Программа элективного курса « Фундаментальные эксперименты в физической науке»
элективный курс по физике (11 класс) на тему

Занятие №1. Эксперимент и теория в естественнонаучном познании

Цели оперативные: ученики должны знать и формировать в устной речи методы и формы научного познания,  понимать место и роль эксперимента в физической науке.

1. Организационный момент.

Учитель: Здравствуйте, ребята! Я рада, что вы выбрали именно этот  элективный курс, который носит название «Фундаментальные эксперименты в физической науке».

Нам предстоит  с вами посетить мир физики, погрузится в море физических демонстраций, открыть неизведанные ранее острова фундаментальных экспериментов и ощутить загадочность этого мира!

При изучении данного курса вы будете знать о:

1. Эксперимент и теория в естественнонаучном познании
2. Фундаментальные опыты в механике
3. Фундаментальные опыты в молекулярной физике
4. Фундаментальные опыты в электродинамике
5. Фундаментальные опыты в оптике
6. Фундаментальные опыты в квантовой физике.

Т.к. наша работа в большей части будет связана с выполнением различных демонстраций и лабораторных работ, то вам следует вспомнить технику безопасности на уроках физики, а также правила пользования измерительными приборами.

Техника безопасности

1. Будьте внимательны, дисциплинированны, осторожны, точно выполняйте указания учителя.
2. Не оставляйте рабочее место без разрешения учителя.
3. Располагайте приборы, материалы, оборудование на рабочем месте в порядке, указанном учителем.
4. Не держите на рабочем месте предметы, не требующиеся при выполнении задания.
5. Производите сборку электрических цепей, переключения в них, монтаж и ремонт электрических устройств только при отключенном источнике питания.
6. Не включайте источники электропитания без разрешения учителя.
7. Проверяйте наличие напряжения на источнике питания или других частях электроустановки с помощью указателя напряжения.
8. Следите, чтобы изоляция проводов была исправна, а на концах проводов были наконечники, при сборке электрической цепи провода располагайте аккуратно, а наконечники плотно зажимайте клеммами. Выполняйте наблюдения и измерения, соблюдая осторожность, чтобы случайно не прикоснуться к оголенным проводам (токоведущим частям, находящимся под напряжением).
9. Не прикасайтесь к конденсаторам даже после отключения электрической цепи от источника электропитания: их сначала нужно разрядить.
10. краями, правильно подбирать диаметры резиновых и стеклянных трубок при их соединении, концы смачивать водой, глицерином или смазывать вазелином.
11. Отверстие пробирки или горлышко колбы при нагревании в них жидкостей направлять в сторону от себя и обучающих, не допускать резких изменений температуры и механических ударов.
12. При работе, если имеется вероятность взрыва сосуда вследствие нагревания, нагнетания или откачивания воздуха, на демонстрационном столе со стороны обучающихся необходимо устанавливать защитный экран из оргстекла, а учитель должен надеть защитные очки.
13. Не брать приборы с горячей жидкостью незащищенными руками, а также закрывать сосуд с горячей жидкостью притертой пробкой  до его остывания.
14. При измерении напряжений и токов измерительные приборы присоединять проводниками с надежной изоляцией, снабженными наконечниками. При сборке
15. Не включать без нагрузки выпрямители и не делать переключений в схемах при включенном питании.
16. Не допускать прямого попадания в глаза учителя  и обучающихся света от электрической дуги, проекционных аппаратов, стробоскопа и лазера при демонстрации их работы.
17. Не оставлять без надзора включенные в сеть электрические устройства и приборы.

2. Формирование  новых знаний умений, навыков (теоретическая часть)

Итак, начнем занятие. Учитель читает лекцию, в ходе которой беседует с учениками.

Физика  это наука, занимающаяся изучением основополагающих и вместе с тем наиболее общих свойств окружающего нас материального мира. Поэтому понятия физики и ее законы лежат в основе любого раздела естествознания.

В настоящее время физика очень тесно связана с астрономией, геологией, химией, биологией и другими естественными науками. Она многое объясняет в этих науках, предоставляет им мощные методы исследования.

Какими же путями добывается научная истина? Несколько сотен лет назад были выработаны основы физического метода исследования. Он состоит в следующем: опираясь на опыт, отыскивают количественные (формулируемые математически) законы природы; открытые законы проверяются практикой.

Любознательность, стремление увидеть общее в разрозненных проявлениях и признаках природных явлений, понять причины, порождающие их, а также желание  предсказать их возникновение неизменно стимулировали научное познание.

Процесс научного познания в самом общем виде представляет  собой  решение различного  рода  задач,  возникающих  в  ходе  практической   деятельности.

Решение возникающих при этом проблем достигается путем использования  особых приемов (методов), позволяющих перейти от того, что уже известно,  к  новому знанию. Каждая наука использует различные методы, которые  зависят  от  характера решаемых в ней задач. Однако своеобразие научных методов состоит в том,  что они относительно независимы от типа проблем, но зато зависимы  от  уровня  и глубины научного исследования. Иными  словами,   в   каждом   научно-исследовательском процессе  меняется  сочетание  методов  и  их  структура. Благодаря  этому  возникают  особые  формы  (стороны)   научного   познания, важнейшими   из   которых    являются    эмпирическая,    теоретическая    и производственно-техническая.

Эмпирическая сторона предполагает необходимость сбора фактов и информации (установление фактов, их  регистрацию,  накопление),  а  также  их  описание (изложение фактов и их первичная систематизация).

Теоретическая сторона связана с объяснением, обобщением, созданием  новых теорий, выдвижением гипотез, открытием новых  законов,  предсказанием  новых фактов в рамках этих теорий. С их  помощью  вырабатывается  научная  картина мира и тем самым осуществляется мировоззренческая функция науки.

 Производственно-техническая сторона проявляет себя  как  непосредственная производственная сила общества, прокладывая путь развитию  техники,  но  это уже выходит за рамки собственно научных методов, так  как  носит  прикладной характер.

В  основе  методов  естествознания  лежит  единство  его  эмпирической  и теоретической сторон. Они  взаимосвязаны  и  обусловливают  друг  друга.  Их разрыв, или преимущественное развитие одной за счет другой,  закрывает  путь к правильному познанию природы - теория становится беспредметной, опыт -   слепым.

Эмпирический и теоретический уровни знания различаются по предмету (во втором случае он может иметь свойства, которых нет у эмпирического объекта), средствам (во втором случае это мыслительный эксперимент, метод моделирования, аксиоматический метод и т. д.) и результатам исследования (в первом случае эмпирическое обобщение, во втором — гипотеза и теория).

Теоретическое познание отличается от рационального также тем, что в состав теоретического уровня входят представления (наглядные образы), которые являются формами чувственного восприятия. Процесс научного поиска даже на теоретическом уровне не является строго рациональным. Непосредственно перед стадией научного открытия важно воображение, создание образов, а на самой стадии открытия — интуиция.

Поэтому открытие нельзя логически вывести, как теорему в математике. О значении интуиции в науке хорошо свидетельствуют слова выдающегося математика Гаусса: «Вот мой результат, но я пока не знаю, как получить его». Результат интуитивен, но нет аргументации в его защиту. Интуиция присутствует в науке (так называемое «чувство объекта»), но она ничего не значит в смысле обоснования результатов. Нужны еще объективные рациональные методы, которые все люди могут оценить.

Сложное переплетение эмпирического и теоретического уровней познания особенно характерно для наиболее продвинутых областей экспериментальной и теоретической физики.  Методы  естествознания  могут  быть  подразделены  на  следующие  группы:

1. Общие методы, касающиеся любого предмета, любой науки.  Это  различные формы метода, дающего возможность связывать  воедино  все  стороны  процесса познания, все его ступени, например, метод  восхождения  от  абстрактного  к конкретному,   единства   логического   и   исторического.   Это,    скорее, общефилософские методы познания.
2. Частные  методы касаются лишь одной стороны изучаемого  предмета  или же определенного приема исследования:  анализ, синтез, индукция,  дедукция.  К  числу  частных  методов  также относятся наблюдение, измерение, сравнение и эксперимент.

В естествознании частным методам  науки  придается  чрезвычайное  значение,  поэтому  в  рамках  нашего  курса   необходимо   более   подробно рассмотреть их сущность.

Наблюдение - это целенаправленный строгий  процесс  восприятия  предметов действительности,  которые  не  должны  быть  изменены.  Исторически   метод наблюдения развивается как составная часть трудовой операции,  включающей  в себя установление соответствия продукта труда его запланированному образцу.  Наблюдение как метод познания действительности применяется либо там,  где невозможен или очень  затруднен  эксперимент  (в  астрономии,  вулканологии, гидрологии),  либо  там,  где  стоит  задача  изучить  именно   естественно функционирование или поведение объекта (в этологии, социальной психологии  и т.п.). Частными  случаями  метода  наблюдения  являются   измерение   и сравнение.

Аналогия  -  метод  познания,  при  котором  происходит  перенос  знания, полученного в ходе  рассмотрения  какого-либо  одного  объекта,  на  другой, менее изученный и в данный момент изучаемый. Метод аналогии основывается  на сходстве предметов по ряду  каких-либо  признаков,  что  позволяет  получить вполне достоверные знания об изучаемом предмете.

Моделирование - метод научного познания, основанный  на  изучении  каких-либо объектов посредством их моделей. Появление этого  метода  вызвано  тем, что  иногда  изучаемый  объект  или  явление  оказываются  недоступными  для прямого вмешательства познающего субъекта или такое  вмешательство  по  ряду причин  является  нецелесообразным

  Таким образом, сущность моделирования как метода познания  заключается  в замещении объекта исследования моделью, причем в качестве модели могут  быть использованы объекты как естественного, так и искусственного  происхождения.

Эксперимент   -   метод   познания,   при   помощи    которого    явления действительности исследуются в контролируемых  и  управляемых  условиях.  Он отличается от  наблюдения  вмешательством  в  исследуемый  объект,  то  есть активностью по отношению  к  нему.  Проводя  эксперимент,  исследователь  не ограничивается пассивным наблюдением явлений, а  сознательно  вмешивается  в естественный  ход  их  протекания  путем  непосредственного  воздействия  на изучаемый процесс или изменения условий, в которых проходит этот процесс.

Эксперимент может выступать в качестве:

• одного из методов познания,
• источника новых знаний,
• критерия истинности теоретических знаний (на завершающем этапе процесса познания).

         Условно естественнонаучное  наблюдение (и экспериментальное исследование) может быть разбито на три части:

1. ПОДГОТОВКА (постановка цели, выбор необходимых приборов и принадлежностей, составление плана проведения, планирование предполагаемых результатов).
2. НАБЛЮДЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ.
3. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ (описание результатов наблюдений, составление таблиц результатов и  графиков, оценка погрешности, выводы).

Задание для самостоятельной  работы:  составить план наблюдения  кипения воды (таяния  льда, горения дерева  или др.)

Развитие  естествознания  выдвигает  проблему  строгости   наблюдения   и эксперимента. Дело в том, что они нуждаются  в  специальных  инструментах  и приборах, которые последнее время становятся настолько  сложными,  что  сами начинают оказывать влияние на объект  наблюдения  и  эксперимента,  чего  по условиям быть не должно.  Это, прежде  всего,  относится  к  исследованиям  в области физики микромира (квантовой механике,  квантовой  электродинамике  и т.д.).

Поскольку программа элективного курса предполагает выполнение и изучение многих опытов и экспериментов, то давайте подробнее остановимся на рассмотрении этого метода научного познания.

Изучение естествознания нужно не только для того, чтобы мы как культурные люди знали и разбирались в его результатах, но и для понимания самой структуры нашего мышления. Итак, мы отправляемся в безбрежное море познания. Предположим, что вместе с Ньютоном мы лежим под деревом и наблюдаем, падение яблока, которое, по преданию, натолкнуло Ньютона на открытие закона всемирного тяготения. Яблоки падали на голову не только Ньютона, но почему именно он сформулировал закон всемирного тяготения? Что помогло ему в этом: любопытство, удивление (с которого, по Аристотелю, начинается научное исследование) или, быть может, он и до этого изучал тяготение, и падение яблока было не начальным, а завершающим моментом его раздумий? Как бы то ни было, мы можем согласиться с легендой в том, что именно обычный эмпирический факт падения яблока был отправной точкой для открытия закона всемирного тяготения. Будем считать эмпирические факты, т. е. факты нашего чувственного опыта, исходным пунктом развития естествознания. Итак, мы начали наше научное исследование, точнее оно началось с нами. Так или иначе, мы зафиксировали первый эмпирический факт, который, коль скоро он стал отправной точкой научного исследования, стал тем самым научным фактом.  Что дальше? Выдающийся французский математик начала века А. Пуанкаре,  описывая в своей книге «Наука и метод» работу ученого, говорил следующее:

 «Наиболее интересными являются те факты, которые могут служить свою службу многократно, которые могут повторяться. Да, действительно так, потому что ученый хочет вывести законы развития природы, т. е. сформулировать некие положения, которые были бы верны во всех случаях жизни для однотипного класса явлений. Для этого ученому нужны множество одинаковых фактов, которые потом он мог бы единообразно объяснить. Ученые, продолжает Пуанкаре, «должны предпочитать   те факты, которые нам представляются простыми, всем тем, в которых наш  грубый глаз различает несходные; составные части. Итак, мы должны ждать падения новых яблок, чтобы определить  действительно ли они падают всегда. Это уже можно назвать способом или методом исследования. Он называется наблюдением и в некоторых областях  естествознания остается единственным и главным эмпирическим методом  исследования. Например, в астрономии. Правда, с помощью визуальных  наблюдений мы мало что  увидим. Чтобы наблюдать мегамир,  нужны мощные телескопы и радиотелескопы, которые улавливают космические излучения. Это тоже наблюдение, хотя и более сложное.

     Однако,  нашем случае нет нужды ждать падения яблок. Мы  можем потрясти яблоню и посмотреть, как будут вести себя яблоки, т. е. провести эксперимент, испытать объект исследований. Эксперимент представляет собой как бы вопрос, который мы задаем природе 'и ждем от нее ясного ответа. «Эйнштейн говорил, что природа отвечает «нет» на большинство задаваемых ей  вопросов и лишь изредка  от нее можно услышать более обнадеживающее «может быть»... Каков бы ни был ответ природы — «да» или «нет», — он будет выражен  на том же теоретическом языке, на котором был задан вопрос.

Отличительной особенностью научного эксперимента является то, что его должен быть способен воспроизвести каждый исследователь в любое время.  Трясение яблони, как простейший из возможных экспериментов, убеждает нас, что все яблоки ведут себя совершенно одинаково. Однако, чтобы вывести физический закон, мало одних яблок. Нужно рассмотреть и другие тела, причем, чем меньше они похожи друг на друга, тем лучше.

Если же мы все-таки считаем эксперимент необходимым, то можем провести его на моделях, т. е. на телах, размеры и масса которых пропорционально уменьшены по сравнению с реальными телами. Результаты модельных экспериментов можно считать пропорциональными результатам взаимодействия реальных тел. Но и модельный эксперимент не является последним из возможных. Может иметь место мысленный эксперимент. Для этого понадобится представить себе тела, которых вообще не существует в реальности, и провести над ними эксперимент в уме.

Для того чтобы ввести их в расчеты, необходимы идеальные представления, например, представления об идеально гладкой поверхности, идеально круглом шаре и т.п. Такие представления называются идеализациями.

В современной науке надо быть готовым к идеализированным экспериментам, т.е. мысленным экспериментам с применением идеализации, с которых (а именно, экспериментов Галилея) и началась физика Нового времени. 

 Особый интерес представляют фундаментальные эксперименты.  Это эксперименты, которые определили становление и развитие физической науки, явились ее экспериментальной основой. Фундаментальные научные эксперименты в большинстве своем выступают как источник принципиально важных знаний в системе физического образования и современной научной картины мира.

Структура и содержание фундаментального научного эксперимента отражают в себе процесс познания, творческий поиск ученого. Это позволяет сделать заключение о том, что материал по этим экспериментам является полезным в организации активной учебно-познавательной деятельности учащихся при изучении физики. В развитии физической науки фундаментальные эксперименты стали важными вехами. На каждом этапе истории физики возникали такие ситуации, когда для разрешения противоречий приходилось ставить решающие эксперименты.

К таким экспериментам мы можем с полной уверенностью отнести  открытие электромагнитных  волн  Г.  Герцем,  коротковолнового  электромагнитного излучения  К.  Рентгеном,  радиоактивности  А.  Беккерелем,  электрона   Дж.Томсоном,  светового  давления  П.Н.Лебедевым,  введение  идеи   кванта   М.Планком, создание теории относительности А.  Эйнштейном,  описание  процесса радиоактивного  распада  Э.Резерфордом.  В  1913  -  1921  гг.   на   основе представлений об атомном ядре, электронах и квантах Н.  Бор  создает  модель атома, разработка которой ведется в соответствии  с  периодической  системой элементов Д.И. Менделеева. Это - первый этап новейшей революции в  физике  и во всем естествознании. Он сопровождается крушением прежних представлений  о материи и ее строении, свойствах, формах движения и  типах  закономерностей, о  пространстве  и  времени.  Это  привело  к   кризису   физики   и   всего естествознания,    являвшегося    симптомом    более    глубокого    кризиса метафизических философских оснований классической науки.   Второй этап революции начался в середине 20-х гг.  XX  века  и  связан  с созданием квантовой механики и сочетанием ее  с  теорией  относительности  в новой квантово-релятивистской физической картине мира.   На  исходе  третьего  десятилетия  XX  века  практически  все  главнейшие постулаты, ранее выдвинутые наукой, оказались  опровергнутыми.  В  их  число входили  представления  об  атомах  как  твердых,  неделимых  и   раздельных «кирпичиках» материи, о времени и пространстве как независимых абсолютах,  о строгой причинной обусловленности всех явлений, о  возможности  объективного наблюдения природы.   Предшествующие научные представления  были  оспорены  буквально  со  всех сторон.

Условно фундаментальные эксперименты можно классифицировать на несколько групп.

1. Эксперименты, приведшие к открытию наиболее важных физических законов: колебания математического маятника (Г. Галилей);электродинамики (Ш. Кулон, Г. Ом, Э. Ленц, Дж. Джоуль, А. Ампер); фотоэффекта (А. Г. Столетов); основных газовых законов (Р. Бойль, Э. Мариотт,Ж. Шарль и др.).

2.     Эксперименты, в результате которых были открыты новые физические явления, не предсказанные существовавшими в то время теориями: электрический ток (Л. Гальвани); магнитные свойства тока (Г. Эрстед); внешний фотоэффект (Г. Герц); рентгеновское излучение (В. Рентген);естественная радиоактивность (А. Беккерель); деление ядер урана под действием нейтронов (О. Ган и Ф. Штрассман).

3.     Эксперименты, положенные в основу физической теории или подтверждающие ее следствия: электронная теория строения вещества (Дж. Томсон); электронная проводимость металлов (Э. Рикке, Л. И. Мандельштам, Н. Д. Папалекси, Р. Толмен, Ч. Стюарт); молекулярно-кинетическая теория строения вещества (Р. Броун, Ж. Перрен); измерение скоростей газовых молекул и проверка распределения молекул по скоростям (О. Штерн);квантовая теория света (А. Г. Столетов, А. Ф. Иоффе, Н. И. Добронравов, Р. Милликен, П. И. Лукирский, С. С. Прилежаев); рассеивание рентгеновского излучения атомами легких элементов (А. Комптон); дискретность энергетических атомных уравнений (Д. Франк и Г. Герц); исследование флуктуации света (В. Боте и С. И. Вавилов).

4.     Эксперименты, с помощью которых были впервые определены физические константы: гравитационная постоянная (Г. Кавендиш); скорость света в воздухе и воде (О. Рёмер, А. Физо, Л. Фуко, А. Майкельсон); элементарный электрический заряд (Р. Милликен, А. Ф. Иоффе).

Практическая часть

Учащимся предлагается записать алгоритмическую цепочку действий ученого-исследователя ( слова даны в разноброс)

наблюдение → эксперимент → факты → закон → гипотеза → эксперимент → теория.

1. А теперь пока я продемонстрирую вам опыт. Ваша задача внимательно смотреть за происходящим и сказать, почему произошло именно такое явление.

Учитель:  Почему мы наблюдаем фонтан в колбе?

Ученики: Вода с силой вгоняется через узкое отверстие внутрь колбы, образуя фонтан. Вода поступает в колбу, потому что атмосферное давление больше давления разреженного воздуха в колбе.

(Цель проводимой демонстрации в том, чтобы заинтересовать учащихся в изучении элективного курса, показать, что в физике много интересных явлений и процессов)

Учитель: У меня еще есть для вас кое-что интересное, давайте посмотрим видеофрагмент.

(Демонстрация птички, при отсутствии реальной модели показать видеофрагмент).

Просмотр.

А над ответом на вопрос: «почему так происходит», вы подумаете дома!

3. Инструктаж домашнего задания.

Следующее занятие будет посвящена фундаментальным опытам в механике.

Поэтому вам на дом даются темы докладов и сообщений, которые вы подготовите к следующему занятию

• «Ньютон  и его вклад в развитие физики как науки»
• «Опыт Генри Кавендиша»
• «Галилео Галилей: жизнь, работа, труды»
• «Предпосылки к становлению физической науки»

Также к следующему разу 2 ученика самостоятельно подготовят демонстрации по механике. А именно:

• Демонстрация резонанса
• свободное падение (трубка Ньютона);

Занятие № 2 «Фундаментальные опыты в механике»

Оперативные цели: ученик должен знать, понимать и интерпретировать в устной речи основные физические законы в области механики (1,2,3 законы Ньютона  и тд.)

Знать и понимать смысл фундаментальных  законов в механике и их роль в физической науке (интерпретация  в устной речи данных законов,  а также приведение примеров их использования в жизни)

Знать (на уровне воспроизведения) имена ученых, поставивших изученные фундаментальные опыты.

Самостоятельно работать со средствами дополнительной литературы.

Ученик должен уметь выполнять компьютерный эксперимент и описывать его результаты в устной и письменной речи

Учитель – занятие состоит из двух частей: теоретической и практической.

План занятия:

        Теоретическая часть:

1. Зарождение экспериментального опыта в физике.
2. Мысленный эксперимент Галилея и закон инерции. Опыты  его по изучению движения тел.
3. Открытие Ньютоном закона всемирного тяготения и опыт Кавендиша (Демонстрация).
4. Роль фундаментальных опытов в становлении классической механики.

Практическая часть:

5. Проведение компьютерного эксперимента по изучению движения тел под действием силы тяжести.

Теоретическая часть занятия.

1. Зарождение экспериментального метода.

Учитель.

        Человек не может вечно жить в замкнутом пространстве. Усиливается интерес человека к окружающему миру. Появляются географические открытия. Например, Земля – шарообразна. Так раздвигаются границы мира для людей.

Выступление ученика.

        Еще в древности люди имели представление о физических явлениях. Однако их знания не были объединены какой-либо теорией и не составляли науки.

Впервые попытка научного обобщения этого была сделана в Греции. Однако она еще не привела к возникновению физической науки. Прошло немало времени, пока из науки древних начали выделяться естественные науки, в том числе и физика.

В XIII веке расширяются связи между государствами Европы и Востока. В Европу проникают сочинения арабских и древних мыслителей. Выделяются здесь сочинения Аристотеля – древнегреческого философа и мыслителя. Они содержат учения об основных принципах бытия. Церковь использовала его идеалистические эксперименты, учения. Аристотель  был причислен к миру святых, и его учение считалось непреложной истиной: учения о стихиях, о движениях, о боязни природой пустоты. Следовательно, схоластика в то время ставила науку на службу религии. Единственным источником знаний для них являлись священные книги и сочинения Аристотеля.

Но в это время производство обогатилось важными достижениями. Носителями новых знаний были архитекторы, военные инженеры, мастера и ремесленники. Еще в XII веке появилась бумага, компас и колесные часы. А в XIII веке – стекольное дело, изобретены очки, огнестрельная артиллерия. В XV веке – первый печатный станок.

Для постройки всего этого нужны были знания математики и механики. Следовательно, техническая мысль все больше обращается к науке. Так из самой практики вызревают научные проблемы, связанные с точными науками. Назревает научная революция, начало которой относится к эпохе Возрождения.

Здесь выделяется ученый Леонардо да Винчи. Он опровергает противоположность земного и небесного. По его мнению, Земля – такое же небесное тело, как и другие светила, и не является центром Вселенной. Он сумел установить новые частные теории простейших случаев движения.

2. Мысленный эксперимент Галилея и закон инерции. Опыты  его по изучению движения тел.

Учитель.

Особая роль в становлении физики принадлежит Галилею. Поэтому речь сейчас пойдет об этом ученом.

Выступление ученика.

Галилео Галилей – итальянский ученый, в Пизанском университете изучал медицину, но затем занялся научными исследованиями по математике и механике. Он довольно рано стал противником учения Аристотеля о движении. 1612 г. «Рассуждения о телах, пребывающих в воде и движущихся в ней» - против механики Аристотеля. В 1609 году сконструировал первый телескоп, состоящий из двух линз: плосковыпуклой – объектива и плосковогнутой – окуляра. Телескоп давал увеличение в 3 раза, а затем – в 30 раз. Наблюдал за небом и сделал целый ряд открытий, касающихся Луны, планет. Его знаменитая книга «Диалог» посвящена обоснованию гелиоцентрической системы мира.

Галилей утверждает, что падение тел происходит под действием силы тяжести, а тело, движущееся прямолинейно по горизонтальной плоскости само по себе сохранит свою скорость и направление и только вмешательство других тел (трение о плоскость, сопротивление воздуха) изменяет скорость движения его.

Для обоснования этого положения Галилей рассматривает движение тела по наклонной  плоскости. Если тело движется вверх по наклонной плоскости, то оно замедляет свое движение, если же оно движется вниз, то ускоряет свое движение. «А как будет двигаться тело по горизонтальной плоскости?» - спрашивает он сам себя. Если ничто не будет мешать телу, то оно будет двигаться равномерно вдоль горизонтальной  плоскости.

Галилею оставалось сделать только один шаг, чтобы положение об инерции тела приобрело характер всеобщего закона – закона инерции. Однако он этого не сумел сделать. От святой инквизиции он получает приказ молчать.

Галилей выдвигает и другое основное положение классической механики – закон независимости действия сил. Но применяет его только к движению тел в поле силы тяжести Земли. Это положение было обобщено Ньютоном и вошло в его III закон.

Много мысленных экспериментов  провел Галилей. Например, камень, брошенный вверх, рассуждает он, упадет на движущейся Земле на то же место, откуда его бросили. Это происходит потому, что он имеет горизонтальную скорость перед бросанием, равную скорости Земли и при полете, сохраняя ее, будет следовать за движением Земли в горизонтальном направлении.

Свои объяснения он подтверждает опытом: бросает камень с мачты движущегося корабля. Он показывает, что нельзя опровергать движение Земли и доказывает классический принцип относительности: любое механическое явление во всех инерциальных системах отсчета протекает одинаково при одинаковых начальных условиях.

Исследования Галилея явились началом развития нового раздела физической науки – динамики.

аслугой Галилея является также разработка им экспериментального метода изучения природы, где источником познания является только опыт. Так же он как бы отрывается от того ощущения, которое наблюдает в опыте и строит динамику на законах и положениях, которые являются научной абстракцией, т.е. такими законами и положениями, которые не даны в единичном факте. Таков, например, закон инерции: нельзя было непосредственно наблюдать, чтобы тело бесконечно долго двигалось с постоянной скоростью по прямой. Его научная абстракция выражается в форме гипотезы. И научная гипотеза становится руководящей идеей в дальнейшем научном исследовании. Проверка выводов из следствий превращает гипотезу в научный закон.

ОПЫТ → ГИПОТЕЗА → НАУЧНЫЙ ЗАКОН

Таким образом, Галилей наметил основные черты количественного понимания природы. С Галилео Галилея начинается новый период, в который физика оформилась в самостоятельную науку – одну из областей естествознания.

3. Открытие Ньютоном закона всемирного тяготения и опыт Кавендиша.

Учитель.

Ньютон сыграл исключительную роль в развитии физики. Он завершил период образования физики как самостоятельной науки. Обобщил в своих трудах все, что было достигнуто до него. Ньютон окончательно отделил физику от натур философии, определил на долгие годы ее метод и наметил программу ее развития для последующего периода.

Выступление ученика.

Исаак Ньютон родился в 1643 году в деревне Вульстрон в семье небогатого фермера Англии. Окончил Кембриджский университет со степенью бакалавра, затем стал магистром и в 1669 получил кафедру в этом же университете. В это время он больше занимается математикой: нашел метод приближенных рядов, правило превращения  любой степени двучлена в такой ряд.

Но вскоре он восстанавливает теорию цветов. Первые научные работы Ньютона относятся к оптике. Он открыл дисперсию света, работал в области интерференции света. Против его учений выступали Гук, Гюйгенс. Но все его положения следовали из эксперимента.

В 1687 г. вышло в свет сочинение  Ньютона «Математические начала натурфилософии», где излагаются основы классической механики и теория движения небесных тел. Эта работа вызвала острую полемику среди ученых и церкви.

Ньютон занимался химией, географией. Ему принадлежат исследования по истории и богословию.

Таким образом, Исаак Ньютон – человек с чрезвычайно широкими интересами, но в своих выступлениях он все-таки был замкнут и осторожен.

Один английский поэт пишет о нем так:

Природы строй, ее закон в извечной мгле таился,

И бог  сказал: «явись Ньютон». И всюду свет разлился.

Главное применение механика Ньютона нашла в его теории движения небесных тел, основанной на законе всемирного тяготения.

В третьей книге «Начал» Ньютон анализирует движение небесных тел: планет, Луны, спутников Юпитера и устанавливает, что их движение происходит под действием центральных сил, обратно пропорциональных квадрату расстояния.

Далее Ньютон рассматривает движение Луны и сравнивает центростремительную силу, под действием которой движется Луна на орбите, с силой тяжести на Земле. Расчеты показывают, что центростремительное ускорение Луны на орбите равно 1/602. Учитывая, что Луна удалена на 60 Земных радиусов, Ньютон делает вывод, что центростремительная сила становится равной силе тяжести.

Затем он обобщает полученный результат и делает вывод, что все планеты тяготеют друг к другу и что Fтяг  обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Дальнейший шаг заключается в том, что Ньютон высказал положение о том, что сила тяготения, действующая на тело, прямо пропорциональна заключающемуся в ней количеству материи.

Факт пропорциональности Fтяг и массы он подтверждает опытом с маятниками: он сравнивает природы колебаний одинаковых по длине и форме маятников, груз которых состоит из различных материалов. Эти периоды оказались равными.

Наконец, Ньютон обобщил выдвинутые положения и установил закон всемирного тяготения, согласно которому все тела, большие и маленькие, тяготеют друг к другу с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними и прямо пропорционально их массам.

,   где  гравитационная постоянная.

С помощью этого закона Ньютон объясняет движение небесных тел, явление приливов и отливов.

Английский ученый Генри Кавендиш сконструировал крутильные весы и с их помощью подтвердил закон всемирного тяготения и определил значение гравитационной постоянной.

Выступление ученика:

Открытие Ньютоном закона всемирного тяготения явилось важнейшим событием в истории физики. Его значение определяется прежде всего универсальностью гравитационного взаимодействия. На законе всемирного тяготения основывается один из центральных разделов астрономии — небесная механика. Мы ощущаем силу притяжения к Земле, однако притяжение малых тел друг к другу неощутимо. Требовалось экспериментально доказать справедливость закона всемирного тяготения и для обычных тел. Именно это и сделал Г. Кавендиш, попутно определив среднюю плотность Земли.

Гравитационная постоянная фигурирует в современном законе всемирного тяготения, однако отсутствовала у И.Ньютона и в работах других ученых вплоть до начала XIX века. Гравитационная постоянная впервые была введена в закон всемирного тяготения, по-видимому, только после перехода к единой метрической системе мер. Возможно впервые это было сделано французским физиком С.Д.Пуассоном в “Трактате по механике” (1809), по крайней мере никаких более ранних работ, в которых фигурировала бы гравитационная постоянная историками не выявлено. В 1798 году Генри Кавендиш поставил эксперимент с целью определения средней плотности Земли (рис. 1). Кавендиш сравнивал маятниковые колебания пробного тела под действием тяготения шаров известной массы и под действием тяготения Земли. Численное значение гравитационной постоянной было вычислено позже на основе значения средней плотности Земли. Точность измеренного значения G с времён Кавендиша увеличилась незначительно. Поскольку гравитационное взаимодействие слабее других фундаментальных сил и аппаратура не может быть экранирована от гравитационного воздействия других тел, измерить точное значение G весьма сложно.

Генри Кавендиш объяснил закручивание нити магнитным взаимодействием железного стержня и свинцовых шаров. Позднее он заменил железный стержень медным и получил те же результаты.

Зная упругие свойства нити, а также угол поворота коромысла, Г. Кавендиш определил плотность Земли. А значение G было вычислено позже другими учеными из данных опыта Кавендиша. Гравитационную постоянную находят по формуле:

где ρ, R – плотность и радиуса Земли, g – ускорение свободного падения на её поверхности.
Но кто впервые рассчитал численное значение G историкам неизвестно. Гравитационная постоянная — фундаментальная физическая константа, постоянная гравитационного взаимодействия. Она лежит в основе закона всемирного тяготения открытого Исааком Ньютоном. Согласно закону всемирного тяготения, сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками с гравитационными массами и , находящимися на расстоянии R, равна

Эту формулу И. Ньютон получил эмпирическим путем. И не сделал даже намёк на построение теоретической базы для её обоснования. Коэффициент пропорциональности G в этом уравнении численно равен модулю силы тяготения, действующей на точечное тело единичной массы со стороны другого такого же тела, находящегося от него на единичном расстоянии

Учитель: всем известны законы Ньютона. А давайте и мы их вспомним! Я вам читаю законы Ньютона в шуточной форме, а вы отгадываете их и даете их научное определение

1. Не пнешь - не полетит

Ученики: (Существуют такие системы отсчёта, называемые инерциальными, относительно которых материальная точка при отсутствии внешних воздействий сохраняет величину и направление своей скорости неограниченно долго.)

2. Как пнешь - так и полетит

Ученики: (В инерциальной системе отсчёта ускорение, которое получает материальная точка, прямо пропорционально равнодействующей всех приложенных к ней сил и обратно пропорционально её массе.)

3. Как пнешь - так же и полетит

Ученики: (Материальные точки взаимодействуют друг с другом силами, имеющими одинаковую природу, направленными вдоль прямой, соединяющей эти точки, равными по модулю и противоположными по направлению)

4. Роль фундаментальных опытов в становлении классической механики.

Учитель.

        Мы прослушали подготовленные выступления. Теперь вместе попробуем ответить на четвертый вопрос нашего плана: «Какова же роль фундаментальных опытов в становлении классической механики?»

Ученик:

Происходит рост городов. Увеличиваются торговые связи между странами. Возрастает потребность в точных научных знаниях.

Ученик:

        В XVII веке происходит бурное развитие науки в области математики и естествознания. Старые представления о мире сменились более достойными знаниями, благодаря деятельности ученых.

Ученик:

        Галилей рассчитал путь для творцов классической и современной физики. Его бессмертное творение будут всегда служить примером того, как гениально он «всю жизнь читал открытую для всех великую книгу природы».

Ученик:

        Галилей верил в силу человеческого разума, в бесконечность познания: «Кто возьмет на себя смелость поставить предел человеческому духу? Кто решиться утверждать, что мы знаем все, что может быть познано?» Благодаря ему, рождается новый метод исследования природы: сочетание опята и теории или, как раньше говорили, - практики и разума.

Ученик:

        Можно сказать, что факел научного знания, зажженный Галилеем, подхватил Ньютон. Он и завершил период образования физики как самостоятельной науки и наметил программу ее дальнейшего развития.

Ученик:

Мне понравилось такое высказывание, которое я встретил, готовясь к занятию: «До XVII века не было никакой науки. Ньютон своим законом тяготения создал научную астрономию, разложением света – научную оптику, теоремой о биноме и теорией о бесконечности – научную математику и познанием сил природы – научную механику» (Ф. Энгельс в одном из своих сочинений)

Ученик:

Также мне хочется отметить, что в XII веке возникают идеи о праве человека на свободу, на развитие и проявление своих способностей. Так в 1633 Галилей вынужден был отречься от своего учения, но легенда говорит, что, встав с коленей, он воскликнул: «А все-таки она вертится!» Следовательно, задушить науку нельзя. Поэтому все больше идет развитие физики.

Учитель.

Подведем итог. Физика как наука возникла на определенной ступени развития общества и в XVII веке окончательно выделилась в самостоятельную область естествознания. Она имеет своим предметом изучение физических форм движения материи. Физика как наука заняла в жизни человечества определенное место и роль.

Практическая часть занятия.

А теперь давайте посмотрим, какие демонстрации подготовили для нас ребята

Выступление учеников с показом демонстраций:

• Демонстрация резонанса
• свободное падение (трубка Ньютона);

Так как эксперимент играет важную роль в изучении различных явлений природы, мы сегодня будим исследовать (подобно Галилею)  падение тел под действием силы тяжести, используя компьютерную программу «Открытая физика. Часть I».

А теперь давайте посмотрим, что ребята нам хотят показать. (Ученики показывают демонстрации резонанса и свободного падения тел (трубка Ньютона))

Компьютерный эксперимент

Свободное падение тел

Цель – определить в компьютерном эксперименте, при каком угле бросания при начальной высоте y = 0 и при заданной начальной скорости дальность полета максимальна

Оборудование: диск «Открытая физика. Часть I, Физика в школе», компьютер.

Ход работы:

1. Запустить программу.
2. Раздел «Кинематика», параграф «Свободное падение тел»
3. Провести компьютерный эксперимент.

4. Сделать записи в тетради в виде таблицы:

5. Сформулируйте вывод о проделанном эксперименте.

Общий вывод:

Итак, сегодня на занятии мы рассмотрели вопросы, которые позволяют расширить представления об экспериментальном методе познания в физике, а компьютерное моделирование поможет вам постепенно сформировать умение выполнять исследования, даст представление о границах применимости компьютерного эксперимента и ряд других общеучебных умений.

Занятие № 3 «Фундаментальные опыты в молекулярной физике»

Оперативные цели:

Учащиеся должны планировать эксперимент, выполнять его и интерпретировать результаты в письменной и устной речи; предположительно описывать будущие последствия, вытекающие из имеющихся данных; работать с дополнительной литературой, самостоятельно  отбирать нужный материал для выступления.

Формирование и понимание физической картины мира, с точки зрения аспектов молекулярной физики (в устной речи). Аргументирование собственного мнения. Демонстрация приводимых примеров в речи.

Знать (на уровне воспроизведения) имена ученых, поставивших изученные фундаментальные опыты.

Учащиеся должны понимать смысл фундаментальных опытов в молекулярной физике. (интерпретация данных опытов в устной речи).

Выполнять лабораторные работы в классе, проявлять стремление к сотрудничеству в парной работе; умеет трансформировать текстовую информацию в графическую, знаково-символьную.

План занятия

1. Теоретическая часть

1. Возникновение атомарной гипотезы строения вещества.
2. Фундаментальные опыты в молекулярной физике

• Опыты Броуна
• Опыт Релея
• Опыт Штерна

2. Практическая часть (демонстрации)

• Модель броуновского движения; (компьютерное моделирование)
• Диффузия
• Кипение воды при пониженном давлении

Лабораторная работа

• Опытная проверка закона Гей-Люссака

Теоретическая часть занятия

1. Возникновение атомарной гипотезы строения вещества

Учитель: Все тела состоят из мельчайших частиц – АТОМОВ, невидимых глазу, двигающихся в пустом пространстве и соединяющихся между собой в разные комбинации

Ученик: Слово «атом» — греческого происхождения, и переводится оно «неделимый». Принято считать, что первым идею о том, что кажущаяся гладкой и непрерывной материя на самом деле состоит из великого множества мельчайших и потому невидимых частиц, выдвинул древнегреческий философ Демокрит.

Логика рассуждений Демокрита, если перевести ее на современный язык, была крайне проста. Представим, говорил он, что у нас есть самый острый в мире нож. Берем первый попавшийся под руку материальный объект и разрезаем его пополам, затем одну из получившихся половинок также разрезаем пополам, затем разрезаем пополам одну из получившихся четвертинок и так далее. Рано или поздно, утверждал он, мы получим частицу столь мелкую, что дальнейшему делению на две она не поддается. Это и будет неделимый атом материи.

По представлениям Демокрита атомы были вечными, неизменными и неделимыми. Изменения во Вселенной происходили исключительно из-за изменений в связях между атомами, но не в них самих.

От древнегреческих представлений об атоме на сегодняшний день сохранилось разве что само слово «атом». Теперь мы знаем, что атом состоит из более фундаментальных частиц.

Идея об атомном строении материи так и оставалась чисто философским умопостроением вплоть до начала XIX века, когда сформировались основы химии как науки. Химики первыми и обнаружили, что многие вещества в процессе реакций распадаются на более простые компоненты. Например, вода распадается на водород и кислород.

Первым осмысленную интерпретацию этих фактов предложил Джон Дальтон, чьё имя увековечено в открытом им законе Дальтона. В своих химических опытах он исследовал поведение газов, но этим круг его интересов не ограничивался.

Для Дальтона, как и для Демокрита, атомы оставались неделимыми. В черновиках и книгах Дальтона мы находим рисунки, где атомы представлены в виде шариков. Однако основное положение его работы — что каждому химическому элементу соответствует особый тип атома — легло в основу всей современной химии и физики. Этот факт остается непреложным и теперь, когда мы знаем, что каждый атом сам по себе является сложной структурой и состоит из тяжелого, положительно заряженного ядра и легких, отрицательно заряженных электронов, вращающихся по орбитам вокруг ядра. Но, тем не менее, концепция атома не исчерпала себя и в XXI веке, чтобы понять это, достаточно обратиться к сложностям квантовой механики (Атом Бора и Уравнение Шрёдингера).

2. Фундаментальные опыты в молекулярной физике

• Опыт Броуна

Учитель: в развитие молекулярной физики существенный вклад внес Р. Браун. Роберт Браун (R.Brown), будучи ботаником, обнаружил хаотическое дрожание мелких твердых частиц пыльцы, взвешенных в капле воды.

Выступление ученика:

Броуновское движение было открыто ботаником Робертом Брауном (1773–1858) в 1827 году при изучении пыльцы растений. Браун рассматривал в микроскоп каплю воды, в которой находились во взвешенном состоянии мельчайшие частицы пыльцы. Оказалось, что эти частицы участвовали в непрерывном поступательном и вращательном хаотическом движении. Точно такое же движение наблюдалось у микропылинок, находившихся в заполненных водой вакуолях (полостях) внутри обычной частички пыльцы.

Обнаруженное явление озадачило Брауна, поскольку прямых свидетельств о молекулярной структуре вещества и тепловом движении молекул в его времена не было. Движение частиц замедлялось при замене воды на более вязкое вещество, но, все же, никогда не прекращалось. Первая гипотеза Бауна о наблюдаемом явлении была полном смысле слова биологической: он предположил, что наблюдает некую форму жизни внутри растений или даже «активные молекулы» жизни. Однако изучение мертвых растений из гербариев столетней давности показало абсолютно ту же картину хаотического движения с точно такими же параметрами. Между прочим, как заявлял в публикациях сам Браун, хаотическое движение частиц живых организмов и ранее наблюдалось биологами, работавшими с микроскопами, однако последние сразу же заключали, что данное явление и есть «микроскопическая сущность жизни». Лишь Браун установил, что частицы любого, достаточно хорошо измельченного твердого вещества участвуют в хаотическом движении, тем самым вынеся данное явление за пределы биологии. В рамках физики, однако, могли существовать и другие механизмы возникновения броуновского движения, кроме столкновения с молекулами.

Далее, во второй половине XIX века физик А.Ж. Гюи явно сравнил характеристики броуновского движения в доме рядом с большой мостовой (которая создавала волны встрясок) и в тихой деревне, заключив их независимость от данного типа внешних воздействий. Он также впервые обнаружил, что броуновское движение становится более интенсивным при повышении температуры. Рихард Жигмонди — изобретатель ультрамикроскопа, позволяющего дифракционными методами наблюдать объекты, гораздо меньшие длины волны света (т.е. 0,5 мкм) — активно изучал броуновское движение сверхмелких золотых пылинок, уже образующих коллоидный раствор. Как выяснилось, в доступных эксперименту пределах интенсивность движения возрастала с уменьшением размера взвешенных частиц.

В 1881 году польский ученый Бодашевский наблюдал броуновское движение уже в газе, а именно движение частичек пепла, входящих в состав табачного дыма (дым = пепел + водяной пар + углекислый газ + различные пары эфирных смол и другие газообразные вещества).

Максимально близкие к современным взгляды на механизм броуновского движения были впервые высказаны бельгийским ученым Карбонелем: согласно ему, мелкие частицы постоянно и со всех сторон испытывают столкновения с гораздо более легкими молекулами, однако импульс, переданный частице в ходе этих столкновений, равен нулю только в среднем по достаточно большому промежутку времени.  В малых масштабах времени имеет место нескомпенсированность этого импульса, что приводит к движению броуновской частицы. Отсюда же сразу следует, что для более мелких частиц, которые приобретают при тех же столкновениях с молекулами большие скорости, а также сталкиваются с меньшим их числом за единицу времени, броуновское движение оказывается более интенсивным. К сказанному стоит добавить известный, но нетривиальный факт: «столкновение» броуновской частицы с отдельной молекулой совсем не похоже на мгновенный отскок мяча от стенки, а длится достаточно долго, на много порядков дольше среднего времени между двумя такими «столкновениями».

Между прочим, не стоит путать броуновское движение с движением пылинок в воздухе, наблюдаемом в тонком луче света. Действительно, если в плотной ширме, которая занавешена комната от прямых солнечных лучей, проделать тонкое отверстие, то на фоне общей темноты будут видны пылинки, пролетающие сквозь проходящий через отверстие луч света. Эти пылинки будут также совершать зигзагообразное беспорядочное движение — и такое движение было описано еще древнеримским философом Титом Лукрецием Каром. Тем не менее, это движение связано с флуктуациями температуры воздуха и неравномерным нагревом пылинок в солнечном свете, а не со столкновениями с молекулами, поэтому не может быть названо броуновским. И, конечно же, не следует путать броуновское движение и тепловое движение молекул, несмотря на то, что они подчиняются очень похожим законам.

Трудно переоценить значение открытия Роберта Брауна в молекулярно-кинетической теории, ведь броуновское движение является мостом между наблюдаемым макромиром, где царит механика Ньютона, и миром молекул, погруженным в беспорядочное тепловое движение, поддающееся лишь статистическому описанию. Окончательным этапом в изучении броуновского движения явились его теория, развитая А. Эйнштейном и М. Смолуховским, и опыты Перрена, подтвердившие эту теорию.

• Опыт Релея

Учитель: еще одним не менее важным фундаментальным опытом в молекулярной физике является Опыт Дж. Рэлея по определению размеров молекул. 

Ученик: Опыт, поставленный в начале XX века лордом Рэлеем (Джоном Вильямом Страттом, 1842–1919), был предельно простым по содержанию и сделал прорыв в молекулярной физике.

В опытах Рэлея использовалась капля оливкового масла, растекавшаяся по поверхности воды. Интересно, что липиды — молекулы жиров, в частности, масла — имеют амфимильную структуру. Это означает, что одна из частей молекулы смачивается водой (т.е. ее контакт с водой является энергетически выгодным), а другая — не смачивается. Молекулы масла имеют вид голов с двумя или тремя хвостами (см. рис. ниже), причем головы смачиваются водой, а хвосты — нет.  
Это приводит к тому, что на поверхности раздела между водой и маслом молекулы последнего «смотрят» в воду своими головами  и капле масла оказывается энергетически выгодным растекаться по поверхности воды.

Растекание продолжается до тех пор, пока поверхность воды не останется покрытой всего лишь одним слоем молекул масла, направленных «головами вниз». В этом случае линейный размер молекул можно оценить как отношение объема исходной капли  к предельной площади масляной пленки . Здесь, конечно, неявно использовано предположение о том, что каждая молекула в жидкости занимает определенный удельный объем  ( — число молекул), не зависящий от формы, которую приняла жидкость. Хотя в случае мономолекулярного масляного слоя это предположение теряет физический смысл, оно применимо в широком диапазоне условий и, в частности, отражается в несжимаемости жидкости (т.е. независимости ее удельного объема от давления, температуры и формы), имеющей место с высокой точностью.

В опыте Рэлея использовалась капля объемом , которая была помещена в большой таз с водой и растеклась до пленки площадью , так что размеры молекул оцениваются равными

И, конечно же, как практически любой эксперимент, даже имеющий под собой простое физическое явление, эксперимент Рэлея содержал тонкости, которые делали его убедительным. Одной из них являлся способ, которым Рэлей определял, растеклась ли капля до своего максимального размера или нет. Действительно, визуально отличить двух - или трехмолекулярный слой масла от мономолекулярного очень непросто; с другой стороны, масло может растечься в пленку, внутри которой будет «озеро» из воды, не покрытой маслом. Рэлей элегантно обошел эту трудность, несколько переформулировав экспериментальную процедуру: теперь для заданной площади таза с водой  подбиралась капля минимального объема , способная покрыть всю поверхность воды. Чтобы проверить, действительно ли внутри масляной пленки нет «озер», по прошествии времени растекания капли Рэлей бросал в таз немного частиц камфоры. Это вещество известно тем, что на поверхности воды начинает «плясать», т.е. совершать хаотическое движение, подобное броуновскому, а на поверхности масла — нет. Оказалось, что капли только начиная с определенного объема  были способны покрыть всю поверхность воды — и именно этот объем подставлялся в расчетную формулу для размеров молекул.

Опыт, проведенный Рэлеем, поставил флаг на новой вершине в познании микромира, отметив масштабы расстояний, на которых начинает проявляться дискретность вещества. Следующим этапом на этом пути явилось измерение масс молекул, произведенное Жаном Перреном.

http://collection.edu.yar.ru/dlrstore/bf224af0-db7c-4fe0-b0f8-783f8a76fdd8/%5BPH10_06-005%5D_%5BPD_18%5D.swf

• Опыт Штерна

Учитель: другим, не менее важным опытом в молекулярной физике является опыт Штерна

Ученик: Опыт Штерна — опыт, впервые проведённый немецким физиком Отто Штерном в 1920 году. Опыт явился одним из первых практических доказательств состоятельности молекулярно-кинетической теории строения вещества. В нём были непосредственно измерены скорости теплового движения молекул и подтверждено наличие распределения молекул газов по скоростям.

Для проведения опыта Штерном был подготовлен прибор, состоящий из двух цилиндров разного радиуса, ось которых совпадала и на ней располагалась платиновая проволока с нанесённым слоем серебра. В пространстве внутри цилиндров посредством непрерывной откачки воздуха поддерживалось достаточно низкое давление. При пропускании электрического тока через проволоку достигалась температура плавления серебра, из-за чего атомы начинали испаряться и летели к внутренней поверхности малого цилиндра равномерно и прямолинейно со скоростью v, соответствующей подаваемому на концы нити напряжению. Во внутреннем цилиндре была проделана узкая щель, через которую атомы могли беспрепятственно пролетать далее. Стенки цилиндров специально охлаждались, что способствовало оседанию попадающих на них атомов. В таком состоянии на внутренней поверхности большого цилиндра образовывалась достаточно чёткая узкая полоса серебряного налёта, расположенная прямо напротив щели малого цилиндра. Затем всю систему начинали вращать с некой достаточно большой угловой скоростью ω. При этом полоса налёта смещалась в сторону, противоположную направлению вращения, и теряла чёткость. Измерив смещение sнаиболее тёмной части полосы от её положения, когда система покоилась, Штерн определил время полёта, через которое нашёл скорость движения молекул:

Найденная таким образом скорость движения атомов серебра совпала со скоростью, рассчитанной по законам молекулярно-кинетической теории, а тот факт, что получившаяся полоска была размытой, свидетельствовал в пользу того, что скорости атомов различны и распределены по некоторому закону — закону распределения Максвелла: атомы, двигавшиеся быстрее, смещались относительно полосы, полученной в состоянии покоя, на меньшие расстояния, чем те, которые двигались медленнее.

Учитель: так как у нас выполнить опыт Штерна в условиях нашей лаборатории не является возможным, то давайте посмотрим интерактивную анимацию, иллюстрирующую прямые измерения скоростей теплового движения молекул.

http://somit.ru/mkt/skorosti2_0.htm

http://collection.edu.yar.ru/dlrstore/f1d5d455-4100-4c24-aaa5-8017710bc855/%5BPH10_06-005%5D_%5BIM_04%5D.swf

Практическая часть

Модель броуновского движения; (компьютерное моделирование)

Броуновское движение – это тепловое хаотическое движение мельчайших частиц, взвешенных в жидкости или газе. Броуновские частицы движутся под влиянием беспорядочных ударов молекул.

Молекулярно-кинетическая теория броуновского движения была создана А. Энштейном. Главный вывод теории состоит в том, что квадрат смещения <r2> броуновской частицы от начального положения, усредненный по многим броуновским частицам, пропорционален времени наблюдения (диффузионный закон). При этом сам коэффициент пропорциональности растет при увеличении абсолютной температуры T.

Компьютерная модель демонстрирует хаотическое движение броуновской частицы в идеальном двумерном газе. Через равные промежутки времени компьютер определяет координату броуновской частицы и вычисляет квадрат ее смещения из положения равновесия, усредненный по всем предшествующим отсчетам. Через каждые 100 шагов компьютер автоматически переключается на следующую частицу. То же происходит при нажатии кнопки сброс

http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/3980f9fe-35c1-41cc-b272-f3b59fc5a1d3/8_47.swf

Учитель:  почему опыты Броуна являются фундаментальными?

Ученики: Броуновское движение служит прямым экспериментальным доказательством существования молекул жидкости или газа и хаотического характера их теплового движения.

Следующим опытным основанием молекулярной физической теории является диффузия.

Демонстрация:  Диффузия перманганата калия

Оборудование: колба, шпатель, вода.

Техника безопасности. Избегать контакта кожи и слизистых оболочек с кристаллами перманганата калия.

Ученик: В жидкостях, как и в газах, частицы вещества (молекулы и ионы) находятся в постоянном движении. Это можно увидеть с помощью ярко окрашенных веществ. Бросим в колбу с водой кристаллики перманганата калия. Фиолетовая окраска, появившаяся вокруг кристаллов, постепенно распространяется по всему сосуду. Распространение вещества — диффузия происходит из-за постоянного беспорядочного  движения частиц. 

Видео демонстрация

Учитель: Частицы одного вещества проникают между частицами другого.

Все тела состоят из мельчайших частиц – атомов, невидимых глазу, двигающихся в пустом пространстве и соединяющихся между собой в разные комбинации

Демонстрация: Кипение воды при пониженном давлении

Ученики: оборудование: насос Комовского, тарелка вакуумная с манометром, колокол стеклянный, тарелка вакуумная с манометром.

Соединить тарелку резиновым шлангом с ниппелем «Разрежение « насоса Комовского установить на тарелку стакан, наливают в него горячую воду (90-95°), накрывают колоколом, откачать воздух и смотрим за показанием манометра.

Температура кипения воды зависит от давления. При уменьшении давления вода закипает при меньшей температуре, чем при нормальном атмосферном давлении

Зависимость температуры кипения от внешнего давления используется:

а) в медицине; б) в жизни; в) в производстве.

а) В медицинских учреждениях в герметически закрытых сосудах – автоклавах t кипения значительно выше 100оС. Автоклавы применяют для стерилизации хирургических инструментов, т.к. не все микробы погибают при 100оС.

б) При подъеме в горы атмосферное давление уменьшается, поэтому уменьшается t кипения. На высоте 7134 м (пик Ленина на Памире) вода кипит при 70оС. Сварить мясо в этих условиях невозможно. 

в) Выпаривание сахарного сиропа при пониженном давлении и низкой t в сахарном производстве, чтобы не подгорел сахар. 

Учитель. При неизменном внешнем давлении температура кипящей жидкости не повышается, даже если продолжать подвод тепла, т. к. подводимая энергия идет на образование пара. Поэтому ожоги паром опаснее, чем кипятком.

Лабораторная   работа: Опытная проверка закона Гей-Люссака

Перед тем как выполнять лабораторную работу вспомним об изопроцессах.

Изопроцессы — термодинамические процессы, во время которых количество вещества и ещё одна из физических величин - параметров состояния: давление, объём или температура - остаются неизменными. Так, неизменному давлению соответствует изобарный процесс, объёму - изохорный, температуре - изотермический.

Изобарный процесс (др.-греч. ισος, isos — «одинаковый» + βαρος, baros — «вес») — процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном давлении

                                                            Р=const

Зависимость объёма газа от температуры при неизменном давлении была экспериментально исследована в 1802 году Жозефом Луи Гей-Люссаком. Закон Гей-Люссака: При постоянном давлении и неизменных значениях массы газа и его молярной массы, отношение объёма газа к его абсолютной температуре остаётся постоянным: V/T = const.

Изохорный процесс (от греч. хора — занимаемое место) — процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном объёме ( V=const). Для идеальных газов изохорический процесс описывается законом Шарля: для данной массы газа при постоянном объёме, давление прямо пропорционально температуре:

Изотермический процесс (от греч. «термос» — тёплый, горячий) — процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянной температуре (T=const), (PV=const). Изотермический процесс описывается законом Бойля — Мариотта:

При постоянной температуре и неизменных значениях массы газа и его молярной массы, произведение объёма газа на его давление остаётся постоянным: PV = const.

Оборудование: стеклянная трубка, запаянная с одного конца, длиной 600 мм и диаметром 8—10 мм; цилиндрический сосуд высотой 600 мм и диаметром 40—50 мм, наполненный горячей водой (t ~ 60 °С); стакан с водой комнатной температуры; пластилин, термометр, линейка.

Теоретическая часть работы:

Чтобы проверить закон Гей-Люссака, достаточно измерить объем и температуру газа в двух состояниях при постоянном давлении и проверить справедливость равенства . Это можно осуществить, используя воздух при атмосферном давлении.

Стеклянная трубка открытым концом вверх помещается на 3—5 мин в цилиндрический сосуд с горячей водой (рис. а). В этом случае объем воздуха V1 равен объему стеклянной трубки, а температура — температуре горячей воды Т1. Это — первое состояние.

 Чтобы при переходе воздуха в следующее состояние его количество не изменилось, открытый конец стеклянной трубки, находящейся в горячей воде, замазывают пластилином. После этого трубку вынимают из сосуда с горячей водой и замазанный конец быстро опускают в стакан с водой комнатной температуры (рис. б), а затем прямо под водой снимают пластилин. По мере охлаждения воздуха в трубке вода в ней будет подниматься. После прекращения подъема воды в трубке (рис. в) объем воздуха в ней станет равным V21, а давление p=paтм—pgh. Чтобы давление воздуха в трубке вновь стало равным атмосферному, необходимо увеличивать глубину погружения трубки в стакан до тех пор, пока уровни воды в трубке и в стакане не выровняются (рис. г). Это будет второе состояние воздуха в трубке при температуре T2 окружающего воздуха. Отношение объемов воздуха в трубке в первом и втором состояниях можно заменить отношением высот воздушных столбов в трубке в этих состояниях, если сечение трубки постоянно по всей длине

 Поэтому в работе следует сравнить отношения. Длина воздушного столба измеряется линейкой, температура — термометром.

Подготовка к проведению работы

1. Подготовьте бланк отчета с таблицей (см. таблицу) для записи результатов измерений и вычислений

Таблица

2. Подготовьте стакан с водой комнатной температуры и сосуд с горячей водой.

Проведение эксперимента, обработка результатов

1. Измерьте длину l1 стеклянной трубки и температуру воды в цилиндрическом сосуде.

2. Приведите воздух в трубке во второе состояние так, как об этом рассказано выше. Измерьте длину 12 воздушного столба в трубке и температуру окружающего воздуха Т2.

3. Вычислите   отношения   l1/l2 и  T1/T2,   относительные (ε1 и ε2) и абсолютные (Δ1 и Δ2) погрешности измерений этих отношений по формулам

4. Сравните отношения l1/l2 и  T1/T2.

5. Сделайте вывод о справедливости закона Гей-Люссака.

Контрольные  вопросы

1. Почему после погружения стеклянной трубки в стакан с водой комнатной температуры и после снятия пластилина вода в трубке поднимается?

2. Почему при равенстве уровней воды в стакане и в трубке давление воздуха в трубке равно атмосферному?

http://barsic.spbu.ru/www/lab_dhtml/common/index.html

Виртуальная лабораторная работа по физике

Занятие № 4 «Фундаментальные опыты в электродинамике»

Оперативные цели: ученик должен знать  смысл понятий, вещество, поле,  взаимодействие, электрическое поле, магнитное поле, электрический заряд и интерпретировать в устной речи;

Должен знать и понимать смысл фундаментальных опытов в электродинамике: эксперимент Кулона, опыты Эрстеда, Ампера и др.. на языке наблюдаемых действий (формировать в устной речи)

Описывать и объяснять смысл физических законов и явлений в устной речи: электризация тел, электромагнитная индукция, тлеющий заряд, действие магнитного поля на ток.

Знать (на уровне воспроизведения) имена ученых, поставивших изученные фундаментальные опыты.

Должен самостоятельно изучать и работать со средствами дополнительной литературы.

Должен самостоятельно работать со средствами демонстрации и объяснять происходящие физические явления в устной речи

План занятия:

1. Теоретическая часть

• Особенности электродинамики как раздела физической науки
• Фундаментальные опыты в электродинамике

• Эксперимент Ш. Кулона с крутильными весами. Закон Кулона
• Опыты Х.К. Эрстеда. Магнитное действие тока.
• Опыты А.М. Ампера. Магнитное взаимодействие токов.
• Опыты Фарадея и Генри по электромагнитной индукции. 

2. Практическая часть

• Демонстрации

• Электризация тел
• Тлеющий разряд
• Демонстрация явления электромагнитной индукции  

• Лабораторная работа

• Наблюдение действия магнитного поля на ток  

Теоретическая часть

Особенности электродинамики как раздела физической науки

Учитель: Для выявления особенностей электродинамики как раздела физической науки следует рассмотреть историю развития электродинамики, показать борьбу физических идей при смене механической картины мира электродинамической картиной мира.

Принципиальным при рассмотрении особенностей электродинамики является то, что электромагнитные взаимодействия специфичны и не сводимы к механическим.

Классическая механика исходила из принципа дальнодействия и представления о мгновенной передаче этого действия. В случае же электромагнитного взаимодействия, как показало развитие науки, необходимо исходить из принципа близкодействия, при этом учитывать конечную скорость передачи действия. Если бы справедлив был принцип дальнодействия, то в электродинамике основным понятием был бы электрический заряд q, а поле являлось всего лишь вспомогательным понятием. В действительности без понятия электромагнитного поля (совместно с понятием электрического заряда q)нет электродинамики. В решении этих важнейших для электродинамики вопросов существенную роль сыграли работы М. Фарадея, а определяющую — работы Дж. К. Максвелла.

В электродинамике рассматривают следующие силы:

1. Сила, характеризующая взаимодействие покоящихся зарядов:   (для вакуума);

она носит центральный характер, зависит от расстояния между взаимодействующими зарядами и не зависит от скорости.

2. Сила взаимодействия тока и магнитной стрелки  (опыт Эрстеда); она зависит не только от расстояния между взаимодействующими объектами, но и от силы тока, которая, в свою очередь, зависит от скорости движения заряженных частиц заряда.

3. Сила, характеризующая взаимодействие двух параллельны проводников с токами; она не является центральной. Эта сила пропорциональна силе тока в проводниках (а значит, заряду и  скорости его движения) и обратно пропорциональна расстоянии между ними.

4. Сила, действующая на движущийся заряд со стороны магнитного поля. Она зависит от скорости движения заряда, но не является центральной.

Во всех случаях говорится о скорости частиц относительно какой-то системы отсчета, именно это и учитывают в электродинамике. В электродинамике рассматривают силы, которые зависят не только от расстояний, но и от скорости движения зарядов в выбранной системе отсчета. Подобные силы в механике Ньютона не рассматривали.

Длительное время электрические и магнитные явления изучались в историческом порядке, при этом главное внимание обращалось на токи и их взаимодействие, на заряды и их взаимодействие, но не подчеркивалась специфика этих явлений и взаимодействий. Постепенно сложилось учение об электричестве и магнетизме. По современным представлениям, нет отдельных учений об электричестве и магнетизме, а есть электродинамика, объединившая их, причем не путем простого суммирования, а исходя из принципиально важных для этих явлений подходов. Она не только описывает эти явления, но и дает им современное объяснение. Поэтому при изучении основ электродинамики не следует постепенно накапливать факты, а потом, в конце, давать им объяснение, надо принципиальные особенности электродинамики показывать как можно раньше, из них все время исходить, всюду учитывать.

Эти особенности в основном сводятся к тому, что электромагнитные взаимодействия специфичны, для их объяснения следует исходить из принципа близкодействия и учитывать конечную скорость передачи действия.

Фундаментальные опыты в электродинамике

Учитель: на становление и развитие электродинамики как физической науки,  существенное влияние оказали многие ученые - физики 17-20 вв. Опыты Кулона по электростатическому взаимодействию. Опыты Рикке, Иоффе, Милликена, Мандельштама, Папалекси, Толмена, Стюарта, лежащие в основе электронной теории проводимости. Опыты Ома, позволившие установить закон постоянного тока. Различие между ролью фундаментальных опытов в науке и  в процессе изучения основ наук.

Опыты Ампера, Эрстеда и Фарадея по электромагнетизму. Опыты Герца по излучению и приёму электромагнитных волн. И это далеко не все!

Давайте более подробно остановимся на некоторых фундаментальных опытах электродинамики.

Учитель: электродинамика тесно связано с именем Шарля Кулона. Именно он поставил первый в истории прецезионный эксперимент по измерению силы притяжения между двумя заряженными шарами.

Ученик:  Эксперимент Ш. Кулона с крутильными весами. Закон Кулона.

Как, наверное, знает сегодня любой старшеклассник, закон Кулона внешне выглядит аналогично закону всемирного тяготения: сила взаимодействия двух покоящихся точечных зарядов пропорциональна их величинам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Тем не менее, чтобы установить эту закономерность на опыте, необходимо было придерживаться совсем другой экспериментальной стратегии, нежели в опыте Кавендиша по измерению константы всемирного тяготения (более того, опыт Кавендиша был проведен через 10 лет после опыта Кулона).

Действительно, заряд, в отличие от массы, может иметь два разных знака — более того, каждое тело состоит из маленьких частиц, имеющих противоположные заряды — электронов и ядер атомов. Этим объясняется способность тел поляризоваться под действием внешнего электрического поля. Электростатическая поляризация тела состоит в том, что отрицательные заряды внутри тела в среднем сдвигаются относительно положительных; тело при этом, как говорят, приобретает ненулевой электрический дипольный момент. В проводниках заряды могут разделяться на макроскопические расстояния, в диэлектриках же поляризация происходит на масштабах порядка атомных: центр электронной оболочки перестает совпадать с ядром атома.

Свойством тел поляризоваться во внешнем электрическом поле объясняется способность заряженных тел притягивать незаряженные, например, незаряженные волосы притягиваются к экрану электронно-лучевой трубки монитора, наэлектризованному электронными ударами. По этой причине измерить напрямую силу кулоновского взаимодействия между двумя заряженными шариками оказывается не такой простой задачей — в реальности шарики будут притягиваться ко всем частям экспериментальной установки. Таким образом, в опыте Кулона одна из основных целей — это минимизировать электростатическое взаимодействие шариков не друг с другом, приблизить эксперимент к модели, которую описывает закон Кулона (два точечных заряда в вакууме). Напомним, что перед Кавендишем стояла совсем другая задача — ему требовалось выделить чрезвычайно слабое гравитационное притяжение на фоне других факторов, имеющих, однако, не гравитационный характер.

Итак, перейдем к опыту, осуществленному Шарлем Кулоном (1736–1806) в 1784 году (см. рис.). Это изобретенные им крутильные весы, которые через 10 лет использовал в своем опыте Г. Кавендиш. Коромысло 1 было закреплено на шелковой нити2 в стеклянном сосуде 3, из которого был откачан воздух.  На коромысле крепился металлический шарик 4, а на другом конце — противовес 5. Верхний конец нити крепился с помощью специального зажима к стрелке крутильного микрометра 6 (см. схему справа вверху). В сосуд через специальное отверстие можно было помещать второй шарик 7, и тогда из-за взаимодействия шариков нить закручивалась, и силу взаимодействия можно было измерить по повороту стрелки микрометра. Шарики с определенным зарядом Кулон готовил, замыкая два из них через металлическую булавочную головку 8: при этом электрический заряд шариков делился пополам. Это, при достаточной аккуратности, позволяло получать шарики с различным отношением зарядов. С помощью своей установки Ш. Кулон измерял силы до Н, при этом убедившись, что сила отталкивания шариков обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и прямо пропорциональна их зарядам. В современном виде в системе единиц СГС этот закон имеет вид:

где  — величины точечных зарядов,  — вектор от первого заряда ко второму. В формуле выше записана сила, действующая на заряд 2 со стороны заряда 1, поэтому знак «плюс» перед всем выражением соответствует отталкиванию одноименных зарядов (ср. с законом всемирного тяготения).

Кулон также установил, что по отношению к электростатическому взаимодействию справедлив принцип суперпозиции: сила взаимодействия шарика 1 с набором шариков 2…n равна векторной сумме сил взаимодействия его с каждым из этих шариков, описывающихся законом Кулона. Этот факт в современной физике крайне важен и связан с линейностью электромагнитного поля при заданных внешних зарядах и токах.

Необходимо отметить, что крутильные весы действительно являются прибором для крайне точных измерений малых сил. Это связано с тем, что при достаточно большой длине нити  и достаточно малой ее толщине  относительная деформация вещества нити при закручивании последней на угол  составляет  даже при больших углах поворота. Это позволяет сделать очень чувствительные крутильные весы с большими углами поворота нити, оставаясь при этом в линейной области (описываемой законом Гука), в которой момент упругой крутильной деформации нити пропорционален .

Учитель: Компьютерная программа моделирует установку Кулона с крутильными весами и позволяет провести ряд экспериментов по теме «Взаимодействие точечных заряженных тел. Закон Кулона».

http://sc.tverobr.ru/dlrstore/b6151a23-6afe-c3ec-64f8-e768d7515f52/00144676929354683.htm

Учитель: не менее значительный вклад внес в развитие науки Ханс Кристиан Эрстед

Ученик: Опыты Х.К. Эрстеда. Магнитное действие тока.

Ханс Кристиан Эрстед (1777–1851) был, пожалуй, первым, кто стал раскрывать термин «электромагнетизм» в физике, т.е. изучать взаимосвязь электрических и магнитных явлений. Действительно, электростатическое взаимодействие и взаимодействие постоянных магнитов были известны с глубокой древности. Эрстед же в 1820 г. обнаружил, что протекающий по линейному проводнику ток отклоняет магнитную стрелку, находящуюся вблизи него. Если отключить этот проводник от источника питания и расположить по линии север–юг, то стрелка, расположенная рядом с проводником, естественно, будет параллельна ему (см. рис. справа, (а) ). Если же по проводнику пустить ток (см. рис., (б)) , то стрелка повернется на 90 градусов и встанет перпендикулярно ему. Такое же поведение стрелки вызывает приближение ее к постоянному магниту, поэтому естественно сделать вывод, что провод с током также является магнитом, а стрелка выстраивается вдоль его силовых линий.

Чтобы подтвердить фундаментальность сделанного открытия, Эрстед использовал проводники из разных металлов, разной толщины и длины, располагал магнитную стрелку под и над проводником с током и на разных расстояниях от него, а также изменял направление и абсолютную величину тока. В итоге он пришел к выводу, что сила магнитного действия тока ослабевает с увеличением расстояния, не зависит от природы проводника (а только от силы тока) и меняет свое направление вместе с изменением направления тока. Также Эрстед отметил, что она имеет «круговой характер» (силовые линии опоясывают проводник). Интересно, что первоначально, заметив отклонение магнитной стрелки из-за текущего тока, Эрстед предположил, что «магнитное действие» излучается проводником с током, как тепловая энергия. Однако дальнейшие исследования показали достаточно нетривиальный характер этого взаимодействия.

Эрстед явился первым, кто пробросил мост между электрическими и магнитными явлениями, пока наполовину качественно. В том же 1820 г., когда Эрстед обнаружил магнитное действие тока, Доминик Араго (1786–1853) обнаружил, что проволочная спираль, по которой течет ток, ведет себя как магнит и способна намагничивать железные опилки. Работу Эрстеда продолжил А.-М. Ампер, который изучил взаимодействие двух токов и предложил математическую формулу для такого, магнитостатического взаимодействия.

Учитель: Ампер продолжил исследования Эрстеда, подойдя к задаче количественно

Ученик: Опыты А.-М. Ампера. Магнитное взаимодействие токов.

Андре-Мари Ампер (1775–1836) задался вопросом, естественно вытекавшим из исследований Х.К. Эрстеда: если проводник с током отклоняет магнитную стрелку, т.е. ведет себя как магнит, то будет ли он отклонять другой проводник с током? Действительно, магнитная стрелка тоже есть не что иное, как легкий магнит, и ее роль мог бы выполнять легкий и подвижный проводник с током. Между прочим, многие его современники сочли такое обобщение очевидным, когда Ампер заявил о своем открытии — однако, например, железный ключ тоже вызывает отклонение магнитной стрелки, но два таких ключа не притягиваются друг к другу.

Ампер поставил цель найти количественное выражение для силы взаимодействия элементов тока. Элементом тока  называется малый кусочек  контура из тонкого провода, по которому течет ток . В отличие от всего контура, элемент тока не обладает замкнутостью, однако Ампер предполагал, что взаимодействие проводников с током произвольной формы складывается из попарных взаимодействий элементов тока, из которых они состоят. Такой же взгляд на это взаимодействие принят и сейчас.

Подвижный контур abcd, которым в своих опытах Ампер заменил магнитную стрелку Эрстеда, изображен на рисунке справа. Он подвешен на контактах x и y на металлических кронштейнах, к которым подводится ток, и при этом может свободно вращаться относительно вертикальной оси.

Изучая взаимодействие токов с постоянными магнитами и друг с другом, Ампер пришел к следующим выводам:

1. взаимодействие токов существует только при замкнутых цепях, т.е. когда по обоим контурам течет ток;
2. параллельные проводники притягиваются, если токи в них текут в одну сторону, и отталкиваются, если в противоположные (это, в некотором смысле слова, противоположно электростатическому притяжению разноименных и отталкиванию одноименных зарядов);
3. сила взаимодействия двух длинных параллельных проводников с током пропорциональна силам тока в них и обратно пропорциональна расстоянию между ними; 
4. сила магнитного взаимодействия не отличается в воздухе и в пустоте, в то время как сила кулоновского взаимодействия отличается в этих двух случаях.

В том, что сила притяжения длинных параллельных проводников с током обратно пропорциональна расстоянию между ними, Ампер убедился экспериментально с помощью установки, изображенной на рисунке

Ученик: Опыты Фарадея и Генри по электромагнитной индукции. 
Закон электромагнитной индукции.

После открытия Эрстедом и Ампером магнитного действия тока физиков, естественно, стал интересовать вопрос о возможности обратного процесса — создания электрического тока с использованием магнита.

Первые опыты, нацеленные на обнаружение такого явления, проводил как сам Майкл Фарадей (1791–1867), так и другие физики, например, Д. Колладон, — однако они не дали положительного результата. Изначально Фарадей предполагал, что ток, будучи жидкостью, протекая в одном проводнике, должен вызывать протекание тока в другой замкнутой цепи, расположенной недалеко от первой. Однако использование неподвижных друг относительно друга проводников и постоянного тока не позволяло обнаружить явление электромагнитной индукции.

Лишь после шести лет поисков этого явления, в 1831 г., Фарадей сделал предположение о том, что оно должно иметь место при изменении тока, текущего через один из проводников. Более того, он предположил, что в первоначальных его опытах, в которых использовались два параллельных линейных проводника (один, подключенный к источнику питания, другой — к гальванометру) эффект должен был быть очень слабым, хотя и имеющим место в моменты включения и выключения питания. Достигнуть успеха в подтверждении сделанного предположения ему помогла катушка индуктивности, изобретенная Джозефом Генри (1797–1878).

Генри за несколько лет до Фарадея поставил опыт, схема которого изображена на рисунке справа, однако он не осознал важности сделанного открытия, не сообщил никому о полученных результатах и не опубликовал их. Генри писал, что обнаружил способ усиления подъемной силы электромагнита до тонны, состоявший в использовании катушек с большим числом витков провода. Но с помощью своего изобретения он также открыл явления самоиндукции и взаимной индукции.

Тем не менее, считается, что Генри первым открыл явление самоиндукции: если подключить катушку индуктивности с большим числом витков к источнику напряжения, то ток в катушке будет возрастать постепенно, достигая своего максимального значения, причем тем медленнее, чем больше витков в катушке. Как мы сегодня знаем, в катушке возникает ЭДС самоиндукции, которая препятствует быстрым изменениям тока в ней:

где  — индуктивность катушки, а  — ток через нее. По сути дела, самоиндукция — это явление влияния на ток в катушке переменного магнитного поля, созданного им самим. Генри также обнаружил явление взаимной индукции, т.е. наведения тока в одной катушке при изменении тока в другой, изолированной от первой. В своем опыте Генри умудрился обнаружить это явление, когда одна катушка располагалась на втором этаже здания, а вторая — в подвале.

Фарадей же понял, что усиление магнитного потока, производимое катушкой Генри, может помочь в наблюдении искомой электромагнитной индукции, и он независимо от него создал прибор для ее обнаружения. Как уже говорилось, в 1831 г. первый опыт Фарадея показал, что индукционный ток возникает при замыкании и размыкании цепи, намотав двести футов медной проволоки на деревянный барабан и столько же футов вторичной обмотки поверх первой. Однако наблюдаемый эффект был очень слабым. Тогда Фарадей использовал железный кольцевой сердечник (использование железа для усиления действия электромагнитов было тоже предложено Генри), на который наматывал обе обмотки (схема эксперимента изображена выше справа). В результате эффект стал в десятки раз выразительней.

Наконец, Фарадей повторил опыт Генри, наблюдая возникновение индукционного тока в катушке при вдвигании и выдвигании из нее другой катушки, в которой тек постоянный ток. Также Фарадей использовал постоянный магнит в качестве второй катушки (см. рис. справа), еще раз убедительно доказав единство электрических и магнитных явлений.

Фарадей всесторонне исследовал явление электромагнитной индукции и предложил ее закон в известной сегодня форме, а именно в витке провода  возникает ЭДС, равная изменению потока магнитного поля  через поверхность , натянутую на него:

http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/models/faraday.html

(анимация опыта Фарадея)

Практическая часть

• Электризация тел

(При помощи шара кондуктора)

Учитель: перед тем как ребята покажут демонстрацию, давайте вспомним основные признаки электризации тел.

• Тлеющий разряд

Одной из самой красивой демонстрацией в электродинамике является демонстрация тлеющего разряда.

Тлеющий разряд - один из видов стационарного самостоятельного электрического разряда в газах. В отличие от нестационарных (импульсных) электрических разрядов в газах, основные характеристики тлеющего разряда остаются относительно стабильными во времени. После просмотра демонстрации ответьте на следующие вопросы:

1. Как формируется тлеющий разряд ( при каких условиях).

Формируется, как правило, при низком давлении газа и малом токе. При увеличении проходящего тока превращается в дуговой разряд.

2. Приведите пример тлеющего разряда, знакомого большинству людей

Типичным примером тлеющего разряда, знакомым большинству людей, является свечение неоновой лампы.

• Демонстрация явления электромагнитной индукции

Демонстрируем опыт Ленца с помощью прибора для демонстрации опыта

Ленца.

Вопрос к классу: Какое сходство имеется у катушки с током и магнитной

стрелки?

Добиться ответа: Катушка с током и магнитная стрелка являются постоянными магнитами.

Вопрос к классу: Как взаимодействуют постоянные магниты?

Добиться ответа: Одноименные полюса магнитов отталкиваются, а разно-

именные притягиваются.

Анализируя результаты опыта Ленца, приходим к выводу:

Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван.

Лабораторная работа: «Наблюдение действия магнитного поля на ток»

Цель работы: экспериментально определить зависимость действия магнитного поля на проводник с током от силы и направления тока в нем.

Оборудование:

• источник электропитания
• катушка-моток
• переменный резистор
• ключ
• полосовой магнит
• штатив с муфтой и лапкой
• соединительные провода.

В работе исследуют взаимодействие проволочной катушки-мотка, подвешенной на штативе, с постоянным магнитом, также установленном на этом штативе рядом с катушкой. Последовательно с катушкой включают переменное сопротивление, что позволяет менять в ходе опыта силу тока в ней.

Ход работы

1. Соберите экспериментальную установку, как показано на рисунке 2. Катушка и магнит должны располагаться так, чтобы плоскость катушки была перпендикулярна продольной оси магнита. Край магнита должен выступать на 1,5 - 2 см за основание штатива и находиться в центре катушки. 

2. Переменное сопротивление включите в цепь так, чтобы с его помощью можно было изменять силу тока в катушке. Ползунок переменного сопротивления поставьте в такое положение, при котором в цепи протекал бы минимальный ток. 

3. Замкните ключ и по изменению положения катушки сделайте вывод о характере действия на нее магнита. 

4. Увеличивая с помощью переменного сопротивления ток в цепи, установите, как действие магнита на катушку зависит от силы тока в ней. 

5. Изменив подключение соединительных поводов к источнику питания, установите, как зависит действие магнитного поля на катушку от направления тока в ней.

 
6. Измените положение полюсов магнита на противоположное и повторите действия, указанные в пунктах 3, 4 и 5.

 
7. Для каждого этапа опыта сделайте схематичные рисунки, отражающие изменения во взаимодействии магнита и катушки при изменении режимов работы установки. 

8. Укажите на рисунках направления магнитного поля магнита, тока в катушке и магнитного поля катушки. 

9. Объясните результаты наблюдений.

Домашнее задание:

Занятие №5 «Фундаментальные опыты в оптике»

Оперативные цели:

Ученики должны знать (на уровне воспроизведение) имена и биографии ученых, внесших вклад в развитие оптики.

Ученики должны знать и понимать основные фундаментальные опыты в оптике и воспроизводить их в устной речи. Ученики должны знать и понимать и воспроизводить в устной речи основные явление оптики( дисперсия, дифракция, интерференция, поляризация)

Ученики должны уметь проводить компьютерный эксперимент и интерпретировать его результаты в устной и письменной речи

Ученики должны уметь проводить эксперимент, объяснять смысл происходящего в устной речи и предвидеть  результат опыта..

План занятия

План занятия: 

1. Теоретическая часть

• Краткая история развития учения оптики
• Фундаментальные опыты в оптике

• Опыт Ньютона по изучении дисперсии света
• Опыт Гримальди, открытие дифракции света 
• Опыт Юнга  по наблюдению двухлучевой интерференции
• Опыт Малюса и Брюстера по наблюдению поляризации отраженного света

• Проблема скорости света в физической науке

2. Практическая часть

• Дифракция на шаре
• Поляризация света
• Полное внутреннее отражение

Теоретическая часть

Краткая история развития оптики

Учитель:

Оптика - учение о природе света, световых явлениях и взаимодействии света с веществом. И почти вся ее история - это история поиска ответа: что такое свет?

Одна из первых теорий света - теория зрительных лучей - была выдвинута греческим философом Платоном около 400 г. до н. э. Данная теория предполагала, что из глаза исходят лучи, которые, встречаясь с предметами, освещают их и создают видимость окружающего мира. Взгляды Платона поддерживали многие ученые древности и, в частности, Евклид (3 в до н. э.), исходя из теории зрительных лучей, основал учение о прямолинейности распространения света, установил закон отражения.

В те же годы были открыты следующие факты:

- прямолинейность распространения света;

- явление отражения света и закон отражения;

- явление преломления света;

- фокусирующее действие вогнутого зеркала.

Древние греки положили начало отрасли оптики, получившей позднее название геометрической.

Наиболее интересной работой по оптике, дошедшей до нас из средневековья, является работа арабского ученого Альгазена. Он занимался изучением отражения света от зеркал, явления преломления и прохождения света в линзах. Альгазен впервые высказал мысль о том, что свет обладает конечной скоростью распространения. Эта гипотеза явилась крупным шагом в понимании природы света.

В эпоху Возрождения было совершено множество различных открытий и изобретений; стал утверждаться экспериментальный метод, как основа изучения и познания окружающего мира. На базе многочисленных опытных фактов в середине XVII века возникают две гипотезы о природе световых явлений:

- корпускулярная, предполагавшая, что свет есть поток частиц, выбрасываемых с большой скоростью светящимися телами;

- волновая, утверждавшая, что свет представляется собой продольные колебательные движения особой светоностной среды - эфира - возбуждаемой колебаниями частиц светящегося тела.

Все дальнейшее развитие учения о свете вплоть до наших дней - это история развития и борьбы этих гипотез, авторами которых были И. Ньютон и Х. Гюйгенс.

Ученик:

Основные положения корпускулярной теории Ньютона:

1) Свет состоит из малых частичек вещества, испускаемых во всех направлениях по прямым линиям, или лучам, светящимся телом, например, горящей свечой. Если эти лучи, состоящие из корпускул, попадают в наш глаз, то мы видим их источник

2) Световые корпускулы имеют разные размеры. Самые крупные частицы, попадая в глаз, дают ощущение красного цвета, самые мелкие - фиолетового.

3) Белый цвет - смесь всех цветов.

4) Отражение света от поверхности происходит вследствие отражения корпускул от стенки по закону абсолютно упругого удара

5) Явление преломления света объясняется тем, что корпускулы притягиваются частицами среды. Чем оптически плотнее среда, тем угол преломления меньше угла падения

6) Явление дисперсии света, открытое Ньютоном в 1666 г., он объяснил следующим образом. Каждый цвет уже присутствует в белом свете. Все цвета передаются через межпланетное пространство и атмосферу совместно и дают эффект в виде белого света. Белый свет - смесь разнообразных корпускул - испытывает преломление, пройдя через призму. С точки зрения механической теории, преломления обязано силам со стороны частиц стекла, действующим на световые корпускулы. Эти силы различны для разных корпускул. Они наибольшие для фиолетового и наименьшие для красного цвета. Путь корпускул в призме для каждого цвета будет преломляться по- своему, поэтому белый сложный луч расщепится на цветные составляющие лучи.

7) Ньютон наметил пути объяснения двойного лучепреломления, высказав гипотезу о том, что лучи света обладают "различными сторонами" - особым свойством, обуславливающим их различную преломляемость при прохождении двоякопреломляющего тела.

Корпускулярная теория Ньютона удовлетворительно объяснила многие оптические явления, известные в то время. Ее автор пользовался в научном мире колоссальным авторитетом, и в скоре теория Ньютона приобрела многих сторонников во всех странах.

Ученик:

Основные положения волновой теории света Гюйгенса.

1) Свет - это распространение упругих апериодичных импульсов в эфире. Эти импульсы продольны и похожи на импульсы звука в воздухе.

2) Эфир - гипотетическая среда, заполняющая небесное пространство и промежутки между частицами тел. Она невесома, не подчиняется закону всемирного тяготения, обладает большой упругостью.

3) Принцип распространения колебаний эфира таков, что каждая его точка, до которой доходит возбуждение, является центром вторичных волн. Эти волны слабы, и эффект наблюдается только там, где проходит их огибающая  поверхность - фронт волны (принцип Гюйгенса)

Фундаментальные опыты

Учитель: Исаак Ньютон с помощью несложных опытов с призмой продемонстрировал, что разложение света в радугу не обусловлено его окрашиванием веществом призмы. 

Ученик: Опыт Ньютона по изучению дисперсии света

Сэр Исаак Ньютон (1642–1727) сделал фундаментальный вклад в оптику: обнаружил, что белый свет является составным, изобрел телескоп-рефлектор, а также исследовал открытые Гуком кольца, которые появляются на тонких клиньях и излома (теперь их называют кольцами Ньютона), заложил основы физической и геометрической оптики как связного учения. До него оптика представляла собой совокупность разрозненных фактов, датируемых начиная с античности, а также многочисленные и противоречащие друг другу интерпретации экспериментальных наблюдений. Действительно, по сути дела, не было критерия, согласно которому эти интерпретации должны были сравниваться и какие-то из них — признаваться ошибочными.

Во взглядах на природу цвета также не было единства. Аристотелевское учение утверждало, что цвета — производные от света и тьмы, смешанных в различных пропорциях. Согласно Декарту различие цветов было связано с различной скоростью вращения корпускул (в некотором роде, с точки зрения квантовой теории, так и есть). Также бытовала точка зрения, что цветовую окраску свету придает предмет, от которого он отражается, а «чистому» свету цветовые характеристики не присущи.

Известный эксперимент Ньютона с разложением белого света на составляющие его компоненты был проведен в 1666 году, когда двадцатитрехлетний Ньютон укрылся от чумы в своем фамильном имени Вульсторп. Открытие дисперсии света запечатлено на многих полотнах

 Ньютон пропустил тонкий луч света, прошедший через прорезь в ширме (на рисунке — через щель в двери), через треугольную призму и увидел, что свет разложился в радужный спектр. При этом получалось, что Красные лучи преломляются сильнее фиолетовых — в этом и была сущность дисперсии. По этой причине современный термин «дисперсия» относится не только к явлению разложения света в спектр, но и к зависимости фазовой скорости света от частоты (или даже от направления волнового вектора). Действительно, угол преломления напрямую зависит от фазовой скорости, поэтому зависимость последней от частоты и приводит к наблюдавшемуся Ньютоном явлению.

Помимо разложения света в спектр, которое могло интерпретироваться и как окрашивание солнечного света призмой, Ньютон показал, что, если собрать цветные лучи в одну точку, в ней снова будет наблюдаться ахроматический, белый цвет (см. рис. выше). Этим он раз и навсегда пресек обсуждение точки зрения об окрашивании падающего света «цветными» предметами. Также полученные результаты окончательно сформировали современный взгляд на природу цвета большинства предметов: последний либо связан с излучением самого тела (возникающим в силу его нагретости, протекающей в нем фотохимической реакции и т.п.), либо с  выделением определенных компонент из падающего света при его отражении от предмета или прохождении сквозь него. Последний механизм окрашивает небо в голубой цвет, создает радужный окрас неба на закате (так называемое рэлеевское рассеяние), обусловливает цвета драгоценных камней (фильтрация при прохождении света сквозь них) и золота (отражение), а также кристаллических срезов и тонких пленок (интерференция). Конечно, известны и другие явления воздействия падающего света на спектр исходящего от предмета излучения: люминесценция, генерация высших гармоник, комбинационное рассеяние и т.д. В этих случаях вторичное излучение тела сложнее зависит от спектральной интенсивности падающего света.

Интересно, что Ньютон придерживался точки зрения, что свет состоит из маленьких корпускул, которым присуще внутреннее свойство — цвет. От количества корпускул данного цвета и зависит спектральная интенсивность. Эта, корпускулярная теория света просуществовала до XIX века, несмотря на наличие явлений, в нее не укладывающихся (интерференция, дифракция). Пожалуй, тут сыграл роль не только авторитет Ньютона, но и неподготовленность математики времен Ньютона к восприятию волновых концепций. Сам Ньютон основал вместе с Лейбницем математический анализ и дифференциальное исчисление, однако представления об описывающих распространение волн дифференциальных уравнениях в частных производных и преобразованиях Фурье, с помощью которых эти уравнения решаются, появились только в XIX веке. Наконец, XVII век был проникнут идеями механицизма, во многом насажденными успехами ньютоновской механики. Поэтому представить прямолинейное распространение лучей из корпускул было гораздо проще, чем распространение волн по прямой — даже здравый смысл говорит о том, что волны распространяются во всех направлениях.

Важно, тем не менее, что Ньютон не только наблюдал явление дисперсии, но и предложил ее строгое математическое описание. Тем самым он обрисовал логический путь зарождающейся физики: наблюдение (эксперимент) – качественное описание (гипотеза) – математическая теорияявления – новые предсказания или теоретические выводы – новые эксперименты. Именно такая модель исследования явлений определила дальнейшее развитие физики, отклонившееся от чисто философского пути умозрительных, хотя, возможно, справедливых, заключений.

Учитель: Итальянский ученый Франческо Гримальди впервые обнаружил, что свет обладает возможностью заходить в область геометрической тени, более того, очертания самой тени при этом размываются, и вблизи ее границы возникают темные и светлые полосы радужной окраски. Аналогичные опыты в монохроматическом свете по схеме Гримальди провел Ньютон.

 Ученик: Опыт Гримальди, открытие дифракции света          

Понятия о дифракции претерпели существенные изменения за время развития оптики. Сейчас слово «дифракция»означает перераспределение световой энергии в пространстве (интерференцию) вторичных источников света. При этом в отличие от случая собственно интерференции обычно предполагается, что число этих источников бесконечно(или очень велико). В силу принципа Гюйгенса–Френеля вторичным источником сферических волн является любая точка на фронте волны, зафиксированном в определенный момент времени. Например, дифракция нормально падающего параллельного когерентного пучка на щели есть не что иное, как интерференция вторичных волн, исходящих из всех точек этой щели. Результат такой дифракции — дифракционную картину — вы можете увидеть на рисунке ниже (источник света — лазер, круглая щель).

Тем не менее, дифракцией также называют явления огибания светом препятствий (выходом в область геометрической тени) и уширения пучков конечной апертуры (ширины).

Дифракция была открыта Франческо Мария Гримальди (1618–1663) в 1666 году — и именно он ввел этот термин в физику (Ньютон, впоследствии изучавший опыты Гримальди, называл ее инфлекцией, т.е. искривлением лучей). Гримальди использовал тонкий пучок света, прошедший в темную комнату через щель. Данный пучок представлял из себя конус, поскольку солнце не является точечным источником света, а также в силу конечной ширины щели. На пути этого конуса Гримальди поставил деревянную жердь и наблюдал отбрасываемую ей тень. Оказалось, что, во-первых, тень была несколько меньше рассчитанных им предполагаемых геометрических размеров, а во-вторых, что у краев тени наблюдались несколько радужных полос. Последние были едва различимы, однако их цветовая окраска говорила в пользу негеометрического характера распространения света. Действительно, лучи разных длин волн должны были распространяться по различным траекториям.

Исаак Ньютон продолжил исследования Гримальди, изучая дифракцию монохроматического света. Оказалось, что ширина дифракционных полос в красном свете больше, чем ширина в фиолетовом. Ньютон, как упоминалось ранее, предполагал, что причина этому — некоторое взаимодействие между корпускулами света, зависящее от их цвета. Корпускулярная концепция была еще одной из причин, почему Ньютон воспринимал дифракцию как отклонение траекторий частиц (лучей света). Гримальди же придерживался волнового подхода к распространению света

Учитель: Значение опыта Юнга трудно переоценить: он открыл дверь в волновую оптику как область физики, обладающую предсказательной силой.

Ученик: опыт Юнга  по наблюдению двухлучевой интерференции

Английский ученый Томас Юнг (1773–1829; Юнг — общепринятое русскоязычное произношение, но правильнее было бы называть его Young, Янгом) в самом начале XIX века поставил классический эксперимент, который сейчас входит в любой школьный учебник по физике. Приверженец волновой теории света, он пытался обнаружить закономерно следовавшее из нее явление интерференции. Последнее сводится к сложению нескольких световых волн в фазе или противофазе, приводящему к увеличению или уменьшению суммарной амплитуды колебаний, соответственно. Чтобы это действительно происходило, колебания волн должны происходить согласованно, или, как говорят, когерентно. Действительно, разность фаз между двумя колебаниями отличающихся частот меняется со временем, причем в случае световых волн, для которых частота , малейшее отличие частот приводит к практически случайной разности фаз. Как же создать два сигнала с одинаковой частотой? Ответ прост: нужно использовать один источник света, а потом выделить из фронта излучаемых им волн два сегмента. Эти сегменты по Гюйгенсу являются полноценными источниками вторичных волн с одинаковой частотой. Наконец, проще всего наблюдать двухлучевую интерференцию, поскольку добавление других волн накапливает погрешности в их когерентности и вносит дополнительную случайность в разность фаз.

Схема эксперимента проста: монохроматический свет от источника  падал на непрозрачную ширму с тонкой щелью , затем — на такую же ширму с двумя щелями  и , после чего направлялся на экран  (см. рис. ниже). На экране наблюдались интерференционные полосы, что было недопустимо в случае корпускулярной теории — более того, при симметричном расположении источника и щелей светлая полоса наблюдалась точно посередине между щелями, что было недопустимо в случае движения корпускул.

Рассмотрим простую модель данного явления, считая, что первая щель находится примерно посередине между щелями , а расстояние  от щелей до экрана гораздо больше расстояния  между ними (см. рис. ниже).

Поле в точке  экрана есть сумма полей, которые создают вторичные источники вблизи точек  и . Поскольку расстояния , , затухание амплитуд этих полей с расстоянием практически не вносит вклада в их интерференцию. На интерференцию влияет только разность хода

Часть этой разности, относящаяся к распространению волн левее ширмы, остается постоянной, поэтому может лишь сдвигать интерференционную картину на экране. Разность же хода правее экрана

пропорциональна расстоянию  от точки  до плоскости, относительно которой щели  и  симметричны друг другу. Светлым полосам соответствует разность хода , , поэтому для соседних светлых полос разность  различается на длину волны . Отсюда полосы имеют равную ширину, а расстояние между ними

Для расстояний ,  мы получаем , т.е. полосы должны быть вполне различимыми. С другой стороны, размеры самих щелей должны быть достаточно малыми по сравнению с , иначе дифракция света на каждой из них размоет интерференционные полосы. Это будет происходить, потому что вторичные волны от источников в различных точках одной щели будут приходить в точку наблюдения с различными фазами и деструктивно интерферировать. Чтобы избежать дифракционных эффектов, дифракционная разность хода должна быть гораздо меньше длины волны:

где  — ширина щели. Чтобы на экране наблюдалось  четких полос, необходимо, чтобы это условие выполнялось для , откуда мы получаем, что ширина щелей должна быть

Через малые щели проходит мало световой энергии, что делает полосы очень тусклыми и поэтому с трудом наблюдаемыми.

В случае идеально симметрично расположенных щелей , и на оси симметрии () лежит светлая полоса — аналог дифракционного пятна Араго–Пуассона. Это прямо противоречит корпускулярной модели Ньютона, возникновение полос в которой вообще сложно объяснить.

Аналог опыта Юнга с электронами был поставлен в середине XX века и показал справедливость основных представлений об интерференции. Сам же термин «интерференция» был предложен Томасом Юнгом (1803). Несмотря на то, что интерференционные эффекты наблюдались и до Юнга (кольца Ньютона, дифракционное окрашивание границ тени и др.), только Юнг смог дать им правильное описание. Он же впервые объяснил цветную окраску тонких пленок, в частности, колец Ньютона.

Учитель: Открытие Малюса и Брюстера являлось крайне важным для понимания явления поляризации света.

Ученик: Опыт Малюса и Брюстера по наблюдению поляризации отраженного света

Этьен Луи Малюс (1775–1812) занимался исследованиями двулучепреломления света в кристаллах исландского шпата, известного еще со времен Эразма Бартолина (1669). Однажды, наблюдая из окна своего дома в Париже лучи заходящего солнца, отраженные в окнах Люксембургского собора, он заметил, что после прохождения через кристалл исландского шпата эти лучи существенно теряют свою интенсивность. Яркость других предметов не менялась при прохождении через исландский шпат — предметы только раздваивались из-за двойного лучепреломления. Довольно долго занимавшийся изучением поляризации света Малюс сразу же сделал вывод о том, что свет, отраженный от окон собора, является (частично) поляризованным. Действительно, яркость отраженного от окон собора света изменялась при изменении ориентации кристалла исландского шпата, как наблюдал еще Гюйгенс в своих опытах по поляризации.

Явление поляризации света при отражении свойственно только диэлектрическим отражающим поверхностям — стеклу, воде, различным пластмассам и др. — но не свойственно проводникам. В частности, свет, отраженный от металлического зеркального слоя, сохраняет свою поляризацию.

Малюс получил два фундаментальных результата, касающихся поляризации: во-первых, это закон, носящий его имя, а во-вторых, это так называемый угол поляризации (угол Малюса–Брюстера). Закон Малюса описывает наблюдаемую интенсивность линейно поляризованного света, прошедшего через идеальный поляризатор, равна

где  — интенсивность падающего света,  — угол между плоскостью поляризатора и плоскостью поляризации падающего света. Идеальный поляризатор — это система, которая пропускает одну из двух поляризаций падающего на него света без изменений, а перпендикулярную ей полностью поглощает. Такой прибор можно построить из кристалла исландского шпата, поставив непрозрачный экран на пути одного из двух лучей внутри него. На усовершенствовании данного принципа построена так называемая призма Николя (николь, 1820), повсеместно используемая в оптике.

Устройство николя предельно просто: две прямоугольные призмы из исландского шпата с оптической осью AB, склеены своими катетами с помощью канадского бальзама, имеющего показатель преломления больше, чем у исландского шпата. Угловые параметры николя подбираются таким образом, что после двулучепреломления обыкновенный луч (красный на рисунке выше) испытывает полное внутреннее отражение от границы «шпат-канадский бальзам». Необыкновенный луч, составляющий с этой границей больший угол, проходит в слой бальзама, а из него — во вторую призму. В итоге для необыкновенного луча с поляризацией в плоскости рисунка николь выглядит как плоскопараллельная пластина, а для луча, поляризованного перпендикулярно этой плоскости — как зеркало.

Квадрат косинуса, входящий в закон Малюса, говорит о том, что интенсивность света не является вектором: ее нельзя получить, проецируя некоторый вектор на плоскость поляризатора. В этом случае косинус был бы в первой степени. Действительно, интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды колебаний, а амплитуда поперечных колебаний является вектором. Здесь, однако, надо отметить, что сам Малюс твердо стоял на позициях ньютоновской корпускулярной теории, поэтому так не рассуждал.

Закон Малюса также демонстрирует некоторую «конверсию» различных состояний поляризации друг в друга: несмотря на то, что состояний линейной поляризации может быть бесконечное множество (они параметризуются углом ), при наблюдении через поляризатор все эти состояния сводятся к двум независимым — параллельно и перпендикулярно оси поляризатора. Этот факт стал одной из идейных основ квантовой механики. Действительно, состояния системы  в квантовой механике задаются векторами единичной длины, а вероятность обнаружить такую систему в состоянии  равна

где  — угол между векторами состояний  и , а  — скалярное произведение векторов. Пример: если спин электрона поляризован вдоль оси , то существует вероятность, равная , обнаружить его поляризованным вдоль оси  и ровно такая же вероятность — против оси . Интересно, что угол  между соответствующими состояниями электрона равен , при том что угол между осями ровно в два раза больше. Этот факт связан с тем, что спин электрона равен  (см. раздел «Квантовая теория и физика элементарных частиц»).

Второе фундаментальное открытие Малюса заключалось в том, что если свет падает под определенным углом к диэлектрику, то отраженный свет оказывается полностью поляризованным перпендикулярно плоскости падения. Он измерял данный угол для различных веществ и по началу пришел к ошибочному выводу, что угол поляризации не зависит от вещества. Более тщательный анализ был проведен в 1812 году английским ученым Дэвидом Брюстером (1781–1868), который связал угол поляризации с показателем преломления вещества:

где  — отношение показателей преломления двух сред. В честь Брюстера также обычно называют и угол поляризации . Брюстер также отметил, что при данном угле падения отраженный и преломленный лучи образуют прямой угол. На рисунке ниже изображено отражение луча света, падающего под углом Брюстера: на каждом из трех лучей схематически изображены плоскости колебаний вектора электрического поля — в плоскости рисунка и/или перпендикулярно ей.

Преломленный луч содержит обе поляризации, хотя оказывается частично поляризованным. Важно также, что закон Брюстера справедлив и для отражения от аморфных тел, таких как стекло, а также от жидкостей.

Явление поляризующего отражения широко используется в оптике, когда необходимо избежать потерь интенсивности на входе света в прозрачный диэлектрик. В этом случае свет, поляризованный в плоскости падения, направляется на границу раздела под углом Брюстера — при этом отраженный луч вообще отсутствует. Также эффекты поляризации отраженного света, открытые Малюсом и Брюстером, используются в фотографии.

Проблема скорости света в физической науке

Ученик: Первая половина XVII века характеризовалась организационным становлением науки. В это время появляются первые научные журналы, образуются научные общества и академии. От ученых – членов этих академий – требовалось в первую очередь решение актуальных практических задач.

Вопрос о том, конечна или бесконечно велика скорость света, начал широко обсуждаться именно в этот период времени. С одной стороны, это было связано с развитием оптики и попытками выяснить природу света, а с другой стороны – со стремлением к решению физических проблем путем постановки количественных экспериментов. В 1638 г. Г. Галлей в книге «Беседы и математические доказательства .... » устами своих героев обсудил этот вопрос и предложил схему эксперимента для определения скорости света. На практике опыт, проведенный по схеме Галлея, не дал определенных результатов, однако Галлей, будучи сторонником представлений о конечности скорости света, справедливо указал, что при усовершенствовании методики проведения опыта его исход может оказаться другим. Значительным событием в истории физики стала теоретическая дискуссия между П. Ферма и Р. Декартом (а также его последователями) о скорости света, приведшая Ферма к выдвижению «принципа наименьшего времени» для описания распространения света. Ясно, что с помощью экспериментальной техники XVII в. измерение скорости света в земных условиях было невозможно. Поэтому совершенно естественно, что доказательство конечности света и первая оценка ее величины были получены в астрономии. Автором этого доказательства и был датский ученый Олаф Ремер.

Оле (Олаф) Рёмер исследовал источник небольшой апериодичности наблюдающихся затмений спутника Юпитера Ио для задач навигации: по этим затмениям было бы легко синхронизировать часы на кораблях в открытом море. Рёмер сделал неожиданное предположение: апериодическая добавка к временному промежутку между ближайшими затмениями связана с конечностью скорости света. За время между затмениями расстояние от Юпитера до Земли успевает измениться, поэтому свет затрачивает уже большее время на его преодоление. В итоге Рёмер вычислил значение скорости света, равное 220000км/с, которое с учетом точности имеющихся в конце XVII века астрономических данных было близко к истинному. Распространение света попало в сферу интересов физики и приобрело количественную характеристику — скорость.

Опыт Физо

С помощью техники быстро вращающегося колеса, между зубьями которого при правильной синхронизации проходили падающий и отраженный лучи, Ипполит Физо смог обнаружить эффекты запаздывания в земных условиях. Измеренная скорость света составила 313000км/с.

Практическая часть.

(демонстрации учеников)

1. Перед тем как нам продемонстрируют данный опыт, давайте вспомним, что называется явлением дифракции?

• Дифракция на шаре

2. Что такое поляризация света? Объясните суть увиденной демонстрации.

• Поляризация света

3. Прокомментируйте увиденную демонстрацию и объясните суть явления

• Полное внутреннее отражение

Лабораторная работа

«Исследование зависимости величины отклонения светового луча плоскопараллельной пластинкой от угла падения луча»

Цель работы: исследовать зависимость отклонения светового луча плоскопараллельной пластинкой от угла падения луча экспериментально и теоретически путём компьютерного моделирования; сравнить результаты, сделать вывод.

Приборы и материалы: лазер, плоскопараллельная пластинка, линейка, транспортир, миллиметровая бумага, компьютер IBM PC, программа Excel, программа Word.

Теория: расчёт смещения луча hтеор.

Из представленной схемы эксперимента ясны обозначения всех входящих в расчётную формулу величин.

Из DBC: .

h = AD = DBsin( – ).

sin( – ) = sin • cos – cos • sin;

[Очевидно, что при   90° hтеор  d. – Ред.]

Экспериментальные значения:

 d = 20 мм, R = 50 мм, n = 1,43.

Ход работы

1. На прочный лист-планшет приклеивают миллиметровую бумагу. В центре планшета чертят окружность радиусом R, центр окружности помечают карандашом. Прикладывают к краю планшета лазер так, чтобы луч проходил через центр окружности и намеченную на окружности точку (задают удобное значение L), «прочерчивая» яркий красный след на бумаге. Помечают карандашом точку пересечения луча с окружностью.

2. Не меняя положения лазера, накладывают на планшет плоскопараллельную пластинку так, чтобы её край проходил через центр окружности. Помечают карандашом вторую точку пересечения луча с окружностью. Выключают лазер.

3. Измеряют расстояние hэксп между точками (или точнее: чертят входящий и выходящий лучи и измеряют кратчайшее расстояние между ними).

4. Рассчитывают c помощью компьютерного моделирования теоретические значения hтеор, вычисляют h = hэксп и hтеор, строят графики зависимостей hэксп, hтеор и h/hтеор от [наверное, лучше было бы от sin. – Ред.]

Результаты измерений

Зависимость величины отклонения от угла падения

ВЫВОД. При увеличении угла падения смещение луча относительно падающего увеличивается, в пределе приближаясь к толщине пластинки.

Занятие № 6 «Фундаментальные опыты в квантовой физике»

Оперативные цели: ученики должны знать на уровне воспроизведения имена и биографии ученых, внесших вклад в развитие квантовой физики;

Ученики должны знать и понимать (на уровне воспроизведения) смысл основных понятий квантовой механики (определение фотоэффекта, красной границы и тд).

Ученик должен уметь проводить компьютерный эксперимент и уметь прогнозировать его результат.

План занятия:

1. Теоретическая часть

1. Зарождение квантовой теории
2. Фундаментальные опыты

• Корпускулярно-волновой дуализм света
• Опыты Столетова по изучению фотоэффекта. Красная граница фотоэффекта. Теория фотоэффекта Эйнштейна
• Опыт Франка–Герца
• Эксперименты Э. Резерфорда по рассеянию альфа-частиц на атомах тяжелых элементов

3. Боровская модель атома

2. Практическая часть

• Демонстрация фотоэффекта

• Камера Вильсона (демонстрация компьютерное моделирование)

• Изучение атомных спектров (компьютерное моделирование)

• Лабораторная работа (компьютерное моделирование)

«Изучение фотоэффекта»

Теоретическая часть

Учитель:

В конце XIX в. многие ученые считали, что развитие физики завершилось по следующим причинам:

1. Больше 200 лет существуют законы механики, теория всемирного тяготения.
2. Разработана МКТ.
3. Подведен прочный фундамент под термодинамику.
4. Завершена максвелловская теория электромагнетизма.

Открыты фундаментальные законы сохранения (энергии, импульса момента импульса, массы и электрического заряда). В конце XIX -- начале XX в. открыты В. Рентгеном — X-лучи (рентгеновские лучи), А. Беккерелем — явление радиоактивности, Дж. Томсоном —электрон. Однако классическая физика не сумела объяснить эти явления.

Теория относительности А. Эйнштейна потребовала коренного пересмотра понятии пространства и времени. Специальные опыты подтвердили справедливость гипотезы Дж. Максвелла об электромагнитной природе света. Можно было предположить, что излучение электромагнитных волн нагретыми телами обусловлено колебательным движением электронов. Но это предположение нужно было подтвердить сопоставлением теоретических и экспериментальных данных. Для теоретического рассмотрения законов излучений использовали модель абсолютно черного тела, т. е. тела, полностью поглощающего электромагнитные волны любой длины и, соответственно, излучающего все длины электромагнитных волн. Примером абсолютно черного тела по излучающей способности может быть Солнце, по поглощающей - полость с зеркальными стенками с маленьким отверстием. Австрийские физики И. Стефан и Л. Больцман экспериментально установили, что полная энергия Е, излучаемая за 1 с абсолютно черным телом с единицы поверхности, пропорциональна четвертой степени абсолютный температуры Т:

,  где s = 5,67.10-8  Дж/(м2.К-с)—постоянная Стефана-Больцмана.

Этот закон был назван законом Стефана — Больцмана. Он позволил вычислить энергию излучения абсолютно черного тела по известной температуре. При заданном значении температуры Т интенсивность излучения черного тела максимальна и соответствует  определенному значению длины волны l. Немецкий физик В. Вин обнаружил, что при изменении температуры длина волны, на которую приходится максимальная энергия Еmax, убывает обратно пропорционально температуре, поэтому  (закон Вина). Используя законы термодинамики, В. Вин получил закон распределения энергии в спектре черного тела, который совпадал с экспериментальными результатами лишь в области больших частот. Английский физик Дж. Рэлей сделал попытку более строгого теоретического вывода закона распределения энергии. по закон приводил к хорошему совпадению с опытами в области малых частот. По этому закону интенсивность излучения должна возрастать пропорционально квадрату частоты. Следовательно, в тепловом излучении должно быть много ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, чего на опыте не наблюдалось. Затруднения в согласовании теории с результатами эксперимента получили название ультрафиолетовой катастрофы. Законы электромагнетизма, полученные Максвеллом, оказались не в состоянии объяснить форму кривой  распределения интенсивности в спектре абсолютно черного тела. При удалении от этого значения интенсивность электромагнитного излучения плавно убывает Стремясь преодолеть затруднения классической теории при объяснении излучения черного тела, М. Планк в 1900 г. высказал гипотезу: атомы испускают электромагнитную энергию от дельными порциями —квантами. Энергия Е Иногда удобно измерять энергию и постоянную Планка вэлектронвольтах.

Тогда h=4,136.10-15 эВ.с. В атомной физике употребляется также величина. (1 эВ - энергия, которую приобретает элементарный заряд, проходя ускоряющую разность потенциалов 1 В. 1 эВ=1,6.10-19 Дж).

Таким образом, М. Планк указал путь выхода из трудностей, с которыми столкнулась теория теплового излучения, после чего начала развиваться современная физическая теория, называемая квантовой физикой

Фундаментальные опыты

Ученик: Корпускулярно-волновой  дуализм света

Корпускулярно-волновой дуализм был выражен в гипотезе, предложенной Луи де Бройлем в 1924 году: каждой микроскопической точечной частице с импульсом  и энергией  соответствует волна с волновым вектором  и частотой ,

Смысл слова «соответствует», так же как и природа волны  была не прояснена. Также не было объяснено, как должна выглядеть волна, соответствующая частице, находящейся в потенциальном поле, когда импульс начинает зависеть от координаты. Тем не менее, ожидалось, что такие волны должны интерферировать и поэтому можно проводить соответствующие опыты.

Опыт по дифракции электронов и был поставлен Клинтоном Дэвиссоном и Лестером Джермером тремя годами позже, т.е. в 1927 году. В качестве дифракционной решетки использовалась атомная кристаллическая решетка монокристалла никеля (см. рис. ниже).

На спиленный под углом  монокристалл направлялся пучок электронов, разогнанный в электронной пушке G до определенной энергии: с точки зрения де Бройля, такие частицы должны были обладать определенным импульсом, а, следовательно, определенной длиной волны. Для частиц, пролетевших разность потенциалов  кинетическая энергия равна , так что длина волны

После выхода из никелевого кристалла интенсивность пучка под углом  измерялась с помощью цилиндра Фарадея C. Последний, по сути дела, есть металлический анод, к которому подключается источник ЭДС и последовательно с источником — амперметр. Все электроны, падающие на цилиндр, поглощаются им и посылаются ЭДС источника через амперметр, который фиксирует их количество в единицу времени. В итоге измеряется поток падающих на цилиндр электронов.

Опыт показал наличие пиков на угловой зависимости потока электронов от угла дифракции , аналогичное дифракционным пикам для световых волн. Дифракционные максимумы приходились на те углы рассеяния, для которых между электронами, отразившимися от соседних кристаллических плоскостей в кристалле никеля, было целое число длин волн (условие Брэгга–Вульфа):

где расстояние между плоскостями  — это не что иное, как период кристаллической решетки. Для никеля эта величина составляет 4 ангстрема. В опыте Дэвиссона–Джермера электроны разгонялись в потенциале порядка , тогда их длины волн имеют порядок одного-двух ангстрем, и дифракционные минимумы и максимумы ясно различимы.

Изменяя напряжение между катодом и анодом электронной пушки, Дэвиссон и Джермер наблюдали сдвиги интерференционной картины, что свидетельствовало об изменении длины волны пучка падающих электронов. Это изменение оказалось в полном соответствии с гипотезой де Бройля. В итоге де Бройлю была присуждена Нобелевская премия 1929 года по физике за предсказание волн материи, а Дэвиссону — премия 1937 года за открытие волн материи.

Ученик: Опыты Столетова по изучению фотоэффекта. Красная граница фотоэффекта. Теория фотоэффекта Эйнштейна

Опыты Столетова стали классическими экспериментами не только в рамках квантовой физики, но и всей физики вообще. Действительно, на их основе можно показать, как должен действовать чистый экспериментатор, желающий всесторонне исследовать явление и, насколько это возможно, дать ему описание в количественных категориях. В XX веке такое прямое исследование явлений стало с трудом осуществимым: для проведения и интерпретации результатов эксперимента необходимо задаться одной или несколькими теориями, претендующими на описание данного явления.

В конце XIX века хоть сколько-нибудь основательной теории фотоэффекта не существовало; даже экспериментальные данные по нему были отрывочными и в основном качественными (см. предыдуший вопрос). Поэтому Александру Григорьевичу Столетову (1839–1896) только и оставалось изучать его свойства напрямую, не подразумевая какую-либо теорию такового. Схема экспериментов Столетова 1888–1890 годов изображена на рисунке ниже.

Из герметичной камеры B частично или полностью откачивался воздух. Внутри этой камеры располагалось два электрода: цельный металлический катод К и выполненный в виде металлической сетки анод А. Свет от дуговой лампы проникал в камеру через кварцевое окошко О (стекло практически не пропускает ультрафиолет) и благодаря устройству анода свободно падал на металлическую поверхность катода. Между катодом и анодом создавалось достаточно высокое напряжение (до 250 вольт), а ток в анодной цепи измерялся с помощью чувствительного гальванометра Г (точность порядка A). Столетов обнаружил, что при падении света на катод в цепи начинает течь фототок, который исчезает при закрывании кварцевого окошка. Наличие фототока наблюдалось и при наличии воздуха, и при его отсутствии — поэтому эффект никак не связан с ионизацией воздухаэлектромагнитным излучением. Об отсутствии этой связи также говорит зарядовая несимметричность эффекта: при подключении к анодуотрицательного напряжения относительно катода ток не начинал идти и при освещении последнего (на самом деле, ничтожный ток тек, но это происходило из-за частичного поглощения света сетчатым анодом). Из опыта следовало, что источником носителей заряда фототока является не воздух, а освещаемый катод, причем заряд этих носителей отрицательный.

Таким образом, качественная сторона явления была исследована. Далее Столетов приступил к выяснению количественных характеристик фотоэффекта, освещая катод монохроматическим светом различной интенсивности  и длины волны , а также меняя напряжение батареи . Варьировалось также давление воздуха в камере, расстояние между электродами и до дуговой лампы, материал окошка и металлы, из которых выполнены катод и анод. На основе многочисленных опытов по наблюдению внешнего фотоэффекта Столетов сформулировал три эмпирических закона:

1. Фототок, возникающий при освещении отрицательного электрода светом фиксированной длины волны, пропорционален интенсивности света и площади электрода.
2. Максимальная кинетическая энергия носителей фототока линейно зависит от частоты света и не зависит от его интенсивности.
3. Фотоэффект имеет место, если частота падающего света больше некоторой пороговой частоты , зависящей только от материала катода. Данная пороговая частота называется красной границей фотоэффекта.

Столетов обнаружил, что у более электроотрицательных металлов (медь, золото) фотоэффект менее проявлен, чем у менее электроотрицательных (алюминий, цинк). Кроме того, он обнаружил, что фоточувствительность резко падает при намачивании катода обычной водой — несмотря на то, что она хорошо пропускает ультрафиолет. Чтобы не принимать в расчет изменения показаний гальванометра при незаметных глазу изменениях свечения электрической дуги, использовался контрольный прибор — точно такая же камера, но с не изменяемыми в течение опыта параметрами. Параметры первого прибора (напряжение между электродами, материал катода и т.д.) менялись — но перед записью новой серии данных Столетов удостоверивался в неизменности параметров дуги с помощью контрольной камеры.

Опыты Столетова явились без преувеличения всесторонним исследованием фотоэффекта. По сути дела, экспериментальная сторона вопроса была практически исчерпана. Оставалось построить теорию данного эффекта, что и сделал Альберт Эйнштейн (1879–1955) в 1908 году. Он обобщил введенное Максом Планком квантование энергии атомного осциллятора порциями по  на электромагнитное поле. Это был достаточно смелый шаг: Планк лишь осторожно постулировал, что энергия передается порциями, при этом, возможно, эта порционность связана с неизвестной науке структурой атома. Для его теории теплового излучения квантование самого электромагнитного поля было необязательным. Действительно, предположение дискретности поля — явно непрерывной субстанции с уже изученными Максвеллом и Герцем свойствами — было бы крайне неожиданным.

Эйнштейн же, придав результатам Планка фундаментальный характер и зная, что электромагнитное поле есть совокупность бесконечного числа гармонических осцилляторов, решил обобщить принцип квантования на него: каждый электромагнитный осциллятор с частотой  возбуждается порциями по . Таким образом, электромагнитная волна с частотой  может поглощаться только порциями, кратными . Отсюда возникло понятие фотона — кванта электромагнитного поля. До разработки непротиворечивого квантового описания этих частиц и состоящего из них поля должно было пройти еще не одно десятилетие — но именно Эйнштейн заложил первый камень в будущую квантовую теорию поля. Благодаря Максу Планку, разумеется.

В теории Эйнштейна фотоэффект в монохроматическом свете частоты  описывается как поглощение одного фотона с энергией  электроном проводимости внутри металлического образца. Сам по себе электрон не может вылететь из металлического кристалла: как только он постарается это сделать, на его «законном» месте возникнет нескомпенсированный положительный заряд (дырка), притяжение которого вернет электрон в кристалл. Поэтому Эйнштейн предположил, что для вылета электрона из слоя проводимости на поверхность кристалла ему необходимо передать энергию (работу) выхода . В этом случае из закона сохранения мы получаем:

т.е. энергия поглощенного фотона ушла на преодоление возвращающего потенциала кристалла и энергию отдачи электрона . Электроны вылетают из электрода со скоростью  и летят к аноду, если к последнему подведено положительное напряжение. Естественно, чем больше фотонов падает на катод в единицу времени, тем больше выбивается электронов — тем больше величина фототока. Это объясняет первый закон фотоэффекта Столетова. Второй закон также выражен формулой Эйнштейна. Наконец, при  энергии фотонов не хватает, чтобы выбить из металла электрон — поэтому взаимодействие света с электронами становится упругим, и фотоэффект исчезает. Это объяснение красной границы фотоэффекта, о которой говорит третий закон Столетова.

Несмотря на элегантность и простоту объяснения Эйнштейна, оно не может ответить на следующие вопросы:

1. Какая доля фотонов поглощается электронами катода, а не отражается от него и не уходит в его тепловую энергию. Как эта доля зависит от частоты света?
2. В каком направлении относительно кристалла вылетают электроны при различном угле падения света?
3. Чем может быть обусловлена величина работы выхода (например, как она зависит от температуры?)
4. Как реально происходит взаимодействие между фотоном, электроном и кристаллом? Если электрон вылетает из кристалла мгновенно, то какими законами (уравнениями) описывается мгновенная передача ему световой энергии?

Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо было простроить теорию, описывающую кристаллическую решетку, атомы — но хотя бы взаимодействие электронов в потенциальной яме с фотонами. Потенциальную яму создает поле кристалла, не дающее электрону свободно вылететь из него. На решение этой проблемы ушло около 20 лет, в результате на арене физики появилась квантовая механика, соединяющая принципы ньютоновской механики и волновой оптики.

Ученик: Опыт Франка–Герца

В этом опыте, поставленном в 1913 году Джеймсом Франком (1882–1964) и Густавом Людвигом Герцем (1887–1975) исследовались пары ртути на предмет наличия уровней резонансного возбуждения. Согласно постулатам Бора электроны в атомах ртути должны были иметь возможность находиться на одной из дискретного набора стабильных орбит, между которыми могли происходить скачкообразные переходы. Соответственно, чтобы такой переход произошел, атому нужно передать, или наоборот, отобрать у него, энергию, равную разности энергий двух уровней:

Самый низший возбужденный уровень в атомах ртути соответствует .

В опыте Франка–Герца в длинной трубке, наполненной парами ртути, ускорялись электроны. Пока разность потенциалов между катодом и анодом была меньше , электрон разгонялся электрическим полем, но, сталкиваясь с атомами ртути, не передавал им энергию. Другими словами, столкновения были упругими. Действительно, электрону просто не хватало своей кинетической энергии, чтобы перевести один из связанных электронов атома ртути в возбужденное состояние. Поскольку энергия электрона ни на что не расходовалась, для него справедлив закон сохранения энергии:

где  — скорость электрона в точке  трубки,  — ее полная длина. Как видим, скорость электронов в данной точке трубки точно такая же, как если бы в ней был вакуум. Если же напряжение между катодом и анодом было больше 4.9В, то электрон достигал энергии возбуждения  в середине трубки, и в этом месте начинались его неупругие столкновения с атомами ртути, в результате чего электрон терял большую часть своей кинетической энергии. Фактически, ему приходилось начинать свой разгон с начала. Таким образом, в трубке начинала рассеиваться энергия, что с точки зрения теории постоянного тока означает возникновение у нее активного сопротивления. В эксперименте последнее проявлялось в ослаблении тока через трубку при прохождении разности потенциалов через критическое значение 4.9В (см. рис. ниже, где изображена вольтамперная характеристика трубки). Естественно, то же самое наблюдалось и при кратных разностях потенциалов: электрон за свой путь от катода к аноду успевал несколько раз разогнаться до энергии возбуждения и передать ее атому ртути.

Излучение, которое, согласно Бору, должны были испускать, возвращаясь в свое основное состояние, атомы ртути, было обнаружено в 1922 году Артуром Комптоном (1892–1962). В полном согласии со вторым постулатом Бора, это излучение имело частоту , т.е. испускаемые фотоны имели энергию , равную разности энергий возбужденного и основного состояний атома.

Резонансный характер кривой возбуждения атомов ртути и свойства их вторичного излучения являлись красноречивым аргументом в пользу квантовых идей Бора — несмотря на то, что окончательной квантовой модели атома еще не было. За свою работу в 1925 году Франк и Герц были удостоены Нобелевской премии по физике.

Ученик: Эксперименты Э. Резерфорда по рассеянию альфа-частиц на атомах тяжелых элементов

Серия экспериментов Резерфорда, по сути дела, подтвердила его планетарную модель атома, а также пролила немного света на природу ядерных сил. В этих экспериментах исследовалось рассеяние альфа-частиц на атомах золота. Альфа-частица представляет собой ядро атома гелия, состоит из двух протонов и двух нейтронов, но главное — эта частица рождается в радиоактивном распаде многих нестабильных ядер и обладает очень высокой энергией, порядка нескольких МэВ. Согласно дебройлевской гипотезе, альфа-частицы с энергией , использовавшиеся в опыте Резерфорда, обладают длиной волны

что позволяет зондировать не только атом (), но и атомное ядро (). Естественно, ни о какой микроскопии, в которой наблюдается затенение параллельного пучка частиц исследуемым объектом, в данном случае не может идти речи: радиус действия сил взаимодействия этих частиц с сканирующей альфа-частицей гораздо больше размера последней. Поэтому в эксперименте исследовалось, сколько частиц, налетающих на данный атом, будет рассеяно на углы, лежащие в интервале . Относительная доля этих частиц называется дифференциальным сечением рассеяния:

Существует строгая математическая теория, позволяющая определить потенциал сил, в область действия которых попадает альфа-частица, по виду дифференциального сечения . В опытах Резерфорда (см. рис. ниже) исследовалось рассеяние на фольге Ф из золота, меди, серебра и других тяжелых элементов.

Частицы рождались при распаде ядер радиоактивного вещества в свинцовом контейнере (слева внизу). Рассеянные частиц бомбардировали экран Эиз сернистого цинка, вызывая в нем световые вспышки (сцинтилляции), которые можно было наблюдать глазом через микроскоп. Оказалось, что частицы отклоняются на все углы от  для , однако, малая, но существенная часть частиц отклоняется на углы, близкие к  (рассеивается назад). Последнее говорило, что есть центр, который способен оттолкнуть даже частицу с практически релятивистской энергией. Впоследствии данный центр был отождествлен с яром атом, но сам результат оказался поначалу неожиданным.

Дело в том, что к моменту проведения эксперимента в науке господствовала модель атома Джозефа Джона Томсона (1903), согласно которой точечные электроны плавают в желеобразном облаке распределенного положительного заряда (см. рис.).

Электроны именно плавали, дрейфовали внутри этого «желе», а не двигались с субсветовыми скоростями. Такая модель обладала несомненным преимуществом по сравнению со сменившей ее моделью Резерфорда: атом Томсона был устойчив, поскольку электроны не участвовали в ускоренном движении. В такое движение они приходили только в случае, если атом поляризовали, сместив центр отрицательного заряда относительно центра положительного облака. Более того, тот факт, что электроны являются составляющими атома, показал в своих экспериментах по измерению массы и заряда электрона сам Томсон.

Модель Томсона, однако, никак не согласовывалась с результатами экспериментов Резерфорда, поскольку даже в отсутствие электронов максимальный потенциал, который создавало положительное облако, равен

где  — заряд облака. Для атомов золота атомный номер , а эффективный радиус положительного облака в модели Томсона равен радиусу атома, . Такой отталкивающий центр мог остановить и послать обратно лишь частицу с энергией

Эксперименты же Резефорда говорили о том, что радиус положительного заряда имеет порядок

Если учесть частичную экранировку заряда ядра электронами, то получается еще более строгая оценка, порядка современных ().

Однако если ядро столь мало в размере, что же удерживает электроны от падения на него? Ответ в рамках классической физики напрашивается сам собой: центробежная сила. Другими словами, электроны должны достаточно быстро двигаться по орбитам вокруг ядра, чтобы поддерживать размер атома, на четыре-пять порядков величины превышающий размеры ядра. Данная модель атома была предложена Резерфордом в 1911 году и теперь называется планетарной из очевидной аналогии с Солнечной системой. Тем не менее, как показывают вычисления, скорость и ускорение электрона на орбите оказываются такими большими, что последний обязан излучать электромагнитные волны. В результате эти волны уносят часть кинетической энергии электрона, он тормозится… и падает на ядро! Более того, последний процесс происходит за время порядка  секунды!

Данное противоречие было разрешено только в рамках квантовой механики. Грубо говоря, в последней электрон может обращаться вокруг ядра, при этом находясь в стационарном состоянии, в котором такие величины, как плотность заряда и ток, не зависят от времени (стационарны). Поскольку электромагнитное излучение порождают именно ток и заряд, стационарные состояния не излучают волны и в результате стабильны.

http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/85a43aa4-1f7a-455a-ac5a-e1a58587a7ef/9_250.swf

Боровская модель атома

Ученик: Боровская модель атома (Модель Бора) — полуклассическая модель атома, предложенная Нильсом Бором в 1913 г. За основу он взял планетарную модель атома, выдвинутую Резерфордом. Однако, с точки зрения классической электродинамики, электрон в модели Резерфорда, двигаясь вокруг ядра, должен был бы излучать непрерывно, и очень быстро, потеряв энергию, упасть на ядро. Чтобы преодолеть эту проблему Бор ввел допущение, суть которого заключается в том, что электроны в атоме могут двигаться только по определенным (стационарным) орбитам, находясь на которых они не излучают, а излучение или поглощение происходит только в момент перехода с одной орбиты на другую. Причем стационарными являются лишь те орбиты, при движении по которым момент количества движения электрона равен целому числу постоянных Планка[1]: .

Используя это допущение и законы классической механики, а именно равенство силы притяжения электрона со стороны ядра и центробежной силы, действующей на вращающийся электрон, он получил следующие значения для радиуса стационарной орбиты  и энергии  находящегося на этой орбите электрона:

Здесь  — масса электрона, Z — количество протонов в ядре,  — диэлектрическая постоянная, e — заряд электрона.

Именно такое выражение для энергии можно получить, применяя уравнение Шрёдингера, решая задачу о движении электрона в центральном кулоновском поле.

Радиус первой орбиты в атоме водорода R0=5,2917720859(36)·10−11 м[2], ныне называется боровским радиусом, либо атомной единицей длины и широко используется в современной физике. Энергия первой орбиты  эВ представляет собой энергию ионизации атома водорода.

http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/12512ec2-d679-4149-96a7-4cb48575c693/9_249.swf

модели некоторых атомов

Практическая часть

1. Демонстрация фотоэффекта

Что такое фотоэффект? Назовите основные характеристики фотоэффекта

2. Камера Вильсона

(демонстрация компьютерное моделирование)

• Лабораторная работа «Изучение атомных спектров» (компьютерное моделирование)

• Лабораторная работа (компьютерное моделирование)

«Изучение фотоэффекта»

Данные работы проводятся в электронном приложении

Программа элективного курса

 « Фундаментальные эксперименты в физической науке»

    Программа данного элективного курса создана на основе одноимённой программа авторского коллектива Н. Пурышева, Н. Шаронова, Д. Исаева, представленная в электронном варианте брошюры «Элективные курсы в профильном обучении: Образовательная область «Естествознание»»/ Министерство образования Российской Федерации – Национальный фонд подготовки кадров. – М.: Вита-Пресс, 2004. стр.78 – 80.

Пояснительная записка

Данный курс предназначен для учащихся 11 классов (2 четверть)  общеобразовательных учреждений для гуманитарного, так и общеобразовательного профиля. В процессе обучения школьники познакомятся с историей развития физики, становлением и эволюцией физической науки, с биографиями ученых, расширят свои представления об экспериментальном методе познания в физике, роли и месте фундаментального эксперимента в становлении физического знания. Взаимосвязи теории и эксперимента. Научатся выполнять некоторые фундаментальные опыты с использованием физических приборов, что будет способствовать формированию у них экспериментальных умений. Применение компьютерного моделирования позволит учащимся выполнить исследования с помощью компьютера, значительно расширив их представления о возможностях и границах компьютерного эксперимента.

Основные задачи курса:

• дать представление о цикле научного познания, месте эксперимента в нем, соотношении теории и эксперимента; роли и месте фундаментальных опытов в истории развития физической науки; истории развития физики; научной деятельности ученых и биографии ученых, а также о роли фундаментальных опытов в научно-техническом прогрессе;
• научить планировать эксперимент; отбирать приборы для выполнения эксперимента; выполнять эксперимент; применять математические методы к решению теоретических задач;
• работать со средствами информации (учебной, хрестоматийной, справочной, научно-популярной литературой); готовить сообщения и доклады, оформлять и представлять их;
• готовить и представлять эксперимент как натуральный, так и модельный; использовать технические средства обучения средства новых информационных технологий;
• участвовать в дискуссии; сформировать научное мировоззрение; способствовать нравственному и эстетическому воспитанию.

При этом основными формами обучения должны стать семинары, практические занятия по выполнению лабораторных работ и решению задач. Учащиеся самостоятельно ищут информацию для подготовки докладов и сообщений, готовят эксперимент.

При выполнении лабораторных работ, как с реальными, так и с компьютерными моделями организуется исследовательская деятельность по экспериментальному установлению зависимостей между величинами. Учащиеся осуществляют все этапы этой деятельности: от постановки задачи, выдвижения гипотез или гипотезы, планирования эксперимента, выбора средств выполнения эксперимента, сборки установки, наблюдений и измерений, фиксации результатов эксперимента и выводов. При этом в зависимости от владения учащимися исследовательским методом степень самостоятельности при ее осуществлении и характер помощи со стороны учителя могут быть различными.

Помимо исследовательского метода целесообразно использование частично-поискового, проблемного изложения, а в отдельных случаях информационно-иллюстративного. Последний метод применяется в том случае, когда у учащихся отсутствует база, позволяющая использовать продуктивные методы.

После изучения курса учащиеся должны:

Знать (на уровне воспроизведения) имена ученых, поставивших изученные фундаментальные опыты,  краткие биографические данные.

Понимать роль фундаментальных опытов в развитии физики; место фундаментальных опытов в структуре физического знания; цель, схему, результат и значение конкретных изученных фундаментальных опытов;

Уметь выполнять определенные программой исследования с использованием физических приборов и компьютерных моделей; демонстрировать опыты; работать со средствами информации (осуществлять поиск и отбор информации); готовить сообщения и доклады; выступать с сообщениями и докладами; участвовать в дискуссии; подбирать к докладам и рефератам иллюстративный материал, оформлять сообщения и доклады в письменном виде.

Работу учащихся оценивают с учетом их активности, качества подготовленных докладов и выступление.

Большая часть материала, составляющая содержание элективного курса, соответствует государственному образовательному стандарту физического образования на профильном уровне, в связи с чем элективный курс не столько расширяет круг предметных знания учащихся, сколько углубляет их за счёт усиления внепредметных мировоззренческой и методологической компонент содержания. Например, при изучении такой темы элективного курса, как «Мысленный опыт Галилея и закон инерции», имеется возможность не только обсудить роль Галилея в развитии физики как основоположника реального и мысленного эксперимента, суть и значение его мысленных опытов, используя соответствующие оригинальные тексты, но и повторить систему законов Ньютона.

Содержание курса

1. Эксперимент и теория в естественнонаучном познании

(1 час)

Вводная лекция: «Роль эксперимента в познании». Цикл естественно – научного познания. Теоретический и экспериментальный уровни познания. Теоретические и экспериментальные методы познания, их место в цикле познания, связь между ними.

Роль эксперимента в познании. Виды исторических физических опытов. Фундаментальные опыты по физике, их роль в науке и место в процессе естественно – научного познания.

 Правила пользования измерительными приборами. Инструктаж по технике безопасности во время проведения эксперимента. Знакомство с программой курса.

Демонстрации:

• Фонтан в разреженном воздухе
• Птичка

2. Фундаментальные опыты в механике

(1 час)

Зарождение экспериментального метода в физике. Роль фундаментальных опытов в становлении классической механики. Фундаментальные опыты в механике: Галилей, Ньютон.

Демонстрации:

• Демонстрация резонанса
• свободное падение (трубка Ньютона);
• мысленный эксперимент Галилея и закон инерции. (Компьютерное моделирование)

Лабораторная работа:

• Определение ускорение свободного падения с помощью математического маятника.
• Компьютерный эксперимент свободное падение тел

3. Фундаментальные опыты в молекулярной физике

 (1 час).

Возникновение атомарной гипотезы строения вещества. Опыты Броуна по изучению теплового движения молекул. Опыт Релея по измерению размеров молекул. Опыты Перрена по измерению массы молекул и определению постоянной Авагадро. Опыт Штерна по измерению скоростей движения молекул. Экспериментально и теоретически полученное распределение молекул по скоростям. Победа молекулярно – кинетической теории строения вещества.

Опыты по исследованию свойств газов. Опыты Бойля. Опыты Румфрда. Опыты Джоуля по доказательствам эквивалентности теплоты и работы.

Фундаментальные опыты как основа научных обобщений.

Демонстрации:

• Модель броуновского движения; (компьютерное моделирование)
• Диффузия перманганата калия
• Кипение воды при пониженном давлении
• Исследование закономерностей броуновского движения с использованием компьютерной модели

Лабораторная работа

• Опытная проверка закона Гей-Люссака

4. Фундаментальные опыты в электродинамике

 (1 час)

Опыты Кулона по электростатическому взаимодействию. Опыты Рикке, Иоффе, Милликена, Мандельштама, Папалекси, Толмена, Стюарта, лежащие в основе электронной теории проводимости. Опыты Ома, позволившие установить закон постоянного тока. Различие между ролью фундаментальных опытов в науке и  в процессе изучения основ наук.

Опыты Ампера, Эрстеда и Фарадея по электромагнетизму. Опыты Герца по излучению и приёму электромагнитных волн.

Фундаментальные опыты как подтверждение следствий теории в структуре физической теории.

Демонстрации:

• Электризация тел
• Взаимодействие заряженных тел.    
• Тлеющий разряд
• Демонстрация явления электромагнитной индукции    

5. Фундаментальные опыты в оптике

(1 час).

Краткая история развития учения о свете. Опыты, послужившие основой возникновения волновой теории света.

Опыты Ньютона по дисперсии света. Опыты Ньютона по интерференции света. Опыты Юнга. Опыты по поляризации света.

Проблема скорости света в физической науке. Астрономические наблюдения и лабораторные опыты по измерению скорости света

Демонстрации:

• Дифракция на шаре
• Поляризация света
• Полное внутреннее отражение

6. Фундаментальные опыты в квантовой физике

(1 час)

Зарождение квантовой теории. Экспериментальное изучение теплового излучения. Опыты А.Г. Столетова и Г.Герца по изучению явления и законов фотоэффекта. Опыты П.Н. Лебедева по измерению давления света.

Опыты Резерфорда по зондированию вещества и модель строения атома. Опыты Франка и Герца и модель атома Бора.

Фундаментальные опыты и формирование нового стиля научного мышления.

Демонстрации:

• Явление фотоэффекта
• Камера Вильсона
• Изучение атомных спектров (компьютерное моделирование)
• Лабораторная работа (компьютерное моделирование)

«Изучение фотоэффекта»

Календарно-тематическое планирование