Что же такое свет?

1 группа.

Много учёных искали ответ,
Много открытий они совершили...
Давайте посмотрим, что они нам открыли?
Прежде всего свет - это волна,
Электромагнитной зовется она.
Со скоростью света ничто не сравнится
Триста тыщ километров в секунду промчится.

2 группа

Свет переменчив и вовсе не прост,
Ведь у него двойственность свойств:
Свойства частиц, конечно, прекрасны,
Но свойства волны, ему тоже подвластны.
Взглянем в характер его мы поглубже-
И здесь свойств немало для нас таких нужных!
Дисперсия, преломленье, дифракция-
Во многих явлениях дают разобраться нам,
Много понять и точно ответить,
Зачем нужен свет и взрослым, и детям!

3 группа

Давайте посмотрим на реальных примерах:
Вот почему лист бумаги белый?
Ответ очень прост, проще не бывает:
Просто бумага весь свет отражает.
А взглянем на черный - противоположно,
Летом в нем ходить невозможно.
И снова вопрос: почему так бывает?
Просто черный цвет все поглощает.

4 группа

Мир так прекрасен, прекрасна планета,
И тут не обошлось без помощи света.
Ведь радугу, листья, деревья, цветы,
Все что в прекрасных тонах видим мы,
Все что для глаза красивым бывает,
Все это свет для нас открывает!

Ньютон, Гюйгенс и свет. Рождение оптики в XVII веке.

Именно И. Ньютон с великой изобретательностью и терпением проделал сотни опытов, каждый из которых должен был ответить на конкретные вопросы:

• цвет - это характеристика степени преломления;
• белый цвет - есть смесь разноцветных лучей;
• при разделении белого цвета угол преломления возрастает от красного к фиолетовому;
• при смешивании всех цветов вновь образуется белый цвет?

Он проверял свою гипотезу двумя способами:

• через комбинацию двух призм, поставленных подряд с поворотом на 180°, вторая призма смешивала цвета разложенные первой;
• известный диск Ньютона, при быстром вращении которого возникает иллюзия белого цвета.

Почему?

(Способность сетчатки глаза хранить изображения в течении некоторого времени, примерно 0, 1 сек.)

Но самой замечательной демонстрацией явлений волновой оптики стали кольца Ньютона. Гюйгенс наблюдал их раньше, но именно Ньютон смог первым объяснить это явление, хотя и склонялся к корпускулярной модели света. Он предположил, что лучи света периодически принимают два состояния: " состояние проходимости" и " состояние отражаемости".

О волновых свойствах света сегодня мы и поговорим.

" Интерференция"

Мы, считаем, что именно интерференция наиболее убедительное доказательство волновых свойств света.

Опыт: включим одну лампочку, потом еще одну - стало светлее, но картины интерференции мы не видим. А теперь попробуем сделать так, как Т. Юнг. В его опыте фронт волны делится на два

близко расположенных источника. На экране интерференционная картина. Он также определил длину волны для фиолетовой части спектра - 0, 42 мкм., для красного спектра - 0, 7 мкм.Интерференция сопровождалась спектральным разложением на монохроматические составляющие. Но картину интерференции нельзя получить, если источники не когерентны. Когерентными называются две световые волны одинаковой частоты, у которой разность фаз равна нулю. Как показывает опыт, именно при сложении когерентных волн возникает интерференционная картина максимумов и минимумов освещенности.

Опыты на компьютере.

Интерференция нашла широкое применение:

• интерферометр Майкельсона - прибор, который служит для прецизионных измерений. С помощью этого прибора в 1881 А. Майкельсон и Э. Морли пытались определить, существует ли разница в значении скорости света при его распространении вдоль и поперек направления орбитального движения Земли.
• просветление оптики. Свет проходя через линзы фотоаппаратов, биноклей отражается от передней и задней поверхностей. При отражении теряется 8-10 % энергии света, а если объектив состоит из нескольких линз, то теряется до 50% энергии. Чтобы этого избежать на поверхность линз химическим методом наносят тонкую пленку, толщина которой и показатель преломления выбираются с таким расчетом, чтобы в отраженном свете возник интерференционный минимум.

Интерференционные методы нашли широкое применение и в ряде других областей науки техники. С помощью интерферометра можно исследовать качество шлифовки поверхностей, можно измерить коэффициенты расширения твердых тел, малое изменение размеров ферромагнетиков в магнитном поле и сегнетоэлектриков в электрическом поле, а также измерить коэффициенты преломления веществ, малые концентрации примесей в газах и жидкости.

В астрономии интерференционные методы позволяют оценить угловой диаметр звезд.

" Дифракция"

Тот факт, что свет заходит за края препятствий, известен людям очень давно. Первое научное описание этого явления принадлежит Ф. Гримальди, который не только описал размытость тени от предмета, но и цветную полосу в области размытости. Он впервые это явление назвал дифракцией. Дифракция света - это огибание светом непрозрачных предметов и, как следствие этого проникновение света в область геометрической тени. Х. Гюйгенс первым попытался объяснить это явление, выдвинув для этого принцип построения волновых фронтов. Но надо отдать дань и другому ученому, О. Френелю, который много сделал для развития волновой теории света. В 1818 году он представил конкурсную работу под названием " Записка о теории дифракции", в которой доказал, что только волновая теория света объясняет дифракционную картину.

Опыты.

Использование дифракции света на одной щели в практических целях весьма затруднено и неудобно из-за слабой видимости дифракционной картины. Дифракционная решетка - спектральный прибор, служащий для разложения света в спектр и измерения длины волны. Они бывают металлическими и стеклянными. На эти решётки наносятся большое число параллельных штрихов: 2000 штрихов на один миллиметр поверхности. Главной характеристикой решётки является постоянная решётки d=а + в, d sin f =m j (m=0, 1, 2....), там где углы f удовлетворяют условию, наблюдаются главные максимумы дифракционной картины. Среди разнообразных практических применений волновых свойств света в последние десятилетия одно из более интересных - голография. Сущность голографии состоит в фиксации полной информации о предмете, причём информации не только об амплитуде световой волны, но и о её фазе. В 1960 году с появлением лазеров голографический метод стал использоваться чаще. Идеи и принципы голографии сформулировал Д. Габор в 1948 году.Голограммы бывают: оптические, объёмные, акустические. Голографические записи позволяют фиксировать вибрации и деформации, возникающие в различных узлах и деталях работающих машин, а также количественные исследования воздушных потоков в аэродинамических трубах.

" Поляризация"

Упругие волны бывают продольными и поперечными. В продольных волнах колебания частиц происходят вдоль направления распространения волн, а поперечных - перпендикулярно этому направлению. Свет, у которого световой вектор колеблется беспорядочно одновременно во всех направлениях, перпендикулярных лучу, называется естественным или не поляризованным. Типичный пример такого света - солнечное излучение, излучение ламп накаливания, ламп дневного света. А свет, у которого направление колебаний светового вектора строго фиксировано, называется линейно поляризованным или плоско поляризованным. Под поляризацией света понимают выделение из естественного света световых колебаний с определённым направлением электрического вектора. Зависимость показателя поглощения вещества от направления колебаний светового вектора называется дихроизмом. В практическом использовании турмалин не очень удобен: он дорог и из него нельзя вырезать пластины больших размеров. Поэтому более распространены в качестве поляроидов специальные дихроические плёнки, помещённые между стеклянными пластинками, например плёнки из кристалликов герапатита.

В мире давно обсуждается вопрос об установке поляроидов на фары и ветровые стекла автомобилей при устранении слепящего действия фар встречных машин. Для этого поляроид на фарах и ветровом стекле должен пропускать колебания под углом 45° к горизонту. Тогда направление световых колебаний встречной машины будет перпендикулярно плоскости, в которой поляроид пропускает колебания и свет фар будет гаситься. Собственный же поляризованный свет данного автомобиля после отражения от дороги будет проходить сквозь ветровое стекло. Установка поляроидов имеет смысл. Если снабдить ими все автомобили.

" Дисперсия"

Разложение белого света в спектр с помощью стеклянной призмы впервые было получено И. Ньютоном. Белый свет раскладывается в спектр, но монохроматические цвета (красный, синий, фиолетовый) далее на спектральные составляющие не раскладываются.

Будучи сторонником корпускулярной теории света, И. Ньютон объяснял этот факт следующим образом: фиолетовый цвет состоит из маленьких частиц, красный - из более массивных. Изучение явлений интерференции и дифракции света показало, что цвет связан с длиной волны, следовательно, и с её частотой. Это свойство волн можно наблюдать в природе.

Радуга.

В русских летописях радуга называлась райская дуга. В Древней Греции радугу олицетворяла богиня Ирида, она соединяла небо и землю, была посредником между людьми и богами. Радугу " делают" водяные капли: в небе -капли дождя, на земле- брызги водяной струи водопада, фонтана. Именно в водяной капле происходят оптические явления, из -за которых возникает радуга. Преломление на границе воздух - вода по закону " отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно относительному показателю преломления"; отражение света на границе воздух - вода по закону " угол отражения равен углу падения луча". Дисперсия света - это разложение света в спектр. Условия возникновения радуги: наличие капель воды диаметром 0, 08 - 0, 2 мм; особое положение наблюдателя - спиной к солнцу, вне дождевой зоны при высоте солнца над горизонтом не более 42?. Верхняя часть радуги всегда красного цвета, нижняя - фиолетового. Красивое природное явление не оставит никого равнодушным.

Вопрос: А правда, что существуют белые радуги?

Да, их называют туманными. Они возникают при освещении солнечными лучами слабого тумана, состоящего из капелек радиусом 0, 025мм и менее. Даже уличный фонарь может создать белую радугу видимую на темном фоне ночного неба.

Гало.

Радугу и гало имеет одну и ту же физическую природу. Гало происходит от древнегреческого слова " халос" - круглая площадка. Они могут выглядеть весьма разнообразно - светящиеся кольца вокруг Солнца или Луны, кресты, столбы, ложные светила. Наблюдается гало, если светило просвечивает через тонкие перисто-слоистые облака. Эти облака состоят из ледяных кристалликов в форме правильной шестиугольной призмы. гало бывают белыми и с цветными оттенками и объясняются тем, что возникает свечение в результате преломления света в кристалликах и отражения от их граней. Часто на небе можно фиксировать несколько гало. Например: очень сложное гало наблюдалось в Петербурге 18 июня 1794году: одновременно на небе было 12 кругов и дуг, из них 9 цветных. Его так и называют - Петербургский феномен.

Вопрос: Интересно, а на других планетах может быть такое явление?

Учёные зафиксировали гало и на других планетах Солнечной системы - в атмосфере Венеры, а также в атмосфере Ио, спутнике Юпитера.

Мираж

Мираж - французского происхождения и имеет два значения: отражение и обманчивое явление. Миражи -это явления, описание которых довольно часто встречается в художественной литературе. Вот отрывок из французской сказки " Принцесса Дангобер":

" Матросы забрались на реи, а капитан взял подзорную трубу и увидел замок, висящий на золотых цепях между небом и землёй". Догадайтесь, о каком явлении идёт речь?

Мираж представляет собой изображение реально существующего на земле предмета, часто увеличенное и сильно искажённое. Они бывают верхние, нижние и сложные.

Нижние (озёрные) возникают над сильно нагретой пове6рхностью. Наблюдают их в пустынях и знойных степях. Воздух около земли сильно нагрет, и его показатель преломления меньше, чем у лежащего более высоко холодного воздуха. Отражение в этом слое аналогично отражению в воде. Верхние возникают, наоборот, над сильно охлажденной поверхностью, например, над холодной водой. Они наблюдаются в северных широтах. В этом случае показатель преломления воздуха выше у поверхности воды и уменьшается с высотой. Сложные миражи называются фата - моргана, возникают одновременно, то есть когда есть условия и для верхнего миража и для нижнего. Сложные миражи имеют вид призрачных дворцов, замков, лугов и садов, при этом вся картина быстро исчезает.

Вопрос: Легенда о " летучем голландце" - это тоже мираж?

Да, безусловно, это верхний мираж.

Закат солнца.

Искривление хода световых лучей в атмосфере объясняет не только мираж, но и удивительно красивое оптическое явление - закат солнца. Действительно, один закат солнца совсем не похож на другой. Но всегда заходящее солнце становится красным.

Синий цвет неба объясняется молекулярным рассеиванием света на флуктуациях плотности. Коэффициент рассеивания обратно пропорционален длине волны в четвёртой степени. В результате сине- фиолетовые лучи рассеиваются в 16 раз сильнее, чем красные. Отсюда голубой цвет дневного неба. Когда солнце низко, путь лучей через атмосферу значительно длиннее, чем днём, когда солнце стоит высоко. Учитывая, что синие лучи сильнее рассеиваются атмосферой, понятно, что от солнца доходят до глаза преимущественно оранжевые и красно - желтые лучи. Поэтому солнце на закате и на восходе кажется оранжево- красным.

Вопрос: Против солнца видна сверкающая дорожка. Как она образуется? Почему дорожка всегда ориентирована на наблюдателя?

Ответ: Дорожка возникает на поверхности воды вследствие отражения света от мелких волн, которые ориентированы в различных направлениях. Поэтому отраженные лучи попадают в глаз и каждый наблюдатель видит свою дорожку.

Учитель:

Спасибо. Мы повторили и обобщили знания по теме: " Волновые свойства света". А теперь две группы будут работать над тестовыми заданиями. Приложение №1

(Вы выпускники, а значит не за горами ЕГЭ). Другие две группы выполняют лабораторную работу по определению длины световой волны. Оборудование у вас на столах, а на экране виртуальное изображение этой работы. Одна группа находит длину волны для красного спектра, а другая для фиолетового.

Тесты у вас на столах. Я распечатала их из диска " ЕГЭ по физике, 100 баллов".

А теперь проверьте свои работы и поставьте себе оценки в листы самоконтроля. Ответственные групп сделают анализ ошибок на следующем уроке.

Конец нашего тысячелетия отмечен стремительным наступлением информационных технологий. Современные системы связи с использованием волокнисто- оптических кабелей позволяют передавать огромные объёмы информации с помощью световых импульсов. Звук и свет. Какая связь между ними? Звуковые колебания вызывают свечение пузырьков воздуха в воде.

Я предлагаю вам соединить цвета спектра и звуковую гамму воедино. Приложение№2

" Наука и искусство соединены так же, как лёгкие и сердце", говорил Л.Н. Толстой.

А вот астрологи считают, что человек интуитивно, не осознавая этого, предрасположен к своему цвету, согласно кольцу Зодиака. Приложение№3

Предполагается, что наиболее комфортно человек должен себя чувствовать в своём цвете.

Трактовка некоторых цветов с точки зрения психологии. Приложение№4

Таблица " Цвет - длина волны" Приложение№5