Какие приборы основаны на волновых свойствах света
Естествознание, 11 класс
Урок 16. Волновые свойства света. Приборы, использующие волновые свойства света
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:
- какова роль знаний о волновых свойствах света для объяснения принципа действия световых приборов
- где применяется интерференция и поляризация
- какие устройства делают свет поляризованным
Глоссарий по теме:
Интерференция света – перераспределение интенсивности света в результате наложения (суперпозиции) нескольких световых волн.
Дифракция света – огибание электромагнитной волной препятствий соизмеримых с длиной волны.
Дифракционная решётка – оптический прибор, применяющийся для разложения светового излучения в спектр.
Поляризация света – выделение из пучка естественного света лучей с определенной ориентацией вектора напряженности электрического поля.
Полное внутреннее отражение – явление возврата светового луча в исходную среду после попадания на границу раздела двух сред при падении его из более оптически плотной среды в менее плотную.
Поляризатор – прибор, превращающий естественный свет в линейно-поляризованный.
Оптоволокно (оптические световоды) – нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.
Спектральный анализ – совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения.
Естественный свет – оптическое излучение с быстро и беспорядочно изменяющимися направлениями напряженности электромагнитного поля.
Линейно–поляризованный свет – это электромагнитная волна, поляризованная таким образом, что направление вектора напряженности электрического поля остается неизменным
Основная и дополнительная литература по теме урока:
- Естествознание. 11 класс: Учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 2017 – §28, С. 90-93.
- Физика. 11 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. учреждений: базовый уровень; профильный уровень/А.В. Грачев, В.А. Погожев, А.М. Салецкий и др.- М.: Вентана-Граф, 2018. – 464 с.
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Какова роль знаний о световых явлениях и волновых свойствах света для объяснения принципов функционирования и применения световых приборов?
Начнём с интерференции света.
Интерференция света принципиально не отличается от интерференции других волн. Однако наблюдение и исследование интерференции световых волн затруднено, так как свет не является строго монохроматическим. Впервые эту проблему решил английский физик Томас Юнг.
Опыт Юнга заключался в следующем: свет падает на экран, в котором имеется узкая щель. проходя через щель, волна попадает на второй экран с двумя щелями. Каждая из этих щелей создает свою волну с одинаковыми свойствами. Эти волны могут интерферировать. Результатом интерференции является появление светлых и темных полос на третьем экране. Светлая полоса свидетельствует о том, что волны на экран пришли в одной фазе и усиливают друг друга, а темная полоса является результатом ослабления двух волн. Для усиления волн необходима одинаковая фаза. Следовательно, разность расстояний (разность хода) должна быть кратной четному числу длин полуволн.
Для ослабления волн они должны приходить в точку в противофазе. То есть для этого разность расстояний должна быть кратной нечетному числу длин полуволн.
Если интерференционной картине сопоставить график интенсивности света I, то он будет иметь вид синусоиды.
Положение максимумов и минимумов синусоиды будет зависеть от длины волны света, падающего на щель.
Как мы уже говорили ранее, белый свет полихроматический, т.е. включает спектр цветов от красного до фиолетового. Поэтому при интерференции мы наблюдаем максимумы не белого цвета, а всего спектра. Положение цветной полоски зависит от длины волны каждого света, входящего в белый.
Таким образом, не только с помощью призмы, но и с помощью интерференции можно разложить свет на спектр.
Наиболее эффективно для разложения света использовать не одну, а несколько щелей. Устройство, состоящее из многих равноотстоящих щелей, стали называть дифракционной решёткой. И чем больше щелей и чем они плотнее, тем больше эффективность дифракционной решетки как спектрального прибора. С помощью дифракционной решётки можно определить длину световой волны.
k·λ=d·sinφ,
k – номер рассматриваемого максимума
λ – длина световой волны
d – период дифракционной решётки
Следующее волновое свойство света, которое мы рассмотрим – это поляризация
Свет представляет собой электромагнитную волну, свойства которой таковы, что вектор напряженности электрического поля всегда перпендикулярен вектору индукции магнитного поля и оба этих вектора перпендикулярны скорости распространения волны.
В то же время в разных точках пространства и в разные моменты времени векторы E и B, оставаясь перпендикулярными друг другу и вектору скорости, могут изменять направления. Такой свет называется естественным.
При помощи специальных приборов, называемых поляризаторами, из такого естественно поляризованного света можно выделить волну, в которой направления векторов E и В будут оставаться неизменными. Такая волна называется линейно поляризованной.
