Урок физики в 11 классе. Излучения и спектры.

Урок физики в 11 классе «Излучения и спектры»
Подготовила и выполнила учитель первой квалификационной категории Лугинина Татьяна Александровна
2015 год
МКОУ Межевская СОШ
Цель урока: дать понятия излучениям света и видам спектров.
Оборудование: компьютер, видеопроектор, экран, генератор «Спектр», набор по флюоресценции, лампа накаливания, газоразрядные трубки, светильник, детская светящаяся игрушка.Тип урока: урок усвоения новых знаний;
Форма урока: урок – лекция.
Цель урока: дать понятия излучениям света и видам спектров.
Задачи урока:
1. Образовательная: изучить виды излучения света содействовать формированию таких понятий как спектр, спектры поглощения и излучения, спектральный анализ, повысить научный уровень этих знаний, обеспечивая их системность благодаря всестороннему и более глубокому изучению этих понятий.
2. Воспитательная: способствовать формированию мировоззрения учащихся, раскрывая единство материального мира.
3. Развивающая: способствовать формированию самостоятельности, внимательности, умению выделять главное, наблюдать, анализировать и делать выводы.
Ход урока
.
1.Закрепление изученной темы: «Волновая оптика». Подготовка к ЕГЭ.
Учитель. Добрый, день. Ребята, мы с вами продолжаем изучение оптики. Изучены законы геометрической оптики и волновые свойства света. Определена скорость света в вакууме. Мы знаем, что преломление света на границе двух сред обусловлено изменением скорости при переходе света из одной среды в другую. Относительный показатель преломления двух сред равен обратному отношению скоростей света в этих средах. Показатель преломления света, как впервые установил Ньютон, зависит от его цвета. Цвет же определяется частотой колебаний (или длиной волны). Зависимость показателя преломления света от частоты колебаний называется дисперсией. Дисперсия приводит к тому ,что призма разлагает белый свет в спектр. Явление дисперсии, открытое Ньютоном -первый шаг к пониманию природы света. Световые волны одинаковой длины волны, имеющие постоянную во времени разность фаз, называются когерентными. При наложении когерентных волн друг на друга наблюдается интерференция света. Световые волны огибают препятствия, сравнимые по размерам с длиной световой волны. Это дифракция света.
На явлении дифракции основано устройство дифракционной решетки. Решетка разлагает белый свет в спектр; с её помощью можно измерять длины световых волн. Световые волны поперечны. Это доказано экспериментально при наблюдении прохождения света через анизотропные среды-кристаллы.
Световая волна,в которой колебания происходят в определенной плоскости, называется поляризованной. Свет, создаваемый обычными источниками (естественный свет), не поляризован. Согласно электромагнитной теории, свет представляет собой поперечную электромагнитную волну. Экспериментальное доказательство поперечности световых волн явилось важным этапом в признании справедливости электромагнитной теории света.
Экзамен по физике содержит вопрос по знанию свойств волновой оптики.
Поэтому сегодня на уроке, мы свами выполним тест по изученной теме «Волновая оптика» и проведем самопроверку.(Приложение 1)
Работа выполняется 10 минут. Ответы записаны на доске в виде таблицы.
Указаны критерии оценки.
2.Изложение нового материала.
Эпиграф к уроку:
Чудный дар природы вечной,
Дар бесценный и святой.
В нем источник бесконечный
Наслажденья красотой.
Солнце, небо, звезд сиянье,
Море в блеске голубом,
Всю природу созиданья
Мы лишь в свете познаем.
Видимый свет- единственный диапазон электромагнитных волн,воспринимаемый человеческим глазом.Свет- это поток электромагнитных волн с длиной 4*10-7 - 8* 10-7 м. На эту длину волны приходится также максимум интенсивности излучения Солнца и одновременно максимум прозрачности атмосферы Земли. В процессе длительной биологической эволюции подобное совпадение существенно помогло человеку получать информацию об окружающем мире, что способствовало его выживанию. Свет – источник жизни на Земле и одновременно источник наших представлений об окружающем мире.
Любой источник света, какой бы он ни был, представляет для нас интерес. Солнце, пламя костра или свечи, полярные сияния, светлячок, неприхотливый светильник или светящаяся детская игрушка – все это источники видимого излучения.
Тема нашего урока : «Излучения и спектры»
Презентация авторская. Слайд 1.
Виды излучений.Слайд 2.
Рассмотрим два вида излучений; тепловое излучение и люминесцентное излучение. (Начинаем работать по опорному конспекту) Запишите в тетрадь.
1)Тепловое излучение. Слайд 3.
