Урок-исследование. Серия Творческая лаборатория. Дисперсия света. Радуга

Цель урока: Сформировать у учащихся единое, целое представление о физической природе цвета на явлении дисперсии света, рассмотреть условия возникновения радуги.

Задачи: Экспериментально изучить явление дисперсии света, возникающие при этом эффекты. Рассмотреть понятия: цвет, цветовые ощущения, монохроматичность света, условия возникновения и наблюдения радуги.

Оборудование: лабораторное оборудование «L-микро» для разложения в спектр белого света, демонстрационное оборудование «L-микро» по волновой оптике, компьютер, видеопроектор, прибор для демонстрации радуги в лабораторных условиях.

Проведение демонстрационных экспериментов и практических наблюдений: опыт по дисперсии света с призмами. (Флинт, Крон), практическая работа «Наблюдение дисперсии света», неразложимость в спектр монохроматического света, сложение спектральных цветов, демонстрация радуги в лабораторных условиях.

Ход урока

I. Радуга

С древних времен существует поверье: кто пройдёт под радугой, тот на всю жизнь останется счастливым. Сказка это или быль? Можно ли пройти под радугой и стать СЧАСТЛИВЫМ? 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».

Рис. 1

Демонстрируется непрерывный спектр белого света (лаборатория L-микро опыт 1). (Приложение 3)

Учащиеся говорят, что это и есть радуга. Показываем, что любой человек может стать счастливым, и…. Проходим под радугой! Предлагаем это сделать и учащимся. В классе всегда есть дети, кто с удовольствием проходит под радугой не один раз.

Рис. 2

Рис. 2а

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. Используя призму Крон, Флинт показываем, что ширина и насыщенность спектра зависит от вещества.

Исаак Ньютон условно выделил в спектре семь основных цветов:

красный
оранжевый
жёлтый
зелёный
голубой
синий
фиолетовый

Порядок расположения цветов просто запомнить по аббревиатуре слов: каждый охотник желает знать, где сидит фазан.

II. Учащиеся выполняют творческое экспериментальное задание:

разложение белого света на его цветовые составляющие (используется лабораторное оборудование L-микро). (Приложение 3)

Рис. 3

При выполнении практического задания обратить внимание учащихся на угол падения лучей на призму (кювету с водой). На выполнение работы (вместе с рисунком) потребуется 6-8 минут. После выполнения практического задания рассмотрите окрашивание в цвета радуги света, проходящего через призму, от яркого источника света.

Вместо рекомендуемого оборудования (кюветы с водой) опыт по разложению света хорошо получается при использовании стеклянных (оргстекла) плоскопараллельных призм (на уроках использую треугольные призмы от спектроскопов и призмы флинт, крон).

III. Учащимся объясняется различие в явлениях спектрального разложения и дисперсии.

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

Рис. 4

Дисперсией называется зависимость скорости света в веществе от частоты волны.

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

n = c/v = f(v)

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 n для фиолетового света больше, чем для красного.

Механизм дисперсии объясняется следующим образом. 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 (vвн = vт). 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 v падающего света равна v колебаний атомов. 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.

Демонстрируем опыт (Приложение 3) по выделению отдельных цветов используя набор светофильтров. Объясняя наблюдаемый эффект, необходимо подчеркнуть, что светофильтр пропускает свет в некотором определенном интервале длин волн. При этом световые волны с другими длинами поглощаются в материале светофильтра.

Рис.5

Рис. 5а

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.

Каковы цветовые ощущения, воспринимаемые нашим глазом?

Глаз (сетчатка глаза) реагирует на частоту видимого электромагнитного излучения; нервные клетки зрительного нерва посылают сигнал в кору головного мозга, где и происходит окончательное формирование воспринимаемого нами зрительного образа, Для формирования полного цветового восприятия достаточно три основных цвета, остальные (вспомогательные) получают при наложении этих цветов друг на друга.

Рис.6

Рис.6а

Видеофильм (Приложение 1) «Цвета кубиков» — НФПК ФИЗИКОН.

IV. Совместно с учащимися решаем вопрос о неразложимости в спектр монохроматического света.

Для того, чтобы экспериментально решить вопрос о том, что происходит, если на призму попадает свет со строго определенной длиной волны, проведём следующие эксперименты. Используем ту же установку, которая использовалась в опыте по изучению дисперсии света, только закроем щелевую диафрагму красным светофильтром. Призма не добавляет никаких новых оттенков в свет, в котором с самого начала присутствовала только одна цветовая составляющая. Точно такой же вывод можно сделать, рассмотрев прохождение через призму излучения полупроводникового лазера. Излучаемый лазером свет является существенно более монохроматическим, чем свет графического проектора после светофильтра или, иными словами, полоса пропускания светофильтра существенно шире интервала длин волн, в котором светит лазер. Рассматривая результаты проведенных экспериментов, учащиеся делают вывод о том, что монохроматическое излучение в спектр разложить нельзя

Рис.7

Рис.7а

V. Обсуждаем вопрос. Что будет, если все цвета собрать воедино?

Проводим опыт по сложению спектральных цветов. (Приложение 2) Геометрическое сведение лучей с различной длиной волны на одну область экрана в данном опыте осуществляется с помощью линзы. Установим на оптический столик, закрывающий кадровое окно графического проектора, штатив и закрепим в нем оправу для линзы и поляроидов. В эту оправу поставим линзу с фокусным расстоянием F’ = 12 см и диаметром D = 15-20 см. (удобно использовать собирающую линзу от оптической скамьи). При этом весь вышедший из призмы свет должен пройти через линзу.

Приближая и удаляя линзу от призмы, добьемся минимальной окраски пятна на экране. Оптимальное положение линзы соответствует тому, что расстояние между призмой и линзой примерно равно фокусному расстоянию линзы. Отсутствие явно выраженной окраски пятна на экране означает, что при сведении вместе различных составляющих спектра наш глаз снова начинает воспринимать их как белый свет. Опыт очень эффектный и не занимает много времени!

Рис. 8

Рис. 8а

VI. Продолжим изучение световых явлений на примере радуги.

Радугу «творят» водяные капли: в небе – дождинки, на поливаемом асфальте – капельки, брызги от водяной струи. Однако не все знают, как именно преломление света на капельках дождя приводит к возникновению на небосводе гигантской многоцветной дуги. 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.

Рис. 9

Рис. 9а

Основные черты радуги будем изучать по распространению света внутри одной изолированной капли воды. На рисунке изображён путь одного луча, участвующего в образовании основной радуги. Каждая капелька воды в воздухе выполняет роль крохотной призмы, дробящей свет на разные цвета.

Наблюдать радугу можно во время дождя при условии, что Солнце или источник света, близкий по спектру к солнечному, находится позади наблюдателя. Размер видимой части радуги зависит от положения Солнца относительно горизонта.

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

VII. Обобщение, закрепление изученного материала.

Выводы:

  1. Белый цвет – это смесь спектральных цветов.
  2. Разложение белого света в спектр – это разделение его на лучи спектральных цветов, происходящее в результате преломления луча в призме.
  3. Показатель преломления зависит от цвета спектральной составляющей белого света. Лучи, соответствующие различным цветам, при попадании в одну и ту же среду преломляются под разными углами, поскольку их скорости в данной среде различны.
  4. Цвет, который нельзя разделить на составные части, называется монохроматичным.

Учащиеся отвечают на устные вопросы, выполняют задания теста, решаются задачи (если останется время) на зависимость показателя преломления света в веществе от частоты падающего излучения № 1533, 1535, 1537 (Г. Н. Степанова).

Устные вопросы:

  1. Почему дисперсионный спектр белого света, полученный при его пропускании через стеклянную призму, сжат в красной части и растянут в фиолетовой?
  2. Зелёный пучок цвета переходит из воздуха в воду. Меняются ли при этом его частота, длина волны, цвет?
  3. Почему в комнате с тёмными обоями темно, а со светлыми светло?
  4. На пути белого пучка поставили красный и зелёный светофильтры, один за другим. Что получится на выходе?
  5. На белом листе написано красным карандашом «отлично», а зеленым — «хорошо». Имеются два стекла — зеленое и красное. Через какое стекло надо смотреть, чтобы увидеть оценку «отлично»?

Тесты по дисперсии света: (Приложение 1)

  1. Какой из следующих рисунков правильно отражает разложение света в призме?

  2. Расположите цвета в том порядке, в каком они следуют в спектре в порядке уменьшения показателя преломления.

    Красный, синий, жёлтый, оранжевый, фиолетовый, зелёный.

  3. Когда белый свет раскладывается на составляющие, луч какого цвета сильнее всего отклоняется от первоначального направления?
    1. Красный.
    2. Жёлтый.
    3. Фиолетовый.
    4. Зелёный.

  4. Лучи какого цвета имеют наибольший показатель преломления в призме?
    1. Оранжевый.
    2. Фиолетовый.
    3. Красный.
    4. Синий.

  5. Непрерывный спектр белого света является результатом …
    1. Рассеяния белого света.
    2. Разложения белого света.
    3. Отражения белого света от стенок призмы.
    4. Смешивания различных цветов.

  6. Чтобы разложить белый свет в спектр, нужно использовать …
    1. Плоское зеркало.
    2. Призму.
    3. Вогнутое зеркало.
    4. Стеклянный полукруг.

  7. Увидеть радугу во время дождя можно, когда …
    1. Сверкает молния.
    2. Дует сильный ветер.
    3. Солнце стоит высоко над горизонтом.
    4. Солнце стоит невысоко над горизонтом.

  8. Не все цвета являются монохроматическими. Выберите из списка цвета, не являющиеся таковыми.
    Белый, красный, желтый, серый, синий, оранжевый, черный, зеленый.

Ответы:

  1. 3
  2. Фиолетовый, синий, зелёный , жёлтый, оранжевый, красный.
  3. Фиолетовый.
  4. Фиолетовый.
  5. Разложением белого света.
  6. Призму, стеклянный полукруг.
  7. Солнце стоит невысоко над горизонтом.
  8. Белый, чёрный, серый.

Рис. 10

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. (№ 1046, 1049,1052 – А. П. Рымкевич).

Проведение урока при отсутствии демонстрационного и лабораторного оборудования сопровождается презентацией (Приложение 1) «Дисперсия света».

В классах физико-математического профиля на втором уроке рассматриваем теорию (Приложение 2) и условия возникновения радуги, решаем задачи на дисперсию света.

Следующий: