Методика изучения основных понятий и законов геометрической оптики на I и II ступенях курса физики

Изучение данной темы имеет большое познавательное политехническое и воспитательное значение. Мы познаем мир, благодаря свету и нашим зрительным ощущениям. На законах оптики основана оптическая и осветительная техника. Данная тема имеет огромное значение для понимания природы света. При рассмотрении данной темы решается две проблемы: 1. Как распространяется свет от источника в однородной среде? 2. Как ведет себя свет на границе раздела двух сред? Поэтому и данный материал состоит из трех частей: прямолинейность распределения света; законы отражения; явления преломления света. Остальной материла является следствием этих положений. При рассмотрении данного раздела не изучаются такие вопросы как понятие о скорости и свойствах, явление разложения белого света в спектр, объяснение цвета тел, явлений интерференции и дифракции. При изучении данной темы все время приходится оперировать понятиями световой луч или луч света. Известно, что световой луч – это линия, вдоль которой распространяется световой поток. (Это определение в 8 классе не дается) Но в то же время, необходимо разъяснить школьникам, что световой луч это идеализация, в действительности имеем дело со световыми пучками. Необходимо отметить, что в геометрической оптике имеются и другие идеализации: линия изображения, точечный источник света. Изучение темы световые явления начинают с напоминания фактов прямолинейного распространения света. Конечно школьникам это известно из повседневной жизни, но на уроке необходимо обязательно использовать эксперимент. Напоминает учащимся о том, что о прямолинейности распространения света. Писал еще основатель геометрии Евклид за 300 лет до нашей эры и вероятно понятие о прямой линии возникло из представления прямолинейности распространения света в однородной среде. Здесь можно показать ряд опытов и убедить школьников в этом. Рассказать о Солнечных затмениях. Приступая к изучению законов отражения целесообразно показать явления отражения и преломления света на границе двух прозрачных сред, показать как они происходят одновременно. Опыт сопровождаем рисунком (выпуклая линза, с плоской стороны падает луч, подписываются падающий, отраженный и преломленный лучи). При демонстрировании опыта с оптическим диском необходимо обратить внимание учащихся, что при падении пучка света на границу двух сред (в нашем случае воздух – стекло) пучок раздваивается первая часть возвращается в среду (явление отражения), в другая проникает во вторую среду, изменив свое направление (преломление). Урок по изучению законов отражения можно построить таким образом, чтобы основные выводы ученики сделали сами, проводя с ними фронтальную лабораторную работу. На основе опыта формулируется закон отражения: Падающий и отраженный лучи и перпендикуляр восстановленный в точке раздела сред лежит в одной полуплоскости, причем угол падения равен углу отражения. Затем рассматриваются виды отражения: зеркальное и диффузионное. На основе законов отражения строят изображение в плоском зеркале. Необходимо сделать акцент на то, что плоское зеркало это приспособление для изменения хода лучей света, но не может преобразовывать пучки света. Способность органов зрения животных видеть предметы только прямолинейно, когда от предмета свет непосредственно падает в глаз относится к их врожденной способности. Например, глядя на плоское зеркало мы не смотрим на предмет, находящийся перед зеркалом, поэтому свет от предмета не посредственно не воздействует на глаз, а воздействует на него, только после отражения от зеркала, так как отраженный от зеркала свет распространяется прямолинейно, то благодаря зрительной привычке, наш кажущейся предмет, находится на прямой линии а именно за зеркалом, а не там, где он находится на сомом деле. Физически существует только действительное изображение. Здесь исходят их энергетических представлений. На месте возникновения действительного изображения происходит на самом деле концентрация энергии света. Мнимое изображение не может быть получено на экране так как в данном месте энергия не концентрируется. При Изучении явления преломления света на опыте показываем, что падающий, преломленный лучи лежат в одной плоскости. Здесь же показывается, что происходит с преломленным лучом, если он падает из менее плотной среды в более плотную и наоборот. Линзы в 8 классе рассматривают лишь экспериментально, как следствие преломления. Здесь вводят понятия фокус, оптическая сила линзы. Формула линзы не дается (хотя в сильном классе можно дать). Перед тем, как изучать полученное изображение с помощью линзы проводят ряд демонстраций, выявляют свойства лучей, проходящих через линзу. 1. Лучи параллельные главной оптической оси после прохождения через линзу пересекаются в фокусе. 2. Луч проходящий через фокус, после прохождения линзы, становится параллельным главной оптической оси. 3. Луч проходящий через центр линзы проходит без изменения. 4. Свойство обратимости луча. При построении изображения в собирающей линзе рассматривают три случая: 1. Предмет находится за двойным фокусом рассматриваемой линзы. 2. Предмет находится между фокусом и двойным фокусом. 3. Предмет находится между фокусом и линзой. Строят изображение в рассеивающей линзе. В завершение темы рассматривается вопрос устройства глаза и фотоаппарата. 19. Научно-методический анализ и методика изучения темы "Фотоны. Действия света" в курсе физики 11 класса

В программе по физике для 11 летней школы один из разделов называется «Квантовая физики». Этот раздел включает в себя два подраздела: «кванты света» и «Атом и атомное ядро». Этот материал объединен вокруг стержневой идеи – квантованности в микромире. На конкретных примерах иллюстрируется роль эксперимента, как источника знаний. На примере корпускулярно волновой двойственности свойств света а также частиц вещества раскрывается закон единства и борьбы противоположностей. Знакомят с историей развития квантовой физики. В основе обоснования тезиса о квантовой природе света авторы программы предлагают изучать явление фотоэффекта. На основе фотоэффекта вводится идея о дискретности энергии излучения и поглощения кванта энергии: Введению понятию о квантовой природе света предшествует качественный анализ трудностей электродинамики Максвелла при объяснении законов теплового излучения. Оказалось, что теория Максвелла, объясняющая излучение макроскопическими излучениями – антителами электромагнитной волны с большой длиной волны, оказалась неспособной объяснить излучение коротких электромагнитных волн микроскопическими излучателями (атомами и молекулами). Эту задачу решил Планк в 1900г. путем введения в физику принципиально новой идеи: он предположил, что энергия атомов меняется отдельными порциями – квантами. Причем, если собственная частота атома равна ню, то его энергия изменяется лишь скачком на величину равную или кратную . Необходимо заметить, что о квантовании самого излучения Планк ничего не говорил. Идея о том, что излучение состоит из отдельных порций – квантов излучений (названных в последствии фотонами) принадлежит Эйнштейну, который пришел к этой идее в 1905 году, в результате анализа статистических свойств излучения, а затем применил ее к объяснению ряда явлений, в том числе и к фотоэффекту. Учитель ставит проблему: существовали экспериментальные основания для утверждения дискретности излучения. Ответ- да, такими основаниями служат явления фотоэффекта. Рассказывает историю открытия фотоэффекта и роль Столетова в исследовании законов фотоэффекта. Вырывание электронов с поверхности металла под действием света – фотоэффект. Для исследования законов фотоэффекта использовалась установка: стеклянный сосуд с 2 электродами. С помощью этой схемы использовались ВАХ. 1-й закон фотоэффекта: Фототок насыщения прямо пропорционален интенсивности излучения, падающего на катод. Скорость фотоэлектронов можно найти, используя закон сохранения энергии: , eUз – работа э.п. 2-й закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от интенсивности света. 3-й закон фотоэффекта: Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. наименьшая частота при которой еще возможен фотоэффект. При всех частотах меньших это минимальной фотоэффект не произойдет ни при какой интенсивности волны, падающей на катод. Для получения количественной зависимости законов для фотоэлектронов, надо ввести понятие о работе выхода электронов. Это можно сделать качественно на уровне классической теории, пояснившей что при выходе электрона из металла в нем образуется индуцированный положительный заряд, который притягивает электрон к металлу. Электрон может выйти из металла и удалиться от его поверхности на малые расстояния: над металлом создается тонкий отрицательно заряженный электронный слой, который вместе с положительными ионами поверхности металла образуют своеобразный заряженный конденсатор, поле которого препятствует выходу новых электронов, поэтому для вырывания электронов из металла нужно совершить работу против сил, препятствующих выходу электронов из поверхности металла. Минимальная дополнительная энергия, которую надо сообщить электрону для его удаления с поверхности тела в вакууме называется работой выхода. После ознакомления учащихся с понятиями работы выхода электрона, на основе закона сохранения энергии для элементарного акта фотоэффекта вводят формулу Эйнштейна в виде: Основываясь на этом уравнении объясняют все три закона фотоэффекта. Число фотоэлектронов должно быть пропорционально числу квантов, а не равно, потому что часть квантов поглощается кристаллической решеткой и их энергия переходит во внутреннюю энергию металла. Второй закон очевиден, так как формула Эйнштейна определяет максимальную энергию электронов, вылетающих с поверхности катода. Электроны, вырываемые из внутри металла могут потерять часть энергии и скорость окажется меньше максимальной. Третий закон выводится так же из формулы Эйнштейна, т.к. кинетическая энергия не может быть меньше нуля, то фотоэффект могут вызывать лишь кванты, энергия которых не меньше работы выхода, т.е. Фотон является ультрарелятивисткой частицей, имеющей в вакууме скорость света. Энергию фотона определяет: или Помимо энергии и массы, фотон обладает и импульсом. Часто при изучении этого вопроса записывают выражение для импульса фотона: Более общим является вывод формулы для импульса фотона: Важно подчеркнуть, что импульс фотона является векторной величиной. Направление импульса совпадает с направлением распространения света. Это требует дополнительных объяснений. Так, например, импульс можно записать следующим образом: k-волновое число - число длин волн укладывающихся на 2пи единиц длины. Вводят следующие обозначения: , Постоянная, введенная Дираком, основоположником квантовой механики. Т.о. фотон, подобно любой движущейся частице обладает тремя корпускулярными характеристиками: энергией, массой и импульсом. Все эти характеристики связаны с волновой характеристикой света - его частотой. В этом находит свое выражение корпускулярно-волновая двойственность свойств света.