Вращение плоскости поляризации при распространении света в растворе сахара

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Место курса физики в школьном образовании определяется значением физической науки в жизни современного общества, в решающем ее влиянии на темпы развития научно-технического прогресса. Обучение физике в школе служит целям образования и воспитания личности: вооружать учащихся знаниями и умениями, необходимыми для их развития, подготовки к работе и продолжения образования.

В данной курсовой работе мною была рассмотрена методика изучения темы «Поперечность световых волн. Поляризация света» в школьном курсе физики; является одним из тем раздела «Световые волны», изучаемой в XI классе. Она в основном посвящена изучению свойств света. Свет - это электромагнитная волна, которая является поперечной. В этой работе рассматривается поперечность световых волн, явление поляризация света, двойное лучепреломление.

После изучения темы «Поляризация света», в классах с углубленным изучением физики, можно рекомендовать, чтоб учащиеся ознакомились с явлениями естественной оптической активности - вращения плоскости поляризации при распространении света в растворе сахара, на опытах убедились в изменении освещенности экрана при вращении верхнего поляроида и умели объяснять ряд явлений, связанных со световыми волнами. Развивая и углубляя изученное ранее, сообщая новые сведения, необходимо побуждать учащихся вспоминать изученное и опираться на эти знания в дальнейшем.

Образование и развитие школьников, подготовка их к труду возможна лишь при условии усвоении ими основ физической науки. На это направлена реализация принципа генерализации учебного материала, такого его отбора и такой методики преподавания, при которых главное внимание уделено изучению основных фактов, понятий, законов, теорий и методов физической науки, обобщению широкого круга физических явлений на основе теории. Отсюда вытекает повышение требований к умению учащихся применять основные положения науки для самостоятельного объяснения физических явлений, результатов эксперимента, действия приборов и установок.

Целью данной курсовой работы является: разработать методику изучения темы «Поперечность световых волн. Поляризация света» в школьном курсе физики;

Для достижения цели мною решены следующие задачи:

1. изучить научную и методическую литературу по поляризации света;

2. изучить литературу по методике преподавания темы «Поперечность световых волн. Поляризация света» в школьном курсе физики;

3. разработать план урока;

4. разработать демонстрационные опыты по поляризации света;

5. собрать методический материал по данной теме.

1. Методические особенности изучения темы «Поляризация света» в школьном курсе физики

физика поляризация демонстрационный урок

Данная тема в школьном курсе изучается в разделе «Световые волны». На изучение этой темы в 11 классе отводится 1-2 часа, для классов с углубленным изучением физики до 3-4 часов.

В методике изучения поляризации света можно выделить несколько этапов:

· на основе опытов убедиться, что свет - это электромагнитная волна, которая является поперечной;

· знакомство учащихся с самим явлением поляризации света;

· рассказ о поиске закономерностей этого явления;

· рассмотрение явления двойного лучепреломления;

В начале XIX века, когда Т. Юнг и О. Френель развивали волновую теорию света, природа световых волн была неизвестна. На первом этапе предполагалось, что свет представляет собой продольные волны, распространяющиеся в некоторой гипотетической среде - эфире. В то время казалось невероятным, что свет - это поперечные волны, так как по аналогии с механическими волнами пришлось бы предполагать, что эфир - это твердое тело (поперечные механические волны не могут распространяться в газообразной или жидкой среде).

Постепенно накапливались экспериментальные факты, свидетельствующие в пользу поперечности световых волн. Было обнаружено, что кристалл исландского шпата (CaCO) раздваивает проходящие через него лучи. Это явление получило название двойного лучепреломления.

В 1809 году французский инженер Э. Малюс открыл закон, названный его именем. В опытах Малюса свет последовательно пропускался через две одинаковые пластинки из турмалина (прозрачное кристаллическое вещество зеленоватой окраски). Пластинки можно было поворачивать друг относительно друга на угол .

Ни двойное лучепреломление, ни закон Малюса не могут найти объяснение в рамках теории продольных волн. Для продольных волн направление распространения луча является осью симметрии. Таким образом, асимметрия относительно направления распространения (луча) является решающим признаком, который отличает поперечную волну от продольной. В продольной волне все направления в плоскости, перпендикулярной лучу, равноправны. В поперечной волне (например, в волне, бегущей по резиновому жгуту) направление колебаний и перпендикулярное ему направление не равноправны.

В середине 60-х годов XIX века на основании совпадения известного значения скорости света со скоростью распространения электромагнитных волн. Максвелл сделал вывод о том, что свет - это электромагнитные волны. Электромагнитная теория света приобрела должную стройность, поскольку исчезла необходимость введения особой среды распространения волн - эфира, который приходилось рассматривать как твердое тело. К группе явлений, доказывающих справедливость предсказания Максвелла, относится поляризация света. Поляризация света - совокупность явлений волновой оптики, в которых проявляется поперечность электромагнитных световых волн.

В частности, голубой свет от неба частично или полностью поляризован. Однако, свет, испускаемый обычными источниками (например, солнечный свет, излучение ламп накаливания и т. п.), неполяризован. Естественный свет (неполяризованный свет) - оптическое излучение с быстро и беспорядочно изменяющимися направлениями напряжённости электромагнитного поля, причём все направления колебаний, перпендикулярные к световым лучам, равновероятны.



2. План-конспект урока

Тема: § 73. Поперечность световых волн. Поляризация света.

Тип урока: изучение нового материала.

Цели урока:

Образовательная:

1. сформировать у школьников понятие «естественный и поляризованный свет»;

2. познакомить с экспериментальным доказательством поперечности световых волн;

3. изучить свойства поляризованного света.

Развивающая:

1. развивать у учащихся логическое мышление, наблюдательность;

2. развитие практических навыков работы с физическими приборами;

4. сообщить о примерах использования поляроидов в технике.

Воспитательная:

1. воспитание исследовательских навыков и качеств личности;

2. развитие самостоятельности, взаимопомощи.

План урока:

1. Организационный момент -1 мин.

2. Актуализация знаний учащихся - 10 мин.

3. Изложения нового материала -17 мин.

4. Закрепления изученного материала - 10 мин.

5. Домашнее задание -2 мин.

Ход урока:

1. Организационный момент.

2. Актуализация знаний учащихся.

- Давайте вспомним, что мы изучали на прошлом уроке? (Дифракция света. Дифракционная решетка).

- Для закрепления пройденного материала сделаем тестирование.

Тест.

Вариант I

1. Определите длину волны для линии в дифракционном спектре второго порядка, совпадающей с изображением линии спектра третьего порядка, у которого длина волны равна 400 нм.=

А. 600 н. Б. 800 нм. В. 200 нм.

2. Определите оптическую разность хода волн длиной 540 нм, прошедших через дифракционную решетку и образовавших максимум второго порядка.

А. 2,7 * 10⁷м. Б. 10,8 * 10⁷м В. 5,4 * 10⁷м.

3. При каком условии более четко происходит выраженное огибание предмета волнами?

А. Длина волны гораздо меньше размеров препятствий.

Б. Длина волны равна размерам предмета.

В. Длина волны соизмерима с линейными размерами предмета или больше их.

4. Три дифракционные решетки имеют 150, 2100, 3150 штрихов на 1мм. Какая из них дает на экране более широкий спектр при прочих равных условиях?

А1. Б. 2. В.3

5. Условие максимума в дифракционной картине, полученной с помощью решетки. В этой формуле (k) должно быть:

А. Целым числом. Б. Четным числом. В. Нечетным числом.

6. Как изменится интерференционная картина, если уменьшить расстояние между щелями?

А. Не изменится. Б. Станет менее четкой.  В. Станет более четкой.

7. Как изменится расстояние между максимумами дифракционной картины при удалении экрана от решетки?

А. Увеличится. Б. Уменьшится. В. Не изменится.

Вариант II

1. Как изменится интерференционная картина, если увеличить расстояние между щелями?

А. Станет более четкой. Б. Станет менее четкой. В. Не изменится.

2. Условие максимума в дифракционной картине, полученной с помощью решетки, В этой формуле выражение 

А. Разность хода волн до экрана. Б. Период решетки. В. Ширина максимума на экране.

3. Какова оптическая разность хода двух когерентных монохроматических волн в проходящем свете, падающих перпендикулярно на прозрачную пластинку, у которой абсолютный показатель равен 1,6, а геометрическая разность хода лучей равна 2 см?

А. 0,8 см. Б. 3,2 см. В. 2 см.

4. Определите длину световой волны, если в дифракционном спектре максимум третьего порядка возникает при оптической разности хода волн 1,5мкм

А. 4,5* 10^-6м. Б.3*10^-6.  В. 0,5 *10^-6м.

5. При помощи дифракционной решетки получили интерференционные полосы, пользуясь красным светом. Как изменится картина интерференционных полос, если воспользоваться фиолетовым светом?

А. Расположение полос не изменится.

Б. Полосы будут расположены ближе друг к другу.

В. Полосы будут расположены дальше друг от друга.

6. Почему частицы размером 0,3 мкм в микроскопе неразличимы?

А. так как увеличение микроскопа недостаточно.

Б. Так как вся энергия света поглощается частицами.

В. Так как свет огибает такие частицы.

7. Спектр, у которого ширина цветных полос примерно одинакова, называют:

А. Дифракционным. Б. Призматическим. В. Сплошным.

Ответы

I	А	Б	В	В	А	В	В
II	Б	А	Б	В	Б	В	А

3. Изложение нового материала.

Сегодня на уроке мы познакомимся с явлением поляризации света. Изучим свойства поляризованного света. Познакомимся с экспериментальным доказательством поперечности световых волн.

Явления интерференции и дифракции не оставляют сомнений в том, что распространяющийся свет обладает свойствами волн. Но каких волн - продольных или поперечных?

Длительное время основатели волновой оптики Юнг и Френель считали световые волны продольными, т. е. подобными звуковым волнам. В то время световые волны рассматривались как упругие волны в эфире, заполняющем пространство и проникающем внутрь всех тел. Такие волны, казалось, не могли быть поперечными, так как поперечные волны могут существовать только в твердом теле. Но как могут тела двигаться в твердом эфире, не встречая сопротивления? Ведь эфир не должен препятствовать движению тел. В противном случае не выполнялся бы закон инерции.

Однако постепенно набиралось все больше и больше экспериментальных фактов, которые никак не удавалось истолковать, считая световые волны продольными.

Опыты с турмалином

А сейчас, рассмотрим подробно только один из экспериментов, очень простой и исключительно эффектный. Это опыт с кристаллами турмалина (прозрачными кристаллами зеленой окраски).

Если направить нормально на такую пластину пучок света от электрической лампы или солнца, то вращение пластины вокруг пучка никакого изменения интенсивности света, прошедшего через нее, не вызовет (рис.1.). Можно подумать, что свет только частично поглотился в турмалине и приобрел зеленоватую окраску. Больше ничего не произошло. Но это не так. Световая волна приобрела новые свойства.

Эти новые свойства обнаруживаются, если пучок заставить пройти через второй точно такой же кристалл турмалина (рис.2(а)), параллельный первому. При одинаково направленных осях кристаллов опять ничего интересного не происходит: просто световой пучок еще более ослабляется за счет поглощения во втором кристалле. Но если второй кристалл вращать, оставляя первый неподвижным, то обнаружится удивительное явление - гашение света. По мере увеличения угла между осями интенсивность света уменьшается. И когда оси перпендикулярны друг другу, свет не проходит совсем. Он целиком поглощается вторым кристаллом.

Световая волна с колебаниями по всем направлениям, перпендикулярным направлению распространения, называется естественной.

Свет, в котором направления колебаний светового вектора каким-то образом упорядочены, называется поляризованным.

Поляризация света - это одно из фундаментальных свойств оптического излучения (света), состоящее в неравноправии различных направлений в плоскости, перпендикулярной световому лучу (направлению распространения световой волны).

Поляризаторы - приборы дающие возможность получить поляризованный свет.

Анализаторы - приборы с помощью которых можно проанализировать является ли свет поляризованным или нет.

Схема действия поляризатора и анализатора

Поперечность световых волн

Из описанных выше опытов следует два факта:

во-первых, что световая волна, идущая от источника света, полностью симметрична относительно направления распространения (при вращении кристалла вокруг луча в первом опыте интенсивность не менялась).

во-вторых, что волна, вышедшая из первого кристалла, не обладает осевой симметрией (в зависимости от поворота второго кристалла относительно луча получается та или иная интенсивность прошедшего света).

Интенсивность света, вышедшего из первого поляризатора:

Интенсивность света прошедшего второй поляризатор:

Интенсивность света прошедшего через два поляризатора:

Сделаем вывод: 1. Свет - поперечная волна. Но в падающем от обычного источника пучке волн присутствуют колебания всевозможных направлений, перпендикулярных направлению распространения волн.

2. Кристалл турмалина обладает способностью пропускать световые волны с колебаниями, лежащими в одной определенной плоскости.

Модель линейной поляризации световой волны

Поляроиды

Не только кристаллы турмалина способны поляризовать свет. Таким же свойством, например, обладают так называемые поляроиды. Поляроид представляет собой тонкую (0.1 мм) пленку кристаллов герапатита, нанесенную на целлулоид или стеклянную пластинку. С поляроидом можно проделать те же опыты, что и с кристаллом турмалина. Преимущество поляроидов в том, что можно создавать большие поверхности, поляризующие свет.

К недостаткам поляроидов относится фиолетовый оттенок, которым они придают белому свету.

4. Закрепление изученного материала.

1. Естественный свет интенсивностью I₀  проходит через поляризатор и анализатор, угол между главными плоскостями которых составляет б. После прохождения света через эту систему он падает на зеркало и, отразившись, проходит вновь через нее. Пренебрегая поглощением света, определите интенсивность I света после его обратного прохождения.

2. Степень поляризации частично поляризованного света составляет 0,75. Определите отношение максимальной интенсивности света, пропускаемого анализатором, к минимальной.

Вывод: На этом уроке мы познакомились явлением поляризации света, поперечности световых волн. Ввели формулы интенсивности света и для закрепления материала решали задачи.

5.Домашнее задание. § 73 прочитать.

3. Задачи для самостоятельного решения

1. Определите степень поляризации частично поляризованного света, если амплитуда светового вектора, соответствующая максимальной интенсивности света, в 3 раза больше амплитуды, соответствующей его минимальной интенсивности. (Ответ: P=0.8)

2. Определите степень поляризации p света, который представляет собой смесь естественного света с плоскополяризованным, если интенсивность поляризованного света равна интенсивности естественного. (Ответ: Р=0.5)

3. Определите степень поляризации p света, который представляет собой смесь естественного света с плоскополяризованным, если интенсивность поляризованного света в 5 раз больше интенсивности естественного. (Ответ: Р=0.833)

4. Интенсивность естественного света, прошедшего через два николя, уменьшилась в 8 раз. Пренебрегая поглощением света, определите угол между главными плоскостями николей. (Ответ: б=60)

5. Определите, во сколько раз ослабится интенсивность света, прошедшего через два николя, расположенные так, что угол между их главными плоскостями б = 60°, а в каждом из николей теряется 8% интенсивности падающего на него света. (Ответ: =9.45)

6. Определите, во сколько раз уменьшится интенсивность естественного света, прошедшего через два николя, главные плоскости которых образуют угол в 60°, если каждый из николей как поглощает, так и отражает 5% падающего на них света. (Ответ: =9.88)

7. Естественный свет проходит через поляризатор и анализатор, угол между главными плоскостями которых равен б. Поляризатор и анализатор как поглощают, так и отражают 10% падающего на них света. Определите угол б, если интенсивность света, вышедшего из анализатора, равна 12% интенсивности света, падающего на поляризатор. (Ответ: б=14?)

8. Пучок естественного света падает на стеклянную призму с углом б = 30°. Определите показатель преломления стекла, если отраженный луч является плоскополяризованным. (Ответ: n=1.73)

9. Пластинка кварца толщиной d₁ = 2 мм, вырезанная перпендикулярно оптической оси кристалла, поворачивает плоскость поляризации монохроматического света определенной длины волны на угол ц₁ = 30°. Определите толщину d₂ кварцевой пластинки, помещенной между параллельными николями, чтобы данный монохроматический свет гасился полностью. (Ответ: )

10. Раствор глюкозы с массовой концентрацией C₁ = 0,21 г/см³, находящийся в стеклянной трубке, поворачивает плоскость поляризации монохроматического света, проходящего через раствор, на угол ц₁ = 24°. Определите массовую концентрацию C₂ глюкозы в другом растворе в трубке такой же длины, если он поворачивает плоскость поляризации на угол ц₂ = 18°. (Ответ: )

4. Демонстрационные опыты

Поляризация света

Цель: демонстрация явления поляризации света.

В данной экспериментальной работе используем следующие приборы: поляроиды (2шт); графический проектор; оправы для линзы и поляроидов; стойка штатива; зажимы (2шт); экран демонстрационный, оптический столик с круглым отверстием.

Формирование пучка света, идущего от графического проектора, происходит следующим образом. На кадровое окно графического проектора устанавливается оптический столик, при этом центр круглого отверстия оптического столика должен совпадать с центром кадрового окна графического проектора. В оптическом столике имеется втулка с резьбой, в которую следует вкрутить стойку штатива. На этой стойке в горизонтальной плоскости на разных уровнях закрепляются две оправки для поляроидов.

Для проекции светового пятна на экран, установленный вертикально на расстоянии 2-3м от графического проектора, используется оптическая система графического проектора (объектив и зеркало, смонтированные на штанге).

Проведение эксперимента сводится к вращению одного из поляроидов и демонстрации изменения освещенности экрана. Для повышения наглядности эксперимента можно положить на поляроиды (по диаметру) прямые кусочки проволоки. Оправки, на которые установлены поляроиды, закрепляются почти вплотную друг к другу (так чтобы только было вращать поляроиды) и близко к оптическому столику. Это позволяет с помощью оптической системы графического проектора сделать достаточно резкими изображения проволочек на экран и наблюдать за вращением поляроидов. Во время предварительной подготовки опыта желательно подобрать такое расположение проволочек, чтобы освещенность экрана была максимальной, если проволочки параллельны, и минимальной, если проволочки перпендикулярны друг другу.

Вращения плоскости поляризации при распространении света в растворе сахара

Цель: демонстрация явления естественной оптической активности - вращения плоскости поляризации при распространении света в растворе сахара.

В данной экспериментальной работе используем приборы: поляроиды (2шт); графический проектор; оправы для линзы и поляроидов; стойка штатива; зажимы (2шт); химический стакан; экран демонстрационный, оптический столик с круглым отверстием.

Для проведения эксперимента собрали установку, аналогичную той, которая применялась для изучения поляризации свита (рис.1. и рис.2.). Оправа нижнего поляроида устанавливается максимально близко к поверхности кадрового окна графического проектора. Расстояние между оправками для поляроидов не должно быть меньше высоты химического стакана.

Подготовили раствор сахара для проведения эксперимента. Для этого растворили примерно 100 г сахара в 150 мл воды. Уровень раствора в стакане должен быть не менее 8 см.

Установили такое взаимное расположение поляроидов, при котором освещенность экрана минимальна, и поставили на оправу нижнего поляроида стакан с раствором сахара. Освещенность экрана сразу изменится (на экране появится светлое пятно). Это означает, что плоскость поляризации излучения повернулась в растворе сахара на некоторой угол, излучение стало частично проходить через второй поляроид.

