В каких явлениях проявляются волновые свойства 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.

1. Огибание волнами препятствий
2. С помощью этого оптического прибора можно естественный свет превратить в плоско-поляризованный
3. Волновое свойство света, применяемое в дифракционных решётках
4. 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.

Тип урока: повторительно-обобщающий.

Цели урока:

• Образовательные:
  • обобщить знания учащихся о явлениях волновой
    оптики;
  • проанализировать и объяснить примеры
    проявления и применения явлений волновой оптики
    в быту, природе и технике на основе законов
    волновой оптики.
• Развивающие:
  • продолжить развитие познавательного интереса у
    учащихся;
  • продолжить формирование приемов умственной
    деятельности;
  • продолжить развитие коммуникативных
    компетенций;
  • активизация творческой деятельности учащихся;
  • продолжить развитие навыков работы в группе в
    ходе реализации групповых учебных проектов;
  • продолжить развитие навыков самостоятельной
    работы с доступными ресурсами сети Интернет,
    выполняющими функцию дополнительных ресурсов.
• Воспитательные:
  • продолжить воспитание научного мировоззрения;
  • продолжить воспитание  умения четко
    организовать самостоятельную и групповую
    работу;
  • продолжить воспитание чувства товарищества,
    взаимопомощи.

Предварительная подготовка к уроку:

1. Для организации совместной
учебно-познавательной и творческой деятельности
из обучающихся класса формируются малые группы
по 5-6 человек. Каждая группа выбирает
организатора, функцией которого является общее
руководство работой, распределение обязанностей
в группе, а также технического руководителя,
который отвечает за наглядное представление
проекта в виде презентации.

2. Учитель предварительно находит самые лучшие
ресурсы и составляет список ссылок,  которыми
обучающиеся могут воспользоваться при
осуществлении совместной деятельности на уроке.
Кроме того, обучающиеся при домашней подготовке
к уроку имеют возможность создать собственную
базу ссылок на интернет-ресурсы. Данные
ресурсы  должны обеспечивать доступ к
 информации, не отраженной в традиционных
источниках.

3. При планировании структуры урока с
применением ресурсов сети необходимо 
учитывать техническое оснащение кабинета, 
качество работы сети Интернет. На
организационном этапе урока для обеспечения
быстрого включения всего класса в работу
целесообразно назначать дежурного
администратора, который подготовит компьютеры к
использованию.

План урока:

1. Организационный момент.
2. Вступительное слово учителя с сообщением цели и
   плана урока.
3. Выполнение учащимися заданий по поиску,
   систематизации, анализу информации
   научно-популярного содержания с использованием
   Интернет – ресурсов.
4. Публичные выступления, демонстрация и защита
   проектов.
5. Формулирование выводов по представленному
   группами  материалу.
6. Оценка результатов урока.
7. Задание на дом по созданию общей презентации с
   использованием слайдов отдельных групповых
   презентаций. Возможна организация конкурса
   презентаций, созданных параллельными классами.

ХОД УРОКА

Вступительное слово учителя с сообщением
цели и плана урока:

Природа не устает нас удивлять, демонстрируя
нам свои тайны и загадки. Многое из того, что
устрашало людей в прошлом, казалось им
загадочным, мы, обладающие знанием и опытом,
воспринимаем естественно и спокойно.
Человеческое познание многих явлений происходит
от незнания к знанию, через преодоление
неизвестного и раскрытие его природной сути.
Сегодня на уроке мы проанализируем причины
возникновения многих природных явлений с
помощью законов волновой оптики, узнаем, как на
основе этих законов были созданы сложнейшие
приборы, нашедшие применение в разных областях
человеческой деятельности.
Какие же явления объясняются волновыми
свойствами света?
Интерференция света – явление сложения световых
волн, приводящих к обpазованию чеpедующихся полос
усиления и ослабления интенсивности света.
Дифракция  света – явление огибания светом
пpепятствий, соизмеримых с длиной волны.
Дисперсия света – это явление, обусловленное
зависимостью абсолютного показателя
преломления вещества от частоты (или длины волны)
света.
Поляризация света – это ориентированность
колебаний световой волны в пространстве.

Выполнение учащимися заданий по поиску,
систематизации, анализу информации
научно-популярного содержания с использованием
Интернет – ресурсов:

Для поиска информации о проявлении в природе,
применении волновых явлений вы воспользуетесь
интернет-ресурсами. Отбор, анализ,
систематизацию учебного материала вы будете
осуществлять путем организации работы в группе.
В основе отбора информации будут лежать ключевые
вопросы:

• о явлении:

Каковы причины и механизм возникновения
явления?
От каких факторов зависит наблюдаемая
оптическая картина?

• об устройстве, приборе:

В чем состоит принцип работы устройства?
В каких областях нашло применение данное
устройство, прибор?

 Ссылки на образовательные ресурсы,
научно-популярные публикации, которые можно
использовать в работе:

• https://www.beeaif.com/node/135
• https://ido.tsu.ru/schools/physmat/data/res/optika/uchpos/text/g5_4_inter.html
• https://sfiz.ru/list.php?c=volnoptika
• https://phyzika.ru/optika.html
• https://elementy.ru/lib/431273?page_design=print
• https://ru.wikibooks.org/wiki/Свет_и_цвет/Радуга
• https://propogodu.ru/2/1312/
• https://physoptika.ru/rasseyanie-sveta/cveta-neba-i-zor.html
• https://fiziks.org.ua/obyomnye-izobrazheniya-gologramma/

Правила поиска информации в Интернете: https://schools.perm.ru/modules/wfsection/article.php?articleid=201

1. Выберите поисковую машину

2. Выясните, к какому разделу относится
информация.

3. Выявите основные слова (или словосочетания),
которые характерны для той информации, которую
Вы ищите. Попробуйте выявить ключевые слова.

4. Формируйте свой запрос из двух-трех слов, не
меньше. Задавая отдельные слова и фразы, 
учитывайте язык запросов, операторы поиска,
логические связки искомых слов и т.п. элементы,
которые делают поиск значительно более
эффективным.

– указывайте зону поиска.
– запрашивайте конкретную форму слов. Для этого
перед конкретной формой слова поставьте
восклицательный знак.
– ранжируйте слова. Если одно из слов запроса для
вас наиболее важно, поставьте перед ним знак «+».
– поисковые системы учитывают регистр, поэтому
не злоупотребляйте прописными буквами –
используйте их только при поиске имен
собственных.
– используйте синонимы.
– если известна точная фраза из искомых
материалов, используйте её как цитату.

5. После проведения предварительного поиска
(или первой ступени поиска), если выдано довольно
большое количество документов, Вы можете
воспользоваться элементом уточнения: “Искать
в избранном”. При этом задание поиска следует
обязательно уточнить, введя хотя бы одно новое
слово или ограничение, которое по Вашему мнению
поможет провести правильный отбор требуемого
материала.

6. Грамотно располагайте материал и проводите
его сортировку по удобным для Вас признакам. Это
заметно ускорит последующую обработку
материала.

7. Фиксируйте все интересные для Вас найденные
адреса документов в Интернете (например, с
помощью программы Блокнот). Затем  выберите
среди них нужные для выполнения конкретной
работы адреса.

Задания для групп:

Первая группа

«Применение интерференции света»

• Радужные цвета тонких пленок
• Просветление оптики
• Интерферометры
• Голография

Вторая группа

«Применение дифракции света»

• Дифракционная решетка как спектральный прибор
• Радужная окраска

Третья группа

«Применение дисперсии света»

• Радуга
• Гало
• Голубой цвет неба
• Закат
• Спектральный анализ. Спектроскоп.

Четвертая группа

«Применение поляризации света»

• Проявление поляризации в природе.
• Поляроиды. Поляриметры.

По результатам работы с информацией каждая
группа создает мини-презентацию в Microsoft PowerPoint,
защищает свой проект в публичном выступлении.

Правила создания презентации: https://lyceum.75p.ru/2011-02-08-13-12-31/220-2011-02-09-06-51-36.html

После защиты проектов технические
руководители и организаторы из каждой группы
создают совместный информационный продукт – Презентация