Методическая разработка занятия на тему «Скорость света и методы ее определения»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

ДОНЕЦКОЙ НАРОДНОЙ РЕСПУБЛИКИ

ГОРЛОВСКИЙ АВТОТРАНСПОРТНЫЙ ТЕХНИКУМ

ГОСУДАРСТВЕННОГО ВЫСШЕГО УЧЕБНОГО ЗАВЕДЕНИЯ

«ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

открытого занятия на тему

«Скорость света и методы её определения»

ОДП.02 Физика

специальность: 23.02.01 «Организация перевозок и управление на транспорте (автомобильном)»

Горловка, 2016

Подготовила Баркова Ирина Сергеевна, преподаватель Горловского автотранспортного техникума государственного высшего учебного заведения «Донецкий национальный технический университет», специалист высшей категории.

Методическая разработка содержит материалы для проведения лекции на тему «Скорость света и методы её определения» с использованием традиционных форм и методов обучения в сочетании с элементами проблемно-поисковых, интерактивных и мультимедийных технологий. Занятие раскрывает историю развития взглядов на природу света, понятия астрономического и лабораторных методов измерения скорости света.

Для преподавателей физики.

Рецензенты: Свириденко М.Н., преподаватель математики, физики ГПОУ «Горловский  колледж  промышленных технологий и экономики», специалист высшей категории.

Брагина Е.А., преподаватель Горловского автотранспортного техникума государственного высшего учебного заведения «Донецкий национальный технический университет», специалист высшей категории.

Рассмотрено и одобрено на заседании цикловой комиссии

«Физико-математические, общетехнические

дисциплины и компьютерная техника»

Протокол № __ от «_____» _____________ 2016 г.

Председатель ЦК ______________ Е.А. Брагина

СОДЕРЖАНИ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА 4

1. ПЛАН ЗАНЯТИЯ 5

2. СОДЕРЖАНИЕ И ХОД ЗАНЯТИЯ 6

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 24

ПРИЛОЖЕНИЕ А 25

КАРТА ЗАНЯТИЯ 25

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Учение о свете является одним из самых важных в современной физике. Оно основывается на волновых и квантовых представлениях. Технические приложения оптики огромны. Оптические методы широко внедряются в научные исследования и в технику (при измерениях размеров тел, в спектральном и люминисцентном анализе, исследованиях упругих свойств материалов и т.п.). Законы оптики широко применяются в оптотехнике, связанной с получением изображений в оптических инструментах, светотехнике, занимающейся освещением и источниками света, и в фототехнике, в которой используются квантовые свойства света.

Данная методическая разработка содержит образец организации и проведения занятия изучения нового учебного материала по дисциплине ОДП.02 Физика на тему «Скорость света и методы её определения». Выбор темы занятия не является случайностью. В ходе занятия обучающиеся знакомятся с историей развития представлений о природе света. Эта история весьма поучительна и обучающиеся должны иметь представления о роли выдающихся ученых – И.Ньютона, Х.Гюйгенса, Т. Юнга, Ш.Френеля, А.Эйнштейна, М.Планка и др.– в создании современной теории оптических явлений.

Занятие позволяет использовать богатый материал из истории физики. Стержневой идеей при изучении исторических сведений используется идея становления понятия «света» в физике.

При изучении темы «Скорость света и методы её определения» большое внимание обращается на роль опыта в процессе познания, на взаимосвязь теории и практики, эксперимента, подчеркивается, что теория применима в тех границах, в которых экспериментально подтверждаются вытекающие из нее следствия.

Выбранная тема способствует формированию научного мировоззрения и целостной картины мира, а также имеет гуманитарное значение, заключающееся в том, что она вооружает обучающихся научным методом познания, позволяющим получать объективные знания об окружающем мире.

1. ПЛАН ЗАНЯТИЯ

Дисциплина: ОДП.02 Физика

Группа: 1ТО

Специальность: 23.02.01 «Организация перевозок и управление на транспорте (автомобильном)»

Количество студентов: 19

Дата: 31.03.2016

Преподаватель: Баркова Ирина Сергеевна

Тема занятия: «Скорость света и методы ее определения»

Вид занятия: занятие изучения нового учебного материала

Тип занятия: занятие с групповыми формами работы

Методы проведения занятия: репродуктивный, проблемный, эвристический

Формы деятельности: словесные (рассказ, беседа), наглядные (метод иллюстрации и демонстрации), практические (заполнение таблиц).

Способы организации деятельности: фронтальный, коллективный, групповой

Методическая цель: усовершенствовать методику организации и проведения лекции с использованием традиционных форм и методов обучения в сочетании с элементами проблемно-поисковых, интерактивных и информационно-коммуникационных технологий; создать условия для формирования знаний, умений и навыков обучающихся, развития их способностей, воспитания качеств личности.

Образовательная цель: расширить знания обучающихся о свете, рассмотреть историю развития взглядов на природу света, обеспечить восприятие и осмысление сущности природы света, изучить астрономический и лабораторные методы измерения скорости света.

Воспитательная цель: воспитывать сознательную дисциплину и нормы поведения обучающихся, творческое отношения к учебной деятельности положительный интерес к физике, аккуратность и внимательность при выполнении работ, уважительное отношение друг к другу.

Развивающая цель: развивать внимательность, память, наблюдательность и умения выделять главное при оценке явлений и факторов, коммуникативные умения и навыки, умение правильно обобщать данные и самостоятельно делать выводы.

Материально-техническое обеспечение занятия: учебники, компьютерная презентация Power Point, карты занятия, ноутбук, экран, плакат для проведения рефлексии.

Межпредметные связи: история, математика, литература.

Литература: Физика. 11 класс : учеб. для общеобразоват. : базовый уровень / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, В. М. Чаругин; под ред. Н. А. Парфентьевой. – 3-е изд. – М. : Просвещение, 2016. – 432 с., [4] л. ил. – (Классический курс). – ISBN 978-5-09-037753-9.

2. СОДЕРЖАНИЕ И ХОД ЗАНЯТИЯ

2.1. Организационный этап. 1мин.

Дидактическая задача этапа. Подготовить обучающихся к работе на занятии.

Содержание этапа. Взаимные приветствия преподавателя и обучающихся; рапорт дежурного; фиксация отсутствующих; проверка подготовленности обучающихся к занятию; организация внимания и внутренней готовности; эмоционально – психологический настрой на занятие.

2.2. Этап подготовки учащихся к активному и сознательному усвоению нового материала. 2 мин.

Дидактическая задача этапа. Организовать и направить к цели познавательную деятельность обучающихся.

Содержание этапа. Сообщение цели, темы и задач изучения нового материала; показ его практической значимости; постановка перед обучающимися учебной проблемы. Мотивация учебной деятельности.

Преподаватель: Сегодняшнее наше занятие мне бы хотелось начать словами:

Науку все глубже постигнуть стремись,

Познанием вечного жаждой тянись.

Лишь первых познаний блеснет тебе свет,

Узнаешь: предела для знания нет.

С момента нашего рождения мы познаем окружающий мир. А что нам помогает воспринимать окружающий мир? (Органы чувств).

Одним из видов познания является чувственное познание – познание, осуществляемое органами чувств – зрением, слухом, обонянием, осязанием, вкусом. Более 90% информации об окружающем мире человек получает с помощью зрения.

Обладая прекрасным даром – зрением, мы ежедневно восхищаемся красотой и уникальностью окружающего мира. Свет от окружающих предметов попадает в глаз, вызывая реакцию его чувствительных элементов (сетчатки). Эта реакция расшифровывается мозгом, и мы видим изображение.

Сегодня мы начинаем изучение нового раздела физики под названием «Оптика». С этим разделом вы знакомились еще в школьном курсе и, наверное, помните некоторые его аспекты. Давайте вспомним, что же изучает «Оптика»?

Оптика – это раздел физики, изучающий законы излучения, распространения света и взаимодействия с веществом.

В повседневной жизни слово «свет» мы используем каждый день. А что же такое свет? (Обучающиеся пытаются ответить на этот вопрос.  Выслушиваются ответы обучающихся).

Когда мы поворачиваем выключатель, то вся комната сразу же озаряется светом. Кажется, что свету совсем не надо времени, чтобы достигнуть стен. Кажется, что распространение света совсем не требует времени, что свет любые расстояния преодолевает мгновенно. Однако оказалось, что скорость света не бесконечно велика, и эта скорость была измерена.

Сегодня на занятии, тема которого «Скорость света и методы ее определения» нам предстоит провести исследование и выяснить природу света, а также мы рассмотрим методы измерения скорости света.

План занятия:

1. Развитие взглядов на природу света.

2. Методы определения скорости света.

Обратите внимание, у вас на столах лежат карты занятия, в которых в течение занятия вы будете в краткой форме фиксировать главные тезисы нашей лекции. В конце занятия вы заберете их с собой и вложите к себе в тетради.

(Приложение А)

Прошу вас сегодня на занятии проявить свои знания, умения, смекалку, эрудицию и находчивость. Потому что от этих факторов, а также от вашей ответственности и активности будет зависеть ваша общая оценка. Я рассчитываю на вашу активную и продуктивную работу.

2.3. Этап актуализации опорных знаний. 10 мин.

Дидактическая задача этапа. Проверить знания обучающихся; стимулировать их к овладению рациональными приемами обучения и самообразования.

Содержание этапа. Проверка объема и качества усвоения материала методом устного фронтального опроса; проверка характера мышления обучающихся; проверка степени сформированности общеучебных умений и навыков; комментирование и оценка ответов обучающихся.

Преподаватель: Перед тем, как перейти к изучению нового материала давайте вспомним, о чем мы говорили на предыдущих занятиях, а также то, что вы уже знаете по данной теме. С этой целью я предлагаю вам ответить на несколько вопросов.

1. Что называют источниками света?

Предполагаемый ответ: Источниками света – называют тела, способные излучать свет.

2. Является ли Луна и звезды источниками света?

Предполагаемый ответ: Звезды являются источниками света, а Луна – не является, так как она не способна излучать свет. Луна только отражает солнечные лучи.

3. Приведите примеры источников света.

Предполагаемый ответ: Солнце, свечка, спичка, зажигалка, фонарь, лампочка, полярное сияние, молния.

4. На какие виды делятся все источники света?

Предполагаемый ответ: Источники подразделяются на два вида: естественные, т.е. природные и искусственные, т.е. сделанные руками человека.

5. Приведите примеры естественных источников света.

Предполагаемый ответ: Солнце, звезды, молния, полярное сияние, глаза кошки, некоторые насекомые (светлячки) и рыбы, северное сияние, гниющие дерево (гнилушки).

6. Приведите примеры искусственных источников света.

Предполагаемый ответ: Пламя костра, свечи, электрические лампы накаливания и дневного света, экран телевизора, монитора компьютера

7. На какие виды делятся искусственные источники света в зависимости от того, какой процесс лежит в основе получения излучения?

Предполагаемый ответ: Искусственные источники света, в зависимости от того, какой процесс лежит в основе получения излучения, разделяют на тепловые и люминесцентные.

8. Приведите примеры тепловых источников света.

Предполагаемый ответ: К тепловым источникам относят электрические лампочки, пламя газовой горелки, свечи.

9. Приведите примеры люминесцентных источников света.

Предполагаемый ответ: К люминесцентным источникам относят люминесцентные и газосветные лампы.

10. Чем отличается излучение утюга или кипятильника от излучения электрической лампы накаливания?

Предполагаемый ответ: Излучение утюга или кипятильника отличается от излучения электрической лампы накаливания предметом, который дает это излучение – т.е. источником. У утюга и кипятильника инфракрасное (тепловое) излучение, у лампы – видимое излучение.

11. Что называют волной?

Предполагаемый ответ: Волна – это процесс распространения колебаний в пространстве с течением времени?

12. Какие виды волн в зависимости от их физической природы вы знаете?

Предполагаемый ответ: В зависимости от их физической природы различают механические и электромагнитные волны.

13. В чем существенное отличие электромагнитных волн от механических?

Предполагаемый ответ: Ме­ханические волны распространяются в веществе: газе, жидкости или твердом теле. Электромагнитные волны не нуждаются в каком-либо веществе для своего распростра­нения и могут су­ществовать в вакууме.

14. Чему равна скорость электромагнитной волны в вакууме?

