Урок – исследование. Серия «Творческая лаборатория». Тема: Дисперсия света. Радуга.

Министерство образования и молодёжной политики Чувашской Республики

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа № 3 с углубленным изучением

отдельных предметов» г. Ядрина Чувашской Республики.

Урок – исследование. Серия «Творческая лаборатория».

Открытый урок по физике на тему:

ДИСПЕРСИЯ СВЕТА. РАДУГА.

Учитель физики высшей категории

Николаев А.М.

Иногда, когда после сильного ливня вновь проглядывает солнце, вы можете увидеть радугу. Это происходит потому, что воздух насыщен мельчайшей водяной пылью. Каждая капелька воды в воздухе выполняет роль крохотной призмы, дробящей свет на разные цвета.

2015г.

МБОУ «СОШ № 3» с углубленным изучением

отдельных предметов г. Ядрина Чувашской Республики.

Учитель физики высшей категории: Николаев А.М.

Урок – исследование. Серия «Творческая лаборатория».

Тема: Дисперсия света. Радуга.

Цель урока: Сформировать у учащихся единое, целое представление о физической природе цвета на явлении радуги.

Задачи:

1.      Демонстрации: Повторение и обобщение материала по дисперсии в приложении к различным явлениям природы;

2.      Показать учащимся в лабораторных (классных) условиях явление дисперсии;

3.      Совместно с учащимися показать, что на примере явления радуги исследуется явление дисперсии, преломления, внутреннего отражения света.

·                Опыт по дисперсии (преломлении) света с призмами. (Флинт, Крон)

·                Опыт "Разложение белого света по составляющим.

·                Опыт "Сложение спектральных цветов и получение белого цвета.

·                Видеофрагмент "Радуга".

·                Демонстрация радуги в лабораторных условиях.

Ход урока:

С древних времен у нас существует поверье: кто пройдёт под радугой, тот на всю жизнь останется счастливым. Сказка это или быль? Разобраться в этом поможет одно удивительное физическое явление – дисперсия.

Явление дисперсии было открыто И.Ньютоном и считается одной из важнейших его заслуг. "Он исследовал различие световых лучей и появляющиеся при этом различные свойства цветов, чего раньше никто не подозревал".("История физики", Б.И.Станков, стр. 123.) Около 300 лет назад Исаак Ньютон пропустил солнечные лучи через призму. Он открыл, что белый цвет — это «чудесная смесь цветов». Используя вторую призму, Ньютон собрал все цвета вместе и снова получил белый цвет.

Учащимся предлагается выполнить творческое экспериментальное задание: разложение белого света на его цветовые составляющие (используется лабораторное оборудование L – микро).

Учащимся объясняется различие в явлениях спектрального разложения и дисперсии.

Спектральным разложением называется разложение несинусоидальной волны (белого света) на синусоидальные компоненты (монохроматические волны).

Дисперсией называется зависимость скорости света в веществе от частоты волны.

При дисперсии происходит разложение белого света (но это происходит и при интерференции, дифракции, поляризации). В веществе же скорость света есть функция частоты и показатель преломления.

Демонстрируется непрерывный спектр белого света. Меняя светофильтры (цвет) получаем цветные изображения щели, отклонённые на разные углы. Совокупность цветных изображений щели на экране и есть непрерывный спектр. Фиолетовый фильтр даёт на экране фиолетовый свет, испытывающий наибольшее отклонение, красный – наименьшее.

Рис. I. Схема разложения белого света с помощью призмы.

Различным цветам соответствуют волны различной длины. Никакой определенной длины волны белому свету не соответствует.

Вывод: В веществе скорость распространения коротковолнового излучения меньше чем длинноволнового.

Значит показатель преломления п для фиолетового света больше, чем для красного.

При помощи призм Флинт и Крон экспериментально доказали, что ширина спектра на экране зависит от преломляющего угла призмы, от вещества призмы.

Механизм дисперсии объясняется следующим образом (без математической интерпретации, так как она очень сложна).

Электромагнитная волна возбуждает в веществе вынужденные колебания электронов в атомах и молекулах. Колеблющиеся электроны становятся вторичными источниками электромагнитных волн с такой же частотой, но со сдвигом фазы.  Поскольку первичные и вторичные волны когерентны, они интерферируют, и результирующая волна распространяется со скоростью, отличной от скорости света в вакууме. Так как дисперсия возникает вследствие взаимодействия частиц вещества со световой волной, то это явление связано с поглощением света – превращением энергии электромагнитной волны во внутреннюю энергию вещества. Максимальное поглощение энергии возникает при резонансе, когда частота  Ещё раз обращаем внимание учащихся на то, что при переходе волны из одной среды в другую изменяются и скорость, и длина волны, а частота колебаний остается неизменной.

При этом возникает два эффекта:

1. Различная прозрачность вещества для различных участков спектра. (Так обычное стекло прозрачно для видимого света и плохо пропускает инфракрасные и ультрафиолетовые лучи). На этом свойстве вещества основано действие светофильтров.

2. Различная отражательная способность вещества для разных участков спектра. На этом явлении основано явление цвета тел. Если при дневном освещении тело кажется зелёного цвета, то это значит, что оно хорошо отражает волны зелёного цвета и поглощает остальные. Если осветит тело красным светом, то оно (тело) "поглотит" его и ничего отражать не будет. Следовательно, тело будет казаться чёрным.

Это демонстрируется на опыте. Ставим опыт по сложению спектральных цветов с получением белого цвета (Д.Э. опыт №826) (Опыт очень сложен, занимает много времени, и его можно показать на факультативных занятиях).

Совместно с учащимися решаются задачи на зависимость показателя преломления света в веществе от частоты падающего излучения (№ 1046, 1049,1052).

Продолжим изучение световых явлений на примере радуги.

Радуга - изумительное явление природы, которое с давних пор стремились описать и поэты, и учёные. Наверное, нет человека, который не любовался бы радугой. Это великолепное красочное явление на небосводе издавна привлекало всеобщее внимание. Все знают, что волшебными свойствами радуга может обладать лишь в сказках, а в действительности радуга – это оптическое явление, связанное с преломление световых лучей на многочисленных капельках дождя. Радугу творят водяные капли: в небе – дождинки, на поливаемом асфальте – капельки, брызги от водяной струи. Радугу могут творить и капли – росинки, которыми осенним утром покрыта низко склонённая трава. Однако не все знают, как именно преломление света на капельках дождя приводит к возникновению на небосводе гигантской многоцветной дуги.

Как образуется радуга? Когда и как её можно увидеть? Какова теория этого явления? Можно ли экспериментально исследовать радугу? Как получить искусственную радугу?

Последовательная теория радуги была развита в самое последнее время. Яркая радуга, которая возникает после дождей или в брызгах водопада - это первичная радуга. Цветные полосы сильно отличаются по яркости, но порядок всегда одинаков: внутри дуги всегда находится фиолетовая полоса, которая переходит в синюю, зелёную, жёлтую, оранжевую и красную - с внешней стороны радуги. Выше первой, в небе, возникает вторая менее яркая дуга, в которой цветовые полосы расположены в обратном порядке.

Основные черты радуги будем изучать по распространению света внутри одной изолированной капли воды. На рисунке изображён путь одного луча, участвующего в образовании основной радуги.

Луч ОА преломляется в т.А, отражается от внутренней поверхности в т.В и преломляется в т.С. Мы не учитываем отражённого луча в т.А, преломленного в т.В и луча, испытавшего внутреннее отражение поверхности в т.С. Угол между лучом, падающим на каплю в точке А и между лучом, вышедшим из точки С, называется преломленным лучом.

Каждый луч падает на каплю под вполне определённым углом α. Значит, для каждого значения  α  есть 

Выясним, почему интенсивность рассеянных лучей возрастает вблизи одного луча . Опыты показывают, что функция  достигает наименьшего значения при  . Это означает, что вблизи угла  концентрируется максимальное количество лучей: лучи, падающие на каплю в области углов  рассеиваются в узком  интервале  углов

Возникающее в результате резкое возрастание интенсивности рассеиваемого света – это и есть основная радуга (дуга радуги).

Покажем, что это можно вычислить используя дифференциальное исчисление.

Дифференцируя уравнения (1) и (2) по альфа мы получим:

Не будь дисперсии, впечатления от радуги были бы намного слабее. Расчёты для показателей преломления

фиолетового света                                    красного света

показывает, что угловая широта радуги будет 1,7° . Вторая радуга образуется лучами, которые испытывают два внутренних отражения. Эти лучи рассеиваются под углом 129° ,её угловая ширина 3,1°.

Наблюдать разницу можно во время дождя при условии, что Солнце или источник света, близкий по спектру к солнечному, находится позади наблюдателя. Угловые положения радуги первого и второго порядка относительно горизонта

 180°-138°=42° и .

Размер видимой части радуги зависит от положения Солнца относительно горизонта.

Итак, явление радуги связано с явлениями преломления и отражения света. Явление дисперсии сильно увеличивает эффект радуги и позволяет видеть это прекрасное явление природы.

Радугу можно получить и в лабораторных условиях. Цвета (насыщенность) радуги зависит от среднего диаметра падающих капель. Если , то радуга видна при освещении ФОС-2. Если . то радуга очень яркая и не уступает по насыщенности явлению радуги в природе.

Лабораторным путём радуга получена на каплях воды при обычном опрыскивании и освещении мощным источником света Р = 300-500 Вт.

В заключение урока учащимися был продемонстрирован видеоролик «Радуга»(демонстрируется при наличии времени).

Домашнее задание: Разложите солнечный луч. Поставьте зеркало в воду под небольшим углом. Поймайте зеркалом солнечный луч и направьте его стену. Поворачивайте зеркало до тех пор, пока не увидите спектр. Вода выполняет роль призмы, разлагающей свет на составляющие его цвета.

Литература.

1.      Парнов Л.В. "Беседы о преломлении света".

2.      Ю.Г.Павленко. "Начала физики", стр.461-473.

3.      Б.М.Яворский, АА.Пинский. "Основы физики", том 2, §63.5-63.6.

4.      АА.Пинский, АТ.Глазунов. "Методика преподавания физики".

5.      Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев. "Физика. 11 кл.".