Планы уроков, 11 класс

Задача 2. Сила тока в горизонтально расположенном проводнике длиной 20 см и массой 4 г равна 10 А. Найти индукцию (модуль и направление) магнитного поля, в которое нужно поместить проводник, чтобы сила тяжести уравновесилась силой Ампера.

Дано:

l = 20 см = 0,2 м,

m = 4 г = 4∙10^-3 кг,

I = 10 А.

Решение:

F_тяж = F_маг; F_тяж = mg; F_маг = BIl;

Тл.

_{В - ?}

Задача 3. С какой силой действует магнитное поле индукцией 10 мТл на проводник, в котором сила тока 50 А, если длина активной части проводника 0,1 м? Линии индукции поля и ток взаимно перпендикулярны.

Дано:

В = 10 мТл = 0,01 Тл,

I = 50 А,

l = 0,1 м.

Решение:

F - ?

4.Домашнее задание: §3-5, упр. 1 (3).

Урок 4 «Сила Лоренца. Магнитные свойства вещества».

Дата:

Цели:

Образовательные: определить силу, с которой действует однородное магнитное поле на движущуюся частицу; познакомить учащихся с разными веществами по их магнитным свойствам и их применением; дать представление о магнитной проницаемости, о доменах; рассмотреть соответственные опыты; активизировать познавательную активность учащихся.

Развивающие: продолжить развитие интеллектуальных умений анализировать, сопоставлять, сравнивать, выделять главное; продолжить развитие умения принимать самостоятельные решения, доказывать свою точку зрения и принимать чужую; формировать умения работы с различными источниками учебной информации; продолжить формирование информационной компетентности.

Воспитательные: создание учениками личного опыта в приобретении знаний и продукта своей деятельности; воспитание ученика субъектом, конструктором своего образования, полноправным источником и организатором своих знаний; обеспечение индивидуального личностного роста потенциала ученика.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Изучение нового материала.

На доске записаны ключевые слова:

1. Сила Лоренца.

2. Модуль силы Лоренца.

3. Правило Лоренца.

4. Движение заряженной частицы в однородном магнитном поле.

Учащиеся работают в группах с помощью учебников, оформляют письменный отчет.

Постоянные магниты можно изготовить из Fe, Co, Ni и из сплавов с этими металлами. Все вещества, помещенные в магнитное поле - намагничиваются.

Гипотеза Ампера. Согласно гипотезе Ампера внутри молекул и атомов циркулируют элементарные электрические токи. Циркулирующие токи расположены беспорядочно, поэтому их действия взаимно компенсируются и тело не обнаруживает магнитных свойств.

В намагниченном состоянии элементарные токи обладают преимущественной ориентацией и их магнитные действия складываются.

В настоящее время известно, что эти токи образуются в результате движения электронов в атомах.

Температура, при которой, исчезают магнитные свойства у ферромагнетиков, называют температурой Кюри.

Температура Кюри = 753˚C - для железа; 365˚С - для никеля; 1000˚С - для кобальта.

Ферромагнетики имеют наибольшее практическое применение. Железный сердечник в катушке во много раз усиливает создаваемое ею магнитное поле, без увеличения силы тока.

Постоянные магниты изготавливают из материалов, у которых упорядоченная ориентация элементарных токов не пропадает при выключении внешнего магнитного поля.

3.Закрепление изученного материала.

Какие тела относят к ферромагнетикам? Где используют ферромагнетики? Как производят запись информации в ЭВМ?

4.Домашнее задание: §6-7, упр. 1 (4).

Урок 5 Лабораторная работа №1 «Наблюдение действия магнитного поля на ток».

Дата:

Цели:

Образовательные: сформировать представление о магнитном поле и о действии магнитного поля на проводник с током.

Развивающие: продолжить развитие интеллектуальных умений анализировать, сопоставлять, сравнивать, выделять главное; продолжить развитие умения принимать самостоятельные решения.

Воспитательные: создание учениками личного опыта в приобретении знаний и продукта своей деятельности.

Оборудование: дугообразный магнит, проволочный моток, штатив, реостат, источник постоянного тока, соединительные провода, ключ.

Тип урока: урок совершенствования знаний, умений и навыков.

Вид урока: лабораторная работа.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку. Инструктаж по технике безопасности.

2.Порядок выполнения работы.

Перед проведением лабораторной работы правильно разместим приборы.

Проволочный моток подвесим на штатив, а затем подключим его к источнику тока последовательно с реостатом (для увеличения сопротивления) и выключателем.

Движок реостата поставим на самое большое сопротивление, чтобы не произошло повреждение пластмассового кольца, на который намотана проволока. Ключ замыкаем только во время проведения опыта и сразу размыкаем его после окончания опыта.

Проведение эксперимента

1. Дугообразный магнит поднесем к висящему на штативе проволочному мотку, замыкая ключ, наблюдаем за движением мотка.

2. Зарисуем 4 варианта расположения магнита относительно проволочного мотка, указывая на рисунках направление тока. Направление линий магнитной индукции и предположительное движение мотка относительно магнита.

3. Справедливость предположений о направлении движения мотка и характере этих движений проверяем на опыте.

3.Домашнее задание: упр. 1 (1-2).

Урок 6 «Открытие электромагнитной индукции. Правило Ленца. Магнитный поток».

Дата:

Цели:

Образовательные: формировать представление о процессе научного познания через знакомство с явлением электромагнитной индукции.

Развивающие: совершенствовать интеллектуальные способности и мыслительные умения учащихся, коммуникативные свойства речи; формировать умения обобщать и систематизировать изученный материал; расширять кругозор учащихся.

Воспитательные: формировать материалистическое мировоззрение учащихся и нравственные качества личности, чувство коллективизма, взаимовыручки.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Изучение нового материала.

Новая тема знакомит с переменными магнитными и полями, которые меняются с течением времени. Переменное магнитное создает изменяющееся электрическое поле. Без этой связи не было бы разнообразия проявлений электромагнитных сил, не существовало бы ни радиоволн, ни света.

Зачитываю выдержки из труда М.Фарадея «Экспериментальные исследования по электричеству». Текст: … недавно я добился положительных результатов, и при этом не только оправдались мои надежды, но я получил в руки ключ, который, как мне кажется, открывает дверь к полному объяснению магнитных явлений Араго, а так же к открытию некоторого нового состояния, которое, быть может, играет большую роль в некоторых наиболее важных действиях электрических токов…».

Выводы: Образование электрического тока в проводящем контуре, который движется в постоянном магнитном поле, так, что число магнитных линий пронизывающих контур меняется или покоится в переменном во времени магнитном поле, называется - электромагнитной индукцией.

Электромагнитная индукция была открыта 29 августа 1831 года Майклом Фарадеем. До 17 октября 1831 года Фарадей установил все особенности электромагнитной индукции.

В замкнутом контуре создается ток, если меняется количество линий магнитной индукции, проходящих через поверхность, охваченную этим контуром.

Индукционный ток тем больше, чем быстрее меняется число линий индукции, проходящих через поверхность, ограниченную контуром.

Совсем, не важно, находится ли контур в переменном магнитном поле или контур движется в постоянном поле. Главное, чтобы менялось число линий магнитной индукции, пронизывающих контур и тогда индукционный ток появится в контуре.

Магнитный поток - Ф. Для получения количественной зависимости для закона электромагнитной индукции введем величину магнитного потока. Рассмотрим плоский замкнутый проводник (контур) с площадью поверхности S, помещенный в однородное магнитное поле.

Ф = B S cosα

B cosα - проекция вектора магнитной индукции на нормаль к плоскости поверхности контура.

Ф = В_nS

Наглядно магнитный поток можно представить, как величину, пропорциональную количеству линий магнитной индукции, проходящих через поверхность S.

Однородное магнитное поле с индукцией 1 Тл, проходящее через поверхность 1 м², и перпендикулярное вектору магнитной индукции представляет собой магнитный поток.

Измеряется магнитный поток в веберах. 1Вб = 1Тл·1м²

Правило Ленца определяет направление индукционного тока и гласит: индукционный ток всегда имеет такое направление, что он ослабляет действие причины, возбуждающей этот ток.

3.Закрепление изученного материала.

Назовите главное отличие переменных полей (электрического и магнитного) от полей постоянных. Дать определение электромагнитной индукции? Чтобы в контуре возник индукционный ток, как должен двигаться контур в постоянном магнитном поле: поступательно, вращательно? Что такое магнитный поток? Записать формулу для вычисления магнитного потока.

4.Домашнее задание: §8-10.

Урок 7 «Закон электромагнитной индукции. Вихревое электрическое поле».

Дата:

Цели:

Образовательные: сформировать закон электромагнитной индукции, ввести понятие вихревого поля.

Развивающие: совершенствовать интеллектуальные способности и мыслительные умения учащихся, коммуникативные свойства речи; формировать умения обобщать и систематизировать изученный материал; расширять кругозор учащихся.

Воспитательные: формировать материалистическое мировоззрение учащихся и нравственные качества личности, чувство коллективизма, взаимовыручки.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Изучение нового материала.

Закон электромагнитной индукции: Электрический ток в цепи возможен, если на свободные заряды проводника действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура называется ЭДС. При изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, в контуре появляются сторонние силы, действие которых характеризуется ЭДС индукции.

Учитывая направление индукционного тока, согласно правилу Ленца: ξ_i = - , где ξ_i - ЭДС индукции в контуре, ∆Ф - изменение магнитного потока, ∆t - промежуток времени.

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой с противоположным знаком.

Почему "-" ? Т.к. индукционный ток противодействует изменению магнитного потока, ЭДС индукции и скорость изменения магнитного потока имеют разные знаки.

Если рассматривать не единичный контур, а катушку, где N- число витков в катушке: ξ_i = -N .

Величину индукционного тока можно рассчитать по закону Ома для замкнутой цепи: Ii = , где R - сопротивление проводника.

Вихревое электрическое поле.

Причина возникновения электрического тока в неподвижном проводнике - электрическое поле.
Всякое изменение магнитного поля порождает индукционное электрическое поле независимо от наличия или отсутствия замкнутого контура, при этом если проводник разомкнут, то на его концах возникает разность потенциалов; если проводник замкнут, то в нем наблюдается индукционный ток.

Направление силовых линий вихревого эл. поля совпадает с направлением индукционного тока
Индукционное электрическое поле имеет совершенно другие свойства в отличии от электростатического поля.

электростатическое поле

индукционное электрическое поле
(вихревое электрическое поле)

создается неподвижными электрическими зарядами

вызывается изменениями магнитного поля

силовые линии поля разомкнуты -потенциальное поле

силовые линии замкнуты - вихревое поле

источниками поля являются электрические заряды

источники поля указать нельзя

работа сил поля по перемещению пробного заряда по замкнутому пути = 0.

работа сил поля по перемещению пробного заряда по замкнутому пути = ЭДС индукции

3.Закрепление изученного материала.

Как звучит закон электромагнитной индукции?

4.Домашнее задание: §11-13.

Урок 8 «Самоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля. Электромагнитное поле».

Дата:

Цели:

Образовательные: сформировать понятие самоиндукции, индуктивности; выяснить, что понимают под электромагнитным полем.

Воспитательные: формировать материалистическое мировоззрение учащихся и нравственные качества личности, чувство коллективизма, взаимовыручки.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Изучение нового материала.

Каждый проводник, по которому протекает электрический ток, находится в собственном магнитном поле. При изменении силы тока в проводнике меняется магнитное поле, т.е. изменяется магнитный поток, создаваемый этим током. Изменение магнитного потока ведет в возникновению вихревого электрического поля и в цепи появляется ЭДС индукции. I↕ → Ф↕ → ξ_si. Это явление называется самоиндукцией.

Самоиндукция - явление возникновения ЭДС индукции в электрической цепи в результате изменения силы тока. Возникающая при этом ЭДС называется ЭДС самоиндукции.

Проявление явления самоиндукции

Замыкание цепи

При замыкании в электрической цепи нарастает ток, что вызывает в катушке увеличение магнитного потока, возникает вихревое электрическое поле, направленное против тока, т.е. в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая нарастанию тока в цепи (вихревое поле тормозит электроны).

В результате Л1 загорается позже, чем Л2.

Размыкание цепи

При размыкании в электрической цепи ток убывает, возникает уменьшение магнитного потока в катушке, возникает вихревое электрической поле, направленное как ток (стремящееся сохранить прежнюю силу тока), т.е. в катушке возникает ЭДС самоиндукции, поддерживающая ток в цепи. В результате Л при выключении ярко вспыхивает.

Вывод: в электротехнике явление самоиндукции проявляется при замыкании цепи (электрический ток нарастает постепенно) и при размыкании цепи (электрический ток пропадает не сразу).

От чего зависит ЭДС самоиндукции? Электрический ток создает собственное магнитное поле. Магнитный поток через контур пропорционален индукции магнитного поля (Ф~B), индукция пропорциональна силе тока в проводнике
(B~I), следовательно магнитный поток пропорционален силе тока (Ф~I).

ЭДС самоиндукции зависит от скорости изменения силы тока в эл.цепи, от свойств проводника
(размеров и формы) и от относительной магнитной проницаемости среды, в которой находится проводник.
Физическая величина, показывающая зависимость ЭДС самоиндукции от размеров и формы проводника и от среды, в которой находится проводник, называется коэффициентом самоиндукции или индуктивностью. L = - .
Индуктивность - физ. величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1Ампер за 1 секунду. Также индуктивность можно рассчитать по формуле: Ф = LI, где Ф - магнитный поток через контур, I - сила тока в контуре. Единицы измерения индуктивности в системе СИ: 1 Гн (генри).

Индуктивность катушки зависит от: числа витков, размеров и формы катушки и от относительной магнитной проницаемости среды (возможен сердечник). ξ_{si =} - = - L.

ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока при включении цепи и убыванию силы тока при размыкании цепи.

Вокруг проводника с током существует магнитное поле, которое обладает энергией. Откуда она берется? Источник тока, включенный в эл.цепь, обладает запасом энергии. В момент замыкания эл.цепи источник тока расходует часть своей энергии на преодоление действия возникающей ЭДС самоиндукции. Эта часть энергии, называемая собственной энергией тока, и идет на образование магнитного поля. Энергия магнитного поля равна собственной энергии тока. Собственная энергия тока численно равна работе, которую должен совершить источник тока для преодоления ЭДС самоиндукции, чтобы создать ток в цепи. W =

Энергия магнитного поля, созданного током, прямо пропорциональна квадрату силы тока. Куда пропадает энергия магнитного поля после прекращения тока? - выделяется (при размыкании цепи с достаточно большой силой тока возможно возникновение искры или дуги).

3.Закрепление изученного материала.

Самоиндукция (кратко проявление в электротехнике, определение). ЭДС самоиндукции (ее действие и формула). Индуктивность (определение, формулы, ед. измерения). Энергия магнитного поля тока (формула, откуда появляется энергия м. поля тока, куда пропадает при прекращении тока).

4.Домашнее задание: §15-17.

Урок 9 Лабораторная работа №2 «Изучение явления электромагнитной индукции».

Дата:

Цели:

Образовательные: проверить на опыте зависимость ЭДС индукции от скорости изменения магнитного потока.

Развивающие: продолжить развитие интеллектуальных умений анализировать, сопоставлять, сравнивать, выделять главное; продолжить развитие умения принимать самостоятельные решения.

Воспитательные: создание учениками личного опыта в приобретении знаний и продукта своей деятельности.

Оборудование: постоянный магнит, катушка-моток.

Тип урока: урок совершенствования знаний, умений и навыков.

Вид урока: лабораторная работа.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку. Инструктаж по технике безопасности.

2.Порядок выполнения работы.

3.Домашнее задание: повторить §8-10.

Урок 10 Решение задач по теме «Электродинамика».

Дата:

Цели:

Образовательные: закрепить знания учащихся при вычислении силы Ампера и силы Лоренца, при определении энергии магнитного поля.

Развивающие: развивать интеллектуальных умений учащихся (наблюдать, сравнивать, применять ранее усвоенные знания в новой ситуации, размышлять, анализировать, делать выводы).

Воспитательные: формировать коммуникативных умений учащихся.

Тип урока: урок закрепления знаний.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Актуализация знаний.

Формула для расчета силы Ампера, силы Лоренца, энергии магнитного поля.

3.Решение задач.

Задачи на «3» балла

1.Магнитный поток через катушку, состоящую из 75 витков, равен 4,8 · 10^-3 Вб. Рассчитайте время, за которое должен исчезнуть этот поток, чтобы в катушке возникла ЭДС индукции, равная 0,74 В. (Ответ: 0,5 с.)

2.В катушке, индуктивность которой равна 0,4 Гн, возникла ЭДС, равная 20 В. Рассчитайте изменение силы тока и энергию магнитного поля катушки, если это произошло за 0,2 с. (Ответ: 10 А; 20 Дж.)

3.Определите скорость самолета при горизонтальном полете, если ЭДС индукции, возникающая на его крыльях длиной 15 м равна 0,12 В, а вертикальная составляющая магнитной индукции магнитного поля Земли равна 0,5 · 10^-4 Тл. (Ответ: 160 м/с.)

Задачи на оценку «4» балла

1.Проволочное кольцо радиусом 5 см расположено в однородном магнитном поле, индукция которого равна 1 Тл так, что вектор индукции перпендикулярен плоскости кольца. Определите ЭДС индукции, возникающую в кольце, если его повернуть на угол 90° за время, равное 0,1 с. (Ответ: 0,08 В.)

2.Проводник длиной 60 см и сопротивлением 0,02 Ом движется по медным проводам и источнику тока, ЭДС которого равна 0,96 В, внутреннее сопротивление равно 0,01 Ом. Найдите силу тока в проводнике, если он движется равномерно со скоростью 0,5 м/с перпендикулярно к магнитному полю, у которого индукция равна 2,6 Тл. (Ответ: 16 А.)

3.В результате изменения силы тока с 4 А до 20 А поток магнитной индукции через площадь поперечного сечения катушки, имеющей 1000 витков изменился на 0,002 Вб. Найдите индуктивность катушки. (Ответ: 0,125 Гн.)

Задачи на оценку «5» баллов

1.Два металлических стержня расположены вертикально и замкнуты вверху проводником. По ним без трения и нарушения контакта скользит перемычка длиной 2 см массой 1 г. Вся система находится в однородном магнитном поле, у которого индукция равна 0,01 Тл и перпендикулярна плоскости рамки. Установившаяся скорость равна 0,8 м/с. Найдите сопротивление перемычки. (Ответ: 3,3 · 10^-6 Ом.)

2.Катушка индуктивности диаметром 4 см, имеющая 400 витков медной проволоки, у которой площадь поперечного сечения равна 1 мм², расположена в однородном магнитном иоле. Магнитная индукция этого поля направлена вдоль оси катушки и равномерно изменяется за 1 с на 0,1 Тл. Концы катушки замкнуты накоротко. Определите количество теплоты, выделяющейся в катушке за 1 с. Удельное сопротивление меди равно 8,7 · 10^-8 Ом·м. (Ответ: 2,95 · 10^-3 Дж.)

3.Проволочная катушка диаметром 5 см помещена в однородное магнитное поле параллельно ее оси. Индукция поля равномерно изменяется за 1 с на 0,01 Тл. Катушка содержит 1000 витков медного провода сечением 0,2 мм². Удельное сопротивление меди равно 1,7 · 10^-8 Ом·м. К концам катушки подключен конденсатор емкостью 10 мкФ. Определите заряд на конденсаторе. (Ответ: 1,95 · 10^-7 Кл.)

4.Домашнее задание: упр.2 (1-2).

Урок 11 Контрольная работа №1 «Электродинамика».

Дата:

Цель: определить уровень овладения знаниями, умениями и навыками.

Тип урока: урок контроля, оценки и коррекции знаний.

Вид урока: контрольная работа.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Контрольная работа.

Вариант 1

1.В катушке индуктивностью 0,08 Гн проходит ток силой 20 А. Найти энергию магнитного поля тока. Определить ЭДС самоиндукции, которая возникает в катушке при исчезновении в ней тока за 0,002 с.

2.Какой заряд пройдет через поперечное сечение витка, сопротивлением 0,03 Ом, при уменьшении магнитного потока внутри витка на 12 мВб.

3.Магнитный поток через контур проводника с сопротивление 3∙10^-2 Ом за 2 с изменился на 1,2∙10^-2 Вб. Какова сила тока, протекающего по проводнику, если изменения происходят равномерно.

4.В однородном магнитном поле, индукция которого равна 2 Тл, движется электрон со скоростью 10⁵ м/с перпендикулярно линиям магнитной индукции. Вычислите силу, действующую на электрон.

5.Определить радиус окружности и период обращения электрона в однородном магнитном поле с индукцией 0,02 Тл. Скорость электрона перпендикулярна вектору магнитной индукции и равна 10⁵ м/с.

m_e=9,1∙10^-31 кг, q_e=1,6∙10^-19 Кл.

Вариант №2

1. В катушке проходит ток силой 4 А. При исчезновении в ней тока за 0,02 с возникает ЭДС самоиндукции, равное 12 В. Определить индуктивность. Найти энергию магнитного поля тока.

2.При уменьшении магнитного потока на 15 мВб через поперечное сечение витка проходит заряд 0,3 Кл. Определить сопротивление.

3. Магнитный поток через контур проводника с сопротивление 2∙10^-2 Ом за 4 с изменился на 1,6∙10^-2 Вб. Какова сила тока, протекающего по проводнику, если изменения происходят равномерно.

4. В однородном магнитном поле, индукция которого равна 0,2 Тл, находится проводник длиной 25 см, по которому протекает ток в 3 А. Направление тока составляет с направление вектора магнитной индукции угол 90°. Вычислите силу, действующую на проводник с током.

5.Ядро атома гелия, имеющее массу 6,7∙10^-27 кг и заряд 3,2∙10^-19 Кл, влетает в однородное магнитное поле и начинает двигаться по окружности радиусом 2 м. Индукция магнитного поля равна 10^-2 Тл. Рассчитайте скорость этой частицы.

3.Домашнее задание: упр.2 (4-6).

Урок 12 «Свободные колебания. Математический маятник. Гармонические колебания. Амплитуда, период. Частота и фаза колебаний. Вынужденные колебания».

Дата:

Цели:

Образовательные: сформировать понятие колебательного движения; выяснить основные характеристики колебаний.

Воспитательные: формировать материалистическое мировоззрение учащихся и нравственные качества личности, чувство коллективизма, взаимовыручки.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Изучение нового материала.

Особый вид неравномерного движения - колебательное. Это движение, которое повторяется с течением времени. Механические колебания - это движения, которые повторяются через определенные промежутки времени. Если промежутки времени одинаковые, то такие колебания называются периодическими.

Колебательная система - это система взаимодействующих тел (минимум два тела), которые способны совершать колебания. Простейшими колебательными системами являются маятники.

Математический маятник - это материальная точка, подвешенная на тонкой нерастяжимой и невесомой нити.

Если отклонить маятник от положения равновесия, то сила тяжести и сила упругости будут направлены под углом. Равнодействующая сила уже не будет равна нулю. Под воздействием этой силы маятник устремится к положению равновесия, но по инерции движение продолжится и маятник отклоняется в другую сторону. Равнодействующая сила его снова возвращает. Далее процесс повторяется.

Период колебаний математического маятника зависит от его длины, определяется по формуле:

T = 2π, где Т - период колебаний; l - длина маятника; π - математическая постоянная ≈ 3,14; g - ускорение свободного падения ≈ 9,8 м/с².

Важно где происходят колебания. На Луне и на Земле один и тот же математический маятник при одинаковых начальных условиях колебаться будет по-разному. Так как ускорение свободного падения на Луне отличается от ускорения свободного падения на Земле.

Пружинный маятник - это груз, прикрепленный к пружине, массой которой можно пренебречь.

Пока пружина не деформирована, сила упругости на тело не действует. В пружинном маятнике колебания совершаются под действием силы упругости. Период колебаний пружинного маятника зависит от его массы, определяется по формуле:

T = 2π, где Т - период колебаний; l - длина маятника; π - математическая постоянная ≈ 3,14; k - жесткость пружины.

Характеристика колебаний. Фаза определяет состояние системы, а именно координату, скорость, ускорение, энергию и др. Циклическая частота характеризует скорость изменения фазы колебаний.

ω = , где ω - циклическая частота колебаний; ∆φ - изменение фазы колебаний; ∆t - промежуток времени. [φ] = 1 рад; [ω] = 1 рад/с

Начальное состояние колебательной системы характеризует начальная фаза φ₀.

Амплитуда колебаний A - это наибольшее смещение из положения равновесия

Период T - это промежуток времени, в течение которого точка выполняет одно полное колебание.

Частота колебаний - это число полных колебаний в единицу времени t.

ν = , где ν - частота колебаний; N - число полных колебаний; t - время.

Частота, циклическая частота и период колебаний соотносятся как: ν = и ω =

Колебания, которые происходят в замкнутых системах называются свободными или собственными колебаниями. Колебания, которые происходят под действием внешних сил, называют вынужденными. Встречаются также автоколебания (вынуждаются автоматически). Если рассматривать колебания согласно изменяющихся характеристик (амплитуда, частота, период и др.), то их можно разделить на гармонические, затухающие, нарастающие (а также пилообразные, прямоугольные, сложные).

При свободных колебаниях в реальных системах всегда происходят потери энергии. Механическая энергия расходуется, например, на совершение работы по преодолению сил сопротивления воздуха. Под влиянием силы трения происходит уменьшение амплитуды колебаний, и через некоторое время колебания прекращаются. Очевидно, что чем больше силы сопротивления движению, тем быстрее прекращаются колебания.

Вынужденные колебания являются незатухающими. Поэтому необходимо восполнять потери энергии за каждый период колебаний. Для этого необходимо воздействовать на колеблющееся тело периодически изменяющейся силой. Вынужденные колебания совершаются с частотой, равной частоте изменения внешней силы.

Амплитуда вынужденных механических колебаний достигает наибольшего значения в том случае, если частота вынуждающей силы совпадает с частотой колебательной системы. Это явление называется резонансом.

Например, если периодически дергать шнур в такт его собственным колебаниям, то мы заметим увеличение амплитуды его колебаний.

Гармоническое колебание - это периодическое колебание, при котором координата, скорость, ускорение, характеризующие движение, изменяются по закону синуса или косинуса.

График гармонического колебания устанавливает зависимость смещения тела со временем.

Графиком гармонического колебания является синусоида (или косинусоида). По графику колебаний можно определить все характеристики колебательного движения.

Уравнение гармонического колебания устанавливает зависимость координаты тела от времени:

x = Acos(ωt + φ₀) и x = Asin(ωt + φ₀), где х -координата колеблющегося тела; А(х₀) - амплитуда колебаний; ω - циклическая частота; t - время; φ₀ - начальная фаза.

График косинуса в начальный момент имеет максимальное значение, а график синуса имеет в начальный момент нулевое значение. Если колебание начинаем исследовать из положения равновесия, то колебание будет повторять синусоиду. Если колебание начинаем рассматривать из положения максимального отклонения, то колебание опишет косинус. Или такое колебание можно описать формулой синуса с начальной фазой φ₀ = .

Не только координата тела изменяется со временем по закону синуса или косинуса. Но и такие величины, как сила, скорость и ускорение, тоже изменяются аналогично. Сила и ускорение максимальные, когда колеблющееся тело находится в крайних положениях, где смещение максимально, и равны нулю, когда тело проходит через положение равновесия. Скорость, наоборот, в крайних положениях равна нулю, а при прохождении телом положения равновесия - достигает максимального значения.

3.Домашнее задание: глава 3.

Урок 13 Лабораторная работа №3 «Определение ускорения свободного падения с помощью маятника».

Дата:

Цели:

Образовательные: на опыте научиться измерять ускорение свободного падения с помощью математического маятника

Развивающие: продолжить развитие интеллектуальных умений анализировать, сопоставлять, сравнивать, выделять главное; продолжить развитие умения принимать самостоятельные решения.

Воспитательные: создание учениками личного опыта в приобретении знаний и продукта своей деятельности.

Оборудование: секундомер, измерительная лента, штатив с муфтой и кольцом, небольшой груз, нить.

Тип урока: урок совершенствования знаний, умений и навыков.

Вид урока: лабораторная работа.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку. Инструктаж по технике безопасности.

2.Теория.

При малых отклонениях от положения равновесия период колебаний математического маятника зависит от длины нити и ускорения свободного падения и определяется по формуле:

На опыте определить период колебаний маятника можно, измерив время нескольких колебаний, по формуле:

После математических преобразований этих формул получаем выражение для ускорения свободного падения:

, где l - длина маятника, N - число колебаний, t - время колебаний.

3.Порядок выполнения работы.

Установите на краю стола штатив, закрепив в его верхней части с помощью муфты кольцо. Подвесьте к кольцу груз на нити так, чтобы он висел на расстоянии 2- 3 см от пола.

Измерьте длину l маятника с помощью измерительной ленты и запищите это значение в таблицу.

Отклоните грузик на 5- 8 см от положения равновесия и отпустите его.

Определите время 20 полных колебаний грузика. Повторите опыт 3 раза, каждый раз внося в таблицу результаты измерения времени t и числа колебаний N.

Определите среднее значение времени. Вычислите ускорение свободного падения.

Расчет погрешности измерений.

1.Зная, что ускорение свободного падения равно 9,8 м/с², вычислите абсолютную погрешность экспериментальных измерений по формуле: ∆g = | g - g_ээксп |

2.Определите относительную погрешность измерений по формуле: %

3.Результаты вычислений погрешности внесите в таблицу.

Сделайте вывод, исходя из цели работы.

4.Домашнее задание: упр. 3.

Урок 14 «Свободные колебания в колебательном контуре. Период свободных электрических колебаний».

Дата:

Цели:

Образовательные: сформировать понятия электромагнитных колебаний и колебательного контура; сформировать представление как в колебательном контуре энергия электрического поля периодически превращается в энергию магнитного поля; показать, что колебания в идеальном колебательном контуре являются гармоническими; получить основное уравнение, описывающее свободные электрические колебания в контуре; вывести формулу, с помощью которой можно вычислить период свободных электрических колебаний; сформировать понятие колебательного движения; выяснить основные характеристики колебаний.

Развивающие: развитие навыков самостоятельного поиска решения задач, логического мышления, умения рассуждать, сравнивать, делать выводы.

Воспитательные: формировать материалистическое мировоззрение учащихся и нравственные качества личности, чувство коллективизма, взаимовыручки.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Изучение нового материала.

Свободные электромагнитные колебания

Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из катушки индуктивностью L и конденсатора электроемкостью C. Если предварительно зарядить конденсатор, то получим колебательный контур.

1.В начальный момент времени конденсатор имеет максимальный заряд, обладает максимальной энергией W_C.

2.В следующий момент времени конденсатор начинает разряжаться. В цепи появляется ток. По мере разрядки конденсатора ток в цепи и в катушке нарастает. Из-за явления самоиндукции это происходит не мгновенно. Энергия катушки W_L становится максимальной.

3.Электрические заряды вновь накапливаются на конденсаторе, но обкладка конденсатора, первоначально заряженная положительно, будет заряжена отрицательно. Энергия конденсатора максимальная.

4.Конденсатор разряжается, но ток протекает уже в обратном направлении.

Этот процесс будет повторяться снова и снова. Возникнут электромагнитные колебания. Если отсутствуют потери (R=0), то сила тока, заряд и напряжение со временем изменяются по гармоническому закону.

q = q₀cosωt I₀ = q₀ω

I = I₀cos(ωt + )

U = U₀cos(ωt + π)

Период колебаний. Формула Томсона.

Наименьший промежуток времени, в течение которого происходит переход зарядов с одной обкладки конденсатора на другую и обратно, называется периодом свободных электромагнитных колебаний.

T = 2π, где Т - период электромагнитных колебаний; L - индуктивность катушки; С - электроемкость конденсатора. [T] = 1c; [L] = 1Гн; [C] = 1Ф.

Энергия колебательного контура.

Если пренебречь потерями (R=0), то полная энергия колебательного контура остается постоянной. Выполняется закон сохранения энергии.

W = + = const, где W - полная энергия колебательного контура; - энергия конденсатора; - энергия катушки.

3.Закрепление изученного.

Учащимся предлагается решить тест для самопроверки.

1.Периодические изменения заряда, силы тока, напряжения называются:

А. механическими колебаниями

Б. электромагнитными колебаниями

В. свободными колебаниями

Г. вынужденными колебаниями

2.Колебательный контур состоит из:

А. катушки и резистора

Б. конденсатора и лампы

В. конденсатора и катушки индуктивности

Г. конденсатора и вольтметра

3.Условия возникновения электромагнитных колебаний:

А. Наличие колебательного контура

Б. Электрическое сопротивление должно быть очень маленьким

В. Зарядить конденсатор (вывести систему из равновесия).

Г. Все три условия (А, Б и В)

4.Какой энергией обладает колебательный контур в момент, когда заряд конденсатора максимален?
А. Энергией электрического поля

Б. Энергией магнитного поля

В. Энергией магнитного и электрического полей

Г. Энергией гравитационного, магнитного и электрического полей.

5.Какой энергией обладает колебательный контур в момент, когда ток в катушке максимален?

А. Энергией электрического поля

Б. Энергией магнитного поля

В. Энергией магнитного и электрического полей

Г. Энергией гравитационного, магнитного и электрического полей

6.В колебательном контуре после разрядки конденсатора ток исчезает не сразу, а постепенно уменьшается, перезаряжая конденсатор. Это связано с явлением:

А. инерции

Б. электростатической индукции

В. самоиндукции

7.В колебательном контуре энергия электрического поля конденсатора периодически превращается

А. в энергию магнитного поля тока

Б. в энергию электрического поля

В. в механическую энергию

Г. в световую энергию

8.Каким выражением определяется период Т электромагнитных колебаний в контуре, состоящем из конденсатора и катушки индуктивности?

А. Б. В. Г.

9.Каким выражением определяется частота электромагнитных колебаний в контуре, состоящем из конденсатора и катушки индуктивности?

А. Б. В. Г.

10.Какие из описанных ниже колебательных процессов можно отнести к электромагнитным колебаниям?
А. Колебания груза на пружине в магнитном поле, создаваемом электромагнитом.

Б. Колебания математического маятника в магнитном поле Земли.

В. Колебания силы тока в контуре, состоящем из конденсатора и катушки индуктивности.

Г. Все три из описанных колебательных процессов.

4.Домашнее задание: §27-30.

Урок 15 «Вынужденные колебания. Переменный электрический ток. Активное сопротивление. Емкость и индуктивность в цепи переменного тока. Мощность в цепи переменного тока».

Дата:

Цели:

Образовательные: сформировать у учащихся представление о переменном токе; рассмотреть основные особенности активного сопротивления. Раскрыть основные понятия темы.

Развивающая: развивать у учащихся умение применять полученные знания о переменном токе в практическом применении в быту, технике и на производственной практике; развивать интерес к знаниям, способность анализировать, обобщать, выделять главное.

Воспитательные: формировать материалистическое мировоззрение учащихся и нравственные качества личности, чувство коллективизма, взаимовыручки.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Изучение нового материала.

Процессы, возникающие в электрических цепях под действием внешнего периодического источника тока, называются вынужденными колебаниями.

Вынужденными электромагнитными колебаниями называют периодические изменения силы тока и напряжения в электрической цепи, происходящие под действием переменной ЭДС от внешнего источника. Внешним источником ЭДС в электрических цепях являются генераторы переменного тока, работающие на электростанциях.

Вынужденные колебания, в отличие от собственных колебаний в электрических цепях, являются незатухающими. Внешний источник периодического воздействия обеспечивает приток энергии к системе и не дает колебаниям затухать, несмотря на наличие неизбежных потерь.

Электрические цепи, в которых происходят установившиеся вынужденные колебания под действием периодического источника тока, называются цепями переменного тока.

Принцип действия генератора переменного тока легко показать при рассмотрении вращающейся рамки провода в магнитном поле.

В однородное магнитное поле с индукцией В помещаем прямоугольную рамку, образованную проводниками (abсd). Пусть плоскость рамки перпендикулярна индукции магнитного поля В и ее площадь равна S. Магнитный поток в момент времени t₀ = 0 будет равен Ф = ВS.

При равномерном вращении рамки вокруг оси OO1 с угловой скоростью ω магнитный поток, пронизывающий рамку, будет изменяться с течением времени по закону: Ф = BScosωt.

Изменение магнитного потока возбуждает в рамке ЭДС индукцию, равную

ξ_i = - или ξ_i = BSωsin = ξ₀sinωt, где ξ₀ = ВSω - амплитуда ЭДС.

Если с помощью контактных колец и скользящих по ним щеток соединить концы рамки с электрической цепью, то под действием ЭДС индукции, изменяющейся со временем по гармоническому закону, в электрической цепи возникнут вынужденные гармонические колебания силы тока - переменный ток.

На практике синусоидальная ЭДС возбуждается не путем вращения рамки в магнитном поле, а путем вращения магнита или электромагнита (ротора) внутри статора - неподвижных обмоток, навитых на сердечники из магнитомягкого материала. В этих обмотках находится переменная ЭДС, что позволяет избежать снятия напряжения с помощью контактных колец.

3.Домашнее задание: §31-36.

Урок 16 «Генерирование энергии. Трансформатор. Передача электрической энергии».

Дата:

Цели:

Образовательные: сформировать у учащихся представление о генерировании энергии; выяснить устройство генератора и трансформатора.

Развивающая: развивать интерес к знаниям, способность анализировать, обобщать, выделять главное.

Воспитательные: формировать материалистическое мировоззрение учащихся и нравственные качества личности, чувство коллективизма, взаимовыручки.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Актуализация знаний.

Задача 1.

Дано: Решение:

Р = 200 кВт Ток в линии передачи: I = = = 870 А

U = 230 В Из формулы мощности найдем сопротивление одного провода:

Р₁ = 0,1Р P = 2I²R => R = = = 0,013 Ом

ℓ =10 км То сечение провода: S = = 13077 мм²

ρ = 0,017

____________

S = ?

Задача 2.

Дано: Решение:

Р = 200 кВт = 200000Вт Ток в линии передачи: I = = = 20 А

U = 10000 В Из формулы мощности найдем сопротивление одного провода:

Р₁ = 0,1Р P = 2I²R => R = = = 25 Ом

ℓ =10 км = 10000м То сечение провода: S = = 6,8 мм²

ρ = 0,017

____________

S = ?

3.Изучение нового материала.

Электрическая энергия обладает неоспоримыми преимуществами перед всеми другими видами энергии. Ее можно передавать по проводам на огромные расстояния со сравнительно малыми потерями и удобно распределять между потребителями. Главное же в том, что эту энергию с помощью достаточно простых устройств легко превратить в любые другие формы: механическую, внутреннюю (нагревание тел), энергию света и т.д.

Переменный ток в отличие от постоянного имеет то преимущество, что напряжение и силу тока можно в очень широких пределах преобразовывать почти без потерь энергии. Такие преобразования необходимы во многих электро- и радиотехнических устройствах. Но особенно необходима трансформация напряжения и тока при передаче электроэнергии на большие расстояния.

Электрический ток вырабатывается в генераторах - устройствах, преобразующих энергию того или иного вида в электрическую энергию. К генераторам относятся гальванические элементы, электростатические машины, термобатареи, солнечные батареи и т. п. Исследуются возможности создания принципиально новых типов генераторов. Область применения каждого из перечисленных типов генераторов электроэнергии определяется их характеристиками.

Современный генератор электрического тока - это внушительное сооружение из медных проводов, изоляционных материалов и стальных конструкций. При размерах в несколько метров важнейшие детали генераторов изготовляются с точностью до миллиметра. Нигде в природе нет такого сочетания движущихся частей, которые могли бы порождать электрическую энергию столь же непрерывно и экономично.

Трансформатор - устройство, применяемое для повышения или понижения переменного напряжения.

Павел Николаевич Яблочков сконструировал первый генератор переменного тока, который, в отличие от постоянного тока, обеспечивал равномерное выгорание угольных стержней в отсутствие регулятора. Первым применил переменный ток для промышленных целей. Создал трансформатор переменного тока (30 ноября 1876 года, дата получения патента, считается

датой рождения первого трансформатора), электромагнит с плоской обмоткой и впервые использовал статистические конденсаторы в цепи переменного тока.

Коэффициент трансформации - величина, равная отношению напряжений в первичной и вторичной обмотках трансформатора: k = = .

Повышающий трансформатор - трансформатор, увеличивающий напряжение.

U₂ > U₁, N₂ > N₁, k < 1.

Понижающий трансформатор - трансформатор, уменьшающий напряжение.

U₂ < U₁, N₂ < N₁, k > 1.

3.Домашнее задание: глава 5.

Урок 17 «Механические волны. Продольные и поперечные волны. Длина волны. Звуковые волны».

Дата:

Цели:

Образовательные: сформировать у учащихся представление о механических волнах; выяснить природу звуковой волны.

Развивающая: развивать интерес к знаниям, способность анализировать, обобщать, выделять главное.

Воспитательные: формировать нравственные качества личности, чувство коллективизма.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Изучение нового материала.

Если тело находится в упругой среде, то колебательное движение деформирует эту среду. Из-за взаимодействия соседних частиц среды деформация передается от одних участков к другим. Это и есть волна. Например, волна на озере, если бросить камень: камень вызывает деформацию, которая распространяется в упругой среде - воде.

Виды волн:

Волны могут быть поперечными и продольными. Представим распространение волн с помощью модели, в которой частицы среды представлена в виде совокупности шариков и пружинок.

В продольных волнах шарики испытывают смещение вдоль цепочки, а пружинки растягиваются или сжимаются. В жидкостях или газах деформация такого рода сопровождается уплотнением или разрежением. Такие волны могут распространятся в любых средах - твердых, жидких и газообразных.

Если один или несколько шариков сместятся в направлении, перпендикулярном цепочке, то возникает деформация сдвига. В результате вдоль цепочки побежит поперечная волна. Поперечные волны могут существовать только в твердых телах.

Характеристики волны:

1.Длина волны - это расстояние между двумя ближайшими горбами или впадинами поперечной волны, или расстояние между двумя ближайшими сгущениями или разрежениями продольной волны.

2.Скорость волны - это скорость распространения колебаний. Скорость распространения волны и длина волны зависят от среды, в которой они распространяются. Наибольшая скорость распространения волн в твердых телах, наименьшая - в газах.

Волны в природе:

Волны, наблюдаемые в природе, нередко переносят огромную энергию и являются причиной разрушений. Например, морские волны, а особенно цунами, обладают большой мощностью. Сейсмические волны распространяются в земной коре при землетрясениях или мощных взрывах.

При землетрясениях происходят сдвиги земной коры, достигающие 10^-15м. Предотвратить землетрясение невозможно, но их можно предсказать при помощи специального прибора - сейсмографа. Основная часть прибора - маятник, начинающий колебаться при появлении сейсмических волн.

Звуковые волны:

Звук - это упругие волны в среде (часто в воздухе), которые невидимы, но воспринимаемые человеческим ухом (волна воздействует на барабанную перепонку уха). Звуковая волна является продольной волной сжатия и разрежения.

Если создать вакуум, то будем ли мы различать звуки? Роберт Бойль в 1660 году поместил часы в стеклянный сосуд. Откачав воздух, он не услышал звука. Опыт доказывает, что для распространения звука необходима среда. Звук может также распространятся в жидкой и твердой среде. Под водой хорошо слышны удары камней. Положим часы на один конец деревянной доски. Приложив ухо к другому концу, можно ясно услышать тиканье часов. Звуковая волна распространяется через дерево.

Источник звука - это обязательно колеблющиеся тела. Например, струна на гитаре в обычном состоянии не звучит, но стоит нам заставить ее совершать колебательные движения, как возникает звуковая волна.

Однако опыт показывает, что не всякое колеблющееся тело является источником звука. Например, не издает звук грузик, подвешенный на нити. Дело в том, что человеческое ухо воспринимает не все волны, а только те, которые создают тела, колеблющиеся с частотой от 16Гц до 20000Гц. Такие волны называются звуковыми. Колебания с частотой меньше 16Гц называется инфразвуком. Колебания с частотой больше 20000Гц называются ультразвуком.

Звуковые волны распространяются не мгновенно, а с некоторой конечной скоростью (аналогично скорости равномерного движения). Именно поэтому во время грозы мы сначала видим молнию, то есть свет (скорость света гораздо больше скорости звука), а затем доносится звук.

Скорость звука зависит от среды: в твердых телах и жидкостях скорость звука значительно больше, чем в воздухе. Это табличные измеренные постоянные. С увеличением температуры среды скорость звука возрастает, с уменьшением - убывает.

Звуки бывают разными. Для характеристики звука вводят специальные величины: громкость, высота и тембр звука.

Громкость звука зависит от амплитуды колебаний: чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук. Кроме того, восприятие громкости звука нашим ухом зависит от частоты колебаний в звуковой волне. Более высокочастотные волны воспринимаются как более громкие.

Частота звуковой волны определяет высоту тона. Чем больше частота колебаний источника звука, тем выше издаваемый им звук. Человеческие голоса по высоте делят на несколько диапазонов.

Звуки от разных источников представляет собой совокупность гармонических колебаний разных частот. Составляющая наибольшего периода (наименьшей частоты) называется основным тоном. Остальные составляющие звука - обертонами. Набор этих составляющих создает окраску, тембр звука. Совокупность обертонов в голосах разных людей хоть немного, но отличается, это и определяет тембр конкретного голоса.

Эхо образуется в результате отражения звука от различных преград - гор, леса, стен, больших зданий и т.п. Эхо возникает только в том случае, когда отраженный звук воспринимается раздельно от первоначально произнесенного звука. Если отражающих поверхностей много и они находятся на разных расстояниях от человека, то отраженные звуковые волны дойдут до него в разные моменты времени. В этом случае эхо будет многократным. Препятствие должно находится на расстоянии 11м от человека, чтобы можно было услышать эхо.

Отражение звука. Звук отражается от гладких поверхностей. Поэтому при использовании рупора звуковые волны не рассеиваются во все стороны, а образуют узконаправленный пучок, за счет чего мощность звука увеличивается, и он распространяется на большее расстояние.

Некоторые животные (например, летучая мышь, дельфин) издают ультразвуковые колебания, затем воспринимают отраженную волну от препятствий. Так они определяют местоположение и расстояние до окружающих предметов.

Применение звуковых волн:

Эхолокация - это способ определения местоположения тел по отраженным от них ультразвуковым сигналам. Широко применяется в мореплавании. На судах устанавливают гидролокаторы - приборы для распознавания подводных объектов и определения глубины и рельефа дна. На дне судна помещают излучатель и приемник звука. Излучатель дает короткие сигналы. Анализируя время задержки и направление возвращающихся сигналов, компьютер определяет положение и размер объекта отразившего звук.

Ультразвук используется для обнаружения и определения различных повреждений в деталях машин (пустоты, трещины и др.). Прибор, используемый для этой цели называется ультразвуковым дефектоскопом. На исследуемую деталь направляется поток коротких ультразвуковых сигналов, которые отражаются от находящихся внутри нее неоднородностей и, возвращаясь, попадают в приемник. В тех местах, где дефектов нет, сигналы проходят сквозь деталь без существенного отражения и не регистрируются приемником.

Ультразвук широко используется в медицине для постановки диагноза и лечения некоторых заболеваний. В отличие от рентгеновских лучей его волны не оказывают вредного влияния на ткани. Диагностические ультразвуковые исследования (УЗИ) позволяют без хирургического вмешательства распознать патологические изменения органов и тканей. Специальное устройство направляет ультразвуковые волны с частотой от 0,5 до 15МГц на определенную часть тела, они отражаются от исследуемого органа и компьютер выводит на экран его изображение.

Для инфразвука характерно малое поглощение в различных средах вследствие чего инфразвуковые волны в воздухе, воде и земной коре могут распространятся на очень далекие расстояния. Это явление находит практическое применение при определении мест сильных взрывов или положения стреляющего оружия. Распространение инфразвука на большие расстояния в море дает возможность предсказания стихийного бедствия - цунами. Медузы, ракообразные и др. способны воспринимать инфразвуки и задолго до наступления шторма чувствуют его приближение.

3.Домашнее задание: глава 6.

Урок 18 «Интерференция волн. Принцип Гюйгенса. Дифракция волн».

Дата:

Цели:

Образовательные: сформировать у учащихся представление о переменном токе; рассмотреть основные особенности активного сопротивления. Раскрыть основные понятия темы.

Развивающая: развивать у учащихся умение применять полученные знания о переменном токе в практическом применении в быту, технике и на производственной практике; развивать интерес к знаниям, способность анализировать, обобщать, выделять главное.

Воспитательные: формировать материалистическое мировоззрение учащихся и нравственные качества личности, чувство коллективизма, взаимовыручки.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Изучение нового материала.

Любому волновому движению присущи явления интерференции и дифракции.

Очень часто в среде одновременно распространяется несколько различных волн. Например, когда в комнате беседуют несколько человек, то звуковые волны накладываются друг на друга. Что при этом происходит? 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. Точно так же любое число звуковых волн может одновременно распространяться в воздухе, ничуть не мешая друг другу. Множество музыкальных инструментов в оркестре или голосов в хоре создает звуковые волны, одновременно улавливаемые нашим ухом. Причем ухо может отличить один звук от другого.

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.

Вообще же в каждой точке среды колебания, вызванные двумя волнами, просто складываются. Результирующее смещение любой частицы среды представляет собой алгебраическую сумму смещений, которые происходили бы при распространении одной из волн в отсутствие другой.
Интерференция - сложение в пространстве волн, при котором образуется постоянное во времени распределение амплитуд результирующих колебаний частиц среды.

Для образования устойчивой интерференционной картины необходимо, чтобы источники волн имели одинаковую частоту и разность фаз их колебаний была постоянной. Такие источники называются когерентными. Когерентными называют и созданные ими волны. Только при сложении когерентных волн образуется устойчивая интерференционная картина.

Обнаружение интерференционной картины доказывает, что мы наблюдаем волновой процесс. Волны могут гасить друг друга, а сталкивающиеся частицы никогда не уничтожают друг друга целиком. Интерферируют только когерентные (согласованные) волны.

Принцип Гюйгенса-Френеля - основной постулат волновой теории, описывающий и объясняющий механизм распространения волн, в частности, световых.

Принцип Гюйгенса является развитием принципа, который ввёл Христиан Гюйгенс в 1678 году: каждая точка фронта (поверхности, достигнутой волной) является вторичным (т.е. новым) источником сферических волн. Огибающая фронтов волн всех вторичных источников становится фронтом волны в следующий момент времени.

Принцип Гюйгенса объясняет распространение волн, согласующееся с законами геометрической оптики, но не может объяснить явлений дифракции. Огюстен Жан Френель в 1815 году дополнил принцип Гюйгенса, введя представления о когерентности и интерференции элементарных волн, что позволило рассматривать на основе принципа Гюйгенса-Френеля и дифракционные явления.

Дифракция - явление огибания волнами препятствий, встречающихся на их пути, или в более широком смысле - любое отклонение распространения волн вблизи препятствий от законов геометрической оптики. Благодаря дифракции волны могут попадать в область геометрической тени, огибать препятствия, проникать через небольшие отверстия в экранах и т. д. Например, звук хорошо слышен за углом дома, т. е. звуковая волна его огибает.

3.Домашнее задание: §67, 70.

Урок 19 «Излучение электромагнитных волн. Свойства электромагнитных волн. Принцип радиосвязи. Телевидение».

Дата:

Цели:

Образовательные: сформировать у учащихся представление о электромагнитных волнах; рассмотреть основные свойства электромагнитных волн и их диапазоны; раскрыть принцип радиосвязи.

Развивающая: развивать интерес к знаниям, способность анализировать, обобщать, выделять главное.

Воспитательные: формировать материалистическое мировоззрение учащихся и нравственные качества личности, чувство коллективизма, взаимовыручки.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Изучение нового материала.

В 1860-1865 гг. один из величайших физиков XIX века Джеймс Клерк Максвелл создал теорию электромагнитного поля: любое изменение со временем магнитного поля приводит к возникновению изменяющегося электрического поля, а всякое изменение со временем электрического поля порождает изменяющееся магнитное поле. Эти порождающие друг друга переменные электрические и магнитные поля образуют единое электромагнитное поле.

Свойства электромагнитных волн

Важнейшим результатом, который вытекает из сформулированной Максвеллом теории электромагнитного поля, стало предсказание возможности существования электромагнитных волн. Электромагнитная волна - распространение электромагнитных полей в пространстве и во времени.

Источник электромагнитного поля - электрические заряды, движущиеся с ускорением.

Электромагнитные волны, в отличие от упругих (звуковых) волн, могут распространяться в вакууме или любом другом веществе.

Электромагнитные волны в вакууме распространяются со скоростью c = 299 792 км/с, то есть со скоростью света. с = , где с - скорость электромагнитной волны в вакууме; ξ₀ - электрическая постоянная [ξ₀] = 1Ф/м; μ₀ - магнитная постоянная [μ₀] = 1Гн/м.

В веществе скорость электромагнитной волны меньше, чем в вакууме. Соотношение между длиной волна, ее скоростью, периодом и частотой колебаний, полученные для механических волн выполняются и для электромагнитных волн: с = = λν, где λ - длина волны, Т - период, ν - частота.

Электромагнитная волна переносит энергию.

Вокруг нас сложный мир электромагнитных волн различных частот: излучения мониторов компьютеров, сотовых телефонов, микроволновых печей, телевизоров и др. В настоящее время все электромагнитные волны разделены по длинам волн на шесть основных диапазонов.

Радиоволны - это электромагнитные волны (с длиной волны от 10000 м до 0,005 м), служащие для передачи сигналов (информации) на расстояние без проводов. В радиосвязи радиоволны создаются высокочастотными токами, текущими в антенне.

Электромагнитные излучения с длиной волны, от 0,005 м до 1 мкм, т.е. лежащие между диапазоном радиоволн и диапазоном видимого света, называются инфракрасным излучением. Инфракрасное излучение испускают любые нагретые тела. Источником инфракрасного излучения служат печи, батареи, электрические лампы накаливания. С помощью специальных приборов инфракрасное излучение можно преобразовать в видимый свет и получать изображения нагретых предметов в полной темноте.

К видимому свету относят излучения с длиной волны примерно 770 нм до 380 нм, от красного до фиолетового цвета. Значение этого участка спектра электромагнитных излучений в жизни человека исключительно велико, так как почти все сведения об окружающем мире человек получает с помощью зрения.

Невидимое глазом электромагнитное излучение с длиной волны меньше, чем у фиолетового цвета, называют ультрафиолетовым излучением. Оно способно убивать болезнетворные бактерии.

Рентгеновское излучение невидимо глазом. Оно проходит без существенного поглощения через значительные слои вещества, непрозрачного для видимого света, что используют для диагностики заболеваний внутренних органов.

Гамма-излучением называют электромагнитное излучение, испускаемое возбужденными ядрами и возникающее при взаимодействии элементарных частиц.

Принцип радиосвязи

Колебательный контур используют как источник электромагнитных волн. Для эффективного излучения контур "открывают", т.е. создают условия для того, чтобы поле "уходило" в пространство. Это устройство называется открытым колебательным контуром - антенной.

Радиосвязью называется передача информации с помощью электромагнитных волн, частоты которых находятся в диапазоне от 3∙10⁴ до 3∙10¹¹ Гц.

3.Домашнее задание: глава 7.

Урок 20 Решение задач по теме «Колебания и волны».

Дата:

Цели:

Образовательные: закрепить знания учащихся при вычислении длины волны; периода и частоты колебаний.

Развивающие: развивать интеллектуальных умений учащихся (наблюдать, сравнивать, применять ранее усвоенные знания в новой ситуации, размышлять, анализировать, делать выводы).

Воспитательные: формировать коммуникативных умений учащихся.

Тип урока: урок закрепления знаний.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Актуализация знаний.

Основные характеристики волн. Что называют длиной волны? Какие единицы измерения периода и частоты колебаний?

3.Решение задач.

1.Происходит ли перенос вещества и энергии при распространении бегущей волны в упругой среде? (Ответ: энергии - да; вещества - нет).

2.Период колебания частиц воды равен 2 с, расстояние между соседними гребнями волн равно 6 м. Определите скорость распространения этих волн. (Ответ: 3 м/с).

3.В чем отличие графика волнового движения от графика колебательного движения? (Ответ: график колебательного движения изображает положение одной и той же точки в различные моменты времени, а график волнового движения изображает различные точки среды в один и тот же момент времени).

4.В каких упругих средах могут возникать поперечные волны? (Ответ: в твердых).

5.От каких физических величин зависит скорость распространения волны? (Ответ: от среды, в которой распространяется, и от ее состояния.)

6.Расстояние между ближайшими гребнями волн равно 6 м. Скорость распространения волны 2 м/с. Какова частота ударов волн о берег? (Ответ: 0,3 Гц).

7.Определите наименьшее расстояние между соседними точками, находящимися в одинаковых фазах, если волны распространяются со скоростью 100 м/с, а частота колебаний равна 50 Гц. (Ответ: 2 м).

8.В каких средах могут возникать продольные волны? (Ответ: в твердых, жидких и газообразных).

9.Происходит ли перенос вещества при распространении поперечной волны? (Ответ: нет).

10.Рыболов заметил, что за Т = 10 с поплавок совершил на воде N = 20 колебаний, а расстояние между соседними гребнями волны λ = 1,2 м. Найдите скорость распространения волны. (Ответ: 2,4 м/с).

11.Определите длину λ звуковой волны в воде, вызываемой источником колебаний с частотой v = 200 Гц, если скорость звука в воде v = 1450 м/с. (Ответ: 7,25 м).

12.В воде распространяются звуковые колебания частотой ν = 725 Гц. Скорость звука в воде V = 1450 м/с. На каком расстоянии d находятся ближайшие точки, в окрестности которых частицы жидкости совершают противофазные колебания? (Ответ: d = = 1 м).

4.Домашнее задание: упр.6.

Урок 21 Контрольная работа №2 «Колебания и волны».

Дата:

Цель: определить уровень овладения знаниями, умениями и навыками.

Тип урока: урок контроля, оценки и коррекции знаний.

Вид урока: контрольная работа.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Контрольная работа.

Вариант 1

1.Период колебания частиц воды равен 4 с, расстояние между соседними гребнями волны равно 12 м. Определить скорость распространения волны. (Ответ: 3м/с).

2.Расстояние между смежными гребнями волны 1,2 с, скорость распространения волны 3,6 м/с. Период колебаний равен 10 с. Найти число колебаний. (Ответ: 30).

3.Звуковая волна длиной 0,5 м распространяется со скоростью 345 м/с. Определить, с какой частотой колеблется эта волна. (Ответ: 690 Гц).

4.Чему равен период колебания частиц жидкости, если скорость распространения этих волн равна 4 м/с, а расстояние между соседними гребнями 18 м. (Ответ: 4,5 с).

5.Определить длину звуковой волны в воде, вызываемой источником колебаний с частотой 400 Гц, если скорость звука в воде 1450 м/с. (Ответ: 3,625 м).

Вариант 2

1.Звуковая волна с частотой 440 Гц распространяется со скоростью 330 м/с. Определить длину волны. (Ответ: 0,75 м).

2.Период колебаний равен 12 с, а расстояние между соседними гребнями 1,6 м. Найти скорость распространения волны, если поплавок совершает на воде 15 колебаний. (Ответ: 2 м/с).

3.Расстояние между смежными гребнями волн равно 16 м, а скорость распространения этих волн равна 8 м/с. Найти период колебаний. (Ответ: 2 с).

4.Расстояние между ближайшими гребнями волн равно 9 м. Скорость распространения волны 3 м/с. Какова частота ударов волны о берег? (Ответ: 0,3[3] Гц).

5.Определить скорость распространения волны, если период колебаний частиц воды равен 3 с, а расстояние между соседними гребнями равно 15 м. (Ответ: 5 м/с).

3.Домашнее задание: упр.7.

Урок 22 «Световые лучи. Закон преломления света. Полное внутреннее отражение. Призма».

Дата:

Цели:

Образовательные: формирование понятий «оптика», «Корпускулярная и волновая теория света», «волновая и геометрическая оптика»; изучение законов отражения и преломления света, явления полного внутреннего отражения; применение закона преломления в треугольной призме.

Развивающая: развивать интерес к знаниям, способность анализировать, обобщать, выделять главное.

Воспитательные: развитие эстетического вкуса учащихся, вызвать желание постоянно пополнять свои знания; поддерживать интерес к предмету.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Изучение нового материала.