Предполагаемый ответ: Скорость электромагнитной волны в вакууме равна 3·10⁸ м/с.

15. Что называют лучом?

Предполагаемый ответ: Луч – это линия, вдоль которой происходит перенос энергии волной.

16. Как распространяется свет в однородной среде?

Предполагаемый ответ: Свет в однородной среде распространяется прямолинейно.

17. Какое явление служит доказательством прямолинейного распространения света.

Предполагаемый ответ: Доказательством прямолинейности распространения света служит образование тени и полутени.

18. Объясните, для чего строители при выборе досок смотрят вдоль ее края?

Предполагаемый ответ: Так как свет в однородной среде распространяется прямолинейно, то по лучу зрения строители контролируют прямолинейность досок, т.е. качество изделия.

19. Какие еще законы оптики вы знаете?

Предполагаемый ответ: Закон отражения света и закон преломления света.

Подведение итогов актуализации опорных знаний. Комментирование и оценка ответов обучающихся.

2.4. Этап усвоения новых знаний. 55 мин.

Дидактическая задача этапа. Дать обучающимся конкретное представление об изучаемых фактах, явлениях, основной идеи изучаемого вопроса. Добиться от обучающихся восприятия, осознания, первичного обобщения и систематизации новых знаний, усвоения учащимися способов, путей, средств, которые привели к данному обобщению; на основе приобретаемых знаний вырабатывать соответствующие знания, умения и навыки.

Содержание этапа. Организация внимания; постановка перед обучающимися проблемной ситуации, постановка эвристических вопросов; сообщение нового материала; рассказ преподавателя; использование обыденных аналогий; творческая работа обучающихся по вопросу «Развитие взглядов на природу света»; составление таблицы первичного обобщения материала; обеспечение восприятия, осознания, систематизации и обобщения этого материала обучающимися.

2.4.1. Теоретический блок «Развитие взглядов на природу света».

20 мин.

Преподаватель: Из повседневной жизни нам известно, что свет нагревает тела, на которые он падает. Следовательно, он передаёт этим телам энергию. Основным источником света и тепла на нашей планете является Солнце.

Лучи солнца поглощаются всеми предметами, на которые они падают, и нагревают их. Но ведь Солнце находится на огромном расстоянии от Земли, это 150 млн.км. Каким же образом энергия передается от одного тела к другому, находящемуся на некотором расстоянии от первого?

Проведение мысленного эксперимента. Обучающимся предлагается представить, что на одной из стен кабинета висит колокольчик. Как человек, находящийся на противоположной стороне, может заставить колокольчик звенеть?

В ходе рассуждений обучающиеся приходят к выводу: чтобы колокольчик звенел в него нужно либо бросать какие-нибудь предметы, например шарики, либо привязать к нему шнур и если один конец шнура быстро отвести вверх и вернуть обратно, то образовавшаяся волна «побежит» по шнуру.

Таким образом, мы можем сделать вывод, что действие одного тела на другое может осуществляться двумя способами: либо посредством переноса вещества от источника к приемнику, либо же посредством изменения среды между телами, т.е. посредством волны (без переноса вещества).

И при движении частиц происходит перенос энергии. Но и волна также переносит энергию. Таким образом, мы имеем два разных потока энергии: энергия, переносимая с потоком частиц, и энергия, переносимая волной. Каким же из этих способов энергия переносится от Солнца к предмету, находящемуся на поверхности Земли?

Давайте рассмотрим историю развития взглядов на природу света. По окончанию изучения вопроса вам необходимо будет самостоятельно заполнить таблицу «История развития взглядов на природу света».

Инсценировка спора И. Ньютона и Х. Гюйгенса о природе света, сопровождающаяся демонстрацией фрагментов видеоролика «Свет – волна или частица?» (размещение на сайте http://video.nur.kz/).

1 обучающийся: Ещё в глубокой древности учёные интересовались природой света. Первые представления древних ученых о свете были весьма наивны. Древние ученые очень уж мистически его представляли себе. Считалось, что из глаз человека, животных и других существ выходят особые тонкие щупальца и при ощупывании ими предметов глаз их видит. Ну, до этого только ученые и могли додуматься! Во-первых, как быть с «ощупыванием» далеких и горячих предметов? Как этим щупальцам дотянуться, например, до Солнца? Да и сгорят они там, из чего бы ни были сделаны.

Или если покажут что-нибудь интересненькое, то каждый свои щупальца туда и потянет. Перепутаются они там, да и мест для ощупывания на этом «интересненьком» не хватит, если смотрит на это много народа.

Более правдоподобную гипотезу о природе света выдвинул 2500 лет назад греческий математик Пифагор (тот, чьи «штаны во все стороны равны»). Он считал, что каждый предмет постоянно испускает во все стороны потоки мелких частиц, которые, попадая в глаза, вызывают ощущения либо света, либо очертаний предметов. А вот Аристотель выдвинул теорию о том, что свет представляет собой возбуждение среды. Эти две основные идеи о природе света развивались и сосуществуют и до настоящего времени.

Но по-настоящему научный спор возник в XVII в. между так называемой корпускулярной и волновой теориями природы света. Первая связана с именем Исаака Ньютона, а вторая – Христиана Гюйгенса.

Пусть три столетья минуло с тех пор,

Ещё не разрешился этот спор.

Кто в этом классе быть имеет счастье,

Мы приглашаем в нём принять участье.

Один сказал, что свет – это волна,

Подобна механической она.

Частицы вездесущего эфира,

Колеблясь, свет распространяют в мир.

 

Другой сказал, что свет – поток частиц.

Упруго отражаясь от границ,

В прозрачные он среды проникает,

Законы притяженья отражает.

 

Чтоб время потекло обратно, вспять,

Пришлось машину времени создать,

Из трёх веков учёных пригласили,

Помочь решить наш спор их попросили.

 

Итак, приступим. Что такое свет?

Кто дал на это правильный ответ?

Иль волновой теории творец,

Иль Ньютон – всей механики отец?

Обучающиеся в роли Ньютона и Гюйгенса формулируют свои теории. 

Ньютон: Сэр, я вас уверяю, что свет – это поток частиц (или по латыни «корпускул»), идущих от источника во все стороны. Ясно, что это связано с переносом вещества, т.е. частиц, которые, как пули из пулемета, постоянно разлетаются от светящегося предмета, и если на их пути попадается глаз, то последний ощущает эти частицы как свет.

Например, прямолинейное распространение света я объясню законом инерции. Если  на частицу (корпускулу) во время движения не действуют силы или действие сил, скомпенсировано, то она сохраняет свою скорость.

Причина разнообразия цветов, с моей точки зрения, в неодинаковой величине световых корпускул, а именно в том, что наиболее крупные корпускулы вызывают ощущение красного света, а наименьшие – фиолетового.

Отражение света объясняется упругим ударом световых частиц об упругую поверхность.

Преломление света есть следствие того, что при переходе из менее преломляющей среды в более преломляющую, частицам света  сообщается ускорение в результате притяжения их второй средой. При этом   скорость света в веществе должна быть больше скорости света в вакууме.

Гюйгенс: Если свет – это поток частиц, то почему световые пучки, пересекаясь в пространстве, никак не действуют друг на друга. Ведь световые частицы должны сталкиваться и рассеиваться. Волновая же теория это легко объясняет. Волны, например на поверхности воды, свободно проходят друг сквозь друга, не оказывая взаимного влияния.

Волны обладают способностью к интерференции и дифракции. Так два луча света, пришедшие в одну точку, могут при определенных условиях погасить друг друга, чего никогда не произойдет с двумя потоками частиц.

Свет – это поток волн, распределяющихся в неведомой, гипотетической среде – эфире (не путать с сильно пахнущей легкой жидкостью, которую используют для наркоза!), заполняющем все и вся вокруг. Этот эфир проникает и внутрь предметов – воздуха, стекла, воды, и, уж безусловно, он заполняет все громадное космическое пространство между звездами, планетами и прочими небесными телами. Ибо свет идет и в воздухе, и в прозрачных телах, и в космическом пространстве. Не могу представить себе волны без упругой среды, в которой эти волны могли бы распространяться в виде механических колебаний.

Ньютон: Но если свет – это волна, то объясните образование за предметами резких теней. Прямолинейное распространение света, приводящее к образованию за предметами резких теней, трудно объяснить на основе волновой теории. По корпускулярной же теории прямолинейное распространение света является просто следствием закона инерции.

Справедливо, что я заключаю из моей теории о телесности света, но я делаю это безо всякой абсолютной определенности…

1 обучающийся: Ньютон придерживался так называемой корпускулярной теории света, согласно которой свет – это поток частиц (или по латыни «корпускул»), идущих от источника во все стороны. Согласно же представлениям Гюйгенса свет – это поток волн, распределяющихся в неведомой, гипотетической среде – эфире. Обе эти теории или гипотезы существовали параллельно, и ни одна из них не могла одержать решающей победы. Ситуация, как говорят, была патовая. Известные в то время из опыта законы распространения света с большим или меньшим успехом объяснялись обеими теориями.

Но Ньютон, как самый большой авторитет в науке, сумел-таки склонить большинство ученых на свою сторону. Еще бы – открытый им закон инерции прекрасно объяснял прямолинейный полет «световых» частиц движением их по инерции. Отражение света от зеркал вполне соответствовало отскоку упругих шаров при их ударе о плоскость. Но Ньютон никак не мог объяснить, почему эти частицы не сталкиваются в пространстве, если световые пучки пересекаются. При такой плотности «стрельбы» частицами, они нет-нет да и столкнутся, отскочат в сторону, рассеются. Но этого не происходило.

Волновая же теория прекрасно объясняла этот факт. Волны, хотя бы на поверхности воды, свободно проходят друг сквозь друга, не оказывая взаимного влияния. Однако прямолинейное распространение света, дающее резкие, четко очерченные тени, трудно объяснить волновой теорией. А корпускулярная объясняла это прямолинейным полетом частиц по инерции.

И, как люди деликатные, Ньютон и Гюйгенс где-то уступали друг другу. Интерференцию света, которую сам же Ньютон получил в своих опытах с линзами, можно было объяснить только волновой теорией. Но Ньютон «допустил» существование и волновой теории, отдавая предпочтение все-таки корпускулярной. Ну а Гюйгенс «допустил», что волны в его теории излучаются не непрерывно, а импульсами, порциями. Вроде как частицы, но частицы все-таки волн. Вообще, эти ученые выражались очень осторожно, особенно Ньютон.

Вот вам «образчик» его «принципиального» признания «телесности» (корпускулярности) природы света: «Справедливо, что я заключаю из моей теории о телесности света, но я делаю это безо всякой абсолютной определенности…». Да, сэр Исаак Ньютон был настоящим джентльменом, ничего не скажешь!

Такое неопределенное, двойственное положение в воззрениях на природу света длилось до XIX в., когда, казалось бы, неопровержимые данные по теории волновых процессов, заставили ученых того времени признать, что свет ведет себя как волна. Особенно постарался в этом шотландский ученый – сторонник Гюйгенса, великий физик Дж. К. Максвелл. Он неопровержимо доказал, что свет – это электромагнитные колебания, которые, кстати, прекрасно распространяются и в пустоте, так что никакого «эфира» и не понадобится. К концу XIX в. у физиков не осталось ни тени сомнения, что свет – это волновой процесс, и свой спор Ньютон проиграл Гюйгенсу.

Но… наука все время будет повторять и повторять это «но», не отдавая явного предпочтения ни одному «окончательному», «бесповоротному» мнению. Итак, к самому концу XIX в., когда сторонники электромагнитной волновой теории света праздновали, казалось бы, окончательную победу, их торжество смутили некоторые, на первый взгляд, незначительные сомнения, «легкие облака» на горизонте волновой физики.

Сомнения эти были вызваны изобретением фотографии, или способности света расщеплять молекулы солей серебра, а также фотоэффекта – способности света «вырывать» из металла особые неведомые тогда частицы – электроны. А далее были сделаны и новые открытия, которые превратили «легкие облака» в грозовые тучи, смешавшие все, казалось бы, незыблемые представления о природе света.

Смертельный удар по электромагнитной волновой теории света нанесла в самом конце XIX в. так называемая «ультрафиолетовая катастрофа». Дело в том, что согласно этой теории любое тело должно постоянно излучать в пространство волновую энергию, а, следовательно, терять ее и охлаждаться. Причем вплоть до абсолютного нуля. А так как излучаются все частоты, включая очень энергоемкие – ультрафиолетовые, то и катастрофа «глобального» охлаждения всех тел была названа «ультрафиолетовой».

Но если этого в природе не происходит, то, следовательно, волновая электромагнитная природа света бессмысленна. Выход из «ультрафиолетового» тупика был найден немецким физиком Максом Планком. Он предположил, что энергия электромагнитного излучения выделяется не непрерывно, а порциями, называемыми квантами (вспомним старого «хорошо забытого» Гюйгенса!). И оказалось, что при больших частотах (т.е. хотя бы для того же ультрафиолетового диапазона) эти кванты настолько велики, и на их создание затрачивается такая большая энергия, что на излучение ее уже и не хватает. Вывод Планка был таков – при больших частотах энергия излучения практически равна нулю, и никакая «ультрафиолетовая катастрофа» нам не угрожает.

Квантовая гипотеза прекрасно объясняла и явление фотоэффекта и химического действия света, в том числе и фотосинтез, которому мы обязаны жизнью на Земле, и многое другое. Но оказалось, что эта гипотеза не отбросила волновую гипотезу, а прекрасно с ней сжилась. Полученный «симбиоз» двух гипотез объяснял уже все свойства электромагнитного излучения, в том числе и света.

А практически получилось следующее:

• при распространении свет ведет себя скорее как волна, а при возникновении и поглощении – скорее как частица;

• при больших частотах главную роль играют квантовые («корпускулярные») свойства света, а при малых – волновые.

Вот такой «двуликий Янус» получается! Время примирило соперников и сделало правыми и Ньютона, и Гюйгенса. И даже древнего Пифагора, который тоже, оказывается, был прав. Одним словом, история науки показывает, что все, кто работали, создавали теории, экспериментировали, спорили, ломали копья, кого возвеличивали и кого опровергали, «сбрасывали с пьедестала», все оказались правыми. Всем нашлось место в нашей памяти, в учебниках, в энциклопедиях и справочниках. Не нашлось и не найдется там места лишь тем, кто «жалел» себя и ничего не делал. Такова жизнь!

Преподаватель: Итак, мы делаем вывод, что свет обладает своеобразным дуализмом (двойственностью) свойств.

Это, конечно, странно и непривычно, так как частица и волна – абсолютно разные физические объекты. Мы не имеем возможности представлять себе наглядно в полной мере процессы в микромире, так как они совершенно отличны от тех макроскопических явлений, которые люди наблюдали на протяжении миллионов лет и основные законы которых были сформулированы к концу XIX в.

2.4.2. Этап закрепления нового материала. 5 мин.

Дидактическая задача этапа. Закрепить у обучающихся те знания и умения, которые необходимы для самостоятельной работы по этому материалу.

Содержание этапа. Закрепление полученных знаний и умений обучающихся путем их самостоятельного заполнения таблицы «Развитие взглядов на природу света»; закрепление методики предстоящего ответа обучающегося при очередной проверке знаний.

2.4.3. Этап проверки понимания обучающимися нового материала.

2 мин.

Дидактическая задача этапа. Установить, усвоили или нет обучающиеся связь между фактами, содержание новых понятий, закономерностей, устранить обнаруженные пробелы.

Содержание этапа. Проверка глубины понимания обучающимися учебного материала, внутренних закономерностей и связей сущности новых понятий в ходе обсуждения результатов заполнения таблицы «Развитие взглядов на природу света».

2.4.5. Теоретический блок «Измерение скорости света». 25 мин.

Преподаватель заранее разбивает группу обучающихся на творческие группы по изучению различных методов измерения скорости света:

1. Группа «Метод Рёмера»

2. Группа «Метод Физо и Фуко»

3. Группа «Метод Майкельсона».

Каждая группа представляет отчет и презентацию по изученному материалу по плану:

1. Дата проведения эксперимента

2. Экспериментатор

3. Суть эксперимента

4. Найденное значение скорости света.

Остальные обучающиеся самостоятельно заполняют таблицу «Методы измерения скорости света» в ходе выступления групп.

(Приложение А)

Преподаватель: В начале нашего занятия мы с вами говорили о том, что когда мы поворачиваем выключатель, то вся комната сразу же озаряется светом. Кажется, что свету совсем не надо времени, чтобы достигнуть стен. Проблема измерения скорости света впервые была сформулирована Галилеем (16 век), который поставил вопрос о конечности скорости света. Но он не смог ответить на поставленный им вопрос.

Делались многочисленные попытки определить скорость света. Для этого пытались измерить по точным часам время распространения светового сигнала на большие расстояния (несколько километров). Но эти попытки не дали результатов. Начали думать, что распространение света совсем не требует времени, что свет любые расстояния преодолевает мгновенно. Однако оказалось, что скорость света не бесконечно велика, и эта скорость была, в конце концов, измерена.

Знаменитый американский ученый Альберт Майкельсон почти всю жизнь посвятил измерению скорости света.

Однажды ученый осматривал предполагаемый путь светового луча вдоль полотна железной дороги. Он хотел построить еще более совершенную установку для еще более точного метода измерения скорости света. До этого он уже работал над этой проблемой несколько лет и добился самых точных для того времени значений. Поведением ученого заинтересовались газетные репортеры и, недоумевая, спросили, что он тут делает. Майкельсон объяснил, что он измеряет скорость света.

– А зачем? – последовал вопрос.

–Потому что это дьявольски интересно,– ответил Майкельсон.

И никто не мог предполагать, что эксперименты Майкельсона станут фундаментом, на котором будет построено величественное здание теории относительности, дающей совершенно новое представление о физической картине мира.

Пятьдесят лет спустя Майкельсон все еще продолжал свои измерения скорости света.

Kaк-то раз великий Эйнштейн задал ему такой же вопрос,

– Потому что это дьявольски интересно! – спустя полвека ответил Майкельсон и Эйнштейну.

Преподаватель: А важно ли знать скорость света, кроме того что это просто «дьявольски интересно»?

Группа «Метод Рёмера».

Рассказ об астрономическом методе измерения скорости света датского ученого О. Рёмера.

Познакомимся с ученым, которому первым удалось измерить скорость света – Оле Ремером.

Нужды расширяющейся торговли и возрастающего значения мореплавания побудили французскую Академию наук заняться уточнением географических карт, для чего, в частности требовался более надежный способ определения географической долготы. Оле Ремер – молодой датский астроном был приглашен работать в новую парижскую обсерваторию.

Ученые предположили использовать для определения парижского времени и времени на борту корабля небесное явление, наблюдаемое ежедневно в один и тот же час. По этому явлению мореплаватель или географ мог бы поставить свои часы и узнать парижское. Таким явлением, видимым с любого места на море или на суше, является затмение одного из четырех больших спутников Юпитера, обнаруженных Галилеем в 1609 г.

Скорость света впервые удалось измерить в 1676 г. Рёмер наблюдал затмения спутников Юпитера – самой большой планеты Солнечной системы. Юпитер имеет четырнадцать спутников. Ближайший его спутник – Ио – и стал предметом наблюдений Рёмера. Он видел, как спутник проходил перед планетой, погружался в ее тень и пропадал из поля зрения. Затем он опять появлялся, как мгновенно вспыхнувшая лампа. Промежуток времени между двумя вспышками оказался равным 42 ч 28 мин. Таким образом, эта «луна» представляла собой громадные небесные часы, через равные промежутки времени посылавшие свои сигналы на Землю.

В начале измерения проводились в то время, когда Земля при своем движении вокруг Солнца ближе всего подошла к Юпитеру. Такие же измерения, проведенные несколько месяцев спустя, когда Земля удалилась от Юпитера, неожиданно показали, что спутник опоздал появиться из тени на целых 22 мин по сравнению с моментом времени, который можно было рассчитать, зная период обращения Ио.

Рисунок 1. Метод Ремера

Рёмер объяснял это так: «Если бы я мог остаться на другой стороне земной орбиты, то спутник всякий раз появлялся бы из тени в назначенное время; наблюдатель, находящийся там, увидел бы Ио на 22 мин раньше. Запаздывание в этом случае происходит оттого, что свет употребляет 22 мин на прохождение от места моего первого наблюдения до моего теперешнего положения».

Во времена Рёмера диаметр орбиты Земли считался равным примерно 182 000 000 миль (292 000 000 км). Разделив это расстояние на 1320 секунд, Рёмер получил, что скорость света равна 138 000 миль (222 000 км) в секунду.

На первый взгляд может показаться, что получить числовой результат с такой погрешностью (почти в 80 000 км в секунду) не велика заслуга. Но вдумайтесь, чего все-таки достиг Рёмер. Впервые за всю историю человечества было доказано, что движение, считавшееся бесконечно быстрым, доступно познанию и измерению. Потому-то крайне трудно определить время распространения света между двумя удаленными точками на Земле. Ведь за одну секунду свет проходит расстояние, большее длины земного экватора в 7,5 раза.

Мало того, с первой же попытки Рёмер получил величину правильного порядка. Если же принять во внимание, что ученые до сих пор занимаются уточнением диаметра орбиты Земли и сроков затмения спутников Юпитера, то ошибка Рёмера не будет вызывать удивления. Теперь мы знаем, что максимальное запаздывание затмения спутника равно не 22 минутам, как думал Рёмер, а примерно 16 минутам 36 секундам, а диаметр орбиты Земли приближенно равен не 292 000 000 км, а 300 000 000 км. Если внести эти поправки в расчет Рёмера, получается, что скорость света равна 300 000 км в секунду, а этот результат близок к самой точной цифре, полученной учеными нашего времени.

Основное требование, которое предъявляется к хорошей гипотезе, – это чтобы на ее основе можно было делать правильные предсказания. Исходя из вычисленной им скорости света, Рёмер смог за несколько месяцев вперед точно предсказать некоторые затмения. Например, в сентябре 1676 года он предсказал, что в ноябре спутник Юпитера появится примерно с десятиминутным опозданием. Крошечный спутник не подвел Рёмера и появился в предсказанное время с точностью до одной секунды. Но парижских философов не убедило даже это подтверждение теории Рёмера. Однако Исаак Ньютон и великий голландский астроном и физик Христиан Гюйгенс выступили в поддержку датчанина. А некоторое время спустя, в январе 1729 года, английский астроном Джемс Брадлей несколько иным путем пришел к тому же выводу, что и Рёмер. Сомнениям не оставалось места. Рёмер навсегда положил конец бытовавшему среди ученых убеждению, что свет распространяется мгновенно независимо от расстояния.

Группа «Метод Физо и Фуко».

Рассказ о лабораторном методе измерения скорости света французов Луи Физо и Леона Фуко.

В 1849 г. Л. Физо поставил лабораторный опыт по измерению скорости света. Параметры установки Физо таковы. Источник света и зеркало 1 располагались в доме отца Физо близ Парижа, а зеркало 2 – на Монмартре. Расстояние между зеркалами составляло L ~ 8,66 км, колесо имело 720 зубцов. Оно вращалось под действием часового механизма, приводимого в движение опускающимся грузом.

Отразившись от зеркала, свет, прежде чем попасть в глаз наблюдателя, должен был пройти опять между зубцами. Когда колесо вращалось медленно, свет, отраженный от зеркала, был виден. При увеличении скорости вращения он постепенно исчезал. В чем же здесь дело? Пока свет, прошедший между двумя зубцами, шел до зеркала и обратно, колесо успевало повернуться так, что на место прорези вставал зубец, и свет переставал быть видимым. Используя счетчик оборотов и хронометр, Физо обнаружил, что первое затемнение наблюдается при скорости вращения колеса = 12,6 об/с.

Допустим, что зубец и прорезь зубчатого колеса имеют одинаковую ширину и место прорези на колесе занял соседний зубец. Тогда свет перекроется зубцом и в окуляре станет темно.

Рисунок 2. Метод Физо

Это наступит при условии, что время прохождения света туда и обратно t₁ = 2 L/окажется равным времени поворота зубчатого колеса на половину прорези t₂ = T/2N = 1/2Nv.

L – расстояние от зубчатого колеса до зеркала;

Т – период вращения зубчатого колеса;

N – число зубцов;

v = 1/Т – частота вращения.

Из равенства t₁ = t₂ следует расчетная формула для определения скорости света данным методом: = 4LNv.

Используя метод вращающегося затвора, Физо получил значение скорости света: = 3,13·10⁵ км/с.

Когда Физо объявил о результате своего измерения, ученые усомнились в достоверности этой колоссальной цифры, согласно которой свет доходит от Солнца до Земли за 8 минут и может облететь Землю за восьмую долю секунды. Казалось невероятным, чтобы человек смог измерить столь огромную скорость такими примитивными инструментами. Свет проходит восемь с лишним километров между зеркалами Физо за 1/36000 секунды? Невозможно, говорили многие. Однако цифра, полученная Физо, была весьма близка к результату Рёмера. Вряд ли это могло быть простым совпадением.

Тринадцать лет спустя, когда скептики все еще продолжали сомневаться и отпускать иронические замечания, Жан Бернар Леон Фуко, сын парижского издателя, одно время готовившийся стать врачом, определил скорость света несколько иным способом. Он несколько лет проработал вместе с Физо и много размышлял над тем, как усовершенствовать его опыт. Вместо зубчатого колеса Фуко применил вращающееся зеркало. Результат, полученный Фуко, был 298 000 км/с, т.е. примерно на 17 000 км меньше значения, полученного Физо.

В опытах Фуко расстояние от источника до зеркала было всего в несколько метров. Это позволило поместить на пути света трубку, заполненную водой. Фуко установил, что скорость распространения света в различных средах меньше, чем в воздухе. В воде, например, она составляет величину, равную ¾ скорости света в воздухе. Скорость света в других средах была определена Фуко в 1862 г.

Группа «Метод Майкельсона».

Рассказ о лабораторном методе измерения скорости света американским ученым А. Майкельсоном.

Весной 1879 года газета «Нью-Йорк Таймс» сообщила: «На научном горизонте Америки появилась новая яркая звезда. Младший лейтенант морской службы, выпускник Морской академии в Аннаполисе Альберт Майкельсон, которому еще не 27 лет добился выдающегося успеха в области оптики: он измерил скорость света!». Примечателен тот факт, что на выпускных экзаменах в академии Альберту достался вопрос об измерении скорости света. Кто мог предположить, что через короткое время Майкельсон сам войдет в историю физики, как измеритель скорости света.

До А. Майкельсона на американском континенте никто даже не пытался поставить этот трудный эксперимент.

«Подготовка опыта велась с большой тщательностью. Было выбрано место для двух установок. Одна из них помещалась на уже знакомой ему вершине горы Маунт-Вильсон, а другая – на вершине горы Сан-Антонио, известной под прозвищем «Старая плешь», на высоте 5800 м над уровнем моря и на расстоянии 35 км от горы Маунт-Вильсон. Береговой и геодезической службе Соединенных Штатов было поручено точно измерить расстояние между двумя отражающими плоскостями – вращающимся призматическим зеркалом на Маунт-Вильсон и неподвижным зеркалом на Сан-Антонио. Возможная ошибка при измерении расстояния составляла одну семимиллионную, или долю сантиметра на 35 км. Вращающаяся призма из никелированной стали с восемью зеркальными поверхностями, отполированными с точностью до одной миллионной, была изготовлена для опыта бруклинской компанией «Сперри джироскоп компани», президент которой, инженер-изобретатель Эльмер А. Сперри, был другом Майкельсона. Кроме того, было изготовлено еще несколько стеклянных и стальных призм. Восьмиугольный высокоскоростной ротор делал до 528 оборотов в секунду. Он приводился в движение воздушной струей, и его скорость, как и в прошлых опытах, регулировалась при помощи электрического камертона.

После отражения от призмы луч света попадал на систему зеркал, возвращающих его назад.

Рисунок 3. Метод Майкельсона

Для того чтобы луч попадал в глаз наблюдателя, вращающаяся призма должна за время распространения света туда и обратно, успеть повернуться хотя бы на 1/8 оборота.

Начиная с 1924 года, и до начала 1927 года было проведено пять независимых серий наблюдений. Средний результат равнялся 299 798 км в секунду. Результаты же всех измерений Майкельсона можно записать как  (299796 ± 4) км/с.

Майкельсон писал: «То, что скорость света является категорией, недоступной человеческому воображению, и что, с другой стороны, ее возможно измерить с необыкновенной точностью, делает ее определение одной из самых увлекательных проблем, с которыми может столкнуться исследователь».

Наиболее точное измерение скорости света было получено в 1972 г. американским ученым К. Ивенсоном с сотрудниками. В результате независимых измерений частоты и длины волны лазерного измерения ими было получено значение (299 792 456,2 ±0,2) м/с.

Однако в 1983 г. на заседании Генеральной ассамблеи мер и весов было принято новое определение метра (это длина пути, проходимое светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды), из которого следует что скорость света в вакууме абсолютно точно равна 299 792 458 м/с

По современным данным, скорость света в вакууме равна 299 792 458 м/с (с точностью до ±1,2 м/с).

2.4.6. Этап проверки понимания обучающимися нового материала.

3 мин.

Дидактическая задача этапа. Установить, усвоили или нет обучающиеся связь между фактами, содержание новых понятий, закономерностей, устранить обнаруженные пробелы.

Содержание этапа. Проверка глубины понимания обучающимися учебного материала, внутренних закономерностей и связей сущности новых понятий в ходе обсуждения результатов заполнения таблицы «Методы измерения скорости света».

Преподаватель: Обратите внимание на значения, полученные в опытах по измерению скорости света. Все они приближенно равны 300 000 км/с. А где вы встречались с этой цифрой?

Предполагаемый ответ: Эта величина, полученная экспериментально, совпадает с величиной предсказанной Максвеллом и экспериментально впервые измеренной Герцем – скоростью электромагнитных волн.

Преподаватель: С точки зрения волновой теории света свет – это электромагнитная волна. Приближенно скорость света можно считать равной с = 3·10⁸ м/с. Это значение скорости света нужно обязательно запомнить.

Определение скорости света сыграло в науке очень важную роль. Была не только выяснена природа света, но и установлено, что никакое тело не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме.

Современная физика решительно утверждает, что история скорости света не закончена. Физики продолжают исследовать вопрос о постоянстве скорости света во времени. Исследования скорости света могут дать еще много нового для познания природы, неисчерпаемой в своем разнообразии. 300-летняя история фундаментальной постоянной с отчетливо демонстрируют ее связи с важнейшими проблемами физики.

В начале изучения вопроса о методах измерения скорости мы поставили вопрос «А важно ли знать скорость света, кроме того что это просто «дьявольски интересно»? Какой вывод мы можем сделать о значимости значения скорости света?

Предполагаемый ответ: Измерение скорости света дало возможность дальнейшему развитию физики как науки. Исследования скорости света могут дать еще много нового для познания природы.

2.5. Подведение итогов занятия. 5 мин.

Дидактическая задача этапа. Проанализировать, дать оценку успешности достижения цели и наметить перспективу на будущее.

Содержание этапа. Оценка работы группы и отдельных обучающихся. Аргументация выставленных отметок, замечания по занятию.

2.6. Рефлексия 5 мин.

Дидактическая задача этапа. Инициировать рефлексию обучающихся по поводу своего психоэмоционального состояния на занятии.

Содержание этапа. Проведение рефлексии с использованием метода «Заверши фразу».

Преподаватель: Я хочу всех поблагодарить за хорошую работу. В заключение я прошу вас выразить свое отношение к занятию, как вам было на нем комфортно, легко, солнечно, выразить цветами лучей солнечного света. На доске прикреплен диск Солнца, вы, пожалуйста, с помощью лучиков (лучики-полоски из самоклеющейся бумаги темно-синего и желтого цветов), которые лежат у вас на столе, определитесь в своем настроении.

Обучающимся также предлагается завершить фразу:

1. На занятии я узнал, что свет – это…

2. Сегодня на занятии мне стало известно…

3. Сегодня на занятии меня заинтересовало…

4. Работа на занятии заставила меня задуматься о…

5. Значение измерения скорости света в том, что...

6. По данной теме мне хотелось бы узнать еще о…

7. Своей работой на занятии я …?

Завершает рефлексию преподаватель, произнося свое окончание предложенной фразы.

2.7. Этап информирования обучающихся о домашнем задании, инструктаж по его выполнению. 2 мин.

Дидактическая задача этапа. Сообщить обучающимся о домашнем задании, разъяснить методику его выполнения и подвести итоги работы

Содержание этапа. Информация о домашнем задании, инструктаж по его выполнению; проверка понимания обучающимися содержания работы и способов ее выполнения.

Домашнее задание: §44, стр. 170 – 173.

Задача. Рассчитайте, за какое время свет проходит расстояние от Солнца до земли, равное примерно 15·10⁷ км.

Предложить свой способ определения скорости света

Преподаватель: вы сегодня хорошо поработали и заслуженно получили хорошие оценки. Закончилось наше занятие. Я думаю, мы достигли поставленной цели. Хочу поблагодарить вас за подготовку и помощь в проведении занятия.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Для обучающихся

1. Физика. 11 класс : учеб. для общеобразоват. : базовый уровень / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, В. М. Чаругин; под ред. Н. А. Парфентьевой. – 3-е изд. – М. : Просвещение, 2016. – 432 с., [4] л. ил. – (Классический курс). – ISBN 978-5-09-037753-9.

Для преподавателя

1. Активизация познавательной деятельности учащихся при изучении физики. Пособие для учителей. – М.: Просвещение, 1983. – 160 с.

2. Енохович А.С., Кабардин О.Ф., Коварский Ю.А. и др. Хрестоматия по физике – М.: Просвещение, 2012 г.

3. Ильин В.А. История физики. – М: Издательский центр «Академия», 2003.

4. Интегрированные уроки физики. 7-11 классы. Авт. Горлова И.В. Основные темы средней и старшей школы, игровые уроки, творческие задания. «Вако», Москва, 2011 г.

5. Шарко В.Д. Современный урок физики: технологический аспект: пособие для учителей и студентов / В.Д. Шарко. – Херсон: Олди-Плюс, 2004. – 190 с.

Интернет-ресурсы

1. http://ptoprof.narod.ru/

2. https://infourok.ru/

3. http://video.nur.kz/

4. http://litfile.net/

5. http://femto.com.ua/

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Карта занятия

Тема: «Скорость света и методы её определения»

План занятия:

1. Развитие взглядов на природу света.

2. Методы определения скорости света.

Таблица. История развития взглядов на природу света

Представления древних ученых о свете

__________________________________________________________________________________________________________________________________

Корпускулярная теория света

Сторонником корпускулярной теории света был _______________________ Он считал, что свет – это ___________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________ На основе корпускулярной теории можно было объяснить _______________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ На основе корпускулярной теории было трудно объяснить_______________ ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Волновая теория света

Сторонником волновой теории света был _____________________________ Он считал, что свет – это ___________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________ На основе волновой теории можно было объяснить _____________________ ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ На основе волновой теории было трудно объяснить_____________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________

КТО ПРАВ?

_________________________________________________________________

Таблица. Методы измерения скорости света

Дата	Экспериментатор	Как происходило исследование. Метод измерения скорости света.	Полученный результат
Значение скорости света, которое нужно запомнить

Образец заполнения таблицы Методы измерения скорости света

Дата	Экспериментатор	Как происходило исследование. Метод измерения скорости света.	Полученный результат
1676 г.	Оле Ремер	Наблюдал затмение спутника Юпитера Ио. Астрономический метод.	2,22·108 м/с
1849 г.	Луи Физо	Измерял скорость света, который проходил через вращающееся колесо и отражался от зеркал. Лабораторный метод.	3,13·108 м/с
1862 г.	Леон Фуко	Измерял скорость света, который проходил через вращающееся зеркало. Лабораторный метод.	2,98·108 м/с
1879 г.	А. Майкельсон	Вместо колеса – восьмигранная стальная призма, которая находилась от зеркала на расстоянии 35,4 км. Лабораторный метод.	(299796 ± 4) км/с.
1972 г.	К. Ивенсон	Независимые измерения длины волны лазерного излучения.	299792456,2±0,2 м/с
1983 г.	Заседание Генеральной ассамблеи мер и весов		299 792 458 м/с
Значение скорости света, которое нужно запомнить				с = 3·108 м/с.