Урок деловая игра: Работа редакции журнала «Наука и жизнь»

Урок деловая игра: Работа редакции журнала «Наука и жизнь»

Цели урока:

• формировать умение вести диалог; способствовать развитию памяти, логического мышления, воображения развивать умение анализировать факты и явления на основе теоретических знаний; развивать умение работать с дополнительной литературой, справочными материалами;

• показать связь изучаемого материала с ранее изученным, показать значение знаний о лазерах для человека, применение лазеров в медицине, освоении космоса, военном деле и т.д.

• развивать умение слушать и слышать друг друга;

• воспитывать культуру общения, чувство патриотизма и гордости за открытия, сделанные учеными нашей страны.

Ход урока

I. Организационный этап

Вторая половина XX-го века ознаменовалась яркими достижениями научно-технического прогресса: овладение ядерной энергией, освоение космоса, развитие радиолокационной техники, производство компьютеров... Среди этих достижений достойное место занимает создание лазеров и развитие лазерной техники. Сегодня у нас урок деловая игра: Работа редакции журнала «Наука и жизнь» на прошлом уроке мы с вами разделились на группы, а точнее были сформированы следующие отделы редакции, с учетом ваших интересов и способностей: ИСТОРИЧЕСКИЙ ОТДЕЛ, НАУЧНЫЙ ОТДЕЛ, ОТДЕЛ ПИСЕМ, ОТДЕЛ ИЗОБРЕТЕНИЙ, ОТДЕЛ РЕКЛАМЫ, ЗАНИМАТЕЛЬНЫЙ ОТДЕЛ. Главный редактор нашего издания «Наука и жизнь» это я ваш учитель Галина Юрьевна, ну, коллеги приступим!!!

II. Изучение нового материала

Бывало, что появление всего лишь одного прибора вызывало огромные сдвиги в науке и технике. Вспомним рентгеновские аппараты, электронные лампы, электронный микроскоп и многое другое. В этом ряду можно назвать и созданные недавно генераторы мощных электронных пучков. Сейчас известны установки, которые генерируют электронные пучки с током в сотни тысяч ампер и имеют энергию электронов до нескольких миллионов электрон-вольт. Мощность, развиваемая такой установкой, сравнима с установленной мощностью всех электростанций мира. Первый советский генератор пучков появился в Томске, в НИИ ядерной физики при Томском политехническом институте. Его созданию предшествовала серьезная, длительная и напряженная исследовательская работа большого научного коллектива.

Об истории создания лазеров, информацию о биографических данных ученых создателей лазера нам поведает исторический отдел

В 1916 г Эйнштейн высказал идею о существовании эффекта вынужденного излучения.

В 1940 г советский физик В.А. Фабрикант указал на возможность использовать вынужденное излучение для усиления электромагнитных волн.

В 1954 г Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и независимо от них Ч. Таунс разработали принцип генерации и усиления радиоволн, используя явление индуцированного излучения.

В 1963 г за разработку нового принципа генерации и усиления радиоволн Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и Ч. Таунс были удостоены Нобелевской премии.

слайд10:

1916 – 1960 г - «Золотой век» создания чудесного луча. В 1960г в США был создан первый лазер в видимом диапазоне спектра (ОКГ).

слайд 11:

Перед вами лабораторный лазер. Что же особенного в этих источниках света? Высокая оценка изобретения лазера, наверное, заслуженная?

Дело в том, что лазерные источники света обладают рядом преимуществ по сравнению с другими источниками света.

слайд 12. Свойства лазерного излучения:

• Когерентность. (Атомы излучают свет согласованно).

• Малый угол расхождения (около 10^-5 рад). На Луне такой пучок, испущенный с Земли, дает пятно диаметром 3 км.

• Монохроматичность

• Большая мощность. У некоторых типов лазеров достигается мощность излучения 10¹⁷ Вт/см². Для сравнения: мощность излучения Солнца равна только 7·10³ Вт/см².

слайд 13. Принцип действия лазера:

В квантовой системе с двумя выделенными уровнями при взаимодействии с излучением могут происходить различные процессы.

а) поглощение.

В обычных условиях атомы не возбуждены – находятся в низшем энергетическом состоянии. Атом, поглотивший энергию , переходит в возбужденное состояние.

б) спонтанное излучение.

Возбужденный атом может самопроизвольно испустить фотон в любом направлении.

в) вынужденное излучение.

Возбужденный атом может перейти в низшее состояние и не самопроизвольно, а под влиянием внешнего воздействия. При этом излучается волна, совпадающая по частоте и фазе с падающей и волна усиливается.

Т.о. для вынужденного излучения нужно искусственно создать перенаселенность верхних энергетических уровней. Этот процесс называется накачка. Накачка должна перевести двухуровневую среду в состояние, в котором количество атомов на верхнем уровне превышает количество атомов на нижнем. Такое состояние среды называется состоянием с инверсной населенностью уровней, а сама среда называется активной.

слайд 15. Трехуровневая система

Двух уровней энергии для работы лазера недостаточно, т.к. необходимо, чтобы число возбужденных атомов было больше невозбужденных. Поэтому используются 3 «работающих» энергетических уровня.