Обычно поляризаторы представляют собой пластины, сделанные из прозрачного материала, например, из турмалина, герапатита, исландского шпата.
Через поляризатор проходят только те волны, вектор напряженности которых параллелен оси кристалла. В результате прохождения через поляризатор свет из естественного превращается в линейно-поляризованный.
Если же на пластину направить линейно-поляризованный свет, то интенсивность света на выходе будет зависеть от положения оси кристалла относительно направления вектора напряженности. В частности, если ось кристалла перпендикулярна вектору напряженности, то свет не пройдет через эту пластину.
Линейно-поляризованный свет можно получить также при помощи лазерных источников
Давайте вспомним из курса физики еще одно свойство света, которое широко используется человеком. Это явление полного внутреннего отражения.
Явление полного внутреннего отражения наблюдается, когда свет переходит из более плотной оптической среды в менее плотную.
Явление полного внутреннего отражения нашло применение в современных устройствах.
Допустим, нам нужно передать луч света на некоторое расстояние вдоль некоторого извилистого пути (подобно тому, как по проводу передается ток). Создают двойную стеклянную трубку из материалов с различной оптической плотностью.
Сердцевину делают из оптически более плотного вещества, а внешнюю трубку из вещества с меньшим показателем преломления. Подобная трубка называется оптическим световодом. Ее также называют оптическим волокном.
Оптические световоды применяются в настоящее время для передачи информации с очень высокой плотностью.
Компьютеры, к которым подключена оптоволоконная связь, работают гораздо эффективнее, чем, например, компьютеры, подключенные к сети при помощи телефонной линии.
Сегодня на уроке мы изучили волновые свойства света и рассмотрели приборы, использующие их свойства. Это дифракционная решётка, поляризатор, оптический световод.
Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:
Текст задания 1:
Используя конспект урока, найдите и выделите цветом по вертикали и горизонтали понятия.
- Огибание волнами препятствий
- С помощью этого оптического прибора можно естественный свет превратить в плоско-поляризованный
- Волновое свойство света, применяемое в дифракционных решётках
- В этом приспособлении для передачи информации используется явление полного внутреннего отражения
Правильный вариант: дифракция, поляризатор, интерференция, оптоволокно.
Текст задания 2:
Вставьте пропущенные слова.
Если налить в стакан воду и поднять её выше уровня глаз, то поверхность воды при рассмотрении её снизу кажется посеребрённой вследствие __________ __________ ___________.
Правильный вариант: полного внутреннего отражения.
Источник
Естествознание, 11 класс
Урок 16. Волновые свойства света. Приборы, использующие волновые свойства света
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:
- какова роль знаний о волновых свойствах света для объяснения принципа действия световых приборов
- где применяется интерференция и поляризация
- какие устройства делают свет поляризованным
Глоссарий по теме:
Интерференция света – перераспределение интенсивности света в результате наложения (суперпозиции) нескольких световых волн.
Дифракция света – огибание электромагнитной волной препятствий соизмеримых с длиной волны.
Дифракционная решётка – оптический прибор, применяющийся для разложения светового излучения в спектр.
Поляризация света – выделение из пучка естественного света лучей с определенной ориентацией вектора напряженности электрического поля.
Полное внутреннее отражение – явление возврата светового луча в исходную среду после попадания на границу раздела двух сред при падении его из более оптически плотной среды в менее плотную.
Поляризатор – прибор, превращающий естественный свет в линейно-поляризованный.
Оптоволокно (оптические световоды) – нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.
Спектральный анализ – совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения.
Естественный свет – оптическое излучение с быстро и беспорядочно изменяющимися направлениями напряженности электромагнитного поля.
Линейно–поляризованный свет – это электромагнитная волна, поляризованная таким образом, что направление вектора напряженности электрического поля остается неизменным
Основная и дополнительная литература по теме урока:
- Естествознание. 11 класс: Учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 2017 – §28, С. 90-93.
- Физика. 11 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. учреждений: базовый уровень; профильный уровень/А.В. Грачев, В.А. Погожев, А.М. Салецкий и др.- М.: Вентана-Граф, 2018. – 464 с.
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Какова роль знаний о световых явлениях и волновых свойствах света для объяснения принципов функционирования и применения световых приборов?
Начнём с интерференции света.
Интерференция света принципиально не отличается от интерференции других волн. Однако наблюдение и исследование интерференции световых волн затруднено, так как свет не является строго монохроматическим. Впервые эту проблему решил английский физик Томас Юнг.
