План-конспект уроку фізики у 11 класі "Спостереження оптичних явищ"

Ключові компетентності:

- вміння пояснювати природні явища і технологічні процеси;

- використання знань з фізики для вирішення завдань, пов'язаних із реальними об'єктами природи і техніки;

- здатність, за допомогою фізичних методів самостійно чи в групі досліджувати природу;

- оцінка значення фізики та технологій для формування цілісної наукової картини світу, сталого розвитку.

Навчальні ресурси: електронні презентації, конструкторські завдання, віртуальні цифрові лабораторії.

- уміння використовувати сучасні пристрої для опрацювання, збереження, передачі та представлення інформації;

- використання сучасних цифрових технологій і пристроїв для вивчення фізичних явищ, для обробки результатів експериментів, моделювання фізичних явищ і процесів;

- ціннісні орієнтири у володінні навичками роботи з інформацією, сучасною цифровою технікою.

- уміння застосовувати фізичні знання для генерування ідей та ініціатив щодо проектної, конструкторської та винахідницької діяльності, для вирішення життєвих проблем, пов’язаних із матеріальними й енергетичними ресурсами;

- оцінювати можливість застосування набутих знань з фізики в майбутній професійній діяльності, для ефективного вирішення повсякденних проблем;

- оцінювати власні здібності щодо вибору майбутньої професії, пов’язаною з фізикою чи технікою;

- економно й ефективно використовувати сучасну техніку, матеріальні ресурси;

- ціннісне ставлення до фізичних знань, результатів власної праці та праці інших людей.

- використання знань з фізики під час реалізації власних творчих ідей;

- усвідомлення гармонійної взаємодії людини і природи.

Предметні компетентності:

(суть розкривається в наскрізних змістових лініях)

1) уміння планувати, підготувати, спостерігати експеримент;

2) уміння вимірювати фізичні величини та обробляти результати експерименту;

3)уміння інтерпретувати результати експерименту.

- дотримуватися правил безпеки життєдіяльності під час виконання навчальних експериментів, у надзвичайних ситуаціях природного чи техногенного характеру;

- оцінювати позитивний потенціал та ризики використання надбань фізики, техніки і технологій для добробуту людини і безпеки суспільства та довкілля.

II. Організація вивчення матеріалу:

·        теоретичний блок;

·        спостереження й аналіз явищ.

https://www.youtube.com/watch?v=P7HbG-iDi8s

Мета: показати учням на практиці способи відтворення явища інтерференції світла в лабораторних умовах.

Обладнання: дві скляні пластини, дротяна рамка на підставці, мильна вода, екран, кольорові олівці, кільця Ньютона, комп’ютерна  підтримка уроку, електронна презентація, проектор, підручник з фізики (В. Сиротюк, В. Баштовий, §33). Інтерактивна лабораторія PHET:

https://phet.colorado.edu/sims/html/wave-interference/latest/wave-interference_uk.html

Стисла теорія: інтерференція світла належить до явищ, дослідження  яких відіграло істотну роль у розвитку вчення про природу світла. Завдяки цьому явищу Д. Араго і О. Френель підтвердили не тільки хвильову теорію світла, а й довели, що світлові хвилі поперечні.

Інтерференція – це додавання у просторі двох (або кількох) хвиль, при якому  відбувається постійний у часі розподіл амплітуд результуючих коливань у різних точках простору.

Стійку інтерференційну картину можна створити за наявності когерентних джерел світла (таких, що мають однакову частоту, а фази їх коливань повинні збігатися або розрізнятися на деяку сталу (незалежну від часу) величину).

О₁ і О₂ – когерентні джерела світла;

d₁ і d₂ - шляхи поширення хвиль від джерел;

∆d – різниця ходу хвиль;

l – відстань між джерелами;

М – будь-яка точка середовища, де відбувається накладання світлових хвиль.

Умова максимуму: амплітуда коливань середовища в даній точці буде максимальною, якщо різниця ходу двох хвиль, що збуджують коливання в цій точці, дорівнює цілому числу довжин хвиль.

де k=0,1,2, …

Умова мінімуму: амплітуда коливань середовища в даній точці буде мінімальною, якщо різниця ходу двох хвиль, що збуджують коливання в цій точці, дорівнює непарному числу півхвиль.

Внаслідок інтерференції енергія перерозподіляється у просторі.

Хід експерименту

Завдання

1.     Дослідити інтерференцію світла у двох скляних пластинках.

2.     Спостерігати кільця Ньютона.

3.     Дослідити інтерференцію світла у мильному розчині.

Гіпотеза досягнення результату

На простих дослідах можна легко показати учням як можна самостійно відтворити явище інтерференції.

Запитання класу в ході експерименту

1. Що ви спостерігаєте під час дослідів ?

2. Яким чином інтерферує світло?

3. Як змінюється інтерференційна картина у мильному розчині? Від чого це залежить?

4. Де в побуті ви могли відтворити або спостерігати дане явище самостійно?

Орієнтовані дії дитини

Експеримент проводиться в  шкільних умовах. Дитина, спостерігаючи за ходом досліду і, беручи безпосередню участь у ньому, зможе легко засвоїти теоретичні відомості, що стосуються спостережуваного явища.

Мета: показати учням на практиці способи відтворення явища дифракції світла в лабораторних умовах.

Обладнання: електрична лампа з прямою ниткою розжарення (свічка, лампа розжарювання), екран, кольорові олівці, оптичний диск, шматочки шовкових тканин або капрон, кольорові світлофільтри, екран з щілиною, дифракційна гратка, лезо, шматочок картону, комп’ютерна  підтримка уроку (ППЗ "Віртуальна фізична лабораторія Фізика 10-11"); підручник з фізики, електронна презентація, проектор, підручник з фізики (В. Сиротюк, В. Баштовий, §34).

Стисла теорія: італійський вчений Гримальді у середині XVІІ ст. дослідив, що в однорідному середовищі світло не завжди поширюється прямолінійно. Якщо на шляху пучка світла розташувати непрозоре тіло, розміри якого порівняні з довжиною світлової хвилі, то світло, огинаючи краї цього тіла, буде відхилятися від прямолінійного поширення.

Дифракція – це огинання хвилею перешкод, або відхилення від прямолінійного поширення світла.

Принцип Гюйгенса-Френеля: кожна точка хвильової поверхні є джерелом вторинної хвилі; вторинні джерела світла, котрі розташовані на одній хвильовій поверхні, є когерентними; хвильова поверхня у будь-який момент часу є результатом інтерференції вторинних хвиль.

Дифракційна решітка – це спектральний прилад, що використовують для розкладання світла у спектр і вимірювання довжини хвилі.

d – період дифракційної решітки, d=a+b;

– кут, під яким поширюється хвилі після дифракції;

– довжина хвилі;

Умова максимуму освітленості (взаємне посилення двох вторинних хвиль:

де k=0,1,2, …

Положення максимумів світла не залежить від кількості щілин, а залежить тільки від довжини хвилі. Коли k=0 – максимум за напрямом =0 для всіх довжин хвиль.

Хід експерименту

Завдання

1.     Дослідити дифракцію світла через тканину.

2.     Дифракція від щілини.

3.     Спостерігати дифракцію через дифракційну гратку.

Гіпотеза досягнення результату

На простих дослідах можна легко показати учням як можна самостійно відтворити явище дифракції світла та довести основні закономірності його утворення.

Запитання класу в ході експерименту

1. За яких умов дифракція хвиль проявляється досить чітко?

2. Чому за допомогою мікроскопа не можна побачити атом?

3. Що таке пляма Пуассона?

4. Де в побуті ви могли відтворити або спостерігати дане явище самостійно?

Орієнтовані дії дитини

Експеримент проводиться як в  шкільних так і в домашніх умовах. Дитина, спостерігаючи за ходом досліду і, беручи безпосередню участь у ньому, зможе легко засвоїти теоретичні відомості, що стосуються спостережуваного явища.

Мета: дослідити з учнями в ході лабораторної роботи явище дисперсії світла; пояснити принципи розкладання білого світла у спектр та змішування кольорів.

Обладнання: джерела світла (свічка, лампа розжарювання, лампа з прямою ниткою розжарення), електродвигун, батарея гальванічних елементів, кольоровий диск, двотрубний спектроскоп, скляні призми, призма прямого зору,  ППЗ "Віртуальна фізична лабораторія Фізика 10-11"; комп’ютерна  підтримка уроку, електронна презентація, проектор, підручник з фізики (В. Сиротюк, В. Баштовий, §36).

Альтернатива: 3D симуляції.

• Змішування кольорів.

1.     http://www.virtulab.net

2.     https://phet.colorado.edu/sims/html/color-vision/latest/color-vision_uk.html

3.     https://www.vascak.cz/data/android/physicsatschool/templateimg.php?s=opt_michanibarev&l=ua

4.     https://www.vascak.cz/data/android/physicsatschool/templateimg.php?s=opt_newtonkotouc&l=ua – коло Ньютона.

• Дисперсія світла.

5.     https://www.vascak.cz/data/android/physicsatschool/templateimg.php?s=opt_hranol&l=ua

Стисла теорія: відповідно до хвильової теорії світла колір визначає саме частота світлової хвилі. Найменшу частоту має червоний колір, а найбільшу – фіолетовий.

Дисперсією хвиль називають залежність їх швидкості від частоти.

Отже, і показник заломлення світла залежить від частоти світлової хвилі.

Різним швидкостям поширення хвиль відповідають різні абсолютні показники заломлення середовища:

і  - швидкості поширення хвиль;

₁ і ₂ – довжини хвиль;

– абсолютний показник заломлення середовищ.

Диспергуючими середовищами називають такі, де спостерігається явище дисперсії – розкладання світла у спектр.

Спектроскоп – це прилад, який складається з коліматора, призми й зорової труби, і призначений для спостереження явища дисперсії світла.

Хід експерименту

Завдання

1.     Спостерігати дисперсію світла через призму прямого зору.

2.     Спостерігати дисперсію за допомогою різних скляних призм.

3.     Дослідити дисперсію світла за допомогою двотрубного спектроскопа.

4.     Дослідити змішування кольорів.

Гіпотеза досягнення результату

Спостерігаючи явище дисперсії за допомогою прозорих призм, учні розглядають спектр видимого світла, розуміють основні закономірності утворення кольорів різних довжин хвиль.

Запитання класу в ході експерименту

1. Чому Ньютон зробив зі свого досліду висновок, що біле світло є складеним ?

2. Чи спостерігається дисперсія у вакуумі?

3. Чому світло розкладається у спектр?

4. Де в побуті ви могли відтворити або спостерігати дане явище самостійно?

5. Поясніть утворення явища веселки.

Орієнтовані дії дитини

Експеримент проводиться в  шкільних умовах. Учень, спостерігаючи за ходом досліду і, беручи безпосередню участь у ньому, зможе легко засвоїти теоретичні відомості, що стосуються спостережуваного явища.

Мета: дослідити з учнями в ході лабораторної роботи явище поляризації світла.

Обладнання: поляризаційні скельця, комп’ютерна  підтримка уроку, електронна презентація, проектор, підручник з фізики (В. Сиротюк, В. Баштовий, §35).

Стисла теорія: поляризація світла -  це орієнтація вектора напруженості світлової хвилі в площині, перпендикулярній до напряму поширення хвилі, під час взаємодії світла з речовиною.

Наприкінці XVII ст. було виявлено, що кристал ісландського шпату роздвоює пучки світла, що проходять крізь нього. Так було відкрите явище подвійної променезаломлюваності. Якщо із кристала турмаліну упродовж його оптичної осі вирізати пластину, то вона буде пропускати лише ті світлові хвилі, вектор напруженості яких паралельний до головної оптичної осі кристала. У міру збільшення кута між оптичними осями кристала інтенсивність світла, що проходить крізь пластини, зменшується.

В момент, коли осі кристалів встановлюються перпендикулярно одна до одної, світло зовсім не проходить. У цьому випадку перша пластина виконує роль поляризатора, а друга – аналізатора світла. Загалом пластини називають поляроїдами.

Хід експерименту

Завдання

Спостерігати поляризацію світла.

Гіпотеза досягнення результату

Спостерігаючи явище поляризації світла через скельця турмаліну, учні дізнаються про природу даного фізичного явища, способи його дослідження. Фіксують зміну інтенсивності освітлення при певній орієнтації пластин і висувають власні гіпотези стосовно спостережуваного явища.

Запитання класу в ході експерименту

1. Де спостерігається поляризація світла?

2. Що являє собою світлова хвиля?

3. Яка складова електромагнітної хвилі «пригнічується», внаслідок зміни орієнтації скелець одне відносно одного?

4. Де в побуті ви могли відтворити або спостерігати дане явище самостійно?

Орієнтовані дії дитини

Експеримент проводиться в  шкільних умовах. Учень, спостерігаючи за ходом досліду і, беручи безпосередню участь у ньому, зможе легко засвоїти теоретичні відомості, що стосуються спостережуваного явища.

 "Спостереження інтерференції світла"

Інструктаж з БЖД під час проведення експериментальних завдань

Мета: спостерігати інтерференцію світла у склі, мильному розчині, через шматочки тканин; пояснити явище.

1. Дві скляні пластини.

2. Дротяна рамка на підставці.

3. Мильна вода.

4. Екран.

5. Кольорові олівці.

6. Шматочки щовкових тканин або капрон.

7. Кільця Ньютона.

Альтернатива:

Інтерактивна лабораторія PHET.

https://phet.colorado.edu/sims/html/wave-interference/latest/wave-interference_uk.html -

дослідження явища інтерференції.

І. Дослідити інтерференцію світла у двох скляних пластинках та за допомогою кілець Ньютона.

1)    Скласти разом дві скляні пластинки і стиснути пальцями (або обережно закріпити у тримачі).

2)    У відбитому світлі на темному фоні спостерігати кольорові.

3)    Звернути увагу на те, що в місцях дотику пластинок виникають кільцеподібної форми смуги. Замалювати кольоровими олівцями у зошити інтерференційну картину.

4)    Змінивши ступінь стискання пластин, розглянути зміну форми й розміщення смуг. Занотувати результат спостереження у зошит.

5)    Розглянути інтерференційну картину за допомогою кілець Ньютона. Намалювати у зошити спостережувану картину.

ІІ. Виявити інтерференцію у мильних плівках.

1)    Створити мильну плівку у дротяній рамці, або видути мильну бульку і прикріпити її на підставку (баночку).

2)    Спрямувавши на мильну плівку світло, спостерігати виникнення в ній інтерференційних горизонтальних смуг (або кільцеподібних смуг у бульбашці).

3)    Зробити у зошиті малюнок.

Приклади спостережуваних явищ:

І.

ІІ.

Спостереження:

1.     Як пояснити райдужні смуги, що спостерігаються у склі (тонкому шарі гасу, розлитому на поверхні води)?

2.     Що необхідно для утворення стійкої інтерференційної картини?

Зробіть загальний висновок:

 "Спостереження дифракції світла"

Інструктаж з БЖД під час проведення експериментальних завдань

Мета: спостерігати дифракцію світла; пояснити явище.

1. Електрична лампа з прямою ниткою (свічка, лампа розжарювання, тощо).

2. Екран.

3. Кольорові олівці.

4. Кольорові світлофільтри.

5. Дифракційна решітка ( )

6. Шматочки шовкових тканин або капрон.

7. Лезо та шматок картону (фольги, фотоплівки).

8. Тримач із щілиною.

І. Дослідити дифракцію світла через шматочки тканини.

1)    Встановити на демонстраційному столі електричну лампу (свічку, лампа розжарювання, тощо).

2)    Прикласти щільно до ока шматочок шовкової тканини (капрону) і спрямувати погляд на джерело світла (будьте обережними, щоб не пошкодити собі зір!).

3)    Замалювати у зошит свої спостереження.

ІІ. Спостерігати дифракцію світла через щілину.

1)    Обережно лезом зробити невелику прорізь у шматочку картону (або фотоплівки, фольги).

2)    Прикласти щільно до ока утворену щілину на картоні і спрямувати погляд на джерело світла (будьте обережними, щоб не пошкодити собі зір!).

3)    Описати явище. Замалювати кольоровими олівцями у зошит.

4)    Встановити у тримачі зі щілиною почергово отвори шириною від 0,1 до 0,3 мм. Зазначити, як при цьому зміниться дифракційна картина.

ІІ. Спостерігати дифракцію світла через дифракційну гратку.

1)    Приставити до око дифракційну гратку ( ).

2)    Спрямувати погляд на джерело світла. Розглянути одержану дифракційну картину. Зробити малюнок у зошиті.

3)    Закрити нитку лампи світлофільтрами. Який вигляд при цьому матиме дифракційна картина?

4)    Спостерігати у відбитому світлі дифракційну картину на оптичному диску. Зробити малюнок або фотознімок.

Приклади спостережуваних явищ:

І.

                   Приклади спостережень явища дифракції від щілини

Приклади спостережень явища дифракції через гратку і через різні  світлофільтри

Приклади спостережень явища дифракції на оптичному диску та через дифракційну гратку

Спостереження:

1)   Що означає на дифракційній гратці напис ( )?

2) Що таке фронт хвилі?

2) Як розташовані кольори в дифракційних картинах? Чи є деяка закономірність в цьому?

Зробіть загальний висновок:

 "Спостереження дисперсії світла"

Інструктаж з БЖД під час проведення експериментальних завдань

Мета: спостерігати дисперсію світла при його проходженні через призми; описати перебіг спостережуваного явища.

1. Джерело світла (лампа, сонячні промені, тощо).

2. Електродвигун.

3. Батарея гальванічних елементів.

4. Кольоровий диск.

5. Двотрубний спектроскоп.

6. Скляні призми.

7. Призма прямого зору.

І. Спостерігати дисперсію світла через призму прямого зору.

1)    Пропустити через призму світловий пучок:

·        сонячне світло (якщо дозволяють погодні умови);

·        пучок світла від лампи розжарювання.

2)    Спостерігати спектр видимого світла.

3)    Зробити малюнок або фотознімок.

ІІ. Спостерігати дисперсію за допомогою різних скляних призм.

1)    Розташувати скляні призми під деяким кутом відносно яскравого пучка світла.

2)    Отримати кольоровий спектр

3)    Зробити у зошиті малюнок або зробити фотознімки.

ІІІ. Спостерігати дисперсію за допомогою двотрубного спектроскопа.

1)    Вивчити будову двотрубного спектроскопа.

2)    Навести коліматор спектроскопа на яскраве джерело світла.

3)    Через окуляр спостерігати дисперсію світла у трикутній призмі.

4)    Замалювати спостереження у зошит.

ІV. Дослідити змішування кольорів.

Варіант 1.

1)    Спрямувати кольоровий пучок світла, отриманий у попередньому досліді, через прозору скляну призму.

2)    Спостерігати змішування кольорів й утворення білого світла.

Варіант 2.

1)    Закріпити кольоровий диск на невеликий електродвигун.

2)    Приєднати клеми електродвигуна до гальванічного елемента.

3)    Спостерігати швидке обертання диска і змішування кольорів.

Примітка: білий колір ви не зможете досягти (вийде, скоріш, світло сірий колір), оскільки будуть змішуватися не світлові кольори, а пігменти фарби на диску.

Альтернатива: 3D симуляції.

·        Змішування кольорів.

6.     http://www.virtulab.net

7.     https://phet.colorado.edu/sims/html/color-vision/latest/color-vision_uk.html

8.     https://www.vascak.cz/data/android/physicsatschool/templateimg.php?s=opt_michanibarev&l=ua

9.     https://www.vascak.cz/data/android/physicsatschool/templateimg.php?s=opt_newtonkotouc&l=ua – коло Ньютона.

·        Дисперсія світла.

10. https://www.vascak.cz/data/android/physicsatschool/templateimg.php?s=opt_hranol&l=ua

Приклади відтворених дослідів ІI – III

Приклади спостережуваних явищ:

І.

ІV.

Спостереження:

1.     Як можна спостерігати явище дисперсії?

2.     Яке середовище називають диспергуючим?

Зробіть загальний висновок:

 "Спостереження поляризації світла"

Інструктаж з БЖД під час проведення експериментальних завдань

Мета: спостерігати поляризацію світла при його проходженні через турмалін; описати перебіг спостережуваного явища.

Два поляризаційні скельця (турмалін).

 Спостерігати поляризацію світла у турмаліні.

1)    Розглянути прозорі скельця з турмаліну у прохідному світлі.

2)    Зафіксувати інтенсивність світлового потоку, який проходить через поляризаційне скло.

3)    Скласти обидва скельця разом.

4)    Повільно повертати верхнє скельце.

5)    Фіксувати зміну інтенсивності світлового потоку.

6)    Досягти рівня мінімальної освітленості та визначити кут повороту скельця. Зробити висновок.

7)    Записати свої спостереження у звіт.

Приклад спостережуваного явища

Спостереження:

3.     Як можна виявити поляризацію світла?

4.     Назвіть основні способи застосування явища поляризації світла у науці та техніці.

Зробіть загальний висновок: