Введение: развитие взглядов на природу света - ОПТИКА

В школьном курсе физики оптику нужно рассматривать как часть электродинамики. С самого начала следует подчеркнуть, что продолжается изучение электромагнитных волн, но только на примере волн одного конкретного диапазона. Существование световых волн весьма важно для человека; поэтому учёные стремились их изучить максимально подробно. В школе происходит знакомство с тремя теориями света — геометрической, волновой и квантовой оптикой.

В конце изучения раздела нужно запланировать повторение и обобщение всей электродинамики. Очевидно выделение электродинамики стационарных и нестационарных процессов, а среди последних — специальное обобщение знаний об электромагнитных волнах на примере традиционного вопроса о шкале электромагнитных волн. В определённой степени и специальная теория относительности может быть представлена как обобщение электродинамики. На этой основе определяется и логика построения содержания уроков. Она не противоречит содержанию учебника.

Урок 1. Введение: развитие взглядов на природу света

Задачи урока: расширить кругозор учащихся; сформировать представления о взаимодействии света и вещества.

Урок проводится в виде лекции. При её подготовке учитель обращает внимание на подбор иллюстраций и использование хрестоматийного материала.

План лекции

1. Возникновение и развитие оптики.

Многие известные философы древности, в частности Пифагор (VI в. до н. э.), Аристотель (IV в. до н. э.), Евклид (III в. до н. э.), занимались изучением света. Евклид в своих трактатах обобщил опыт предшественников, изложив два закона геометрической оптики — закон прямолинейного распространения и закон отражения света. Древнегреческий учёный Архимед (ок. 287—212 гг. до н. э.) писал: “Почему в плоских зеркалах предметы и изображения представляются одинаковыми, в выпуклых и сферических — уменьшенными, в вогнутых же, наоборот, увеличенными... почему вогнутые зеркала, помещённые против Солнца, зажигают подложенный трут?”

Многие световые явления были известны издавна. Так, позднее Клавдий Птолемей (II в. н. э.) в книге “Оптика” описывал явление преломления света и практически приблизился к открытию закона преломления.

При рассмотрении вопроса учитель может продемонстрировать отдельные световые явления.

2. Развитие представлений о природе света.

Свет — это электромагнитные волны с диапазоном частот от 4,0 ∙ 10¹⁴ до 7,5 ∙ 10¹⁴ Гц. Такие волны вызваны колебаниями очень высокой частоты. Вибраторами в этом случае служат атомы вещества.

Что же такое свет? Этот вопрос волновал людей с глубокой древности. Свет как физический объект, с одной стороны, находится везде и всюду, с другой — неуловим. Его трудно выделить для изучения, потому что наше восприятие объектов природы происходит как раз с помощью света. Учёные с давних времён задавались вопросом о природе света.

По-видимому, Пифагор одним из первых выдвинул гипотезу о том, что тела испускают мельчайшие частицы, которые попадают в глаз, благодаря чему мы и видим окружающие нас тела. Позднее Ньютон (1643—1727) усовершенствовал корпускулярную модель света. Согласно этой модели свет испускается телами в виде потока мельчайших частиц — корпускул, далее они движутся прямолинейно по инерции. Корпускулярная модель света объясняла, например, отражение света от зеркала аналогично отражению шарика при упругом ударе о плоскость. Но Ньютону не удалось с помощью своей теоретической модели света объяснить все известные тогда явления, например независимое распространение света от двух источников. Действительно, почему частицы-корпускулы одного источника не действуют на частицы-корпускулы другого источника в том случае, когда свет от этих источников пересекается в пространстве?

Одним из первых гипотезу о свете как возбуждении среды выдвинул древнегреческий учёный Аристотель. Форму теории световых волн эта гипотеза приобрела в трудах голландского физика Гюйгенса (1629—1695), английского физика Юнга (1773—1829) и французского физика Френеля (1788—1827). Модель света в этой теории такова: свет — это волны, которые распространяются в особой среде — эфире, которым заполнено всё пространство. К началу XIX в. на основе этой теории учёным удалось объяснить все наблюдаемые явления. Максвелл, теоретически доказав электромагнитную природу света, придал фундаментальный характер теории волновой модели света. После экспериментов Герца с электромагнитными волнами и опытов Лебедева по измерению давления света, рассчитанного на основе волновых представлений, сомнений в волновой природе света не осталось. Нет экспериментальных и теоретических оснований для изменения этой точки зрения и сейчас.

В познании природы не всё так просто. В начале XX в. при изучении явлений на микроуровне учёные вновь обратились к гипотезе о корпускулярной природе света. Свет излучается атомами в виде частиц-квантов, распространяется по законам волн, поглощается веществом как поток частиц. В современной физике корпускулярные и волновые представления (модели) о свете согласованы между собой.

3. Наука о свете в современной физике.

Оптика — очень развитая часть физики. Она состоит из многих разделов. Учитель поясняет таблицу 23.

Исторически первой возникла геометрическая оптика. Она рассматривает свет и объясняет некоторые световые явления с помощью понятия светового луча. Фотометрия изучает свет с точки зрения переноса энергии и её восприятия человеком. Волновая оптика объясняет большинство наблюдаемых явлений на основе электромагнитной природы света. Квантовая оптика пошла дальше: на микроуровне свет представляет собой поток частиц, необычных, но всё же частиц. Таким образом, квантовой оптике удалось глубже изучить некоторые свойства света и световые явления.

Таблица 23

Оптика

4. Скорость распространения — важнейшая характеристика света. Материал по этой теме можно предложить для самостоятельного изучения по учебнику, после чего следует обсуждение по вопросам: почему скорость света впервые была измерена астрономическим методом? В чём его суть? На основе какой гипотезы Рёмер объяснил запаздывание выхода спутника Ио из тени? Почему необходимы были лабораторные методы измерения скорости света?

Домашнее задание: введение, § 44; упр. на с. 178 (3).