Опыт Юнга заключался в следующем: свет падает на экран, в котором имеется узкая щель. проходя через щель, волна попадает на второй экран с двумя щелями. Каждая из этих щелей создает свою волну с одинаковыми свойствами. Эти волны могут интерферировать. Результатом интерференции является появление светлых и темных полос на третьем экране. Светлая полоса свидетельствует о том, что волны на экран пришли в одной фазе и усиливают друг друга, а темная полоса является результатом ослабления двух волн. Для усиления волн необходима одинаковая фаза. Следовательно, разность расстояний (разность хода) должна быть кратной четному числу длин полуволн.
Для ослабления волн они должны приходить в точку в противофазе. То есть для этого разность расстояний должна быть кратной нечетному числу длин полуволн.
Если интерференционной картине сопоставить график интенсивности света I, то он будет иметь вид синусоиды.
Положение максимумов и минимумов синусоиды будет зависеть от длины волны света, падающего на щель.
Как мы уже говорили ранее, белый свет полихроматический, т.е. включает спектр цветов от красного до фиолетового. Поэтому при интерференции мы наблюдаем максимумы не белого цвета, а всего спектра. Положение цветной полоски зависит от длины волны каждого света, входящего в белый.
Таким образом, не только с помощью призмы, но и с помощью интерференции можно разложить свет на спектр.
Наиболее эффективно для разложения света использовать не одну, а несколько щелей. Устройство, состоящее из многих равноотстоящих щелей, стали называть дифракционной решёткой. И чем больше щелей и чем они плотнее, тем больше эффективность дифракционной решетки как спектрального прибора. С помощью дифракционной решётки можно определить длину световой волны.
k·λ=d·sinφ,
k – номер рассматриваемого максимума
λ – длина световой волны
d – период дифракционной решётки
Следующее волновое свойство света, которое мы рассмотрим – это поляризация
Свет представляет собой электромагнитную волну, свойства которой таковы, что вектор напряженности электрического поля всегда перпендикулярен вектору индукции магнитного поля и оба этих вектора перпендикулярны скорости распространения волны.
В то же время в разных точках пространства и в разные моменты времени векторы E и B, оставаясь перпендикулярными друг другу и вектору скорости, могут изменять направления. Такой свет называется естественным.
При помощи специальных приборов, называемых поляризаторами, из такого естественно поляризованного света можно выделить волну, в которой направления векторов E и В будут оставаться неизменными. Такая волна называется линейно поляризованной.
Обычно поляризаторы представляют собой пластины, сделанные из прозрачного материала, например, из турмалина, герапатита, исландского шпата.
Через поляризатор проходят только те волны, вектор напряженности которых параллелен оси кристалла. В результате прохождения через поляризатор свет из естественного превращается в линейно-поляризованный.
Если же на пластину направить линейно-поляризованный свет, то интенсивность света на выходе будет зависеть от положения оси кристалла относительно направления вектора напряженности. В частности, если ось кристалла перпендикулярна вектору напряженности, то свет не пройдет через эту пластину.
Линейно-поляризованный свет можно получить также при помощи лазерных источников
Давайте вспомним из курса физики еще одно свойство света, которое широко используется человеком. Это явление полного внутреннего отражения.
Явление полного внутреннего отражения наблюдается, когда свет переходит из более плотной оптической среды в менее плотную.
Явление полного внутреннего отражения нашло применение в современных устройствах.
Допустим, нам нужно передать луч света на некоторое расстояние вдоль некоторого извилистого пути (подобно тому, как по проводу передается ток). Создают двойную стеклянную трубку из материалов с различной оптической плотностью.
Сердцевину делают из оптически более плотного вещества, а внешнюю трубку из вещества с меньшим показателем преломления. Подобная трубка называется оптическим световодом. Ее также называют оптическим волокном.
Оптические световоды применяются в настоящее время для передачи информации с очень высокой плотностью.
Компьютеры, к которым подключена оптоволоконная связь, работают гораздо эффективнее, чем, например, компьютеры, подключенные к сети при помощи телефонной линии.
Сегодня на уроке мы изучили волновые свойства света и рассмотрели приборы, использующие их свойства. Это дифракционная решётка, поляризатор, оптический световод.
Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:
Текст задания 1:
Используя конспект урока, найдите и выделите цветом по вертикали и горизонтали понятия.
- Огибание волнами препятствий
- С помощью этого оптического прибора можно естественный свет превратить в плоско-поляризованный
- Волновое свойство света, применяемое в дифракционных решётках
- В этом приспособлении для передачи информации используется явление полного внутреннего отражения
Правильный вариант: дифракция, поляризатор, интерференция, оптоволокно.
