Научно-методический анализ и методика изучения волновой оптики в систематическом курсе физики

Темой "Световые волны" начинается изучение вопросов волновой оптики. При этом совершается переход от формального описания световых явлений методами геометрической оптики и их объяснению с помощью волновых представлений о природе света. В этой теме могут быть выделены следующие части: скорость света в вакууме и в веществе; подтверждение справедливости принципа Гюйгенса; явление отражения,, преломления, дисперсия света, как проявление его волновых свойств; интерференция и дифракция – прямое доказательство наличия у света волновых свойств. В качестве исходного факта, на основании которого можно утверждать, что свет представляет собой электромагнитную волну, следует использовать факт совпадения экспериментально найденного значения скорости света со скоростью электромагнитной волны. Поэтому начинать изучение данной темы с вопроса о определении скорости света. Обычно знакомят учащихся с одним из лабораторных способов (опыт Физо) определения скорости света и астрономического метода (Рюмера). Было бы желательно здесь использовать историзм, рассматривая идеи Галилея о определении скорости света. При рассмотрении опытов акцент должен быть сделан не на детальное изучение опытов, а на идею опытов и на полученный результат. Доказательство волнового характера исследуемого процесса – наличие для этого процесса явлений интерференции и дифракции. При рассмотрении интерференции необходимо напомнить, что устойчивую интерференционную картину можно наблюдать для когерентных источников колебаний, то есть равенство частот колебаний, сохранение во времени разности фаз колебаний. При рассмотрении интерференции волн возникает вопрос: как пользуясь обычными некогерентными излучениями света создать взаимно когерентные источники и получить устойчивую интерференционную картину? Ее можно получить разделением светового пучка от обычного источника света на два, которые потом сводятся вместе и они интерферируют. - разность хода. , , max: , , ОПС (нет странички..) Далее переходим к рассмотрению вопроса о дифракции. Напоминаем основные условия, при выполнении которых возможно наблюдение дифракции волн: размеры препятствия должны быть соизмеримы с длинной волны, то есть если длина волны λ проходимая через отверстие D (ширина дифракционной щели является размером препятствия), от которого наблюдатель уделен на расстояние L, то дифракцию наблюдают не только при условии D приближенно равно λ, но и при более общем условии D2< либо = L λ.

Теоретический вывод законов отражения и преломления света осуществляют с привлечением принципа Гюйгенса на основании исходного положения «свет — электромагнитная волна». Принцип Гюйгенса вводят именно в этом месте курса как правило, позволяющий, исходя из; положения волнового фронта в какой-либо момент времени, найти положение волнового фронта для ближайшего момента времени.

Важно показать, что, пользуясь принципом Гюйгенса, мы не только находим закон преломления, который можно проверить экспериментально, но и получаем возможность объяснить физический смысл показателя преломления n: показатель преломления равен отношению скорости световой волны в первой среде к скорости ее во второй среде. Целесообразно провести опыты: 1.Опустим карандаш в стакан с чистой водой. Что мы наблюдаем? Почему? (Происходит преломление света в воде). 2. Стеклянный полуцилиндр укрепляем в центре оптического диска так, чтобы плоская грань стекла совпала с диаметром диска. Осветитель устанавливаем в верхней половине диска. Сначала показываем, что пучок света, падающий перпендикулярно на плоскую грань стекла, проходит полуцилиндр без изменения своего направления. Затем осветитель поворачиваем на некоторый угол от вертикали. Наблюдаем раздвоение пучка света на границе воздух-стекло: часть его отражается от плоской поверхности стекла и идет в воздух под углом, равным углу падения. Другая часть проходит через стекло, отклоняясь от первоначального направления. Преломленный пучок идет по радиусу внутри полуцилиндра, поэтому он выходит из стекла без изменения своего направления. Изменяя угол падения, показываем, что соответственно изменяется и угол преломления. При увеличении угла падения заметно возрастает яркость отраженного пучка, а преломленного соответственно уменьшается. Аналогичный опыт с осветителем проводим и по отражению света. Таким образом, подводим учащихся к законам преломления и отражения света. (При переходе из оптически менее плотной среды в оптически более плотную среду). Падающий луч, преломленный луч и перпендикуляр, восстановленный в точке падения, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух сред. Аналогично формулируем и для отображения сета. Физический смысл относительного показателя преломления. Относительный показатель преломления показывает, во сколько раз скорость света во второй среде меньше скорости света в первой. После рассмотрения законов отражения и преломления света изучают явление полного отражения света. Учащиеся должны усвоить, что полное отражение наблюдают при переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную (возьмем для простоты случай перехода света из стекла в воздух). Для этого случая предельный угол полного отражения определяют из формулы где n— показатель преломления стекла относительно воздуха. При изучении полного отражения света интересно и важно рассмотреть его технические применения — волоконную оптику, световоды и т. п. Поизучению явления дисперсия целеобразно начать со строк тютчева Как неожиданно и ярко, На влажной неба синеве, Воздушная воздвиглась арка В своем минутном торжестве! Один конец в леса вонзила, Она полнеба обхватила И в высоте изнемогла. И задать вопрос: – Какое явление описано в этих поэтических строках? (Радуга) – До 1666г считалось, что цвет – это свойство самого тела. С давних времен наблюдалось разделение цвета радуги, и было известно, что образование радуги связано с освещенностью дождевых капель. Затем проводим учащимся исторические справки по получению различных цветов света. Также проводим демонстацию по дисперсии с призмой и оговариваем размеры длин волн цветов света и приходим к определению дисперсии: Дисперсия – зависимость показателя преломления и скорости света от частоты световой волны. За счёт дисперсии происходит разложение белого света (но это происходит и при интерференции, дифракции, поляризации). В веществе же скорость света зависит от частоты и показателя преломления. n = c/v = f(v) Совместно с учащимися решаем вопрос о неразложимости в спектр монохроматического света.