Фундаментальні досліди з квантової оптики та їх висвітлення в шкільному курсі фізики

Пошуки впливу руху системи відліку на швидкість світла обгрунтовують справедливість постулатів спеціальної теорії відносності.

Таким чином, виявляється, що від точності результатів різних експериментів по вимірюванню швидкості світла залежить рішення цілого ряду проблем, що виходять не тільки за рамки оптики як розділу фізики, але і за рамки фізики взагалі.

Швидкість світла така велика, що рішення питання не тільки про числове значення швидкості світла, але навіть про кінцівку цієї швидкості, було непростим і зажадало довгий час.

Великий мислитель, математик, філософ Р.Декарт (1596-1650) рахував швидкість світла нескінченної. Він не був експериментатором і теоретично доводив нескінченність швидкості світла.

В 1634 р. Декарт в листуванні з голландським вченим И.Бекманом запропонував досвід, який міг би провести один експериментатор -- досвід з факелом і дзеркалом. Декарт дав чисельну оцінку нижньої межі швидкості світла, і той факт, що в досвіді не вдалося зміряти швидкість світла, тлумачив, як доказ її нескінченності. В 1690 р. X.Гюйгенс в своєму «Трактаті про світло» писав про те, що в міркуваннях Декарта треба використовувати більше значення швидкості і що відсутність ефекту може бути пов'язаний лише з припущенням про мале значення швидкості світла.

Значущість проблеми визначення швидкості світла призводить до того, що інтерес до неї не слабшає і в даний час. У зв'язку з появою особливих джерел світла -- лазерів сталі можливими надзвичайно точні вимірювання швидкості світла не просто в земних, а в лабораторних умовах.

2.5 Вимірювання швидкості світла

Астрономічні методи. Перша вдала спроба вимірювання швидкості світла була здійснена не із земними, а з астрономічними небесними об'єктами. Вона пов'язана із спостереженнями датчанина О.Ремера затьмарень супутників Юпітера. (Супутники Юпітера -- Іо, Європа, Ганімед і Каллісто -- були відкриті Галілеєм в 1610 р.) Спостереження Ремера можна назвати науковим подвигом. В результаті цих спостережень було отримано значення швидкості світла всього лише з 10%-і помилкою. Найголовніше була доведена кінцівка швидкості світла, і це було визнано самим Ньютоном XVII в. був століттям великих географічних відкриттів. В другій половині XVII в. відбувалося організаційне становлення науки -- виникали наукові журнали, наукові суспільства, академії. В задачі учених входило рішення багатьох практичних проблем. Так, для визначення географічної довготи були необхідні таблиці затьмарень супутників в одному місці на Землі.

Цією проблемою в Паризькій академії наук займалися два астрономи -- Ж. Пікар (1620-1682) і Дж. Д. Кассині (1625-1712). В програмі їх досліджень була поїздка в Данію в обсерваторію Тихо Бразі. В цей час великою популярністю користувався професор з Копенгагена Е. Бартолін. Його ім'я увійшло до історії фізики, перш за все, завдяки відкриттю подвійного променезаломлення в кристалі ісландського шпату. ж. Пікар, Дж. Кассині і Э. Бартолін разом відправилися на острів Вен для проведення астрономічних спостережень. З ними поїхав і молодий учень Бартоліна, Олаф Ремер. Саме він першим отримав достовірне значення швидкості світла.

Проаналізувавши результати багаторічних спостережень за затьмареннями супутників Юпітера, Ремер виступив з докладом перед членами Паризької академії наук. Він розказав про те, що супутник Юпітера Іо виходив з тіні своєї планети з деяким спізненням -- приблизно на 10 мін. Ремер пояснював це кінцівкою швидкості світла і тим, що світлу вимагалося пройти відстань, рівну діаметру земної орбіти. Світло, на думку Ремера, повинен був затрачувати на це приблизно 22 мін. Спостереження за затьмаренням супутника в 1676 р. підтвердили прогноз Ремера.

Проведені міркування можуть дати лише наближений результат, оскільки в них не враховується зсув Юпітера за час спостереження затьмарень. Крім того, не ясно, як визначити період обігу супутника навкруги своєї планети, якщо спостерігач знаходиться на Землі.

Ремер був обережний у визначенні конкретного значення швидкості світла. У той час не було відоме точне значення радіусу земної орбіти, тому перші результати Ремера були далекі від істини.

Після того, як радіус земної орбіти був зміряний більш точно, на основі результатів спостережень Ремера було отримано значення швидкості світла з = 214 000 км/с.

Подальші астрономічні спостереження (вивчення аберації світла) за даними Брадлея дали значення з = 284 000 км/с.

Той факт, що саме в астрономії були вперше отримані цілком відповідні істині значення швидкості світла, має великий сенс: перші вимірювання швидкості світла були здійснені у вакуумі, отже, була отримана саме світова константа!

Земні методи. Вимірювання швидкості світла в земних умовах були успішно проведені лише в XIX в. і всі вони були засновані на одному принципі. Для вимірювання швидкості світла необхідно було примусити світло багато разів пройти одну і ту ж відстань туди і назад. Так подовжувався шлях світла, збільшувався час його руху, і можна було цей час зміряти і потім розрахувати швидкість світла.

Визначення швидкості світла земними методами пов'язано з іменами двох вчених -- И. Физо і Л. Фуко. 1819 р. -- початок життєвого шляху двох французьких оптиків, що займалися однією і тією ж проблемою. Фізо був молодшим Фуко всього на чету ре дня. В житті учених був період тісної наукової співпраці, який потім змінився періодом наукового суперництва.

Схема дослідів Фізо була дуже схожа на те, що пропонував Галілей для визначення швидкості світла. Але другий експериментатор був замінений дзеркалом (мал. .9). Після віддзеркалення від дзеркала світло потрапляло на зубчате колесо. Зображення джерела світла в цьому дзеркалі формувалося в тій крапці, де розташовувалося це колесо. За допомогою оптичної системи світло багато разів проходило відстань від дзеркала до зубчатого колеса і назад. Прояснення поля зору наступало при удвічі більшому куті повороту, наступне затемнення --* при втричі більшому значенні кута.

Мал.9

звідси з -- 4 nlv. Фізо отримав значення швидкості світла 314 000 км/с -- дещо більше, ніж в дослідах Ремера. Найголовніше -- була доведена можливість вимірювання швидкості світла в земних умовах. Це відбулося в 1849 р. Через рік за допомогою дзеркала, що обертається, швидкість світла була зміряна Л. Фуко. Схема досвіду показана на (мал.10 а). Світло від джерела проходило через напівпрозору пластинку g і збираючу лінзу L і потрапляв на плоске дзеркало , яке могло обертатися навкруги вертикальної осі. Дзеркало, що обертається, відображало світло на нерухоме увігнуте дзеркало M, оптичний центр якого лежав на осі обертання плоского дзеркала. Якщо плоске дзеркало нерухомо, світло після віддзеркалення від увігнутого дзеркала йшло назад до плоского дзеркала, відображався від нього, знову проходив через лінзу до напівпрозорої пластинки, частково відображався від неї і потрапляв в зорову трубу dd' для спостережень. Дзеркала і лінза були розташовані так, що формували спочатку уявне зображення джерела світла за допомогою плоского дзеркала, а потім зображення цього уявного джерела. При обертанні плоского дзеркала

Мал.10

зображення уявного джерела описувало коло, радіус якого був рівний радіусу кривизни увігнутого дзеркала.Далі в досвіді використовувалися два увігнуті дзеркала M і М' (мал.10 б). До одного з них світло йшло по повітрю. На шляху світла від плоского дзеркала до другого увігнутого дзеркала знаходилася труба з водою Т. Если плоске дзеркало оберталося, то за час проходження світла від нього до увігнутого дзеркала плоске дзеркало встигало обернутися на деякий кут, і виходило нове зображення джерела, не співпадаюче з колишнім. Зсуви зображень, що даються двома увігнутими дзеркалами, виявлялися різними. Зсув зображення повинен бути більше там, де швидкість світла менше, оскільки світлу потрібне більше часу для проходження одного і того ж шляху. Досліди показали, що зміщується більше зображення, що дається тим дзеркалом, до якого світло їло через трубу з водою. Звідси слідував висновок про те, що у воді швидкість світла менше ніж в повітрі. В досвіді Фуко було показано, що швидкість світла у воді складає 3/4 швидкості світла в повітрі. Цей результат був дуже важливий. Річ у тому, що відповідно до корпускулярної теорії світла повинна бути більше швидкість світла у воді, а відповідно до хвильової теорії світла -- в повітрі. Таким чином, досліди Фуко показали справедливість хвильових уявлень про світло.

Розглянемо технічні деталі досвіду Фуко. Джерелом світла служив геліостат -- прилад, що дозволяє концентрувати сонячне проміння і за допомогою спеціального механізму що орієнтувався так, що у міру зміни положення Сонця на небі зміна світила виникала в одному і тому ж місці. Як об'єкт, зображення якого спостерігалося в зорову трубу, використовувалися тонкі платинові нитки, натягнуті паралельно один одному. Для того, щоб краще розрізняти зображення, що даються різними увігнутими дзеркалами, застосовувався зелений світлофільтр для світла, що проходило через трубу з водою (оскільки світло в зеленій ділянці спектру менше поглинається водою). Були виготовлені спеціальні маски на дзеркала, щоб зробити однаковим розмір зображень від обох дзеркал. Світло проходило через свинцеву трубу з водою завдовжки 3 м. Торці труби були закриті скляними пластинами. Для обертання легкого круглого дзеркальця діаметром 14 мм використовувався струмінь пари від маленької моделі парової машини Уатта, яка працювала на спиртівці.

Важливим чинником в досвіді Фуко було те, що швидко зображення, що рухається, виходило нерухомим. Двократне віддзеркалення від плоского дзеркала і спеціально підібране розташування двох увігнутих дзеркал дозволяли спостерігати ті, що швидко зміняли один одного, виникаючі в одному і тому ж місці зображення. Через «інерцію» зору зображення сприймалися як нерухомі.

Перші досліди Фуко були якісними. Вони показали відмінність швидкостей світла в повітрі і воді. Через 12 років -- в 1862 р. -- була зміряна швидкість світла в повітрі. Її значення виявилося рівним 298 000 км/с. Цей результат більш близький до сучасних даних, ніж отриманий в дослідах такого результату використовувалося велике число увігнутих дзеркал, що дозволило збільшити шлях, прохідний світлом, до 20 м.

Надалі швидкість світла виміряли багато разів. Один з дослідів був поставлений в 1926 р. американським фізиком А. Майкельсоном (1852-1931). Прилади розміщувалися на двох гірських вершинах на відстані, приблизно рівному 35 км. На одній вершині були встановлено восьмигранне сталеве дзеркало, джерело світла, зорову трубу, що обертається. На іншій вершині знаходилося плоске дзеркало. Світло могло потрапити в зорову трубу в двох випадках: при нерухомому восьмигранному дзеркалі і при обертанні дзеркала з такою швидкістю, при якій за час повороту дзеркала на ^1/8 обороту світло пройшло б відстань від однієї вершини до іншої. Майкельсон отримав значення швидкості світла, рівне 299 796 км/с.

В 1972 р. американським вченим К.Івенсоном і його співробітниками було отримано значення швидкості світла з = 299 792 456,2 м/с (з точністю ± 0,2 м/с). Розрахунок швидкості світла був виконаний за наслідками вимірювань частоти і довжини хвилі лазерного випромінювання.

В 1983 р. було прийнято визначення метра як довжини шляху, пройденого світлом у вакуумі протягом тимчасового інтервалу, рівного V299 792 458 ^с- Тому тепер швидкість світла у вакуумі приймається рівній точно 299 792 458 м/с для того, щоб кожного разу при збільшенні точності вимірювань не міняти визначення метра.

Розділ 3

3.1 Розподіл навчального матеріалу за уроками

Дата	Номер уроку	Тема уроку	Види роботи на уроці, хв.	Домашнє завдання
			Вивчення теоретичного матеріалу	демонстрації	Розв'язування задач учителем	Закріплення вивченого матеріалу	Контроль знань	Творча робота з учнями
	1	Зародження квантової теорії	31	5	4	3	-	2	1.вступ
	2	Фотоелектричний ефект.	32	6	-	5	-	2	1. П 53
	3	Теорія фотоефекту	31	-	5	3	4	2	1.П.53 2.зб: №10.2,10.3.
	4	Розв'язування задач	-	-	25	12	5	3	1.П.53 2.зб:10.13,10.14, 3.Д:с.р.№26.
	5	Застосування фотоефекту	20	8	-	3	12	2	1.П54 2.зб:10.5,10.23,
	6	Фотони	35	-	5	3	-	2	1.П.56. 2.Д:с.р.№11
	7	Корпускулярно- хвильовий дуалізм	27	-	5	5	5	3	1.зб№10.27 2.Д:с.р.№28
	8	Тиск світла	20	5	5	3	12	-	.П.53 2.зб:10.13,10
	9	Хімічна дія світла	20	5	5	3	12	-	Підгот.до темат. Оцінюв
	10	Тематичне оцінювання	20	6	5	2	40	5

3.2 Рекомендації з проведення самостійних та контрольних робіт

Самостійні роботи, розраховані звичайно на 10 15 хв, призначені для поточного оцінювання знань і містять у собі якісний експериментальні і розрахункові задачі. Усі самостійні роботи складаються з декількох варіантів чотирьох рівнів складності. Учень сам вибирає рівень складності а вчитель повідомляє йому № задачі протягом семестру учень може переходити з одного рівня складності на інший. Якщо учень успішно розв'язав звдачу середнього рівня (і здобув не менше як 6 балів), він може братися до достатнього рівня (і здобути 9 білів), і т. д.

Самостійні роботи - досить ефективна система зворотного зв'язку вчитель - учень. Наприклад, якщо 30 учнів класу 20 самі вибрали високий і достатній рівень то клас добре засвоїв вивчений матеріал. Якщо 2 учні вибрали високий рівень, 5 - достатній а інші учні середній і низький то навчальний матеріал засвоєно слабо. Учитель відразу може відмінити самостійну роботу й повернутися до погано засвоєного матеріалу.

Рекомендації з проведення контрольних робіт.

Контрольні роботи складаються з 6 варіантів 4 рівні складності, і призначені для тематичного контролю знань учень сам вибирає рівень складності контрольної роботи (від початкового до високого), а вчитель призначає йому номер варіанта. Якщо учень добре впорався з розв'язуванням задач даного рівня складності, він може звернутися до вчителя з проханням дати йому варіант контрольної роботи більш високого рівня для підвищення підсумкової оцінки.

Рекомендації з проведення тестування.

По перше, тести допоможуть учневі систематизувати навчальний матеріал і виділити в ньому найголовніше. По-друге, вони орієнтовані на розвиток умінь застосовувати здобуті знання. По-третє, тести допоможуть провести тематичне оцінювання цих досягнень за допомогою тестування.

Кожний блок тестів охоплює, як правило, одну навчальну тему або її частину. В основу тестів покладено методичні принципи завдяки яким вони є не тільки контролюючими але й навчальними.

Тести можуть бути органічно введені в усі форми й методи навчання і застосовуватися на різних етапах навчального процесу для забезпечення оперативного зворотного зв'язку, для контролю й самоконтролю учні у процесі оволодіння матеріалом теми.

Наприклад:

· Під час пояснення нового матеріалу можна розглянути тестові завдання й обговорити, які твердження правильні а які не правильні (і чому);

· Під час початкового закріплення навчального матеріалу можна запропонувати учням виконати за 5 - 10 хв. Два - три тестові завдання, вибрані ними або вчителем;

· Виконання окремих тестових завдань можна запропонувати у вигляді домашньої або самостійної роботи;

· Варіанти тестових завдань можна використовувати для підготовки учнів до самоконтролю.

Висновки

Фізика, як обов'язкова частина шкільного навчання, не повинна зводитись до передачі учням розрізнених і невзаємопов'язаних знань та вмінь, а проводитись таким чином, щоб все пізнане в теорії закріплювалось практикою. Щоб досягти цього необхідно розширювати та зміцнювати взаємозв'язок трудового навчання із суміжними дисциплінами, зокрема, хімія, метематика.. Слід відмітити, що при правильному підході до здійснення взаємозв'язків фізики і суміжних дисциплін надається можливість повніше розкрити перед учнями об'єктивні закони природи, виробити в школярів науковий підхід до вирішення пізнавальних, практичних завдань, озброїти їх відповідними знаннями.

В роботі було розглянуто деякі фундаментальні досліди з квантової оптики зокрема: Випромінювання Вавілова-Черенкова, Ефект Доплера, Фотонна теорія світла. Маса та імпульс фотона. Досліди Боте та Вавилова,Тиск світла. Досліди Лебедєва,Ефект Комптока. Також розроблені плани конспекти для вивчення розділу квантова оптика в профільних класах.

Список використаної літератури

1. Павленко Ю.Г. "Оптика" - М.: Видавництво МГУ, 1992.

2. Чернощекова Т.М. "З історії розвитку поглядів на природу світла". - Горький, 1982.

3. Сивухин Д.В. "Загальний курс фізики" - М.: "Наука", 1980.

4. Ландсберг Г.С. "Оптика" - М.: "Наука", 1976.

5. Линец Ю.. "Використання принципу Ферма у викладанні геометричної оптики" /Фізика. - 1998, №7.

6. Волковыский Р.Ю. "Організація диференційованої роботи учнів при навчанні фізики" - М.: "Освіта", 1993.

7. Василихина Т. В. "Урок з разноуровневым навчанням по геометричній оптиці" /Фізика в школі. - 1994, "1.

8. Вавилов С.. "Око і сонце" - М.: Изд-во АНСССР, 1961.

9. Перельман Я.И. "Цікава фізика" - М.: "Освіта", 1990.

10. Солнцев В.. "Оптичні спостережливі прилади" - М.: "Освіта", 1988.

11. Орлів В.А. "Творчі експериментальні завдання" /Фізика в школі. - 1995, №1

12. Алешкевич В.А. "Вступні екзамени з фізики" /Фізика. - 1988, №32,.

13. Аристахова Л.И. "Око як оптична система" /Фізика - 1999, №11, .

14. Кабардин О.. "Фізика" - М.: "Освіта", 1991.

15.Бурсиан Е.В. "Задачі по фізиці для комп'ютера" - М.: "Освіта", 1991.

16. Тунін О.А. "Комп'ютерне навчання і демонстраційні програми" /Фізика. - 1999, №12.

17. Мякишев Г.Я. "Фізика-11", - М.: "Освіта", 1991.

18. Самойлова Г.С. "Аркуші взаємоконтролю" /Фізика. - 1999, №42,

19 Угринович Н.Д. "Питання комп'ютеризації навчального процесу" - М.: "Освіта", 1997.

20. Коханов К.Ю. "Оптичні ілюзії в шкільному курсі фізики" /Фізика. - 1999, №11,Ю.

Додатки

Додаток 1

План-конспект уроку, з фізики.

Тема: Швидкість світла

Мета уроку: ознайомити учнів із прямим і не прямим способами вимірювання швидкості світла.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

Демонстрації: 1. Таблиця швидкість світла

2. фрагменти відео фільму ”Швидкість світла”.

Вивчення нового матеріалу.

1.Швидкість світла у вакуумі. У фізиці швидкість світла є однією з фундаментальних констант. Жодна константа не набула такого важливого значення як швидкість світла: як параметр вона входить у числені рівняння теоретичної фізики її значення використовується в радіолокації, при вимірюванні відстаней від Землі до інших планет, під час керування космічними польотами. Виразити швидкість світла через інші сталі не можливо її можна тільки виміряти дослідним шляхом. У фізиці такі величини називаються фундаментальними.

Швидкість світла є скінченною, граничною та інваріантною що до різних інерціальних систем відліку.

Скінченність швидкості світла доводиться експериментально прямим і не прямим методами.

Прямий спосіб грунтується на вимірювання шляху пройденого світлом, і часу його проходження, тобто . У всіх прямих методах використовується переривання світла, що поширюється від джерела до приймача. У сучасних радіолокаційних методах передавачі посилюють імпульси, що повертаються після відбивання на передавальну радіостанцію.

В основі не прямого способу лежить уявлення про світло як електромагнітну хвилю. У наш час за допомогою лазерної техніки швидкість світла визначається вимірюванням довжини хвилі і частоти радіовипромінювання незалежними один від одного способами ц обчислюється за формулою с=?v.

2. Астрономічний метод вимірювання швидкості світла. Вперше визначити швидкість світла вдалося датському вченому Ремеру 1676 року під час спостереження одного із супутників Юпітера - Іо. Через малу точність вимірювання і приблизний радіус орбіти Землі від дістав для швидкості світла значення 215000 км/с. Але відкриття Ремеера має величезну цінність, оскільки вперше було показано, що швидкість поширення світла має скінченне значення.

3. Лабораторні методи вимірювання швидкості світла. Вперше швидкість світла лабораторним методом вдалось виміряти в 1849р. французькому фізикові Фізо. У цьому методі використовується оптичний „затвор”, у свій час запропонований Галілеєм. У досліді Фізо для швидкості світла було здобуто значення 313000 км/с.

Було розроблено ще багато інших, більш точних лабораторних методів вимірювання швидкості світла. Зокрема американський фізик Мйкальсон розробив досконалий метод її вимірювання і застосування обертових дзеркал. За результатами досліду Майкельсон дістав значення км/с.

Було обчислено швидкість світла і у різних прозорих речовинах. Так, у воді вона була виміряна 1856р. і виявилися в 4/3 разу меншою ніж у вакуумі. В усіх інших речовинах вона також менша ніж у вакуумі за сучасними даними , швидкість світла у вакуумі дорівнює 299792458 м/с.і з точністю 1.2м/с.

До конспекту учня.

Швидкість світла є скінченною, граничною та інваріантною що до різних інерціальних систем відліку.

Домашнє завдання. Параграф 32.

Додаток 2

План-конспект уроку, з фізики.

Тема:Застосування фотоефекту

Мета уроку:Ознайомити учнів із практичним застосуванням явища фотоефекту.

Тип уроку:комбінований урок

Демонстрації:1.будова та принцип дії фотоелементів.

2. будова та принцип дії фотореле.

3. фрагменти відеофільму „Фотоелементи та їх застосування”.

Перевірка знань самостійна робота №1

Варіант 1.

1.Який із наведених нижче виразів найбільш точно визначає поняття фотоефекту? Вкажіть правильну відповідь.

· Випускання електронів речовиною в результаті її нагрівання.

· Виривання електронів із речовини під дією світла.

· Збільшення електричної провідності речовини під дією світла.

2.На металеву пластинку падає монохроматичне світло довжина хвилі якого мкм. Фотострум припиняється за затримуючої напруги 0,95В. Визначте роботу виходу електронів із поверхні пластинки. (Відповідь:2еВ)

Варіант 2.

1.За якої умови можливий фотоефект? Вкажіть всі правильні відповіді.

·

· hv=A_B

· hv<A_B

2.До вакуумного фотоелемента, в якому катод виготовлений з цезію, прикладена замикаюча напруга 2В. При якій довжині хвилі світла, що падає на катод, з'явиться фотострум? (Відповідь:330нм)

Вивчення нового матеріалу.

1.Зовнішній фотоефект - випускання електронів із поверхні металу під дією світла. Прилади, в основі принципу дії яких лежить явище фотоефекту називається фотоелементами. У фотоелементах енергія світла керує енергією електричного струму або перетворюється на неї.

Переваги фотоелементів: безінерційність фотострум пропорційний світловому потоку.

Недоліки фотоелементів: слабкий струм, мала чутливість до довгохвильового випромінювання, складність у виготовленні, не використовується в колах змінного струму.

Застосування зовнішнього фотоефекту в техніці:

· кіно (відтворення звуку й телебачення)

· фототелеграф, фототелефон

· фотометрія (вимірювання сили світла, яскравості,освітленості )

· керування виробничими процесами

2. Внутрішній фотоефект - зміна концентрації носіїв струму в речовині та як наслідок зміна електропровідності даної речовини під дією світла. Це явище використовується у фоторезисторах - приладах, опір яких залежить від освітленості. Крім того, сконструйовані напівпровідникові фотоелементи , які створюють ЕРС і безпосередньо перетворюють енергію випромінювання на енергію електричного струму.

Застосування внутрішнього фотоефекту в техніці:

· при автоматичному керуванні електричними колами;

· у колах змінного струму;

· у фотоекспонометрах;

· у сонячних батареях;

· при оптичному записі і відтворенні звуку.

До конспекту учнів

Зовнішній фотоефект - випускання електронів із поверхні металу під дією світла.

Внутрішній фотоефект - зміна концентрації носіїв струму в речовині та як наслідок зміна електропровідності даної речовини під дією світла.

Домашнє завдання: П 54.

Задача.

Чому дорівнює робота виходу електронів з металу якщо під дією фотонів з енергією 4еВ із поверхні металу вилітають фотоелектрони з максимальною кінетичною енергією 1.5 еВ ?(відповідь 2.5 еВ.)

Додаток 3

План-конспект уроку, з фізики.

Тема: Корпускулярно хвильовий дуалізм.

Тип уроку: урок закріплення знань.

Мета уроку: ознайомити учнів з двоїстою природою світла.

Викладення нового матеріалу

Урок можна провести у формі уроку-семінару, узагальнивши знання учнів про хвильові та корпускулярні властивості світла.

Класична фізика завжди чітко розмежовувала об'єкти, що мають хвильову природу (наприклад світло, звук), та об'єкти, що мають дискретну корпускулярну структуру (наприклад системи матеріальних точок). Одне з найбільших значних досягнень сучасної фізики - переконання в хибності протиставлення хвильових і квантових властивостей світла. Розглядаючи світло як потік фотонів, а фотони як кванти електромагнітного випромінювання, що мають одночасно і хвильові, і корпускулярні властивості, сучасна фізика змогла об'єднати, здавалося б, непримиренні теорії - хвильову і корпускулярну. У результаті виникло уявлення про корпускулярно-хвильовий дуалізм, який лежить в основі всієї сучасної фізики.