Текст задания 2:
Вставьте пропущенные слова.
Если налить в стакан воду и поднять её выше уровня глаз, то поверхность воды при рассмотрении её снизу кажется посеребрённой вследствие __________ __________ ___________.
Правильный вариант: полного внутреннего отражения.
Источник
Итоговый урок-игра по теме
«Волновые свойства света»
11 класс
Цели урока:
Образовательные:
расширить обобщить, знания учащихся о световых явлениях.
показать значение света для человека.
Развивающие:
формировать умения наблюдать, сопоставлять и делать выводы.
развивать воображение, логическое мышление,
формировать представление о единстве понятий окружающего мира.
Воспитательные:
развивать стремление к познанию.
воспитать умение уважать мнение одноклассников, выслушивать товарища,
План урока:
1 Разведка боем
2 Викторина
3 Товар в ассортименте
4 Аукцион шедевров
5 Реклама применения одного из волновых свойств
6 Подведение итогов урока
Ход урока:
В начале урока класс делиться на 3-и примерно равные по силам команды, каждая из которых «вытягивает» жеребьевкой своё название – «Интерференция», «Дифракция», «Дисперсия» и выбирает капитана. Учитель выбирает 3-х учеников в жюри, которые следят за быстротой ответов и ведёт ведомости работы команд и учеников во время игры.
Название команды
Разведка боем
викторина
Товар в ассортименте
Аукцион шедевров
реклама
Интерференция
Дисперсия
Дифракция
всего
Конкурс 1 «Разведка боем»
Каждая команда задаёт двум другим командам по одному вопросу и определяет его сложность например
вопрос
баллы
ответ
1 Что такое дифракция?
3
Дифракция – это явление огибания волнами препятствий
2 Где применяется дифракция? Приведите пример дифракции
3
В спектроскопии, для определения длины волны с большой точностью
3 Действие какого прибора основано на явлении дисперсии света
3
Спектроскопа, который используется для спектрального анализа
Жюри заносит результаты в ведомость (максимальное количество баллов 6)
Конкурс 2 «Викторина»
Учитель задаёт вопросы, участники команд, кто готов ответить поднимают сигнальную карточку и дают ответ. Балл зачитывается команде правильно ответивший на вопрос. Если команда с первого раза не отвечает верно, то вопрос переходит другой команде.
Вопросы викторины:
Викторина
4. Можно ли видеть зеркало?
Ответ: Хорошее чистое зеркало невидимо, видны отраженные в нем предметы.
5. Где в России самые длинные сутки?
Ответ: Сутки одинаковы во всем мире, так как одинакова угловая скорость вращения всех точек Земли.
6. Продолжите шутливый афоризм Козьмы Пруткова: “Если у тебя спрошено будет: “Что полезнее, солнце или месяц? – ответствуй…””.
Ответ: Месяц. Ибо солнце светит днем, когда и без того светло, а месяц ночью.
7. Назовите слова, в которых содержится “скоп”?
Ответ: Стробоскоп, фильмоскоп, спектроскоп, эпидиаскоп, микроскоп, телескоп, перископ, гироскоп, полярископ, радиоспектроскоп, фосфороскоп.
8. Какого цвета кажется бумага при синем свете?
Ответ: Черного, так как красная бумага может отражать только красный свет и поглощает весь синий свет, попадающий на нее.
9. Как в полной темноте написать слово, которое могли бы прочитать присутствующие?
Ответ: Надо взять лучину с тлеющим концом (фонарик и т.д.) и писать его в воздухе, глаз наблюдателя будет видеть целиком написанное слово, благодаря способности сохранять зрительные ощущения в течение некоторого времени.
10. Мог бы “человек-невидимка” видеть окружающие его предметы?
Ответ: Нет. У “человека-невидимки” все ткани должны быть прозрачными, их оптическая плотность должна равняться оптической плотности воздуха. При этих условиях хрусталик глаза уже не будет выполнять своей роли – преломлять лучи света.
11. Кому яркие звезды кажутся крупнее: человеку с нормальным зрением или близорукому? Почему?
Ответ: Близорукому, так как четкое изображение у него формируется не на сетчатке, а перед ней. На сетчатку попадает расходящийся пучок лучей.
О Солнце!… Там где тень
От лип густа и ароматна,
Кидаешь ты такие пятна,
Что жалко мне ступать по ним.
Ростан. “Певец зари, ода Солнцу”
12. Как объяснить происхождение световых пятен в тени деревьев?
Ответ: Это световые пучки, пронизывающие сквозь просветы в кроне деревьев.
