Урок по физике в 11 классе по теме "Дисперсия света"

Урок по физике в 11-м классе по теме "Дисперсия света"

Цели урока:

• дать понятие о дисперсии света и объяснить ее с точки зрения электромагнитной теории,

• объяснить происхождение цветов окружающих нас тел.

Оборудование:

• для каждого ученика на парту – экран со щелью, призма;

• проекционный аппарат, дисперсионные призмы “Флинт” и “Крон”, экран, центробежная машина, спектральный круг, светофильтры, лист бумаги с 7 цветными кругами (каждый круг окрашен в один из 7 цветов спектра);

• компьютер, мультимедийный проектор или телевизор для демонстрации презентации,

• презентация по теме: “Дисперсия света”.

Ход урока

1) Сегодня мы продолжим разговор о световых явлениях и законах распространения света. Но сначала вспомним, что же мы уже изучили о световых явлениях.

Повторение пройденного материала:

1. Как свет распространяется в однородной прозрачной среде?

2. Всегда ли свет распространяется прямолинейно? В каких случаях нет?

3. Закон преломления света.

4. Нарисовать ход лучей в призме.

5. Оптически плотная среда – что это за среда?

6. Показатель преломления среды.

7. Связь частоты света со скоростью его распространения.

8. Связь показателя преломления среды со скоростью света.

Сегодня мы продолжим разговор о световых явлениях и законах распространения света

Свет имеет еще много тайн. Одна из них – явление дисперсии.

Объяснение нового материала

Тема нашего урока “Дисперсия”. 

Цель урока: дать понятие о дисперсии света и объяснить ее с точки зрения электромагнитной теории, объяснить происхождение цветов окружающих нас тел.

 3) Слово “дисперсия” происходит от латинского слова dispersio, что в буквальном переводе означает “рассеяние, развеивание”.

Дисперсия света – это зависимость показателя преломления света от частоты колебаний (или длины волны).

(Прочитать определение еще раз)

Вам что-нибудь стало понятно о дисперсии после этой фразы? Или для вас это звучит, как набор слов? Надеюсь, что после сегодняшнего урока вы будите понимать эту фразу.

4) В 1666 году англ. физик Исаак Ньютон обратил внимание на радужную окраску изображений звезд в телескопе. Он заинтересовался этим явлением и поставил опыт. 

5) Ньютон направил световой пучок малого поперечного сечения на призму. Пучок солнечного света проходил в затемненную комнату через маленькое отверстие в ставне. Падая на стеклянную призму, он преломлялся и давал на противоположной стене удлиненное изображение с радужным чередованием цветов.  Эту радужную полоску Ньютон назвал спектром (от лат. слова spectrum - “вuдение”). Замечательно, что этот опыт пережил столетия, и его методика без существенных изменений используется до сих пор.

Мы воспроизведем опыт Ньютона, но с другим оборудованием.

Фронтальный эксперимент: учащиеся проводят эксперимент на местах по следующему плану: взять в одну руку экран со щелью и расположить его на расстояние вытянутой руки на фоне лампы дневного света, между щелью и глазом поместить призму или плоскопараллель-ную пластину и посмотреть через косые грани пластины на освещенную щель экрана; если спектр не виден, то надо повернуть голову вместе с пластиной в сторону преломляющего угла.

Сейчас мы посмотрим получение спектра с помощью проекционного аппарата.

Демонстрация радужной полоски света через две призмы “Крон” и “Флинт”. Обсуждение с детьми результатов опыта: почему ширина спектра в обоих случаях различна?

Проделав опыт, Ньютон сделал вывод, что белый свет состоит из семи цветов. Их совместное действие дает нам ощущение белого света, а после прохождения через призму эти цвета разделяются. Ньютон доказал это, направив эту радужную полосу на вторую призму и получив опять белый свет.

Раскладывать свет на цвета люди научились давно, они использовали для этого стеклянные призмы. Аристотель объяснял появление цветов тем, что, проходя через призму, свет смешивается с тьмой и окрашивается в разные цвета. Немного темноты, добавленной к свету, дает красный свет. Большое ее количество - фиолетовый. Эта теория господствовала в науке долгое время. Но, продолжая проводить свои опыты, Исаак Ньютон изумительно просто опроверг теорию Аристотеля. Он направил на призму красный свет и тот, пройдя через призму, не изменяет окраску, и новых цветов не появилось.

(Демонстрация: направляем на призму свет, пропущенный через красный светофильтр и синий светофильтр).

Значит, призма не раскрашивает белый свет, а разделяет его на содержащиеся в нем простые составные цветовые части.

Разложение белого света есть следствие дисперсии.

8) В газете “Нью-Йорк Таймс” была опубликована статья сотрудника философского факультета университета Нью-Йорка Роберта Криза и историка Брукхевенской Национальной Лаборатории Стони Брук, которые провели опрос среди американских физиков, чтобы определить 10 красивейших экспериментов за всю историю этой науки. И данный опыт Исаака Ньютона вошел в эту десятку красивейших опытов.

 9) Открытие Ньютоном и изучение явления дисперсии света считается одним из важнейших его открытий. На надгробном памятнике, поставленном в 1731 году, изображены фигуры юношей, держащих в руках эмблемы самых важных открытий Ньютона. В руках одного из юношей - призма, а в надписи на памятнике есть такие слова: “Здесь покоится сэр Исаак Ньютон, дворянин, который почти божественным разумом первый доказал с факелом математики движение планет, пути комет и приливы океанов. Он исследовал различие световых лучей и проявляющиеся при этом различные свойства цветов, чего ранее никто не подозревал ... Пусть смертные радуются, что существует такое украшение рода человеческого”.

10) Теорию света Ньютона подверг резкой критике выдающийся немецкий поэт И. В. Гете. Может быть, не все знают, что Гете был и видным естествоиспытателем. Он писал: “Утверждение Ньютона – чудовищное предположение. Не может быть, что самый прозрачный, самый чистый цвет – белый – оказался смесью цветных лучей”.

Гете считал, что исследованный Ньютоном свет – это уже не тот свет, с каким мы встречаемся в естественной обстановке, а свет, “замученный всякого рода орудиями пытки – щелями, призмами, линзами”. Гете призывал:

Друзья, избегайте темной комнаты,
Где вам искажают свет
И самым жалким образом
Склоняются перед искаженными образами.

11) А что вам напоминает эта радужная полоска – спектр?

Правильно, радугу.

А сколько цветов вы видите? Каких?

То, что в радуге семь цветов – это всеобщее заблуждение, всеми повторяемое и обычно не проверяемое. Посмотрите внимательнее на радугу и рассмотрите ее не предвзято. Сколько вы видите цветов?  12) (5: красный, желтый, зеленый, голубой и фиолетовый)

Они не имеют резких границ, а переходят один в другой постепенно, так что, кроме пе-речисленных основных цветов, различаются промежуточные оттенки: красно – желтый (оран-жевый), желто-зеленый, зелено-голубой, фиолетово-голубой (синий). Значит, в солнечном спектре либо 5 цветов, либо 9 (если считать промежуточные). Откуда же взялось число 7?

(Гипотезы учеников)

Ньютон первоначально тоже различал только пять цветов. Стремясь создать соответствие между числом цветов спектра и числом основных тонов музыкальной гаммы, Ньютон добавил к 5 перечисленным цветам спектра еще два. (7 чудес света, 7 дней недели, на 7 небе)

 13) Что же касается радуги, то здесь не удается заметить даже и 5 оттенков. Обычно мы видим 3 цвета (красный, зеленый, фиолетовый), иногда различается желтый.

Но так как Исаак Ньютон решил, что в спектре 7 цветов, то мы вынуждены тоже так считать.

Последовательность цветов в спектре легко запоминается  14):

Каждый Охотник Желает Знать Где Сидит Фазан;

Как Однажды Жак - Звонарь Городской Сломал Фонарь.

Каждый цвет спектра является монохроматическим. Монохроматический свет – одноцветный свет.

В: Что такое свет с точки зрения физики? (О: это электромагнитная волна)

Чем отличаются волны друг от друга? (О: длиной и частотой)

Свет разных цветов – это электромагнитные волны различной длины и частоты.

Монохроматический свет – одноцветный свет, каждой цветности соответствует своя длина и частота волны (в вакууме). (Слайд 15)

Вернемся к опытам Исаака Ньютона. Почему в призме волны делятся? Какое явление наблюдается при прохождении света через призму? (О: преломление света) (16)

Какой цвет в проводимых опытах испытывал наибольшее преломление? (О: фиолетовый) Наименьшее преломление? (О: красный). (17)

Очевидно, n_ф  n_к. Абсолютный показатель преломления связан со скоростью распростра-нения света в этой среде формулой n=. Следовательно, n_ф =, n_к =.

Отсюда, , . Для одной и той же среды: 

Значит, в одном и том же веществе скорости света для разных частот (или длин волн) различны. Различны будут и показатели преломления. Следовательно, показатель преломления света в среде зависит от его частоты.

При переходе из одной среды в другую изменяются скорость света и длина волны, частота же, определяющая цвет, остается постоянной. Границы диапазонов белого света и составляющих его цветов принято характеризовать их длинами волн в вакууме. Т. о., белый свет – это совокупность волн длинами от 380 до 760 нм.

(18) Дисперсией называют зависимость показателя преломления света от частоты колебаний (или дины волны).

Вам теперь понятно, что означает это определение?

Какие же выводы можно сделать из сегодняшнего урока?

(19) Выводы:

• Дисперсия – явление разложения белого света в спектр.

• Белый свет – сложный, состоит из монохроматических цветов.

• Показатель преломления среды зависит от цвета света (фиолетовый, красный)

• Показатель преломления света в среде зависит от его частоты.

( 20) В 1807 году Томас Юнг сделал столь же важное открытие, что белый свет можно получить сложением красного, зеленого, голубого. Рассмотрите данную модель; действительно, сложение красного, зеленого и голубого дает белый цвет. ( 21) В детстве на уроках рисования вы часто пользовались тем, что при наложении двух цветов получается третий цвет ( 22).

Явление дисперсии света наблюдается не только при прохождении света через призму, но и во многих других случаях преломления. ( 23)

Вернемся к вопросу о радуге. Радуга является одним из самых красивых явлений. Радуга поэтизировалась многими народами.

Все лучи лесов зеленых,
Все болотные кувшинки,
На земле когда увянут,
Расцветают снова в небе.

Условия возникновения радуги:

1. Радуга появляется, только когда выглянуло из-за туч солнце и только в стороне, противопо-ложной солнцу.
2. Радуга возникает, когда солнце освещает завесу дождя.
3. Радуга появляется при условии, что угловая высота солнца над горизонтом не превышает 42 градуса.

Объясните, почему возникает радуга, какие явления наблюдаются при этом?. (О: в водяной капле происходят следующие оптические явления: преломление солнечного света в водяных каплях, образующихся в атмосфере; дисперсия света, т.е. разложение белого света на цветные лучи; отражение света) ( 24)

Действительно, на каплю воды падает белый свет. Преломляясь, луч проходит в каплю и благодаря дисперсии разлагается на составляющие. Свет испытывает многократное внутреннее отражение, но часть энергии при каждом отражении выходит наружу. Вышедшие лучи – цветные. Лучи, испытавшие только одно отражение образуют главную радугу; образование двойной радуги объясняется двумя внутренними отражениями и т.д. Чем больше отражений происходит, тем слабее радуга. Такие же радужные полосы можно наблюдать вокруг фонарей при тумане. Снаружи радуга всегда красная, внутри – фиолетовая.

( 25) Увидеть радугу можно и в брызгах водопада, фонтана, на росе и т.д. Радуга бывает и ночью (после ночного дождя, когда из-за туч появляется Луна). Но ночная радуга всегда слабее и наблюдать ее можно достаточно редко).

( 26) Именно дисперсия объясняет возникновение такого явления, как гало. Это явление можно наблюдать зимой в виде кругов, столбов, крестов вокруг Солнца и Луны. Здесь дисперсия наблюдается в ледяных кристалликах.

Зная, что белый свет имеет сложную структуру, можно объяснить удивительное многообразие красок в природе.

Давайте вспомним из 8 класса, почему мы видим окружающие тела? (О: Свет, падая на предметы, отражается и попадает в глаз человека). Откуда берется цвет непрозрачных предметов?

Трава и листья деревьев кажутся нам зелеными потому, что из всех падающих на них солнечных лучей они отражают лишь зеленые, поглощая остальные. Красный томат отражает только красные цвета, остальные же им поглощаются. ( 27)

Цвета непрозрачных тел определяется цветом тех лучей, которые они отражают. Кстати, человеческий глаз способен различить 250 цветов, которые образуются при смешивании основных цветов.

Лист белой бумаги отражает все падающие на него лучи различных цветов. Лист черной бумаги поглощает все падающие на него лучи различных цветов.

Вне нас нет никаких красок, есть лишь волны разных длин.

Пробовали ли вы когда-нибудь смотреть на мир сквозь цветные стекла?

Давайте посмотрим. (Фотографии школы через разные светофильтры). ( 28-32)

Почему мы так видим школу? (О: Из-за светофильтров)

(С 33) А сейчас посмотрим на наш город через зеленые очки.

Как же можно объяснить цвета прозрачных тел?

При пропускании белого света через окрашенное стекло оно пропускает тот цвет, в который окрашено. Это свойство используется в различных светофильтрах.

Проделаем следующий опыт. Нам потребуются:

• Белый лист бумаги с цветными рисунками

• Светофильтры

На лист направить свет через разные светофильтры.

Вывод: Красный светофильтр пропускает только красные лучи, а остальные поглощает, поэтому другие картинки выглядят черными. Взглянем на эти картинки сквозь зеленое стекло. Белый цвет стал зеленым, красный – черным, а зеленый – сохранил свой цвет.

Опыт со спектральным кругом. (34) Объясните, почему при вращении круг становится почти белым?

(Если останется время, то разобрать следующие вопросы:

1. Светофор дает три сигнала – красный, желтый, зеленый, а лампа внутри него белая. Объясните с точки зрения оптики, как получаются разноцветные сигналы светофора.

2. На тетради написано красным карандашом “отлично” и зеленым — “хорошо”. Имеются два стекла – зеленое и красное. Через какое стекло надо смотреть, чтобы увидеть слово “отлично”?

3. Почему только достаточно узкий световой пучок дает спектр после прохождения сквозь призму, а у широкого пучка окрашенными оказываются лишь края?

4. На сером фоне сцены находится фигура в красном. Каким светом её надо осветить, чтобы создать видимость исчезновения?)

Домашнее задание: