Изучение дисперсии света в 11-м классе

Силантьева Татьяна Леонидовна, учитель физики

Статья отнесена к разделу: Преподавание физики

Этот урок проводится в конце изучения темы "волновые свойства света"

Цели.

А. Учащиеся должны усвоить:

1. Пучок белого света, при прохождении через вещество, имеющее преломляющий угол, разлагается на пучки различной цветности. Это явление называется дисперсией света.

2. При падении на границу раздела двух сред световые пучки разной цветности преломляются по-разному: красные - меньше, а фиолетовые - больше.

3. Объективная характеристика цветности - частота электромагнитной волны.

Б. Учащиеся должны научиться:

1. Создавать понятие "дисперсия света".

2. Распознавать дисперсию света среди других явлений.

3. Воспроизводить дисперсию света в конкретной ситуации.

С. Учащиеся должны убедиться:

1. Те представления о физических явлениях, которые возникают в нашем сознании в результате их изучения, соответствуют действительности, т. е. являются отражением объективно существующего мира.

2. Органы чувств дают лишь ограниченную информацию о свойствах материальных объектов.

3. Человеческий разум способен открывать такие свойства объектов, которые не обнаруживаются простым наблюдением.

4. Воспитание чувства прекрасного путём использования межпредметных связей физика + литература + живопись.

Этап актуализации знаний.

Звучит музыка из оперы П. И. Чайковского "Иоланта".

Преподаватель. Сегодня на уроке мы закончим изучение волновых свойств света и выясним, какова роль света в жизни человека. Свет.…Такое короткое и в тоже время ёмкое слово.

Чудный дар природы вечной,
Дар бесценный и святой,
В нём источник бесконечный
Наслажденья красотой.

Это слова из гимна свету, прозвучавшего в опере П. И. Чайковского "Иоланта". Свет… Такое короткое, но ёмкое слово. Без света немыслима жизнь человека. Поэтому вопрос о том, что такое свет, возник сразу, как только человек начал размышлять об окружающем его мире. XVII век положил начало представлениям о природе света. Достаточно назвать некоторых учёных, которые внесли огромный вклад в развитие учения о природе света: Ньютон, Гюйгенс, Юнг, Френель, Максвелл, Лебедев, Вавилов. Обратите внимание на слова, написанные на доске:

Пусть три столетья минуло с тех пор,
Ещё не разрешился этот спор.
Один сказал, что свет - это волна,
Подобна механической она.
Другой сказал, что свет - поток частиц.
В любой среде не знает он границ.
Свет твоего окна - он квант или волна?

Преподаватель. Назовите учёных, которые придерживались квантовой природы света?

Ученики. Ньютон, Планк, Вавилов.

Преподаватель. Кто из учёных придерживался волновой структуры света?

Ученики. Гюйгенс, Френель, Юнг, Лебедев.

Преподаватель. Какие открытия были сделаны русскими учёными Лебедевым и Вавиловым?

Ученики. Краткое сообщение об этих учёных и их открытиях.

Преподаватель. Сегодня мы будем говорить о волновых свойствах света. Какие свойства света вы уже знаете?

Ученики. Называют и на доске открывают свойства, написанные на листах, раскрашенных в цвета радуги.

Получается диаграмма (одно свойство закрыто).

Мотивационный этап.

Преподаватель. У нас осталось не открытым одно свойство. Давайте попробуем обнаружить его экспериментально. Используя известные свойства света, получите изображение нити лампочки от карманного фонаря с помощью собирающей линзы.

Ученики. Работают в группах (6 групп). На партах лампочка на подставке, батарейка, линза и экран. Получают изображение нити лампочки и делают вывод: изображение имеет радужную окраску.

Преподаватель. Можно ли объяснить это явление известными вам свойствами света?

Ученики. Нет.

Этап создания нового знания.

Преподаватель. Чтобы изучить это явление необходимо выяснить, только ли проходя через линзу, белый свет окрашивается?

Демонстрируется опыт по разложению света на спектр с помощью проекционного аппарата, используя призмы из флинтгласа и кронгласа, призму прямого зрения. Какой вывод можно сделать?

Ученики. Разложение света на цвета происходит при прохождении его через прозрачное вещество.

Преподаватель. Посмотрите через скошенные грани плоскопараллельной пластинки на лампочку. Есть ли окраска?

Ученики. Да.

Преподаватель. Если смотреть на свет через плоские стороны пластинки?

Ученики. Нет.

Вывод: При прохождении света через вещество, имеющее преломляющий угол происходит разложение света на цвета.

Преподаватель. Теперь проверим, будет ли разлагаться на цвета свет, имеющий окраску.

Для этого проведём эксперимент. Между призмой и экраном ставим экран со щелью, сквозь которую проходит красный свет. Далее помещаем вторую призму и наблюдаем, что этот свет не раскладывается на цвета. Такой свет назвали монохроматическим.

Ученики. Только белый свет при прохождении через вещество, имеющее преломляющий угол, раскладывается на цвета.

Преподаватель. Введём название этого явления и дадим ему определение.

Дисперсией называется явление разложения света на цвета при прохождении света через вещество, имеющее преломляющий угол.

Дополним это определение, используя теорию Максвелла. Согласно этой теории , так как = 1 у большинства сред, то .

Также v=c/n. Следовательно, скорость света в веществе зависит от постоянных величин этого вещества (,n). Кроме того, скорость распространения света зависит от длины волны или частоты света. Значит, показатель преломления среды зависит от длины (частоты) света. Это и есть дисперсия по определению Максвелла.

Этап закрепления материала.

Преподаватель. Итак, мы изучили все волновые свойства света. Давайте выясним, где и когда в жизни мы используем эти свойства. Во многих отраслях естествознания цвет служит важным диагностическим признаком. Имея точную его характеристику, легче определять виды растений, животных, минералов. Огромное значение свет и цвет имеют в изобразительном искусстве.

Преподаватель. Обратите внимание на картины известных художников (картины Левитана "Золотая осень", Джогина "Закат Солнца", Айвазовского "Радуга", Шишкина "Утро в сосновом бору"), которые представлены на доске. Какие цвета вы видите? Только ли те, которые входят в состав белого?

Ученики. Нет. На картинах использовались пурпурные, малиновые цвета.

Преподаватель. Как можно получить такие цвета?

Ученики. Путём смешивания различных цветов получают различные оттенки.

Преподаватель. Мы выяснили, что белый свет состоит из семи цветов. Какой цвет мы получим при сложении этих цветов?

Демонстрируется опыт по сложению цветов с помощью диска Ньютона.

Ученики. При сложении цветов мы получаем белый свет.

Преподаватель. Посмотрите на доску. Перед вами схема трёх основных цветов (рисунок 1).

Красный, жёлтый и синий - наиболее чистые цвета, ибо их нельзя получить смешением других цветов. Из них же, напротив, можно получить все остальные цвета. Три вторичных цвета получаются путём смешивания основных: красный и жёлтый в смеси дают оранжевый, жёлтый с синим, дают зелёный, синий с красным дают пурпурный. Цвета, противолежащие на цветовом круге, называются дополнительными (Дополнительный к зелёному - красный и т. д.), в смеси, с которыми они дают белый цвет.

Преподаватель. Вернёмся к картинам. Обратите внимание на окраску неба во время заката Солнца и днём. Как объяснить различия в окрасе неба? Для этого необходимо использовать закон Релея, согласно которому рассеяние света в среде обратно пропорционально четвёртой степени длины световой волны. Этот закон полностью применим к чистому воздуху. Причём, красный цвет будет более насыщенным, если толщина слоя будет больше. Напротив, синий или голубой цвет более насыщен, когда рассеивающий слой более тонок.

Ученики. При прохождении через атмосферу синие и фиолетовые лучи ослабляются сильнее, чем красные и оранжевые. Поэтому при закате небо окрашивается в красные цвета. Голубой цвет неба наиболее насыщен в зените, где луч зрения встречает наиболее тонкий слой воздуха. На самом горизонте, где толща воздуха максимальна, небо выглядит чуть голубоватым или даже белым.

Преподаватель. Наблюдали ли вы, когда-нибудь, радугу? Объясните её происхождение. Почему радуга имеет форму дуги?

Ученики. Радуга возникает вследствие дисперсии солнечных лучей в капельках воды. В каждой капельке луч испытывает многократное внутреннее отражение, но при каждом отражении часть энергии выходит наружу. Поэтому чем больше внутренних отражений испытывают лучи в капле, тем слабее радуга. Наблюдать радугу можно, Если Солнце находится позади наблюдателя. Поэтому самая яркая, первичная радуга формируется из лучей, испытавших одно внутреннее отражение. Они пересекают падающие лучи под углом около 42⁰. Геометрическим местом точек, расположенных под углом 42⁰ к падающему лучу, является конус, воспринимаемый глазом в его вершине как окружность. При освещении белым светом будет получаться цветная полоса, причём красная дуга всегда выше фиолетовой.

Преподаватель. Опыт с диском Бенхэма (рисунок 2).Чередование чёрных и белых полосок моделирует разложение световых волн. Найдите объяснение этому явлению дома.

Преподаватель. В чём мы сегодня убедились?

Ученики. Опыт - источник знаний, органы чувств дают лишь ограниченную информацию о свойствах объектов.

Преподаватель. Теперь задания по группам.

1. Почему дисперсионный спектр белого света, полученный при его пропускании через стеклянную призму, сжат в красной части и растянут в фиолетовой? (Ответ. Показатель преломления стекла в области коротких волн при изменении длины волны излучения изменяется быстро, а в области длинных волн - медленно).

2. Зелёный пучок цвета переходит из воздуха в воду. Меняются ли при этом его частота, длина волны, цвет? (Ответ. Длина волны в воде в n раз меньше, чем в воздухе. Частота волны и, следовательно, цвет пучка не изменяются).

3. На пути белого пучка поставили красный и зелёный светофильтры, один за другим. Что получится на выходе? (Ответ. Красный светофильтр пропускает только красный свет, а зелёный его поглощает, следовательно, на выходе света не будет вообще).

4. Почему цвет картин или другим материалов при дневном и электрическом освещении различен? (Ответ. Цвет определяется отражённым излучением, а его состав зависит от состава падающего излучения).

5. Почему в комнате с тёмными обоями темно, а со светлыми светло? (Ответ. Тёмные обои поглощают свет сильнее, чем светлые).

6. Почему при точном определении показателя преломления вещества пользуются не белым светом, а монохроматическим? (Ответ. Коэффициенты преломления лучей различного цвета неодинаковы из-за дисперсии).

Домашнее задание.

§ 37. Объяснить эффект окрашивания диска Бенхэма.