Разработка урока по физике

Физика 11 класс

Дисперсия и интерференция света.

Школа-гимназия №4 им С. М. Кирова

Учитель физики: Юсупова Ф. Р.

Цели урока:

  - обучающая:  

- раскрыть понятие дисперсии света (зависимость показателя преломления от частоты колебаний); изучить преломление лучей различной цветности и структуру белого света, уяснить сущность спектра;

- дать представление о скорости света, как одной из фундаментальных постоянных;

- объяснить волновые свойства света на явлениях интерференции;

  - развивающая:

-   развивать мышление через раскрытие  аналогии между механическими и электромагнитными  колебаниями, световыми и радиоволнами.

  - воспитательная :  научиться использовать знания о дисперсии и интерференции в практической деятельности моряка.

Актуализация опорных знаний и умений

  модели света в виде светового пучка,  принятой в геометрической оптике;

- физической величине, характеризующей оптические свойства среды (показателе преломления среды абсолютном и относительном).

Уточняем, что в геометрической оптике этот показатель определялся по внешним признакам прохождения света в среде. Одной из наших задач будет являться придача ему физического смысла и уяснение его сущности. Главная же наша задача – изучение еще одной модели света и описываемых при помощи этой модели явлений природы.

Волновая оптика описывает свет как электромагнитную волну  (автор модели голландский ученый Х.Гюйгенс).

Зачем оптика механику и электромеханику?  Да хотя бы для того, чтобы при помощи оптических моделей понять поведение гораздо более интересных для моряка морских волн и волн электромагнитных, обеспечивающих радиосвязь судну.      

Солнечный свет имеет много тайн. Одна из них – явление дисперсии. Первым его обнаружил великий английский физик  Исаак Ньютон в 1666 году, занимаясь усовершенствованием телескопа – вокруг изображения в телескопе присутствовал радужный ореол и Ньютон задумался над его происхождением. На правильную мысль его навел самый обыденный случай: в отверстие в шторе плотно закрытого окна в его комнату попал узкий луч света. Пройдя через случайно оказавшуюся на его пути вазу с водой, он дал на противоположной стене радужное пятно. Впоследствии Ньютон усовершенствовал опыт, направив пучок света на треугольную призму ( изображение на обложке учебника и в окуляре спектроскопа ). Ньютон пришел к выводу, что  белый свет  состоит из  красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего, фиолетового  цветов – такое разложение света впоследствии стало  называться   спектром. 

Само наблюдаемое явление получило название дисперсии.

Проведем аналогию с движением транспорта. Если машина выезжает с асфальта на обочину под острым углом к границе дороги, в каком случае занос будет больше, на большой скорости или на маленькой?  ( На большой ). В случае световой волны роль скорости играет частота распространения световых волн. Лучи света с большей частотой сильнее задерживаются средой и сильнее преломляются.

Дисперсией   называется зависимость показателя преломления среды от частоты колебаний (или длины волны)

      n = с / V,          где с – скорость света в вакууме, V – скорость света в среде. 

Одной из первых проблем, связанных со светом, было определение  скорости  его распространения. Впервые это было сделано в 1676 г. астрономом Олафом  Ремером  при наблюдении за спутником Юпитера Ио. На Земле опыт по определению скорости света был впервые поставлен спустя 200 лет французом  Физо  . впоследствии другие ученые продолжали уточнять значение этой величины и пришли к выводу о том, что скорость света – это величина постоянная и равная 299793 км/с.

с = 299793 м/с

Самое главное предположение, касающееся скорости света , было сделано  Эйнштейном:  скорость распространения света в вакууме является фундаментальной константой . Это означает то, что данная константа определяет свойства нашей Вселенной. Ее нельзя определить через другие константы, а можно только измерить опытным путем.

         Волновая теория  позволила рассчитать частоты и длины волн оптической части диапазона электромагнитных волн.  Длина волны λ, частота ν и скорость света с связаны следующим соотношением:

с = λν

Световое, воспринимаемое глазом излучение занимает узкий диапазон длин волн между  8 * 10 -7  м  и  4 * 10 -7  м . Этим длинам волн соответствуют частоты от  3,75 * 10 14   Гц  до  7,5 * 10 14  Гц .

Видимый свет располагается на шкале электромагнитных излучений между инфракрасным и ультрафиолетовым излучением. Каждому цвету соответствует своя длина  и частота волны, такой одноцветный свет называется  монохроматическим светом.

Для лучей света различной цветности показатели преломления данного вещества различны: вследствие этого при отклонении призмой пучок белого света разлагается в спектр.

Получим дисперсионный спектр при помощи оптической скамьи. Закрывая отверстие источника света различными фильтрами, можно менять окраску падающего на призму луча. На экране будет  наблюдаться пятно, окраска которого соответствует окраске падающего луча.

В морской практике встречается выражение «девятый вал». При посещении моря в шторм можно наблюдать периодическое усиление и ослабление набегающих на берег волн. Это связано со сложением двух или нескольких волн, в случае берега – прямой и отраженной от него волны. Понимание этого процесса поможет выбрать правильный момент для прыжка в воду или для выхода из воды на берег, для перемещения в экстремальной обстановке по палубе судна.

Сложение в пространстве двух или нескольких волн, при котором образуется постоянное во времени распределение амплитуды результирующих колебаний, называется интерференцией.

Для получения четкой интерференционной картины требуется сложение  волн, равных или кратных по частоте и согласованных по фазе, то есть  когерентных волн . Свет от одного источника делится на два тонких пучка. Самый простой способ для этого предложил Т.Юнг в 1802 г. Он направил свет на ширму с двумя близко расположенными отверстиями. На экране за ширмой наблюдалась интерференционная картина. ( см. цветную вкладку учебника ). Освещенные места называются максимумами освещенности, темные – минимумами. У каждого максимума и минимума есть свой порядок. Центральный максимум имеет нулевой порядок :   k = 0  .

Таблица 1.

Затем идет минимум нулевого порядка, потом максимум первого и так далее. Рассмотрим условия, при которых на экране получаются максимумы и минимумы освещенности.

Условия максимума при интерференции

Условие минимума при интерференции

Графики сложения двух волн, чертежи с указанием разности хода двух волн

Δl =kλ

Δl = (2k+1)λ/2

Разность хода двух волн равна целому числу длин волн.

Разность хода двух волн равна нечетному числу длин полуволн.

Этап обобщения и систематизации

• 1.Белый свет имеет сложную структуру, призма разлагает белый свет на составные части.
• 2.Наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, меньше других – красные.
• 3.Скорость красного света в среде больше скорости фиолетового; скорость лучей в веществе зависит от их цвета.
• 4.  Скорость  света в вакууме является фундаментальной константой и одинакова для всех цветов спектра.
• 5. При сложении двух когерентных волн наблюдается явление интерференции.
• 6. Разность хода двух волн должна равняться целому числу длин волн в максимуме интерференции.

Закрепление

Домашнее задание

• Конспектировать параграфы 66-69§
• Задача.  Определить значение скоростей для красного и фиолетового, если длины волн соответственно равны 840 нм, и 300 нм. (n1=1,73;    n2=1,8)
• Решить задачи по Рымкеевичу 1150, 1151

СПАСИБО

ЗА ВНИМАНИЕ