В конце XVII века возникли две научные гипотезы о природе света - корпускулярная и волновая. Согласно корпускулярной теории, свет представляет собой поток мельчайших световых частиц (корпускул), которые летят с огромной скоростью. Ньютон считал, что движение световых корпускул подчиняется законам механики. Так, отражение света понималось аналогично отражению упругого шарика от плоскости. Преломление света объяснялось изменением скорости частиц при переходе из одной среды в другую.

Волновая теория рассматривала свет как волновой процесс, подобный механическим волнам.

Согласно современным представлениям, свет имеет двоякую природу, т.е. он одновременно характеризуется и корпускулярными, и волновыми свойствами. В таких явлениях, как интерференция и дифракция, на первый план выступают волновые свойства света, а в явлении фотоэффекта, - корпускулярные.

Под светом в оптике понимают электромагнитные волны достаточно узкого диапазона. Нередко, под светом понимают не только видимый свет, но и примыкающие к нему широкие области спектра. Исторически появился термин «невидимый свет» - ультрафиолетовый свет, инфракрасный свет, радиоволны. Длины волн видимого света лежат в диапазоне от 380 до 760 нанометров.

Одной из характеристик света является его цвет, который определяется частотой световой волны. Белый свет представляет собой смесь волн различных частот. Он может быть разложен на цветные волны, каждая из которых характеризуется определенной частотой. Такие волны называются монохроматическими.

Цвет

Диапазон длин волн, нм

Диапазон частот, ТГц

Диапазон энергии фотонов, эВ

Фиолетовый

380-440

790-680

3,26-2,82

Синий

440-485

680-620

2,82-2,56

Голубой

485-500

620-600

2,56-2,48

Зеленый

500-565

600-530

2,48-2,19

Желтый

565-590

530-510

2,19-2,1

Оранжевый

590-625

510-480

2,1-1,98

Красный

625-740

480-405

1,98-1,68

Согласно самым новым измерениям скорость света в вакууме с = (299792458±1,2) м/с.

Измерения скорости света в различных прозрачных веществах показали, что она всегда меньше, чем в вакууме. Например, в воде скорость света уменьшается в 4/3 раза.

Отношение скорости света в вакууме к скорости света в веществе называется абсолютным показателем преломления вещества: n = , где с - скорость света в вакууме, V - скорость света в веществе.

При переходе световой волны из вакуума в вещество частота остается постоянной (цвет не изменяется). Длина волны в среде с показателем преломления n изменяется: λ_n = , где λ_n - длина волны в некоторой среде, λ - длина волны в вакууме, n - показатель преломления среды.

1.Свет в однородной среде распространяется прямолинейно. Доказательством закона служит образование тени и полутени.

2.Распространение световых лучей в среде происходит независимо друг от друга.

Закон отражения света: Луч падающий, отраженный и перпендикуляр в точке падения лежат в одной плоскости. Угол падения равен углу отражения: ∟α = ∟β. (сделать рис.)

Закон преломления света: Лучи падающий и преломленный лежат в одной плоскости с перпендикуляром в точке падения к границе. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления постоянная величина для двух данных сред: = = , где n₁, n₂ - абсолютный показатель преломления; α - угол падения; β - угол преломления; V₁, V₂ - скорости света в граничащих средах.

При переходе света из оптически более плотной среды (с большим показателем преломления) в оптически менее плотную, начиная с некоторого угла падения преломленного луча не станет. Явление называется полным отражением. Наименьший угол, с которого начинается полное отражение, называется предельным углом полного отражения. При всех больших углах падения преломленная волна отсутствует. sinα₀ = n₂/n₁. a)преломленный луч существует; б)предельный угол отражения; в)преломленный луч отсутствует.

3.Домашнее задание: § 59-62.

Урок 23 Лабораторная работа №4 «Измерение показателя преломления стекла».

Дата:

Цель: измерить показатель преломления стекла, сравнить его с табличным значением.

Оборудование: стеклянная платина в форме трапеции; лампа накаливания; ключ; источник питания; экран с щелью.

Тип урока: урок совершенствования знаний, умений и навыков.

Вид урока: лабораторная работа.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку. Инструктаж по технике безопасности.

2.Порядок выполнения работы.

В работе измеряется показатель преломления стеклянной пластины, имеющей форму трапеции. На одну из параллельных граней пластины наклонно к ней направляют узкий световой пучок. Проходя через пластину, этот пучок света испытывает двукратное преломление. Источником света служит электрическая лампочка, подключенная через ключ к какому-либо источнику тока. Световой пучок создается с помощью металлического экрана с щелью. При этом ширина пучка может меняться за счет изменения расстояния между экраном и лампочкой.

Показатель преломления стекла относительно воздуха определяется по формуле n = , где α - угол падения пучка света на грань пластины (из воздуха в стекло); β - угол преломления светового пучка в стекле.

Для определения отношения, стоящего в правой части формулы, поступают следующим образом. Перед тем как направить на пластину световой пучок, ее располагают на столе на листе миллиметровой бумаги (или листе бумаги в клетку) так, чтобы одна из ее параллельных граней совпала с предварительно отмеченной линией на бумаге. Эта линия укажет границу раздела сред воздух - стекло. Тонко очинённым карандашом проводят линию вдоль второй параллельной грани. Эта линия изображает границу раздела сред стекло - воздух. После этого, не смещая пластины, на ее первую параллельную грань направляют узкий световой пучок под каким-либо углом к грани. Вдоль падающего на пластину и вышедшего из нее световых пучков тонко очинённым карандашом ставят точки 1, 2, 3 и 4 (рисунок). После этого лампочку выключают, пластину снимают и с помощью линейки прочерчивают входящий, выходящий и преломленный лучи (рисунок). Через точку В границы раздела сред воздух - стекло проводят перпендикуляр к границе, отмечают углы падения α и преломления β. Далее с помощью циркуля проводят окружность с центром в точке В и строят прямоугольные треугольники ABE и CBD.

Так как sinα = АЕ/АВ, sinβ = CD/BC и АВ = ВС, то формула для определения показателя преломления стекла примет вид n = AE/DC

Длины отрезков АЕ и DC измеряют по миллиметровой бумаге или с помощью линейки. При этом в обоих случаях инструментальную погрешность можно считать равной 1 мм. Погрешность отсчета надо взять также равной 1 мм для учета неточности в расположении линейки относительно края светового пучка.

Максимальную относительную погрешность ξ измерения показателя преломления определяют по формуле ξ = (ΔAE/AE + ΔDC/DC) ∙ 100%. Максимальная абсолютная погрешность определяется по формуле Δn = n_прξ, где n_пр - приближенное значение показателя преломления, определяемое по формуле n_пр = AE/DC. Окончательный результат измерения показателя преломления записывается так: n = n_пр ± Δn.

Указания к работе описаны в учебнике.

Сделайте вывод о зависимости (или независимости) показателя преломления от угла падения. (Метод сравнения результатов измерений изложен во введении к лабораторным работам в учебнике физики для X класса.) и ответьте на контрольный вопрос.

3.Домашнее задание: упр. 8 (4-7).

Урок 24 «Формула тонкой линзы. Получение изображения с помощью линзы. Оптические приборы».

Дата:

Цели:

Образовательные: сформировать у учащихся знания по геометрической оптике; изучить виды линз, основные характеристики, формулу тонкой линзы, изображения даваемые линзой.

Развивающая: развивать у учащихся познавательный интерес, творческие способности, самостоятельность.

Воспитательные: воспитывать умение использовать свой интеллект, волю, рационально использовать своё время.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Изучение нового материала.

Характеристики изображения:

1) Изображение может быть мнимое или действительное. Если изображение образовано самими лучами (т.е. в данную точку поступает световая энергия), то оно действительное, если же не самими лучами, а их продолжениями, то говорят, что изображение мнимое (световая энергия не поступает в данную точку).

2) Если верх и низ изображения ориентированы аналогично самому предмету, то изображение называется прямым. Если же изображение перевернуто, то его называют обратным (перевернутым).

3) Изображение характеризуется приобретаемыми размерами: увеличенное, уменьшенное, равное.

Изображение в плоском зеркале является мнимым, прямым, равным по размерам предмету, находится на таком же расстоянии за зеркалом, на каком предмет расположен перед зеркалом.

Линза представляет собой прозрачное тело, ограниченное с двух сторон криволинейными поверхностями. Различают шесть типов линз:

Собирающие: 1 двояковыпуклая, 2 плоско-выпуклая, 3 выпукло-вогнутая. Рассеивающие: 4 двояковогнутая; 5 плосковогнутая; 6 вогнуто-выпуклая.

Собирающая линза

Рассеивающая линза

Характеристики линз:

NN - главная оптическая ось - прямая линия, проходящая через центры сферических поверхностей, ограничивающих линзу; O - оптический центр - точка, которая у двояковыпуклых или двояковогнутых линз находится на оптической оси внутри линзы (в её центре); F - главный фокус линзы - точка, в которую собирается пучок света, распространяющийся параллельно главной оптической оси; OF - фокусное расстояние; N'N' - побочная ось линзы; F' - побочный фокус. Фокальная плоскость - плоскость, проходящая через главный фокус перпендикулярно главной оптической оси.

Ход лучей в линзе: Луч, идущий через оптический центр линзы (О), не испытывает преломления. Луч, параллельный главной оптической оси, после преломления проходит через главный фокус (F). Луч, проходящий через главный фокус (F), после преломления идет параллельно главной оптической оси. Луч, идущий параллельно побочной оптической оси (N'N'), проходит через побочный фокус (F').

Формула линзы: ± = ± ± , где F - фокусное расстояние линзы; d - расстояние от предмета до линзы; f - расстояние от изображения предмета до линзы. [F, d, f] = 1м. При использовании формулы линзы следует верно использовать правило знаков: +F - линза собирающая; -F - линза рассеивающая; +d - предмет действительный; -d - предмет мнимый; +f - изображение предмета действительное; -f - изображение предмета мнимое.

Величина, обратная фокусному расстоянию линзы, называется оптической силой: D = , [D] = 1 дптр.

Поперечное увеличение - отношение линейного размера изображения к линейному размеру предмета:

Г = = , где h^/ - линейный размер изображения, h - линейный размер предмета. [Г] - безразмерная.

Современные оптические устройства используют системы линз для улучшения качества изображений. Оптическая сила системы линз, сложенных вместе, равна сумме их оптических сил: D = D₁ + D₂ + … D_i.

3.Домашнее задание: § 63-65.

Урок 25 Лабораторная работа №5 «Определение оптической силы и фокусного расстояния собирающей линзы».

Дата:

Цель: определить фокусное расстояние и оптическую силу собирающей линзы.

Оборудование: линейка, два прямоугольных треугольника, длиннофокусная собирающая линза, лампочка на подставке с колпачком, содержащим букву, источник тока, ключ, соединительные провода, экран, направляющая рейка.

Тип урока: урок совершенствования знаний, умений и навыков.

Вид урока: лабораторная работа.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку. Инструктаж по технике безопасности.

2.Порядок выполнения работы.

Тренировочные задания и вопросы:

Линзой называется… Тонкая линза - это… Покажите ход лучей после преломления в собирающей линзе… Запишите формулу тонкой линзы. Оптическая сила линзы - это… D = … При каком условии изображение предмета, получаемое с помощью собирающей линзы, является мнимым? Источник света помещен в двойной фокус собирающей линзы, фокусное расстояние которой F = 2 м. На каком расстоянии от линзы находится его изображение? Постройте изображение в собирающей линзе. Дайте характеристику полученному изображению.

Ход работы:

Соберите электрическую цепь, подключив лампочку к источнику тока через выключатель.

Поставьте лампочку на один край стола, а экран - у другого края. Между ними поместите собирающую линзу.

Включите лампочку и передвигайте линзу вдоль рейки, пока на экране не будет получено резкое, уменьшенное изображение светящейся буквы колпачка лампочки.

Измерьте расстояние от экрана до линзы d = … в мм.

Измерьте расстояние от линзы до изображения f₁ = … в мм.

При неизменном d повторите опыт еще 2 раза, каждый раз заново получая резкое изображение. f₂ = …, f₃ = …

Вычислите среднее значение расстояния от изображения до линзы: = …

Вычислите оптическую силу линзы D = …

Вычислите фокусное расстояние до линзы. F = …

Результаты вычислений и измерений занесите в таблицу.

Измерьте толщину линзы h = … в мм.

Вычислите абсолютную погрешность измерения оптической силы линзы ∆D = …

Вывод:

3.Домашнее задание: упр. 9.

Урок 26 «Светоэлектромагнитные волны. Скорость света и методы ее измерения. Дисперсия света».

Дата:

Цели:

Образовательные: ввести понятия спектр, дисперсия света; ознакомить учащихся с историей открытия данного явления; наглядно продемонстрировать процесс разложение узкого светового луча на составляющие различных цветовых оттенков.

Развивающая: развитие внимания, образного и логического мышления, памяти при изучении данной темы.

Воспитательные: воспитание интереса к предмету.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Актуализация знаний.

Солнечный свет всегда был и остается для человека символом радости, вечной юности, всего хорошего, лучшего, что может быть в жизни. Даже физик, привыкший иметь дело с фактами, с точной регистрацией явлений, подчас испытывает чувство неловкости, говоря, что свет - это электромагнитные волны определенной длины волны и ничего больше.

Длина световой волны очень мала. Представьте себе среднюю морскую волну, которая увеличилась бы настолько, что заняла одна весь Атлантический океан - от Америки до Лиссабона в Европе. Длина световой волны при том же увеличении лишь ненамного превысила бы ширину страницы книги. Откуда берутся эти электромагнитные волны? Источник их - Солнце. Вместе с видимым излучением Солнце посылает нам тепловое излучение, инфракрасное и ультрафиолетовое. Высокая температура солнца - главная причина рождения этих электромагнитных волн.

3.Изучение нового материала.

Скорость света и методы ее измерения.

Первые предложения по определению скорости света выдвинуты Галилеем: фонарь и зеркало устанавливаются на вершинах двух гор; зная расстояние между горами и, измеряя время распространения, можно рассчитать скорость света. Астрономический метод измерения скорости света впервые осуществлен датчанином Олафом Ремером в 1676 г. Когда Земля очень близко подошла к Юпитеру на расстояние l₁, промежуток времени между двумя появлениями спутника Ио оказался 42 ч 28 мин. Когда же Земля удалилась от Юпитера на расстояние l₂, спутник стал выходить из тени Юпитера на 22 мин. позднее. Объяснение Ремера: это запаздывание происходит за счет того, что свет проходит дополнительное расстояние Δl = l₂ - l₁. Лабораторный метод измерения скорости света - метод Физо (1849). Свет падает на полупрозрачную пластину и отражается, проходя через вращающееся зубчатое колесо. Пучок, отраженный от зеркала, может попасть к наблюдателю, только пройдя между зубьями. Если знать скорость вращения зубчатого колеса, расстояние между зубьями и расстояние между колесом и зеркалом, то можно рассчитать скорость света. Метод Фуко - вместо зубчатого колеса вращающаяся зеркальная восьмигранная призма.

Дисперсия.

ДисперсияДиспеДАристотель утверждал, что различие в цвете определяется различием в количестве темноты, «примешиваемой» к солнечному (белому) свету. Фиолетовый цвет, по Аристотелю, возникает при наибольшем добавлении темноты к свету, а красный - при наименьшем. Таким образом, цвета радуги - это сложные цвета, а основным является белый свет. Интересно, что появление стеклянных призм и первые опыты по наблюдению разложения света призмами не породили сомнений в правильности Аристотелевой теории возникновения цветов. И Хариот, и Марци оставались последователями этой теории. Этому не следует удивляться, так как на первый взгляд разложение света призмой на различные цвета, казалось бы, подтверждало представления о возникновении цвета в результате смешения света и темноты. Радужная полоска возникает как раз на переходе от теневой полосы к освещенной, т.е. на границе темноты и белого света. Из того факта, что фиолетовый луч проходит внутри призмы наибольший путь по сравнению с другими цветными лучами, можно сделать вывод, что фиолетовый цвет возникает при наибольшей утрате белым светом своей «белизны» при прохождении через призму. Иначе говоря, на наибольшем пути происходит и наибольшее промешивание темноты к белому свету. Ложность подобных выводов нетрудно было доказать, поставив соответствующие опыты с теми же призмами. Однако до Ньютона никто этого не сделал.

Солнечный свет имеет много тайн. Одна из них - явление дисперсии. Первым его обнаружил великий английский физик Исаак Ньютон в 1666 году, занимаясь усовершенствованием телескопа.

Дисперсия света (разложение света) - это явление, обусловленное зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от частоты (или длины волны) света (частотная дисперсия), или, то же самое, зависимость фазовой скорости света в веществе от длины волны (или частоты).

Экспериментально дисперсия света была открыта И. Ньютоном около 1672 года, хотя теоретически достаточно хорошо объяснена значительно позднее.

Один из самых наглядных примеров дисперсии - разложение белого света при прохождении его через призму (опыт Ньютона). Сущностью явления дисперсии является неодинаковая скорость распространения лучей света c различной длиной волны в прозрачном веществе - оптической среде (тогда как в вакууме скорость света всегда одинакова, независимо от длины волны и следовательно цвета). Обычно чем больше частота волны, тем больше показатель преломления среды и меньше ее скорость света в ней: у красного цвета максимальная скорость в среде и минимальная степень преломления, у фиолетового цвета минимальная скорость света в среде и максимальная степень преломления.

Дисперсия света позволила впервые вполне убедительно показать составную природу белого света.

Зная, что белый свет имеет сложную структуру, 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 света 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 лишь красные лучи, то она будет казаться почти черной.

Явление дисперсии, открытое Ньютоном, - первый шаг к пониманию природы цвета. Глубина понимания дисперсии пришла после того, как была выяснена зависимость цвета от частоты (или длины) световой волны.

Томас Юнг в 1802 году первым измерил длины волн разных цветов. После открытия дисперсии света основной величиной, определяющей цвет света, стала длина волны.

Дисперсией объясняется факт появления радуги после дождя (точнее тот факт, что радуга разноцветная, а не белая). Первая попытка объяснить радугу как естественное явление природы была сделана в 1611 году архиепископом Антонио Доминисом. 1637 год - научное объяснение радуги впервые дал Рене Декарт. Он объяснил радугу на основании законов преломления и отражения солнечного света в каплях дождя. Явление дисперсии еще не было открыто, - поэтому радуга Декарта оказалась белой. Спустя 30 лет Исаак Ньютон дополнил теорию Декарта, объяснил, как преломляются цветные лучи в каплях дождя.

«Декарт повесил радугу в нужном месте на небосводе, а Ньютон расцветил её всеми красками спектра» американский ученый А. Фразер.

Радуга - это оптическое явление, связанное с преломлением световых лучей на многочисленных капельках дождя. Однако далеко не все знают, как именно преломление света на капельках дождя приводит к возникновению на небосводе гигантской многоцветной дуги. Поэтому полезно подробнее остановиться на физическом объяснении этого эффектного оптического явления.

Прежде всего, радуга может наблюдаться только в стороне, противоположной Солнцу. Если встать лицом к радуге, то Солнце окажется сзади. Радуга возникает, когда Солнце освещает завесу дождя. По мере того как дождь стихает, а затем прекращается, радуга блекнет и постепенно исчезает. Наблюдаемые в радуге цвета чередуются в такой же последовательности, как и в спектре, получаемом при пропускании пучка солнечных лучей через призму. При этом внутренняя (обращенная к поверхности Земли) крайняя область радуги окрашена в фиолетовый цвет, а внешняя крайняя область - в красный. Нередко над основной радугой возникает еще одна (вторичная) радуга - более широкая и размытая. Цвета во вторичной радуге чередуются в обратном порядке: от красного (крайняя внутренняя область дуги) до фиолетового (крайняя внешняя область).

Для наблюдателя, находящегося на относительно ровной земной поверхности, радуга появляется при условии, что угловая высота Солнца над горизонтом не превышает примерно 42°. Чем ниже Солнце, тем больше угловая высота вершины радуги и тем, следовательно, больше наблюдаемый участок радуги. Вторичная радуга может наблюдаться, если высота Солнца над горизонтом не превышает примерно 52.

Радуга может рассматриваться как гигантское колесо, которое как на ось, надето на воображаемую прямую линию, проходящую через Солнце и наблюдателя.

Дисперсия света в природе и искусстве: Из-за дисперсии можно наблюдать разные цвета света. Радуга, чьи цвета обусловлены дисперсией, - один из ключевых образов культуры и искусства. Благодаря дисперсии света, можно наблюдать цветную «игру света» на гранях бриллианта и других прозрачных гранёных предметов или материалов.

Открытие дисперсии стало в истории науки весьма значительным. На надгробии ученого есть надпись с такими словами: «Здесь покоится сэр Исаак Ньютон, дворянин, который… первый с факелом математики объяснил движения планет, пути комет и приливы океанов.

Он исследовал различие световых лучей и проявляющиеся при этом различные свойства цветов, чего ранее никто не подозревал. …Пусть смертные радуются, что существовало такое украшение рода человеческого».

4.Закрепление изученного.

Ответить на вопросы по изученной теме. Почему радуга круглая?

5.Домашнее задание: § 66, 74.

Урок 27 «Интерференция света. Когерентность. Дифракция света. Дифракционная решетка».

Дата:

Цели:

Образовательные: изучение волнового явления «интерференция», «дифракция», убеждение в том, что они свойственны свету.

Развивающая: развитие умений по качественному и количественному описанию дифракционной картины.

Воспитательные: развитие мотивации изучения физики, используя интересные сведения; развитие коммуникативных навыков; умение слушать своих одноклассников.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Актуализация знаний.

«Мыльный пузырь, витая в воздухе... зажигается всеми оттенками цветов, присущими окружающим предметам. Мыльный пузырь, пожалуй, самое изысканное чудо природы» (Марк Твен).

Как располагаются радужные полосы на мыльной пленке? Почему полосы располагаются горизонтально? В каком порядке расположены цвета в полосах?

3.Изучение нового материала.

Интерференция - сложение в пространстве двух (или нескольких) волн, при котором в разных его точках получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны. Явление характерно для волн любой природы: звуковых волн, волн на поверхности воды, электромагнитных волн и др.

Устойчивую интерференционную картину дают только когерентные волны, т.е. волны, имеющие одинаковые частоты и постоянную во времени разность фаз колебаний.

Амплитуда результирующего колебания зависит от величины, называемой разностью хода волн: ∆l = l₁ - l₂, где ∆l - разность хода; l₁, l₂ - путь волн. ∆ = n₁l₁ - n₂l₂, где ∆ - оптическая разность хода; n₁, n₂ - показатели преломления сред.

Если разность хода равна целому числу волн, то волны приходят в точку синфазно. Складываясь, волны усиливают друг друга и дают колебание с удвоенной амплитудой.

Условие максимума: ∆l = mλ, где m - 0, 1, 2, … - любое целое число; λ - длина волны.

Если разность хода равна нечетному числу полуволн, то волны приходят в точку А в противофазе. В этом случае они гасят друг друга, амплитуда результирующего колебания равна нулю.

Условие минимума: ∆l = (2m + 1) , где (2m + 1), m ϵ Z - нечетное число.

В других точках пространства наблюдается частичное усиление или ослабление результирующей волны.

В 1802 г. английский ученый Томас Юнг поставил опыт, в котором наблюдал интерференцию света. Свет из узкой щели S, падал на экран с двумя близко расположенными щелями S₁ и S₂. Проходя через каждую из щелей, световой пучок расширялся, и на белом экране световые пучки, прошедшие через щели S₁ и S₂, перекрывались. В области перекрытия световых пучков наблюдалась интерференционная картина в виде чередующихся светлых и темных полос.

Ход луча в мыльной пленке: пусть в точке А пленки попадает световая волна. Часть света отражается от этой поверхности, а часть - преломляется, проходит внутрь пленки и отражается от ее поверхности в точке В. Эти два отраженных пучка света имеют одинаковую частоту, поскольку исходят от одного источника. Складываясь, они образуют интерференционную картину. С интерференционными явлениями мы сталкиваемся довольно часто: цвета масляных пятен, рисунки на крыльях некоторых бабочек и жуков и др.

На улице из-за угла мы хорошо слышим, что едет автомобиль, хотя не видим его. Таким образом, звуковые волны достигают нашего уха, «заворачивая за угол»!

Явление огибания волнами препятствий получило название дифракции. Для проявления дифракции размеры препятствий должны быть меньше или сравнимы с длиной волны. Поэтому в примере с машиной звук «завернул за угол», а свет - нет.

Дифракционная решетка представляет собой совокупность большого числа равноотстоящих щелей, нанесенных на стеклянной или металлической поверхности. Период решетки d - это сумма ширины щели b и расстояния между щелями a. Условие максимума: dsinΘ = mλ, где d = (b + a) - период дифракционной решетки, Θ - угол распространения лучей.

Рассмотрим дифракцию света на щели. Предположим, что на щель шириной b падает волна и с помощью линзы собирается на экране. Лучи, пройдя через узкую щель, распространяются по всем направлениям за ней. Электромагнитные волны, проходящие различные участки щели, интерферируют между собой. На экране наблюдаются максимумы и минимумы освещенности. Если разность хода для крайних лучей, идущих от верхнего и нижнего краев щели, составляет целое число длин волн, то, интерферируя, такие лучи гасят друг друга. Если нечетное число полуволн, то волны усиливают друг друга, наблюдается максимум. Условие максимума: bsinΘ = (2m + 1) . Условие минимума: bsinΘ = mλ.

Принцип Гюйгенса-Френеля: каждый элемент поверхности, которой достигла в данный момент волна, является источником вторичных волн, распространяющихся в первоначальном направлении со скоростью исходной волны.

Все вторичные источники, расположенные на поверхности фронта волны, когерентны между собой. Согласно Френелю дифракция есть интерференция вторичных волн.

4.Домашнее задание: § 68-69, 71-72.

Урок 28 Лабораторная работа №6 «Измерение длины световой волны».

Дата:

Цель: экспериментальное определение световой волны с помощью дифракционной решетки.

Оборудование: дифракционная решётка с периодом 1/100 мм или 1/50 мм, экран, линейка, источник света.

Тип урока: урок совершенствования знаний, умений и навыков.

Вид урока: лабораторная работа.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку. Инструктаж по технике безопасности.

2.Теоретическая часть.

В работе для определения длины световой волны используется дифракционная решетка с периодом 1/100 мм или 1/50 мм (период указан на решетке). Она является основной частью измерительной установки, показанной на рис. 18.4 стр. 390 учебника.

Если смотреть сквозь решетку и прорезь на источник света (лампу накаливания или свечу), то на черном фоне экрана молено наблюдать по обе стороны от щели дифракционные спектры 1-го, 2-го и т.д. порядков.

Длина волны λ определяется по формуле λ = dsinφ/k, где d - период решетки; k - порядок спектра; φ - угол, под которым наблюдается максимум света соответствующего цвета.

Поскольку углы, под которыми наблюдаются максимумы 1-го и 2-го порядков, не превышают 5°, можно вместо синусов углов использовать их тангенсы. Из рисунка видно, что tgφ = b/a. Расстояние а отсчитывают по линейке от решетки до экрана, расстояние b - по шкале экрана от щели до выбранной линии спектра.

Окончательная формула для определения длины волны имеет вид λ = db/ka

В этой работе погрешность измерений длин волн не оценивается из-за некоторой неопределенности выбора середины части спектра данного цвета.

3.Порядок выполнения работы.

1. Подготовьте бланк отчета с таблицей для записи результатов измерений и вычислений.

2. Соберите измерительную установку, установите экран на расстоянии 50 см от решетки.

3. Глядя сквозь дифракционную решетку и щель в экране на источник света и перемещая решетку в держателе, установите ее так, чтобы дифракционные спектры располагались параллельно шкале экрана.

4. Вычислите длину волны красного цвета в спектре 1-го порядка справа и слева от щели в экране, определите среднее значение результатов измерения.

5. Проделайте то же для фиолетового цвета.

6. Сравните полученные результаты с длинами волн красного и фиолетового цвета на рис. V, 1 цветной вклейки.

Контрольный вопрос: чем отличается дифракционный спектр от дисперсионного?

4.Домашнее задание: упр. 10.

Урок 29 Поперечность световых волн. Поляризация света. Лабораторная работа №7 «Наблюдение интерференции и дифракции света».

Дата:

Цель: экспериментально изучить явления интерференции и дифракции.

Оборудование: электрическая лампа с прямой нитью накала (одна на класс), две стеклянные пластинки, рамка из проволоки, стеклянная трубка, мыльная вода, компакт-диск.

Тип урока: урок совершенствования знаний, умений и навыков.

Вид урока: лабораторная работа.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку. Инструктаж по технике безопасности.

2.Теоретическая часть.

В начале XIX века, когда Т. Юнг и О. Френель развивали волновую теорию света, природа световых волн была неизвестна. На первом этапе предполагалось, что свет представляет собой продольные волны, распространяющиеся в некоторой гипотетической среде - эфире. При изучении явлений интерференции и дифракции вопрос о том, являются ли световые волны продольными или поперечными, имел второстепенное значение. В то время казалось невероятным, что свет - это поперечные волны, так как по аналогии с механическими волнами пришлось бы предполагать, что эфир - это твердое тело (поперечные механические волны не могут распространяться в газообразной или жидкой среде).

Однако, постепенно накапливались экспериментальные факты, свидетельствующие в пользу поперечности световых волн. Еще в конце XVII века было обнаружено, что кристалл исландского шпата (CaCO₃) раздваивает проходящие через него лучи. Это явление получило название двойного лучепреломления.

В 1809 году французский инженер Э. Малюс открыл закон, названный его именем. В опытах Малюса свет последовательно пропускался через две одинаковые пластинки из турмалина (прозрачное кристаллическое вещество зеленоватой окраски). Пластинки можно было поворачивать друг относительно друга на угол φ. Интенсивность прошедшего света оказалась прямо пропорциональной cos2φ: I ~ cos2φ.

Ни двойное лучепреломление, ни закон Малюса не могут найти объяснение в рамках теории продольных волн. Для продольных волн направление распространения луча является осью симметрии. В продольной волне все направления в плоскости, перпендикулярной лучу, равноправны. В поперечной волне (например, в волне, бегущей по резиновому жгуту) направление колебаний и перпендикулярное ему направление не равноправны.

Таким образом, асимметрия относительно направления распространения (луча) является решающим признаком, который отличает поперечную волну от продольной. Впервые догадку о поперечности световых волн высказал в 1816 г. Т. Юнг. Френель, независимо от Юнга, также выдвинул концепцию поперечности световых волн, обосновал ее многочисленными экспериментами и создал теорию двойного лучепреломления света в кристаллах.

В середине 60-х годов XIX века на основании совпадения известного значения скорости света со скоростью распространения электромагнитных волн Максвелл сделал вывод о том, что свет - это электромагнитные волны. К тому времени поперечность световых волн уже была доказано экспериментально. Поэтому Максвелл справедливо полагал, что поперечность электромагнитных волн является еще одним важнейшим доказательством электромагнитной природы света.

Электромагнитная теория света приобрела должную стройность, поскольку исчезла необходимость введения особой среды распространения волн - эфира, который приходилось рассматривать как твердое тело.

В электромагнитной волне вектора Е и В перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Во всех процессах взаимодействия света с веществом основную роль играет электрический вектор Е, поэтому его называют световым вектором. Если при распространении электромагнитной волны световой вектор сохраняет свою ориентацию, такую волну называют линейно поляризованной или плоско поляризованной (термин поляризация волн был введен Малюсом применительно к поперечным механическим волнам). Плоскость, в которой колеблется световой вектор Е называется плоскостью колебаний, а плоскость, в которой совершает колебание магнитный вектор В - плоскостью поляризации.

Если вдоль одного и того же направления распространяются две монохроматические волны, поляризованные в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, то в результате их сложения в общем случае возникает эллиптически поляризованная волна.

В эллиптически поляризованной волне в любой плоскости P, перпендикулярной направлению распространения волны, конец результирующего вектора Е за один период светового колебания обегает эллипс, который называется эллипсом поляризации. Форма и размер эллипса поляризации определяются амплитудами a_x и a_y линейно поляризованных волн и фазовым сдвигом Δφ между ними. Частным случаем эллиптически поляризованной волны является волна с круговой поляризацией (a_x = a_y, Δφ = ± π/2).

Линейно поляризованный свет испускается лазерными источниками. Свет может оказаться поляризованным при отражении или рассеянии. В частности, голубой свет от неба частично или полностью поляризован. Однако, свет, испускаемый обычными источниками (например, солнечный свет, излучение ламп накаливания и т. п.), неполяризован. Свет таких источников в каждый момент состоит из вкладов огромного числа независимо излучающих атомов с различной ориентацией светового вектора в излучаемых этими атомами волнах. Поэтому в результирующей волне вектор Е беспорядочно изменяет свою ориентацию во времени, так что в среднем все направления колебаний оказываются равноправными. Неполяризованный свет называют также естественным светом.

В каждый момент времени вектор Е может быть спроектирован на две взаимно перпендикулярные оси. Это означает, что любую волну (поляризованную и неполяризованную) можно представить как суперпозицию двух линейно поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях волн: E(t) = E_x(t) + E_y(t). Но в поляризованной волне обе составляющие E_x(t) и E_y(t) когерентны, а в неполяризованной - некогерентны, т.е. в первом случае разность фаз между E_x(t) и E_y(t) постоянна, а во втором она является случайной функцией времени.

Явление двойного лучепреломления света объясняется тем, что во многих кристаллических веществах показатели преломления волн, линейно поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях, различны. Поэтому кристалл раздваивает проходящие через него лучи. Два луча на выходе кристалла линейно поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях. Кристаллы, в которых происходит двойное лучепреломление, называются анизотропными.

С помощью разложения вектора Е на составляющие по осям можно объяснить закон Малюса.

У многих кристаллов поглощение света сильно зависит от направления электрического вектора в световой волне. Это явление называют дихроизмом. Этим свойством, в частности, обладают пластины турмалина, использованные в опытах Малюса. При определенной толщине пластинка турмалина почти полностью поглощает одну из взаимно перпендикулярно поляризованных волн (например, E_x) и частично пропускает вторую волну (E_y). Направление колебаний электрического вектора в прошедшей волне называется разрешенным направлением пластинки. Пластинка турмалина может быть использована как для получения поляризованного света (поляризатор), так и для анализа характера поляризации света (анализатор). В настоящее время широко применяются искусственные дихроичные пленки, которые называются поляроидами. Поляроиды почти полностью пропускают волну разрешенной поляризации и не пропускают волну, поляризованную в перпендикулярном направлении. Таким образом, поляроиды можно считать идеальными поляризационными фильтрами.

Рассмотрим прохождение естественного света последовательно через два идеальных поляроида П₁ и П₂, разрешенные направления которых повернуты друг относительно друга на некоторый угол φ. Первый поляроид играет роль поляризатора. Он превращает естественный свет в линейно поляризованный. Второй поляроид служит для анализа падающего на него света.

Если обозначить амплитуду линейно поляризованной волны после прохождения света через первый поляроид через E0 = , то волна, пропущенная вторым поляроидом, будет иметь амплитуду E = E₀cosφ. Следовательно, интенсивность I линейно поляризованной волны на выходе второго поляроида будет равна: I = E² = cos²φ = I₀cos²φ.

Таким образом, в электромагнитной теории света закон Малюса находит естественное объяснение на основе разложения вектора Е на составляющие.

3.Порядок выполнения работы.

Опыт 1. Окуните проволочную рамку в мыльный раствор и внимательно рассмотрите образовавшуюся мыльную пленку. Обратите внимание, что при освещении пленки белым светом (от окна или лампы) возникают окрашенные полосы. С помощью стеклянной трубки выдуйте мыльный пузырь и внимательно рассмотрите его. При освещении его белым светом наблюдается образование цветных интерференционных колец. Но мере уменьшения толщины пленки кольца, расширяясь, перемещаются вниз.

Запишите в тетради для лабораторных работ ответы на вопросы:

1.Почему мыльные пузыри имеют радужную окраску?

2.Какую форму имеют радужные полосы?

3.Почему окраска пузыря все время меняется?

Опыт 2. Тщательно протрите две стеклянные пластинки, сложите их вместе и сожмите пальцами. Из-за неидеальности формы соприкасающихся поверхностей между пластинками образуются тончайшие воздушные пустоты. При отражении света от поверхностей пластин, образующих зазор, возникают яркие радужные полосы - кольцеобразные или неправильной формы. При изменении силы, сжимающей пластинки, изменяются расположение и форма полос.

Запишите в тетради для лабораторных работ ответы на вопросы:

1.Почему в местах соприкосновения пластин наблюдаются яркие радужные кольцеобразные или неправильной формы полосы?

2.Почему с изменением нажима изменяются форма и расположение интерференционных полос?

Опыт 3. Рассмотрите внимательно под разными углами поверхность компакт-диска (на которую производится запись). Что вы наблюдаете? Объясните наблюдаемые явления. Опишите интерференционную картину.

Вывод: Укажите, в каких из проделанных вами опытов наблюдалось явление интерференции, а в каких - явление дифракции.

4.Домашнее задание: § 73-74.

Урок 30 Излучение и спектры. Шкала электромагнитных волн. Лабораторная работа №8 «Наблюдение сплошного и линейчатого спектров».

Дата:

Цель: наблюдать сплошной спектр, неоновый, гелиевый или водородный.

Оборудование: рис. во вложении к учебнику

Тип урока: урок совершенствования знаний, умений и навыков.

Вид урока: лабораторная работа.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку. Инструктаж по технике безопасности.

2.Порядок выполнения работы.

Ответить на вопросы:

1.Какие спектры называют непрерывными?

2.Какие тела дают непрерывный спектр?

3.Сделать рисунок в тетради, изображающий непрерывный спектр.

4.Какие спектры называют линейчатыми?

5.Какие тела дают линейчатый спектр?

6. Сделать рисунок в тетради, изображающий линейчатые спектры испускания и поглощения (для натрия, водорода, гелия).

7.Какие спектры называют полосатыми?

8.Что называют спектральным анализом?

3.Домашнее задание: глава 10.

Урок 31 Контрольная работа №3 «Оптика».

Дата:

Цель: определить уровень овладения знаниями, умениями и навыками.

Тип урока: урок контроля, оценки и коррекции знаний.

Вид урока: контрольная работа.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Контрольная работа.

Вариант 1

1.Сколько времени идет свет от Солнца до Земли, если среднее расстояние от Земли до Солнца равно 1,496∙10¹¹ м? (Ответ дать в минутах).

2.Угловая высота Солнца над горизонтом 20˚. Как надо расположить плоское зеркало, чтобы отраженные лучи света направить: а) вертикально вверх; б) вертикально вниз? (Изобразить графически)

3.Изображение предмета имеет высоту H = 6м. Какое фокусное расстояние F должна иметь линза, расположенная на расстоянии f = 12м от экрана, если предмет имеет высоту h = 2м?

4.Определить угол отклонения лучей зеленого света (λ=0,55мкм) в спектре первого порядка, полученном с помощью дифракционной решетки, период которой равен 0,02 мм.

5.Предмет, имеющий высоту 10 мм, удален на 20 мм от собирающей линзы, фокусное расстояние которой равняется 15 мм. Построить изображение предмета.

Вариант 2

1.От ближайшей звезды (α Центавра) свет доходит до Земли за 4,3 года. Каково расстояние до звезды? (Ответ дать в метрах).

2.Угловая высота Солнца над горизонтом 30˚. Как надо расположить плоское зеркало, чтобы отраженные лучи света направить: а) вертикально вверх; б) вертикально вниз? (Изобразить графически)

3.Определить оптическую силу и фокусное расстояние собирающей линзы, если расстояние от предмета до линзы d = 2м, а расстояние от линзы до изображения f = 3м.

4.Дифракционная решетка содержит 120 штрихов на 1 мм. Найти длину волны монохроматического света в спектре 2-ого порядка, падающего на решетку, если угол φ = 8˚.

5. Предмет, имеющий высоту 20 мм, удален на 10 мм от собирающей линзы, фокусное расстояние которой равняется 15 мм. Построить изображение предмета.

3.Домашнее задание: индивидуальные задания.

Урок 32 «Постулаты теории относительности. Принцип относительности Эйнштейна».

Дата:

Цели:

Образовательные: ознакомить учащихся с классическими понятиями пространства и времени и экспериментальными основами СТО; раскрыть физический и философский смысл постулатов Эйнштейна.

Развивающая: развитие внимания, образного и логического мышления, памяти при изучении данной темы.

Воспитательные: формировать материалистическое мировоззрение учащихся и нравственные качества личности, чувство коллективизма, взаимовыручки.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Изучение нового материала.

Фундаментальный постулат Эйнштейна, именуемый принципом относительности, гласит, что все законы физики должны быть одинаковыми для всех свободно движущихся наблюдателей независимо от их скорости. Если скорость света постоянная величина, то любой свободно движущийся наблюдатель должен фиксировать одно и то же значение независимо от скорости, с которой он приближается к источнику света или удаляется от него.

Требование, чтобы все наблюдатели сошлись в оценке скорости света, вынуждает изменить концепцию времени. Согласно теории относительности наблюдатель, едущий на поезде, и тот, что стоит на платформе, разойдутся в оценке расстояния, пройденного светом. А поскольку скорость есть расстояние, деленное на время, единственный способ для наблюдателей прийти к согласию относительно скорости света - это разойтись также и в оценке времени. Другими словами, теория относительности положила конец идее абсолютного времени! Оказалось, что каждый наблюдатель должен иметь свою собственную меру времени и что идентичные часы у разных наблюдателей не обязательно будут показывать одно и то же время.

Говоря, что пространство имеет три измерения, мы подразумеваем, что положение точки в нем можно передать с помощью трех чисел - координат. Если мы введем в наше описание время, то получим четырехмерное пространство-время.

Другое известное следствие теории относительности - эквивалентность массы и энергии, выраженная знаменитым уравнением Эйнштейна Е = mс² (где Е - энергия, m - масса тела, с - скорость света). Ввиду эквивалентности энергии и массы кинетическая энергия, которой материальный объект обладает в силу своего движения, увеличивает его массу. Иными словами, объект становится труднее разгонять.

Этот эффект существенен только для тел, которые перемещаются со скоростью, близкой к скорости света. Например, при скорости, равной 10% от скорости света, масса тела будет всего на 0,5% больше, чем в состоянии покоя, а вот при скорости, составляющей 90% от скорости света, масса уже более чем вдвое превысит нормальную. По мере приближения к скорости света масса тела увеличивается все быстрее, так что для его ускорения требуется все больше энергии. Согласно теории относительности объект никогда не сможет достичь скорости света, поскольку в данном случае его масса стала бы бесконечной, а в силу эквивалентности массы и энергии для этого потребовалась бы бесконечная энергия. Вот почему теория относительности навсегда обрекает любое обычное тело двигаться со скоростью, меньшей скорости света. Только свет или другие волны, не имеющие собственной массы, способны двигаться со скоростью света.

Искривленное пространство

Общая теория относительности Эйнштейна основана на революционном предположении, что гравитация не обычная сила, а следствие того, что пространство-время не является плоским, как принято было думать раньше. В общей теории относительности пространство-время изогнуто или искривлено помещенными в него массой и энергией. Тела, подобные Земле, движутся по искривленным орбитам не под действием силы, именуемой гравитацией.

Так как геодезическая линия - кратчайшая линия между двумя аэропортами, штурманы ведут самолеты именно по таким маршрутам. Например, вы могли бы, следуя показаниям компаса, пролететь 5966 км от Нью-Йорка до Мадрида почти строго на восток вдоль географической параллели. Но вам придется покрыть всего 5802 км, если вы полетите по большому кругу, сперва на северо-восток, а затем постепенно поворачивая к востоку и далее к юго-востоку. Вид этих двух маршрутов на карте, где земная поверхность искажена (представлена плоской), обманчив. Двигаясь «прямо» на восток от одной точки к другой по поверхности земного шара, вы в действительности перемещаетесь не по прямой линии, точнее сказать, не по самой короткой, геодезической линии.

Если траекторию космического корабля, который движется в космосе по прямой линии, спроецировать на двумерную поверхность Земли, окажется, что она искривлена.

Согласно общей теории относительности гравитационные поля должны искривлять свет. Например, теория предсказывает, что вблизи Солнца лучи света должны слегка изгибаться в его сторону под воздействием массы светила. Значит, свет далекой звезды, случись ему пройти рядом с Солнцем, отклонится на небольшой угол, из-за чего наблюдатель на Земле увидит звезду не совсем там, где она в действительности располагается.

Напомним, что согласно основному постулату специальной теории относительности все физические законы одинаковы для всех свободно двигающихся наблюдателей, независимо от их скорости. Грубо говоря, принцип эквивалентности распространяет это правило и на тех наблюдателей, которые движутся не свободно, а под действием гравитационного поля.

В достаточно малых областях пространства невозможно судить о том, пребываете ли вы в состоянии покоя в гравитационном поле или движетесь с постоянным ускорением в пустом пространстве.

Представьте себе, что вы находитесь в лифте посреди пустого пространства. Нет никакой гравитации, никакого «верха» и «низа». Вы плывете свободно. Затем лифт начинает двигаться с постоянным ускорением. Вы внезапно ощущаете вес. То есть вас прижимает к одной из стенок лифта, которая теперь воспринимается как пол. Если вы возьмете яблоко и отпустите его, оно упадет на пол. Фактически теперь, когда вы движетесь с ускорением, внутри лифта все будет происходить в точности так же, как если бы подъемник вообще не двигался, а покоился бы в однородном гравитационном поле. Эйнштейн понял, что, подобно тому как, находясь в вагоне поезда, вы не можете сказать, стоит он или равномерно движется, так и, пребывая внутри лифта, вы не в состоянии определить, перемещается ли он с постоянным ускорением или находится в однородном гравитационном поле. Результатом этого понимания стал принцип эквивалентности.

Принцип эквивалентности и приведенный пример его проявления будут справедливы лишь в том случае, если инертная масса (входящая во второй закон Ньютона, который определяет, какое ускорение придает телу приложенная к нему сила) и гравитационная масса (входящая в закон тяготения Ньютона, который определяет величину гравитационного притяжения) суть одно и то же.

Использование Эйнштейном эквивалентности инертной и гравитационной масс для вывода принципа эквивалентности и, в конечном счете, всей общей теории относительности - это беспрецедентный в истории человеческой мысли пример упорного и последовательного развития логических заключений.

Замедление времени

Еще одно предсказание общей теории относительности состоит в том, что около массивных тел, таких как Земля, должен замедляться ход времени.

Теперь, познакомившись с принципом эквивалентности, мы можем проследить ход рассуждений Эйнштейна, выполнив другой мысленный эксперимент, который показывает, почему гравитация воздействует на время. Представьте себе ракету, летящую в космосе. Для удобства будем считать, что ее корпус настолько велик, что свету требуется целая секунда, чтобы пройти вдоль него сверху донизу. И наконец, предположим, что в ракете находятся два наблюдателя: один - наверху, у потолка, другой - внизу, на полу, и оба они снабжены одинаковыми часами, ведущими отсчет секунд.

Допустим, что верхний наблюдатель, дождавшись отсчета своих часов, немедленно посылает нижнему световой сигнал. При следующем отсчете он шлет второй сигнал. По нашим условиям понадобится одна секунда, чтобы каждый сигнал достиг нижнего наблюдателя. Поскольку верхний наблюдатель посылает два световых сигнала с интервалом в одну секунду, то и нижний наблюдатель зарегистрирует их с таким же интервалом.

Что изменится, если в этом эксперименте, вместо того чтобы свободно плыть в космосе, ракета будет стоять на Земле, испытывая действие гравитации? Согласно теории Ньютона гравитация никак не повлияет на положение дел: если наблюдатель наверху передаст сигналы с промежутком в секунду, то наблюдатель внизу получит их через тот же интервал. Но принцип эквивалентности предсказывает иное развитие событий. Какое именно, мы сможем понять, если в соответствии с принципом эквивалентности мысленно заменим действие гравитации постоянным ускорением. Это один из примеров того, как Эйнштейн использовал принцип эквивалентности при создании своей новой теории гравитации.

Итак, предположим, что наша ракета ускоряется. (Будем считать, что она ускоряется медленно, так что ее скорость не приближается к скорости света.) Поскольку корпус ракеты движется вверх, первому сигналу понадобится пройти меньшее расстояние, чем прежде (до начала ускорения), и он прибудет к нижнему наблюдателю раньше чем через секунду. Если бы ракета двигалась с постоянной скоростью, то и второй сигнал прибыл бы ровно настолько же раньше, так что интервал между двумя сигналами остался бы равным одной секунде. Но в момент от-правки второго сигнала благодаря ускорению ракета движется быстрее, чем в момент отправки первого, так что второй сигнал пройдет меньшее расстояние, чем первый, и затратит еще меньше времени. Наблюдатель внизу, сверившись со своими часами, зафиксирует, что интервал между сигналами меньше одной секунды, и не согласится с верхним наблюдателем, который утверждает, что посылал сигналы точно через секунду.

В случае с ускоряющейся ракетой этот эффект, вероятно, не должен особенно удивлять. В конце концов, мы только что его объяснили! Но вспомните: принцип эквивалентности говорит, что то же самое имеет место, когда ракета покоится в гравитационном поле. Следовательно, да-же если ракета не ускоряется, а, например, стоит на стартовом столе на поверхности Земли, сигналы, посланные верхним наблюдателем с интервалом в секунду (согласно его часам), будут приходить к нижнему наблюдателю с меньшим интервалом (по его часам). Вот это действительно удивительно!

Гравитация изменяет течение времени. Подобно тому, как специальная теория относительности говорит нам, что время идет по-разному для наблюдателей, движущихся друг относительно друга, общая теория относительности объявляет, что ход времени различен для наблюдателей, находящихся в разных гравитационных полях. Согласно общей теории относительности нижний наблюдатель регистрирует более короткий интервал между сигналами, потому что у поверхности Земли время течет медленнее, поскольку здесь сильнее гравитация. Чем сильнее гравитационное поле, тем больше этот эффект.

Наши биологические часы также реагируют на изменения хода времени. Если один из близнецов живет на вершине горы, а другой - у моря, первый будет стареть быстрее второго. В данном случае различие в возрастах будет ничтожным, но оно существенно увеличится, коль скоро один из близнецов отправится в долгое путешествие на космическом корабле, который разгоняется до скорости, близкой к световой. Когда странник возвратится, он будет намного моложе брата, оставшегося на Земле. Этот случай известен как парадокс близнецов, но парадоксом он является только для тех, кто держится за идею абсолютного времени. В теории относительности нет никакого уникального абсолютного времени - для каждого индивидуума имеется своя собственная мера времени, которая зависит от того, где он находится и как движется.

C появлением сверхточных навигационных систем, получающих сигналы от спутников, разность хода часов на различных высотах приобрела практическое значение. Если бы аппаратура игнорировала предсказания общей теории относительности, ошибка в определении местоположения могла бы достигать нескольких километров!

Появление общей теории относительности в корне изменило ситуацию. Пространство и время обрели статус динамических сущностей. Когда перемещаются тела или действуют силы, они вызывают искривление пространства и времени, а структура пространства-времени, в свою очередь, сказывается на движении тел и действии сил. Пространство и время не только влияют на все, что случается во Вселенной, но и сами от всего этого зависят.

Время возле черной дыры

Представим себе бесстрашного астронавта, который остается на поверхности коллапсирующей звезды во время катастрофического сжатия. В некоторый момент по его часам, скажем в 11:00, звезда сожмется до критического радиуса, за которым гравитационное поле усиливается настолько, что из него невозможно вырваться. Теперь предположим, что по инструкции астронавт должен каждую секунду по своим часам посылать сигнал космическому кораблю, который находится на орбите на некотором фиксированном расстоянии от центра звезды. Он начинает передавать сигналы в 10:59:58, то есть за две секунды до 11:00. Что зарегистрирует экипаж на борту космического судна?

Ранее, проделав мысленный эксперимент с передачей световых сигналов внутри ракеты, мы убедились, что гравитация замедляет время и чем она сильнее, тем значительнее эффект. Астронавт на поверхности звезды находится в более сильном гравитационном поле, чем его коллеги на орбите, поэтому одна секунда по его часам продлится дольше секунды по часам корабля. Поскольку астронавт вместе с поверхностью движется к центру звезды, действующее на него поле становится все сильнее и сильнее, так что интервалы между его сигналами, принятыми на борту космического корабля, постоянно удлиняются. Это растяжение времени будет очень незначительным до 10:59:59, так что для астронавтов на орбите интервал между сигналами, переданными в 10:59:58 и в 10:59:59, очень ненамного превысит секунду. Но сигнала, отправленного в 11:00, на корабле уже не дождутся.

Все, что произойдет на поверхности звезды между 10:59:59 и 11:00 по часам астронавта, растянется по часам космического корабля на бесконечный период времени. С приближением к 11:00 интервалы между прибытием на орбиту последовательных гребней и впадин испущенных звездой световых волн станут все длиннее; то же случится и с промежутками времени между сигналами астронавта. Поскольку частота излучения определяется числом гребней (или впадин), приходящих за секунду, на космическом корабле будет регистрироваться все более и более низкая частота излучения звезды. Свет звезды станет все больше краснеть и одновременно меркнуть. В конце концов звезда настолько потускнеет, что сделается невидимой для наблюдателей на космическом корабле; все, что останется, - черная дыра в пространстве. Однако действие тяготения звезды на космический корабль сохранится, и он продолжит обращение по орбите.

3.Домашнее задание: § 75-76.

Урок 33 «Постоянство скорости света. Релятивистская динамика».

Дата:

Цели:

Образовательные: раскрыть сущность и свойства релятивистского понятия пространства и времени; познакомить учащихся с современными представлениями понятия пространства и времени, способствовать выработке у них диалектико-материалистического мировоззрения.

Развивающие: совершенствовать интеллектуальные способности и мыслительные умения учащихся, коммуникативные свойства речи.

Воспитательные: формировать материалистическое мировоззрение учащихся.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Изучение нового материала.

Был этот мир глубокой тьмой окутан.
Да будет свет! И вот явился Ньютон.
Эпиграмма XVIII в.

Но сатана недолго ждал реванша.
Пришел Эйнштейн - и стало все, как раньше.
Эпиграмма XX в.

Постулат (аксиома) - фундаментальное утверждение, лежащее в основе теории и принимаемое без доказательств.

Первый постулат: все законы физики, описывающие любые физические явления, должны во всех инерциальных системах отсчета иметь одинаковый вид.

Этот же постулат можно сформулировать иначе: в любых инерциальных системах отсчета все физические явления при одинаковых начальных условиях протекают одинаково.

Второй постулат: во всех инерциальных системах отсчета скорость света в вакууме одинакова и не зависит от скорости движения как источника, так и приемника света. Эта скорость является предельной скоростью всех процессов и движений, сопровождаемых переносом энергии.

Относительность одновременности. Одновременность двух событий относительна. Если события, происшедшие в разных точках, одновременны в одной инерциальной системе отсчета, то они могут быть не одновременными в других инерциальных системах отсчета.

Сокращение длины. Длина тела, измеренная в системе отсчета K', в которой оно покоится, больше длины в системе отсчета K, относительно которой K' движется со скоростью V вдоль оси Ох:

l = l₀, где l₀ - длина тела в системе отсчета, относительно которой тело покоится; l - длина тела в системе отсчета, относительно которой тело движется со скоростью V; V - скорость системы отсчета; c - скорость света.

Замедление времени. Промежуток времени, измеренный часами, неподвижными в инерциальной системе отсчета K', меньше промежутка времени, измеренного в инерциальной системе отсчета K, относительно которой K' движется со скоростью V:

t = t₀, где t₀ - промежуток времени в неподвижной системе отсчета; t - промежуток времени в системе отсчета, которая движется со скоростью V относительно неподвижной; V - скорость системы отсчета; c - скорость света.

3.Закрепление изученного материала.

При каких скоростях движения релятивистский закон сложения скоростей переходит в классический (закон Галилея)? В чем принципиальное отличие скорости света от скоростей движения тел?

4.Домашнее задание: § 77-78.

Урок 34 «Связь массы и энергии».

Дата:

Цели:

Образовательные: обобщить, систематизировать и углубить знания учащихся о ядерных силах и ядерных реакциях, знакомство учащихся с энергией связи и дефектом масс.

Развивающие: формировать умения обобщать и систематизировать изученный материал; расширять кругозор учащихся.

Воспитательные: формировать чувство коллективизма, взаимовыручки.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Изучение нового материала.

Закон взаимосвязи массы и энергии

Релятивистская механика - раздел механики, изучающий законы движения тел со скоростями, близкими к скорости света.

Любое тело, благодаря факту своего существования, обладает энергией, которая пропорциональна массе покоя.

E = mc², где Е - энергия покоя; m- масса тела; с - скорость света.

Покоящееся тело имеет массу, которую называют массой покоя m₀.

Зависимость массы тела от скорости: m = - масса движущегося электрона.

Полная энергия электрона: E = mc² = . Полная энергия так же равна сумме энергий покоя и кинетической энергии движения: Е = Е₀ + Е_к, где Е₀ = m₀с²; Е_к = . Зная Е₀ и Е, Е_к = Е - Е₀.

Перевод Дж в электрон-вольты: зная, что 1эВ = 1,6∙10^-19 Дж, нужно разделить количество Дж на данное число эВ.

3.Закрепление изученного материала.

см. пособие стр. 268-269.

4.Домашнее задание: § 79, упр. 11.

Урок 35 «Тепловое излучение. Постоянная Планка. Фотоэффект».

Дата:

Цели:

Образовательные: сформировать у учащихся представление о фотоэффекте и изучить его законы, которым он подчиняется.

Развивающие: формировать умения обобщать и систематизировать изученный материал; расширять кругозор учащихся.

Воспитательные: воспитание коммуникабельности, внимания, активности, чувство ответственности, привитие интереса к предмету.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Изучение нового материала.

Фотоэлектрический эффект был открыт в 1887 г. немецким физиком Герцем и в 1888-1890 г. экспериментально исследован Александром Григорьевичем Столетовым. Наиболее полное исследование явления фотоэффекта было выполнено Ф. Ленардом в 1900 г. К этому времени уже был открыт электрон (1897 г., Дж. Томсон), и стало ясно, что фотоэффект (или точнее - внешний фотоэффект) состоит в вырывании электронов из вещества под действием падающего на него света. 14 декабря 1900 г. Макс Карл Эрнст Людвиг Планк в докладе на заседании Берлинского физического общества выдвинул революционную гипотезу, что излучение света веществом происходит не непрерывно, а порциями, квантами.

Согласно гипотезе Планка наименьшая порция энергии, которую несет излучение, определяется по формуле (формула Планка): E = hν и Е = ħω, где Е - энергия кванта; h - постоянная Планка, h = 6,63·10^-34 Дж·с (универсальная константа, которая в квантовой физике играет ту же роль, что и скорость света в СТО); ħ = - постоянная Планка, ħ = 1,05∙10^-34 Дж·с; ν - частота излучения; ω - циклическая частота излучения.

Фотоэффектом называется явление взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, в результате которого энергия излучения передается электронам вещества. Если фотоэффект сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внешним фотоэффектом или фотоэлектронной эмиссией, а вылетающие электроны -фотоэлектронами. Если фотоэффект не сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внутренним. Столетовым экспериментально были установлены законы внешнего фотоэффекта.

Первый закон фотоэффекта: фототок насыщения - максимальное число фотоэлектронов, вырываемых из вещества за единицу времени, - прямо пропорционален интенсивности падающего излучения. Увеличение интенсивности света означает увеличение числа падающих фотонов, которые выбивают с поверхности металла больше электронов.

Второй закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего излучения и линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения.

Известно, что фототоком можно управлять, подавая на металлические пластины различные напряжения. Если на систему подать небольшое напряжение обратной полярности, "затрудняющее" вылет электронов, то ток уменьшится, так как фотоэлектронам, кроме работы выхода, придется совершать дополнительную работу против сил электрического поля. Максимальная кинетическая энергия электронов выражается через задерживающее напряжение: = eU_з, где е - заряд электрона, U_з - задерживающее напряжение.

Третий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует граничная частота такая, что излучение меньшей частоты не вызывает фотоэффекта, какой бы ни была интенсивность падающего излучения. Эта минимальная частота излучения называется красной границей фотоэффекта. hν_min = A_вых; λ_кр = , где А_вых - работа выхода электронов; ν_min - частота излучения, соответствующая красной границе фотоэффекта; с - скорость света; λ_кр - длина волны, соответствующая красной границе.

Красной границей фотоэффекта называют минимальную частоту света, ниже которой фотоэффект не наблюдается. Эта граница для разных веществ различна, так как работа выхода зависит от рода вещества. При этом кинетическая энергия электронов равна нулю.

