Фундаментальні досліди з квантової оптики та їх висвітлення в шкільному курсі фізики

Міністерство освіти інауки України
Рівненський державнийгуманітарний університет
Кафедра фізики
Бакалаврська робота
на тему:
Фундаментальні дослідиз квантової оптики та їх висвітлення в шкільному курсі фізики
 
Виконав:
Студент ФТФ
Групи ФТ-41
Васильєв Р.О.
Перевірив:
Тищук В.І.
Рівне-2006р

Зміст
Вступ
Розділ1 Фундаментальні досліди з квантової оптики
1.1Випромінювання Вавілова-Черенкова
1.2Ефект Доплера
1.3Фотонна теорія світла. Маса та імпульс фотона. Досліди Боте та Вавилова
1.4Тиск світла. Досліди Лебедєва
1.5Ефект Комптока
Розділ2 Вивчення фундаментальних дослідів з квантової оптики в профільних класах
2.1Досліди, що послужили основою виникнення хвильової теорії світла
2.2Досліди Юнга
2.3Досліди по поляризації світла
2.4Проблема швидкості світла у фізичній науці
2.5Вимірювання швидкості світла
Розділ3
3.1Розподіл навчального матеріалу за уроками
3.2Рекомендації з проведення самостійних та контрольних робіт
Висновоки
Списоквикористаної літератури
Додатки

Вступ
 
Оптика– розділ фізики, в якому вивчаються властивості, фізична природа світла та йоговзаємодія з речовиною. Поняття „світло” охоплює не тільки видиме світло, але йприлеглі до нього широкі ділянки спектра електромагнітних хвиль – інфрачервонета ультрафіолетове випромінювання. Сучасна оптика вивчає ділянку спектра відм’ягкого рентгенівського випромінювання до радіохвиль міліметрового діапазону.
Питанняпро природу світла та закони його поширення зацікавили грецьких філософів ще донашої ери.Так, у трактатах Евкліда „Оптика” і „Катоприка” (3 ст. До н. е. ) наоснові уявлень про світло як промені, що виходять з ока, сформульовано законипрямолінійного поширення світла та рівності кутів падіння та відбивання.
Протилежнудумку про природу світла висловив Лукрецій (бл. 96 – 55 до н. е. ) у поемі „Проприроду речей”. Він вважав, що світло випускається світними тілами у виглядідосить малих зліпків. Птолемей (2 ст. н. е.) встановив, що для малих кутівпадіння відношення кута падіння до кута заломлення є величина стала. Алесформулювати закон заломлення світла вони так і не змогли.
Напочатку 17 ст. було винайдено мікроскоп і зорову трубу, які широкозастосовуються і зараз. Для вдосконалення цих приладів треба було знати нетільки закони відбивання, а й заломлення світла. У 1621 р. В. Снелліус (1580 — 1626) встановив кількісно закон заломлення світла, що роходить плоску межу двохсередовищ, а Р.Декарт (1596 – 1650 ) математично записав цей закон у виглядівідношення синусів кутів падіння і заломлення.
Самев той час перед фізиками постав ряд питань: що являє собою світло; що самепоширюється по прямій лінії, відбивається, заломлюється; що надає тілам колір,несе із собою тепло; що утворює, пройшовши через лінзу, зображення; що діє насітківку ока?
Р.Декарт при виведенні законів відбивання і заломлення ввжав, що світло являєсобою потік частинок. Р.Гук (1635-1703) вважав, що світло — це процес поширенняімпульсів деформацій стиску раптово або з досить великою швидкістю. Й.Марці іФ.Грімальді також вважали, що світло являє собою процес поширення хвиль ізвеликою швидкістю.
Розрізненівідомості про природу світла було систематизовано, на основі чого створенотеорію про корпускулярну природу світла, основоположником якої є І. Ньютон.
Властивістьсвітла поширюватись прямолінійно, мабуть, спричинила те, що і Ньютон віддавперевагу корпускулярній теорії. Згідно з цією теорією світло складається здрібних частинок (корпускул), які випромінюються світними тілами. Для описуруху курпускул І.Ньютон застосував закони механіки. За законом інерції воднорідному середовищі ці частинки мають летіти прямолінійно.
Мета роботи:
Вивчення фундаментальних дослідів зквантової оптики в шкільному курсі фізики.
Предмет дослідження:
· систематизування змістунавчального матеріалу з розділу „Квантова оптика”
Завдання дослідження:
· на виявлені теми курсу “Фізика”вивчення теми „Фундаментальні досліди з квантової оптики в шкільному курсіфізики”
· підвищити показники рівнязнань учнів;

Розділ 1 Фундаментальнідосліди з квантової оптики
 
1.1Випромінювання Вавілова – Черенкова
 
Вивчаючиявища люмінесценції, П. О. Черенков (1904-1990) у 1931 р. виявиввипромінювання, що виникає в речовинах при русі електроні», швидкість якихперевищує: фазову швидкість V світла в цих середовищах.Значні заслуги у встановленні природи цього випромінювання належать С. І.Вавилову, тому воно називається випромінюванням Вавилова — Черепкова. Теоріюцього випромінювання розвинули І. Є. Гамм (1895-1971) та І. М. Франк (н. 1908р.) у 1937 р.
/>
Мал.1
Длявстановлення суті випромінювання Вавилова — Черенкова вважатимемо, що електронв однорідному середовищі рухається рівномірно і швидкістю V. Піддією електричного поля електрона атоми і молекули середовища збуджуються істають центрами випромінювання електромагнітних хвиль. При рівномірному русіелектрона хвилі когерентні й будуть інтерферувати між собою.
.Коли швидкість електрона V більша за фазову швидкістьсвітла в середовищі, то хвилі, що випромінюються атомами в різні моменти часуза певних умов, зможуть приходити в точку спостереження (рис. 1) одночасно. Якщо електронперебував у точках А і В оменти часу t1 i t2 то хвилі досягнуть точки Р умоменти часу

 /> та />. Різниця цихчасів
/>
Длявипадку, коли точка Р достатньо віддалена від точки А, можна вважати, що АР-ВР/>АС=АВcosӨ Оскільки /> то існує: кут Ө, якийзадовольняє умову
/> (1)
де с — швидкістьсвітла у вакуумі; п — показник заломлення середовища.
У разівиконання умови (1) всі хвилі досягають точки Р одномасно й підсилюють одна одну.Отже, тільки в напрямі, що визначається умовою (1), поширюється випромінювання. З формули (1) видно, що випромінюванняможливе на частотах ω, для яких />,і неможливе на частотах, для яких />
Випромінювання Вавилова — Черенкова спостерігається у видимій,ультрафіолетовій та інфрачервоній частинах спектра, а також у радіочастотному діапазоніДля рентгенівських променів n
Експериментальнодоведено, що випромінювання Павилова – Черенкова частково поляризоване йуїворюе суцільний спектр. Його електричний вектор лежить у площині, щопроходить через напрям швидкості електрона І напрям поширення випромінювання.Випромінювання Вавилова — Черенкова поширюється головним чином у напрямі рухуелектрона і мас максимальну інтенсивність уздовж твірних конуса, вісь якої озбігається з напрямом швидкості електрона, а нахил твірної до осі визначаєтьсяумовою (1).
ВипромінюванняВавилова – Черенкова широко застосовується в ядерній фізиці для вимірювання швидкостейчастинок високих енергій.
1.2Ефект Доплера
Прививченні звукових хвиль встановлено, що коли джерело і приймач звуку нерухоміодне відносно одного, то частота звуку, яку генерує джерело, дорівнює частоті,яку реєструє приймач. Якщо ж вони рухаються назустріч одне одному, то частота,реєстрована приймачем звуку, вища, ніж частота, яку генерує джерело. З віддаляннямджерела звуку від приймача частота звуку, яку реєструє приймач, буде нижчою відчастоти коливань джерела звуку. Залежність частоти хвиль, які сприймаютьсяприймачем, при русі джерела чи приймача, чи одного і другого разом називають ефектомДоплера. Розрізняють ефект Доплера в акустицч і в оптиці.
В акустицічастота сприйнятих хвиль залежить від швидкості руху джерела хвиль і швидкостіруху приймача відносно середовища, в якому поширюється хвиля.
В оптиціефект Доплера означає ту саму залежність частоти, але від відносної швидкостіджерела і приймача. Цей ефект в оптиці вперше спостерігав А. Фізо. Він виявивзміщення спектральних ліній у випромінюванні деяких небесних світил. Улабораторних умовах дослідження ефекту Доплера вперше здійснили у 1900 р. А.А. Бєлопольський(1854-1934) і у 1907 р. Б. Б. Голіцин (1862-1916).
ЕфектДоплера в оптиці добре узгоджується з гіпотезою X. Лоренцапро нерухомий ефір. Оскільки існування ефіру заперечується теорією відносності,то доплерівське зміщення частоти світлових хвиль визначається тільки відносноюшвидкістю джерела і приймача.
Зв'яжемопочаток координат системи К із джерелом світла, а систему К' — з приймачемсвітла. Осі Ох і О'х' спрямуємо вздовж вектора швидкості V, з якою одна система переміщується відносно іншої. Для спрощенняматематичних викладок вважатимемо, що світлова хвиля поширюється у вакуумі.Відомо, що при переході до будь-якої системи відліку за допомогою перетвореньЛоренца одержуємо одне й те саме значення швидкості світла.
Напрямпоширення світла і його частота в різних системах відліку будуть різними. Зміначастоти хвилі при переході від однієї системи відліку до іншої виражає ефектДоплера, а зміна напряму характеризується аберацією світла. Вважатимемо, що відджерела світла поширюється плоска хвиля. Рівняння цієї хвилі в системі К маєвигляд
/>(1)
де /> – циклічначастота, що реєструється у системі відліку, зв'язаній з джерелом. У системівідліку, зв'язаній з приймачем, рівняння цієї хвилі має вигляд
/>(2)
де /> – циклічначастота, що реєструється приймачем у системі К'. Відповідно до принципувідносності закони природи мають однаковий вигляд в усіх інерціальних системахвідліку. Оскільки йдеться про одну й ту саму хвилю, то в обох системах відлікуфази коливань у рівняннях (1) і (2) однакові, тобто
/>(3)

де /> i /> – координати і час однієї й тієїсамої події відповідно в системах відліку К і К'. Початок відліку часу в даномувипадку вибрано так, що в момент збігу початку координат обох систем t=t’= 0.
Рівняння (3)перепишемо так:
/> (4)
Підставимоу (4) формули перетворення Лоренца (8.11) І порівняємо коефіцієнти однаковихзмінних. При цьому маємо
/>(5)
/>(6)
Аналогічнопідстановкою формул (8.10) у (8.15) одержимо
/>(7)
/>(8)
Формули(8.16) і (8.18) описують ефект Доплера, а (8.17) і (8.19) -аберацію світла.
Розглянемоокремий випадок, коли хвиля поширюється вздовж осі Ох. Тоді /> і співвідношення (8.16)набуває вигляду
/> (9)

Якщоперейти від циклічної частоти /> до звичайної v, то вираз (9) матиме вигляд
/>(10)
Зміначастоти у цьому випадку називається поздовжнім ефектом Доплера.
Якщовідносна швидкість мала (v«с), то співвідношення (10)можна наближено записати так:
/>(11)
тобто між /> і /> має місце лінійназалежність. Тому іноді поздовжній ефект Доплера називають ефектом першогопорядку. Співвідношення (11) також можна записати так:
/> (12)
де /> Із виразу (12)випливає, що при додатній відносній швидкості, тобто коли джерело світлавіддаляється від приймача, він реєструє частоту/>тобто мас місце червоне зміщення.Для випадку, коли джерело світла наближається до приймача (v.
Якщо ізсистеми К' ведуться спостереження в напрямі, перпендикулярному до напрямупоширення хвилі, то /> Із рівності (7) маємо

