Методическая разработка "Давление света"

11 класс

Урок – лекция

на тему:

«Давление света. Опыты Лебедева. Появление давления света в природе и технике».

Цели: в результате урока учащиеся получать знания о давлении света, опытах по определению давления света; убедятся в значении эксперимента в подтверждении физической теории; узнают о применении светового давления в технике и проявления в природе; продолжат обучение приёмам сравнения и анализа физической ситуации.

Оборудование:

1. портреты Максвелла, Планка, Лебедева, Ньютона, Гюйгенса;

2. таблица «Опыты Лебедева »;

3. к/ф «Давления света»;

4. таблица «План описания ... опыта»

5. Презентация, содержащая слайды

• «Радиационные пояса Земли »;

• «Образование кометных хвостов»;

• «Применение термоядерных реакций»;

• «Термоядерный реактор с применением ЛТС»;

1. Прибор для демонстрации вращения вертушки под действием света(радиометр Крукса).

2. Листочки для самостоятельной работы.

Тип урока: урок усвоения знаний, умений и навыков.

Вид урока: школьная лекция

План проведения урока.

I. Актуализация знаний и повторение учебного материала (5 минут)

II. Постановка проблемы (1 мин.)

III. Изучение нового материала (20 мин.)

IV. Сообщения учащихся (3 сообщения по 3 мин.)

V. Закрепление изученного материала (5 мин.)

VI. Подведение итогов и сообщение домашнего задания (5 мин.)

Проведение урока

I. Актуализация опорных знаний и повторения учебного материала.

Эвристическая беседа:

1. Что такое свет?

1. Какие явления доказывают волновую природу света? В чем заключаются эти явления?

2. Какие явления доказывают корпускулярную природу света и в чем они заключаются?

1. Как называется частица света? Как определить ее импульс и энергию?

В результате беседы прикрепляются на доске портреты Ньютона, Гюйгенса (лучше на магнитной, чтобы можно было ниже прикрепить другие портреты)

Параллельно существовали 2-е теории:

1. волновая

2

Ньютон

Гюйгенс

Планк

Максвелл

Повторение (беседа).

Повторить понятия давление, сила давления, импульс; формулы и законы для вычисления этих величин и единицы их измерения.

П. Постановка проблемы.

Демонстрация прибора, показывающего вращения вертушки при освещении ее светом 9радиометр Крукса)

Почему вращается вертушка?

Выслушать гипотезы.

Мы вернёмся к вашим гипотезам в конце урока.

Сообщить тему урока

««Давление света. Опыты Лебедева. Появление давления света в природе и технике».

III. Изучение нового материала.

1. План лекции.

1. Теоретическое обоснование существования давления света:

а) волновой теорией;

б) корпускулярной теорией.

1. Экспериментальное определение давления света. Опыты П. Н. Лебедева.

а) Жизнь и деятельность П.Н. Лебедева.

б) Опыт Лебедева, трудности его проведения и пути преодоления.

в) Результаты и значение опыта.

1. Применение светового давления в технике:

2. Роль светового давления в природе,

(план проектируется через кодоскоп)

Теоретическое обоснование существования светового давления.

Волновая теория	Корпускулярная теория
1873 г., Максвелл, «Трактат об электричестве и магнетизме» Электрическое поле вызывает колебания электронов, а магнитное поле отбрасывает движущиеся электроны вглубь вещества Р=10-8Па	а) зеркальная поверхность б) чёрная поверхность

Экспериментальное определение светового давления.

Опыты П.Н.Лебедева(1866-1912)

1. Сообщение учащегося о жизни и деятельности П.Н.Лебедева (см. приложение 1).

