Материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления пользователям Интернета и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
© 2018 - 2024
Изучение оптики сопровождается знакомством с отдельными историческими сведениями, персоналиями ученых, описанием фундаментальных экспериментов, составляющих основу, базис теории. Расширить эти сведения, обобщить их на единой основе – возможно и полезно на завершающей стадии обучения школьников. Исследуя вопросы становления и развития оптики, как раздела физики, как науки, можно ярко и красочно показать все этапы, циклы в научном познании, в формировании научного знания, логику теоретических построений, связь наблюдения, эксперимента и теории в генезисе знания.
Изучение данного материала целесообразно организовать, сочетая формы самостоятельной работы учащихся по подготовке к его обсуждению с работой в классе под непосредственным руководством учителя. Так, учащиеся могут получить индивидуальные задания по подготовке сообщений на заданные темы. Необходимо осветить вопросы формирования тех или иных научных представлений, борьбы мнений, идей, а также тех аргументов – экспериментов или теоретических посылок, которые легли в их основу. Затем на уроке проводится своеобразный симпозиум - обсуждение всех идей, господствующих в умах ученых того или иного периода. Важно, чтобы опровержение, отказ от тех или иных воззрений был аргументированным. Особое внимание следует уделить тому факту, что каждый шаг в формировании представлений о свете был обусловлен конкретными знаниями того временного периода, когда эти представления возникали, соответствовал им. Новые знания, как правило, являлись следствием эксперимента, поэтому нужно обсудить, что предшествовало идее его проведения, на какой установке он осуществлялся, каковы были полученные результаты, как они интерпретировались и развивались в дальнейшем. Каждый ученик, выступая со своим сообщением о творчестве того или иного ученого или о проведении того или иного эксперимента, освещает конкретный шаг в эволюции оптики, в развитии основных понятий и законов науки, в трансформации моделей, отражающих наши представления об изучаемом объекте и, наконец, в совершенствовании теории.
Желательно привлечь класс к обсуждению рефератов с точки зрения доказательности того материала, которому посвящено сообщение. Если школьники представят себя современниками того ученого, с творчеством которого они знакомятся, будут ли для них убедительными его достижения, только ли так можно объяснить результаты любого изучаемого нами теперь исторического эксперимента по оптике. Критичный, оценочный подход должен приветствоваться.
Подводя итог дискуссии, учитель должен обобщить все рассмотренные материалы и четко выделить, какие физические эксперименты легли в основу теории, какие из них и почему считаются фундаментальными. Какая модель изучаемого объекта была разработана на основе имеющихся фактов, какую гипотезу выдвигали ученые на том или ином этапе изучения света, почему. Какие следствия предполагала та или иная господствующая теория, подтверждались ли они.
Основное содержание
Основное содержание сообщений должно быть ориентировано на главные вехи в истории развития представлений о свете. Впервые исследовал свет как научный объект Птолемей.
Настоящий бум в изучении света приходится, тем не менее, на ХУП век. Возможно, что первой загадкой, которая не была решена вплоть до середины Х1Х века, было удивление Торричелли, когда он заметил, что свет проходит сквозь пустоту в верхней части его барометра. До этого свет казался ученым подобным звуку, и было известно, что звук передается через воздух. Оказалось, что свет может распространяться через вакуум, т.е. для его передачи или распространения не нужно никакой материальной среды. Пожалуй, и сейчас интересно было бы разобрать с учениками, например, такой вопрос: если свет не может пройти сквозь тонкий картон, то, как он проходит через толстое стекло?
В узком смысле слова предмет изучения физики – два объекта окружающей нас действительности – вещество и поле. Свет с этих позиций – уникален, т.к. обладает свойствами того и другого. Свет неразрывно связан с веществом: в веществе он рождается, в нем распространяется, им же поглощается. Этот факт расширяет содержание оптики. В ней изучается не только собственно свет и его свойства, но и свойства вещества, выявляющиеся при взаимодействии его со светом.