Для большинства веществ фотоэффект возникает только под действием ультрафиолетового излучения. Однако некоторые металлы, например, литий, натрий и калий, испускают электроны и при облучении видимым светом.

4.Закрепление изученного материала.

1.Какова наименьшая частота света, при которой еще наблюдается фотоэффект, если работа выхода электрона из металла 3,3∙10-19 Дж?

2.Определите максимальную скорость фотоэлектронов, если фототок прекращается при задерживающей разности потенциалов 1В.

5.Домашнее задание: стр. 256-257, § 87.

Урок 36 «Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта».

Дата:

Цели:

Образовательные: выяснить причины появления фотоэффекта, сформулировать определение фотоэффекта, повторить законы фотоэффекта, показать, что законы фотоэффекта являются следствием уравнения Эйнштейна.

Развивающие: объяснить учащимся физический смысл корпускулярно-волновых свойств света, продолжать развивать логическое мышление, анализировать результаты эксперимента.

Воспитательные: убедить учащихся в познаваемости мира и объективности наших знаний о нем.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Актуализация знаний.

С какими трудностями столкнулась теория теплового излучения? Кто указал путь выхода из этих трудностей? В чем суть гипотезы Макса Планка? От чего зависит энергия кванта излучения и чему она равна? Чему равна постоянная Планка?

В чем состоит явление фотоэффекта? Каков физический смысл красной границы фотоэффекта? Что такое «запирающее» напряжение?

3.Изучение нового материала.

Фотоэффект - явление вырывания электронов из вещества под действием света.

Гипотеза Планка привела к рождению новой теории света и вещества - квантовой механике.
Физический смысл гипотезы Планка раскрыл А. Эйнштейн, предположив, что свет обладает корпускулярными свойствами, то есть свойствами частиц. Частицы света впоследствии назвали фотонами. Предположение Эйнштейна позволило объяснить явления фотоэффекта.

А от чего зависит число вырванных светом с поверхности вещества фотоэлектронов, какова зависимость количества электронов от интенсивности световой волны?

Фототок - движение вырванных светом из катода электронов.

Силу фототока измеряют миллиампером или гальванометром; напряжение между электродами измеряется вольтметром. С помощью установки можно измерить число ежесекундно вырванных светом электронов, а так же максимальную кинетическую энергию вырванных электронов.
Исследуя зависимость фототока от приложенного напряжения, А.Г. Столетов установил, что он не подчиняется закону Ома.

Максимальное значение фототока называют фототоком насыщения.

Еcли изменить полярность источника напряжения, то сила тока уменьшится и при не котором задерживающем напряжении она станет равной нулю. В этом случае электрический ток тормозит фотоэлектроны до полной остановки, а затем возвращает их на катод.
Фотоэлектрон - электрон, вырванный светом из вещества.

И еще одно очень важное замечание, на которое я хочу обратить ваше внимание.
Если электроны, вырванные светом, покидают вещество, то такой фотоэффект называют внешним.

Объяснение законов фотоэффекта дал в 1905 году Альберт Эйнштейн на основе гипотезы Планка: электрон внутри металла после поглощения одного фотона получает порцию энергии и стремится вылететь за пределы кристаллической решетки, т.е. покинуть поверхность твердого тела. При этом часть полученной энергии он израсходует на совершение работы по преодолению сил, удерживающих его внутри вещества. Остаток энергии будет равен кинетической энергии электрона. Исходя из закона сохранения и превращения энергии, Эйнштейн математически записал уравнение для энергетического баланса при внешнем фотоэффекте: hν = A + , где hν - энергия фотона, которая идет на работу выхода электрона из металла и сообщение ему кинетической энергии.

Работа выхода - минимальная работа, которую нужно совершить для выхода электрона из вещества.

За уравнение для фотоэффекта в 1921 году Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия.

4.Закрепление изученного материала.

1.Работа выхода электрона из золота 4,76 эВ. Найти красную границу фотоэффекта. (Ответ: 260 нм).

2.Наибольшая длина волны света, при которой еще может наблюдаться фотоэффект на калии, равна 450 нм. Найдите скорость фотоэлектронов, выбитых из калия светом с длиной волны 300нм. (Ответ:696 км/с)

3.Для полной задержки фотоэлектронов, выбитых из некоторого металла излучением с длиной волны 210 нм, требуется напряжение 2,7В. Чему равна работа выхода для этого вещества? (Ответ: 32эВ)

5.Домашнее задание: § 88.

Урок 37 «Фотоны. Опыты Лебедева и Вавилова».

Дата:

Цели:

Образовательные: доказать учащимся, что световой частицей является фотон, который обладает импульсом и энергией, но не обладает массой.

Развивающие: показать диалектический характер физического познания; показать роль приборов в познании.

Воспитательные: продолжить воспитание мотивации учения, раскрывая профессиональную значимость изучаемого материала.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Актуализация знаний.

В чем заключается гипотеза Планка? Что называют фотоэффектом? Основные законы фотоэффекта.

3.Изучение нового материала.

Развивая идею Планка, Эйнштейн предложил корпускулярную теорию света, предположив, что свет не только излучается, но распространяется и поглощается отдельными порциями. По теории Эйнштейна, монохроматическая электромагнитная волна представляет собой поток частиц - квантов или фотонов. Каждый фотон всегда движется со скоростью света и несет квант энергии. При взаимодействии с веществом фотон передает свою энергию одному или нескольким электронам, после чего фотона больше не существует. Фотон - это удивительная частица, которая обладает энергией, импульсом, но не обладает массой! Фотон "обречен" всегда летать со скоростью света.

Свойства фотона: не имеет состояния покоя; безмассовая частица; электрически нейтрален; скорость его движения равна скорости света во всех инерциальных системах отсчета; энергия фотона пропорциональна частоте соответствующего электромагнитного излучения (формула Планка); энергия фотона может быть выражена через длину волны: E = ; модуль импульса фотона равен отношению его энергии к скорости: p = .

4.Решение задач.

Вариант 1

1.Вычислить энергию, которую несет 1 фотон инфракрасного света с длиной волны λ = 10^-5 м.

2.Найдите работу выхода электронов из металла, для которого красная граница фотоэффекта равна 6∙10¹⁴ Гц.

3.Наибольшая длина волны, при которой происходит фотоэффект для калия равна 6,2∙10^-5 см. Найдите работу выхода электронов из калия.

4.Определите энергию, массу и импульс фотонов для инфракрасных лучей λ = 800 нм.

5.Определите наибольшую скорость электрона, вылетающего из металла цезия, при освещении его светом с длиной волны 400 нм.

Вариант 2

1.Определите наибольшую длину волны световой волны, при которой возможен фотоэффект для платины А_вых = 8,5∙10¹⁹ Дж.

2.Определите энергию, массу и импульс фотонов для ультрафиолетовых λ = 50 нм лучей.

3.Красная граница фотоэффекта для металла равна 4,5∙10^-7 м. Определите работу выхода электрона.

4.При освещении вольфрама с работой выхода 7,2∙10^-19 Дж светом с длиной волны 200 нм максимальная скорость вылетевшего электрона ____м/с?

5.Чему равна масса фотона с длиной волны 0,7∙10^-6 м.

Вариант 3

1.Цезий освещают желтым светом с длиной волны λ = 0,589 мкм. Работа выхода электрона 1,6∙10^-19Дж. Определите кинетическую энергию вылетающих из цезия фотоэлектронов.

2.Вычислить энергию, которую несет с собой один фотон жесткого рентгеновского излучения с длиной волны λ = 10^-12 м.

3.Определите энергию, массу и импульс фотонов для видимых λ= 400 нм лучей.

4.Чему равна кинетическая энергия электронов, достигающих анода рентгеновской трубки, работающей при напряжении 100 кВ.

5.Красная граница фотоэффекта для некоторого металла равна 275 нм. Чему равно значение энергии фотона?

Вариант 4

1.Какова масса фотона, обладающего энергией 36,8∙10^-20 Дж.

2.Чему равна максимальная скорость вылетевшего электрона при освещении цинка с работой выхода 6,72∙10^-19 Дж светом длиной волны 200 нм?

3.Какова длина волны, если соответствующий ей квант несёт энергию 10^-17Дж.

4.Красная граница фотоэффекта для чистого серебра равна 261 нм. Определите работу выхода электронов из серебра.

5.Каков импульс фотона с энергией 1 эВ.

Вариант 5

1.Вычислите импульс фотона массой 4,1∙10^-36 кг.

2.Работа выхода электрона из натрия равна 3∙10^-19 Дж. Найдите красную границу фотоэффекта для натрия.

3.Пластинка никеля, для которого работа выхода 8∙10^-19Дж, освещена ультрафиолетовыми лучами с длиной волны λ= 2∙10^-7 м. Определите максимальную скорость фотоэлектронов.

4.Красная граница фотоэффекта для калия соответствует длине волны 0,6 мкм. Определите работу выхода электрона из калия.

5.Вычислить энергию, которую несет с собой один фотон ультрафиолетового света с длиной волны 4∙10^-7 м.

5.Домашнее задание: § 89-92.

Урок 38 «Строение атома. Опыты Резерфорда».

Дата:

Цели:

Образовательные: расширить знания учащихся по теме, доказать ядерную модель атома с помощью опытов Резерфорда, показать недостатки данной модели.

Развивающие: способствовать развитию знаний об атоме, пробудить у учащихся интерес к научно-популярной литературе, к изучению предпосылок открытия конкретных явлений, формировать у учащихся научное мировоззрение на примере истории развития взглядов на строение атома.

Воспитательные: убедить учащихся в познаваемости мира и объективности наших знаний о нем.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Актуализация знаний.

Как мы узнаем о строении вещества? Каково строение атома? Как можно узнать о строении атома? Имеет ли ядро атома внутреннюю структуру? Что такое электрон? Входят ли электроны в состав ядра? Что вам известно о строении вещества?

3.Изучение нового материала.

Сегодня на уроке мы должны доказать сложное внутреннее строение одной очень маленькой частички - атома. Слово «атом» придумал очень давно, более 2500 лет назад, древнегреческий философ Демокрит. С греческого слово «атом» переводится как «неделимый». Так ли это?

Различая два вида частиц материи, он дает им названия «элементы» (равные понятию «атом») и «корпускулы» (равные понятию «молекула»).

Английский ученый Джон Дальтон (1766-1844) впервые предпринял попытку количественного описания свойств атомов. Именно им было введено понятие атомной массы и составлена первая таблица относительных атомных масс различных химических элементов. При этом атом представляется как мельчайшая неделимая, то есть бесструктурная, частица вещества.

К концу 90-х годов 19 века было прочно установлено, что в состав вещества входят отрицательно и положительно заряженные частицы. Особенную роль в этом сыграло открытие катодных лучей и изучение их свойств.

30 апреля 1897 г., когда Джозеф Джон Томсон доложил о своих исследованиях, считается «днём рождения» электрона. После открытия в 1897 году электрона, входящего в состав атома, был сделан вывод о сложном строении атома. Первая достаточно разработанная модель атома была предложена Томсоном. Согласно этой модели вещество в атоме несет положительный заряд и равномерно заполняет весь объем атома. Электроны «вкраплены» в атом, словно изюм в булку.

Конкретные представления о строении атома развивались по мере накопления физикой фактов о свойствах вещества:

1897 г - Дж. Дж. Томсон доказал существование электрона, измерил его заряд и массу.

1897 г - В. Вебер впервые высказал мысль об электронном строении атома (электроны входят в состав атома).

1905 г - Ф. Линдеман утверждал, что атом кислорода имеет форму кольца, а атом серы - форму лепешки.

1903-1904 гг - Дж. Дж. Томсон предложил модель атома в виде положительно заряженного шара, в котором «плавают» электроны.

Модель Томсона нуждалась в экспериментальной проверке. Этой задачей занялся Эрнест Резерфорд - английский ученый, известный своими исследованиями строения атома и радиоактивности, один из создателей атомной и ядерной физики. Резерфорд был членом Лондонского королевского общества - академии наук Англии, почетным членом более 30 академий и научных обществ разных стран мира, в том числе Академии наук СССР. В 1908 году он был лауреатом Нобелевской премии за исследования радиоактивности.

В лаборатории Резерфорда были проведены следующие эксперименты. В качестве бомбардирующих частиц взяли тяжелые частицы, которые лучше всего подходили для изучения строения атома. Чтобы, по возможности, точнее исследовать единичные столкновения частиц с атомами мишени, было желательно, чтобы сама мишень была как можно тоньше. К счастью, золотая фольга обладает тем замечательным свойством, что путем расплющивания ее можно сделать исключительно тонкой, толщиной всего лишь в 400 атомов золота.

В ранних экспериментах исследовались малые углы рассеяния и было обнаружено, что практически все частицы проходили через мишень, не отклоняясь, как если бы атомы мишени были совершенно прозрачны для бомбардирующих частиц (угол отклонения порядка одного градуса).

Затем молодому сотруднику Марсдену было поручено выяснить вопрос о том, могут ли частицы рассеиваться на большие углы? И вот в 1909 году наступил тот зимний день, когда Марсден остановил на университетской лестнице Резерфорда и совсем буднично произнес: «Вы были правы, профессор: они возвращаются…» Позже Резерфорд вспоминал: «Это было самым невероятным событием в моей жизни. Оно было столь же невероятным, как если бы 15-дюймовый снаряд, выпущенный в кусок папиросной бумаги, отскочил от нее и ударил бы в стреляющего». «Они» возвращались редко: в среднем одна частица из восьми тысяч. Отражение от мишени означало, что частица встретила на пути достойную преграду - массивную и положительно заряженную: только такая может с силой оттолкнуть от себя прилетевшую гостью. Редкость события говорила о крайне малых размерах преграды. И потому, пронизывая атомы мишени, лишь немногие частицы попадают в массивную атомную сердцевину. Подавляющее большинство пролетает в отдалении от нее и рассеивается на малые углы. Альфа-частицы от радиоактивного источника, пройдя через диафрагму, попадают на тонкую фольгу из золота. Она имеет толщину около микрона, т.е. состоит приблизительно из 3000 атомных слоев. Большая часть альфа-частиц легко проходит через фольгу, мало отклоняясь. Но некоторые, редкие альфа-частицы отклоняются на значительные углы и даже на углы, близкие к 180°, т.е. отбрасываются назад.

Результаты опыта можно объяснить следующим образом. Альфа-частицы, проходя через фольгу, проходят сквозь атомы золота. Это возможно потому, что легкие электроны почти не влияют на движение тяжелой альфа-частицы. Так как альфа-частицы в большинстве случаев отклоняются на малые углы, атом в большей части своего объема пустой и лишь небольшую их часть занимает положительный заряд. Эта центральная часть атома получила название ядра. Из опытов следует, что ядро и отталкивает альфа-частицу, причем тем сильнее, чем ближе к ядру она проходит.

По соотношению между общим числом частиц и числом отклонившихся на определенные углы частиц рассчитывается размер ядра и заряд ядра. Оказалось, что радиус ядра имеет порядок 10^-14 м. Заряд же ядра положителен и определяется формулой q = Z∙e, где Z - порядковый номер элемента в периодической системе, а е - модуль заряда электрона. Однако, ядерная модель атома оказалась в противоречии с классической физикой.

Противоречие 1. Согласно теории Максвелла, любой ускоренно движущийся заряд должен непрерывно излучать электромагнитные волны. Электроны, обращающиеся вокруг ядра, движутся с центростремительным ускорением и, следовательно, согласно максвелловской электродинамике, должны непрерывно излучать электромагнитные волны. Но в нормальном состоянии атомы не излучают!

Противоречие 2. Повседневный опыт свидетельствует об устойчивости атомов. Но благодаря излучению электромагнитных волн энергия электронов должна непрерывно уменьшаться и они должны приближаться к ядру и в конце концов «упасть» на него. Расчеты показывают, что процесс «падения» электронов на ядро должен завершиться за время, равное 10^-8 с.

Таким образом, факт длительного существования атомов несовместим с планетарной моделью атома Резерфорда, если ее рассматривать с позиции классической электродинамики.

В конце 19 века большие успехи были достигнуты в изучении линейчатых спектров вообще и линейчатого спектра водорода в особенности. Внимательный анализ спектра водорода позволил в 1885 г учителю физики одной из швейцарских школ И. Бальмеру установить, что частоты линий в видимой части спектра водорода могут быть вычислены по формуле, которая получила позднее название формулы Бальмера. Ядерная модель Резерфорда не могла объяснить этих спектральных закономерностей.

В 1913 году датский физик Нильс Бор предпринял попытку создания качественно новой модели атома, но это тема следующего урока.

4.Закрепление изученного материала.

В чём заключается сущность модели Томсона? В чём заключалась идея опыта Резерфорда? Объясните по схеме опыт Резерфорда по рассеиванию альфа-частиц. Объясните причину рассеивания альфа-частиц атомами вещества. В чём сущность планетарной модели атома? В чем противоречивость модели атома Резерфорда?

5.Домашнее задание: § 93.

Урок 39 «Квантовые постулаты Бора. Модель атома водорода по Бору. Трудности теории Бора. Квантовая механика. Гипотеза де Бройля».

Дата:

Цели:

Образовательные: организовать деятельность учащихся по изучению постулатов Бора, описывающих основные свойства атомов; раскрыть пути выхода из кризиса классической физики.

Развивающие: содействовать развитию у школьников умений использовать научные методы познания (наблюдение, гипотеза, эксперимент).

Воспитательные: познакомить с личностью Нильса Бора, его смелыми и революционными работами, положившими начало новой физической теории.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Актуализация знаний.

Какие физические явления подтверждают сложную структуру атома? Опишите модель атома Томсона. Почему эта модель оказалась несостоятельной? Расскажите о планетарной модели атома Резерфорда. Какие эксперименты послужили доказательством этой модели, в чем ее недостатки.

3.Изучение нового материала.

Опыт Резерфорда: пучок положительно заряженных альфа-частиц, излучаемые радиоактивными элементами, направлялся на сверхтонкую золотую фольгу толщиной около 400 нм. Частицы, прошедшие через фольгу, регистрировались на экране при помощи микроскопа.

Многочисленные опыты показали, что очень редкие α-частицы отклонялись на значительный угол (90° и 180°). Что бы это могло значить? То, что внутри атома имеется очень сильное электрическое поле, которое создается положительным зарядом, сконцентрированном в очень малом объеме. Название «ядро» было предложено Резерфордом. В ядре сосредоточена также вся масса атома. В 1911 г. Эрнест Резерфорд предложил ядерную модель атома.

Согласно этой модели, в центре атома располагается положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома (99,96%). Диаметр ядра не превышает 10^-14 - 10^-15 м. Атом в целом нейтрален. Вокруг ядра по замкнутым орбитам вращаются под действием кулоновских сил притяжения со стороны ядра электроны. Находиться в состоянии покоя электроны не могут. Заряд ядра должен быть равен суммарному заряду всех электронов, входящих в состав атома. То есть q = +Ze = -Ze, где Z - порядковый номер элемента в таблице Менделеева, e - элементарный заряд.

Ядерная модель атома не могла объяснить следующие противоречия: при движении электрона по орбите он должен излучать электромагнитные волны, вследствие этого терять энергию и через 10^-13 с прекратить свое существование. Спектр излучения атома должен быть непрерывным, а не линейчатым.

Нильс Хендрик Давид Бор (1885 - 1962) в 1913 г. предложил квантовую модель атома, в основе которой лежат следующие постулаты.

Квантовые постулаты Бора:

I постулат Бора (постулат стационарных состояний): электрон в атоме может находиться только в особых (квантовых) состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия. Когда электрон находится в стационарном состоянии, вращаясь по орбите, он не излучает. Стационарные состояния можно пронумеровать, причем каждое состояние обладает своей фиксированной энергией.

II постулат Бора (правило частот): при переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается квант электромагнитного излучения, энергия которого равна разности энергий электрона в данных состояниях. E_kn = hν_kn = E_k - E_n, где E_kn - энергия электромагнитного излучения; E_k - энергия электрона на k-ой орбите; E_n - энергия электрона на n-ой орбите; ν_kn - частота излучения.

Если Е_k > Е_n, то происходит излучение энергии, если Е_k < Е_n - ее поглощение.

Состояние атома, которому соответствует наименьшая энергия, называется основным, а состояния с большей энергией - возбужденными. В основном состоянии электрон может находиться неограниченно долго, а в остальных состояниях не более 10^-8 с.

II постулат Бора позволил объяснить линейчатую структуру атомных спектров.

III постулат Бора (правило квантования орбит): стационарные электронные орбиты находятся из условия: mνr_n = nħ, где m - масса электрона; ν - линейная скорость движения электрона по орбите; r_n - радиус n-ой орбиты; ħ = - постоянная Планка, ħ = 1,05∙10^-34 Дж·с; n - номер орбиты, n = 1, 2, 3, …

4.Закрепление изученного материала.

В каком состоянии энергия электрона меньше: в основном или в возбужденном? Определите наименьшую энергию, которую надо сообщить атому водорода, чтобы перевести его в ионизированное состояние. Сколько квантов с различной энергией может испустить атом водорода, если он находится в третьем энергетическом состоянии? Какие новые закономерности микромира открыл Н. Бор? Почему они были сформулированы в виде постулатов? Чем они противоречат классическим представлениям?

5.Домашнее задание: § 94-95.

Урок 40 «Корпускулярно-волновой дуализм. Дифракция электронов. Лазеры».

Дата:

Цели:

Образовательные: расширить знания учащихся по теме; изучить принцип работы лазеров.

Развивающие: пробудить у учащихся интерес к научно-популярной литературе.

Воспитательные: убедить учащихся в познаваемости мира и объективности наших знаний о нем.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Актуализация знаний.

В чем отличие между ядерной и квантовой моделью строения атома? Назовите квантовые постулаты Бора. Назовите противоречия в теории Бора.

3.Изучение нового материала.

Долгое время в физике главенствовала волновая теория света, а микроскопическим частицам вещества, атомам например, приписывали исключительно корпускулярные свойства. Но с этих позиций не удалось создать стройную и непротиворечивую теорию строения атома. Опыты Резерфорда показали «ажурное» строение атома, где основная масса содержится в ядре, а электроны заполняют весь остальной объем. Но было доказано, что такая система не может быть устойчивой без движения электронов. Этот факт и многие другие привели к разумению того, что к микроскопическим частицам нельзя подходить с уравнениями классической механики.

Открытие явления фотоэффекта также не вписывалось в рамки классической физики. Это привело к созданию квантовой механики, в которой микрочастицам приписывают особые свойства невозможные с точки зрения классической физики.

Выступления учеников с заранее подготовленными докладами по изучаемой теме.

Корпускулярно-волновой дуализм, а также опыты по дифракции электронов и протонов показали, что микрочастицы владеют волновыми свойствами и не являются материальными частицами в классическом понятии этого слова. Это привело к дальнейшему развитию квантовой механики, которая для микрочастиц ввела понятия делокализации и волновой функции. Принцип неопределенности Гейзенберга показал невозможность одновременного нахождения двух параметров для микрочастиц. Электрон, как и фотон не может иметь одновременно определенную координату и импульс:

Корпускулярно - волновой дуализм выступил той основой, на которой была построена почти вся современная физика, квантовая механика, физика микрочастиц, астрономия. На основе этого принципа работают современные научные и бытовые приборы, инструменты, как пример можно привести разнообразные фотоэлементы которые можно встретить как в научной аппаратуре, так и в быту. Исследование вещества не было бы возможно без электронного микроскопа и электронографических методов.

Но, конечно, не в этих многочисленных прикладных применениях корпускулярно - волнового дуализма его основная ценность. Исключительная роль данной теории определяется тем, что она выступает фундаментом всего естествознания. Уровень этой науки определяет на сегодня уровень понимания всего окружающего нас мира, определяет уровень интеллектуальной зрелости человечества. Без этой теории и построенных на ней выводов невозможно понять прошлое нашего мира, невозможно понять основные процессы, идущие в нем. Невозможно прогнозировать будущее.

История физики учит, что каждый новый успешный шаг на пути познания фундаментальных закономерностей природы неизбежно приводил к огромным (и почти всегда довольно неожиданным) изменениям в технике и радикальным образом сказывался на жизни всего человечества. Достаточно вспомнить о тех плодах, которые принесли людям такие абстрактные теории, как электродинамика, теория относительности. Поэтому и квантовая электроника, основанная на корпускулярно-волновом дуализме принесет немало изменений в наш мир.

4.Закрепление изученного материала.

См. вопросы после § 96.

5.Домашнее задание: § 96, упр. 13.

Урок 41 «Методы регистрации элементарных частиц».

Дата:

Цели:

Образовательные: способствовать усвоению знаний о методах регистрации элементарных частиц.

Развивающие: способствовать формированию умения анализировать, сравнивать, обобщать факты, убежденности в знаниях в процессе применения полученных знаний в различных ситуациях при решении задач.

Воспитательные: продолжить формирование основ диалектико-материалистического мировоззрения учащихся.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Изучение нового материала.

В развитии знаний о «микромире», в частности в изучении явлений радиоактивности, исключительную роль сыграли приборы, позволяющие регистрировать ничтожное действие одной - единственной частицы атомных размеров. В настоящее время используется много различных методов регистрации заряженных частиц. В зависимости от целей эксперимента и условий, в которых он проводится, применяются следующие методы регистрации частиц:

Счетчик Гейгера: действие основано на ударной ионизации. Заряженная частица, пролетающая в газе, открывает у атома электрон и создает ионы и электроны. Электрическое поле между анодом и катодом ускоряет электроны до энергии, при которой начинается ударная ионизация.

Чтобы счетчик Гейгера мог регистрировать каждую попадающую в него частицу, надо своевременно прекращать лавинный разряд. Быстрое гашение разряда можно достичь примесями, добавленными к инертному газу. Положительные ионы газа, сталкиваясь с молекулами спирта, рекомбинируют в нейтральные атомы и теряют способность выбивать из катода электроны (самогасящиеся счетчики). В других счетчиках гашение разряда производят, подбирая определенное нагрузочное сопротивление с цепи счетчика: R = 10⁹ Ом. Так, возникающий при самостоятельно разряде, прохода через резистор, вызывает на нем большое падение напряжения, что приводит к быстрому уменьшению напряжения между анодом и катодом: лавинный разряд прекращается.

На электродах восстанавливается начальное напряжение, и счетчик готов к регистрации следующей частицы. Скорость счета равна 10⁴ частиц в секунду.

Продемонстрировать работу счетчика Гейгера.

Обратить внимание на то, что этим методом можно лишь зарегистрировать частицу, а увидеть след частицы невозможно.

Камера Вильсона. Действие камеры Вильсона основано на конденсации перенасыщенного пара на ионах с образованием капель воды. Если в геометрическом сосуде с парами воды или спирта происходит резкое расширение газа (адиабатный процесс), температура убывает. И если в этот момент через объем камеры пролетает заряженная частица, то на своем пути она создает ионы, на которых образуются капельки сконденсировавшегося пара. Таким образом, частица составляет за собой след (трек) в виде узкой полоски тумана. Этот трек можно наблюдать или сфотографировать. По треку можно определить энергию и скорость частицы. Если поместить камеру в магнитное поле, то по искривлению трека можно определить знак заряда и его энергию, а по толщине трека - величину заряда и массу частицы.

Показать работу камеры Вильсона.

Пузырьковая камера. В 1952 г. Д. Глейзером для регистрации заряженных частиц, имеющих высокую энергию, была создана пузырьковая камера. Принцип действия ее основан на том, что в перегретом состоянии чиста жидкость, находясь под высоким давлением, не закипает при температуре выше точки кипения. Пузырьковая камера заполнена жидким водородом под высоким давлением. При резком уменьшении давления переводят жидкость в перегретое состояние. Если в это время в рабочий объем камеры попадает заряженная частица, то она образует на своем пути в жидкости цепочку ионов. В области пролета частицы жидкость закипает, появляются вдоль ее траектории мелкие пузырьки пара, которые являются треком этой частицы.

Преимущество перед камерой Вильсона: пузырьковая камера может регистрировать частицы с большей энергией, т. к. большая плотность рабочего вещества в пузырьковой камере. Кроме того, по сравнению с камерой Вильсона пузырьковая камера обладает быстродействием. Рабочий цикл равен 0,1 с.

Метод толстослойных фотоэмульсий. Этот метод был разработан в 1928 г. физиками А. П. Ждановым и Л. В. Мысовским. Его сущность заключается в использовании специальных фотоэмульсий для регистрации заряженных частиц. Пролетающая сквозь фотоэмульсию быстрая заряженная частица действует на зерна бромистого серебра и образует скрытое изображение. При проявлении фотопластинки образуется трек. После исследования трека оценивается энергия и масса заряженной частицы.

4.Закрепление изученного материала.

Что такое ионизация? Какие причины вызывают ионизацию? В чем преимущество камеры Вильсона перед счетчиком Гейгера? Назовите преимущество метода толстослойных фотоэмульсий (с его помощью получают не исчезающие со временем следы частиц, которые могут быть тщательно изучены).

5.Домашнее задание: § 97.

Урок 42 «Радиоактивные превращения. Закон радиоактивного распада и его статистический характер».

Дата:

Цели:

Образовательные: расширить знания учащихся по теме, доказать ядерную модель атома с помощью опытов Резерфорда, показать недостатки данной модели

Развивающие: способствовать развитию знаний об атоме, пробудить у учащихся интерес к научно-популярной литературе, к изучению предпосылок открытия конкретных явлений, формировать у учащихся научное мировоззрение на примере истории развития взглядов на строение атома.

Воспитательные: убедить учащихся в познаваемости мира и объективности наших знаний о нем.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Актуализация знаний.

Какие методы регистрации элементарных частиц вы знаете. Поясните и назовите преимущества того или иного метода.

3.Изучение нового материала.

В ядрах одного и того же элемента число нейтронов может быть различным, а число протонов всегда одно и то же. Такие ядра называются изотопами. Например, в ядрах водорода всегда 1 протон, а число нейтронов может быть 0, 1, 2, 3, 4, 6.