2. Презекнтация: «Основные этапы научной деятельности П. Н. Лебедева»:

1898 - предварительный доклад об опытах в Париже, в Швейцарии

1900 - доклад о результатах опытов на Всемирном конгрессе физиков в Париже

1901 - опубликована работа «Опытное исследование светового давления»

1902 - доклад на съезде Немецкого астрономического общества о космической роли светового давления

1911 - завершение работ по определению давления света на газы

Из статьи П.Н. Лебедева «Световое давление»:

«... средства экспериментальной техники разрослись в непредвиденном масштабе: ...экспериментатор мог располагать мощными источниками света..., а новые ртутные насосы позволили ему без затруднений разряжать воздух до одной миллионной доли атмосферы... Настало время, когда экспериментальное исследование светового давления стало возможным, и после 3-х летней работы мне удалось сделать эти опыты»

(1900г)

Опыты П.Н. Лебедева

Обсудить с учащимися, придерживаясь плана описания опытов:

Сформулировать с помощью учащихся:

1. цель

2. используемые приборы (крылышки из платины, алюминия, никеля, слюды)

Просмотр кинофильма «Давление света». Вопросы для учащихся:

1. Каковы трудности проведения опыта Лебедева и пути их преодоления

2. Результаты и значение опыта.

Обсудить после просмотра фрагмента.

Трудности опыта и пути их преодоления:

1. Радиометрический эффект: от нагретой стороны молекулы газа
   отскакивают с большей скоростью, чем от не нагретой, возникает
   закручивающий момент в 1000 раз больше светового давления.

Пути преодоления: - очень тонкие крылышки

- материал с большой теплопроводностью

- уменьшить давление газа и увеличить размеры сосуда

1. Конвективные потоки: нагретый газ поднимается вверх, вращая крылышки, которые невозможно подвесить строго вертикально, создаётся закручивающийся эффект в 100 раз больше светового давления.

Пути преодоления: - уменьшить давление газа

- направлять свет поочередно с каждой из сторон.

Результаты: - давление с точностью до2% соответствовало полученному теоретически Максвеллом;

• давление на черную поверхность в 2 раза меньше, чем на зеркальную.

Ньютон

Гюйгенс

Планк

Максвелл

Лебедев

Значение: подтвердили двойственную природу света

«Правы оказались все, но подтвердить теорию экспериментом смог только П.Н. Лебедев»

Демонстрация вертушки, показанной в начале урока.

Ответить на вопросы, заданные в начале урока .

Не световое давление вращает вертушку.

Давление света можно практически использовать, давление света оказывает огромное влияние на процессы, происходящие с космическими телами, от него зависит судьба Земли.

Применение светового давления в технике.

Создают давление:

• солнечный свет – 10^-8 Па

• лазерный луч – 10¹¹ Па – это давление можно использовать для:

1. разделение жидкостей, изотопов;

2. нелинейная оптика, самофокусирующиеся линзы;

3. фотонные двигатели ( предложите свой проект);

4. фотонный парус для транспортировки астероидов и изменения их орбиты. движения космических кораблей

5. создание условий для термоядерных реакций, ЛТС

(сообщения учащихся по 3 мин., смотреть приложения)

Роль светового давления в природе.

Давление света оказывает влияние на:

1. кометы образование кометных хвостов (1902 г. - Лебедев выступил на съезде немецкого астрономического общества, подтвердив гипотезу Кеплера об образовании кометных хвостов) – сообщение учащегося, 3 мин.

2. искривление радиационных поясов (пояснить по таблице )

3. применяется для объяснения процессов в звездах:

действуют две силы:

• гравитационного сжатия - сжимает оболочку звезды

• световое давление - расширяет вещество звезды

Противоборство этих сил определяет процессы, происходящие в звёздах..

Интенсивность процесса сжатия и разогрева звезды зависит от массы протозвёздного облака, поэтому время жизни звезд различных масс различно:

Солнце образовалось 5- 6 млрд. лет назад, израсходовало запасов

водорода, через 5-6 млрд. лет оно истощит запасы и перейдет в стадию горения Не, оболочка расширится и достигнет орбиты Марса (красный гигант) – через 10 тыс. лет оболочка рассеется, но термоядерных реакций не будет (белый карлик) - остынет (черный карлик)

На Солнце за 1 с 564млн. т. Н превращается в 560 млн. т. Не,

4 млн т. превращается в энергию и излучается в окружающее пространство, оказывая огромное давление на окружающие тела и частицы.

IV. Закрепление изученного,

С/р на листочках; задания различных уровней сложности:

1. Сравнить давление на черную и зеркальную поверхности (начальный)

2. Радиометрический эффект объясняется тем, что…Для его устранения необходимо…(средний)

3. Найти изменение импульса фотона при его полном отражении? Поглощении? (достаточный)

4. На 1 см поверхности, полностью отражающей зеленый свет с за 1 с попадает 2 ^.10⁷ фотонов. Какое давление создает это излучение? (высокий)

Выбрать одно из заданий 1-4.

V. Подведение итогов и сообщение домашнею задания.

После выполнения заданий: «Поднимите руки, кто выполнил задание 1? 2? 3? 4?

(оценки выставляются в журнал по желанию учащихся)

Творческое задание: световое давление вызывает движение от Солнца. Придумать систему, позволяющую вернутся обратно.

§72, конспект об опытах Лебедева, переписать и решить задачи № 3, 4 из с/р.

VI. Рефлексия.

Приём "Синквейн"

1 строка – одно ключевое слово, определяющее содержание синквейна;

2 строка – два прилагательных, характеризующих ключевое слово;

3 строка – три глагола, показывающие действия понятия;

4 строка – короткое предложение, в котором отражено авторское отношение к понятию;

5 строка – резюме: одно слово, обычно существительное, через которое автор выражает свои чувства и ассоциации, связанные с понятием.

Приложение 1

Петр Николаевич Лебедев

Петр Николаевич Лебедев - русский физик-експериментатор, создатель первой физической школы в Росси . Родился 8 Марта в Москве, в купеческой семье, как раз в тот год , когда А.Столетов начал преподавать в Московском университете . С сентября 1884 г. по март 1887 г. Лебедев посещал Московское высшее механическое училище, однако, работа инженера его не привлекла. По совету профессора Щеглова он отправился в 1888 г. в Страсбург, в одну из лучших физических школ Европы.

В 1891 г. успешно защитил диссертацию , он стал доктором философии. Уже в это время молодой исследователь поражает свого учителя, обилием и смелостью идей , стремлением работать над наиболее трудными вопросами . В 1891г. Лебедев возвратился в Москву и по приглашению Столетова начал работать лаборантом в Московском университете. Основные физические идеи плана научной работы П. Н. Лебедев изложил и напечатал в небольшой заметке «Об отталкивательной силе лучеиспускающих тел». Исследование светового давления стало делом всей, к сожалению, короткой, жизни П.Н.Лебедева: последняя незаконченная работа этого великого экспериментатора тоже была посвящена давлению света.

В 1895 впервые создал комплекс экспериментальных приспособлений для генерирования и приема миллиметровых э/м волн и первый осуществил эксперименты с ними по двойному лучепреломлению в кристаллах . В 1899 г. -экспериментально доказал давление света на твердые тела, а в 1907 г.- на газы .Лебедев осуществил также оригинальные эксперименты над магнетизмом вращающихся тел, выдвинул глубокие идеи относительно природы межмолекулярных сил и происхождение хвостов комет , занимался также вопросами акустики. Его именем назван физический институт Академии наук СССР, П.Н.Лебедев исследовал роль вращения земли в возникновении земного магнетизма . Прибор Лебедева для исследования свойств э/м волн состоял из двух платиновых цилиндров , каждый по 1,3 мм длиной и 0,5 мм в диаметре . Зеркала имели высоту 20 мм., а эбонитовая призма для исследования преломления э/м волн была высотой 1,8 см, шириной 1,2 см.и весила около 2 г. . А вот призма Герца для этой же цели весила 600 г.. Миниатюрные приборы Лебедева всегда вызывали восхищение физиков-экспериментаторов . Ему предлагали должность директора лаборатории в Стокгольме, но он остался на родине . Отсутствие необходимых условий для работы, переживания, связанные с уходом в от ставку, окончательно подорвали здоровье П.Н.Лебедева.

В марте 1912 г. в возрасте всего 46 лет не стало еще одного великого человека в России.

Мировая наука увековечила память о непревзойденном мастере тончайшего эксперимента.

ЛИТЕРАТУРА:

1. М. Дегилев: „Из истории физики и жизни ее творцов"

2. А. Храмов: „Биографический справ очник. Физики".

Приложение 2

Лазерный термоядерный синтез (ЛТС).

Термоядерный синтез-слияние лёгких ядер водорода с образованием более тяжелых ядер гелия

Как «поджечь» термоядерную реакцию лазерным лучом?

