Сторінка
6

Розробка схем простих демонстраційних експериментів для шкільного курсу оптики

Кабінет фізики забезпечується системою електрообладнання із загальних стаціонарних та спеціалізованих взаємозв'язаних електричних пристроїв і джерел, які вмикаються до мережі змінного трифазного струму (з фазною напругою 127 В або 220 В) та однофазного (від 5 В до 250 В) постійного струму з напругою від 0 до 100 В. У лаборантській встановлюється центральний щиток, від якого подається однофазний і трифазний струм на розподільний щиток, з випрямлячем і регулятором напруги (розміщеним поряд з класною дошкою). До учнівських столів у кабінеті фізики підводиться постійний електричний струм (до 42 В).

У кожному кабінеті (класній кімнаті) розміщується класна (аудиторна) дошка різних видів: на одну, три або п'ять робочих площ у розгорнутому або складеному вигляді. Середній щит класної (аудиторної) дошки на три або п'ять робочих площ може бути використаний для демонстрації екранно-звукових засобів навчання на навісному екрані. На окремих робочих площах, залежно від специфіки предмета, може бути накреслено графічну сітку для побудови графіків - у кабінетах математики і фізики. У кабінеті фізики, інформатики, хімії, майстернях трудового навчання, обслуговуючої праці має бути інструкція і журнали ввідного та періодичного інструктажу з техніки безпеки, пожежної безпеки.

Результати роботи полягають у наступному:

а) На основі аналізу методичної й науково-методичної літератури з дидактики, методики й техніки постановки фізичного експерименту було з'ясовано педагогічну цінність і доцільність використання на уроках фізики демонстраційного експерименту.

б) Розглянуто види фізичного експерименту в залежності від виконавця досліду та його ролі у функціонуванні окремих компонентів теорії; види демонстраційного експерименту;

в) Встановлено основні вимоги до демонстраційного експерименту та виділили етапи підготовки вчителя до уроку з використанням демонстрації.

г) Підготовлено практичні схеми простих демонстраційних експериментів для явищ: повного внутрішнього відбиття, інтерференції світла, дифракції світла.

Дифракція світла на СD або DVD диску

Якщо промінь від лазерної вказівки направити на поверхню СD або DVD диска, то на екрані у відбитому світлі можна спостерігати характерну дифракційну картину.

Інформація на диску записується у вигляді спіральної доріжки так званих піт (англ. pit - заглиблення), видавлених у полікарбонатній основі. Кожний піт має приблизно 100 нм у глибину й 500 нм завширшки. Довжина піта варіюється від 850 нм до 3,5 напівтемний. Проміжки між пітами називаються лендом (англ. land - простір, основа). Крок доріжок у спіралі становить 1,6 мкм. Отже поверхню диску можна вважати відбивною дифракційною решіткою з періодом d, рівним відстані між доріжками

Нехай на відбивну решітку з періодом d падає плоска монохроматична хвиля довжиною l під кутом q до решітки. Відповідно до принципу Гюйгенса-Френеля, кожна точка відбиваючої поверхні решітки стає самостійним точковим джерелом, що посилає світло по всіляких напрямках.

Рисунок. 1.1

Розглянемо хвилі, що поширюються під кутом j до решітки (рис. 1.1)

За допомогою збираючої лінзи (наприклад кришталика ока) ці хвилі можна зібрати в одну точку. Знайдемо умову, коли при додаванні хвилі будуть підсилювати одна одну.

Різниця ходи променів 1 і 2, що йдуть від відповідних точок А і В двох сусідніх ділянок, що відбиваються решіткою (рис. 1.2), дорівнює

|АК| = |NB| = d sin j - d sin q = d (sin j - sin q), (1.1)

де KB - фронт відбитої хвилі у напрямку під кутом j, AN - фронт падаючої хвилі. Якщо різниця ходи кратна довжині хвилі, фази коливань, що прийшли із точок А и В, тому коливання будуть однакові. Коливання будуть підсилювати одне одного. Аналогічно поводяться й всі інші ділянки решітки.

Рисунок. 1.2 – Відбивна дифракційна решітка

Отже, умову утворення головних максимумів можна записати так:

d (sin j - sin q) = k l, (1.2)

де k =0, 1, 2,… Зазвичай період решітки багато менше довжини хвилі (d>>l), тому кути j малі. Це означає, що головні максимуми розташовуються дуже близько один до одного й дифракційна картина виходить дуже нечіткою. Однак чим більше q - кут падіння променів на решітку, тим більше кути j. От чому краще використовувати не нормальне, а похиле падіння променів на решітку. При похилому падінні променів на решітку умовою головних максимумів як і раніше є рівність різниці ходи променів у сусідніх щілинах цілому числу хвиль. А це означає, що дифракція при похилому падінні променів на решітку відбувається так, як при прямому, однак як період виступає проекція періоду решітки на перпендикулярний падаючому променю напрямок.

Тобто дифракція відбувається як би на решітці з меншим періодом, який дорівнює d cos q.

Принцип дії світловоду

Заповнену рідиною поліпропіленову трубку, вигнуту у вигляді підкови, поміщають у паз і лазерною вказівкою освітлюють один з торців трубки. Вигнута трубка майже цілком освітлюється через явище повного внутрішнього відбиття світла. Оскільки лазерна вказівка випромінює світло в червоному діапазоні, необхідно налити в трубку розчин перманганату калію - марганцівки.

Примітка. Слово «лазер» є скороченим записом англійської фрази Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, що переводитися так: посилення світла шляхом індуцьованого випускання випромінювання.

Також дослід бажано проводити у кабінеті фізики із затемненням (через недостатню потужність лазерної вказівки).

Нехай промінь падає на границю розділу оптично більше густішого середовища, (з більшим показником заломлення), з оптично менш густішим. У цьому випадку промінь може повністю відбитися (рис. 1.3).

Повне внутрішнє відбиття може спостерігатися в тому випадку, коли світло, що падає на границю розділу двох прозорих середовищ, повністю відбивається від цієї поверхні. Кут падіння , при якому кут заломлення дорівнює 90° називається граничним кутом повного відбиття. Закон заломлення для цього випадку має вигляд:

й (1.3)

Де и– абсолютні показники заломлення, які показують, у скільки разів швидкість світла в даному середовищі менше швидкості світла у вакуумі:

(1.4)

Для границі розділу середовище - повітря закон Снелліуса має вигляд:

(1.5)

Рисунок. 1.3.

Досліди з інтерференції

- Інтерференцію світлових хвиль можна спостерігати при розгляданні на сонячному або електричному світлі слідів від пальців рук на чистому знежиреному склі.