Корпускулярно-хвильовий - це прояв у одного і того самого об'єкта як корпускулярних, так і хвильових властивостей.

Заповнюємо разом із учнями таблицю „Основні відмінні властивості частинок речовини та частинок електромагнітного поля (фотонів)”. При цьому пояснюємо кожен пункт таблиці.

Речовина	Електромагнітне поле
1.	1.
2.або0	2.
3.v<c	3.v=c
4.можуть утворювати просторово обмежені локалізовані макроскопічні системи (тіла)	4.не локалізовані (поле просторово не обмежене)
5.не підкоряються принципу суперпозиції	5.підкоряється принципу суперпозицій

Можна запропонувати учням пояснити інтерференцію світла з погляду квантової (корпускулярної) і хвильової теорії.

У квантовій теорії	У хвильовій теорії
Під час накладання один на одного когерентних пучків світла (безлічі фотонів) відбувається взаємодія фотонів у результаті чого в різні точки екрана потрапляю різна кількість фотонів виникає локалізація підсилень і ослаблень світла (інтерференційна картина)	Під час накладання когерентних світлових хвиль виникає інтерференційна картина підсилення (мах) і ослаблення (мін) світла. Максимуми інтенсивності світла спостерігаються втих місцях, де , мінімуми -

Отже квант світла - не хвилю, але й не курпускула в розумінні Ньютона. Фотони - особливі мікрочастинки енергія і імпульс яких (на відміну від звичайних матеріальних точок) виражаються через видові характеристики - частоту й довжину хвилі.

Задачі для розв'язування на уроці.

1. назвіть характерні властивості частинок речовини та частинок електромагнітного поля(фотонів).

2. Знайдіть частоту й довжину хвилі випромінювання, маса фотона якого дорівнює масі спокою електрона (Відповідь: 1.24*10²⁰Гц; 2.43 пм);

3. чому дорівнює імпульс фотона, енергія якого дорівнює 3 еВ.(Відповідь 1.6*10^-27кг*м/с).

До конспекту учнів.

Корпускулярно-хвильовий - це прояв у одного і того самого об'єкта як корпускулярних, так і хвильових властивостей.

Домашнє завдання:П- 56, Підготуватися до самостійної роботи.

Додаток 4

План-конспект уроку, з фізики.

Тема заняття: Тиск світла.

Мета заняття: Сформувати знання про тиск світла.

Тип уроку: комбінований урок.

Демонстрації: дослід Лебедєва.

Перевірка знань

1. Як ви розумієте двоїсту природу світла?

2. В яких явищах виявляються хвильові властивості світла, а вяких процесах - корпускулярні?

3. Які явища можна пояснити як хвильовою, так і квантовою теоріями?

Викладення нового матеріалу

На основі електромагнітної теорії світла Д.Максвелл передбачив, що світло повинно чинити тиск на перепони. Існування світлового тиску випливає також з квантової теорії світла. Якщо фотон має масу , то під час зіткнення його з поверхнею твердого тіла може відбутися або поглинання фотона або його відбивання. В першому випадку зміна імпульсу фотона дорівнює: , а в другому - вона в два рази більша: . Тому за однакової густини потоку світлового випромінювання тиск світла на дзеркальну поверхню повинен бути в двічі більшим за тиск на чорну поверхню яка поглинає світло.

Багато вчених намагалися виміряти тиск світла, однак їм це не вдавалося, оскільки світловий тиск дуже малий.

В яскравий сонячний день на 1м² діє сила всього лише 4*10^-8Н. Вперше тиск світла поміряв російський фізик П.М.Лебедєв лише в 1900р.

В дослідах Лебедєва однакові світлові потоки напрямлялися на два легенькі металеві диски, підвішені на тонкій нитці. Один диск був дзеркальним і відбивав падаюче на нього світло, другий - чорний, який його поглинав. В розі одночасного освітлення двох дисків відбувалось їх повертання навколо вертикальної осі.

За кутом закручення пружної нитки підвісу можна було виміряти момент сил, які викликали цей поворот. Закручування нитки підвісу відбувалося в напрямі, що відповідав більшій силі тиску світла на дзеркальний диск якій відбивав світло.

Одержане вченими значення тиску світла збігалося з тим, яке передбачив Максвелл. Пізніше, після трьох років наполегливої праці, Лебедєву вдалося здійснити ще тонший експеримент виміряти тиск світла на гази.

Досліди Лебедєва можна розглядати як експериментальне доведення того що фотони мають імпульс. Закон збереження імпульсу - загальний. Він справедливий як для звичайної речовини так і для фотонів - квантів електромагнітного поля.

Сила світлового тиску в природних умовах не завжди мізерно мала порівняно з іншими силами. В надрах зірок за температури в кілька десятків мільйонів К тиск електромагнітного випромінювання повинен досягати величезних значень і саме цей тиск перешкоджає необмеженому стисканню зірок.

Закріплення вивченого матеріалу.

1.Хто вперше провів дослід на визначення тиску свівтла?

Домашнє завдання. Параграф 73.

Додаток 5

План-конспект уроку, з фізики.

Тема заняття: Заломлення світла.

Мета заняття:Сформувати знання про заломлення світла.

Тип уроку:Проблемний урок.

Демонстрації: 1 Прямолінійне поширення світла

2. Відбивання світла.

3. Заломлення світла

Вивчення нового матеріалу.

Створення проблемної ситуації.

Нехай ми маємо перед собою дві порожні склянки. Наллємо в одну до половини води, а потім опустимо в обидві склянки олівці (по одному в кожен). І що ми побачимо? Олівець опущений у склянку з водою здається переломленим на межі між водою і повітрям?

Формування проблеми.

Як можна пояснити, що олівець в склянці з водою стає переломленим, в той час коли олівець в порожній склянці залишається незмінним?

Розробка робочих гіпотез.

· Олівець переламали перед дослідом;

· У воду добавили безбарвної речовини щоб виникло враження переламаного олівця;

· Це пов'язано з властивістю світла при проходженні через різні середовища;

Перевірка робочих гіпотез.

· Виймаємо олівець і демонструємо що він цілий;

· Беремо іншу склянку і наливаємо води з крана;

· Спостерігаємо це саме явище при переході променя з повітря у воду, і з води в повітря.

Аналіз

Перші дві гіпотези виявились неправильними, а третя правильною. Звідси можна зробити висновок: при переходженні світла через межу поділу двох середовищ воно змінює свій напрям і це явище називається заломлення світла.

Дослід показує, що при переході променя з повітря в скло або воду кут заломлення менший від кута падіння це можна схематично зобразити на малюнку. З малюнка також видно, що падаючий і заломлений промені лежать в одній площині. З перпендикуляра проведеного з поверхні поділу двох середовищ у її падіння променя.

Учні також зможуть пояснити в якому випадку світло проходячи через межу поділу двох середовищ не заломлюється, коли промінь падає під кутом 0⁰ або коли оптичні властивості середовища однакові.

Повернення до проблемної ситуації.

Таким чином ми з'ясували що при переході променя з одного середовища в інше світло заломлюється.

Заломлення світла є причиною того що:?

· олівець у склянці з водою здається переломлений;

· глибина водойми уявляється меншою ніж є насправді;

· через заломлення світла в атмосфері Землі ми бачимо зорі, Сонце вище від їх справжнього положення.

Закріплення нового матеріалу

Запитання до учнів

1. Які приклади ви можете навести на підтвердження прямолінійного поширення світла?

2. Чому утворення тіні доказом прямолінійного поширення світла?

3. Що таке тінь і півтінь?

4. Чим зумовлене заломлення світла на межі розділу двох прозорих середовищ?

Домашнє завдання. Опрацювати параграф „Заломлення світла”.

Додаток 6

План-конспект уроку, з фізики.

Тема заняття:Закони фотоелектричного ефекту.

Мета заняття:

1. Навчальна: Сформувати знання про закони фотоелектричного ефекту.

2. Розвиваюча: розвивати у школярів увагу та уміння здійснювати самоконтроль.

3. Профорієнтаційна: формувати в учнів стійкі професійні інтереси.

Тип уроку:Комбінований урок.

Хід уроку.

Вивчення нового матеріалу.(Розповідь вчителя)

Одним із явищ яке підтверджує гіпотезу існування фотонів, є фотоелектричний ефект.

Під час проведення дослідів з метою одержання електромагнітних хвиль Г.Герц у 1887р. помітив, що опромінювання ультрафіолетовим світлом негативно зарядженого електрод сприяє виникненню іскри у просторі між електродами.

Суть явища, виявленого Герцом полягає в тому що при освітленні ультрафіолетовим випромінюванням негативно заряджені металеві тіла втрачають негативний заряд. При освітленні тим же промінням позитивно зарядженого тіла втрати електричного заряду не спостерігається крім того, якщо не заряджене тіло освітлювати, то за певних умов воно заряджається позитивно.

Після відкриття електрона в 1897р. Ф.Ленард і Дж.Дж.Томсон довели експериментально, що під дією світла відбувається звільнення електронів з металів.

Явище звільнення електронів з речовини при освітленні її світлом називається фотоелектричним ефектом (фотоефектом). Розрізняють зовнішній і внутрішній фотоефект. При зовнішньому фотоефекті електрони звільняються світлом з поверхневого шару речовини і переходять в інше середовище або вакуум.

Мал. 1

При внутрішньому фотоефекті відбувається перерозподіл електронів за енергетичними станами в конденсованих середовищах при поглинанні ними світла. У цьому випадку електрична нейтральність тіла не порушується.

Електрони, звільнені під дією світла називаються фото-електронами. Фотоелектричні властивості мають не тільки метали але й діелектрики, напівпровідники та електроліти, при чому необхідною але не достатньою умовою фотоефекту є помітне поглинання світла поверхневим шаром освітлюваного тіла. Для обгрунтування гіпотези фотонів основне значення має зовнішній фотоефект.

Явище фотоефекту - один із проявів взаємодії світла із речовиною, який розкриває квантову природу світла. Перші дослідження цього явища належать Хальваксу.

На (рис.1) показана схема експериментальної установки для дослідження фотоефекту. Світло через кварцове віконце О попадає на катод К, виготовлений з досліджуваного металу. Фотоелектрони, звільнені при освітленні катода, під дією електричного поля між катодом і анодом рухається до анода А, створюючи фотострум. Катод і анод розміщені у вакуумній трубці Т. Напруга між ними змінюється за допомогою потенціометра П.

Дослідження залежності фотоструму від різниці потенціалів між катодом і анодом у разі опромінювання катода монохроматичним світлом показали що фотострум існує не тільки тоді, коли , але й тоді, коли . Він припиняється для даної речовини катода тільки при певній величині від'ємного значення різниці потенціалів , яка називається гальмівною напругою. Вона не залежить від інтенсивності світла.

Мал.2

Мал.3

Зі збільшенням напруги сила фотоструму зростає і при деякому значенні досягає насичення (рис.2). Узагальнюючи результати експериментальних даних встановлено такі закономірності фотоефекту: сила фотоструму насичення І прямо пропорційна світловому потоку Ф, що падає на катод (рис.2), криві (1,2); гальмівна напруга лінійно залежить від частоти і не залежить від його інтенсивності; початкова кінетична енергія звільнених світлом електронів лінійно залежить від частоти світла і не залежить від його інтенсивності; фотоефект не виникає, якщо частота світла менша від деякої характерної для даного металу величини ; фотоефект явище безінерційне, тобто з припиненням освітлення він припиняється.

Додаток 7

План-конспект уроку, з фізики.

Тема заняття:Дослід Юнга.

Мета заняття:

4. Навчальна: Сформувати знання про дослід Юнга.

5. Розвиваюча: розвивати у школярів увагу та уміння здійснювати самоконтроль.

6. Профорієнтаційна: формувати в учнів стійкі професійні інтереси.

Тип уроку:Комбінований урок.

Хід уроку.

Викладення нового матеріалу (розповідь вчителя)

Англійський вчений Т Юнг протягом всього свого життя займався вивченням оптичних явищ. Інтерес до них був викликаний результатами дослідів по поляризацію світла, проведеними в 1810-1815 рр., і роботами в області оптики О.Ж.Френеля, виконаними в 1815-1823 рр. Юнг був прихильником ідей Френеля, переписувався з ним і перекладав його роботи на англійську мову.

В роботі «Про теорію світла і кольорів» Юнг писав, що світло є хвильовим процесом в заповнюючому Всесвіт світлоносному ефірі. Відчуття кольору, по Юнгу, залежать від різної частоти коливань, порушуваних світлом в сітківці. Далі Юнг пояснював кольори подряпин на непрозорих поверхнях і робив висновок про те, що ці кольори мають те ж походження, що і кольори тонких прозорих плівок. При цьому Юнг детально обговорював досліди Ньютона, в ході яких спостерігалися веселкові кільця.

В роботі «Лекція про природу світла і кольорів» з курсу лекцій «по натуральній філософії і механічним ремеслам» Т.Юнг висунув ідею про те, що, якщо світло -- хвильовий процес, то для нього повинні спостерігатися ті ж явища, які характерні для механічних хвиль (наприклад, для хвиль на воді і для звуку). Юнгом був зроблений дуже важливий висновок про те, що для спостереження взаємного посилення або гасіння світлових хвиль (тобто для спостереження явища інтерференції) світло повинне виходити від одного джерела. При цьому світло слід розділяти за допомогою явищ дифракції, віддзеркалення або заломлення: світло повинне приходити в деяку область простору різними шляхами, але при цьому так, щоб різниця цих шляхів була не дуже велика.

Тепер ми розуміємо, що при великій різниці ходу не зможуть зустрітися цуги хвиль, отримані при розділенні яким-небудь чином хвильового цугу, утвореного в одному акті випуску світла атомом речовини.

Юнг запропонував найпростіший, на його думку, спосіб розділення світла від одного джерела на дві частини: пропустити світло через два дуже маленьких отвори або дві щілини в екрані, які можна розглядати як центри що розходяться у всі сторони пучків світла (мал. 4, де А -- щілина, що є джерелом світла -- вона виділяє вузький пучок світла від джерела, що знаходиться за нею; б і З -- дві щілини в екрані, завдяки яким світло від джерела .А ділиться на дві частини). Якщо на шляху отриманих пучків світла поставити екран, то в області, куди потрапляє світло від обох отворів (або обох щілин) повинне спостерігатися взаємне посилення і гасіння світла залежно від відстаней, які світло пройшло, перш ніж потрапив в ту або іншу точку екрану (залежно від різниці ходу проміння).

На екрані дійсно спостерігалася картина, в центрі якою була біла пляма або біла смуга. Далі симетрично щодо центру картини розташовувалися кольорові смуги.

Досвід Юнга одночасно був прикладом інтерференції і дифракції світлових хвиль, оскільки інтерференційна картина виходила при накладенні двох пучків світла, утворених в результаті дифракції на двох отворах або двох щілинах.

В роботі Юнга не мовилося про спосіб формування пучка світла, падаючого на два отвори або дві щілини. Тепер ми розуміємо, що перша щілина А в установці Юнга була необхідна для тогна щілини В is. З падало світло тільки від близько розташованих ділянок реального світиться тіла, що знаходиться за першою щілиною. В цьому випадку щілини В і З «ділили» світло фактично від одного джерела на дві частини і тому ці щілини можна було вважати когерентними джерелами світла. Хвилі від когерентних джерел при накладенні давали інтерференційну картину.

Таким чином, досліди Юнга неспростовно свідчили про те, що світло є хвильовим процесом.

Домашнє завдання: доконспектувати дослід Юнга