И лодка чуть колышется,
Одна средь темных вод,
И белый столб от месяца
По зыби к нам идет.
Брюсов “В лодке”
13. Как образуется “белый столб” на воде?
Ответ: Дорожка возникает на поверхности вследствие отражения света от мелких волн, которые ориентированы в различных направлениях. При самых различных положениях наблюдателя отраженные лучи попадают ему в глаз.
Я хочу, чтобы ты увидела:
За горой, вдалеке, на краю
Солнце сплющилось, как от удара,
О вечернюю землю мою.
А.Т. Трасолов “Я хочу, чтобы ты увидела”
14. Почему диск Солнца “сплющивается” при закате?
Ответ: Вследствие атмосферной рефракции. Солнечные лучи, пронизывая воздушную толщу никогда не идут прямолинейно, а искривляются.
“Эти рельсы, сведенные далью,
Разбежались и брызнули врозь”.
А.Т. Трасолов
15. Почему, кажется, что вдали рельсы сходятся?
Ответ: С увеличением расстояния уменьшается угол зрения на железнодорожное полотно.
Начисляется 2 балла за верно правильно данный ответ с первой попытки и по 1 баллу со второй.
Конкурс 3 «Товар в ассортименте»
Учитель зачитывает явление, задача участников узнать явление и записать его название.
? Капля бензина в лужах без красок рисует картину. Как называется явление и где оно применяется?
(Ответ: Интерференция света в тонких плёнках. Применяется при контроле качества поверхностей, для просветления оптики)
? Тонкий луч света скользнул через щель в ставне в тёмную комнату и, пролетев через гранёный графин с водой, рассыпался сотнями разноцветных искорок по стенам. Как называется явление и где оно применяется?
(ответ Дисперсия свет. Зависимость показателя преломления света от частоты. Используется при спектральном анализе.)
? Объясните радужную окраску крыльев стрекозы. Как называется явление и где оно применяется?
(Ответ. Интерференция света в тонких плёнках. Используется при проверке качества обработки поверхности, для просветления оптики)
? При изготовлении искусственных перламутровых пуговиц на их поверхность наносят мельчайшую насечку, в результате чего поверхность приобретает радужную окраску. Как называется явление и где оно применяется?
(Ответ. Дифракция в отражённом свете)
(Ответ: Наблюдается дифракция)
? Какое явление создаёт на небе радугу?
(Ответ: Дисперсия во внутренних капельках воды и полное внутреннее отражение)
? Почему вокруг прищуренных ресниц видны радужные полоски?
(Ответ: Дифракция в проходящем свете)
? Чем объясняется радужная окраска тонких нефтяных плёнок? Как называется явление и где оно применяется?
(Ответ. Интерференция света в тонких плёнках. Используется при проверке качества обработки поверхности, для просветления оптики)
? Если в театре встать за колонной, то артиста не видно, а голос его слышен. Почему?
За каждый верный ответ даётся по 1 баллу
Конкурс 4 «Аукцион шедевров»
1. Продаётся портрет известного учёного.. Чтобы портрет купить нужно ответить, как его зовут. Этот учёный свои открытия по оптике сделал, пережидая эпидемию в сельской местности, вдали от научных центров. Его мы знаем больше как человека, завершившего формирование теории механического движения. Он является сторонником корпускулярной теории света и волей судьбы открыл и подробно описал дисперсию света и одно из проявлений интерференции света.
2. Продаются кольца разноцветные, но не самоцветные! Ньютон линзу шлифовал, эти кольца увидал В чём явление заключается? Где явление применяется?
Интерференция света в тонком воздушном слое, применяется для определения качества и размеров линз.
3. На консервном заводе аврал, дегустатор вдруг захворал. Химик бледен и худ, дай ему сотни рук, – с океаном сиропа не справится! Только физик один не грустит: «Эту вашу беду я рукой отведу, Но купите мне…» какой прибор нужен физику?
4. Спектральный прибор в виде прозрачной пластины, позволяющий с большей точностью определять длины световых волн, называется….
Дифракционная решётка
Конкурс 5 «Реклама одного из волновых свойств света»
Реклама – двигатель торговли. Каждая из команд представляет свою «продукцию» – Интерференция, Дифракция, Дисперсия -в виде сценки, песенки, стихотворения и т.п
Подведение итогов
После окончания всех конкурсов жюри подсчитывают количество баллов у каждой команды. Команды победители получают грамоты. Каждый ученик по итогам урока получает оценку.
Занявшая ______ место
На аукционе
По теме
г.Собинка
февраль 2014.
Источник