Суд над квантово-волновым дуализмом света

Суд «Квантово-волновой дуализм света» 11 класс
Цели урока: 1. Выяснить сущность квантовой природы света. 2.Дать понятие фотоэффекта, рассмотреть свойства. 3.Рассказать о давлении света. 4.Доказать двойственность структуры света. Эпиграф 
Никто не зажигает свечу, чтобы хранить ее за дверью, ибо свет затем и существует, чтобы светить, открывать людям глаза, показывать какие вокруг чудеса.
Пауло Коэльо
Оборудование: таблицы, прибор по демонстрации давления света, интерактивная доска, компьютер, диск «Физические эксперименты» 
План работы на уроке и распределение ролей: 
1. Двойственная структура света – учитель физики.
2. Волновая теория света - защитники теории Х.Гюйгенса
3. Корпускулярная теория света - защитники теории И. Ньютона
4. Закрепление знаний – учитель физики 5. Обобщение знаний по теме, подведение итогов – учитель физики.
ХОД УРОКА I. Организационный момент
II. Вступительное слово учителя
На базе многочисленных опытных фактов в середине XVII века возникают две гипотезы о природе световых явлений: 
– корпускулярная, предполагавшая, что свет есть поток частиц, выбрасываемых с большой скоростью светящимися телами; 
– волновая, утверждавшая, что свет представляется собой продольные колебательные движения особой светоносной среды – эфира – возбуждаемой колебаниями частиц светящегося тела. 
Все дальнейшее развитие учения о свете вплоть до наших дней – это история развития и борьбы этих гипотез, авторами которых были И. Ньютон и Х. Гюйгенс. 
Основные положения корпускулярной теории Ньютона: 
1) Свет состоит из малых частичек вещества, испускаемых во всех направлениях по прямым линиям, или лучам, светящимся телом, например, горящей свечой. Если эти лучи, состоящие из корпускул, попадают в наш глаз, то мы видим их источник. 
2) Световые корпускулы имеют разные размеры. Самые крупные частицы, попадая в глаз, дают ощущение красного цвета, самые мелкие – фиолетового. 
3) Белый цвет – смесь всех цветов: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего, фиолетового.
4) Отражение света от поверхности происходит вследствие отражения корпускул от стенки по закону абсолютного упругого удара. 
5) Явление преломления света объясняется тем, что корпускулы притягиваются частицами среды. Чем среда плотнее, тем угол преломления меньше угла падения. 
6) Явление дисперсии света, открытое Ньютоном в 1666 г., он объяснил следующим образом. Каждый цвет уже присутствует в белом свете. Все цвета передаются через межпланетное пространство и атмосферу совместно и дают эффект в виде белого света. Белый свет – смесь разнообразных корпускул – испытывает преломление, пройдя через призму. С точки зрения механической теории, преломление обязано силам со стороны частиц стекла, действующим на световые корпускулы. Эти силы различны для разных корпускул. Они – наибольшие для фиолетового и наименьшие - для красного цвета. Путь корпускул в призме для каждого цвета будет преломляться по- своему, поэтому белый сложный луч расщепится на цветные составляющие лучи. 
7) Ньютон наметил пути объяснения двойного лучепреломления, высказав гипотезу о том, что лучи света обладают "различными сторонами" – особым свойством, обуславливающим их различную преломляемость при прохождении двоякопреломляющего тела. 
Корпускулярная теория Ньютона удовлетворительно объяснила многие оптические явления, известные в то время. Ее автор пользовался в научном мире колоссальным авторитетом, и вскоре теория Ньютона приобрела многих сторонников во всех странах. 
Основные положения волновой теории света Гюйгенса. 
1) Свет – это распространение упругих периодичных импульсов в эфире. Эти импульсы продольны и похожи на импульсы звука в воздухе. 
2) Эфир – гипотетическая среда, заполняющая небесное пространство и промежутки между частицами тел. Она невесома, не подчиняется закону всемирного тяготения, обладает большой упругостью. 
3) Принцип распространения колебаний эфира таков, что каждая его точка, до которой доходит возбуждение, является центром вторичных волн. Эти волны слабы, и эффект наблюдается только там, где проходит их огибающая   поверхность – фронт волны (принцип Гюйгенса). 
Чем дальше волновой фронт от источника, тем более плоским он становится. 
Световые волны, приходящие непосредственно от источника, вызывают ощущение видения. 
Очень важным пунктом теории Гюйгенса явилось допущение конечности скорости распространения света. Используя свой принцип, ученому удалось объяснить многие явления геометрической оптики: 
– явление отражения света и его законы; 
– явление преломления света и его законы; 
– явление полного внутреннего отражения; 
– явление двойного лучепреломления; 
– принцип независимости световых лучей. 
Теория Гюйгенса давала такое выражение для показателя преломления среды: 
Из формулы видно, что скорость света должна зависеть обратно пропорционально от абсолютного показателя среды. Этот вывод был противоположен выводу, вытекающему из теории Ньютона. Невысокий уровень экспериментальной техники XVII века исключал возможность установить, какая из теорий верна.
3. Волновая теория света. 
Встать. Суд идет.
Судья. Слушается дело о двойственной структуре света. Прошу первую из сторон рассказать свою версию.
Гюйгенс. Я- Христиан Гюйгенс. Голландский математик, физик и астроном. Годы жизни 1629-1695 . Решил ряд задач механики. Изучил колебания маятника и вывел формулу его периода. Определил выражение для центростремительного ускорения при движении тела по окружности, рассмотрел задачу об упругом ударе шаров, открыл спутник Сатурна, определил длины дуг окружностей эллипса и гиперболы. Утверждаю, что свет- это волна.
1.свидетель. Я подтверждаю правоту ученого Гюйгенса. Важнейшее свойство волн - их способность интерферировать. То есть способность волн уничтожать или усиливать друг друга, например, при отражении и это именно то свойство, по которому волну всегда можно безошибочно отличить от потока частиц. ( Показ видеоматериала Интерферометр Жамена).
2 свидетель. Еще одно свойство волны, которое отличает ее от частиц- дифракция- состоит в ее способности огибать препятствия, если его размеры соизмеримы с длиной волны. Если препятствие невелико, то благодаря дифракции волна может разделиться, обойти его и, складываясь снова, усилить или погасить себя точно так же, как и при сложении прямой и отраженной волн. (видеоматериал Дифракция на хаотической структуре)
3 свидетель. Таким образом, обнаружив интерференцию и дифракцию у рентгеновского и других видов излучения, установили, что все они – волны, только разной длины. Длина волны излучения и есть тот основной признак, по которому мы количественно различаем разные виды электромагнитного излучения. Наибольшая длина у радиоволн: от нескольких сантиметров до нескольких километров. У инфракрасных лучей она короче- от 1 до 10 см. Еще короче волны видимого света, и наконец самые короткие – это рентгеновские лучи. Все виды излучения распространяются с одной и той же скоростью – со скоростью света 3* 10⁸м/с..
4 свидетель. Еще одно свойство волн видимого света – дисперсия. Пропуская луч солнца сквозь призму, позади нее видна радуга – спектр солнечного света. Каждому цвету радуги – спектра соответствует своя длина волны солнечного излучения: самые длинные волны у красного цвета- 650 нм; самые короткие у фиолетового- 400нм. Белый цвет состоит из семи цветов. Призма разлагает белый цвет на составляющие цвета. Дисперсия хорошо объясняется с волновой точки зрения (демонстрация с треугольной призмой).
4. Корпускулярная теория света.
Судья. Господа присяжные мы выслушали оппонентов волной теории света. Прошу дать показания второй стороне.
Ньютон. Я Исаак Ньютон. Английский ученый. Годы жизни 1643-1727. Ввел основные понятия механики (сила, масса) и сформулировал ее законы. Открыл так же закон всемирного тяготения. Применив его к движению небесных тел, объяснил движение планет, их спутников, комет. Помимо механики и оптики занимался исследованиями по теплофизике, а так же химии, географии, истории. Я утверждаю, что свет- это поток частиц. Прямолинейное распространение света, образование тени - это только некоторые доказательства правоты моей теории.
1 свидетель. Я Макс Планк, немецкий физик. Жил в 1858-1947 гг..Поддерживаю теорию Ньютона. Нагретое тело, непрерывно теряя энергию вследствие излучения электромагнитных волн, должно охладиться до абсолютного нуля. Однако повседневный опыт показывает, что нагретое тело не расходует всю свою энергию на излучение. Я предположил, что атомы испускает электромагнитную энергию отдельными порциям - квантами. Энергия Е каждой порции прямо пропорциональна частоте излучения Е=hν.
2 свидетель. Я Петр Николаевич Лебедев, русский физик. Жил в 1866-1912 г.г. Измерил световое давление на газы. Измерил световое давление в 1900 г.( демонстрация светового давления). Объяснить световое давление можно так. Частицы света имеют массу, а значит импульс. При поглощении их телом они передают ему свой импульс. Согласно закону сохранения импульса, импульс тела равен импульсу поглощенных квантов. Поэтому покоящееся тело приходит в движение. Изменение импульса тела означает согласно второму закону Ньютона, что на тело действует сила. Сила светового давления очень мала. Давление солнечного света на 1 м² не превышает веса пяти маковых зернышек( 4*10^-6 Н).
3 свидетель. Явление фотоэффекта – еще одно доказательство квантового строения света. Фотоэффект – это явление вырывания электронов с вещества под действием света. Законы фотоэффекта были установлены Александром Григорьевичем Столетовым и Филиппом Ленардом на рубеже 20 века. Эти ученые измеряли число выбитых электронов и их энергию в зависимости от интенсивности и частоты падающего излучения. Прошу просмотреть видеоматериалы (Фотоэффект. Освещение положительно и отрицательно заряженной пластины).
4 свидетель. Итак, именно ультрафиолетовый участок спектра вызывает фотоэффект. Этот несложный факт нельзя объяснить на основе волной теории света. Непонятно почему световые волны малой частоты (инфракрасные, которые стекло пропускает) не могут вырвать электроны, если даже амплитуда волны велика и, следовательно, велика сила, действующая на электроны. И второе: если вместо одной ртутной лампы взять две, три, десять, то интенсивность излучения возрастает во столько же раз. Естественно было бы ожидать, что и энергия выбитых электронов возрастет в такой же пропорции. Но энергия электронов оставалась прежней, менялось лишь их число.
5.Закрепление знаний. Решение задач.
1.Работа выхода из металла 2 эВ. Определить красную границу для этого металла. (Ответ 4,8*10¹⁴Гц)
2.Работа выхода из металла 4 *10^-19Дж, длина падающей волны 6,6 *10^-8м. Определить скорость движения электронов.( Ответ: 2,4 *10⁶м/с) 6.Обобщение знаний.
Судья. Итак, господа присяжные вам были представлены волновые свойства света - это дифракция, интерференция и дисперсия, а так же квантовые свойства - фотоэффект и давление света. Прошу вынести свой вердикт.
Ответ присяжных. Перед нами был поставлен вопрос 6что такое луч света - это волна или частица. Ответ: и волна и частица. Более того все тела в природе обладают одновременно и волновыми и корпускулярными свойствами, и свойства эти - лишь проявление единого корпускулярно- волнового дуализма.

4