Kirik_usi_uroki_fiziki_11_klas_ak_riven_Optika

5. Хвильова й квантова оптика

Тематичне планування

5Лінзи. Побудова зображень у лінзах

6 Формула тонкої лінзи. Розв’язування задач

7 Оптичні прилади

8Дисперсія світла

9Інтерференція світла

10Застосування інтерференції. Розв’язування задач

11Дифракція світла

12Лабораторні роботи № 4 і 5

13Поляризація світла

14Зародження квантової теорії

15Фотоефект

16Розв’язування задач

17Тиск світла

18Узагальнювальний урок з теми «Хвильова й квантова оптика»

19Тематичне оцінювання

296 Усі уроки фізики. 11 клас. Академічний рівень

УРОК 1/59

Тема.  Розвиток уявлень про природу світла Мета уроку:  ознайомити учнів з історією розвитку поглядів на при­

роду світла.

Тип уроку:  урок вивчення нового матеріалу.

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Ідеї давніх філософів

Питання «Що таке світло?» надзвичайно цікавило ще давніх філософів. Більшість їх дотримувалися тієї точки зору, що світло створюється усередині самої людини й випромінюється з її ока. Одні філософи розглядали світло як певні матеріальні промені, що з’єднують світне тіло й людське око. Вони вважали, що відкрите око випромінює «флюїди» і обмацує ними спостережувані предмети ніби найтоншими щупальцями. Інші вважали, що з кожного предмета зриваються оболонки, подібні до самих предметів. Ці «образи» предметів, потрапляючи в око, давали відчуття форми й кольорів предметів.

2. Корпускулярна теорія світла Ньютона

Першою науковою теорією, що намагалася пояснити фізичну теорію природу світла, була теорія світлових частинок, розроблена Ньютоном і викладена в його книзі «Оптика». Відповідно до цієї теорії світло являє собою потік частинок, випущених світним тілом в усіх напрямках (перенесення речовини). На підставі корпускулярних

уявлень Ньютон пояснив більшість відомих тоді оптичних явищ: прямолінійне поширення світла в однорідному середовищі, відбиття й заломлення світла.

3. Хвильова теорія світла Гюйгенса

Відповідно до уявлень Гюйгенса світло — це хвилі, які поширюються в особливому, гіпотетичному середовищу — ефірі, що запов­ нює весь простір і проникає усередину всіх тіл. Гюйгенс не розглядав справжнього хвильового процесу, його міркування стосувалися лише поширення хвильового фронту. Він строго математично описав явище відбиття й заломлення хвиль, причому з його міркувань випливало, що швидкість світла в більш густому середовищі повинна бути менше, ніж у повітрі.

1801 р. Юнг на підставі хвильових уявлень дуже просто й наоч­ но роз’яснив інтерференцію світла.

1818 р. Френель незалежно від Юнга докладно розвинув теорію дифракції й інтерференції світла, показавши при цьому, що ці явища є прямим наслідком хвильової природи світла.

Остаточного удару по корпускулярній теорії було завдано дослідами Фуко, що виміряв швидкість світла у воді, значення якої виявилося таким, як це випливало із хвильової теорії.

Хвильова теорія з єдиної точки зору пояснила всі відомі тоді явища й передбачила ряд нових.

Протягом понад сто років корпускулярна й хвильова гіпотези про природу світла існували паралельно. Жодна з них не могла здобути вирішальної перемоги. Лише авторитет Ньютона спонукав більшість учених віддавати перевагу корпускулярній теорії.

4.Електромагнітна теорія світла

Удругій половині XIX століття Максвелл довів, що світло

єокремим випадком електромагнітних хвиль. Роботами Максвелла були закладені основи електромагнітної теорії світла. Після того як Герц експериментально виявив електромагнітні хвилі, жодних сумнівів щодо того, що під час поширення світло поводиться як хвиля, не залишилося. 1899 р. П. М. Лебедєв дав новий доказ тотожності світлових і електромагнітних хвиль. Він виявив дослідним шляхом, що світло тисне на тіла, на які воно падає, і виміряв

цей тиск. Але за теорією Максвелла, електромагнітні хвилі також чинять подібний тиск.

Таким чином, у другій половині XIX століття була розроблена електромагнітна теорія світла.

5. Квантова теорія світла

На початку ХХ століття уявлення про природу світла почали докорінно змінюватися. Зненацька з’ясувалася, що відкинута корпускулярна теорія все-таки має право на існування. 1900 р. німецький фізик Макс Планк припустив, що атоми тіл поглинають і випромінюють енергію кінцевими порціями — квантами. А 1905 р. Ейнштейн висловив думку, що світло поширюється в просторі у вигляді дискретних об’єктів — квантів світла.

Таким чином, були виявлені переривчасті, або, як кажуть, квантові властивості світла.

6. Корпускулярно-хвильовий дуалізм

Виникла надзвичайна ситуація: явища інтерференції й дифракції, як і раніше, можна було пояснити, уважаючи світло хвилею, а явища випромінювання й поглинання — уважаючи світло потоком частинок.

У результаті численних обговорень, пошуків і досліджень виникла сучасна теорія світла. Ця теорія є синтезом корпускулярної й хвильової теорій. У її основу покладена думка, що світло одночасно має хвильові й корпускулярні властивості.

ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДУ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1.У чому полягає закон прямолінійного поширення світла?

2.У чому полягає закон відбиття світла?

3.У чому полягає закон заломлення світла?

4.У чому проявляються хвильові властивості світла?

Домашнє завдання

Підр-1: § 38; підр-2: передмова до розділу № 5.

УРОК 2/60

Тема.  Прямолінійне поширення світла Мета уроку:  ознайомити учнів із прямолінійним поширенням світла. Тип уроку:  урок вивчення нового матеріалу.

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Основні поняття геометричної оптики

Оптика являє собою розділ фізики, у якому вивчають явища й закономірності, пов’язані з виникненням, поширенням і взаємодією з речовиною електромагнітних хвиль видимого діапазону.

¾¾ Геометрична оптика — це розділ оптики, у якому вивчають закони поширення світла в прозорих середовищах і принципи побудови зображень в оптичних системах без урахування хвильових властивостей світла.

Основними поняттями геометричної оптики є пучок і промінь.

¾¾ Промінь — це лінія, що вказує на напрямок перенесення світлової енергії.

У побуті ми часто називаємо світловим променем тонкий пучок світла. Не існує нескінченно вузьких світлових пучків; пучок світла завжди має кінцеву ширину. Промінь — це ніби вісь пучка, а не сам пучок.

На практиці всі джерела світла мають розміри. Світна ж точка є найпростішим джерелом світла, яке може уявити собі людина. Промені світла, що виходять з неї, ніде не перетинаються і являють собою цілком упорядковану світлову картину.

¾¾ Джерело світла, розмірами якого в даних умовах можна знехтувати, називають точковим джерелом світла.

Точкове джерело світла є фізичною моделлю джерела світла, відстань до якого в багато разів більше від розмірів джерела.

2.Закон прямолінійного поширення світла

Воснові геометричної оптики лежить ряд законів, установлених експериментально. Один з них — закон прямолінійного поширення світла:

¾¾ світло в порожнечі або однорідному середовищі поширюється прямолінійно.

Прямолінійність поширення світла підтверджується утворенням тіні. Якщо взяти точкове джерело світла, екран і між ними помістити непрозорий предмет, то на екрані з’явиться темне зображення його обрисів — тінь.

¾¾ Тінь — ділянка простору, у яку не потрапляє світлова енергія від джерела світла.

Можна дати ще одне визначення: тінь — ділянка простору, з якої не можна побачити джерело світла.

Якщо ж ми візьмемо протяжне джерело світла, то на екрані навколо тіні утвориться ще й півтінь, тобто ділянка простору, з якої джерело світла можна побачити лише частково. Або інакше:

¾¾ півтінь — ділянка простору, у яку світлова енергія від джерела світла потрапляє частково.

Утворенням тіні й півтіні пояснюють сонячні й місячні затемнення. У разі сонячного затемнення повна тінь від Місяця падає на Землю. Із цього місця Землі Сонця не видно. Коли Місяць, обертаючись навколо Землі, потрапляє в її тінь, то спостерігають місячне затемнення.

У тих місцях Землі, куди впала тінь, буде спостерігатися повне затемнення Сонця. У місцях півтіні тільки частина Сонця буде закрита Місяцем, тобто відбудеться часткове затемнення Сонця.

ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДУ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

Перший рівень

1.Що являє собою промінь світла (у фізичному змісті)?

2.Наведіть приклади точкових і протяжних джерел світла.

302 Усі уроки фізики. 11 клас. Академічний рівень

у витягнутій руці (див. рисунок), треба «виміряти» видиму «висоту» дерева (позначимо її h ). Тоді ширину ріки L знаходимо із про-

порції HL = hl , де H — висота дерева. Під час обчислення можна знехтувати довжиною руки порівняно із шириною ріки.

ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОЦІ

yy Під променем світла розуміють уявну лінію, уздовж якої поширюється світло, випущене світною точкою.

yy Пучок променів — це сукупність світлових променів.

yy Джерело світла, розмірами якого в даних умовах можна знехтувати, називають точковим джерелом світла.

yy Закон прямолінійного поширення світла: світло в порожнечі або однорідному середовищі поширюється прямолінійно.

yy Тінь — ділянка простору, у яку не потрапляє світлова енергія від джерела світла.

yy Півтінь — ділянка простору, у яку світлова енергія від джерела світла потрапляє частково.

Домашнє завдання

1.Підр-1: § 39 (п. 1); підр-2: § 19 (п. 1).

2.Зб.:

Рів1 № 13.1; 13.12; 13.14; 13.15. Рів2 № 13.27; 13.28; 13.29.

Рів3 № 13.64, 13.65.

УРОК 3/61

Тема.  Відбиття світла. Плоске дзеркало Мета уроку:  ознайомити учнів з особливістю поширення світла на

границі двох середовищ, розказати їм про закони, яким підко­ ряється це явище.

Тип уроку:  урок вивчення нового матеріалу.

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Відбиття світла

Предмети, які відбивають майже все світло, що падає на них, здаються нам зазвичай білими, предмети ж, які поглинають майже все світло, що падає на них, здаються нам чорними. Тіла, які відбивають світло «краще» за всі інші, ми взагалі не бачимо! Це — дзеркала.

Світло, відбите від шорсткуватої поверхні, взагалі не утворює якогось пучка й не має певного напрямку: воно розсіюється й поширюється у всіх напрямках. Таке відбиття називається розсіяним

(дифузійним).

Саме так відбивається світло від більшості тіл, завдяки чому ми можемо бачити тіла навколо нас.

Якщо ж поверхня гладка, то відбиття буде дзеркальним, тобто відбите світло утворює вузький пучок. Кут α , утворений падаючим променем і перпендикуляром до поверхні, називають кутом падіння; кут β , утворений відбитим променем і перпендикуляром до поверхні, називають кутом відбиття.

1

αβ

2. Закон відбиття світла

На границі розділу двох середовищ відбувається порушення закону прямолінійного поширення світла. При цьому після відбиття промінь світла залишається в тій же площині, що й падаючий промінь. Для дзеркального відбиття світла виконується закон відбиття світла, установлений ще в ІІІ ст. до н. е.

Промінь падаючий, промінь відбитий і перпендикуляр до поверхні в точці падіння лежать в одній площині.

¾¾ Кут відбиття дорівнює куту падіння.

Хід променів під час відбиття світла має властивість оборотності: якщо точковий об’єкт і його зображення поміняти місцями, то променева картина відбиття не зміниться; зміниться при цьому лише напрямок променів.

3. Принцип Гюйгенса й закон відбиття світла

Закон відбиття світла можна одержати, скориставшись принципом Гюйгенса. Нехай плоска хвиля падає на границю розділу двох середовищ.

Напрямок поширення хвилі задамо променями A1 A і B1B, які

паралельні один до одного і перпендикулярні до хвильової поверхні AC . Різні ділянки хвильової поверхні досягають відбивної поверхні MN не одночасно: порушення коливань у точці A почнеть-

ся раніше, ніж у точці B t = CBv , де v — швидкість поширення хвилі. У момент, коли хвиля досягне точки B , вторинна хвиля із