/>
або (13)
/>
тобто між V'/Vі р має місце квадратична залежність. Це явище називається поперечним ефектомДоплера, який є ефектом другого порядку. Він не залежить від знаку швидкості />. Цей ефект чисторелятивістський і не має місця для звукових хвиль.
Поперечнийефект Доплера вперше спостерігали Г. Айвс і Дж. Стілуелл у 1938 р. Джереломсвітла був пучок каналових променів атомів водню, які рухались зі швидкістю /> м/с. Швидкість/> розраховуваласьза величиною прикладеної до електродів напруги, а також за величиноюпоздовжнього доплерівського ефекту. Світло, що випромінюється рухомими атомамиперпендикулярно до напряму їх руху, спрямовувалось у спектрограф.
Узагальному випадку вектор відносної швидкості можна розкласти на радіальну(променеву) і нормальну складові. Перша складова зумовлює поздовжній, а друга — поперечний ефект Доплера.
Експериментальнепідтвердження поздовжнього ефекту Доплера було вперше здійснено в астрономіїпри порівнюванні частот водневих ліній у спектрі зірок Веги і Сіріуса звідповідними лініями водню в спектрі газорозрядних трубок. Зміщення ліній далозмогу визначити променеву швидкість цих зірок відносно Землі. Тепер таківимірювання доведено до великої точності (до 1 км/с), і вони є майже єдинимметодом вимірювання променевих швидкостей космічних тіл.
Поздовжнійефект Доплера зумовлює також розщеплення на два компоненти спектральних ліній,що випромінюються подвійними зірками (система з двох тіл, що здійснюютьобертання навколо спільного центра мас).
Тепловийрух молекул газу, що світиться, зумовлює доплерівське розширення спектральнихліній, за яким можна вимірювати температуру газу.
1.3Фотонна теорія світла.Маса та імпульс фотона. Досліди Боте та Вавилова
Фотоефектмає не тільки широке технічне застосування, але й важливе теоретичне значенняпри з'ясуванні природи світла.
Якзазначалось, для пояснення розподілу енергії випромінювання в спектрі абсолютночорного тіла М. Планк висунув гіпотезу, що світло випромінюється порціями,енергія яких />.Для з'ясування законівфотоефекту довелось припустити, що світло поглинається порціями енергії.Ціявища неможливо пояснити на основі класичної фізики.
Оскільки усвітловому потоці енергія розподілена не рівномірно у просторі, а переноситьсяокремими фотонами, то вона і в часі повинна сприйматися дискретними порціями.Проте концентрація фотонів за звичайних умов настільки велика, що світловийпотік сприймається як неперервний потік енергії.
/>
Мал.2
Якщо світло має корпускулярні властивості, то в слабких світловихпотоках повинні мати місце флуктуації. Такі флуктуації спочатку були виявленідля короткохвильового випромінювання (рентгенівського і /> -випромінювання). Одниміз перших флуктуацію спостерігав В. Боте (1891-1957). У своїх дослідах він міждвома газорозрядними лічильниками Л розташовував тонку металеву фольгу Ф (мал.2).Фольга опромінювалася слабким потоком рентгенівських, променів, піддією якихвона сама ставала джерелом цих променів. Оскільки інтенсивність падаючого нафольгу рентгенівського опромінювання була малою, то кількість квантів, які випромінювалисьнею, була невеликою. При потраплянні рентгенівських променів у лічильник вінспрацьовував і приводив у дію механізм М, який робив мітку на рухомій стрічці С.Якби із джерела Ф в усі сторони поширювались хвилі, як цього вимагає теорія прохвильову природу світла, то обидва лічильники спрацьовували б одночасно й міткина стрічці знаходились би одна навпроти другої. Якщо ж джерело Ф випускаєрентгенівські кванти ліворуч і праворуч неузгоджено, />тобто безладно, то відповідно і розташування міток на рухомійстрічці повинно бути безладним, що і спостерігалося в дійсності. Такийрезультат і повинен бути отриманий відповідно до квантових уявлень про світло.
/>
Мал.3
Особливезначення має виявлення флуктуацій світлових потоків для видимого світла. Такідослідження виконали С.І.Вавилов із співробітниками. Приймачем у цих дослідах булолюдське око.
Щобзрозуміти ідею дослідів Вавилова, нагадаємо деякі відомості про око. В сітківціока є два типи елементів, які сприймають світло, це колбочки і палички.Колбочки переважно знаходяться поблизу оптичної осі ока, і з ними зв'язанийапарат колірного зору. Палички переважають у периферійній частині сітківки,вони зумовлюють сірий, так званий присмерковий зір. їх чутливість значнопереважає чутливість колбочок. Вони здатні реагувати на світловий потік,зумовлений падінням на рогівку до двохсот фотонів зеленого світла. Внаслідоквідбивання і поглинання сітківки досягає декілька десятків фотонів. Цякількість визначає так званий поріг зорового відчуття. У разі падіння меншоїкількості фотонів зорове відчуття не виникає. Досліди Вавилова базувались наіснуванні порогу зорового відчуття. Схема установки Вавилова для спостереженняфлуктуацій світлового потоку зображена на (мал.3)
Око фіксується на слабке червонесвітло джерела S. У цьому разі головний світловий потік від лампи L, виділений діафрагмою D падає на периферійну частину сітківки ока. На шляху від дзеркала Z до ока розміщено диск В з отвором. Диск приводиться в рухсинхронним електродвигуном М і робить один оберт за секунду. Розмір отворутакий, що світло проходить крізь нього протягом 0,1 с і спостерігач реєструє короткочаснийспалах. Зелений світлофільтр F і нейтральний фотометричнийклин К дають змогу виділити досліджувану ділянку спектра та ослабити потік, щопопадає в око. Для абсолютних вимірювань енергії, яка і відповідає пороговізору, дзеркало Z приймають і діафрагму D освітлюють практичним повнимвипромінювачем Т. Спостерігач у момент спалаху на рухомій стрічці робивпозначки. На ній же відмічався кожний оберт диска в момент, коли світлопроходило крізь його отвір. Виявилось, що у випадку, коли світловий потікперевищує поріг зорового відчуття, спостерігач фіксує кожний спалах, а іззменшенням потоку до величини, що відповідає порогу зорового відчуття, не всіспалахи. Спостерігач реєстрував також спалахи і при середньому потоці, меншому,ніж поріг зорового відчуття. Це зумовлено флуктуаціями кількості фотонів вокремих потоках: в одних випадках їх проходила достатня кількість, щоб викликатизорове відчуття, а в інших недостатня.
Застосовуючистатистичні методи, С.І.Вавилов на основі експериментальних даних визначивсередню кількість фотонів у світловому потоці. Отже, безпосередньо доведенадискретна, квантова структура світла, тобто підтверджено існування світловихчастинок – фотонів, енергія яких />h/>. Виходячи Із закону взаємозв'язку маси і енергії, можна визначитимасу фотона
/> (14)
Так, длямонохроматичних світлових променів, до яких чутливість людського окамаксимальна (/>= 0,555 мкм), маса фотона />=4*10/>кг, дляжорсткого рентгенівського випромінювання маса фотона порівняна з масоюелектрона, а для /> -випромінювання — більша за масуелектрона. Частинка, яка рухається зі швидкістю V і має масу спокою />, матиме масу
/> (15)
Оскільки фотон рухається у вакуумі зі швидкістю с, то знаменник уформулі (15) перетворюється в нуль. З рівності (14) випливає, що маса фотонаскінченна. Це можливо за умови, коли маса спокою фотона дорівнює нулю. Отже,фотон — це особлива частинка, яка істотно відрізняється від таких частинок, якелектрон, протон, нейтрон, що мають відмінну від нуля масу спокою. Фотон не має маси спокою іможе існувати тільки в русі зі швидкістю c. Імпульс фотона
/>/> (16)

де/>=/>, /> - модульхвильового вектора k.У векторній формі співвідношення(16) набуває вигляду
/> (17)
Рядявищ вказує на те, що світло поводить себе як потік частинок (фотонів). Але неслід забувати, що такі явища, як інтерференція і дифракція світла, можуть бутипояснені тільки на основі хвильових уявлень.
Отже,світло має корпускулярно-хвильові властивості (двоїстість): в одних явищахпроявляється хвильова природа світла, і воно поводить себе як електромагнітнахвиля, в інших – його корпускулярна природа, і воно поводить себе як потікфотонів.
1.4Тиск світла. Досліди Лебедєва
Середрізних дій світла тиск займає особливе місце. Ідея про те, що світло повиннотиснути на освітлювані ним поверхні, була висловлена ще Й. Кеплером(1571-1630), який вбачав у ній пояснення напрямів хвостів комет.
Двоїстаприрода світла значно утруднює наочну інтерпретацію властивостейвипромінювання. З іншого боку, нерозривна єдність хвильових і корпускулярнихвластивостей світла дає змогу глибше зрозуміти і пояснити ряд явищ, зумовленихвзаємодією випромінювання з речовиною.
З поглядуквантової теорії тиск світла зумовлений зміною імпульсу фотонів при поглинанніта відбиванні їх поверхнею тіл.
Виведемоформулу тиску світла на основі квантової теорії. Нехай на поверхню площею /> падає потікфотонів концентрації п під кутом /> (мал.4). Визначимо число фотонів />, яке падає на площадку /> за час />. Для цьогопотрібно концентрацію фотонів п помножити на об'єм похилого паралелепіпеда,висота якого />. Тоді
/>.
/>/>
Мал.4
Імпульсодного фотона частоти V дорівнює />, його напрям визначається напрямом рухуфотонів. Тиск спричиняє зміна нормальної складової імпульсу Кп, якадорівнює />.Тоді нормальна складова імпульсу фотонів, які падають на площадку /> за час />,
/> (18)
Якщоповерхня непрозора, а коефіцієнт дзеркального відбивання нею світла />, то повназміна нормальної складової імпульсу відбитих і поглинутих фотонів
/>
Враховуючи,що зміна імпульсу дорівнює імпульсу сили, можна записати
/>.

Тоді тисксвітла
/>.(19)
Добутокконцентрації фотонів п на енергію фотона /> дорівнюєоб'ємній густині /> світлової енергії. Тоді
/>.(20)
У разінормального падіння світла (/>= 0) його тиск виражаєтьсяформулою
/>.(21)
Якщокористуватись густиною потоку світлової енергії и =/>, то формулу (9.10) можна записатитак:
/>.(22)
/>
Мал.5

