6 05 2013 Методика преподавания оптики Единый

6. 05. 2013 Методика преподавания оптики

Единый подход к изучению Изучается большой раздел колебаний и волн в различной «Колебания и волны» , физической природы
 в котором объединены колебания и волновые процессы различной физической природы. Смысл объединения материала: Показать единство подхода к анализу явлений , которые описываются одними и теми же понятиями- смещения, амплитуды, фазы, частоты колебаний.

Цели: • Уметь приходить ко все более широким обобщениям. • Осуществлять перенос знаний из одной области явлений на другие, родственные области. • Развить физическое мышление.

Что учащиеся должны знать? 1. Что колеблется? 2. Как колеблется? 3. Почему происходят колебания?

Два направления изучения темы «Колебания и волны» . 1) Учение представляет собой ряд глав, посвященных изучению колебаний и процессов одной волновой природы: Ø Механические колебания и волны (включая звук). Ø Переменный ток, как вынужденные колебания. Ø Электрические колебания и электромагнитные волны, к которым примыкает волновая оптика.

2) Колебания различной природы изучаются совместно. Ø Основные понятия гармонического колебательного движения и его применение к свободным механическим и электрическим колебаниям (маятник, электрический колебательный контур).

Ø Вынужденные колебания и резонанс в механических и электрических колебательных системах и их применение в технике(переменный ток, радиосвязь, вибрация машин). Ø Волны- механические, электрические, оптические, - в которой они изучаются совместно (интерференция всех видов волн, дифракция и т. д. ).

Переход к геометрической оптике.

Пределы применимости. • Переход к геометрической оптике возможен только тогда, когда длина световой волны значительно меньше размеров отверстий и экранов и величины неоднородностей среды. • Если среда оптически однородна, то в зависимости от соотношения размеров препятствий и длины световой волны обнаруживаются волновые свойства света или проявляются законы геометрической оптики.

• Световой луч - направление вдоль которого распространяется фронт световой волны (нормаль к световой волне), или линия, вдоль которой распространяется световая волна.

Измерение излучений и фотометрия. • Фотометрические величины- сила света, световой поток и освещенность. «Излучение и спектры» 1. Под термином «свет» , или «оптическое излучение» следует понимать электромагнитные волны в диапазоне от длинноволнового инфракрасного до мягкого рентгеновского излучения.

2. Усвоение объективного метода обнаружения невидимых излучений оптического диапазона позволит естественным образом перейти к применению объективных методов измерения видимого света.

Обязательно отметить! • Для измерения видимого излучения используются различные приемники : глаз и фотоэлемент (обладающие неодинаковой избирательной чувствительностью к различным длинам волн видимого света), термоэлементы (одинаково чувствительны к различным участкам видимого спектра), фотографические эмульсии (фотографический способ).

Кривые распределения энергий в спектре излучения, полученные с помощью прибора селективного действия (фотоэлемента) и интегрального действия (термоэлемента) различны.

Закон сохранения и превращения энергии в оптике.

Отражение, преломление и поглощение света. • Энергия пучка падающего, например, на стеклянную пластинку, равна сумме энергий отраженного, преломленного и поглощенного света Обратимость светового луча имеет место только в геометрической оптике.

Управление световыми пучками. • Понятие об энергии светового пучка позволяет разъяснить почему стремятся применять вогнутые зеркала и собирающие линзы большого диаметра в качестве объективов оптических приборов.

Интерференция. • В области интерференции происходит перераспределение энергии света. Темные полосы- «гашение света» Светлые полосы – увеличение интенсивности света, т. о. общая энергия света двух когерентных пучков до интерференции и в результате ее остается неизменной.

Фотоэлектрический эффект. • Уравнение Эйнштейна для фотоэлектрического эффекта выражает закон сохранения и превращения энергий для каждого элементарного акта освобождения фотоэлектрона из металла.

Химическое действие света. Согласно эквивалентности Эйнштейна каждому поглощенному фотону соответствует превращение одной молекулы, поглотившей фотон. Для этого должно быть выполнено условие: hν ˃ D При выполнении этого условия атомы продуктов разложения возбуждаются и при переходе в нормальное состояние испускают свет, частота которого меньше частоты поглощенного фотона.

Люминесценция. В этом явление происходит трансформация света. Свет одной волны преобразуется в свет другой длины волны. Лишь разность энергий между поглощенными и испущенными фотонами превращается во внутреннюю энергию вещества и оно нагревается.

Давление света (опыт Лебедева).

Световые волны

Необходимые для изучения волновой оптики понятия. • Гармоническое колебательное движение. • Вынужденные колебания. • Сложение колебаний. • Волна и луч. • Когерентность. • Интерференция и дифракция волн. • Отражение волн. • Преломление электромагнитных волн.

Интерференция света. Цель изучения - ответ на вопрос об определении длины световой волны на основе интерференции. Опыты по интерференции : ü с зеркалами и бипризмой Френеля(интерференция типа Френеля) ü с тонкими пленками (интерференция типа Ньютона)

• Явление интерференции света указывает на границы применимости одного из законов геометрической оптики закона независимости световых пучков. • Явление дифракции- на границы применимости другого закона геометрической оптики-закона прямолинейного распространения света.

Поляризация света • Задача изучения - доказать, что световые волны поперечны. Линейно поляризованным (или плоскополяризованным) светом называются "световые волны, у которых направления колебаний электрического и магнитного векторов в любой точке пространства остаются неизменными с течением времени"(Физическая оптика. Терминология).

Геометрическая оптика.

Преломление и дисперсия. • Необходимо отличать явление разложения света в пространстве на составные цвета (преломление немонохроматического света) от термина "дисперсия света" как зависимости показателя преломления вещества от длины волны. • Причину и следствие необходимо различать, т. е. разложение света на составные цвета является следствием зависимости показателя от длины световой волны.

Предел разрешения оптических приборов. • Объяснение предела разрешения оптической системы при помощи дифракции. • К объяснению прилагают: а) ход пучков света через линзу; б) изображение дифракционных колец с центральными максимами; в)частичное перекрывание дифракционных картин.

§ Наименьшее расстояние, между точками предмета (выраженное в угловой мере и мерах длины), при котором эти точки еще изображаются оптической системой раздельно, называется пределом разрешения.

Мнимое изображение. Три методических вопроса. 1) Изучать отражение и преломление как опытные факты, рассмотреть собирающее действие двояковыпуклой линзы и свойства глаза и затем строить изображения в оптической системе "плоское зеркалоглаз", либо сохранить традиционный порядок изложения геометрической оптики и, когда будет изучен глаз, разъяснить , что получение изображений в плоском зеркале требует участие глаза.

2) Поскольку мнимые изображения получить на экране не возможно, то при построении изображений необходимо прослеживать ход реальных пучков света до последнего элемента оптической системы-сетчатки глаза.

3) Целесообразно изучить понятие об угловом увеличении. Оно применимо для любого изображениядействительного и мнимого. Линейное же увеличение для мнимого изображения смысла не имеет.

Обращение изображений. • Фигуру будем называть симметричной , если она идентична своему зеркальному (в плоском зеркале) изображению и потому может быть наложена на это изображение.

• В сферических зеркалах и линзах действительные изображения получаются обращенными. • Мнимые изображения получаются прямыми.

Оптические приборы. • Изучаются приборы двух типов: проекционные приборы и приборы, служащие для вооружения глаз. • Проекционные приборы дают действительное изображение на экране, глаз не участвует в образовании этого изображения. Проекционные приборы -проекционный фонарь, фотоувеличитель, фильмоскоп, кинопроектор. Для изучения выбирается один из них, т. к. принцип действия одинаков. Самое главное выяснить роль конденсатора и объектива.

• Оптические инструменты предназначены для вооружения глаза, работают совместно с глазом и обеспечивают получение увеличенного действительного изображения на сетчатке глаза. • Оптические инструменты глаза лупа, микроскоп.

Действие света. Кванты света • Задача - разъяснить, что природа света - электромагнитная, а свойства света - волновые и корпускулярные. • Сформировать понятие о дискретности энергетических состояний атома и о фотоне.

Последовательность изучения материала. 1) Доказательство о существовании дискретных энергетических состояний атома. 2) Квантовые постулаты Бора. 3) Введение понятия фотон.

Дискретность энергетических состояний атома.

Диаграмма уровней энергии атома.

Понятие о фотоне. 1) Вопрос о скорости света и его опытном определении. Требуется объяснить, что скорость света в вакууме, хоть и велика, но конечна. Она является предельной величиной. Лишь фотоны и нейтрино движутся со скоростью света. В различных инерциальных отсчета скорость света постоянна.

2) Масса покоя фотона при любой скорости , меньше скорости света, равна нулю. Фотон движется только со скоростью света и существует только при этой скорости. 3) Учебная программа предусматривает изложение вопроса о развитии взглядов на природу света, которое завершается сообщением первоначальных сведений о корпускулярно-волновом дуализме.

При изучении вопроса о природе и свойствах света необходимо подчеркнуть следующее: • Свет, как и любое электромагнитное поле, материален. • Фотон не локализован в точке. • Корпускулярность света заключается в том , что фотон не делим. • Энергия фотона зависит от частоты, и увеличивается с ростом частоты.

Спасибо за внимание!