- узагальнити знання по темі "Інтерференція і дифракція світла";
- продовжити формування експериментальних умінь і навичок учнів;
- застосувати теоретичні знання для пояснення явищ природи;
- сприяти формуванню інтересу до фізики і процесу наукового пізнання;
- сприяти розширенню кругозору учнів, розвитку вміння робити висновки за результатами експерименту.
- лампа з прямою ниткою розжарення (одна на клас);
- кільце дротове з ручкою (роботи №1,2);
- стакан з мильним розчином (роботи №1,2);
- пластинки скляні (40 х 60мм) по 2 штуки на один комплект (работа№3) (саморобний обладнання);
- штангенциркуль (робота №4);
- тканину капронова (100 х 100мм, саморобний обладнання, робота №5);
- грамплатівки (4 і 8 штрихів на 1мм, робота №6);
- компакт-диски (робота №6);
- фотографії комах і птахів (робота №7).
I. Актуалізація знань по темі "Інтерференція світла" (повторення вивченого матеріалу).
Учитель. Перед виконанням експериментальних завдань повторимо основний матеріал.
Яке явище називають явищем інтерференції?
Для яких хвиль характерно явище інтерференції?
Дайте визначення когерентних хвиль.
Запишіть умови інтерференційних максимумів і мінімумів.
Чи дотримується закон збереження енергії в явищах інтерференції?
Учні (передбачувані відповіді):
- Інтерференція - явище характерне для хвиль будь-якої природи: механічних, електромагнітних. "Інтерференція хвиль - додавання в просторі двох (або декількох) хвиль, при якому в різних його точках виходить посилення або ослаблення результуючої хвилі". [8, стр.223]
- Для утворення стійкої інтерференційної картини необхідні когерентні (узгоджені) джерела хвиль.
- когерентність називаються хвилі, що мають однакову частоту і постійну різницю фаз.
- На дошці учні записують умови максимумів і мінімумів.
Амплітуда результуючого зміщення в точці С залежить від різниці ходу хвиль на відстані d2 - d1.
рісунок1 [7] - умови максимумів
Рисунок2 [7] - умови мінімумів
де k = 0; ± 1; ± 2; ± 3; ...
(Різниця ходу хвиль дорівнює парним числом напівхвиль)
Хвилі від джерел S1 і S2 прийдуть в точку С в однакових фазах і "посилять один одного".
А = 2Хmax - амплітуда результуючої хвилі.
де k = 0; ± 1; ± 2; ± 3; ...
(Різниця ходу хвиль дорівнює непарному числу півхвиль)
Хвилі від джерел S1 і S2 прийдуть в точку С в протифазі і "погасять один одного".
А = 0 - амплітуда результуючої хвилі.
Інтерференційна картина - регулярне чергування областей підвищеної та низької інтенсивності світла.
- Інтерференція світла - просторове перерозподіл енергії світлового випромінювання при накладенні двох або декількох світлових хвиль.
Отже, в явищах інтерференції і дифракції світла дотримується закон збереження енергії. В області інтерференції світлова енергія тільки перерозподіляється, не перетворюючись на інші види енергії. Зростання енергії в деяких точках інтерференційної картини щодо сумарної світлової енергії компенсується зменшенням її в інших точках (сумарна світлова енергія - це світлова енергія двох світлових пучків від незалежних джерел).
Світлі смужки відповідають максимумів енергії, темні - мінімумам.
Учитель. Переходимо до практичної частини уроку.
Експериментальна робота №1
"Спостереження явища інтерференції світла на мильній плівці".
Обладнання: склянки з розчином мила, кільця дротові з ручкою діаметром 30 мм. (Див. Рисунок 3)
Учні спостерігають інтерференцію в затемненому класі на плоскій мильною плівці при монохроматичному освітленні.
На дротовому кільці отримуємо мильну плівку і маємо в своєму розпорядженні її вертикально.
Спостерігаємо світлі і темні горизонтальні смуги, що змінюються по ширині по мірі зміни товщини плівки (див. Малюнок 4).
Пояснення. Поява світлих і темних смуг пояснюється інтерференцією світлових хвиль, відбитих від поверхні плівки. трикутник d = 2h
Різниця ходу світлових хвиль дорівнює подвоєною товщині плівки.
При вертикальному розташуванні плівка має клиноподібну форму. Різниця ходу світлових хвиль у верхній її частині буде менше, ніж у нижній. У тих місцях плівки, де різниця ходу дорівнює парним числом напівхвиль, спостерігаються світлі смуги. А при непарному числі напівхвиль - світлі смуги. Горизонтальне розташування смуг пояснюється горизонтальним розташуванням ліній рівної товщини плівки [9].
4. Освітлюємо мильну плівку білим світлом (від лампи).
5. Спостерігаємо забарвленість світлих смуг в спектральні кольори: вгорі - синій, внизу - червоний.
Пояснення. Таке фарбування пояснюється залежністю положення світлих смуг про довжини хвиль падаючого кольору.
6.Наблюдаем також, що смуги, розширюючись і зберігаючи свою форму, переміщаються вниз.
Пояснення. Це пояснюється зменшенням товщини плівки, так як мильний розчин стікає вниз під дією сили тяжіння.
Експериментальна робота №2
"Спостереження інтерференції світла на мильній бульбашці".
1. Учні видувають мильні бульбашки (Див. Рисунок 5).
2. Спостерігаємо на верхній і нижній його частині утворення інтерференційних кілець, забарвлених в спектральні кольори. Верхній край кожного світлого кільця має синій колір, нижній - червоний. У міру зменшення товщини плівки кільця, також розширюючись, повільно переміщаються вниз. Їх кільцеподібну форму пояснюють кільцеподібної формою ліній рівної товщини [9].
Експериментальна робота № 3.
"Спостереження інтерференції світла на повітряній плівці"
Чисті скляні пластинки учні складають разом і стискають пальцями (див. Малюнок №6).
Пластинки розглядають у відбитому світлі на темному тлі.
Спостерігаємо в деяких місцях яскраві райдужні кільцеподібні або замкнуті неправильної форми смуги.
Змініть натиск і поспостерігайте зміна розташування і форми смуг.
Учитель: Спостереження в цій роботі носять індивідуальний характер. Замалюйте спостережувану вами интерференционную картину.
Пояснення: Поверхні пластинок не можуть бути абсолютно рівними, тому стикаються вони тільки в декількох місцях. Навколо цих місць утворюються найтонші повітряні клини різної форми, що дають картину інтерференції. (Рісунок№ 7).
У світлі умова максимуму 2h = kl
Учитель: Явище інтерференції і поляризації в будівельній і машинобудівної техніки використовують для вивчення напружень, що виникають в окремих вузлах споруд і машин. Метод дослідження називають фотопружних. Наприклад, при деформації моделі деталі однорідність органічного скла порушується [7] Характер інтерференційної картини відображає внутрішню напругу в деталі (рісунок№ 8).
II. Актуалізація знань по темі "Дифракція світла" (повторення вивченого матеріалу).
Учитель. Перед виконанням другої частини роботи повторимо основний матеріал.
Яке явище називають явищем дифракції?
Умова прояви дифракції.
Дифракційна решітка, її види та основні властивості.
Умова спостереження дифракційного максимуму.
Чому фіолетовий колір ближче до центру інтерференційної картини?
Учні (передбачувані відповіді):
Дифракція - явище відхилення хвилі від прямолінійного поширення при проходженні через малі отвори і обгинанні хвилею малих перешкод.
Умова прояви дифракції: d<. где d – размер препятствия, - длина волны. Размеры препятствий (отверстий) должны быть меньше или соизмеримы с длиной волны. Существование этого явления (дифракции) ограничивает область применения законов геометрической оптики и является причиной предела разрешающей способности оптических приборов.
Дифракційна решітка - оптичний прилад, що представляє собою періодичну структуру з великого числа регулярно розташованих елементів, на яких відбувається дифракція світла [8]. Штрихи з певним і постійним для даної дифракційної решітки профілем повторюються через однаковий проміжок d (період решітки). Здатність дифракційної решітки розкладати падаючий на неї пучок світла по довжинах хвиль є її основною властивістю. Розрізняють відбивні і прозорі дифракційні решітки. У сучасних приладах застосовують в основному відбивні дифракційні решітки.
Умова спостереження дифракційного максимуму:
Експериментальна робота № 4.
"Спостереження дифракції світла на вузькій щілині"
Устаткування: (див рісунок№ 9)
- Зрушуємо повзунок штангенциркуля до освіти між губками щілини шириною 0,5 мм.
- Приставляє скошену частину губок впритул до ока (розташовуючи шель вертикально).
- Крізь цю щілину дивимося на вертикально розташовану нитка палаючої лампи.
- Наблюдаються по обидві сторони від нитки паралельні їй райдужні смужки.
- Змінюємо ширину щілини в межах 0,05 - 0,8 мм. При переході до більш вузьким щілинах смуги розсуваються. стають ширшими і утворюють помітні спектри. При спостереженні через найширшу щілину смуги дуже вузькі і розташовуються близько одна до одної. [9]
- Учні замальовують в зошит побачену картину.
Експериментальна робота № 5.
"Спостереження дифракції світла на капронової тканини".
Устаткування: лампа з прямою ниткою розжарення, тканину капронова розміром 100x100мм (рисунок 10)
- Дивимося через капронову тканину на нитку палаючої лампи.
- Спостерігаємо "дифракційну хрест" (картина у вигляді двох схрещених під прямим кутом дифракції смуг). [9]
- Учні замальовують в зошит побачену картину (дифракційну хрест).
Пояснення. У центрі краста видно дифракційну максимум білого кольору. При k = 0 різниця ходу хвиль дорівнює нулю, тому центральний максимум виходить білого кольору.
Хрест виходить тому, що нитки тканини представляють собою дві складені разом дифракційні решітки зі взаємно перпендикулярними щілинами. Поява спектральних квітів пояснюється тим, що біле світло складається з хвиль різної довжини. Дифракційний максимум світла для різних хвиль виходить в різних місцях. [9]
Експериментальна робота № 6.
"Спостереження дифракції світла на грамплатівці і лазерному диску".
Устаткування: лампа з прямою ниткою розжарення, грамплатівка (див. Малюнок 11)
- Володіємо грамплатівку так, щоб борозенки розташувалися паралельно нитки лампи і спостерігаємо дифракцію в відбитому світлі.
- Спостерігаємо яскраві дифракційні спектри декількох порядків.
Пояснення. Яскравість дифракційних спектрів залежить від частоти нанесених на грамплатівку борозенок і від величини кута падіння променів. (Див. Рисунок 12)
Майже паралельні промені, які падають від нитки лампи, відбиваються від сусідніх опуклостей між борозенками в точках А і В. Промені, відбиті під кутом рівним куту падіння, утворюють зображення нитки лампи у вигляді білої лінії. Промені, відбиті під іншими кутами мають деяку різницю ходу, внаслідок чого відбувається складання хвиль.
Аналогічним чином поспостерігаємо дифракцию на лазерному диску. (Див. Рисунок 13)
Поверхня компакт-диска являє собою спіральну доріжку з кроком порівнянним з довжиною хвилі видимого света.На мелкоструктурной поверхні виявляються дифракційні і інтерференційні явища. Відблиски компакт-дисків мають райдужну забарвлення.
Експериментальна робота № 7.
"Спостереження дифракційної забарвлення комах по фотографіях".
Устаткування. (Див малюнки № 14, 15, 16.)
Учитель. Дифракційна забарвлення птахів, метеликів і жуків вельми поширена в природі. Велика розмаїтість в відтінках дифракційних квітів властиво павичам, фазанам, чорним лелекам, колібрі, метеликам. Дифракційну забарвлення тварин вивчали не тільки біологи а й фізики [1].
Учні розглядають фотографії.
Пояснення. Зовнішня поверхня оперення у багатьох птахів і верхній покрив тіла метеликів і жуків характеризуються регулярним повторенням елементів структури з преіод від одного до декількох мікрон, що утворюють дифракційну решітку [1]. Наприклад, структуру центральних вічок хвостового оперення павича можна побачити на малюнку № 14. Колір очок змінюється в завісімаості від того, як падає на них світло, під яким кутом ми на них дивимося. [1]
Контрольні питання (кожен учень отримує картку із завданням - відписати на питання):- Що таке світло?
- Ким було доведено, що світло - це електромагнітна хвиля?
- Яка швидкість світла у вакуумі?
- Хто відкрив інтерференцію світла?
- Чим пояснюється райдужна забарвлення тонких інтерференційних плівок?
- Чи можуть интерферировать світлові хвилі йдуть від двох електричних ламп розжарювання? Чому?
- Чому товстий шар нафти не має райдужної забарвлення?
- Чи залежить стан головних дифракційних максимумів від числа щілин решітки?
- Чому видима райдужна забарвлення мильної плівки весь час змінюється?
Домашнє завдання (по групах, з урахуванням індивідуальних особливостей учнів).
- Підготувати повідомлення по темі "Парадокс Вавилова".
- Скласти кросворди з ключовими словами "інтерференція", "дифракція".