Для возбуждения атомов используется мощная лампа. После ее вспышки атомы переходят в состояние 3, где время жизни мало – 10^-8с, затем самопроизвольно переходят в состояние 2. Время жизни в состоянии 2 в 100 000 раз больше -10^-3с. Т.о. создается «перенаселенность» возбужденного уровня 2 по сравнению с невозбужденным 1.

Переход между уровнями E3 и E2 безизлучательный. Лазерный переход осуществляется между уровнями E2 и E1.

Необходимые энергетические уровни имеются в кристаллах рубина. Рубин- это красный кристалл оксида алюминия Al₂ O₃ c примесями атомов хрома.

В кристалле рубина уровни E1, E2 и E3 принадлежат примесным атомам хрома

Типы лазеров

Рассмотреть проекты новых типов лазеров, присланных читателями в редакцию и провести обсуждение их на страницах журнала я предлагаю Отделу изобретений.

Новые лазеры сейчас открывают едва ли не каждый день; как правило, речь идет об обнаружении нового вещества, способного работать в лазере, или изобретении нового метода закачки энергии в рабочее тело.

Вопрос в том, годятся ли эти технологии для создания лучевых ружей или световых мечей? Можно ли построить лазер, достаточно большой для обеспечения энергией Звезды смерти? На сегодняшний день существует ошеломляющее разнообразие лазеров, которые можно классифицировать по материалу рабочего тела и способу закачки энергии (это может быть электричество, мощный световой луч, даже химический взрыв). Перечислим несколько типов лазеров.

• Газовые лазеры. Эта категория включает и чрезвычайно распространенные гелий-неоновые лазеры, дающие очень знакомый красный луч. Накачивают их при помощи радиоволн или электричества. Гелий-неоновые лазеры обладают небольшой мощностью. А вот газовые лазеры на углекислом газе можно использовать при подрывных работах, для резки и плавки металлов в тяжелой промышленности; они способны давать чрезвычайно мощный и совершенно невидимый луч;

• Химические лазеры. Эти мощные лазеры заряжаются от химической реакции — к примеру, горения этилена и трифторида азота NF3. Такие лазеры достаточно мощны, чтобы найти применение в военной области. В США химический принцип накачки применяется в воздушных и наземных боевых лазерах, способных давать луч мощностью в миллионы ватт и предназначенных для сбивания в полете ракет малой дальности.

• Эксимерные лазеры. Эти лазеры получают энергию также от химической реакции, в которой обычно задействованы инертный газ (т.е. аргон, криптон или ксенон) и какой-нибудь фторид или хлорид. Они дают ультрафиолетовый свет и могут использоваться в электронной промышленности для вытравливания крохотных транзисторов на полупроводниковых чипах, а также в хирургии глаза для проведения тончайших операций по технологии Lasik.

• Полупроводниковые лазеры. Диоды, которые мы так широко используем во всевозможных электрон ных устройствах, могут давать мощные лазерные лучи, которые используются в промышленности для резки и сварки. Эти же полупроводниковые лазеры работа ют и в кассовых аппаратах, считывая штрихкоды с выбранных вами товаров.

• Лазеры на красителях. В этих лазерах в качестве рабочего тела используются органические красите ли. Они исключительно полезны в получении ультра коротких импульсов света, которые часто имеют длительность порядка одной триллионной доли секунды.

Коллеги мы работаем не только с взрослой категорией людей, что мы можем предложить нашим самым маленьким товарищам!!!

Отдел писем провел следующую работу

Занимательный отдел.

Экспериментальная задача: Определить длину волны излучения лабораторного лазера

Оборудование:

1. лазер лабораторный

2. дифракционная решетка с периодом d = 1/100 мм,

3. демонстрационная линейка,

4. экран с миллиметровой бумагой,

5. штатив.

Выполнение работы:

1. Укрепляем дифракционную решетку в лапках штатива.

2. Включив лазер, направляем луч света на дифракционную решетку так, чтобы на экране получилась отчетливая дифракционная картина. Строго следим за тем, чтобы лучи лазера (падающие, отраженные) не светили в глаза учеников.

3. Линейкой измеряем на экране расстояние x от максимума нулевого порядка до максимума первого порядка.

4. Измеряем расстояние L от дифракционной решетки до экрана.

5. Выключаем лазер.

6. Вычисляем длину световой волны по формуле:

7. Заполняем таблицу и делаем вывод.

Итоги урока

Сегодня на уроке вы узнали (говорят ученики): чем и почему лазерное излучение отличается от излучения других источников; как образуется это излучение, как эти свойства используются в технических устройствах. Отдел рекламы

Заключительное слово учителя:

В заключение хочу привести слова Н.Г. Басова о значении лазеров:

«Создание лазеров не только коренным образом изменило оптику, но и оказало огромное влияние на многие области современной физики, химии, кибернетики, биологии, медицины, технологии. Сейчас мы видим, что когерентный свет открыл новые, совершенно неожиданные возможности для решения кардинальных проблем нашей бурно развивающейся цивилизации – энергетической, информационной, технологической. Широкое применение лазеров означает качественное преобразование в производительных сферах общества, подобное внедрению в производство и жизнедеятельность человека электричества». (Н. Г. Басов)

слайд 25. Домашнее задание: §96

Деловая игра: Работа журнала «Наука и жизнь» Лазеры и их применение

Лазер – оптический квантовый генератор, создающий мощный когерентный монохроматический луч света

“ L ight A mplification by S timulated E mission of R adiation” -

«усиление света при помощи индуцированного излучения»

Основные идеи, положенные в основу работы лазера:

1. В 1917 г А.Эйнштейн предсказал возможность индуцированного (вынужденного) излучения света атомами.