Вопросы на рассмотрение:
1. Представления древних о свете.
2. Развитие учения о свете в средние века.
3. 17-й век – бум открытий в оптике.
4. Оппозиция Ньютона и Гюйгенса по вопросу о природе света.
5. Утверждение волной теории света.
6. История создания электромагнитной теории света.
7. Рождение квантовой теории света.
8. Вклад русских ученых в исследования по оптике.
Интересно обратиться к персоналиям ученых, оставивших значительный след в истории развития знаний и представлений о свете.
На этой основе можно также построить изучение данного исторического материала об основных этапах формирования оптики.
Возможен и такой вариант, когда исследование существовавших мнений и идей, их борьбы и противостояния ведется параллельно изучению основополагающих экспериментов в физике:
1. Опыты по установлению законов отражения и преломления.
2. Оптические опыты Ньютона.
3. Опыты Френеля и Араго.
4. Опыты Юнга.
5. Опыты по измерению скорости света.
6. Опыты Столетова по фотоэффекту.
7. Опыты Вавилова по обнаружению квантовых флуктуаций света.
Нелегко, но очень интересно проследить историю развития оптики от древности до наших дней. Многие ученые исследовали свойства света, знания о нем приобретались медленно. Порой говорили, что ни один свой секрет природа не охраняет так тщательно, как секрет, чем же является свет в действительности, и на этом основании свет называли самым темным пятном в физике.
До нас дошли таблицы, в которых содержатся результаты Птолемея по измерению преломления света при переходе из воздуха в воду. Странная закономерность соотношения между значениями углов преломления в трех его таблицах наводит на мысль о подгонке результатов измерений. Между тем, считается, что Птолемей установил законы отражения света, причем практически в том виде, как они известны нам. Хотя здесь следует добавить, что большая часть его сочинений утеряна, и не известно, как он получил свои результаты.
Теперь мы приписываем открытие закона преломления в его современном виде Снеллиусу, но вполне возможно, что его еще ранее открыл Арио. Причем последний провел экспериментальную работу, а вывод Снеллиуса почти наверняка был теоретическим (он не сохранился).
Далее возникла новая проблема: как оказалось, некоторые кристаллические вещества не удовлетворяют закону преломления, а разделяют луч света на два луча, один из которых вообще не подчиняется закону Снеллиуса. Впервые это явление было замечено Бартолином, и заставило ученых
не только вводить новый механизм преломления, но и давать какое-либо объяснение наблюдаемому в эксперименте факту, а, следовательно, и природе света.
Именно эта проблема – одна часть света ведет себя иначе, чем другая - привела к знаменитому спору между Ньютоном и Гюйгенсом. Корпускулярные представления о свете, поддержанные авторитетом Ньютона, задержали прогресс оптики более чем на 100 лет. Только к концу ХУШ века начали появляться сомнения в справедливости корпускулярной теории и несколько ученых увидели возможность объяснить опыты Гримальди по наблюдению дифракции с точки зрения волновой теории. Исследуя условия формирования тени, Гримальди установил, что чем меньше размеры источника света, тем резче тень. Но существует некоторый предел (Гримальди освещал маленькое булавочное отверстие), когда тень начинает вновь размываться, и более того, у ее краев появляются цветные ореолы. Полную теорию этих явлений разработал Френель. Вместе с Араго они проделали множество опытов, ряд которых вошел в сокровищницу мирового классического физического эксперимента. Эти опыты были поставлены под влиянием Пуассона, одного из крупнейших французских ученых начала Х1Х века и приобрели выдающееся значение, поскольку убедили даже противников волновой теории в ее правоте, а сама теория с того времени стала общепринятой.
Простой убедительный опыт, подтверждающий волновую природу света, осуществил Юнг. Его знаменитый опыт по интерференции света от двух щелей также является классикой эксперимента в физике. Это самый простой опыт по интерференции, в нем – минимум оборудования, что сводит к минимуму нежелательные ложные эффекты. В то же самое время опыт чрезвычайно нагляден, т.к. позволяет количественно оценить наблюдаемое явление. В отличие от дифракции в опытах Френеля, которую можно рассчитать, но достаточно сложно, полосы Юнга описываются очень простой теорией. Их можно использовать для измерения длин волн света, получая результаты с точностью примерно до 1%.
Великие эксперименты в физике обычно приводили к новым идеям и новым опытам. Так и опыт Юнга побудил Араго и Френеля провести опыты по интерференции поляризованного света, в которых было окончательно установлено, что свет является поперечной волной.
Еще одно важное свойство света было установлено в конце ХУП века – свет обладает конечной скоростью. До этого все попытки Галилея измерить скорость света оставались безуспешными, и вообще не было уверенности в том, что свет обладает скоростью, которую можно измерить. Декарт же уверенно утверждал, что скорость света бесконечна, подкрепляя свою уверенность логическими выкладками. Например, он предлагал представить, что мы будем наблюдать во время затмения Солнца, если свет проходит расстояние от Луны до Земли, к примеру, за час. По его мнению, мы не должны были бы видеть тень Луны на Земле, когда она находится на одной прямой с Солнцем, потому что Луна должна была бы пройти дальше за тот час, за который ее тень дойдет до нас. Насколько этот аргумент убедителен для вас?
Первое реальное свидетельство конечности скорости распространения света получил Рёмер из наблюдений кажущихся расхождений между моментами затмений спутников Юпитера. Работа Рёмера кажется на первый взгляд очень прозаичной, он как бы заметил то, на что другие исследователи не обращали внимания. На самом деле его наблюдения - это научный подвиг, т.к. ряд объективных факторов их существенно усложняет.
Согласно расчетам Рёмера скорость света должна быть несколько меньше 320 тысяч километров в секунду. Это было первое определение величины, которая по современным представлениям является важнейшей мировой физической константой.
Только в Х1Х веке удалось проверить результат Рёмера, измерив скорость распространения света в земных условиях. Первыми такие измерения выполнили Физо и Фуко. Оба они использовали исключительно быстрое вращение элементов установки, а это стало возможным только после того, как были созданы прочные сплавы, выдерживающие громадные центробежные нагрузки. В этих опытах очень любопытно решены проблемы сокращения базы, светового пути, т.е. главного препятствия, помешавшего Галилею измерить скорость света.
Открытие линейчатых спектров – еще один важный момент в развитии физики – принадлежит Гершелю и Фраунгоферу. Оно привело к рождению новой области физики – спектроскопии. И, вместе с тем, в очередной раз озадачило ученых. Почему атомы испускают излучение определенной длины волны? Зависит ли это излучение от структуры атома, несет ли информацию о ней? И вновь история повторяется! Должно было пройти почти столетие, прежде чем ученые смогли объяснить происхождение линейчатых спектров.
Список литературы
1. Анцелиович Е.С. Галилео Галилей. – М.: Учпедгиз, 1955.
2. Артоболевский И.И. Выдающийся советский ученый - С.И.Вавилов. – М.: Знание, 1951.
3. Бернал Д. Наука в истории общества. – М.: ИЛ, 1956.
4. Биографический словарь деятелей естествознания и техники. – М.: БСЭ, 1959.
5. Блудов М.И. Беседы по физике. – М.: Просвещение, 1972. - Ч.1; 1973. - Ч.2; 1974 – Ч.3.
6. Болховитинов В.Н. Александр Григорьевич Столетов. – М.:Молодая гвардия, 1965.
7. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. – М.: Наука, 1970.
8. Бублейников Ф.Д. Галилео Галилей. – М.: Просвещение, 1964.
9. Бублейников Ф.Д., Веселовский И.Н. Физика и опыт. – М.: Просвещение, 1970.
10. Бугер П. Оптический трактат о градации света. Серия «Классики науки». – М.: Изд-во АН СССР, 1950.
11. Вавилов С.И. Глаз и Солнце. – М.: Наука, 1981.
12. Вавилов С.И. Исаак Ньютон. – М.: Изд-во АН СССР, 1960.
13. Веселовский И.Н. Христиан Гюйгенс. – М.: Учпедгиз, 1959.
14. Галилей Галилео. Избранные труды в двух томах. Серия «Классики науки». – М.: Наука, 1964.
15. Гиндикин С.Г. Рассказы о физиках и математиках. – М.: Наука, 1981.
16. Гюйгенс Х. Трактат о свете. – М.-Л.: ОНТИ, 1935.
17. Гюйгенс Христиан. Три мемуара по механике. Серия «Классики науки». – М.: Изд-во АН СССР, 1956.
18. Джефф Б. Майкельсон и скорость света. – М.: ИЛ, 1963.
19. Дорфман Я.Г. Всемирная история физики с древнейших времен до конца ХУШ века. – М.: Наука, 1974.
20. Замечательные ученые/ Под ред.С.П.Капицы –М.: Наука, 1980.
21. Капица П.Л. Эксперимент, теория, практика. Статьи. Выступления. – М.: Наука, 1974.
22. Кравец Т.П. От Ньютона до Вавилова. – Л.: Наука, 1967.
23. Кудрявцев П.С. Исаак Ньютон. – М.: Учпедгиз, 1963.
24. Кудрявцев П.С. История физики. – М.: Учпедгиз, 1956. – Т.1; 1956. – Т. 2; 1971. – Т.3.
25. Кудрявцев П.С. Курс истории физики. – М.: Просвещение, 1982.
26. Кудрявцев П.С., Конфедератов И.Я. История физики и техники. – М.: Просвещение, 1965.
27. Кузнецов Б.Г. Галилей. – М.: Наука, 1964.
28. Кузнецов Б.Г. Развитие научной картины мира в физике ХУП-ХУШ вв. – М.: Изд-во АН СССР, 1955.
29. Кузнецов Б.Г. Развитие физических идей от Галилея до Эйнштейна. – М.: Изд-во АН СССР, 1963.
30. Лазарев П.П. Очерки истории русской науки. – М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1950.
31. Лазаревич Э.А. Искусство популяризации. Академики С.И.Вавилов, В.А.Обручев, А.Е.Ферсман – популяризаторы науки. – М.: Изд-во АН СССР, 1960.
32. Лауэ М. История физики. – М.: ГИТТЛ, 1956.
33. Левшин Л.В. Сергей Иванович Вавилов. – М.: Наука, 1977.
34. Ливанова А. Физики о физиках. - М.: Молодая гвардия, 1968.
35. Линник В.П. Труды Кеплера в области оптики. – УФН, т.109, вып.1.
36. Липсон Г. Великие эксперименты в физике. – М.: Мир, 1972.
37. Лишевский В.П. Ученые – популяризаторы науки. – М.: Знание, 1987.
38. Льоцци Марио. История физики. – М.: Мир, 1970.
39. Марчук Г.И. Молодым о науке. – М.: Молодая гвардия, 1980.
40. Мощанский В.Н., Савелова Е.В. История физики в средней школе. – М.: Просвещение, 1981.
41. Нейгебауэр О. Точные науки в древности. – М.: Наука, 1968.
42. Ньютон И. Оптика / Пер. С.И.Вавилова. – М.: ГИЗ, 1927.
43. Ньютон И. Лекции по оптике. Серия «Классики науки». – М.: Изд-во АН СССР, 1946.
44. Ньютон И. Оптические мемуары. – УФН, 1927, т.7, вып.1.
45. Очерки развития основных физических идей / Под ред. А.Т.Григорьяна и Л.С.Полака. – М.: Изд-во АН СССР, 1959.
46. Планк М. Единство физической картины мира. – М.: Наука, 1966.
47. Подкорытов Г.А. Историзм как метод научного познания. – Л.: Изд-во ЛГУ, 1967.
48. Резников Л.И. Фундаментальные научные эксперименты в школьном курсе физики. Советская педагогика, 1973, № 10.
49. Розенберг Ф. История физики. Т.1-3 – М.-Л., 1935-1937.
50. Ронки В. Оптика Кеплера и оптика Ньютона. – В кн.: Вопросы истории естествознания и техники, вып. 15. – М., 1963.
51. Ронки В. Падре Гримальди и его эпоха. – УФН, 1965, т.87, вып.2.
52. Савелова Е.В. Вопросы истории физики и техники в курсе физики средней школы. – Л.: Учпедгиз, 1956.
53. Сергей Иванович Вавилов. Очерки и воспоминания. – М.: Наука, 1981.
54. Сердюков А.Р. Петр Николаевич Лебедев. – М.: Наука, 1978.
55. Спасский Б.И. Вопросы методологии и историзма в курсе физики средней школы. – М.: Просвещение, 1975.
56. Спасский Б.И. История физики. – М.: Высшая школа, 1977. – Т.1,2.
57. Суворов С.Г. О теориях познания – Макса Борна и диалектического материализма. Успехи физических наук, 1976, 118, № 4.
58. Столетов А. Собрание сочинений. – М.-Л.: ГТТИ, 1939.-Т.1; 1941. –Т.2; 1947. – Т.3.
59. Тарасов Л.В. Оптика, рожденная лазером: Книга для внеклассного чтения. – М.: Просвещение, 1977.
60. Творцы физической оптики. – М.: Наука, 1973.
61. Тепляков Г.М., Кудрявцев П.С. Александр Григорьевич Столетов. – М.: Просвещение, 1966.
62. Толанский С. Удивительные свойства света. – М.: Мир, 1969.
63. Толанский С. Революция в оптике. – М.: Мир, 1971.
64. Тригг Дж. Решающие эксперименты в современной физике. М.: Мир, 1974.
65. Филонович С.Р. Самая большая скорость. – М.: Наука, 1983.
66. Филонович С.Р. Лучи. Волны. Кванты. – М.: Наука, 1978.
67. Франкфурк У.И., Френк А.М. Христиан Гюйгенс. – М.: Изд-во АН СССР, 1962.
68. Франкфурт У.И., Френк А.М. У истоков квантовой теории. – М.: Наука, 1975.
69. Френель О. Избранные труды по оптике. – М.: Гостехиздат, 1955.
Френель О. О свете. – М.-Л.: ГИЗ, 1928.
70. Фрум К., Эссен Л. Скорость света и радиоволн. - М.: Мир, 1973.
71. Хазен А.М. Поле, волны, частицы и их модели. – М.: Просвещение, 1979.
72. Храмов Ю.А. Физики. Биографический справочник. – М.: Наука, 1984.
73. Хрестоматия по физике: Учеб. Пособие для учащихся 8-10 кл. сред. шк. / Сост. А.С.Енохович и др.; Под ред.Б.И.Спасского. – М.: Просвещение, 1987.
74. Шпольский Э.В. Выдающийся советский ученый С.И.Вавилов (1891-1951). – М.: Знание, 1956.
75. Ярошевский М.Г., Зорина Л.Я. История науки и школьное обучение. – М.: Знание, 1978.
Лазер – друг или враг
Введение
Актуальность предлагаемого для изучения материала очевидна – лазер все шире проникает во все сферы жизни современного человека. Наши школьники пользуются CD-плэйерами, посещают дискотеки, где широко используются возможности лазера как источника света, обладающего особыми свойствами и яркостью. Знают, что лазеры применяются в системах связи и медицине. Не ослабевает интерес к исследованиям по применению лазеров в военном деле. Все эти и другие сведения о лазерах широко освещаются в прессе. Однако, в большинстве случаев, знания ребят этим и ограничиваются. Узнать чуть больше о самом лазере, об истории его создания и его возможностях поможет предлагаемый сюжет.
Дата: 2019-12-10, просмотров: 242.