На основі електромагнітної теорії виникнення тиску пояснюєтьсятак. Нехай на тіло А перпендикулярно до його поверхні падає електромагнітнахвиля (мал.5). Електричний E і магнітний H вектори світлової хвилі лежать у площині поверхні тіла А. Під дієюсили /> додатніелектричні заряди тіла зазнаватимуть зміщення в напрямі E, а від'ємні – упротилежному напрямі. Зміщення зарядів створюють поверхневий струм, паралельнийвектору Е. У металах та інших провідниках це струм провідності, а вдіелектриках – поляризаційний струм зміщення. Магнітне поле світлової хвилідіятиме на цей струм за законом Ампера із силою />, напрям дії якої збігається знапрямом поширення падаючої хвилі. Сила, що діє на одиницю площі поверхні,являє собою тиск світла. На основі електромагнітної теорії Дж.Максвелл одержавформулу для обчислення тиску світла на тіло, яка збігається з формулою (20).
Отже,результати, одержані на основі квантової і хвильової теорій світла, однакові.
У 1900 р.П.М.Лебедєв вперше експериментально виміряв тиск світла на тверді тіла. Наоснові дослідів він дійшов висновку, що тиск світла на дзеркальну поверхню удва рази більший за тиск на поверхню, що майже повністю поглинає світло.Значення тиску світла, одержане експериментально, узгоджувалося з теоретичнимирозрахунками з точністю ±20 %. У 1923 р. В.Герлах (1889-1979) повторив дослідЛебедєва і його результати узгоджувалися з теоретичними величинами і точністю ± 2 %. У 1908 р. П.М.Лебедєввиміряв тиск світла на гази.
Світловийтиск досить малий. Так, за межами атмосфери Землі інтенсивність сонячноговипромінювання дорівнює 1400 Вт/м2. Відповідний тиск при нормальномупадінні світла на поверхню, для якої р = 0,5, дорівнює />/> Па. Ця величина у 1010менша від атмосферного тиску. Незважаючи на те, що тиск світла малий, йогонеобхідно враховувати у ряді випадків. Так, сила гравітаційної взаємодіїчастинок пропорційна кубу їх радіуса, а сила світлового тиску пропорційнаквадрату радіуса частинки. Для частинок досить малих розмірів ці сили можутьбути однакових порядків. Це дає підставу зробити припущення, що хвости кометзумовлені світловим тиском.
Нерівномірністьосвітлення поверхонь штучних супутників Землі викликає небажане їх обертаннянавколо деякої осі.
Фокусуваннялазерного пучка у «пляму» досить малого радіуса дас змогу одержативеликі тиски. За їх допомогою можна мікроскопічним частинкам надатиприскорення, які в мільйони разів більші за прискорення вільного падіння, а ценабуває широкого практичного застосування.
1.5Ефект Комптока
Корпускулярнівластивості світла найбільш переконливо проявляються в явищі, яке називаєтьсяефектом Комптона. Досліджуючи розсіяння рентгенівського випромінювання різнимиречовинами, А. Комнтон (1892-1962) у 1923 р. виявив, що в розсіяномувипромінюванні, крім спектральних ліній, яким відповідає довжина падаючої хвилі/>, з'являютьсялінії, довжина хвиль яких />. При цьому було встановлено, щозбільшення довжини хвилі /> не залежить від довжини падаючоїхвилі /> івід природи розсіювальної речовини, а залежить від кута /> між напрямом розсіянняі напрямом падаючого випромінювання. Експериментально встановлено, що
/>
Мал.6
/> (23)

де /> – стала величина. Оскільки змінадовжини хвилі />, не залежить від природирозсіювальної речовини, то розсіяння рентгенівського випромінюваннявідбувається на слабкозв'язаних електронах різних речовин. Ефект Комптона можнапояснити тільки на основі уявлень про корпускулярну природу випромінювання,розглядаючи розсіяння як процес пружного зіткнення рентгенівських фотонів зелектронами. Оскільки енергія фотона характеристичного рентгенівськоговипромінювання значно перевищує енергію зв'язку зовнішнього електрона в атомі,то такий електрон можна вважати практично вільним.
Розглянемопружне зіткнення рентгенівського фотона, енергія якого /> іімпульс />. Оберемосистему координат, в якій електрон до зіткнення з фотоном знаходиться у спокоїі має масу />.Після зіткнення з електроном розсіяний під кутом /> фотон має енергію /> і імпульс />, а електронмас енергію тс2 і імпульс /> (мал.6). На основі законів збереженняімпульсу та енергії маємо
/> (24)
де />.
Відповіднодо теореми косинусів з (мал.6) маємо
/> (25)
Розділиморівняння (24) на /> і піднесемо його до квадрату.Тоді

/> (26)
Привідніманні рівняння (25) від (26) одержимо
/> (27)
Оскільки /> та враховуючите, що />, а/>, ізспіввідношення (27) одержуємо
/> (28)
де величина/>мназивається комптонівською довжиною хвилі. Отже, теоретично одержані даніповністю збігаються з результатами експерименту. Цим самим ефект Комптона нетільки підтверджує фотонну теорію світла, але доводить справедливість законівзбереження енергії та імпульсу при взаємодії фотона з електроном.
Наявність урозсіяному промінні спектральних ліній, довжина хвиль яких не зазнала змін,вказує на те, що деякі рентгенівські фотони розсіюються без зміни енергії. Такерозсіяння відбувається на електронах, які сильно зв'язані з ядром. При цьомурозсіяння відбувається не на вільному електроні, а на системі електрон – ядро,маса якої значно перевищує масу електрона т0. З рівняння (28)випливає, що зміною />. у цьому разі можна знехтувати. Зцієї ж причини інтенсивність комптонівського розсіяння буде більшою для атомів,порядковий номер яких у періодичній системі елементів Менделєєва менший.
Результатирозсіяння рентгенівських фотонів на електронах також спостерігали нафотографіях слідів у камері ВІльсона. Крім цього, Г.Гейгер (1882-1945) ІX.Бете експериментальнодовели, що розсіяний рентгенівський фотон і електрон віддачі з'являютьсяодночасно.

Розділ 2Вивчення фундаментальних дослідів з квантової оптики в профільних класах
 
2.1  Досліди, що послужили основою виникнення хвильовоїтеорії світла
 
Оптика є, ймовірно, тимрозділом фізики, в якому вперше були проведені вимірювання. В III ст. до н.е. Евклід вже знавзакони видбивання світла від плоского дзеркала, а в II ст. до н.е. Птолемейдосліджував заломлення світла, але його досліди дали невірні результати.
В сучасному вигляді законзаломлення світла був сформульований В.Снеллиусом (1580—1626). ВисновокСнелліуса не зберігся, швидше за все це була теоретична робота. Р.Декарт зновсформулював закон заломлення світла в 1638р. і привласнив йому ім'я Снелліуса.
XVII в. був часом справжнього прогресу оптики. Одним з важливих питаньбуло питання про те, як розповсюджується світло. В дослідах учня ГалілеяТоррічеллі по вимірюванню атмосферного тиску в 1643 р. з'ясувалося, щоможна бачити через верхню частину барометра; це означало, що світлорозповсюджується у вакуумі і для його розповсюдження не потрібне матеріальнесередовище.
В 1669 р. Э. Бартолин (1625-1698) встановив,що деякі кристалічні речовини не підкоряються закону заломлення, в нихвідбувається розділення променя на два.
Християн Гюйгенс, як ми вжезнаємо, займався проблемами механіки і оптики. Саме ці розділи фізики зіграливедучу роль в становленні класичної фізики. Не випадково багато ученихзаймалися одночасно вивченням і механічних, і оптичних явищ.
Гюйгенс, захопившися вмолодості шліфуванням скла, виготовив лінзи з величезними фокусними відстанями(більше 60 м), удосконалив конструкцію телескопа і проводив астрономічніспостереження. Найбільшим внеском Гюйгенса в розвиток фізики була розробленаним теорія світла. Свої переконання на світло Гюйгенс неодноразово представлявна засіданнях Паризької академії наук і в 1690 р. висловив їх в роботі«Трактат про світло».
Гюйгенс сформулював принцип,який тепер носить його ім'я. Згідно цьому принципу світло — хвильове явище, і кожнуточку середовища, до якого дійшла світлова хвиля, можна вважати джереломвторинних хвиль, а положення хвильового фронту визначається огинаючій вторинниххвиль в певний момент часу.
Вважаючи світло подовжнімихвилями, Гюйгенс пояснив явище заломлення світла.
Ньютон же вважав, що світлоє потоком корпускул, що рухаються за інерцією. Таке уявлення дозволило пояснитипрямолінійне розповсюдження світла.
Складнощі виникли припоясненні подвійного променезаломлення в кристалі ісландського шпату. Це явищене можна було пояснити, виходячи з припущення про те, що світло є подовжнімихвилями, як вважав Гюйгенс. Для двох частин однієї і тієї ж подовжньої хвиліречовина не могла володіти різними показниками заломлення. Різне заломленнясвітла кристалом (розділення пучка світла на два після проходження через кристал),виходячи з корпускулярних представлень Ньютона, можна було пояснити, якщоприпустити, що частинки світла анізотропні, як магніти, і кристал їх сортує.
Ф. Грімальді, намагаючисьз'ясувати, до якого ступеня можна довести різкість тіні, досвідченим шляхомвстановив, що при освітленні шпилькового отвору тінь розмивається, з'являютьсяряди кольорових смуг. Досвід їм проводився з сонячним світлом в затемненійкімнаті. Результати дослідів були опубліковані в 1665 р. — через два роки після смертіГрімальді. Ньютон не надав значення дослідам Грімальді, хоча в них фактичнобуло відкрито явище дифракції світла, що неспростовно доводило його хвильовівластивості.
Ефект обгинання світломперешкод перевідкриті Р.Гуком в 1672 р. Цими дослідами Ньютон зацікавився і провів досліди за допомогоюзвужуючої щілини, але із якихось причин залишив їх незавершеними.
Погляди Ньютона навластивості світла не були однозначними. Ньютон допускав обгинання світломперешкод. Виконавши експеримент на установці, яка тепер носить назву «кільцяНьютона», він фактично спостерігав інтерференцію світла. Ньютон висунувприпущення про те, що корпускули викликають коливання в сітківці ока, створюючирізні колірні відчуття: «найкоротші» — відчуття фіолетового кольору, «найдовші» — червоного.
Віддаючи перевагукорпускулярної теорії світла, Ньютон бачив ширше сучасників. Корпускулярніуявлення були лише частиною ньютонівських поглядів на світлові явища. Ньютонвизнавав і досліджував також і хвильові властивості світла.
Таким чином, ми бачимо, що впоглядах Ньютона на природу світла був присутній корпускулярно-хвильовийдуалізм — визнання одночасного існування у світла і корпускулярних, і хвильовихвластивостей.
В кінці XVIII в. виникли сумніви всправедливості корпускулярної теорії: спостереження Грімальді вдалося пояснитина основі хвильових уявлень.
О.Ж.Френель створив повнухвильову теорію світла. Прихильник його поглядів Д.Араго провів разом зФренелем безліч дослідів. Зокрема, Френель і Араго провели експеримент, якийдозволив знайти в центрі геометричної тіні світлу пляму, що виходило зхвильової теорії світла.
Хвильові властивості світламогли бути знайдений в явищах інтерференції і дифракції. Ці явища нерозривнийпов'язані один з одним. Відмінність між ними полягає в тому, що в явищідифракції бере участь один пучок світла, а в явищі інтерференції — два і більше.
Т.Юнг зрозумів, що не можначекати інтерференцію від двох незалежних джерел світла, і в 1807 р. виконав досвід повиявленню не тільки дифракції, але і інтерференції світла.
Початок XIX ст. можна вважати часом, коли перемогла хвильова теорія світла.
В кінці XIX — початку XX в. у фізику прийшли квантовіідеї. Завдяки дослідженням теплового випромінювання, явища фотоефекту і цілогоряду інших явищ стало ясно, що світлу властиві не тільки хвильові, але ікорпускулярні властивості.
Відродилися в певномузначенні ідеї Ньютона про корпускулярні, переривисті властивості світла. Протевідродження цих ідей не було поверненням до уявлень XVII в.
Згідно квантовим ідеямсвітло одночасно володіє властивостями і хвилі, і частинки, не будучи ні тим,ні іншим. Світло — діалектична єдність переривчастого і безперервного, частинки іхвилі. Він володіє суперечливими властивостями, і ця суперечність зв'язана зтим, що людина як істота макроскопічна неминуче намагається перенести своїуявлення про оточуючому його макросвіт, зокрема уявлення про «морські хвилі ітенісні м'ячі» (по образному виразу Р.Фейнмана), на мікрооб'єкти.
Подвійність властивостейсвітла отримала назву корпускулярно-хвильового дуалізму. В науці затвердиласяідея, неявно присутня в переконаннях Ньютона ще в XVII в.
Досліди Ньютона по дисперсіїі інтерференції світла
Дослідження в області оптикиІ.Ньютон почав вести, ще будучи студентом, а популярність як учений-фізикпридбав після 1668 р., коли їм була виготовлена модель телескопа-рефлектора. В 1673 р. на засіданніЛондонського Королівського суспільства була представлена праця «Нова теоріясвітла і кольорів», в якому Ньютон описував свої досліди по дисперсії світла.
Погляди Ньютона на світловіявища, як вже наголошувалося, не були однозначними. Намагаючись з'єднатикорпускулярні і хвильові уявлення, Ньютоном враховані корпускулярнимуявленням, беручи активну участь в дискусії з питання про те, що таке світло, зР.Гуком. Підсумок своїх досліджень в області оптики Ньютон опублікував тільки в1704 р. — після смерті Гука — в творі «Оптика».
В 1666 р. И. Ньютон провівдосліди з скляними призмами і відповів на питання: «Яка фізична властивістьдозволяє світлу створювати такі прекрасні відчуття, як колір?» Результати цихдослідів були опубліковані в 1672 р.
В цій роботі Ньютон писавпро те, як він експериментально встановив, що проміння, відмінне за кольором,по-різному заломлюється скляною призмою. Досвід полягав в наступному. Шматокщільного паперу з паралельними сторонами був розділений лінією,перпендикулярною паралельним сторонам. Одна частина шматка паперу булаяскраво-червоною, інша яскраво-синьої. Цей шматок паперу розглядався черезтовсту скляну призму із заломлюючим кутом в 60°. Якщо призма розташовуваласьпереломним кутом в низ, то розфарбований папір через призму здавався піднятою,причому синя частина здавалася піднятою більше, ніж червона. Якщо ж призмарозташовувалась заломлюючим кутом вгору, то частини паперу здавалися опущеними,і синій шматок здавався зміщеним вниз дещо більше, ніж червоний. Так булопоказано, що світло, що викликає відчуття синього кольору, заломлюєтьсясильніше за світло, що викликає відчуття червоного кольору.
Далі в роботі йшлося про те,що до складу сонячного (білого) світла входить проміння різних кольорів — проміння, по-різному щозаломлюються скляною призмою.
Досліди проводилися всонячний день в темній кімнаті. Крізь виконаний у віконниці невеликий отвір(біля V3дюйма) в кімнату проникало світло. Світло прямувало на призму, і на протилежнійвід вікна стіні кімнати виходило подовжене зображення Сонця з веселковимчергуванням кольорів. Ця веселкова смужка була спектром білого світла. Ньютонввів сім основних кольорів спектру — червоний, оранжевий, жовтий, зелений, голубий, синій, фіолетовий.Спектр сонячного світла був безперервним, і кольори плавно переходили один водного.
Потім Ньютон провіввирішальний експеримент: «частину спектру» (світло одного кольору) направив наіншу скляну призму. Друга призма подальшої зміни забарвлення не давала. Такбуло встановлено, що утворювати спектр — це не властивість призми, а властивість світла.
Для доказу складного складубілого світла після розкладання світла в спектр всі пучки спектру зновзбиралися за допомогою лінзи — виходило біле світло.
В другій частині книги«Оптика» описані досліди Ньютона, що «стосуються віддзеркалень, заломлень ікольорів тонких прозорих тіл».
Щільно притискуючи один доодного дві скляні призми, «які випадково були дещо опуклими», Ньютон помітив,що світло по-різному проходило через ці призми: предмети, що знаходяться запризмами, були то видні, то не видні, залежно від того, як призми булипритиснуті один до одного, тобто залежно відтого, яким був прошарок повітря між призмами.
При малому значенні кута нахилупадаючого проміння до шару повітря (при великому значенні кута падіння)з'являлося багато кольорових дуг. Рухаючи призми один щодо одного, можна булодобитися того, що дуги утворювали кольорові кільця.
Для більш точнихспостережень Ньютон використовував два об'єктивні скельця від об'єктиву длятелескопа —плоско-випукле і двоопукле (дві збираючі лінзи). Наклавши двоопуклу лінзу наплоску сторону другої лінзи, Ньютон злегка стискав скельця, при цьомуспостерігалася поява кольорових кругів і зміна їх положень при різному натискуна лінзи.
При стисненні лінз діаметрикольорових кілець збільшувалися, а ширина кожного з кольорових кілецьзменшувалася. Послідовність кольорів в кільцях зберігалася і відповідалапослідовності спектральних кольорів, але в центрі різні кольори зміняли одинодного. Врешті-решт в центрі з'являлася темна пляма.
При підйомі верхнього скланад нижній діаметр кілець зникав, товщина їх зростала, в центрі пляма булапрозорою. За прозорою центральною плямою кольори йшли від синього до червоного.Було дуже важко розрізнити фіолетовий колір, іноді здавалося, що сусідніспектральні кольори зливаються, утворюючи біле кільце. Добре спостерігалосяостаннє з першої серії веселкових кілець червоне кільце. Далі слідувала ще однасерія кольорових кілець, тут вже майже всі кольори були виразно видні, слабішеза все був представлений зелений колір.
Ньютон спостерігав картинукольорових кілець як в проходячому, так і у відбитому світлі.
Зараз ми розуміємо, щоНьютон спостерігав явище інтерференції світла в тонкому шарі повітря, щозаповнював проміжок між двома стеклами. Колір, ширина і діаметр кільцявизначаються умовами максимумів і мінімумів для світла з різною довжиною хвиліпри різній товщині повітряного прошарку. Крім того, грає роль частка того або іншогокольору в спектрі. Червона ділянка спектру представлена широкою частиноюкольорової смужки, він спостерігається краще всього.
Таким чином, в експериментахз так званими кільцями Ньютона була знайдена періодичність, властива світлу іщо не поєднується з уявленнями про світло як про потік корпускул.
Ньютон повторив досліди подифракції світла різного кольору і встановив, що ширина смуг, що виникають приобгинанні світлом перешкод, залежить від кольору світла і що ширина смуг длясвітлових пучків червоного кольору більше, ніж для світлових пучків фіолетовогокольору.
Таким чином, кінець XVII в. був ознаменованийвідкриттям інтерференції і дифракції світла, встановленням складного складубілого світла і, як буде показаний пізніше, доказом кінцівки швидкостірозповсюдження світла. В XVIII в. хвильові уявлення про світло були практично забуті, більшістьучених дотримувалася корпускулярних переконань. Ситуація серйозним чиномзмінилася на початку XIX в.
2.2Досліди Юнга
Англійський вчений Т Юнгпротягом всього свого життя займався вивченнямоптичних явищ. Інтерес до них був викликаний результатами дослідів по поляризацію світла, проведеними в 1810-1815 рр., і роботами в областіоптики О.Ж.Френеля, виконаними в 1815-1823 рр. Юнг був прихильником ідей Френеля, переписувався з ним іперекладав його роботи на англійську мову.
В роботі «Про теорію світлаі кольорів» Юнг писав, що світло є хвильовим процесом в заповнюючому Всесвітсвітлоносному ефірі. Відчуття кольору, по Юнгу, залежать від різної частотиколивань, порушуваних світлом в сітківці. Далі Юнг пояснював кольори подряпинна непрозорих поверхнях і робив висновок про те, що ці кольори мають те жпоходження, що і кольори тонких прозорих плівок. При цьому Юнг детальнообговорював досліди Ньютона, в ході яких спостерігалися веселкові кільця.
В роботі «Лекція про природусвітла і кольорів» з курсу лекцій «по натуральній філософії і механічнимремеслам» Т.Юнг висунув ідею про те, що, якщо світло — хвильовий процес, то длянього повинні спостерігатися ті ж явища, які характерні для механічних хвиль(наприклад, для хвиль на воді і для звуку). Юнгом був зроблений дуже важливийвисновок про те, що для спостереження взаємного посилення або гасіння світловиххвиль (тобто для спостереження явища інтерференції) світло повинне виходити відодного джерела. При цьому світло слід розділяти за допомогою явищ дифракції,віддзеркалення або заломлення: світло повинне приходити в деяку областьпростору різними шляхами, але при цьому так, щоб різниця цих шляхів була недуже велика.
Тепер ми розуміємо, що привеликій різниці ходу не зможуть зустрітися цуги хвиль, отримані при розділенніяким-небудь чином хвильового цугу, утвореного в одному акті випуску світлаатомом речовини.
Юнг запропонувавнайпростіший, на його думку, спосіб розділення світла від одного джерела на двічастини: пропустити світло через два дуже маленьких отвори або дві щілини векрані, які можна розглядати як центри що розходяться у всі сторони пучківсвітла (мал., де А — щілина, що є джерелом світла — вона виділяє вузький пучок світла від джерела, що знаходиться за нею; бі З — дві щілини в екрані, завдяки яким світло від джерела.А ділиться надві частини). Якщо на шляху отриманих пучків світла поставити екран, то вобласті, куди потрапляє світло від обох отворів (або обох щілин) повиннеспостерігатися взаємне посилення і гасіння світла залежно від відстаней, якісвітло пройшло, перш ніж потрапив в ту або іншу точку екрану (залежно відрізниці ходу проміння).
На екрані дійсноспостерігалася картина, в центрі якою була біла пляма або біла смуга. Далісиметрично щодо центру картини розташовувалися кольорові смуги.
Досвід Юнга одночасно бувприкладом інтерференції і дифракції світлових хвиль, оскільки інтерференційнакартина виходила при накладенні двох пучків світла, утворених в результатідифракції на двох отворах або двох щілинах.
В роботі Юнга не мовилосяпро спосіб формування пучка світла, падаючого на два отвори або дві щілини.Тепер ми розуміємо, що перша щілина А в установці Юнга (див. мал.) була необхідна для тогна щілини В is. З падало світло тільки від близько розташованих ділянок реальногосвітиться тіла, що знаходиться за першою щілиною. В цьому випадку щілини В і З«ділили» світло фактично від одного джерела на дві частини і тому ці щілиниможна було вважати когерентними джерелами світла. Хвилі від когерентних джерелпри накладенні давали інтерференційну картину.
Таким чином, досліди Юнга неспростовно свідчили про те, що світлоє хвильовим процесом.
2.3 Досліди по поляризації світла
Явище незвичайного заломленнясвітла (порушення закону заломлення) було вперше знайдено Э. Бартолином в 1669 р. Кристал карбонатукальцію, званий ісландським шпатом, розділяв вузький пучок світла на два, якійшли по різних напрямах. Один пучок світла взагалі не підкорявся закону заломлення: принульовому куті падіння кут заломлення був відрізнений від нуля, а другий пучокзаломлювався відповідно до закону заломлення. Зцієї причини перший промінь отримав назву незвичайного, другий — звичайного.
Ісландський шпат — різновид карбонату кальцію;він кристалізується у вигляді кристалів гексагональної системи і володіє яскраво вираженим подвійнимпроменезаломленням. Кристали ісландського шпату зустрічаються в природі увигляді великих і оптично чистих зразків. І зараз ісландський шпат є якнайкращимматеріалом для вивчення явища подвійного променезаломлення, не дивлячись на те,що існує багато штучних кристалів з властивостями, подібними властивостямісландського шпату.
Кристал ісландського шпатулегко виколюється у вигляді ромбоедра з гранями у формі ромбів з кутами близько102 і 78°.
Досліди по подвійномупроменезаломленню були повторені Гюйгенсом і описані їм в «Трактаті просвітло». Гюйгенс помітив, що якщо пропустити світло послідовно через двакристали ісландського шпату, то після вторинного проходження через кристал припевній орієнтації світлового променя і кристала, промінь практично повністюзникає. Це означало, що, пройшовши через кристал, світло придбаває новівластивості, стає не таким, яким був до кристала.
Згодом явище, яке спостерігавБартолін, а потім Гюйгенс, дослідив і назвав полярністю світла Етьен Луї Малюс (1775-1812).
В 1808 р. Французька академіязапропонувала досліджувати подвійне променезаломлення з погляду йоготеоретичного пояснення. Це дослідження провів Малюс. Спостерігаючи черезкристал ісландського шпату віддзеркалення Сонця, що заходить, від склаЛюксембургського палацу, Малюс помітив, що через кристал видні або одне, абодва зображення Сонця. Далі Малюс став досліджувати світло від різних джерел,відображений від поверхні води або скла. В результаті цих досліджень Малюсзробив висновок про те, що властивості світла змінюються не тільки припроходженні через кристал, але і при віддзеркаленні.
Своє відкриття Малюснамагався пояснити, виходячи з корпускулярної теорії світла. Адже визнаннясвітла подовжніми хвилями в світлоносному ефірі не допускало саму можливість поляризации світла.Юнг також визнавав, що відкриття Малюса не вдається пояснити на основі існуючихтеоретичних уявлень. Юнг вважав, що в процесі розвитку фізичної теорії інодідоводиться залишати невирішеним окремі питання, які можна вирішити надалі.
Явище поляризації булопояснено після створення Дж.К.Максвеллом теорії електромагнітних явищ,підтвердження цієї теорії в дослідах Р. Герца, вимірювання швидкості світла івстановлення завдяки всьому цьому електромагнітної природи світла. Світло якокремим випадком електромагнітних хвиль є поперечні хвилі і саме тому за певнихумов спостерігається його поляризація,властива тільки поперечним хвилям.
На основі ісландського шпатустворюють різноманітні кристали, що дозволяють отримати після проходження черезних тільки незвичайний промінь.
Одним з таких кристалів єтурмалін — двозаломлюючий кристал, в якому звичайний промінь заломлюєтьсязначно сильніше незвичайного.
Якщо провести досвід з двомапластинами — кристалами турмаліну, пропустившисвітло послідовно спочатку через перший, а потім через другий кристал, то призміні положення осей кристалів Т1 і Т2 один щодо одного, тобто при поворотіоднієї з пластин в площині, перпендикулярній напряму розповсюдження світла(мал.8, а), />можна отримати істотне зменшенняінтенсивності світла, що пройшло через кристали. Пропускаючи світло тількичерез одну з пластин (мал.8, б) і повертаючи її, не можнадобитися зміни інтенсивності світла, що пройшло через турмалін. Перший зкристалів є в даному випадку поляризатором — перетворить світло в хвилю, коливання вякій відбуваються в певній площині, другий кристал виступає в ролі аналізатора,знаходячи поляризовану хвилі, пропускаючи лише світлову хвилю з визначеною площиною коливань.
/>
Мал.8
Зараз ми називаємополяризацією, по-перше, особлива властивість світлової (як і будь-якоїелектромагнітної) хвилі, що полягає в тому, що вектора напруженостіелектричного поля і індукції магнітного поля в хвилі, що володіє цієювластивістю (тобто в поляризованій хвилі), коливаються не в будь-яких напрямах, а або уздовж однієїпрямої (якщо хвиля лінійно поляризована), або в одній площині (якщо хвиля плоскополяризована). Прицьому вектор напруженості електричного поля завжди перпендикулярний векторуіндукції магнітного поля. По-друге, поляризацією ми називаємо процес перетворення природного світла, в якомуприсутні самі різні напрями коливань, в поляризовану хвилю. По-третє, миназвемо поляризацією цілу сукупність фізичних явищі, включаючу подвійнепроменезаломлення (яке яскравіше за все спостерігається в ісландському шпаті),дихроізм — анізотропію поглинання (різне поглинання звичайного і незвичайногопроміння яке добре спостерігати за допомогою кристалів турмаліну), і нарешті,ще одну групу явищ — обертання площини поляризації світла оптично активнимисередовищами (кварцем, нікотином, розчином цукру і ін.).
Всі явища відносяться дополяризації, знаходять широке застосування: визначення концентрації розчинів,при виготовленні поляроїдів для оптичних приладів і фар автомобілів,поляризаційних світлофільтрів і ін.
2.4  Проблема швидкості світла у фізичній науці
Перші тортури змірятишвидкість світла були зроблені Г. Галілеєм в XVII в. Галілей і йогопомічник намагалися, знаходячись на відомій відстані один від одного, визначитичас між відкриттям заслінки ліхтаря в руках одного експериментатора і моментом,коли світло від ліхтаря помітить інший експериментатор. Проте людські реакції(тактильні і зорові) дуже повільні, щоб можна було зареєструвати такі маліпроміжки часу.
Важливість цих перших спробвимірювання швидкості світла — в самій постановці проблеми: довести кінцівку швидкості світла.Галілей називав світло «якнайшвидшим рухом». І він, мабуть, усвідомлювавнеможливість вимірювання швидкості світла. Адже час йому, як ми вже знаємо,доводилося виміряти за допомогою власного пульсу або водяного годинника. Томудосвід Галілея носив якісний характер. Головне було встановити, чи миттєворозповсюджується світло.
Пригадаємо, що Галілейпершим ввів в науку новий метод — експеримент. Ось і досліди Галілея по вимірюванню швидкості світла— також перші, хай і невдалі,досліди, направлені на рішення надзвичайно важливої проблеми фізичної науки — проблеми швидкості світла.
Що ж визначається важливістьцієї проблеми? Сьогоднішнє розуміння проблеми дозволяє нам сказати, чому такважливо рішення задачі про визначення швидкості світла.
1.Астрономічні методивизначення швидкості світла сприяли розумінню астрономічних питань прозатьмарення світил і річний паралакс зірок. (Річний паралакс зірок — уявний зсув зірок нанебесному зведенні, рух Землі, що відображає, по орбіті навкруги Сонця і зв’язанез кінцівкою відстані від Землі до світила.)
2.Земні методи визначенняшвидкості світла використовуються при геодезичній зйомці.
3.Вимірювання світла у вакууміі в інших прозорих середовищах дає підставу для дозволу суперечки між хвильовоюі корпускулярною теоріями світла.
4.Збіг значення швидкостісвітла із значенням швидкості електромагнітних хвиль, теоретично передбаченимДж.К.Максвеллом і експериментально отриманим Р.Герцем, є обгрунтовуваннямелектромагнітної природи світла.
5.Пошуки впливу руху системивідліку на швидкість світла обгрунтовують справедливість постулатів спеціальноїтеорії відносності.
Таким чином, виявляється, щовід точності результатів різних експериментів по вимірюванню швидкості світлазалежить рішення цілого ряду проблем, що виходять не тільки за рамки оптики якрозділу фізики, але і за рамки фізики взагалі.
Швидкість світла такавелика, що рішення питання не тільки про числове значення швидкості світла, аленавіть про кінцівку цієї швидкості, було непростим і зажадало довгий час.
Великий мислитель,математик, філософ Р.Декарт (1596-1650)рахував швидкість світла нескінченної. Він не бувекспериментатором і теоретично доводив нескінченність швидкості світла.
В 1634 р. Декарт в листуванніз голландським вченим И.Бекманом запропонував досвід, який міг би провести одинекспериментатор — досвід з факелом і дзеркалом. Декарт дав чисельну оцінку нижньоїмежі швидкості світла, і той факт, що в досвіді не вдалося зміряти швидкістьсвітла, тлумачив, як доказ її нескінченності. В 1690 р. X.Гюйгенс в своєму «Трактатіпро світло» писав про те, що в міркуваннях Декарта треба використовувати більшезначення швидкості і що відсутність ефекту може бути пов'язаний лише зприпущенням про мале значення швидкості світла.
Значущість проблеми визначенняшвидкості світла призводить до того, що інтерес до неї не слабшає і в данийчас. У зв'язку з появою особливих джерел світла — лазерів сталі можливиминадзвичайно точні вимірювання швидкості світла не просто в земних, а влабораторних умовах.
2.5Вимірювання швидкості світла
Астрономічні методи. Першавдала спроба вимірювання швидкості світла була здійснена не із земними, а застрономічними небесними об'єктами. Вона пов'язана із спостереженнями датчанинаО.Ремера затьмарень супутників Юпітера. (Супутники Юпітера — Іо, Європа,Ганімед і Каллісто — були відкриті Галілеєм в 1610 р.) Спостереження Ремераможна назвати науковим подвигом. В результаті цих спостережень було отриманозначення швидкості світла всього лише з 10%-і помилкою. Найголовніше була доведенакінцівка швидкості світла, і це було визнано самим Ньютоном XVII в. був століттям великихгеографічних відкриттів. В другій половині XVII в. відбувалося організаційнестановлення науки — виникали наукові журнали, наукові суспільства, академії. В задачіучених входило рішення багатьох практичних проблем. Так, для визначеннягеографічної довготи були необхідні таблиці затьмарень супутників в одномумісці на Землі.
Цією проблемою в Паризькійакадемії наук займалися два астрономи — Ж. Пікар (1620-1682) і Дж. Д. Кассині (1625-1712).В програмі їх досліджень була поїздка в Данію в обсерваторію ТихоБразі. В цей час великою популярністю користувався професор з Копенгагена Е.Бартолін. Його ім'я увійшло до історії фізики, перш за все, завдяки відкриттюподвійного променезаломлення в кристалі ісландського шпату. ж. Пікар, Дж.Кассині і Э. Бартолін разом відправилися на острів Вен для проведенняастрономічних спостережень. З ними поїхав і молодий учень Бартоліна, ОлафРемер. Саме він першим отримав достовірне значення швидкості світла.
Проаналізувавши результатибагаторічних спостережень за затьмареннями супутників Юпітера, Ремер виступив здокладом перед членами Паризької академії наук. Він розказав про те, щосупутник Юпітера Іо виходив з тіні своєї планети з деяким спізненням — приблизно на 10 мін. Ремер пояснював цекінцівкою швидкості світла і тим, що світлу вимагалося пройти відстань, рівнудіаметру земної орбіти. Світло, на думку Ремера, повинен був затрачувати на цеприблизно 22 мін. Спостереження за затьмаренням супутника в 1676 р. підтвердили прогнозРемера.
Проведені міркування можутьдати лише наближений результат, оскільки в них не враховується зсув Юпітера зачас спостереження затьмарень. Крім того, не ясно, як визначити період обігусупутника навкруги своєї планети, якщо спостерігач знаходиться на Землі.
Ремер був обережний увизначенні конкретного значення швидкості світла. У той час не було відометочне значення радіусу земної орбіти, тому перші результати Ремера були далеківід істини.
Після того, як радіус земноїорбіти був зміряний більш точно, на основі результатів спостережень Ремера булоотримано значення швидкості світла з = 214 000 км/с.
Подальші астрономічніспостереження (вивчення аберації світла) за даними Брадлея дали значення з = 284 000 км/с.
Той факт, що саме вастрономії були вперше отримані цілком відповідні істині значення швидкостісвітла, має великий сенс: перші вимірювання швидкості світла були здійснені увакуумі, отже, була отримана саме світова константа!
Земні методи. Вимірюванняшвидкості світла в земних умовах були успішно проведені лише в XIX в. і всі вони були засновані на одномупринципі. Для вимірювання швидкості світла необхідно було примусити світлобагато разів пройти одну і ту ж відстань туди і назад. Так подовжувався шляхсвітла, збільшувався час його руху, і можна було цей час зміряти і потімрозрахувати швидкість світла.
Визначення швидкості світлаземними методами пов'язано з іменами двох вчених — И. Физо і Л. Фуко. 1819 р. — початок життєвого шляху двохфранцузьких оптиків, що займалися однією і тією ж проблемою. Фізо був молодшимФуко всього на чету ре дня. В житті учених був період тісної науковоїспівпраці, який потім змінився періодом наукового суперництва.
Схема дослідів Фізо буладуже схожа на те, що пропонував Галілей для визначенняшвидкості світла. Але другий експериментатор був замінений дзеркалом (мал. .9). Після віддзеркалення віддзеркала світло потрапляло на зубчате колесо. Зображення джерела світла в цьомудзеркалі формувалося в тій крапці, де розташовувалося це колесо. За допомогоюоптичної системи світло багато разів проходило відстань від дзеркала дозубчатого колеса і назад. Проясненняполя зору наступало при удвічі більшому куті повороту, наступне затемнення —• при втричі більшому значеннікута.
/>/>
Мал.9

звідси з — 4 nlv. Фізо отримав значенняшвидкості світла 314 000 км/с — дещо більше, ніж в дослідах Ремера. Найголовніше — була доведена можливістьвимірювання швидкості світла в земних умовах. Це відбулося в 1849 р. Через рік задопомогою дзеркала, що обертається, швидкість світла була зміряна Л. Фуко.Схема досвіду показана на (мал.10 а). Світло від джерела проходилочерез напівпрозору пластинку g і збираючу лінзу L і потрапляв на плоске дзеркало />, яке могло обертатися навкругивертикальної осі. Дзеркало, що обертається, відображало світло на нерухомеувігнуте дзеркало M, оптичний центр якого лежавна осі обертання плоского дзеркала. Якщо плоске дзеркало нерухомо, світло післявіддзеркалення від увігнутого дзеркала йшло назад до плоского дзеркала,відображався від нього, знову проходив через лінзу до напівпрозорої пластинки,частково відображався від неї і потрапляв в зорову трубу dd' для спостережень. Дзеркала ілінза були розташовані так, що формували спочатку уявне зображення джереласвітла за допомогою плоского дзеркала, а потім зображення цього уявного джерела.При обертанні плоского дзеркала
/>
Мал.10

зображення уявного джерела описувало коло, радіус якого був рівнийрадіусу кривизни увігнутого дзеркала.Далі в досвіді використовувалися два увігнутідзеркала M і М' (мал.10 б). До одного з них світло йшло по повітрю. На шляхусвітла від плоского дзеркала до другого увігнутого дзеркала знаходилася труба зводою Т. Если плоске дзеркало оберталося, то за час проходження світла віднього до увігнутого дзеркала плоске дзеркало встигало обернутися на деякий кут,і виходило нове зображення джерела, не співпадаюче з колишнім. Зсуви зображень,що даються двома увігнутими дзеркалами, виявлялися різними. Зсув зображенняповинен бути більше там, де швидкість світла менше, оскільки світлу потрібнебільше часу для проходження одного і того ж шляху. Досліди показали, щозміщується більше зображення, що дається тим дзеркалом, до якого світло їлочерез трубу з водою. Звідси слідував висновок про те, що у воді швидкістьсвітла менше ніж в повітрі. В досвіді Фуко було показано, що швидкість світла уводі складає 3/4 швидкості світла в повітрі. Цей результат був дуже важливий.Річ у тому, що відповідно до корпускулярної теорії світла повинна бути більшешвидкість світла у воді, а відповідно до хвильової теорії світла — в повітрі. Таким чином, дослідиФуко показали справедливість хвильових уявлень про світло.
Розглянемо технічні деталідосвіду Фуко. Джерелом світла служив геліостат — прилад, що дозволяєконцентрувати сонячне проміння і за допомогою спеціального механізму щоорієнтувався так, що у міру зміни положення Сонця на небі зміна світилавиникала в одному і тому ж місці. Як об'єкт,зображення якого спостерігалося в зорову трубу, використовувалися тонкіплатинові нитки, натягнуті паралельно один одному. Для того, щоб кращерозрізняти зображення, що даються різними увігнутими дзеркалами, застосовувавсязелений світлофільтр для світла, що проходило через трубу з водою (оскількисвітло в зеленій ділянці спектру менше поглинається водою). Були виготовленіспеціальні маски на дзеркала, щоб зробити однаковим розмір зображень від обохдзеркал. Світло проходило через свинцеву трубу з водою завдовжки 3 м. Торці труби були закритіскляними пластинами. Для обертання легкого круглого дзеркальця діаметром 14 мм використовувався струміньпари від маленької моделі парової машини Уатта, яка працювала на спиртівці.
Важливим чинником в досвідіФуко було те, що швидко зображення, що рухається, виходило нерухомим. Двократневіддзеркалення від плоского дзеркала і спеціально підібране розташування двохувігнутих дзеркал дозволяли спостерігати ті, що швидко зміняли один одного,виникаючі в одному і тому ж місці зображення. Через «інерцію» зору зображеннясприймалися як нерухомі.
Перші досліди Фуко булиякісними. Вони показали відмінність швидкостей світла в повітрі і воді. Через 12 років — в 1862 р. — була зміряна швидкістьсвітла в повітрі. Її значення виявилося рівним 298 000 км/с. Цей результатбільш близький до сучасних даних, ніж отриманий в дослідах такого результатувикористовувалося велике число увігнутих дзеркал, що дозволило збільшити шлях,прохідний світлом, до 20 м.
Надалі швидкість світлавиміряли багато разів. Один з дослідів був поставлений в 1926 р. американськимфізиком А. Майкельсоном (1852-1931).Прилади розміщувалися на двох гірських вершинах на відстані,приблизно рівному 35 км. На одній вершині були встановлено восьмигранне сталеведзеркало, джерело світла, зорову трубу, що обертається. На іншій вершинізнаходилося плоске дзеркало. Світло могло потрапити в зорову трубу в двохвипадках: при нерухомому восьмигранному дзеркалі і при обертанні дзеркала зтакою швидкістю, при якій за час повороту дзеркала на 1/8 оборотусвітло пройшло б відстань від однієї вершини до іншої. Майкельсон отримавзначення швидкості світла, рівне 299 796 км/с.
В 1972 р. американським вченимК.Івенсоном і його співробітниками було отримано значення швидкості світла з = 299 792 456,2 м/с (зточністю ± 0,2 м/с). Розрахунок швидкості світла був виконаний за наслідкамивимірювань частоти і довжини хвилі лазерного випромінювання.
В 1983 р. було прийнятовизначення метра як довжини шляху, пройденого світлом у вакуумі протягомтимчасового інтервалу, рівного V299 792 458 с-Тому тепер швидкість світла у вакуумі приймається рівній точно 299 792 458 м/с для того, щоб кожного разу при збільшенні точностівимірювань не міняти визначення метра.

Розділ 3
 
3.1 Розподіл навчального матеріалу за урокамиДата Номер уроку Тема уроку Види роботи на уроці, хв. Домашнє завдання Вивчення теоретичного матеріалу демонстрації Розв’язування задач учителем Закріплення вивченого матеріалу Контроль знань Творча робота з учнями 1 Зародження квантової теорії 31 5 4 3 - 2 1.вступ 2 Фотоелектричний ефект. 32 6 - 5 - 2 1. П 53 3 Теорія фотоефекту 31 - 5 3 4 2
1.П.53
2.зб: №10.2,10.3. 4 Розв’язування задач - - 25 12 5 3
1.П.53
2.зб:10.13,10.14,
3.Д: с.р.№26. 5 Застосування фотоефекту 20 8 - 3 12 2
1.П54
2.зб:10.5,10.23, 6 Фотони 35 - 5 3 - 2
1.П.56.
2.Д: с.р.№11 7 Корпускулярно- хвильовий дуалізм 27 - 5 5 5 3
1.зб№10.27
2.Д: с.р.№28 8 Тиск світла 20 5 5 3 12 -
.П.53
2.зб:10.13,10 9 Хімічна дія світла 20 5 5 3 12 - Підгот.до темат. Оцінюв 10 Тематичне оцінювання 20 6 5 2 40 5

3.2 Рекомендації з проведення самостійних та контрольних робіт
Самостійніроботи, розраховані звичайно на 10 15 хв, призначені для поточного оцінюваннязнань і містять у собі якісний експериментальні і розрахункові задачі. Усісамостійні роботи складаються з декількох варіантів чотирьох рівнів складності.Учень сам вибирає рівень складності а вчитель повідомляє йому № задачі протягомсеместру учень може переходити з одного рівня складності на інший. Якщо ученьуспішно розв’язав звдачу середнього рівня (і здобув не менше як 6 балів), вінможе братися до достатнього рівня (і здобути 9 білів), і т. д.
Самостійніроботи – досить ефективна система зворотного зв’язку вчитель – учень.Наприклад, якщо 30 учнів класу 20 самі вибрали високий і достатній рівень токлас добре засвоїв вивчений матеріал. Якщо 2 учні вибрали високий рівень, 5 –достатній а інші учні середній і низький то навчальний матеріал засвоєно слабо.Учитель відразу може відмінити самостійну роботу й повернутися до поганозасвоєного матеріалу.
Рекомендаціїз проведення контрольних робіт.
Контрольніроботи складаються з 6 варіантів 4 рівні складності, і призначені длятематичного контролю знань учень сам вибирає рівень складності контрольноїроботи (від початкового до високого), а вчитель призначає йому номер варіанта.Якщо учень добре впорався з розв’язуванням задач даного рівня складності, вінможе звернутися до вчителя з проханням дати йому варіант контрольної роботибільш високого рівня для підвищення підсумкової оцінки.
Рекомендаціїз проведення тестування.
По перше,тести допоможуть учневі систематизувати навчальний матеріал і виділити в ньомунайголовніше. По-друге, вони орієнтовані на розвиток умінь застосовуватиздобуті знання. По-третє, тести допоможуть провести тематичне оцінювання цихдосягнень за допомогою тестування.
Кожний блоктестів охоплює, як правило, одну навчальну тему або її частину. В основу тестівпокладено методичні принципи завдяки яким вони є не тільки контролюючими але йнавчальними.
Тестиможуть бути органічно введені в усі форми й методи навчання і застосовуватисяна різних етапах навчального процесу для забезпечення оперативного зворотногозв’язку, для контролю й самоконтролю учні у процесі оволодіння матеріалом теми.
Наприклад:
· Під час пояснення новогоматеріалу можна розглянути тестові завдання й обговорити, які твердженняправильні а які не правильні (і чому);
· Під час початковогозакріплення навчального матеріалу можна запропонувати учням виконати за 5 – 10хв. Два – три тестові завдання, вибрані ними або вчителем;
· Виконання окремих тестовихзавдань можна запропонувати у вигляді домашньої або самостійної роботи;
· Варіанти тестових завданьможна використовувати для підготовки учнів до самоконтролю.

Висновки
Фізика,як обов’язкова частина шкільного навчання, не повинна зводитись до передачіучням розрізнених і невзаємопов’язаних знань та вмінь, а проводитись такимчином, щоб все пізнане в теорії закріплювалось практикою. Щоб досягти цьогонеобхідно розширювати та зміцнювати взаємозв’язок трудового навчання ізсуміжними дисциплінами, зокрема, хімія, метематика… Слід відмітити, що приправильному підході до здійснення взаємозв’язків фізики і суміжних дисципліннадається можливість повніше розкрити перед учнями об’єктивні закони природи,виробити в школярів науковий підхід до вирішення пізнавальних, практичнихзавдань, озброїти їх відповідними знаннями.
Вроботі було розглянуто деякі фундаментальні досліди з квантової оптики зокрема:Випромінювання Вавілова-Черенкова, Ефект Доплера,Фотонна теорія світла. Маса та імпульс фотона. Досліди Боте та Вавилова, Тисксвітла. Досліди Лебедєва, Ефект Комптока. Також розроблені плани конспекти длявивчення розділу квантова оптика в профільних класах.

Список використаної літератури
1.Павленко Ю.Г. «Оптика» — М.: Видавництво МГУ, 1992.
2.Чернощекова Т.М. «З історії розвитку поглядів на природу світла». — Горький, 1982.
3.Сивухин Д.В. «Загальний курс фізики» — М.: «Наука», 1980.
4.Ландсберг Г.С. «Оптика» — М.: «Наука», 1976.
5.Линец Ю… «Використання принципу Ферма у викладанні геометричноїоптики» /Фізика. — 1998, №7.
6.Волковыский Р.Ю. «Організація диференційованої роботи учнів при навчанніфізики» — М.: «Освіта», 1993.
7.Василихина Т. В. «Урок з разноуровневым навчанням по геометричнійоптиці» /Фізика в школі. — 1994, «1.
8.Вавилов С… „Око і сонце“ — М.: Изд-во АНСССР, 1961.
9.Перельман Я.И. „Цікава фізика“ — М.: „Освіта“, 1990.
10.Солнцев В… „Оптичні спостережливі прилади“ — М.: „Освіта“,1988.
11.Орлів В.А. „Творчі експериментальні завдання“ /Фізика в школі. — 1995, №1
12.Алешкевич В.А. „Вступні екзамени з фізики“ /Фізика. — 1988, №32,.
13.Аристахова Л.И. „Око як оптична система“ /Фізика — 1999, №11, .
14.Кабардин О… „Фізика“ — М.: „Освіта“, 1991.
15.БурсианЕ.В. „Задачі по фізиці для комп'ютера“ — М.: „Освіта“,1991.
16.Тунін О.А. „Комп'ютерне навчання і демонстраційні програми“ /Фізика.- 1999, №12.
17.Мякишев Г.Я. „Фізика-11“, — М.: „Освіта“, 1991.
18.Самойлова Г.С. „Аркуші взаємоконтролю“ /Фізика. — 1999, №42,
19Угринович Н.Д. „Питання комп'ютеризації навчального процесу“ — М.:»Освіта", 1997.
20.Коханов К.Ю. «Оптичні ілюзії в шкільному курсі фізики» /Фізика. — 1999, №11, Ю.

Додатки
Додаток1
План-конспектуроку, з фізики.
Тема:Швидкість світла
Мета уроку:ознайомити учнів із прямим і не прямим способами вимірювання швидкості світла.
Тип уроку:урок вивчення нового матеріалу.
Демонстрації:1. Таблиця швидкість світла
2.фрагменти відео фільму ”Швидкість світла”.
Вивченнянового матеріалу.
1.Швидкістьсвітла у вакуумі. У фізиці швидкість світла є однією з фундаментальнихконстант. Жодна константа не набула такого важливого значення як швидкістьсвітла: як параметр вона входить у числені рівняння теоретичної фізики їїзначення використовується в радіолокації, при вимірюванні відстаней від Землідо інших планет, під час керування космічними польотами. Виразити швидкістьсвітла через інші сталі не можливо її можна тільки виміряти дослідним шляхом. Уфізиці такі величини називаються фундаментальними.
Швидкістьсвітла є скінченною, граничною та інваріантною що до різних інерціальних системвідліку.
Скінченністьшвидкості світла доводиться експериментально прямим і не прямим методами.
Прямийспосіб грунтується на вимірювання шляху пройденого світлом, і часу йогопроходження, тобто />. У всіх прямих методахвикористовується переривання світла, що поширюється від джерела до приймача. Усучасних радіолокаційних методах передавачі посилюють імпульси, що повертаютьсяпісля відбивання на передавальну радіостанцію.
В основі непрямого способу лежить уявлення про світло як електромагнітну хвилю. У наш часза допомогою лазерної техніки швидкість світла визначається вимірюваннямдовжини хвилі і частоти радіовипромінювання незалежними один від одногоспособами ц обчислюється за формулою с=λv.
2.Астрономічний метод вимірювання швидкості світла. Вперше визначити швидкістьсвітла вдалося датському вченому Ремеру 1676 року під час спостереження одногоіз супутників Юпітера – Іо. Через малу точність вимірювання і приблизний радіусорбіти Землі від дістав для швидкості світла значення 215000 км/с. Алевідкриття Ремеера має величезну цінність, оскільки вперше було показано, щошвидкість поширення світла має скінченне значення.
3.Лабораторні методи вимірювання швидкості світла. Вперше швидкість світлалабораторним методом вдалось виміряти в 1849р. французькому фізикові Фізо. Уцьому методі використовується оптичний „затвор”, у свій час запропонованийГалілеєм. У досліді Фізо для швидкості світла було здобуто значення 313000 км/с.
Булорозроблено ще багато інших, більш точних лабораторних методів вимірюванняшвидкості світла. Зокрема американський фізик Мйкальсон розробив досконалийметод її вимірювання і застосування обертових дзеркал. За результатами дослідуМайкельсон дістав значення />км/с.
Булообчислено швидкість світла і у різних прозорих речовинах. Так, у воді вона булавиміряна 1856р. і виявилися в 4/3 разу меншою ніж у вакуумі. В усіх іншихречовинах вона також менша ніж у вакуумі за сучасними даними, швидкість світлау вакуумі дорівнює 299792458 м/с.і з точністю />1.2м/с.
До конспектуучня.
Швидкістьсвітла є скінченною, граничною та інваріантною що до різних інерціальних системвідліку.
Домашнєзавдання. Параграф 32.

Додаток 2
План-конспектуроку, з фізики.
Тема: Застосуванняфотоефекту
Мета уроку: Ознайомити учнів із практичним застосуванням явищафотоефекту.
Тип уроку: комбінований урок
Демонстрації:1.будова та принцип дії фотоелементів.
2. будова та принцип дії фотореле.
3. фрагменти відеофільму „Фотоелементи та їх застосування”.
Перевірка знань самостійна робота №1
Варіант 1.
1.Який із наведених нижче виразів найбільш точно визначає поняттяфотоефекту? Вкажіть правильну відповідь.
· Випускання електронівречовиною в результаті її нагрівання.
· Виривання електронів ізречовини під дією світла.
· Збільшення електричноїпровідності речовини під дією світла.
2.Наметалеву пластинку падає монохроматичне світло довжина хвилі якого />мкм. Фотострумприпиняється за затримуючої напруги 0,95В. Визначте роботу виходу електронів ізповерхні пластинки. (Відповідь:2еВ)
Варіант2.
1.Заякої умови можливий фотоефект? Вкажіть всі правильні відповіді.
· />
· hv=AB
· hv
2.Довакуумного фотоелемента, в якому катод виготовлений з цезію, прикладеназамикаюча напруга 2В. При якій довжині хвилі світла, що падає на катод,з’явиться фотострум? (Відповідь:330нм)
Вивченнянового матеріалу.
1.Зовнішнійфотоефект – випускання електронів із поверхні металу під дією світла. Прилади,в основі принципу дії яких лежить явище фотоефекту називається фотоелементами.У фотоелементах енергія світла керує енергією електричного струму абоперетворюється на неї.
Перевагифотоелементів: безінерційність фотострум пропорційний світловому потоку.
Недолікифотоелементів: слабкий струм, мала чутливість до довгохвильовоговипромінювання, складність у виготовленні, не використовується в колах змінногоструму.
Застосуваннязовнішнього фотоефекту в техніці:
· кіно (відтворення звуку йтелебачення)
· фототелеграф, фототелефон
· фотометрія (вимірювання силисвітла, яскравості, освітленості )
· керування виробничимипроцесами
2.Внутрішній фотоефект – зміна концентрації носіїв струму в речовині та якнаслідок зміна електропровідності даної речовини під дією світла. Це явищевикористовується у фоторезисторах – приладах, опір яких залежить відосвітленості. Крім того, сконструйовані напівпровідникові фотоелементи, якістворюють ЕРС і безпосередньо перетворюють енергію випромінювання на енергіюелектричного струму.
Застосуваннявнутрішнього фотоефекту в техніці:
· при автоматичному керуванніелектричними колами;
· у колах змінного струму;
· у фотоекспонометрах;
· у сонячних батареях;
· при оптичному записі івідтворенні звуку.
Доконспекту учнів
Зовнішнійфотоефект – випускання електронів із поверхні металу під дією світла.
Внутрішнійфотоефект – зміна концентрації носіїв струму в речовині та як наслідок змінаелектропровідності даної речовини під дією світла.
Домашнєзавдання: П 54.
Задача.
Чомудорівнює робота виходу електронів з металу якщо під дією фотонів з енергією 4еВіз поверхні металу вилітають фотоелектрони з максимальною кінетичною енергією1.5 еВ ?(відповідь 2.5 еВ.)

Додаток 3
План-конспектуроку, з фізики.
Тема:Корпускулярно хвильовий дуалізм.
Тип уроку: урок закріплення знань.
Мета уроку: ознайомити учнів з двоїстою природою світла.
Викладеннянового матеріалу
Урок можнапровести у формі уроку-семінару, узагальнивши знання учнів про хвильові такорпускулярні властивості світла.
Класичнафізика завжди чітко розмежовувала об’єкти, що мають хвильову природу (наприкладсвітло, звук), та об’єкти, що мають дискретну корпускулярну структуру(наприклад системи матеріальних точок). Одне з найбільших значних досягненьсучасної фізики – переконання в хибності протиставлення хвильових і квантовихвластивостей світла. Розглядаючи світло як потік фотонів, а фотони як квантиелектромагнітного випромінювання, що мають одночасно і хвильові, ікорпускулярні властивості, сучасна фізика змогла об’єднати, здавалося б,непримиренні теорії – хвильову і корпускулярну. У результаті виникло уявленняпро корпускулярно-хвильовий дуалізм, який лежить в основі всієї сучасноїфізики.
Корпускулярно-хвильовий– це прояв у одного і того самого об’єкта як корпускулярних, так і хвильовихвластивостей.
Заповнюєморазом із учнями таблицю „Основні відмінні властивості частинок речовини тачастинок електромагнітного поля (фотонів)”. При цьому пояснюємо кожен пункттаблиці.Речовина Електромагнітне поле
1./>
1./>/>
2./>або0
2./> 3.vМожназапропонувати учням пояснити інтерференцію світла з погляду квантової (корпускулярної)і хвильової теорії.У квантовій теорії У хвильовій теорії Під час накладання один на одного когерентних пучків світла (безлічі фотонів) відбувається взаємодія фотонів у результаті чого в різні точки екрана потрапляю різна кількість фотонів виникає локалізація підсилень і ослаблень світла (інтерференційна картина)
Під час накладання когерентних світлових хвиль виникає інтерференційна картина підсилення (мах) і ослаблення (мін) світла. Максимуми інтенсивності світла спостерігаються втих місцях, де />, мінімуми — />
Отже квантсвітла – не хвилю, але й не курпускула в розумінні Ньютона. Фотони – особливімікрочастинки енергія і імпульс яких (на відміну від звичайних матеріальнихточок) виражаються через видові характеристики – частоту й довжину хвилі.
Задачі длярозв’язування на уроці.
1. назвіть характерні властивостічастинок речовини та частинок електромагнітного поля(фотонів).
2. Знайдіть частоту й довжинухвилі випромінювання, маса фотона якого дорівнює масі спокою електрона(Відповідь: 1.24*1020Гц; 2.43 пм);
3. чому дорівнює імпульсфотона, енергія якого дорівнює 3 еВ.(Відповідь 1.6*10-27кг*м/с).
Доконспекту учнів.
Корпускулярно-хвильовий– це прояв у одного і того самого об’єкта як корпускулярних, так і хвильовихвластивостей.
Домашнєзавдання: П- 56, Підготуватися до самостійної роботи.