Сначала надо приготовить термоядерную мишень. Она представляет собой полый стеклянный или металлический шарик с!=0,1-1 мм. Наполненный газовой смесью из дейтерия и трития под давлением в несколько десятков атмосфер. На эту мишень фокусируется одновременно несколько лазерных импульсов с суммарной энергией 10⁴-10⁵Длс. Лазерные импульсы «обстреливают» мишень с разных сторон и создают на его поверхность большое световое давление. Под его действием происходит бурное испарение оболочки мишени и возникает «корона», которая стремительно разлетается навстречу лазерным лучам. И при этом внутренние слои мишени будут двигаться к её центру, снимаясь и нагреваясь до температуры, необходимой для термоядерного синтеза.

Что нужно для осуществления лазерного термоядерного синтеза?

Чтобы сфокусировать на термоядерную мишень очень высокую световую мощность, необходимо иметь интенсивное излучение с достаточно высоким когерентными свойствами. Необходимую мощность лазерного излучения получают, во-первых, реализуя режим генераций гигантских импульсов, и, во-вторых, используя многоканальное усиление этих гигантских импульсов. Затем усиленные световые пучки фокусируются на термоядерной мишени. Но прежде чем попасть на неё они должны пройти целый ряд усилителей. Впервые лазерный термоядерный синтез был осуществлён в 1968 г. на установке «Кальмар» в институте им. Лебедева.

Приложение 3

Кометы.

Слово «комета» в переводе с греческого означает « длинноволосый », « хвостатый». Выдающимся представителем этой группы небесных тел является комета Галлея.

К началу 1980 г. было зарегистрировано появление более 1000 комет. Обычно они обозначаются по фамилиям лиц, их открывшим. Некоторые кометы возвращаются к Солнцу по несколько раз, другие появляются около него один раз и, по-видимому, навсегда уходят в межзвездное пространство. Виной этому большие планеты, возмущающиеся орбиты комет. Есть предположение , что система больших планет окружена плотным облаком комет , обращающихся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам.

В среднем ежегодно наблюдаются около десяти комет. Но эффектных комет, хорошо видных невооруженным глазом, бывает всего 5-6 в столетие. Большинство комет видны только в телескоп в виде небольшого мутного пятна, без хвоста.

Что же представляют собой кометы? Это глыбы льда из метана и аммиака. В них «вморожены »и частицы метеорного вещества, содержащего силикаты и металлы.

При приближении к Солнцу, лед начинает испаряться. Вокруг ядра кометы, начальные размеры которых не превышает 10-100 км, образуется протяженная оболочка - кома. Иногда кометы достигают величин, сравнимых диаметром Солнца.

Под действием светового давления и солнечного ветра часть газов кометы отталкивается в сторону, образуя хвост кометы. По мере приближения кометы к Солнцу усиливается выделения из ядра газов и пыли, образующих комету, возрастает и давление на нее, а поэтому увеличивается длина хвоста. Хвосты комет направлены в сторону, противоположную Солнцу. Однако, существуют также аномальные хвосты, которые направлены к Солнцу и состоят из боле крупных пылевых частиц на которые отталкивающее действия солнечных лучей и солнечного ветра не сказываются, так как для этих частиц сила светового давления слишком мала, чтобы изменить их траекторию.

В древности люди не знали, что такое комета и поэтому чаще всего боялись ее, а иногда принимали за знамение несчастья.

Например, в1066 в Киеве наблюдали комету и в летописи написали, что это не к добру, так как участились междоусобицы, было нашествия врагов на русскую землю. В то же время в далекой Нормандии считали, что «эта удивительная косматая звезда » приносит удачу и именно благодаря её появлению Вильгельм Завоеватель одержал в Англии победу при Гастингсе. В 1530 г. Некий Симон Гулер во Франции написал о комете, что она кровавого цвета, на её вершине согнутая рука, державшая тяжелый меч, а по обеим сторонам от меча окровавленные кинжалы и шпаги и отрубленные головы.

В 1618 г. Московский летописец писал, что комета принесет благо, т. к. её голова расположена над Москвой, а хвост направлен к врагам.

Но конечно, все эти предположения и страхи не более чем предрассудки.

9