(Солнце, лампа накаливания, пламя)
Наиболее простой и распространенный вид излучения- это тепловое излучение.
Тепловое излучение – это излучение нагретых тел.Рассмотрим горячие источники света, их называют тепловые источники света. К таким источникам относятся Солнце, лампа накаливания, пламя.
А)Солнце играет исключительную роль в жизни Земли. Весь органический мир нашей планеты обязан Солнцу своим существованием. Солнце – не только источник света и тепла, но и первоначальный источник многих других видов энергии (энергии нефти, угля, воды, ветра).
На протяжении миллиардов лет Солнце ежесекундно излучает огромную энергию. Согласно современным представлениям, в недрах Солнца происходят термоядерные реакции. В ходе этих реакций, сопровождающихся большим выделением энергии, одни химические элементы превращаются в другие. Самый распространённый на Солнце элемент – водород. В недрах Солнца он ионизован и находится в виде ядер атомов водорода – протонов. Скорость этих протонов в условиях огромных температур настолько велика, что они сближаются, преодолевая электрические силы отталкивания. На очень близких расстояниях вступают в действие мощные ядерные силы и начинаются реакции, в ходе которых возникают ядра новых химических элементов. Внутри Солнца водород превращается в гелий. Эта сложная реакция и способствует выделению огромного количества энергии в виде излучения
Открытие источника энергии звёзд имеет большое значение для понимания процессов, происходящих внутри звёзд. Кроме того, оно послужило толчком к поискам путей технического использования термоядерного синтеза в земных условиях.
Б )Лампа накаливания очень удобный, но малоэкономичный источник. Лишь примерно 12% всей энергии, выделяемой в лампе электрическим током, преобразуется в энергию света, поэтому они такие горячие
Опыт №1. Проведём опыт: подключим лампу накаливания к источнику тока и будем увеличивать напряжение. Посмотрим, как при этом меняется цвет нити лампы (при низком напряжении - красный, при более высоком - жёлто-белый).
Чем выше температура тела, тем быстрее движутся атомы. При столкновении быстрых атомов (молекул) друг с другом часть их кинетической энергии превращается в энергию возбуждения атомов, которые затем излучают свет.
В) Пламя. Наконец, тепловым источником света является также пламя. Крупинки сажи ( не успевшие сгореть частицы топлива) раскаляются за счет энергии, выделяющейся при сгорании топлива, и испускают свет.
Энергия, необходимая атомам для излучения света, может поступать и из нетепловых источников.
Люминесцентное излучение(запись в тетрадь)
-электролюминесценция
(полярные сияния, рекламные трубки)
- катодолюминесценция
(экраны ЭЛТ)
- хемилюминесценция
( светлячки, гнилушки, бактерии,ХИС)
-фотолюминесценция
( светящиеся краски, лампы дневного света)
Следующий вид холодного свечения –электролюминесценция.
1)Электролюминесценция.Слайд4.
При разряде в газах электрическое поле сообщает электронам большую кинетическую энергию. Быстрые электроны испытывают соударения с атомами. Часть кинетической энергии электронов идет на возбуждение атомов.
Возбужденные атомы отдают энергию в виде световых волн. Благодаря этому разряд в газе сопровождается свечением. Это и есть электролюминесценция.
Опыт №2.Возьмём газоразрядную трубку с неоном и подключим её к источнику высокого напряжения. Трубка засветилась розовым светом. Трубка с водородом светится сиреневым светом.(Демонстрация опыта учителем.Генератор «Спектр»)
Явление электролюминесценции используется в трубках для рекламных надписей. Некоторые природные явления имеют эту же природу.
Полярные сияния- тоже проявление электролюминесценции.
От солнца во все стороны, и в частности к Земле, непрерывно распространяются не только волны электромагнитного излучения, но и потоки, летящих с огромной скоростью заряженных частиц-так называемый солнечный ветер. Вторгаясь в земную атмосферу частицы солнечного ветра (в основном электроны и протоны) определенным образом направляются магнитным полем Земли. Зона полярных сияний простирается до 100 км( но не ниже). Сталкиваясь с атомами и молекулами воздуха. Они ионизуют и возбуждают их, в результате чего возникают свечение люминесценции, которое, собственно говоря, и есть полярное сияние.
2)Катодолюминесценция. Слайд 5.
Свечение твердых тел, вызванное бомбардировкой их электронами, называют катодолюминесценцией.
Благодаря катодолюминесценции светятся экраны ЭЛТ телевизоров.
3)Хемилюминесценция. Слайд 6.
При некоторых химических реакциях, идущих с выделением энергии, часть этой энергии непосредственно расходуется на излучение света. Источник света остается холодным (он имеет температуру окружающей среды). Это явление называется хемилюминесценцией. Свойством светиться обладают некоторые живые организмы. КПД химических реакций в них, может достигать 98 %.
Свечение светлячков вызывается химическим процессом биолюминесценции в их теле. Свет излучается, когда внутриклеточный кислород соединяется с кальцием, молекулой аденозинтрифосфата (АТФ), служащей хранилищем энергии. В отличие от ламп накаливания, выделяющих большое количество тепла, светлячки испускают «холодный свет». Если бы их светорождающий орган нагревался до температуры колбы лампочки, насекомое погибло бы.
Для «включения» света орган, управляющий свечением, начинает подавать кислород к другим соединениям, необходимым для генерирования света, а для «выключения» прекращает подачу. Когда кислород есть, орган свечения испускает свет, а когда кислорода нет, гаснет.
Легких у насекомых нет, и кислород извне подается в организм по сложной системе постепенно сужающихся трубочек, которые называются трахеолами. Мышцы, управляющие подачей кислорода из трахеол, работают довольно медленно, и быстрое включение свечения долгое время оставалось загадкой.
Однако недавно ученые выяснили, что ключевую роль играет окись азота.. Чтобы заставить клеткам отдать часть кислорода, мозг насекомого дает команду на выработку окиси азота, которая замещает кислород и придаёт насекомому такое свечение.
Известны случаи, когда эти природные светильники- обитатели джунглей – спасали жизнь людей: во время испано-американской войны врачи оперировали раненых при свете светлячков, насыпанных в бутылку.
В XVIII веке на побережье Кубы высадились англичане, а ночью увидели в лесу мириады огней. Они подумали, что островитян слишком много и отступили, а на самом деле это были светлячки.
В настоящее время известно более 800 видов светящихся морских организмов - от бактерий до рыб.Кальмары, медуза, одноклеточная ночесветка
4)Фотолюминесценция.Слайд 8.
Некоторые тела сами начинают светиться под действием падающего на него излучения. Это и есть фотолюминесценция.
Например, светящиеся краски, которыми покрывают многие елочные игрушки, излучают свет после их облучения.
Излучаемый при фотолюминесценции свет имеет, как правило, большую длину волны, чем свет, возбуждающий свечение. Давайте подумаем, почему?
Если направить на сосуд с флюоресцеином (органический краситель) ультрафиолетовые лучи, то эта жидкость начинает светиться светом большей длины волны, чем у ультрафиолетовых лучей.
Опыт №3. Убедимся в этом на опыте, облучая флуоресцентные жидкости УФ - лучами.(Демонстрация опыта учителем.Осветитель УФО.)
Слайд 9.
Явление фотолюминесценции широко используется в лампах дневного света. Советский физик С.И.Вавилов (1891-1951) предложил покрыать внутреннюю поверхность разрядной трубки веществами, способными ярко светиться под действием коротковолнового излучения газового разряда. Лампы дневного света примерно в 3-4 раза экономичнее обычных ламп накаливания.
Продолжаем работу по опорному конспекту. Запишем.
Спектральные аппараты.
(спектрограф, спектроскоп)
Ньютон, направив тонкий пучок солнечного света на стеклянную призму, первым в истории науки наблюдал спектральное разложение белого света. За призмой наблюдалось разложение белого света в цветной спектр: семь основных цветов - красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый, плавно переходили друг в друга.Ни один из источников света не дает монохроматического сета, т. е. света строго определенной длины волны, Та энергия, которую несет с собой свет от источника, определенным образом распределена по волнам всех длин, входящих в состав, светового пучка. Можно также сказать, что энергия распределена по частотам, так как между длиной волны и частотой, существует простая связь:
h*v = с.Полагаться на глаз при оценке распределения энергии нельзя, так как глаз обладает избирательной чувствительностью к свету (максимум его чувствительности лежит в желто-зеленой области спектра).
Для получения и исследования спектров используют спектральные аппараты. Наиболее простые спектральные приборы - призма и дифракционная решетка. Более точные - спектроскоп и спектрограф.
Спектроскопом называется прибор, с помощью которого визуально исследуется спектральный состав света испускаемого некоторым источником.
Если регистрация спектра происходит на фотопластинке, то прибор называется спектрографом.
3.Виды спектров.Слайд10.
Спектры излучения. Спектральный состав излучения у различных веществ имеет весьма разнообразный характер. Однако все спектры можно разделить на три типа:
1.Непрерывные (сплошные) – тела в твердом или жидком состоянии, сильно сжатые газы, высокотемпературная плазма.
Накаленные твердые и жидкие тела и газы (при большом давлении) испускают свет, разложение которого дает сплошной спектр, в котором спектральные цвета непрерывно переходят один, в другой.
Характер непрерывного спектра и сам факт его существования определяются не только свойствами отдельных излучающих атомов, но и в сильной степени зависят от взаимодействия атомов друг с другом.
Сплошные спектры одинаковы для разных веществ, и поэтому их нельзя использовать для определения состава вещества.
Слайд11.
2.Линейчатые – раскаленные газы в атомарном состоянии.
(цветные линии, разделенные широкими темными полосами)
Возбужденные атомы разреженных газов, или паров испускают свет, разложение которого дает линейчатый спектр: состоящий из отдельных цветных линий. Каждый химический элемент характерный для него линейчатый спектр. Атомы таких веществ не взаимодействуют друг с другом и изучают только определенные длин волн. Изолированные атомы данного химического элемента излучают строго определенные длины волн. Это позволяет по спектральным, линиям судить о химическом составе источника света Спектр молекулы состоит из большого числа отдельных линий, сливающихся в полосы, четкие с одного края и размытые с другого.
Слайд12.
3.Полосатые – раскаленные газы в молекулярном состоянии.
( спектр из отдельных полос, разделенных тёмными промежутками)
В отличие от линейчатых спектров полосатыеспектры создаются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом.
В 1860 г. немецкие ученые Кирхгоф и Бунзен, изучая спектры металлов, установили:
1) каждый металл имеет свой спектр;
2) спектр каждого металла строго постоянен;
3) введение в пламя горелки любой соли одного и того же металла всегда приводит к появлению одинакового спектра;
4) при внесении в пламя смесей солей нескольких металлов в спектре одновременно появляются все их линии;
5) яркость спектральных линий зависит от.концентрации элемента в данном веществе
Спектры поглощения-газ поглощает те световые волны, которые сам испускает (темные линии на фоне непрерывного спектра)
Если белый свет от источника дающего сплошной спектр, испускается через пары исследуемого вещества и затем разлагается в спектр, то на фоне сплошного спектра наблюдаются темные линии поглощения в тех же самых местах, где находились бы линии спектра испускания паров исследуемого элемента такие спектры получили название атомных спектров поглощения.
Все вещества, атомы которых находятся в возбужденном состоянии, излучают световые волны, энергия которых определенным образом распределена по длинам волн.
Поглощение света веществом также зависит от длины волны. Так, красное стекло пропускает волны , соответствующие красному свету, и, поглощает все остальные.
В середине 19-го века немецкий ученый Густав Кирхгоф заметил, что положение двух близко расположенных темных линий в солнечном спектре подозрительно точно совпадает с положением уже знакомых нам ярких желтых линий в спектре паров натрия. И он предположил, что темные линии в солнечном спектре это результат поглощения солнечного света парами натрия, находящимся во внешней атмосфере Солнца. Дальнейшие опыты, проведенные с другими веществами, показали, что атомы поглощают излучение лишь тех длин волн, которые они могут испускать при данной температуре.
Спектральный анализ –метод определения химического состава вещества по его спектру. Слайд 13.
Спектр излучения (или поглощения) атома подобен «отпечаткам пальцев», каждый химический элемент характеризуется своим уникальным спектром. Благодаря этому можно с высочайшей чувствительностью определять химический состав тел.
Линейчатые спектры играют особо важную роль, потому что их структура прямо связана со строением атома. Ведь эти спектры создаются атомами, не испытывающими внешних воздействий. Поэтому, знакомясь с линейчатыми спектрами, мы тем самым делаем первый шаг к изучению строения атомов. Наблюдая эти спектры, ученые получили возможность «заглянуть» внутрь атома.
С помощью спектрального анализа можно обнаружить данный элемент в составе сложного вещества, если даже его масса не превышает 10-10 г. Линии, присущие данному элементу, позволяют качественно судить о его наличии.
Спектральный анализ можно проводить и по спектрам поглощения. Именно линии поглощения в спектре Солнца и звезд позволяют исследовать химический состав этик небесных тел.
-открыты новые элементы ( рубидий, цезий, гелий и др.)
В астрофизике по спектрам можно определить многие физические характеристики объектов: температуру, давление, скорость движения, магнитную индукцию и др.
-химический состав Солнца, звезд, галактик
- контроль состава вещества в металлургии, машиностроении
- химический состав руд и минералов
- в астрофизике
5.Подведение итогов урока. Слайд 14-15.
6. Домашнее задание.§80-83. Слайд 16.
7. Литература. Слайд17.