2. В 1940 г советский физик В.А.Фабрикант указал на возможность использования активных сред с инверсной заселенностью уровней, где возможно не поглощение, а усиление электромагнитных волн.

3. Использование положительно обратной связи, при которой часть сигнала с выхода устройства подается на его вход.

• В 1916 г Эйнштейн высказал идею о существовании эффекта вынужденного излучения

• В 1940 г В.А. Фабрикант указал на возможность использовать вынужденное излучение для усиления электромагнитных волн

• В 1954 г Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и независимо от них Ч. Таунс разработали принцип генерации и усиления радиоволн, используя явление индуцированного излучения.
• В 1963 г за разработку нового принципа генерации и усиления радиоволн Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и Ч. Таунс были удостоены Нобелевской премии

Н.Г.Басов

Ч. Таунс

А.М.Прохоров

Индуцированное (вынужденное) излучение-

• Излучение возбужденных атомов под действием падающего на них света
• возникшая при индуцированном излучении волна не отличается от волны, падающей на атом ни частотой, ни фазой

1916 – 1960 г - «Золотой век» создания чудесного луча

Первый лазер на рубине

ЖОРЕС АЛФЁРОВ – ЛАУРЕАТ НОБЕЛЕВСКОЙ ПРЕМИИ В ОБЛАСТИ ФИЗИКИ ЗА 2000 ГОД

• Жорес Иванович Алферов - автор основополагающих работ в области многослойных гетероструктур, ставших основой современных полупроводниковых лазеров.

Свойства лазерного излучения:

• Когерентность
• Малый угол расхождения
• Монохроматичность
• Большая мощность

Принцип действия лазера

Трехуровневая система

• Переход между уровнями E 3 и E 2 безызлучательный. Лазерный переход осуществляется между уровнями E 2 и E 1.
• Необходимые энергетические уровни имеются в кристаллах рубина.
• В кристалле рубина уровни E 1, E 2 и E 3 принадлежат примесным атомам хрома

«Профессии» лазера

Виды лазеров

Полупроводниковые

импульсный

газодинамический

Жидкостный лазер на красителях .

газовый

Применение лазеров :

медицина

промышленность

связь

Военное дело

строительство

Применение лазеров

Наука

Техника и связь

Локация небесных тел. Эталон длины. Лазерный термоядерный синтез. Сверхскоростная фотография. Разделение изотопов. Спектроскопия.

Линии связи. Обработка материалов. Лазеры в ЭВТ. Лазерный гироскоп. Голография.

Медицина и биология

Военное дело

Лазерная хирургия. Лечение опухолей. Стимуляция роста растений.

Лазерное оружие. Противоракетные системы. Оптический локатор.

Лазер в медицине

Лазер

в информационных технологиях

Лазерный принтер

Лазер, сопряженный с волокном

С давних времен свет используется человеком в качестве целебного и оздоравливающего фактора. Использование солнечного излучения, а также первых искусственных ультрафиолетовых излучателей для лечения некоторых болезней показало возможность целенаправленного применения света в практической медицине.

Эра принципиально новой светотерапии связана с изобретением и созданием лазера — нового, не имеющего аналогов в природе, вида излучения.

Классификация высокоинтенсивных лазеров, используемых в стоматологии

Высокоинтенсивное лазерное излучение

Обладая способностью рассекать, коагулировать и аблировать (выпаривать) биологическую ткань, высокоинтенсивный лазер начинает постепенно вытеснять скальпель и бормашину. Несомненными преимуществами применения лазера в хирургии являются возможность работы в "сухом поле", обусловленная уменьшением кровопотери во время операции, низкая вероятность образования келоидных рубцов, отсутствие необходимости в наложении швов, снижение потребности в анестезии, абсолютная стерильность рабочего поля.

Основные преимущества лазерного препарирования твердых тканей зуба

Экспериментальная задача

• Определить длину волны излучения лабораторного лазера

• «Создание лазеров не только коренным образом изменило оптику, но и оказало огромное влияние на многие области современной физики, химии, кибернетики, биологии, медицины, технологии. Сейчас мы видим, что когерентный свет открыл новые, совершенно неожиданные возможности для решения кардинальных проблем нашей бурно развивающейся цивилизации – энергетической, информационной, технологической. Широкое применение лазеров означает качественное преобразование в производительных сферах общества, подобное внедрению в производство и жизнедеятельность человека электричества».(Н. Г. Басов)

Дома :

• §96
• §96

Всем спасибо!