Если описанный эффект проявляется не достаточно явно, можно увеличить концентрацию сахара в растворе. Для того, чтобы эксперимент был более наглядным, его можно начать с установки на оправу нижнего поляроида стакана с чистой водой и продемонстрировать, что вода не оказывает влияния на ориентацию плоскости поляризации излучения.

Интересные наблюдения можно сделать, если попытаться свести к минимуму освещенность экрана путем вращения верхнего поляроида. Оказывается, что полностью затемнить экран в этом случае не удается. В минимуме интенсивности при вращении верхнего поляроида пятно на экране приобретает различные оттенки: синий, малиновый, красный. Дело в том, что угол, на которой поворачивается плоскость поляризации в растворе сахара, зависит от длины волны света. Следовательно, если в раствор сахара входит линейно поляризованный свет, то на выходе из него линейная поляризация в целом нарушается, но для каждой спектральной составляющей выходящий свет остается линейно поляризованным. Синий оттенок пятна на экране означает, что через него верхний поляроид ориентирован так, что через него не проходит красно- желтая составляющая спектра, малиновый оттенок соответствует скрещенному положению поляроидов для зеленой части спектра, красно- желтый оттенок пятно отражает тот факт, что через второй поляроид не проходит коротковолновая (сине- фиолетовая) часть спектра.



Заключение

Работа над проектом углубила мои познания в области волновой оптики и в частности поляризации света. В ходе выполнения курсовой работы я достигла поставленной цели: изучила методические особенности явления поляризации света, научилась показывать демонстрационные опыты «Поляризация света» и «Вращение плоскости поляризации в растворе сахара»; освоила методику постановки демонстрационных опытов.

В процессе работа над проектом урока или темы учитель реализует свои собственные, значимые для него профессиональные стремления и при этом происходит наиболее полная самореализация личности учителя. Профессиональная деятельность не становится рутиной, так как каждый учебный год учитель строит свою работу с учетом психолого-педагогической характеристики класса. Такой подход к обучению позволяет рассматривать планируемые результаты как основные задачи, на которые должна ориентироваться совместная деятельность учителя и учащихся.

Учение - главный труд школьников, и поэтому научить их способам учебной работы, общеучебным и физическим умениям - одна из важных задач в преподавании физики, которая может быть реализована через проектировочную деятельность. При этом у школьников формируются такие приемы как анализирование, вычленение существенных и варьирующих признаков, сравнение, сопоставление, обобщение, формулировка выводов, умения самостоятельно приобретать знания, овладевать рациональными приемами работы и навыками самоконтроля, т. е. присутствует результативность. Так же формируются коммуникативные качества личности, основы культуры общения.



Список литературы

1. Г.Я. Мякишев, А.З.Синяков. Физика. Колебания и волны. 10 класс. - М, Дрофа, 2002.

2. Г.Я. Мякишев. Физика. Электродинамика. 10-11 кл. - Москва, Дрофа, 2002.

3. Г.Я. Мякишев, А.З.Синяков. Физика. 11кл Оптика. Квантовая физика. - Москва, Дрофа, 2002.

4. Ландсберг Г.С. «Оптика».- М.: Наука, 1976.- 928 с.

5. Шерклифф У. «Поляризованный свет».- М.: Мир, 1965. 322 с.

6. Шишловский А.А., «Прикладная физическая оптика».- М.: Наука, 1961.- 340 с.

7. Гершензон Е.М., Малов Н.Н., Мансуров А.Н. «Оптика и атомная физика».

8. Поваляев О.А., к.т.н., Хоменко С.В., к.ф.-м.н. «Волновая оптика».Руководство по выполнению экспериментов.- М.:МГИУ, 2007.-38 с.

Интернет ресурсы:

1. don.on.ufanet.ru/5.html.

2. itteacher.ru/optika/poperechnost-electromagnitnich-voln.

3. www.physics.ru

Размещено на Allbest.ru