Радиоактивность - явление самопроизвольного превращения неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента. При этом испускаются частицы, обладающие большой проникающей способностью. Например, радиоактивный элемент радий превращается в другой химический элемент - радон с выделением гелия: → + , где - альфа-излучение - ядра гелия. В 1899 г. Э. Резерфорд провел опыт, в результате которого было обнаружено, что радиоактивное излучение неоднородно. Существуют три различные частицы с разными зарядами. Альфа-частица - положительно заряженная (лишенный электронов атом гелия), бета-частица - отрицательно заряженная (электрон), и нейтральная гамма-частица (фотон). Три вида излучения обладают разной проникающей способностью. Самые поникающие - гамма-лучи. Они легко проходят через вещество. Чтобы их остановить, нужна свинцовая пластина толщиной 5 см, либо 30 см бетона, либо 60 см грунта.

Альфа-распад: = + . Этот распад наблюдается для тяжелых ядер с А > 200. При альфа-распаде одного химического элемента образуется другой химический элемент, который в таблице Менделеева расположен на 2 клетки ближе к ее началу, чем исходный.

Бета-распад: = + .

Пример: → + , где - бета-излучение - электроны. При бета-распаде одного химического элемента образуется другой химический элемент, который расположен в таблице Менделеева в следующей клетке за исходным.

Гамма-излучение: ()* = + γ. Испускание гамма-излучения не приводит к превращениям элементов.

В ходе ядерной реакции суммарный электрический заряд и число нуклонов сохраняются. Ядерные реакции бывают двух типов: эндотермические (с поглощением энергии) и экзотермические (с выделением энергии). Если сумма масс исходного ядра и частиц, больше суммы масс конечного ядра и испускаемых частиц, то энергия выделяется, и наоборот.

Открытие протона: + → + . Открытие нейтрона: + → + .

Для каждого радиоактивного вещества существует характерный интервал времени, называемый периодом полураспада. Период полураспада - это промежуток времени, за который распадается ровно половина всех ядер. Например, если в некоторый момент времени вещество состоит из N ядер, то через время T, равное периоду полураспада ядер, останется N/2 ядер и т.д.

Закон радиоактивного распада: N = N₀ = N₀∙, где N - количество ядер в искомый момент времени; N₀ - количество ядер в начальный момент времени; n - количество Т_1/2 периодов полураспада; Т_1/2 - период полураспада; t - промежуток времени.

Исследования показали, что радиоактивные элементы могут иметь самые различные периоды полураспада - от десятимиллионных долей секунды, до миллиардов лет. Но период полураспада для каждого данного вещества определенный, и не изменяется при изменении внешних условий (давлении, температуры и т.д.)

4.Закрепление изученного материала.

Что такое радиоактивность? Кто открыл радиоактивность? Каков состав радиоактивности? Какое излучение обладает самой большой радиоактивностью? Что такое ядерная реакция? Какой элемент образуется при альфа-распаде, бета-распаде, гамма-распаде? Кто ввел правило ядерных распадов? Кто из ученых изучил радиоактивность?

5.Домашнее задание: § 98-101.

Урок 43 «Протонно-нейтронная модель строения атомного ядра».

Дата:

Цели:

Образовательные: сформировать понятие о нуклонах, дать определения изотопа, химических элементов, ознакомить учащихся с ядерным взаимодействием.

Развивающие: формировать широту взглядов на физические явления, которые происходят вокруг нас.

Воспитательные: продолжить формирование познавательных интересов учащихся.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Актуализация знаний.

Что такое атом? Что входит в состав атома? Кто впервые доказал «делимость» атома? В ходе каких опытов было установлено существование электрона? В чем суть модели атома Дж. Томсона? Кто исследовал внутреннюю структуру атома? В чем суть опыта Резерфорда? Почему отклонялись α-частицы в опыте Резерфорда? Что из себя представляют α-частицы? Какую модель атома предложил Резерфорд?

3.Изучение нового материала.

Опыты Резерфорда доказали, что атом состоит из маленького положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него электронов. Оказалось, что по сравнению с размером самого атома ядро крайне мало. Ядро меньше атома в 100000 раз. Если атомное ядро увеличить до размеров горошины, тогда диаметр атома будет равен высоте Останкинской башни.

Дальнейшие исследования показали, что заряд атомного ядра равен произведению порядкового номера Z элемента в периодической таблице Д.И. Менделеева на элементарный заряд. То есть атомный номер Z определяет число электронов в атоме, число протонов в ядре.

Если бы ядро состояло из одних протонов, то масса ядра любого химического элемента равнялась бы массе Z протонов. Но на самом деле масса ядер всех элементов гораздо больше. Поэтому в 1920 г. Резерфорд высказал предположение о существовании электрически нейтральной частицы. Позднее эта частица была обнаружена экспериментально. Ее назвали нейтроном.

В 1932 г. Д.Иваненко и В.Гейзенберг предложили протонно-нейтронную модель атомного ядра. Протоны и нейтроны называются нуклонами. Общее число нуклонов (протоны + нейтроны) называется массовым числом А. В настоящее время для атомов химических элементов приняты следующие обозначения: , где А - массовое число, Z - атомный номер (зарядовое число), N - число нейтронов.

В каждой клетке таблицы Менделеева располагается несколько атомов-«близнецов» одного элемента, ядра которых имеют одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Такие ядра называют изотопами. Химические свойства изотопов одного и того же элемента одинаковы, а вот ядерные - разные. Так, в природе существует водород: протий, дейтрий, тритий.

Почему ядро устойчиво? Между протонами внутри ядра действуют кулоновские силы отталкивания огромной величины, около 230 Н. Но ядро не разваливается! Причина устойчивости - наличие сил иной природы, их называют сильными взаимодействиями. Эти силы в 100 раз превосходят кулоновские силы отталкивания. Проявляются только на расстояниях порядка 10-15 м. Являются только силами притяжения.

4.Закрепление изученного.

1.Чему равен заряд ядра?

А Заряду атома Б Заряду электрона В Заряду всех электронов Г Не имеет заряда

2.Как заряжены протоны?

А Положительно Б Отрицательно В Не имеют заряда Г Зависит от вида атома

3.В состав ядра входят:

А Протоны Б Нейтроны В Протоны и электроны Г Протоны и нейтроны

4.Какими силами удерживаются в ядре протоны и нейтроны?

А Гравитационными Б Ядерными В Электрическими

5.Расстояния, на которых действуют ядерные силы:

А Больше размера ядра Б Гораздо меньше размера ядра В Сравнимы с размером ядра

6.Число нуклонов в ядре равно:

А 9 Б 4 В 5 Г 13

7.Число нейтронов в ядре равно:

А 9 Б 4 В 5 Г 13

8.Число протонов в ядре равно:

А 9 Б 4 В 5 Г 13

9.Масса протона примерно равна массе:

А Электрона Б Нейтрона В 100 г Г 1 а.е.м.

10.Масса нуклона примерно равна:

А Электрона Б Нейтрона В 100 г Г 1 а.е.м.

11.Число протонов в ядрах изотопов:

А Одинаково Б Различно

12.Число нейтронов в ядрах изотопов:

А Одинаково Б Различно

Ответы: 1. В. 2. А. 3. Г. 4. Б. 5. В. 6. А. 7. В. 8. Б. 9. А. 10. Г. 11. А. 12. Б.

5.Домашнее задание: § 102-104.

Урок 44 «Дефект масс и энергия связи нуклонов в ядре».

Дата:

Цели:

Образовательные: ознакомление учащихся с понятием "энергия связи", формирование представлений о внутриядерных взаимодействиях.

Развивающие: развитие интереса к науке; развитие у учащихся мыслительных операций: анализ, сравнение, обобщение.

Воспитательные: формирование положительных мотивов учения, экологическое воспитание.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Актуализация знаний.

Цель нашего урока: получить новые знания об атомном ядре, глубже постичь скрытые тайны микромира. Что такое атом? Каково строение атома? Из каких частиц состоит ядро? Что вы знаете о зарядовой принадлежности частиц, составляющих ядро?

3.Изучение нового материала.

Ядро устойчиво. Для его расщепления на нуклоны нужно затратить энергию. При образовании ядра из отдельных нуклонов энергия выделяется. Почему? Посмотрим в таблицу, в которой приводятся значения масс некоторых ядер, а также протонов и нейтронов. Сравните сумму масс нуклонов ядра углерода и самого ядра. Оказывается, М_я < (Z∙m_р + N∙m_n). Разность [(Z∙m_р + N∙m_n) - M_я] обозначим ∆m; ∆m - дефект массы.

Превышение массы нуклонов над массой ядра, выраженное в энергетических единицах, называется энергией связи атомного ядра. Энергия, необходимая для полного расщепления ядра на нуклоны без сообщения им кинетической энергии, равна энергии связи. В связи с соотношением Эйнштейна энергия связи выражается формулой: Е_св = ∆mс². Как велика энергия связи атомных ядер? При образовании 4г гелия выделяется столько энергии, сколько выделяется при полном сгорании 2т каменного угля! Очень важную роль играет не энергия связи атомных ядер, а удельная энергия связи - энергия связи, приходящаяся на один нуклон.

Вспомним, как мы обозначаем число нуклонов ядра. Получим формулу расчёта удельной энергии связи: Е_уд. = Е _св/А. В среднем, Е_уд. = 8МэВ. Это величина энергии отделения нуклона от ядра или величина энергии присоединения нуклона. А что прочнее: атом или ядро? Энергия связи электрона в атоме водорода всего 13,6 эВ. Конечно, прочнее ядро. Ядро - неисчерпаемый источник энергии.

А почему ядро не "рассыпается" на нуклоны, ведь протоны отталкиваются друг от друга? Дело в том, что кроме сил электростатического отталкивания между нуклонами действуют ядерные силы. Происходит противоборство ядерных сил и сил кулоновского отталкивания. Тогда почему одни ядра более устойчивые, чем другие? Исход борьбы определяет, быть ядру более или менее устойчивым.

Как вы думаете, меняется ли характер электростатического взаимодействия внутри ядра при увеличении порядкового номера? Да, с ростом порядкового номера увеличивается число протонов ядра, значит, увеличивается энергия электростатического отталкивания. Делиться могут только тяжёлые ядра.

Как вы считаете, какую форму имеет ядро? Согласно капельной модели ядро представляет собой каплю заряженной несжимаемой сверхплотной ядерной жидкости. Её плотность приблизительно 10 г/см². Такая модель позволяет объяснить ряд ядерных явлений. Пусть ядерная "капля", поглотив нейтрон, вытягивается. При этом поверхностная энергия увеличивается, энергия связи уменьшается. Вместе с тем увеличивается расстояние между нуклонами, энергия электростатического отталкивания уменьшается, энергия связи должна увеличиться. Если больше энергия электростатического отталкивания, ядро разорвётся, если же поверхностная - вернётся в исходное состояние. Есть и другая модель - модель ядерных оболочек. Согласно этой модели наиболее устойчивые ядра с магическим числом Z или N (2, 8, 20, 50, 82, 126).

На какие две группы условно можно разделить нуклоны по их месторасположению в ядре? Нуклоны могут быть внутренними и поверхностными. Чем тяжелее ядро, тем больше в нём внутренних нуклонов. Почему у тяжёлых ядер удельная энергия связи меньше, чем у средних? Конечно, при большом числе протонов велико кулоновское отталкивание. При большом числе Z всегда Z < N; большое число N необходимо для стабильности ядра.

Различие в энергии связи может быть использовано для освобождения внутриядерной энергии. Существует только два принципиально различных метода освобождение ядерной энергии: деление тяжелых ядер, слияние очень легких ядер.

С помощью ядерной энергии можно решить энергетические проблемы: заменить обычное топливо новым - компактным, неисчерпаемым. Но человек пока не готов к этому.

4.Закрепление изученного.

Какую энергию называют энергией связи ядра? Энергия связи ядра гелия 27 МэВ. Какая энергия необходима для его расщепления на нуклоны? Какая величина характеризует устойчивостью ядра? Почему очень легкие и тяжелые ядра менее устойчивые? Если нуклоны способны притягиваться друг к другу, то почему же все ядра до сих пор не слиплись в одно гигантское ядро? Нарушается ли при образовании ядра закон сохранения массы?

1.Если 1 а.е.м. соответствует 931 МэВ, сколько МэВ соответствует 2 а.е.м

2.Какова Е_св. и Е_уд. ядра 12С? Ответ получите в МэВ.

5.Домашнее задание: § 105, сообщения о принципе действия атомного реактора.

Урок 45 «Деление и синтез ядер. Ядерная энергетика».

Дата:

Цели:

Образовательные: дать понятие цепной реакции деления ядер урана, пояснить практическое значение этой реакции: показать достоинства и проблемы современных атомных станций, расширять политехнический кругозор учащихся.

Развивающие: формировать широту взглядов на физические явления, которые происходят вокруг нас.

Воспитательные: продолжить формирование познавательных интересов учащихся.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Актуализация знаний.

Что представляет собой счетчик Гейгера? Чем заполнена трубка, из которой состоит счетчик Гейгера? На каком явлении основано действие счетчика Гейгера? Что регистрирует счетчик Гейгера? Что создают ионы и электроны, образовавшиеся в счетчике Гейгера? Как называется первый прибор, зарегистрировавший элементарные частицы? Какие атомы ионизируются на фотопленке? Где конденсируется пар в камере Вильсона? Что представляет собой трек в камере Вильсона? Что определяют по длине трека? Чем регистрируются частицы с большой энергией? Как изменится трек частицы, если поместить фотопластинку (или трековую камеру) в магнитное поле?

3.Изучение нового материала.

В настоящее время существование человечества немыслимо без получения и использования большого количества энергии (например, электроэнергии и тепла). Все источники энергии делятся на восполняемые и невосполяемые. Восполняемые источники энергии: вода, ветер, солнце, внутреннее тепло Земли, водород (в составе морской воды). Невосполняемые источники энергии: уголь, торф, газ, нефть, ядерное горючее. В ближайшее время человечеству грозит проблема энергетического голода из-за нехватки топливных ресурсов. Сегодня большую роль в получении энергии играет ядерная энергетика. В зависимости от способа получения ядерной энергии существуют два направления ядерной энергетики:

1.Ядерная энергетика деления - в ядерных реакторах используется деление ядер урана и ядерная цепная реакция. Ядра тяжелых элементов (например, урана) являются неустойчивыми, из-за больших сил электростатического отталкивания. В таких ядрах удельная энергия связи меньше. При делении ядер тяжелых элементов определяется энергетическая выгодность этого процесса, так как на выходе реакции деления энергии выделяется больше, чем затрачивается для возбуждения делящихся ядер. Ядерная энергетика деления используется на современных атомных электростанциях (АЭС).

Преимущества АЭС: малое количество топлива, экологическая чистота при правильной эксплуатации.
Проблемы ядерной энергетики: содействие распространению ядерного оружия, радиоактивные отходы, возможность аварий.

Пути решения этих проблем: контроль за нераспространением ядерного оружия, обезвреживание радиоактивных отходов (совершенствование технологий), выработка стандартов безопасности.

2.Ядерная энергетика синтеза - реакторах термоядерного синтеза (пока только в опытных реакторах типа ТОКАМАК) используется термоядерная реакция. При проведении термоядерной реакции на легких ядрах также определяется энергетическая выгодность реакции синтеза, так как на выходе реакции выделяется больше энергии, чем затрачивается для разгона вступающих в реакцию частиц. При сравнении реакций деления и синтеза ядер было установлено, что термоядерная реакция энергетически более выгодна, чем реакция деления ядра, так как энергия, выделившаяся на один нуклон в результате термоядерной реакции, значительно превышает энергию, выделившуюся на один нуклон в результате деления ядер урана.
Ядерная энергетика будущего - это термоядерный синтез - чистый и практически неисчерпаемый источник энергии из обыкновенной морской воды.

В 1939 г. было открыто очень важное явление - деление ядер урана под воздействием нейтронов. Такая реакция деления сопровождается выделением энергии, которая может быть использована на практике. Учащимся предлагается рассмотреть схему деления ядер урана (рис. 13.14 учебника). Пояснения: Часть нейтронов захватывается ядрами урана. Ядро переходит в возбужденное состояние. Возбужденное ядро распадается на два осколка, при этом высвобождается два-три нейтрона. Осколки и нейтроны приобретают кинетическую энергию и разлетаются с большими скоростями. Высвободившиеся нейтроны, в свою очередь, могут вызвать деление следующих ядер урана. Такая реакция называется цепной ядерной реакцией. В ходе цепной ядерной реакции выделяется большое количество энергии в виде тепла.

4.Сообщения учащихся.

Сообщения о принципе действия атомного реактора.

5.Закрепление изученного.

1.Топливом для атомной станции служит:

А Любое радиоактивное вещество Б Уран В Радий

2.Сердцем атомной электростанции является:

А Электродвигатель Б Паровая турбина В Ядерный реактор

3.Ядерная энергия на АЭС превращается непосредственно в:

А Тепловую Б Электрическую В Механическую

4.Цепная реакция деления осуществляется:

А В атомной бомбе Б В водородной бомбе В В любом современном оружии

5.Реакция синтеза осуществляется:

А В атомной бомбе Б В водородной бомбе В В любом современном оружии

6.В бридерных реакторах используют:

А Любое радиоактивное вещество Б Природный уран В Изотоп урана

7.В реакторах на медленных нейтронах используют:

А Любое радиоактивное вещество Б Природный уран В Изотоп урана

8.Атомные станции по сравнению с тепловыми являются:

А Экономически более выгодными Б Экономически менее выгодными В Одинаково выгодными

9.Из приведенных вариантов ответов выберите те, которые характеризуют работу атомной станции.

А Потребляет органическое топливо Б Сильно загрязняет окружающую среду В Не загружает железнодорожный транспорт Г Не потребляет атмосферный кислород Д Требует соблюдения особых мер безопасности

10.Из приведенных вариантов ответов выберите те, которые характеризуют работу тепловой станции.

А Потребляет органическое топливо Б Сильно загрязняет окружающую среду В Не загружает железнодорожный транспорт Г Не потребляет атмосферный кислород Д Требует соблюдения особых мер безопасности

11.На атомных станциях происходят следующие превращения энергии:

А Ядерная -> Электрическая -> Механическая -> Тепловая

Б Ядерная -> Электрическая -> Тепловая -> Механическая

В Ядерная -> Тепловая -> Механическая -> Электрическая

12.Во время взрыва водородной бомбы нужная температура достигается путем:

А Нагрева плазмы электрическим током Б Нагрева плазмы электрическим разрядом В Взрыва мощного порохового заряда Г Взрыва атомной бомбы

Ответы: 1. Б. 2. В. 3. А. 4. А. 5. Б. 6. Б. 7. В. 8. А. 9. В, Г, Д. 10. А, Б. 11. В. 12. Г.

6.Домашнее задание: § 106-110.

Урок 46 Физика элементарных частиц. Лабораторная работа №9 «Изучение треков заряженных частиц».

Дата:

Тип урока: урок совершенствования знаний, умений и навыков.

Вид урока: лабораторная работа.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку. Инструктаж по технике безопасности.

2.Изучение нового материала.

Физика элементарных частиц (ФЭЧ) - это область физики , которая изучает природу элементарных частиц, составляющих то, что обычно называют материей и излучением. В нынешнем понимании частиц - возбуждение квантовых полей и их динамические взаимодействия. Хотя слово частица может использоваться в отношении многих объектов (например, протон, газ-частица, или даже бытовая пыль), термин физика элементарных частиц обычно относится к изучению мельчайших частиц и фундаментальных полей, которые должны быть определены для того, чтобы объяснить наблюдаемые частицы. Они не могут быть определены путем комбинации других фундаментальных полей, т.е. метод выбора частиц комбинированием разными наборами полей. Текущий набор фундаментальных полей и их динамика приведены в теории, называемой стандартной моделью, поэтому физика элементарных частиц это изучение стандартной модели частиц контента и его возможные расширения при нахождении недавнего бозона Хиггса. (ФЭЧ), часто называемая также физикой высоких энергий - раздел физики, изучающий структуру и свойства элементарных частиц и их взаимодействия.

3.Порядок выполнения работы.

Работа 1.

Цель работы: познакомить учащихся с устройством и принципом действия камеры Вильсона, сформировать элементарные навыки и умения анализировать фотографии треков заряженных частиц.

Оборудование: фотографии треков заряженных частиц, полученных в камере Вильсона.

Учащимся сообщают основные сведения о методах наблюдения и регистрации заряженных частиц. Самостоятельно школьники изучают устройство и принцип действия камеры Вильсона. Треки заряженных частиц в камере Вильсона представляют собой цепочки микроскопических капелек жидкости (воды или спирта), образовавшиеся вследствие конденсации пересыщенного пара этой жидкости на ионах. Длина трека зависит от начальной энергии заряженной частицы и плотности окружающей среды. Толщина трека зависит от заряда и скорости частицы: она тем больше, чем больше заряд частицы и чем меньше её скорость. При движении заряженной частицы в магнитном поле трек её получается искривлённым. По изменению радиуса кривизны трека можно определить направление движения заряженной частицы и изменение её скорости.

Работа 2.

Цель работы: познакомить учащихся с устройством и принципом действия пузырьковой камеры, сформировать элементарные навыки и умения анализировать фотографии треков заряженных частиц.

Оборудование: фотографии треков заряженных частиц, полученных в пузырьковой камере.

Самостоятельно школьники изучают устройство и принцип действия пузырьковой камеры.

Работа 3.

Цель работы: познакомить учащихся с методом толстослойных фотоэмульсий, сформировать элементарные навыки и умения анализировать фотографии треков заряженных частиц.

Оборудование: фотографии треков заряженных частиц, полученных в фотоэмульсии.

Самостоятельно школьники знакомятся с методом толстослойных фотоэмульсий.

Работа 4.

Цель работы: получить экспериментальные навыки в чтении фотографий движения заряженных частиц, сфотографированных в камере Вильсона.

Приборы и материалы: фотографии треков, прозрачная бумага (калька) или копировальная бумага, угольник, циркуль или лекало, карандаш.

Трек заряженной частицы в камере Вильсона представляет собой цепочку из микроскопических капелек воды или спирта, образовавшихся вследствие конденсации пересыщенных паров этих жидкостей на ионах. Ионы образуются в результате взаимодействия заряженной частицы с атомами и молекулами паров и газов, находящихся в камере.

На фотографии видны треки частиц, движущихся в магнитном поле индукцией В = 2,2 Тл. Вектор индукции магнитного поля перпендикулярен плоскости фотографии. Нижний трек принадлежит протону, имеющему начальную энергию 1,6 МэВ.

Порядок выполнения работы № 4

1.С помощью кальки или копировальной бумаги перечертите треки частиц и масштаб фотографии.

2.Определите направление движения частиц и направление силовых линий магнитного поля. Объясните, почему трек протона к концу пробега становится толще.

3.По величине энергии протона вычислите отношение его полной массы к массе покоя и покажите, что изменением массы следует пренебречь.

4.Зная, что верхний трек принадлежит частице, имеющей одинаковую с протоном начальную скорость, определите отношение заряда к массе для этой частицы. Какой частице принадлежит этот трек? Почему он толще трека протона?

5.Вычислите начальную энергию частицы, оставившей верхний след.

Ответы:

Работа 1. 1.Cверху вниз. 2.Камера Вильсона находится в магнитном поле. 3.Перпендикулярно фотографии сверху вниз. 4.Уменьшалась скорость α-частиц.

Работа 2. 1.Потому что он двигался в магнитном поле с убывающей скоростью. 2.От внешнего витка спирали к её центру. 3.Перпендикулярно фотографии сверху вниз.

Работа 3. 1.Не одинаковы заряды ядер. 2.Левый трек принадлежит ядру атома магния, средний - ядру калия, правый - ядру железа. 3.Толщина трека тем больше, чем больше заряд ядра атома. 4.Треки частиц в фотоэмульсии короче и толще и имеют неровные края.

Работа 4. 2. Частицы движутся снизу вверх. Силовые линии магнитного поля направлены перпендикулярно плоскости рисунка на читателя. 3.Энергия протона E_p = 939,8 МэВ. Отношение γ = 939,8/938,2 = 1,002. 4.Начальная скорость протона м/c. Из уравнения движения заряженных частиц в магнитном поле: q /m = /(BR). Дальнейшее вычисление требует точного знания масштаба рисунка, так же, как и при решении п.5

4.Домашнее задание: § 111-113.

Урок 47 Контрольная работа №4 «Квантовая физика».

Дата:

Цель: определить уровень овладения знаниями, умениями и навыками.

Тип урока: урок контроля, оценки и коррекции знаний.

Вид урока: контрольная работа.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Контрольная работа.

Тест по теме «Квантовая физика», 2 варианта

3.Домашнее задание: упр. 14.

Урок 48 «Строение Солнечной системы».

Дата:

Цели:

Образовательные: сформировать понятия об астероидах, метеорах, метеоритах, кометах; добиться усвоения представления о строении солнечной системы, о природе тел Солнечной системы.

Развивающие: развитие логического мышления путём систематизации фактов, развитие наблюдательности, формирование мировоззрения, развитие познавательной активности, умений делать выводы, применять полученные знания для объяснения явлений.

Воспитательные: содействовать формированию мировоззренческой идеи познаваемости явлений и свойств окружающего мира.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Актуализация знаний.

Мы живём в интересное время, когда весь мир для одной половины человечества сузился до экранов телевизора, а для другой до размеров компьютерного монитора. Но если ночью оторвать взгляд от экрана и посмотреть на небо, то перед Вами может открыться мир, который удивлял и восхищал не одно поколение людей. Мир, который вызывает мысли о вечности и бесконечности, который притягивает своей красотой. Называется этот мир - звёздное небо. В этом мире у вас наверняка есть знакомые.

3.Изучение нового материала.

Вы уже знаете, планеты вращаются вокруг Солнца. А какие ещё тела есть в Солнечной системе? Какова природа этих тел? Эти и другие вопросы мы рассмотрим сегодня на уроке. Наша Солнечная система состоит из центрального тела Солнца и планет, которые вращаются по своим орбитам вокруг Солнца. Чем ближе к Солнцу расположена планета, тем быстрее движется и меньше времени она тратит на один оборот. Всего вокруг Солнца вращается 8 планет. Свои имена планеты получили в честь римских богов. Между орбитами Марса и Юпитера находится пояс астероидов, за орбитой Нептуна находится пояс Койпера и за поясом Койпера, вероятно, расположено облако Оорта.

Все планеты можно разделить на две группы: планеты земной группы и планеты-гиганты. О них более подробно мы поговорим на следующем уроке.

Между орбитами Марса и Юпитера находится пояс астероидов, состоящий из огромного количества тел, размером от миллиметров до тысячи километров. Тела размером менее миллиметра называют пылинками, от 1 мм до 30 метров - метеородидами, более 30 м - астероидами. Самый крупный астероид называется Церерой, диаметр его около 1000 км. Почти в два раза меньше Паллада и Веста. Большинство астероидов названы женскими именами, а самые необычные носят мужские имена, например, Икар и Аполлон. Объект из пояса астероидов может столкнуться с Землёй. При нагревании в атмосфере Земли, вследствие торможения, вокруг тела образуется светящаяся оболочка, состоящая из горячих газов. Такие светящиеся шары называют болидами. Остатки тел, упавшие на Землю, называют метеоритами. Наиболее крупные метеориты при падении образуют метеоритные кратеры. На Земле найдено около 140 крупных кратеров. Один из самых крупных находится в Аризоне (США). Диаметр кратера 1200 м, глубина 175 м. Аризонский кратер оставило тело, имевшее в момент удара размер от 25 до 40 м. По химическому составу все метеориты делят на железные, каменные и железо-каменные. Примерно 90% всех найденных метеоритов каменные, состоящие из силикатов.

За орбитой Нептуна на расстоянии от 30 до 50 а.е. находится Пояс Койпера. В отличие от объектов пояса астероидов, которые в основном состоят из горных пород и металлов, объекты пояса Койпера состоят главным образом из летучих веществ (называемых льдами), таких как метан, аммиак и вода. С тех пор, как в 1992 году пояс был открыт, число известных объектов пояса Койпера превысило тысячу, и предполагается, что существует ещё более 70 000 тел с диаметром более 100 км.

Учёные предполагают, что на расстоянии от 50 000 до 100 000 а. е, примерно световой год, находится облако Оорта. Хотя подтверждённых прямых наблюдений облака Оорта не было, астрономы считают, что оно является источником ядер комет, прилетающих в Солнечную систему. На небе комета выглядит как "хвостатая" звезда. Кометы состоят из ядра и окружающей его светлой туманной оболочки (комы), состоящей из газов и пыли. У ярких комет с приближением к Солнцу образуется "хвост" - слабая светящаяся полоса. Ядро кометы состоит в основном из обычного льда (с небольшими включениями углекислых и метановых льдов), а также пылевых частиц. После того, как ядро кометы полностью испарится, по вытянутым эллиптическим орбитам исчезнувших комет продолжают вращаться мелкие твёрдые частички - метеорные тела. Если поток таких частиц пересекает орбиту Земли, можно наблюдать красивое явление "звёздный дождь". Частицы сгорают в атмосфере Земли, не долетая до её поверхности. Такие "падающие" звёзды называют метеорами. Метеоры кажутся вылетающими из определённой области неба, которая называется радиантом метеорного потока. Положение радианта на небе определяет название метеорного потока. Например, метеоры, наблюдающиеся 10-12 августа, радиант которых находится в созвездии Персея, называют Персеидами.

4.Закрепление изученного.

Наблюдатель, находящийся на Луне, видит затмение Солнца. Что в это время видит земной наблюдатель? Укажите правильный порядок расположения планет по мере удаленности от Солнца. В 1516 году Н.Коперник обосновал гелиоцентрическую систему строения мира. Какое утверждение лежит в ее основе? Почему в 2006 году Плутон исключили из списка планет?

5.Домашнее задание: § 116-117.

Урок 49 «Планеты Солнечной системы».

Дата:

Цели:

Образовательные: сформировать общие представления об особенностях природы планеты.

Развивающие: развивать познавательную активность у учащихся.

Воспитательные: воспитывать чувство ответственности за нашу планету, Вселенную в целом.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Актуализация знаний.

В Солнечной системе находятся планеты с их спутниками, карликовые планеты, кометы, астероиды, метеоры и метеориты, удерживаемые притяжением Солнца. Если не говорить о Солнце, то основными обитателями Солнечной системы являются планеты - блуждающие во Вселенной. Планеты - самые массивные тела, движущиеся вокруг Солнца по орбитам. Планеты в Солнечной системе делятся на две группы: планеты земной группы и планеты-гиганты.

3.Изучение нового материала.

Меркурий - "неуловимая планета". Это самая первая планета в Солнечной системе, ближе всего к Солнцу. Существует легенда, что выдающийся польский астроном Н. Коперник за всю свою жизнь ни разу не видел Меркурий, т.к. он постоянно скрывался в лучах Солнца. При наиболее благоприятных условиях её можно увидеть рано утром на востоке до восхода Солнца или на западе после захода Солнца. Поэтому в древности Меркурий часто принимался за два различных светила (утреннее и вечернее). По своему внешнему виду Меркурий очень похож на Луну, также меняет фазы: от узкого серпа до светлого круга. На Меркурии меньше морей ("темных пятен", которые можно наблюдать на Луне), но кратеров - впадин, которые остаются после падения метеоритов, очень много. Атмосферы на планете нет. Близость к Солнцу и довольно медленное вращение планеты, а также отсутствие атмосферы приводят к тому, что на Меркурии наблюдаются самые резкие перепады температур в Солнечной системе, да и орбита планеты очень вытянута. Меркурий - самая маленькая планета земной группы, в 2 раза меньше Земли. Меркурий совершает полный оборот вокруг Солнца за 88 дней, самый короткий год, но зато самые длинные сутки, целых 59 земных суток.

Венера - вторая по удаленности от Солнца планета Солнечной системы и третий по яркости объект на небе; ее блеск уступает только блеску Солнца и Луны. Венера - одно из красивейших светил неба, поэтому ей древние римляне присвоили имя богини любви и красоты. Венера относится к числу планет, известных человечеству с древнейших времен. Венера вращается вокруг своей оси, в направлении, противоположном направлению вращения большинства планет. Почти каждая планета Солнечной системы может похвастаться каким-либо космическим рекордом. Венера "хвастается" своей самой плотной атмосферой среди планет земной группы и самым медленным вращением вокруг оси. Она делает один оборот за 243 суток. Величина солнечных суток на планете 116,8 земных суток. По размерам Венера довольно близка к Земле. Хотя Венера является самой близкой к Земле планетой, исследование ее поверхности началось совсем недавно, так как от взгляда земного наблюдателя поверхность планеты скрыта облачным покровом. Ее облака совершают облет поверхности за 4 часа. Атмосферу на Венере открыл М.В. Ломоносов 6 июня 1761 г, она состоит в основном из углекислого газа (96 %) и азота (почти 4 %). Водяной пар и кислород содержатся в ней в небольших количествах (0,02 % и 0,1 %).Температура на поверхности Венеры около 475 °C, она превышает температуру поверхности Меркурия, находящегося вдвое ближе к Солнцу. Причиной высокой температуры на Венере является парниковый эффект, создаваемый плотной углекислотной атмосферой, поэтому на поверхности Венеры исключено всякое существование жидкой воды. Рельеф Венеры состоит из обширных равнин, горных цепей. На планете происходит извержение вулканов, выявлены многочисленные кратеры.

Еще в глубокой древности люди обратили внимание на ярко-оранжевую звезду и дали ей имя бога войны - Марс. А когда в 1877 году американский астроном Асах Холл открыл два спутника Марса, то дал им греческие имена Фобос и Деймос, что означает "страх и ужас". Ось вращения Марса примерно так же наклонена к плоскости орбиты, как и Земля, на 22° (на Земле на 23, 5°), поэтому на Марсе тоже происходит смена времен года, только тянутся они почти в 2 раза дольше, т.е. 1 год на Марсе равен примерно 687 суток. День мало отличается от нашего, сутки там длятся 24 ч 37мин. Но притяжение на Марсе очень маленькое, отсюда и все "беды". Оно не может удержать атмосферу, без которой нет жизни. Атмосфера очень разрежена, т.е. не плотная, по составу напоминает венерианскую. Температура летом днем +20°С, вполне приемлема для жизни, но ночью зимой -125°С. Неплотная атмосфера не удерживает тепло. Марс оказался безводной холодной пустыней, больше похожей на Луну, чем на нашу Землю, почти вдвое меньше Земли по размерам и в девять раз - по массе. Планета красная потому, что в поверхностных породах много окиси железа. Похвастаться Марс может своими высокими горами и вулканами. Самый высокий - вулкан Олимп. Его высота 27 км, что в 3 раза больше высочайшей вершины Земли - горы Эверест.

Юпитер - пятая самая большая планета Солнечной системы и по размерам и по массе, а также она вторая по яркости после Венеры, представляет собой огромный газовый шар, если бы он был чуть массивнее, то нам светило бы 2 солнца. Полный круг по орбите планета совершает за 11,86 лет. Вокруг гиганта движется 16 спутников. Юпитер обладает кольцом шириной 20000 км. Из-за нетвердого состояния широты Юпитера вращаются с огромной скоростью. Бешеное вращение планеты вокруг оси приводит и к тому, что в атмосфере "гуляют" шальные ветры. В облаках Юпитера наблюдаются так называемые вихревые пятна, самое большое из которых - Большое Красное пятно, его ученые обнаружили 300 лет назад. Это пятно - одна из загадок планеты-гиганта. Температура на Юпитере низкая -140°С, но по мере погружения внутрь планеты в атмосферу становится все жарче и жарче. Предполагают, что ядро Юпитера состоит не только из водорода и гелия, но и каменистых пород. Строение Юпитера незначительно отличается от Солнца.

Сатурн, наверное, наиболее красивая планета, если смотреть на нее в телескоп. Сказочные кольца Сатурна нельзя спутать ни с какими другими объектами Солнечной системы. Протяженность колец достигает миллион км. Но если приблизиться к ним вплотную, то они потеряют свою монолитность и превратятся в огромное количество отдельных частиц из обычного водяного льда размерами от мелких пылинок до глыб 10-15 м в диаметре. Они вращаются со скоростью 10 км/с. Сатурн имеет одну интересную особенность: он - единственная планета в Солнечной системе, чья плотность меньше плотности воды. Если бы было возможно создать огромный океан, Сатурн смог бы в нем плавать. Сатурн, как и большинство планет, вращается с запада на восток. Ветра дуют, большей частью, в восточном направлении. Красное пятно на Сатурне окружено темным кольцом. Ученые ожидали найти на Сатурне условия, сравнимые с условиями на Юпитере, поскольку в явлениях обеих планет наблюдается нагрев за счет внутреннего источника тепла, а не поглощения солнечной энергии. Сатурн быстро вращается вокруг своей оси, всего за 10 часов 16 минут. У Сатурна много спутников сейчас из насчитывают до 30. Самый большой из них - Титан, весит в 20 раз больше всех остальных спутников, вместе взятых. Его диаметр больше, чем у Меркурия. И на нем есть атмосфера.

1781 год был ознаменован открытием Урана. Когда о Земле говорят "голубая планета", то ласково преувеличивают, т.к. по настоящему голубой оказался далекий Уран. Причина этого в атмосфере Урана и её температуре. При морозе (-218°С) в верхних слоях присутствует метановая дымка, которая поглощает красные лучи и отражает голубые и зеленые. Отсюда такой красивый аквамариновый цвет. В отличие от газовых гигантов - Сатурна и Юпитера, состоящих в основном из водорода и гелия, в недрах Урана отсутствует металлический водород, но зато много высокотемпературных модификаций льда. Это самая холодная планетарная атмосфера Солнечной системы. Так же, как и у других планет-гигантов Солнечной системы, у Урана имеется система колец и 27 спутников. Ось вращения Урана лежит как бы "на боку" относительно плоскости обращения этой планеты вокруг Солнца.

Открытие Нептуна, восьмой планеты в Солнечной системе, стало триумфом в науке. Её открыли позже Урана и благодаря Урану в 1846 году. Нептун не меняет свой блеск, поэтому найти его на небе очень трудно. Даже, наблюдая в хороший телескоп, надо заранее знать, где его искать. У Нептуна, как и у других планет-гигантов, нет твердой поверхности. Атмосфера Нептуна на 98-99% состоит из водорода и гелия. В ней содержится также немного метана. Перистые облака в атмосфере Нептуна, скорее всего, состоят из кристаллов замерзшего метана, там царство холода. На Нептуне дуют ветры со скоростями до 2400 км/час, направленные против вращения планеты. Это самые сильные ветры в Солнечной системе. Полагают, что Нептун имеет ядро из расплавленных скальных пород. У Нептуна известно 13 спутников, крупнейший из них - Тритон вращается в противоположенном направлении и имеет атмосферу. Вокруг планеты существуют пять колец: два ярких и узких и три более слабых.

4.Закрепление изученного.

1.Выберите планеты земной группы:

А) Меркурий, Венера, Марс, Земля

Б) Земля, Юпитер Сатурн, Марс

В) Марс, Земля, Уран, Юпитер

2.Выбери планеты - гиганты:

а) Уран, Земля, Меркурий, Марс

б) Марс, Земля, Уран, Юпитер

в) Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун.

3.Какая из планет Солнечной системы имеет самый короткий год?

а) Земля; б) Меркурий; в) Венера.

4.Какая из планет имеет самые длинные сутки по сравнению с его годом?

а) Плутон; б) Меркурий; в) Юпитер.

5.Какая из планет земной группы находится ближе всего к Земле?

а) Марс; б) Венера; в) Меркурий.

6.Какая из планет является самой яркой на ночном небе?

а) Меркурий; б) Венера; в) Юпитер.

7.На какой планете облака совершают облет поверхности за 4 часа?

а) Марс; б) Сатурн; в) Венера.

8.Названия спутников этой планеты переводятся как "страх" и "ужас".

а) Юпитер; б) Плутон; в) Марс.

9.Какую планету называют красной?

а) Юпитер; б) Марс; в) Меркурий.

10.Выберите из списка планет те, которые имеют кольца?

а) Юпитер; б) Сатурн; в) Уран; г) Нептун; д) Плутон.

Ответы: 1-б, 2-в, 3-б, 4-б, 5-б, 6-б, 7-в, 8-в, 9-б, 10-а, б, в, г.

5.Домашнее задание: § 119.

Урок 50 Решение задач по теме «Законы Кеплера - законы движения небесных тел».

Дата:

Цели:

Образовательные: формирование понятий: о законах движения космических тел в центральном поле тяготения (законах Кеплера); о траекториях движения (орбитах) космических тел и их основных характеристиках; об астрономической единице измерения межпланетных расстояний.

Развивающие: формирование умений решать задачи на применение законов движения космических тел.

Воспитательные: формирование научного мировоззрения в ходе знакомства с историей человеческого познания и объяснения причин небесных явлений, обусловленных движением космических тел.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Изучение нового материала.

До Кеплера считалось, что движение небесных тел может происходить только по "совершенной кривой" - окружности. Иоганн Кеплер впервые разрушил этот предрассудок. Используя многолетние наблюдения положения Марса, выполненные датским астроном Тихо Браге, Кеплер установил три закона движения планет относительно Солнца.

I закон Кеплера: Каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. Следовательно, орбиты всех планет имеют общий фокус, расположенный в центре Солнца. Эллипс - геометрическое место точек, сумма расстояний которых от двух заданных, называемых фокусами, есть величина постоянная и равная 2а, где а - большая полуось эллипса: а = .

Кто предложил остроумный и гениально простой способ вычерчивания эллипса с помощью двух иголок и связанной в кольцо нити? Способ был доложен на заседании Эдинбургского Королевского общества, но не автором, потому что ему было тогда только 15 лет (Ответ: Джеймс Клерк Максвелл).

Рассмотрим важнейшие точки и линии эллипса: а - большая полуось, b - малая полуось, F₁, F₂ - фокусы, r - радиус-вектор, А - афелий, П - перигелий. Перигелий - ближайшая к Солнцу точка орбиты, а афелий - самая удаленная от Солнца точка орбиты. Обе эти точки лежат на большой оси орбиты по разные стороны от Солнца. Степень вытянутости эллипса характеризуется эксцентриситетом е: е = , где с - расстояние от центра до фокуса, а - большая полуось. При совпадении фокусов с центром (е = 0) эллипс превращается в окружность, при е = 1 становится параболой, при е > 1 - гиперболой. Орбиты планет - эллипсы, мало отличаются от окружностей, так как их эксцентриситеты малы. Например, еЗемли = 0,017, еМарса = 0,091.

II закон Кеплера (закон равных площадей): Радиус-вектора планеты за равные промежутки времени описывает равновеликие площади. Радиус-вектор планеты - это расстояние от Солнца до планеты.

Площади S₁ и S₂ равны, если дуги описаны заодно и тоже время. Дуги, ограничивающие площади различны, следовательно, линейные скорости движения планет будут разными. Чем ближе планета к Солнцу, тем ее скорость больше. В перигелии скорость планеты максимальна, а в афелии - минимальна. Таким образом, второй закон Кеплера количественно определяет изменение скорости движения планеты по эллипсу.

Первый и второй закон Кеплера были опубликованы в 1608-1609 годах. Оба закона решают задачу движения каждой планеты в отдельности. Совершенно естественно у Кеплера возникла мысль о существовании закономерности, связывающей все планеты в единую стройную планетную систему. Только в 1618 году Кеплер нашел и опубликовал в книге "Гармония мира" эту закономерность, известную под названием третьего закона Кеплера.

III закон Кеплера: Квадраты периодов обращений планет вокруг Солнца пропорциональны кубам больших полуосей их эллиптических орбит: = , где Т₁, а₁ - звездный период обращения и большая полуось одной планеты; Т₂, а₂ - другой планеты. Большая полуось земной орбиты принята за астрономическую единицу расстояний: 1 а.е. = 149∙10⁹ м. Звездный период Земли 1 год = 365 суток.

Этот закон имеет огромное значение для определения относительных расстояний от Солнца, так как звездный период нетрудно вычислить по известному синодическому периоду.

Кеплер лишь описал, как движутся планеты, но не объяснил причин движения. Это удалось сделать лишь во второй половине 17 века Ньютону.

3.Закрепление изученного.

1. Противостояния некоторой планеты повторяются через 2 года. Чему равна большая ось ее орбиты? (Ответ: 1,59 а.е.)

2. Какова продолжительность сидерического периода вращения Юпитера вокруг Солнца, если он в 5 раз дальше от Солнца, нежели Земля?

3. Если ученик согласен с утверждением, то записывает в тетради "5", если нет - "0": Орбиты всех планет Солнечной системы имеют общий фокус. Законы Кеплера применимы к искусственным спутникам планет. При движении планеты от перигелия к афелию скорость планеты возрастает. Потенциальная энергия планеты максимальна в афелии. Отношение кубов больших полуосей орбит двух планет равно 16. Следовательно, период обращения одной планеты больше периода другой в 4 раза. (Ответ: 55055)

4.Домашнее задание: упр. 15 (1-2).

Урок 51 «Система Земля-Луна».

Дата:

Цели:

Образовательные: сформировать представления о Солнечной системе и месте Земли в ней.

Развивающие: расширять знания о причинно-следственных связях в природе, развивать пространственное мышление, учить классифицировать объекты, анализировать, делать выводы, устанавливать взаимосвязи.

Воспитательные: продолжать воспитывать чувства бережного отношения к природе нашей планеты, повысить интерес к предмету.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Актуализация знаний.

Спутник Марса (предположение об его существовании высказал Кеплер в 1610 году, т.е. приблизительно за 270 лет до его действительного открытия! Кеплер основывался на логике, что если у Земли есть один спутник, а у Юпитера - 4, то количество спутников возрастает в геометрической прогрессии. По этой логике, у Марса должно быть 2 спутника). Центральное тело Солнечной системы, вокруг которого обращаются другие объекты этой системы. Наиболее удаленная от центра точка орбиты. Распространённая в астрономии внесистемная единица измерения расстояния.

3.Изучение нового материала.

Наблюдение за телами Солнечной системы кроме оптических, последние 40 лет осуществляются различными КА. У истоков начала космической эры стоит Россия. Сейчас космические просторы бороздят сотни КА различного назначения в основном таких государств как Россия и США. А также Китай, Япония и другие государства. Пилотируемые полеты осуществляются в России, США и в Китае.

К началу нашего летоисчисления считали, что Земля - шар. К 1684 г. Ньютон доказал, что Земля сжатый эллипсоид (по полюсам). Геодезические и другие измерения доказали что Земля эллипсоид. Позже выяснено, что форма Земли имеет более сложную фигуру - геоид (грушевидная форма). Единственный естественный спутник Земли - Луна, удаленный в среднем от Земли на 384400 км (±21000 км). Из-за большого размера (четверть Земли) систему Земля-Луна называют двойной планетой и центр масс находится на расстоянии 4671 км от центра Земли (именно он движется вокруг Солнца по эллиптической орбите).

Затмение - это явление, при котором свет от небесного тела временно затемняется другим телом. Орбита Луны вокруг Земли наклонена к плоскости орбиты Земли вокруг Солнца на 5,1°. Поэтому время от времени эти три тела оказываются в соединении. Тогда происходит затмение Солнца или Луны. В течение месяца, благоприятного для затмений может произойти одно солнечное, или два солнечных и лунное затмение. Следующее необходимое для затмений расположение лунной орбиты произойдет только через полгода (177-178 суток).

Виды солнечного затмения: частное - закрывает часть солнечного диска; кольцевое - закрывает полностью Солнце - диаметр Луны меньше солнечного; полное (центральное) - закрывает полностью Солнце - диаметр Луны больше солнечного.

Солнечное затмение происходит в новолуние, максимальная длительность 7 мин 40 с. Максимальная ширина тени при этом, прочерчиваемая по поверхности Земли 264 км (полутени около 6000 км).

Виды лунного затмения: частное - тень Земли закрывает часть Луны; полное - тень Земли закрывает полностью Луну. Лунное затмение происходит в полнолуние и максимальная его продолжительность 1 час 44 мин.

Затмения повторяются (египетское - сарос), что связано с поворотом плоскости лунной орбиты. Малый сарос составляет 6585,32 сут. За это время происходит 70-71 затмение (42-43 солнечных и 28 лунных) и в следующем саросе затмения повторяются в этом же порядке. В любой серии сароса каждое затмение происходит приблизительно на 8 часов позже и почти на 120° долготы западнее предыдущего затмения. Сарос известен со времен Фалеса Милетского (624-547), хотя египтяне и китайцы знали о нем еще раньше. Большой сарос составляет 19756 сут (54г 34 сут) - повторение почти одинаковых затмений, который меняется в течение 1000 лет другой серией.

4.Закрепление изученного.

Почему систему Земля-Луна называют двойной планетой? Что такое сидерический и синодический период обращения Луны и чему он равен? Когда бывают лунные и солнечные затмения, их причина? Что такое сарос? Наиболее продолжительным полное затмение бывает, когда Земля находится вблизи афелия своей орбиты, а Луна - вблизи перигея. Почему?

5.Домашнее задание: § 118.

Урок 52 «Солнце - ближайшая к нам звезда».

Дата:

Цели:

Образовательные: актуализировать знания учащихся о Солнце, формировать понятие звезда, определить характеристики Солнца; раскрыть зависимость процессов на Земле от Солнца.

Развивающие: развивать познавательные процессы, развитие письменной коммуникативности и понимание текста.

Воспитательные: воспитывать товарищество, уважение, взаимодействие и солидарность в коллективе.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Актуализация знаний.

Почему затмения не наблюдаются каждый месяц? Как происходит смена фаз Земли на небе Луны? Каков минимально возможный промежуток времени между солнечным и лунным затмением? Столкновение малых тел с Землей и Луной? Насколько часты? В чем разница между столкновениями тел с Землей и с Луной?

3.Изучение нового материала.

На пьедестале памятника Копернику в Варшаве высечены слова: «Остановивший Солнце, сдвинувший Землю». Объясните фразу.

Общие сведения. Солнце находится в центре Солнечной системы и является крупнейшим ее объектом. Оно содержит 99,8 процентов массы всей Солнечной системы. Солнце в 109 раз больше Земли по диаметру и примерно в миллион раз по объему. Видимая поверхность Солнца имеет температуру около 5500°C, а температура в ядре достигает более 15 миллионов градусов, что обусловлено ядерными реакциями. Количество энергии, выделяемой Солнцем, соответствует взрыву 100 млрд. тонн динамита каждую секунду. Солнце является одной из более чем 100 миллиардов звезд Млечного Пути. Оно совершает оборот вокруг галактического ядра примерно за 250 миллионов лет. Солнце является относительно молодой звездой, частью поколения звезд, известного как население I. Это поколение относительно богато элементами тяжелее гелия. Старшее поколение звезд называется Население II. Возможно, существовало еще более древнее поколение - население III, хотя ни один из его членов не был обнаружен.
Образование и эволюция. Солнце родилось примерно 4,6 миллиарда лет назад. Многие ученые считают, Солнце и остальная Солнечная система сформировалась из огромного, вращающегося облака газа и пыли, известного как «солнечная туманность». Вследствие гравитации туманность постепенно превратилась в диск, где большая часть вещества была сосредоточена в центре. Дальнейшее сжатие центральной части газопылевого диска и привело к образованию Солнца. Запасов ядерного топлива Солнцу хватит еще на 5 миллиардов лет, после этого оно начнет увеличиваться в размерах, превращаясь в красного гиганта. При этом будут поглощены ближайшие планеты. В конце концов, оно сбросит свои внешние слои, образуя туманность, а оставшееся ядро сожмется, чтобы стать белым карликом. Медленно оно начнет угасать, переходя в завершающую фазу своей эволюции, как тусклый холодный объект, иногда называемый черным карликом.

Внутреннее строение. Солнце и его атмосфера разделена на несколько зон и слоев. Недра Солнца состоят из ядра, зоны лучистого переноса и конвективной зоны. Атмосфера состоит из фотосферы, хромосферы и солнечной короны. Из внешней части солнечной короны истекает солнечный ветер - поток ионизированных частиц. Ядро простирается от центра Солнца до четверти пути к его поверхности. Хотя оно составляет лишь около 2 процентов от объема Солнца, его плотность в 15 раз превышает плотность свинца и составляет почти половину массы Солнца. Далее идет зона лучистого переноса, которая простирается от ядра до 70 процентов пути к поверхности Солнца, что составляет 32 процентов от объема Солнца и 48 процентов его массы. Свет от ядра рассеивается в этой зоне, так что один фотон может проходить ее миллионы лет. Конвективная зона достигает поверхности Солнца и составляет 66 процентов от объема Солнца, но только немногим более 2 процентов от массы. В этой зоне доминирует вихревое перемешивание плазмы и перенос энергии к поверхности (фотосфере). Термики (термические потоки) в конвекционной зоне вызывают на поверхности гранулы, которые, по сути, являются вершинами термиков и супергрануляцию. Типичный размер гранул - 1000 км, а размер супергранул 30 000 км.

Атмосфера. Фотосфера - это самый нижний слой атмосферы Солнца. Именно фотосфера излучает свет, который мы видим, и формирует внешний облик Солнца. Ее толщина составляет 500 км, однако большая часть света исходит от ее нижней трети. Температуры там варьируются от 6125°C в нижней части до 4125°C на вершине. Далее идет хромосфера, которая значительно горячее, температура там достигает 19 725°C. Хромосфера, по-видимому, полностью состоит из остроконечных структур, известных как спикулы. С Земли при наблюдении в свете определенной спектральной линии спикулы выглядят как тонкие плазменные столбики. Тонкими столбиками они являются в масштабах Солнца, их толщина на самом деле составляет 1000 км при высоте до 10000 км (для сравнения диаметр Земли - 12 742 км). Внешней оболочкой Солнца является солнечная корона, которая состоит в основном из протуберанцев и энергетических извержений, исходящих и извергающихся на несколько сотен тысяч и даже более миллиона километров в пространство, образуя солнечный ветер. Температура короны очень высокая - от 500000°С до 6 000 000°С и даже может достигать десятков миллионов градусов, во время солнечных вспышек.

Магнитное поле. Общее магнитное поле с характерными размерами, сравнимыми с размерами Солнца, имеет среднюю напряжённость на уровне фотосферы порядка нескольких гаусс (для сравнения на Земле напряженность составляет около 0,3 гаусс на Экваторе и 0,7 гаусс в полярных районах). Тем не менее, локальные поля Солнца отличаются значительно сильнее. Самые мощные магнитные поля (до нескольких тысяч гаусс) наблюдаются в группах солнечных пятен в максимуме солнечного цикла. Неоднородность в магнитном поле обуславливается тем, что Солнце вращается быстрее на экваторе, чем на более высоких широтах, а также тем, что внутренние части Солнца вращаются быстрее, чем поверхностные. Все эти особенности приводят к целому спектру явлений, начиная от тех же пятен и заканчивая захватывающими извержениями известными как вспышки и корональные выбросы массы. Вспышки самое мощное из всех явлений в Солнечной системе. Энергия большой солнечной вспышки достигает 1025 джоулей, что приблизительно в 100 раз превышает тепловую энергию, которую можно было бы получить при сжигании всех разведанных на Земле запасов нефти и угля. Выбросы корональной массы менее драматичные, но затрагивают огромные количества вещества. Один такой выброс уносит примерно 20 млрд. тонн вещества в космосе.

Химический состав. Как и большинство других звезд, Солнце состоит преимущественно из водорода, а затем гелия. Почти все оставшееся вещество состоит из семи элементов: кислорода, углерода, неона, азота, магния, железа и кремния. На каждый 1 миллион атомов водорода на солнце, есть 98000 гелия, 850 кислорода, 360 углерода, 120 неона, 110 азота, 40 магния, 35 железа, и 35 из кремния. Тем не менее, водород является самым легким из всех элементов, так что на него приходится лишь около 72 процентов от массы Солнца, а масса гелия составляет около 26 процентов.

Пятна на Солнце и солнечный цикл. Солнечные пятна - относительно холодные и темные образования на поверхности Солнца, часто неправильно круглой формы. Они возникают там, где плотные пучки силовых линий магнитного поля прорываются из недр Солнца на поверхность. Количество солнечных пятен изменяется при изменении солнечной магнитной активности. Изменение количества пятен - от минимума (нет ни одного пятна) до максимума (около 250 пятен или групп пятен), а затем обратно к минимуму, называют солнечным циклом, и составляет в среднем около 11 лет. В конце цикла, магнитное поле меняет свою полярность.

Наблюдение. Древние культуры часто приспосабливали природные скальные образования или строили каменные сооружения, чтобы отмечать движение Солнца и Луны, а также создавать графики сезонов, календари и наблюдать затмения. Многие считали, что Солнце вращается вокруг Земли. Так считал и древнегреческий астроном Клавдий Птолемей, который создал свою геоцентрическую модель в 150 году. В 1543 году, Николай Коперник описал гелиоцентрическую модель Солнечной системы, а последующее открытие Галилеем спутников Юпитера в 1610 году наглядно показало, что не все небесные тела обращаются вокруг Земли. Фактически первые внеатмосферные наблюдения Солнца были проведены вторым искусственным спутником Земли «Спутник-2» в 1957 году. В 1959 году опытным путем был обнаружен солнечный ветер с помощью ионных ловушек космических аппаратов «Луна-1» и «Луна-2». В период с 1962 по 1971 год НАСА запустило серию из восьми орбитальных обсерваторий. Наблюдения семи из них были успешными - было выполнено исследование Солнца в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазоне, а также получены фотографии его сверх горячей короны. В 1990 году НАСА и Европейское космическое агентство запустили космический аппарат Улисс для изучения Солнца со стороны полюсов. В 2004 году космический аппарат Генезис принес на Землю образцы солнечного ветра для изучения. В 2007 году два космических аппарата STEREO, миссия НАСА по изучению солнечной активности,передали первые трехмерные изображения Солнца (наблюдение Солнца велось одновременно с 2 разных точек земной орбиты, тем самым достигался стереоскопический эффект позволяющий получать трехмерные изображения структур и явлений на Солнце). Космический аппарат SOHO предназначен для изучения солнечного ветра, а также внешних слоев Солнца и внутреннего строения. Он имеет на борту 12 инструментов, позволяющих исследовать структуру солнечных пятен ниже поверхности, измерять ускорение солнечного ветра. С помощью него были открыты корональные волны и солнечные торнадо, а также обнаружены более 1000 новых комет. Недавно космическая обсерватория SDO (обсерватория солнечной динамики), самый продвинутый космический аппарат для изучения Солнца, передал подробные изображения, не наблюдавшегося ранее движения вещества внутрь и наружу солнечных пятен. Кроме того, с помощью данной обсерватории были получены высококачественные изображения активности на поверхности Солнца, включая солнечные вспышки в широком диапазоне длин волн.

4.Закрепление изученного.

Что представляет собой Солнце (плазменный шар). Самые распространенные химические элементы на Солнце (водород и гелий). Из каких слоёв состоит атмосфера Солнца (фотосфера, хромосфера и корона). Какие явления наблюдаются на Солнце (гранулы, тёмные пятна, факелы, протуберанцы, вспышки).

5.Домашнее задание: § 120, 122.

Урок 53 «Звезды и источники их энергии».

Дата:

Цели:

Образовательные: обеспечить формирование физических представлений о звездах.

Развивающие: развить умения образного мышления в виде представлений многих закономерностей и явлений, составляющих картину Мегамира.

Воспитательные: способствовать формированию в ходе урока основных мировоззренческих представлений о Вселенной.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Актуализация знаний.

1.Под каким углом с Земли на краю лунного диска можно увидеть гору высотой 6 км?

2.На краю лунного диска с Земли видна гора под углом 0,02°. Найти высоту горы, если угловой диаметр Луны 30°, а линейный 3468 км.

3.Изучение нового материала.

Звезды настолько далеки от нас, что кажутся светящимися точками. Мы не можем различить их размер или форму. Но, как заметил американский астроном Эдвин Хаббл, есть много различных типов звезд, и мы можем различать их по цвету испускаемого ими излучения. Ньютон обнаружил, что, если солнечный свет пропустить через трехгранную стеклянную призму, он разложится на составляющие цвета, подобно радуге. Относительная интенсивность различных цветов в излучении, испускаемом неким источником света, называется его спектром. Фокусируя телескоп на отдельной звезде или галактике, можно исследовать спектр испускаемого ими света.

Анализируя спектр излучения звезды, можно определить как ее температуру, так и состав атмосферы.

В 1860 году немецкий физик Густав Кирхгоф установил, что любое материальное тело, например звезда, будучи нагретым, испускает свет или другое излучение, подобно тому, как светятся раскаленные угли. Свечение нагретых тел обусловлено тепловым движением атомов внутри них. Это называется излучением черного тела (несмотря на то, что сами нагретые тела не являются черными). Спектр чернотельного излучения трудно с чем-нибудь перепутать: он имеет характерный вид, который изменяется с температурой тела. Поэтому излучение нагретого тела подобно показаниям термометра. Наблюдаемый нами спектр излучения различных звезд всегда похож на излучение черного тела, это своего рода извещение о температуре звезды.

Все тела - а не только звезды - испускают излучение вследствие теплового движения составляющих их микроскопических частиц. Распределение излучения по частоте характеризует температуру тела. Если внимательно изучить звездный свет, он сообщит нам еще больше информации. Мы обнаружим отсутствие некоторых строго определенных цветов, причем у разных звезд они будут разными. И поскольку мы знаем, что каждый химический элемент поглощает характерный для него набор цветов, то, сравнивая эти цвета с теми, что отсутствуют в спектре звезды, мы сможем точно определить, какие элементы присутствуют в ее атмосфере.

Более 90% видимого вещества Вселенной сосредоточено в звездах. Именно звезды и планеты были первыми объектами астрономических исследований. Однако процессы эволюции звезд и их внутреннее строение были поняты сравнительно недавно. Начальной точкой в создании теории строения звезд и процессов, протекающих в них, можно считать 1926 год - год выхода в свет книги А. Эддингтона «Внутреннее строение звезд».

Астроном-наблюдатель видит абсолютное большинство звезд даже в самые сильные телескопы в виде точечных источников света. Пожалуй, лишь диск нашего солнца позволяет реально наблюдать процессы, происходящие на поверхности звезды. В отличие от планет, из-за огромных расстояний, атмосферных флуктуаций, т.е. нарушения однородности и спокойствия атмосферы и других причин нельзя увидеть звезды в виде «реальных» дисков. Получается «ложное» изображение звезды, угловые размеры которой редко бывают меньше одной секунды дуги, а должны быть меньше одной сотой доли секунды дуги. Поэтому звезда даже в самый большой телескоп не может быть полностью изучена. Можно измерять только потоки излучения от звезд в разных участках спектра.

Основными характеристиками звезд являются: масса; радиус; абсолютная величина, характеризующая ее светимость; температура; спектральный класс.

Одна из основных характеристик звезды - светимость определяется, если известна видимая величина и расстояние до нее.

Очень важную информацию о звездах, об их химических свойствах, температуре дает изучение спектров звезд. Характерной особенностью звездных спектров является еще наличие у них огромного количества линий поглощения, принадлежащих различным элементам.

В 1900 г. американский астроном Пикеринг ввел понятие спектрального класса звезды. Спектральные классы звезд обозначаются буквами латинского алфавита O, В, А, F, G, К, М (знающие английский могут их легко запомнить с помощью шутливой мнемонической фразы: "O, Be A Fine Girl, Kiss Me"). Позднее перед классом А был добавлен класс W, а в конце добавлены дополнительные классы R, N, S. Эта система оказалась недостаточно точной, и астрономы разделили каждый интервал в этой последовательности еще на 10 частей - подклассов (например: наше Солнце - это звезда класса Gподкласса 2). Звезда, имеющая больший номер спектрального класса, имеет меньшую температуру поверхности. Таким образом, Солнце, по сравнению с классами O, В, А, F имеет «небольшую» температуру, но в своем классе G - оно является довольно горячей звездой. По цвету звезды можно оценить ее температуру. Так, звезды красного цвета (М) имеют температуру поверхности около 4000 К. Оранжевые звезды имеют более высокую температуру. Желтое солнце (G) нагрето уже до 6000 К, а горячие звезды с температурами больше 10 тыс. К видятся нам белыми и голубыми. Температуры звезд спектрального класса О достигают 40000-50000 К. Таким образом, спектральный класс звезды, или ее цвет, характеризует и ее температуру.

Очень важными характеристиками звезды являются ее радиус и масса. Масса оценивается обычно в долях от массы Солнца, например, 1,2 Мс, т.е. в 1,2 раза больше массы Солнца.

Диаграмма Герцшпрунга-Рессела. В 30-е годы 20-го века Герцшпрунг и Рессел обнаружили, что абсолютная величина звезды (светимость) и ее температура (спектр) определенным образом связаны между собой, т.е. если в системе координат «спектр - светимость» обозначать точками звезды с конкретными значениями этих величин, они будут ложиться на координатную плоскость в определенном порядке. Такое графическое представление зависимости абсолютной величины звезды или ее светимости от температуры или спектра получило название диаграммы Герцшпрунга-Рессела, или H - R -диаграммы.

Источником энергии звезд типа солнца является так называемая протон-протонная реакция - термоядерная реакция синтеза гелия из водорода, которая протекает при высоких температурах (порядка 1013 К). При таких температурах атомы теряют свои электронные оболочки и протоны (ядра водорода), благодаря так называемому туннельному эффекту, сталкивается с другим протоном, преодолевая силы кулоновского отталкивания - потенциальный энергетический барьер, окружающий его. При столкновении один из протонов превращается в нейтрон и, таким образом, рождается ядро тяжелого водорода - дейтерия с высвобождением позитрона е⁺ и нейтрино n: Н¹ + Н¹ → D² + e⁺ + n.

Далее, ядро дейтерия, соединяясь с протоном, образует ядро легкого изотопа гелия и гамма квант γ: D² + H¹ → He³ + γ.

Окончательная реакция - слияние ядер легкого гелия и высвобождение двух протонов:

Не³ + Не³ → Не⁴ + Н¹ + Н¹.

4.Закрепление изученного.

Назовите специальные единицы, использующиеся для оценки расстояний в мегамире. Кратко опишите строение Солнечной системы. Назовите особенности планет земной группы? Назовите особенности планет-гигантов? Дайте краткую характеристику Солнцу. Что подразумевается под понятием «солнечная активность»? Чему равен период солнечной активности? Чем обусловлено появление солнечных пятен, что они представляют из себя?

5.Домашнее задание: § 121.

Урок 54 «Современные представления о происхождении и эволюции Солнца, звезд, галактик».

Дата:

Цели:

Образовательные: объяснить происхождение и эволюцию галактик и звезд; сформировать современное представление о происхождении планет.

Развивающие: объяснить строение, происхождение и эволюцию Вселенной с точки зрения современной науки.

Воспитательные: способствовать формированию основных мировоззренческих представлений о Вселенной.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Актуализация знаний.

Игра «Третий лишний»:

1.Комета, Венера, Марс.

2.Юпитер, Нептун, Земля.

3.Луна, Деймос, Меркурий.

4.Нептун, Уран, Марс.

5.Меркурий, Венера, Земля.

3.Изучение нового материала.

Космогония - раздел астрономии, занимающийся проблемами происхождения и эволюции небесных тел. Космология развивается исходя из гипотез, подтверждаемых наблюдаемыми фактами и позволяющие предсказать новые открытия. Эволюция - изменения объекта, происходящие в течение жизни: от рождения до стадии угасания.

Небесные тела находятся в непрерывном движении и изменении. Десятки тысяч лет назад небо Земли украшали фигуры других созвездий, миллиарды лет назад вообще еще не было Земли, Луны, планет, Солнца, многих звезд и галактик. Когда и как именно они произошли, наука стремится выяснить, изучая небесные тела и их системы. Раздел астрономии, занимающийся проблемами происхождения и эволюции небесных тел, называется космогонией.

Современные научные космогонические гипотезы - результат физического, математического и философского обобщения многочисленных наблюдательных данных. В космогонических гипотезах в значительной мере находит свое отражение общий уровень развития естествознания. Дальнейшее развитие науки, обязательно включающее в себя астрономические наблюдения, подтверждает или опровергает эти гипотезы. Подтверждаются те гипотезы, которые не только могут объяснить известные из наблюдений факты, но и предсказать новые открытия.

Звезды возникали в ходе эволюции галактик. Большинство астрономов считают, что это происходило в результате сгущения (конденсации) облаков диффузной материи, которые постепенно формировались внутри галактик. Одна из исходных предпосылок такой гипотезы состоит в том, что, как показывают наблюдения, «молодые» звезды всегда тесно связаны с газом и пылью. Эти звезды и диффузная материя концентрируются в спиральных ветвях галактик. Местами наиболее интенсивного звездообразования считаются массы холодного межзвездного вещества, которые называются газово-пылевыми комплексами. Наиболее изученный газово-пылевой комплекс нашей Галактики находится в созвездии Ориона, он включает в себя туманность в Орионе, более плотные газово-пылевые облака и другие объекты. Представим себе холодное газово-пылевое облако. Силы тяготения сжимают его, оно принимает шарообразную форму. При сжатии будут возрастать плотность и температура облака. Возникнет будущая, рождающаяся звезда (протозвезда). Температура ее поверхности пока еще мала, но протозвезда уже излучает в инфракрасном диапазоне, а поэтому рождающиеся звезды можно попытаться обнаружить среди довольно многочисленных источников инфракрасного излучения. Поиски протозвезд (и протогалактик) сейчас ведутся на многих обсерваториях.

Одно из основных отличий протозвезды от звезды заключается в том, что в протозвезде еще не происходят термоядерные реакции, то есть в ней нет еще основного источника энергии обычных звезд. Термоядерные реакции начинаются, когда в процессе сжатия протзвезды температура ее недрах станет порядка 107 К. С этого времени стадия сжатия звезды прекращается: сила внутреннего давления газа теперь уже может уравновесить силу тяготения внешних частей звезды.

Стадия сжатия звезд, массы которых значительно больше массы Солнца, продолжается всего лишь сотни тысяч лет, а звезды, массы которых меньше солнечной, сжимаются сотни миллионов лет. Чем больше масса звезды, тем при большей температуре достигается равновесие. Поэтому у массивных звезд большие светимости.

Стадию сжатия сменяет стационарная стадия, сопровождающаяся постепенным «выгоранием» водорода. В стационарной стадии звезда проводит большую часть своей жизни. Именно в этой стадии эволюции находятся звезды, которые располагаются на главной последовательности диаграммы «спектр - светимость». Таких звезд больше всего. Время пребывания звезды на главной последовательности пропорционально массе звезды, так как от этого зависит запас ядерного горючего, и обратно пропорционально светимости, которая определяет темп расхода ядерного горючего. А поскольку светимость звезды пропорциональна примерно четвертой степени ее массы, то массивные звезды, массы которых в несколько раз больше массы Солнца, эволюционируют быстрее. Они находятся в стационарной стадии только несколько миллионов лет, а звезды, подобные Солнцу - миллиарды лет.

Когда весь водород в центральной области звезды превратится в гелий, внутри звезды образуется гелиевое ядро. Теперь уже водород будет превращаться в гелий не в центре звезды, а в слое, прилегающем к очень горячему гелиевому ядру. Пока внутри гелиевого ядра нет источников энергии, оно будет постепенно сжиматься и при этом еще более разогреваться. Когда температура внутри звезды превысит 1,5∙10⁷ К, гелий начнет превращаться в углерод (с последующим образованием все более тяжелых химических элементов). Светимость и размеры звезд будут возрастать. В результате обычная звезда постепенно превратится в красного гиганта или сверхгиганта. Многие звезды не сразу становятся стационарными гигантами, а некоторое время пульсируют, как бы проходя в своем развитии стадию цефеид.

Заключительный этап жизни звезды, как и вся ее эволюция, решающим образом зависит от массы звезды. Внешние слои звезд, подобных нашему Солнцу (но с массами, не большими 1,2 массы Солнца), постепенно расширяются и, в конце концов, совсем покидают ядро звезды. На месте гиганта остается маленький и горячий белый карлик. Белых карликов в мире звезд много. Это значит, что многие звезды превращаются в белых карликов, которые затем постепенно остывают, становясь «потухшими звездами».

Иная судьба у более массивных звезд. Если масса звезды примерно вдвое превышает массу Солнца, то такие звезды на последних этапах своей эволюции теряют устойчивость. В частности, они могут взорваться как сверхновые, обогащая межзвездную среду тяжелыми химическими элементами (которые образовались внутри звезды и во время ее взрыва), а затем катастрофически сжаться до размеров шаров радиусом в несколько километров, то есть превратиться в нейтронные звезды.

Внутри звезд в ходе термоядерных реакций может образоваться до 30 химических элементов, а во время взрыва сверхновых - остальные элементы периодической системы. Из обогащенной тяжелыми элементами межзвездной среды образуются звезды следующих поколений.

Если масса звезды вдвое превышает массу Солнца, то такая звезда, потеряв равновесие и начав сжиматься, либо превратится в нейтронную звезду, либо вообще не сможет достигнуть устойчивого состояния. В процессе неограниченного сжатия (коллапса) она, вероятно, способна превратиться в черную дыру. Такое название связано с тем, что могучее поле тяготения сжавшейся звезды не выпускает за ее пределы никакое излучение (свет, рентгеновские лучи и т.д.). Поэтому черную дыру нельзя увидеть ни в каком диапазоне электромагнитных волн.

Дальнейшее развитие науки покажет, какие из сегодняшних представлений о происхождении галактик и звезд окажутся правильными. Но нет сомнения в том, что звезды рождаются, живут, умирают, а не есть однажды созданные и вечно неизменные объекты Вселенной; звезды рождаются группами, причем процесс звездообразования продолжается в настоящее время.

4.Закрепление изученного.

Что такое космогония и ее отличие от космологии? Каковы основные этапы эволюции звезд? Какова судьба Солнца в будущем?

5.Домашнее задание: § 123-125.

Урок 55 «Жизнь и разум во Вселенной».

Дата:

Цели:

Образовательные: рассмотреть современные достижения в изучении Вселенной и роль астрономии в нашей современной жизни; проблемы внеземной цивилизации.

Развивающие: формирование умений работать с научно-популярной и справочной литературой, готовить доклады, выступать, дискутировать, отстаивать свою точку зрения.

Воспитательные: формирование научной картины мира и научного мировоззрения школьников, их экологическое и нравственное воспитание в ходе обсуждения материала о современном состоянии, путях и условиях развития земной цивилизации в ближайшем и отдаленном будущем.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Актуализация знаний.

Что представляет собой Солнечная система, что в неё входит? На какие группы поделены тела Солнечной системы? Перечислите характерные особенности планет земной группы и планет-гигантов, т.е. почему они так поделены? Какие тела относятся к малым телам Солнечной системы? Как можно отличить на звёздном небе астероид от звезды? Почему кометы называют хвостатыми звёздами? Почему хвосты комет обычно направлены в сторону, противоположную Солнцу?

3.Изучение нового материала.

Когда Земля еще только сконденсировалась, она была очень горячей и не имела атмосферы. Со временем она остыла и окуталась оболочкой газов, выделявшихся из скальных пород. Мы не смогли бы выжить в этой первичной атмосфере. Вместо кислорода в ней присутствовало множество других, ядовитых для нас, газов, например сероводород (которым пахнут тухлые яйца). Однако существуют некоторые примитивные формы жизни, процветающие именно в таких условиях. Вероятно, они развились в океанах в результате случайного соединения атомов в большие структуры, называемые макромолекулами, которые обладали способностью собирать другие атомы в океане в подобные же структуры. Таким образом, они воспроизводили самих себя и размножались. В некоторых случаях при воспроизведении случались ошибки. Как правило, получившаяся в результате новая макромолекула не могла воспроизводить себя и в конце концов разрушалась. Однако некоторые сбои приводили к появлению новых макромолекул, еще лучше репродуцирующих себя. Обладая подобным преимуществом, они успешно вытесняли исходные макромолекулы. Так было положено начало процессу эволюции, который привел к развитию все более сложных самовоспроизводящихся организмов. Первые примитивные формы жизни потребляли различные вещества, включая сероводород, и выделяли кислород. Это постепенно изменило состав атмосферы, приблизив его к нынешнему, и послужило предпосылкой для возникновения более высокоорганизованных форм жизни: рыб, рептилий, млекопитающих и, наконец, людей…

Современный образованный человек должен знать о проблемах, стоящих перед человечеством и о способах решения этих проблем, о дальнейших перспективах развития общественных отношений, науки и техники, всей цивилизации в целом. По мнению большинства ученых, одним из наиболее перспективных средств и способов сохранения и развития цивилизации Земли является совершенствование астрономических знаний и космонавтики для привлечения ресурсов и возможностей космического пространства для выхода человечества из энергетического и экологического кризиса.

Цивилизация - это общность разумных существ, использующих обмен информации, энергии, массы для выработки действий и средств, поддерживающих свою жизнь и прогрессивное развитие (В.С. Троицкий). Ноокосмология - комплексная наука, возникшая на стыке основных естественных, общественных и технических групп наук и использующая их знания, познавательные методы и средства для исследования эволюции космических цивилизаций, в число которых входит земное человечество.

Основными проблемами ноокосмологии являются: возникновение и развитие жизни, разума и космических цивилизаций на Земле и во Вселенной; обнаружение и установление контакта с внеземными цивилизациями; следствия контакта, влияние его на развитие цивилизаций и вопросы взаимосвязи и совместного развития космических цивилизаций (КЦ).
Исследования моделей возможной эволюции КЦ ведет к получению ценной информации о проблемах, встающих перед человечеством в ходе его дальнейшего развития.

4.Выступления учащихся (заранее подготовленные сообщения по теме урока).

5.Домашнее задание: § 126.

Урок 56 «Применимость законов физики для объяснения природы космических объектов».

Дата:

Цели:

Образовательные: раскрыть

Развивающие: формировать широту взглядов на физические явления, которые происходят вокруг нас.

Воспитательные: продолжить формирование познавательных интересов учащихся.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Актуализация знаний.

3.Изучение нового материала.

Большой взрыв

С развитием новых технологий и появлением превосходных космических телескопов мы стали то и дело узнавать о Вселенной удивительные вещи. И вот хорошая новость: теперь нам известно, что Вселенная продолжит в ближайшее время расширяться с постоянно возрастающей скоростью, а время обещает длиться вечно, по крайней мере для тех, кому хватит благоразумия не угодить в черную дыру. Но что же было в самые первые мгновения? Как начиналась Вселенная, и что заставило ее расширяться?

Четвертое измерение Вселенной - время, - как и пространство, имеет ограниченную протяженность. Оно подобно отрезку, имеющему два конца или две границы. Так что у времени есть конец и есть начало. Фактически все решения уравнений Эйнштейна, полученные для того количества материи, которое мы наблюдаем во Вселенной, имеют одну очень важную общую характеристику: некогда в прошлом (приблизительно 13,7 миллиарда лет назад) расстояние между соседними галактиками должно было равняться нулю. Другими словами, вся Вселенная была сжата в точку нулевого размера, сферу с нулевым радиусом. Плотность Вселенной и кривизна пространства-времени должны были тогда быть бесконечными. Этот момент мы называем Большим Взрывом.

Все наши космологические теории основаны на предположении, что пространство-время гладкое и почти плоское. Это означает, что все данные теории нарушаются в момент Большого Взрыва, ведь пространство-время бесконечной кривизны трудно назвать почти плоским! Таким образом, если что-то и предшествовало Большому Взрыву, оно не даст ключа к пониманию того, что случилось позже, потому что предсказуемость нарушается в момент Большого Взрыва. Аналогично, зная только то, что случилось после него, мы не можем определить, что было раньше. События, предшествовавшие Большому Взрыву, не могут иметь никаких последствий для нас и поэтому не должны приниматься в расчет при научном описании Вселенной. Мы должны исключить их из своей модели и считать, что Большой Взрыв был началом времени. Вопрос о том, кто создал условия для Большого Взрыва, и другие подобные вопросы не являются научными.

Еще одной бесконечной величиной во Вселенной нулевых размеров должна быть температура. Считается, что в момент Большого Взрыва Вселенная была бесконечно горячей. В процессе ее расширения температура излучения понижалась. И поскольку температура является мерой средней энергии - или скорости - частиц, охлаждение Вселенной должно было иметь серьезные последствия для материи. При очень высоких температурах стремительное движение частиц препятствовало их взаимному притяжению под действием ядерных или электромагнитных сил, но с понижением температуры частицы стали притягиваться и соединяться друг с другом. Даже типы существующих во Вселенной частиц зависят от ее температуры, а значит, и от возраста.

Через секунду после Большого Взрыва Вселенная расширилась достаточно, чтобы ее температура упала приблизительно до десяти миллиардов градусов Цельсия. Это в тысячу раз больше, чем в центре Солнца, но подобные температуры отмечались при взрывах водородных бомб. В то время во Вселенной присутствовали главным образом фотоны, электроны, нейтрино и их античастицы, а также гораздо меньшее число протонов и нейтронов. Тогда частицы обладали настолько высокой энергией, что, сталкиваясь, порождали множество различных пар частица-античастица. Например, столкновение фотонов могло породить электрон и его античастицу, позитрон. Некоторые из таких вновь возникших частиц, сталкиваясь со своими близнецами-античастицами, аннигилировали. Всякий раз, когда электрон встречается с позитроном, они уничтожаются, но обратный процесс не так прост. Для того чтобы две безмассовые частицы, такие как фотоны, могли породить пару частица-античастица, например электрон и позитрон, безмассовым частицам надо обладать некоторой минимальной энергией. Электрон и позитрон имеют массу, и эта вновь создаваемая масса должна порождаться энергией сталкивающихся частиц. Поскольку Вселенная продолжала расширяться и температура понижалась, столкновения частиц, обладающих достаточной энергией для рождения электрон-позитронных пар, случались все реже. Гораздо чаще происходило взаимоуничтожение пар. В конечном счете большая часть электронов и позитронов аннигилировали друг с другом, произведя большое количество фотонов и оставив относительно мало электронов. Нейтрино и антинейтрино, которые взаимодействуют между собой и с другими частицами очень слабо, уничтожали друг друга не так быстро. Они и сегодня должны еще присутствовать вокруг нас. Если бы мы могли наблюдать их, это послужило бы хорошим подтверждением для описанной выше картины горячей молодой Вселенной. К сожалению, энергия этих частиц в настоящее время слишком низка, чтобы наблюдать их непосредственно (хотя, возможно, их удастся обнаружить косвенно).

Приблизительно через сто секунд после Большого Взрыва Вселенная остыла до одного миллиарда градусов - температуры недр самых горячих звезд. В этих условиях энергии протонов и нейтронов уже недостаточно для преодоления сильного ядерного взаимодействия. Они начинают сливаться, образуя ядра дейтерия (тяжелого водорода), которые содержат один протон и один нейтрон.

Ядра дейтерия могут затем, присоединяя протоны и нейтроны, превратиться в ядра гелия, состоящие из пары протонов и пары нейтронов, а также породить некоторое количество ядер двух более тяжелых элементов - лития и бериллия. Можно подсчитать, что согласно теории горячей Вселенной около четверти протонов и нейтронов объединяются в ядра гелия при сохранении небольшого количества тяжелого водорода и других элементов. Остальные нейтроны в результате распада превращаются в протоны - ядра обычных атомов водорода.

Эта картина горячей Вселенной была впервые предложена Джорджем Гамовым в известной работе, написанной в 1948 г. в соавторстве с его учеником Ральфом Альфером. Гамова отличало недюжинное чувство юмора: он добавил к списку авторов имя ученого-ядерщика Ханса Бете, чтобы получилось: Альфер, Бете, Гамов, наподобие первых трех букв греческого алфавита (альфа, бета, гамма), - очень уместно для статьи о зарождении Вселенной. В упомянутой работе авторы сделали замечательное предсказание, что излучение (в форме фотонов), возникшее на начальных, горячих стадиях развития Вселенной, должно сохраниться до наших дней, но его температура должна быть всего на несколько градусов выше абсолютного нуля.

Именно это микроволновое излучение обнаружили Пензиас и Вильсон в 1965 году. Когда Альфер и Гамов опубликовали свою статью, о ядерных реакциях между протонами и нейтронами было известно довольно мало. Поэтому предсказания соотношений различных элементов в ранней Вселенной оказались довольно приблизительными. Впоследствии, когда вычисления были повторены с учетом новых, более точных, данных, оказалось, что результаты очень хорошо согласуются с наблюдениями. Остается добавить, что весьма трудно найти другое объяснение тому, почему именно четверть массы Вселенной приходится на долю гелия.

И все же описанная картина порождает ряд проблем. Продолжительность ранних этапов эволюции в модели Большого Взрыва недостаточна для того, чтобы тепло успело распространиться из одной области горячей Вселенной в другую. Это означает, что в начальном состоянии Вселенная должна была во всех местах иметь строго одинаковую температуру, - иначе никак не объяснить одинаковую температуру микроволнового фона во всех направлениях. Кроме того, начальная скорость взрыва должна была оказаться очень точно подобранной, чтобы расширение шло на самой грани критического режима, еще позволяющего избежать схлопывания. Очень трудно объяснить, почему

Пытаясь найти модель Вселенной, в которой множество различных начальных состояний могло развиться во что-то подобное существующему мирозданию, ученый из Массачусетского технологического института Алан Гут предположил, что ранняя Вселенная могла пройти через период очень быстрого расширения. Это расширение называют «инфляцией», подразумевая, что Вселенная в тот период расширялась с нарастающей скоростью. Согласно Гуту радиус Вселенной за ничтожно малую долю секунды увеличился в миллион миллионов миллионов миллионов миллионов (единица с тридцатью нулями) раз. Любые неоднородности во Вселенной просто разгладились вследствие этого расширения, как морщины на раздувающемся воздушном шаре. Таким образом, инфляционная теория объясняет, как нынешнее, гладкое и однородное, состояние Вселенной могло развиться из самых разных неоднородных изначальных состояний.

Вся эта первоначальная суматоха Большого Взрыва завершилась спустя всего несколько часов формированием ядер гелия и некоторых других элементов, таких как литий. Затем около миллиона лет Вселенная просто продолжала расширяться и ничего существенного не происходило. Наконец температура понизилась до нескольких тысяч градусов. Кинетическая энергия электронов и ядер стала недостаточной для того, чтобы преодолевать силу электромагнитного притяжения, и они начали объединяться в атомы.

Вселенная в целом продолжала бы расширяться и остывать, но в областях, где плотность была чуть выше средней, расширение дополнительно тормозилось гравитационным притяжением избыточного вещества. Под действием этого притяжения расширение в этих областях Вселенной остановилось, уступив место сжатию (коллапсу). По ходу коллапса тяготение окружающего вещества могло придать этим областям едва заметное вращение. При стягивании коллапсирующей области ее вращение ускоряется, подобно тому как фигурист начинает быстрее кружиться на льду, когда прижимает к себе руки. Наконец, когда размеры такой области становились достаточно малыми, ее вращение ускорялось настолько, что могло сбалансировать гравитацию. Так образовались вращающиеся спиральные галактики. Другие области Вселенной, избежавшие вращения, стали овальными объектами, которые называют эллиптическими галактиками. В таких областях коллапс приостанавливается устойчивым обращением отдельных частей галактики вокруг ее центра, в то время как вся звездная система в целом не вращается.

Со временем водородно-гелиевый газ в галактиках должен был распадаться на небольшие облака, которые коллапсировали под действием собственного тяготения. При сжатии атомы в них сталкивались и температура газа росла, пока не достигала величины, необходимой для начала реакций ядерного синтеза. Эти реакции преобразуют водород в гелий и похожи на управляемый взрыв водородной бомбы. Выделяемое при этом тепло заставляет звезды светиться. Это тепло также увеличивает давление газа, пока это последнее не приходит в равновесие с силами тяготения. В результате газ перестает сжиматься. Примерно так газовые облака становятся звездами, подобными нашему Солнцу, которые сжигают водород, превращая его в гелий, и излучают высвободившуюся энергию в форме тепла и света. Они обнаруживают отдаленное сходство с воздушным шаром, в котором внутреннее давление воздуха на стенки, заставляющее шар расширяться, уравновешивается упругостью резиновой оболочки, стремящейся уменьшить размер шара.

О Начале Времени

Описанная картина Вселенной основана на общей теории относительности. Она согласуется со всеми современными наблюдениями. Однако математика в действительности не может оперировать бесконечными числами, поэтому, утверждая, что Вселенная началась с Большого Взрыва, общая теория относительности тем самым предсказывает, что во Вселенной есть точка, где сама эта теория перестает работать. Подобная точка - пример того, что математики называют сингулярностью. Когда теория предсказывает сингулярности типа бесконечной температуры, плотности и кривизны, это свидетельствует о том, что она должна быть как-то изменена. Общая теория относительности - неполная теория, поскольку она не объясняет, как появилась Вселенная.

Двадцатый век изменил взгляды человека на Вселенную. Мы поняли, какое скромное место занимает наша планета в необъятности Вселенной; обнаружили, что время и пространство искривлены и неотделимы друг от друга; открыли, что Вселенная расширяется и что она имела начало. Однако мы также убедились, что, рисуя новую картину крупномасштабной структуры Вселенной, общая теория относительности терпит неудачу при описании начала времен.

Двадцатое столетие также вызвало к жизни и другую великую частную физическую теорию - квантовую механику. Она имеет дело с явлениями, которые происходят в очень маленьких масштабах. Концепция Большого Взрыва говорит, что, по-видимому, зарождающаяся Вселенная была настолько мала, что, даже изучая ее «крупномасштабную структуру», нельзя пренебрегать эффектами квантовой механики, важными в микроскопических масштабах. И сегодня самые большие надежды в части окончательного постижения Вселенной мы возлагаем на объединение этих двух частных теорий в единую квантовую теорию гравитации. Далее будет показано, что объединение общей теории относительности с принятым в квантовой механике принципом неопределенности делает возможным существование конечного пространства и времени, не имеющего никаких пределов или границ. И возможно также, что обычные физические законы действуют повсеместно, в том числе и в начале времен, не приводя ни к каким сингулярностям.

4.Закрепление изученного.

5.Домашнее задание: упр. 15. (1-2).

Урок 57 Лабораторная работа №10 «Моделирование траекторий космических аппаратов с помощью компьютера».

Дата:

Упр 15 (3-4)

Урок 58 «Единая физическая картина мира. Фундаментальные взаимодействия. Физика и научно-техническая революция. Физика и культура».

Дата:

Цели:

Образовательные: раскрыть основные свойства кристаллических и аморфных тел; показать различие в их строении и свойствах.

Развивающие: формировать широту взглядов на физические явления, которые происходят вокруг нас.

Воспитательные: продолжить формирование познавательных интересов учащихся.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку. Определение отсутствующих. Требование к уроку.

2.Актуализация знаний.

3.Изучение нового материала.

4.Закрепление изученного.

5.Домашнее задание: § 127.

Урок 59

Дата:

Урок 60

Дата:

Урок 61

Дата:

Урок 62

Дата:

Урок 63

Дата:

Урок 64

Дата:

Урок 65

Дата:

Урок 66

Дата:

Урок 67

Дата:

Урок 68

Дата: