Открытый урок "Дифракционная решетка"
план-конспект урока по физике (11 класс) по теме

Содержание

Автор: Табакова Людмила Анатольевна, , г. Новочебоксарск

Тема урока: Дифракционная решетка

Цель урока: познакомить учащихся со спектральным прибором - дифракционной решёткой, с помощью её провести лабораторный эксперимент по измерению длины световой волны.

Место проведения: кабинет физики.

Продолжительность:  45 минут

Возраст учащихся: 11 класс 

Учебно-организационная деятельность:   групповая, работа в паре, индивидуальная

Тип урока: Урок закрепления знаний и формирование практических умений и навыков.

Оборудование: Компьютер, демонстрационный экран; мультимедийный проектор, набор по дифракции света с дифракционной решеткой

Программное обеспечение:  Microsoft Office Word, Microsoft Office Power Point

Дидактический материал: инструктивные карты к лабораторной работе, бланк технического отчета по лабораторной работе, тесты, карточки для индивидуального задания

Наглядные пособия:  презентация

Межпредметные связи: математика, информатика

Аннотация проекта:

        Школа  будущего – это школа «информационного века».  Новые информационные технологии, мультимедийные продукты – это шаг к повышению качества обучения школьников и в конечном итоге к воспитанию новой личности – ответственной, знающей, способной решать новые задачи, быстро осваивать и эффективно использовать необходимые для этого знания.

        Не секрет, что сегодня школьника привлекает больше компьютер, чем книга. Поэтому приходиться задуматься о возможностях использования новых информационных технологий.

        Урок  по теме: «Дифракционная решетка» в 11 классе  разработан в соответствии с учебной  программой по физике и ориентирован на реализацию государственных стандартов. Данный урок является  важным  с  точки  зрения формирования  представления  о  волновой  природе  света.   В результате изучения теоретического материала и выполнения практических заданий обучающиеся усваивают основные характеристики волновых процессов, узнают сложную структуру белого света.

        Цель урока: обеспечить усвоение понятия дифракционная решетка; показать практическое применение и важность данного физического прибора.

Основную свою задачу я вижу не столько в том, чтобы преподнести какой-то учебный материал, а чтобы пробудить у учеников желание познавать, расширять свой кругозор, тягу к знаниям, науке, технике. Используемые приемы и методы обучения способствуют повышению учебной мотивации, в полной мере соответствуют требованиям современного урока.

Внедрение компьютерных технологий на уроке физики повышает интерес учащихся к предмету, развивает творческое мышление, формирует целостное отношение к знаниям и навыкам информационной деятельности, к образованию и самообразованию.

Использование информационных технологий на данном уроке:

1. Позволяет сделать урок современным.
2. Приближает урок  к мировосприятию ребенка, так как он больше смотрит и слушает, чем читает и говорит, предпочитает использовать информацию, добытую с помощью технических средств.
3. Устанавливает отношения взаимопонимания, взаимопомощи между учителем и учеником.
4. Помогает  учителю в возможности эмоционально и образно подать материал.

План – конспект урока в 11 классе по теме: «Дифракционная решетка»

1. Организационная часть. 

Приветственное слово учителя. (Слайд № 1,2)

Цель: Мобилизация учащихся  на учебно-практическую деятельность  

2. Сообщение целей и задач занятия:  (Слайд № 3,4)

Цель урока:

 познакомить учащихся со спектральным прибором - дифракционной решёткой, с помощью её провести лабораторный эксперимент по измерению длины световой волны.

Задачи урока:

- Обобщить и систематизировать знания и умения, полученные в курсе физике по теме «Световые явления»;

- Формирование умения использовать теоретические знания для понимания сущности явлений происходящих в природе;

- Продолжить формирование общих и специальных умений, таких как планирование эксперимента, проведение измерений, оформление результата, формирование вывода;

- Развивать коммуникативные навыки, культуру общения, умение работать самостоятельно, давать самооценку.  

На доске записана тема урока,

3. Актуализация проблемы. (Слайд № 5-10)

Цель: Выяснить исходный уровень знаний  студентов по данной теме.

4. Работа над темой (конспект прилагается)  (Слайд № 11-19)

5.Физкультминутка (Слайд № 20--21)

6. Тест (тест прилагается)

7. Подготовка к проведению лабораторной работы: (Слайд № 22)

- краткий инструктаж по охране труда;

- уточнение хода проведения работы

8.  Выполнение лабораторной работы по инструктивной карте

(инструктивная карта прилагается)  (Слайд № 23-24)

9. Закрепление   (Буквенная неразбериха) (Слайд № 25)

  10. Рефлексия    (Слайд № 26)

11. Подведение итогов (главные выводы по теме).

12. Домашнее задание.

Конспект урока

Добрый день, ребята, уважаемые гости урока!

Свет… Такое короткое и в то же время емкое слово. «В слове «свет» заключается вся физика», - говорил С.И. Вавилов. Ученые осознавали фундаментальную роль света в окружающем нас мире задолго до выявления истинной природы света. Хотя все они придерживались разных точек зрения, но вместе с тем понимали, что свет это:

Чудесный дар природы вечной.
   Дар бесценный и святой.
       В нем источник бесконечный,
          Наслажденья красотой.

                     Солнце, небо, звезд сиянье,
                         Море в блеске голубом,
                               Всю природу и созданья
                                  Мы лишь в свете познаем.

В 8 классе мы изучили законы геометрической оптики . Сейчас мы с вами выяснили, что свет  имеет двойственную природу и является электромагнитной волной. Мы знаем, что электромагнитные волны существуют в колоссальном диапазоне (интервале) длин волн.

Какие явления доказывают что свет – волна? (Дисперсия, дифракция, интерференция). Немного на них остановимся.

- Различие в цвете связано с длиной волны.

- В каком порядке расположены цвета?  (Каждый охотник желает знать, где сидит фазан)

Мы выяснили, что белый свет – сложный , состоит условно из 7 цветов, для лучей различного цвета показатель преломления вещества разный, зависит от длины волны (λ наибольшая у  красного  цвета, зато наименьший n)

        Рассмотрение  опыта  Юнга:  

Если  взять  источник  света  синего  цвета,  то  на  экране образуется  серия  синих  полос.

Это  есть  не  что  иное,  как  интерференционная  картина.  Яркие  полосы – это  максимумы.  В  центре  нулевой  максимум. Если  закрыть  одну  из  щелей,  то  картина  исчезает.  Демонстрируем  это  на  модели.

                  Может  ли  появиться  интерференционная  картина  от  одного  источника  волны?

После  получения  правильного  ответа  показываем  распространение  волны  от  первой  щели  до  экрана  с  двумя  щелями.

 Как  поведет  себя  световая  волна  после  экрана  с  двумя  щелями?

Показываем  дальнейшее  распространение   волны.   (распространение  сферических  волн  удобно показывать  используя  колесо  прокрутки  на  компьютерной  мыши).

 Что  объединяет  волны,  идущие  от  двух  щелей?

        Волны  являются  когерентными,   следовательно  при  сложении  они  дают  устойчивую  интерференционную  картину.

        Вывод:   Свет  может  огибать  препятствия,  если  их  размеры  достаточно  малы.  Также  свет  может   заходить  за  края  препятствий.  Это  явление  называют  дифракцией.  

 Демонстрируем  явление  распространения  волны  для  красного  цвета.

Вопрос  на  внимательность:  Чем  отличаются  интерференционные  картины  для  синего  и  красного  цветов?

Перед  демонстрацией  интерференции  для  белого  цвета  также  можно  задать  вопрос  о  интерференционной картине.

На  слайде  даем  определение  дифракции.

Теория  дифракции  света  была  разработана  в  1816 году  французским  ученым  Огюстеном  Френелем.   На  экран  выводим  портрет  ученого.  

       Знакомство  с  оптическим  прибором  -  дифракционной решеткой  На  слайде   представлена  линейно  структурированная  мультимедийная  модель  дифракционной  решетки.  Она  соответствует рисункам,  данным  в  учебнике.

         На предыдущих уроках мы познакомились с явлением дифракции света. Вы знаете, что для наблюдения чётких дифракционных картин созданы специальные устройства – дифракционные решётки, которые служат для разложения света в спектр и измерения длины волны.

Дифракционная решётка представляет собой совокупность большого числа узких щелей шириной а, разделенных непрозрачными промежутками шириной b. Величина d=a+b называется периодом решётки. Число штрихов на 1 мм стеклянной пластины достигает тысячи, а общее число штрихов N=100000.  

        Предположим, что на дифракционную решётку падает плоская монохроматическая волна длиной . Каждая щель является источником когерентных вторичных. Выясняем зависимость дифракционной картины от длины волны, периода решетки.

Физкультминутка (электронная)

Ребята, вы уже достаточно поработали, Давайте немного отдохнём. Встанем со своих мест и сделаем несколько физических упражнений.

Очень физику мы любим! 
Шеей влево, вправо крутим. 
Воздух – это атмосфера, 
Если, правда, топай смело. 
В атмосфере есть азот, 
Делай вправо поворот. 
Так же есть и кислород, 
Делай влево поворот

Итак мы познакомились с дифракционными решётками, которые служат для разложения света в спектр и измерения длины волны. Сегодня мы выполним лабораторную работу «Измерение длины волны света с помощью дифракционной решетки». В этой работе вы научитесь пользоваться данным оптическим прибором, Перед выполнением экспериментов вы должны получить допуск к работе по тесту.

 Тест-допуск. Работу учащиеся выполняют на листочках.

1. Как изменится дифракционная картина при уменьшении длины волны падающего монохроматического света?

А. Не изменится.

Б. Расстояния между линиями в спектре увеличатся.

В. Расстояния между линиями в спектре уменьшатся.

Г. Верный ответ не приведен.

2. Как изменится дифракционная картина при уменьшении расстояния между щелями решетки?

А. Не изменится.

Б. Расстояния между линиями в спектре увеличатся.

В. Расстояния между линиями в спектре уменьшатся.

Г. Верный ответ не приведен.

3.Как изменится дифракционная картина  при увеличении количества щелей в решетке?

А. Не изменится.

Б. Ширина дифракционных максимумов увеличится.

В. Ширина дифракционных максимумов уменьшится.

Г. Ответ неоднозначен.

4.Какое условие выполняется, если наблюдается дифракция света с длиной волны λ в области геометрической тени от диска радиуса r ?

А. r = λ 

Б. r » λ 

В. r « λ 

Г.  Дифракция происходит при любых размерах диска

5.Какое из приведенных ниже выражений определяет угол, под которым наблюдается первый главный максимум?

А. sin ϕ = λ/d

Б. sin ϕ =  d/λ 

В. cos ϕ = λ/d

Г. сos ϕ =  d/λ

Код: ВБВГА  (взаимопроверка теста)

Лабораторный эксперимент.

Сейчас давайте проведем лабораторную работу (слайд №14)

Тема: “Измерение длины световой волны”.

Лабораторный эксперимент: для измерения длины световой волны используется условие возникновения максимумов света в спектре дифракционной решётки. Просмотр слайда

Инструктивная карта

Лабораторная работа.

Тема: Определение длины световой волны.

Цель работы: опытным путем определить длину световой волны.

Оборудование: прибор для определения длины световой волны, дифракционная решетка и источник света.

Теоретическая часть работы: Дифракционная решетка представляет собой совокупность большого числа узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками.

        d = a + b – период дифракционной решетки

        d ∙ sin  = k ∙ λ,         k = 0, 1, 2… - формула дифракционной решетки,

φ – угол, под которым наблюдается max света соответствующего цвета.

В работе используется дифракционная решетка с периодом 1/100 мм, 1/50 мм (период указана на решетке). Она является основной частью измерительной установки показанной на рис.1. Решетка 1 устанавливается в держателе 2, который прикреплен к концу линейки 3. На линейке же устанавливается черный экран 4 с узкой вертикальной щелью 5, посередине, экран может перемещаться вдоль линейки, что позволяет изменять расстояние между ним и дифракционной решеткой (для получения наибольшей резкости). На экране и линейки имеются мм шкалы. Если смотреть сквозь решетку и прорезь на источник света, то на черном фоне экрана можно наблюдать по обе стороны от щели дифракционные спектры 1-го, 2- го и т. д. порядков (случайный перекос в расположении спектров устраняется поворотом рамки с решеткой).

Длину волны определяем по формуле:          λ = (d ∙ sin)/ k.

Используя рис.2 и формулу дифракционной решетки, докажите, что длину световой волны можно определить по формуле:         λ = (d ∙ b) / (k ∙ а),         k – порядок спектра.

При выводе этой формулы учтите, что вследствие малости углов (не менее > 5) под которым наблюдаются максимумы, их sin можно заменить на tg.

Расстояние а отсчитывают по линейке от решетки до экрана, b – по шкале экрана от щели до выбранной линии спектра. В этой работе погрешность измерений λ не оценивается из-за неопределенности выбора середины части спектра данного цвета.

Практическая часть работы.

Задание №1.

1. Собрать измерительную установку, установить экран на расстоянии, на котором четко просматриваются спектры.
2. Глядя сквозь дифракционную решетку и щель в экране на источник света, и перемещая экран, установите его так, чтобы дифракционные спектры располагались параллельно шкале экрана.
3. Не двигая прибора, по шкале определите положение середин цветных полос в спектрах I по-  

рядка. Результаты запишите в таблицу. Определить среднее значение результатов измерения.

Расчеты:        

4. Сравните полученные результаты, полученные результаты с длинами волн этих цветов на цветной вклейке или по предложенной таблице:

5. Сделайте вывод.

Рис. 1. Прибор для определения длины волны света.

1 – дифракционная решетка;                                4 –экран;

2 – держатель;                3 – линейка;                        5 – вертикальная щель

Рис. 2. Схема опыта по определению длины волны.

Закрепление

Сегодня на уроке мы с вами сделали несколько открытий.  А теперь давайте их вспомним:

1. интерференция
2. волна
3. дисперсия
4. дифракция
5. решетка
6. призма

Подведение итогов.

1) Что такое дифракционная решётка?

2) Что вы увидите, посмотрев на электрическую лампочку сквозь птичье перо?

Вывод: свет  обладает  волновыми  свойствами.

Домашнее  задание  

1.  §71, §72

   2.  Экспериментальное задание.

Задание №1. Закоптите стекло и иглой проведите черту длиной 1-2 см. Посмотрите через полученную щель на волосок электрической лампы, расположив щель параллельно нити лампы. Приближая и отодвигая стекло от глаза, найдите такое его положение, при котором заметно явление дифракции. Дайте объяснение и сделайте вывод.

  Задание №2. Наблюдение дифракции света на диске

1. Взять диск в правую руку и приставить справа к глазу так, чтобы бороздки расположились вертикально, то есть параллельно нити лампы, а свет от лампы падал на поверхность под различными углами. Наблюдение лучше вести в затемненной комнате.
2. Сделайте вывод зависимости отчетливости и яркости полученных спектров от количества бороздок и угла падения лучей.

Контрольные вопросы:

1) Почему в центральной части спектра полученного на экране при освещении дифракционной решетки белым светом, всегда наблюдается белая полоса?

2) Дифракционные решетки имеют 50 и 100 штрихов на 1 мм. Какая из них даст на экране более широкий спектр при прочих равных условиях?

3) Как изменяется картина дифракционного спектра при удалении экрана от решетки?

4) Какие трудности встречаются при постановке дифракционных опытов и как можно их преодолеть?

5) Чем отличается дифракционный спектр от дисперсионного (призматического) спектра?

6) Почему с помощью микроскопа нельзя увидеть атом?

7) Каковы причины погрешностей измерений?

8) Почему красная часть спектра любого порядка расположена ближе к центру от центра шкалы?

9) Сколько порядков спектра можно наблюдать с помощью данного прибора?

10) Какие физические величины или характеристики можно определить с помощью данного прибора?

         Подводя итог сегодняшнего урока, хочу сказать, что

Физика – наука о природе – показывает нам, как велик мир, в котором мы живем, но этот мир познаваем, а значит физика дарит человеку необыкновенную силу, а главное – помогает понять мир!

Полное оценивание вашей работы вы получите на следующем уроке. Благодарю за урок!      

Литература:

Мякишев Г.Я.  Физика:  учеб. Для 11 кл. общеобразоват.учреждений / Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев; М.:Просвещение, 2006.

Касьянов В.А.  Физика. 11 кл.: учебн. Для общеобразоват.учеб. заведений.- М.: Дрофа, 2002.

В.А. Касьянов, Л. П. Мошейко, Е.Э. Ратбиль “Тетрадь для контрольных работ”, 11 класс профильный уровень. Дрофа. М. 2005.

Интернет - ресурсы