Дифракция света. Дифракционная решетка. Урок физики в 11 классе с применением моделей Открытая физика 2. 5

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

Слова из гимна свету,
прозвучавшего в опере
П. И. Чайковского "Иоланта".

Тема урока: Дифракция света. Дифракционная решетка.

Цель урока: Продолжить формирования представлений о волновой природе света, изучить особенности дифракции света.

Задачи урока:

Обучающая: ввести понятия дифракции света, показать причинно-следственную связь между интерференцией и дифракцией, где наблюдается данное явление в природе, условие наблюдения дифракции. Объяснить закон прямолинейного распространения света с помощью принципа Гюйгенса-Френеля. Рассмотрение дифракции света на различных препятствиях, определить границы применимости геометрической оптики. Познакомить учащихся с устройством дифракционной решетки и способом измерения с ее помощью длины световой волны.

Развивающая: в целях развития научного мировоззрения сформировать у учащихся представление о дифракции, как о явлении подтверждающем волновую теорию света, показать универсальность понятий интерференции, дифракции, дисперсии для любых волновых процессов, Развивать навыки работы с различными компьютерными программами.

Воспитательная: знакомство с научной работой Томаса Юнга; соотношения теории и опыта при становлении волновой теории света. Продолжить формировать навыки самостоятельной работы, выдвигать гипотезы, принимать решения.

№ п/п

Этапы урока

Время, мин

Приемы и методы

Организационный момент

1

Актуализация знаний.

4

Доклад «Исследователи света и цвета»

Фронтальный опрос

Изучение нового материала.

Дифракция механических волн.

Принцип Гюйгенса.

3

Дифракция волн в волновой ванне

Опыт Юнга.

Принцип Гюйгенса-Френеля. Прямолинейное распространение света.

6

Опыт Юнга

Модель «Интерференционный опыт Юнга»

Дифракционные картины от различных препятствий.

7

Демонстрационный эксперимент дифракции на щели и тонкой проволочки.

Модель «Дифракция света»

Границы применимости геометрической оптики

3

Лекция. Записи в тетрадь.

Дифракционная решетка.

Формула решетки.

6

Фронтальный эксперимент с дифракционной решеткой и компакт-диском

Измерение длины волны света лазерной указки.

3

Демонстрационный эксперимент

Закрепление изученного материала с помощью компьютерных моделей и ЭОР

Работа на компьютере с рабочими листами

5

Модели: «Интерференционный опыт Юнга» «Дифракция света» «Дифракционная решетка»

Работа на компьютере с ЭОР

5

«Дифракционная картина от различных препятствий»

Подведение итогов урока. Оценки. Объяснение домашнего задания

2

Беседа.

Техническое оснащение: Компьютерный класс с установленным программным обеспечением: «Открытая физика 2.5», ЭОР, проектор, экран, звуковые колонки, лазерная указка, дифракционные решетки, компакт-диски, щель и тонкая проволочка на подставке

1. Организационный момент.

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?

2. Актуализация знаний.

Доклад «Исследователи света и цвета» (ученик делает небольшое сообщение об исследователях света и показывает на географической карте места их происхождения)

Часто волна встречает на своем пути небольшие ( по сравнению с ее длиной) препятствия. Соотношение между длиной волны и размером препятствия определяет в основном поведение волны. Когда размеры препятствий малы, волна, огибая края препятствий, смыкаются над ними. Способностью огибать препятствия обладают и звуковые волны. Вы можете слышать сигнал машины за углом дома, когда самой машины не видно. Это явление называется дифракцией. Тема сегодняшнего урока: «Дифракция света».

Изучения нового материала

3. Дифракция механических волн. Принцип Гюйгенса.

Дифракция волн в волновой ванне. (видеофрагмент)

Дифракция - отклонение от прямолинейного распространения огибание волной препятствий. Наиболее отчетливо проявляется, когда размеры препятствий меньше длины волны или сравнимы с ней.

Сформулируйте принцип Гюйгенса.

Принцип Гюйгенса: каждая точка поверхности, достигнутая волной, является источником вторичным волн. Огибающая вторичных волн, становится волновой поверхностью в следующий момент времени.

4. Опыт Юнга. Принцип Гюйгенса-Френеля.
Прямолинейное распространение света.

Если свет представляет собой волновой процесс, то наряду с интерференцией должна наблюдаться и дифракция света.

Интерференция и дифракция - явления, подтверждающие волновую природу света.

Опыт Юнга(видеофрагмент)

Пропуская тонкий пучок света через маленькое отверстие, можно наблюдать нарушение закона прямолинейного распространения света.

В 1802 г. Т. Юнг реализовал первый вариант этого опыта. «Я сделал маленькую дырочку в оконной ставне и покрыл ее куском толстой бумаги, которую я проколол тонкой иглой. На пути солнечного луча я поместил бумажную полоску шириной около одной тридцатой дюйма и наблюдал ее тень или на стене или на перемещаемом экране. Рядом с цветными полосами на каждом краю тени сама тень была разделена одинаковыми параллельными полосами малых размеров, число полос зависело от расстояния, на котором наблюдалась тень, центр тени оставался всегда белым. Эти полосы были результатом соединения частей светового пучка, прошедших по обе стороны полоски и инфлектировавших, скорее дифрагировавших, в область тени». Т. Юнг доказал правильность такого объяснения, устраняя одну из двух частей пучка. Интерференционные полосы при этом исчезали, хотя дифракционные полосы оставались.

Дифракция световых волн обуславливает отклонение от закона прямолинейного распространения света. По законам геометрической оптики, свет должен проходить через отверстие прямолинейно, однако, опыт показывает, что свет способен огибать непрозрачные препятствия, проникая в область геометрической тени.

Модель «Интерференционный опыт Юнга»

Огюстен Френель заложил основы волновой оптики, дополнив принцип Гюйгенса идеей интерференции вторичных волн, он построил количественную теорию дифракции.

Принцип Гюйгенса-Френеля: волновая поверхность в любой момент времени представляет собой не просто огибающую вторичных волн, а результат их интерференции.

5. Дифракционные картины от различных препятствий.

Демонстрационный эксперимент дифракции на щели и тонкой проволочки.

Модель «Дифракция света»

Любопытный случай произошел на заседании Французской академии наук в 1818 г. Один из ученых, присутствовавших на заседании, обратил внимание на то, что из теории Френеля вытекают факты, явно противоречащие здравому смыслу. При определенных размерах отверстия и определенных расстояниях от отверстия до источника света и экрана в центре светлого пятна должно находиться темное пятнышко. За маленьким непрозрачным диском, наоборот, должно находиться светлое пятно в центре тени. Каково же было удивление ученых, когда поставленные эксперименты доказали, что так и есть на самом деле. Это пятно получило название пятно Пуассона.

6.Границы применимости геометрической оптики.

Разрешающая способность микроскопа и телескопа.

Волновая природа света ограничивает возможность различения деталей предмета или очень мелких предметов при наблюдении с помощью микроскопа. Дифракция не позволяет получить отчетливые изображения мелких предметов, так как свет распространяется не строго прямолинейно, а огибает предметы. Из-за этого изображения получаются «размытыми». Это происходит, когда линейные размеры предметов сравнимы с длиной световой волны.

Дифракция налагает также предел на разрешающую способность телескопа. Вследствие дифракции волн изображением звезды будет не точка, а система светлых и темных колец. Если две звезды находятся на малом угловом расстоянии друг от друга, то эти кольца налагаются друг на друга и глаз не в состоянии различить, имеются ли две светящиеся точки или одна. Предельное угловое расстояние между светящимися точками, при котором их можно различать, определяется отношением длины волны к диаметру объектива.

Этот пример показывает, что дифракция происходит всегда, на любых препятствиях. Ею при очень тонких наблюдениях нельзя пренебрегать и для препятствий, по размеру значительно больших, чем длина волны.

Дифракция света определяет границы применимости геометрической оптики. Огибание светом препятствий налагает предел на разрешающую способность важнейших оптических инструментов - телескопа и микроскопа.

7. Дифракционная решетка. Формула решетки.

Приборы, с помощью которых получают и исследуют спектры, называются спектральными приборами.(Призма)

В спектральных приборах высокого класса вместо призм применяются дифракционные решетки. Решетки представляют собой периодические структуры, выгравированные специальной делительной машиной на поверхности стеклянной или металлической пластинки. У хороших решеток параллельные друг другу штрихи имеют длину порядка 10 см, а на каждый миллиметр приходится до 2000 штрихов. В качестве дифракционной решетки может быть использован кусочек компакт-диска или даже осколок граммофонной пластинки.

Учащимся раздаются дифракционные решетки и компакт-диски и они наблюдают дифракционные спектры.

Используя рисунок учебника, выводят формулу решетки

8. Измерение длины волны света лазерной указки.

Учащиеся определяют тангенс угла отклонения для максимума первого порядка tgφ=34/500=0,068

Один из учеников на инженерном калькуляторе определяет
arctgφ= 3,89 ⁰ 3,89 ⁰<5⁰ 

вместо синусов можно использовать тангенс и для максимума первого порядка =d tgφ =10^-5·0,068=0,68 мкм=680 нм

9. Работа на компьютере с рабочими листами

Для каждого ученика рабочий лист на отдельном листе

Рабочий лист Модель «Интерференционный опыт Юнга»
Фамилия, имя, класс ________________________________________________

1. Пронаблюдайте опыт Юнга.

2. Зависимость ширины интерференционных полос от длины волны света.
   Ответ: при увеличении длины волны ширина интерференционных полос__________________________

3. Не меняя длину волны света, пронаблюдайте зависимость ширины интерференционных полос от расстояния между щелями.
   Ответ: при увеличении расстояния между щелями ширина интерференционных полос __________________________.

4. Изменяя длину волны света, пронаблюдайте результат интерференции в центре экрана. Объясните данный результат.
   Ответ: при любых длинах волн в центре экрана наблюдается______________ . Объяснить это можно тем, что в данном опыте разность хода лучей в центре ________________________________, следовательно, всегда в центре выполняется условие_______________________.

Модель «Дифракция света»

1. Зависит ли дифракционная картина от размеров препятствий? Ответ: _________.

2. Зависит ли дифракционная картина от длины световой волны? Ответ: _________.

3. От чего зависит размеры пятна Пуассона в центре дифракционной картины от шарика?
   Ответ: Чем_____________ размеры шара, тем ______________ пятно Пуассона

Модель«Дифракционная решетка»

1. Выберите минимальный период решетки. Меняя длину волны света, посмотрите, как меняется расположение максимумов света на экране.
   Ответ: с увеличением длины волны расстояние между максимумами _____________________.

2. Изменяя период решетки, определите, как меняется расположение максимумов света на экране.
   Ответ: при увеличении периода решетки расстояние между максимумами ________________________

3. Сравните дифракционный угол для синего и красного света.
   Ответ: для красного света дифракционный угол_______________, чем для синего.

4. Что происходит с количеством штрихов на решетке при увеличении периода решетки?
   Ответ: количество штрихов при увеличении периода решетки _________________

5. Какую дифракционную решетку, с 10 или 100 штрихами, лучше использовать как спектральный прибор? Почему?
   ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

10. Работа на компьютере с ЭОР. Модуль «Дифракционная картина от различных препятствий»

Во время выполнения теста учитель проверяет рабочие листы

11. Подведение итогов урока.

Сегодня мы с вами познакомились с волновым свойством света- дифракцией.

Нет отдельно интерференции и отдельно дифракции - это единое явление, но в определённых условиях больше выступают интерференционные, в других - дифракционные свойства света.

Оценки.

Домашнее задание. §71, повт.§68-70. Лабораторная работа «Измерение длины световой волны»