хода в т. А будет наблюдаться минимум интерференции:
0; 300 нм; 600 нм; 900 нм; 1200 нм; 1500 нм; 3000 нм; и т.д.
Записать разность хода для интерферирующих лучей а) в отраженном свете; б) в проходящем свете, если:
Приложение 6
ТВОРЧЕСКАЯ КАРТА
Имя, фамилия ______________________
Тема занятия: Интерференция, дифракция света
Уровень заданий |
№ задания |
Выполнено? |
Самооценка |
Трудности |
Пути устранения |
Контроль |
Базовый |
1 |
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
Углубленный |
2 |
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
Примечания.
1. В каждом уровне следует отметить любым символом выполненное задание.
2. Задания базового уровня должны быть выполнены полностью.
3. В графе «Трудности» отметить вопросы, вызвавшие затруднения.
4. В графе «Пути устранения» указать способы разрешения трудностей, возникших вопросов.