Додаток 4
План-конспектуроку, з фізики.
Тема заняття: Тиск світла.
Мета заняття: Сформувати знання про тиск світла.
Тип уроку: комбінований урок.
Демонстрації:дослід Лебедєва.
Перевірказнань
1. Як ви розумієте двоїступрироду світла?
2. В яких явищах виявляються хвильовівластивості світла, а вяких процесах – корпускулярні?
3. Які явища можна пояснити як хвильовою,так і квантовою теоріями?
Викладеннянового матеріалу
 На основіелектромагнітної теорії світла Д.Максвелл передбачив, що світло повинно чинититиск на перепони. Існування світлового тиску випливає також з квантової теоріїсвітла. Якщо фотон має масу /> , то під час зіткнення його зповерхнею твердого тіла може відбутися або поглинання фотона або йоговідбивання. В першому випадку зміна імпульсу фотона дорівнює: />, а в другому – вона вдва рази більша: />. Тому за однакової густини потокусвітлового випромінювання тиск світла на дзеркальну поверхню повинен бути вдвічі більшим за тиск на чорну поверхню яка поглинає світло.
Багато вченихнамагалися виміряти тиск світла, однак їм це не вдавалося, оскільки світловийтиск дуже малий.
В яскравийсонячний день на 1м2 діє сила всього лише 4*10-8Н. Впершетиск світла поміряв російський фізик П.М.Лебедєв лише в 1900р.
/>В дослідах Лебедєва однакові світлові потоки напрямлялися на двалегенькі металеві диски, підвішені на тонкій нитці. Один диск був дзеркальним івідбивав падаюче на нього світло, другий – чорний, який його поглинав. В розіодночасного освітлення двох дисків відбувалось їх повертання навколовертикальної осі.
За кутомзакручення пружної нитки підвісу можна було виміряти момент сил, які викликалицей поворот. Закручування нитки підвісу відбувалося в напрямі, що відповідавбільшій силі тиску світла на дзеркальний диск якій відбивав світло.
Одержаневченими значення тиску світла збігалося з тим, яке передбачив Максвелл.Пізніше, після трьох років наполегливої праці, Лебедєву вдалося здійснити щетонший експеримент виміряти тиск світла на гази.
ДослідиЛебедєва можна розглядати як експериментальне доведення того що фотони маютьімпульс. Закон збереження імпульсу – загальний. Він справедливий як длязвичайної речовини так і для фотонів – квантів електромагнітного поля.
Силасвітлового тиску в природних умовах не завжди мізерно мала порівняно з іншимисилами. В надрах зірок за температури в кілька десятків мільйонів К тискелектромагнітного випромінювання повинен досягати величезних значень і саме цейтиск перешкоджає необмеженому стисканню зірок.
Закріпленнявивченого матеріалу.
1.Хтовперше провів дослід на визначення тиску свівтла?
Домашнє завдання.Параграф 73.

Додаток5
План-конспектуроку, з фізики.
Тема заняття: Заломлення світла.
Мета заняття: Сформувати знання про заломлення світла.
Типуроку: Проблемний урок.
Демонстрації:1 Прямолінійне поширення світла
2.Відбивання світла.
3.Заломлення світла
Вивченнянового матеріалу.
Створення проблемноїситуації.
Нехай ми маємо передсобою дві порожні склянки. Наллємо в одну до половини води, а потім опустимо вобидві склянки олівці (по одному в кожен). І що ми побачимо? Олівець опущений усклянку з водою здається переломленим на межі між водою і повітрям?
Формування проблеми.
Як можна пояснити, щоолівець в склянці з водою стає переломленим, в той час коли олівець в порожнійсклянці залишається незмінним?
Розробка робочихгіпотез.
· Олівець переламали перед дослідом;
· У воду добавили безбарвної речовини щобвиникло враження переламаного олівця;
· Це пов’язано з властивістю світла припроходженні через різні середовища;
Перевірка робочихгіпотез.
· Виймаємо олівець і демонструємо що вінцілий;
· Беремо іншу склянку і наливаємо води зкрана;
· Спостерігаємо це саме явище при переходіпроменя з повітря у воду, і з води в повітря.
Аналіз
Перші дві гіпотезивиявились неправильними, а третя правильною. Звідси можна зробити висновок: припереходженні світла через межу поділу двох середовищ воно змінює свій напрям іце явище називається заломлення світла.
Дослід показує, що припереході променя з повітря в скло або воду кут заломлення менший від кутападіння це можна схематично зобразити на малюнку. З малюнка також видно, щопадаючий і заломлений промені лежать в одній площині. З перпендикулярапроведеного з поверхні поділу двох середовищ у її падіння променя.
Учні також зможутьпояснити в якому випадку світло проходячи через межу поділу двох середовищ незаломлюється, коли промінь падає під кутом 00або коли оптичнівластивості середовища однакові.
Повернення допроблемної ситуації.
Таким чином миз’ясували що при переході променя з одного середовища в інше світлозаломлюється.
Заломлення світла єпричиною того що:γ
· олівець у склянці з водою здаєтьсяпереломлений;
· глибина водойми уявляється меншою ніж єнасправді;
· через заломлення світла в атмосферіЗемлі ми бачимо зорі, Сонце вище від їх справжнього положення.
Закріплення новогоматеріалу
Запитання до учнів
1. Які приклади ви можете навести напідтвердження прямолінійного поширення світла?
2. Чому утворення тіні доказомпрямолінійного поширення світла?
3. Що таке тінь і півтінь?
4. Чим зумовлене заломлення світла на межірозділу двох прозорих середовищ?
Домашнє завдання.Опрацювати параграф „Заломлення світла”.

Додаток 6
План-конспектуроку, з фізики.
Тема заняття: Законифотоелектричного ефекту.
Мета заняття:
1. Навчальна: Сформувати знання про закони фотоелектричного ефекту.
2. Розвиваюча:розвивати у школярів увагу та уміння здійснювати самоконтроль.
3. Профорієнтаційна:формувати в учнів стійкі професійні інтереси.
Типуроку: Комбінований урок.
Хід уроку.
Вивчення новогоматеріалу.(Розповідь вчителя)
Одним ізявищ яке підтверджує гіпотезу існування фотонів, є фотоелектричний ефект.
Під часпроведення дослідів з метою одержання електромагнітних хвиль Г.Герц у 1887р.помітив, що опромінювання ультрафіолетовим світлом негативно зарядженогоелектрод сприяє виникненню іскри у просторі між електродами.
Суть явища,виявленого Герцом полягає в тому що при освітленні ультрафіолетовимвипромінюванням негативно заряджені металеві тіла втрачають негативний заряд.При освітленні тим же промінням позитивно зарядженого тіла втрати електричногозаряду не спостерігається крім того, якщо не заряджене тіло освітлювати, то запевних умов воно заряджається позитивно.
Післявідкриття електрона в 1897р. Ф.Ленард і Дж.Дж.Томсон довели експериментально,що під дією світла відбувається звільнення електронів з металів.
Явищезвільнення електронів з речовини при освітленні її світлом називаєтьсяфотоелектричним ефектом (фотоефектом). Розрізняють зовнішній і внутрішнійфотоефект. При зовнішньому фотоефекті електрони звільняються світлом зповерхневого шару речовини і переходять в інше середовище або вакуум.
/>
Мал. 1
Привнутрішньому фотоефекті відбувається перерозподіл електронів за енергетичнимистанами в конденсованих середовищах при поглинанні ними світла. У цьому випадкуелектрична нейтральність тіла не порушується.
/>Електрони, звільнені під дією світла називаються фото-електронами.Фотоелектричні властивості мають не тільки метали але й діелектрики,напівпровідники та електроліти, при чому необхідною але не достатньою умовоюфотоефекту є помітне поглинання світла поверхневим шаром освітлюваного тіла.Для обгрунтування гіпотези фотонів основне значення має зовнішній фотоефект.
Явищефотоефекту – один із проявів взаємодії світла із речовиною, який розкриваєквантову природу світла. Перші дослідження цього явища належать Хальваксу.
На (рис.1)показана схема експериментальної установки для дослідження фотоефекту. Світло черезкварцове віконце О попадає на катод К, виготовлений з досліджуваного металу.Фотоелектрони, звільнені при освітленні катода, під дією електричного поля міжкатодом і анодом рухається до анода А, створюючи фотострум. Катод і анодрозміщені у вакуумній трубці Т. Напруга між ними змінюється за допомогоюпотенціометра П.
Дослідженнязалежності фотоструму від різниці потенціалів між катодом і анодом у разіопромінювання катода монохроматичним світлом показали що фотострум існує нетільки тоді, коли />, але й тоді, коли />. Він припиняється дляданої речовини катода тільки при певній величині від’ємного значення різниціпотенціалів />,яка називається гальмівною напругою. Вона не залежить від інтенсивності світла.
/>
Мал.2
/>
Мал.3

Зізбільшенням напруги сила фотоструму зростає і при деякому значенні досягаєнасичення (рис.2). Узагальнюючи результати експериментальних даних встановленотакі закономірності фотоефекту: сила фотоструму насичення І прямо пропорційнасвітловому потоку Ф, що падає на катод (рис.2), криві (1,2); гальмівна напругалінійно залежить від частоти і не залежить від його інтенсивності; початковакінетична енергія звільнених світлом електронів лінійно залежить від частотисвітла і не залежить від його інтенсивності; фотоефект не виникає, якщо частотасвітла менша від деякої характерної для даного металу величини />; фотоефект явищебезінерційне, тобто з припиненням освітлення він припиняється.

Додаток 7
План-конспектуроку, з фізики.
Тема заняття: ДослідЮнга.
Мета заняття:
4. Навчальна: Сформувати знання продослідЮнга.
5. Розвиваюча:розвивати у школярів увагу та уміння здійснювати самоконтроль.
6. Профорієнтаційна:формувати в учнів стійкі професійні інтереси.
Типуроку: Комбінований урок.
Хід уроку.
Викладеннянового матеріалу (розповідь вчителя)
Англійський вчений Т Юнгпротягом всього свого життя займався вивченнямоптичних явищ. Інтерес до них був викликаний результатами дослідів по поляризацію світла, проведеними в 1810-1815 рр., і роботами в областіоптики О.Ж.Френеля, виконаними в 1815-1823 рр. Юнг був прихильником ідей Френеля, переписувався з ним іперекладав його роботи на англійську мову.
В роботі «Про теорію світлаі кольорів» Юнг писав, що світло є хвильовим процесом в заповнюючому Всесвітсвітлоносному ефірі. Відчуття кольору, по Юнгу, залежать від різної частотиколивань, порушуваних світлом в сітківці. Далі Юнг пояснював кольори подряпинна непрозорих поверхнях і робив висновок про те, що ці кольори мають те жпоходження, що і кольори тонких прозорих плівок. При цьому Юнг детальнообговорював досліди Ньютона, в ході яких спостерігалися веселкові кільця.
В роботі «Лекція про природусвітла і кольорів» з курсу лекцій «по натуральній філософії і механічнимремеслам» Т.Юнг висунув ідею про те, що, якщо світло — хвильовий процес, то длянього повинні спостерігатися ті ж явища, які характерні для механічних хвиль(наприклад, для хвиль на воді і для звуку). Юнгом був зроблений дуже важливийвисновок про те, що для спостереження взаємного посилення або гасіння світловиххвиль (тобто для спостереження явища інтерференції) світло повинне виходити відодного джерела. При цьому світло слід розділяти за допомогою явищ дифракції,віддзеркалення або заломлення: світло повинне приходити в деяку областьпростору різними шляхами, але при цьому так, щоб різниця цих шляхів була недуже велика.
Тепер ми розуміємо, що привеликій різниці ходу не зможуть зустрітися цуги хвиль, отримані при розділенніяким-небудь чином хвильового цугу, утвореного в одному акті випуску світлаатомом речовини.
Юнг запропонувавнайпростіший, на його думку, спосіб розділення світла від одного джерела на двічастини: пропустити світло через два дуже маленьких отвори або дві щілини векрані, які можна розглядати як центри що розходяться у всі сторони пучків світла(мал. 4, де А — щілина, що є джерелом світла — вона виділяє вузький пучок світла від джерела, що знаходиться за нею; бі З — дві щілини в екрані, завдяки яким світло від джерела.А ділиться надві частини). Якщо на шляху отриманих пучків світла поставити екран, то вобласті, куди потрапляє світло від обох отворів (або обох щілин) повиннеспостерігатися взаємне посилення і гасіння світла залежно від відстаней, якісвітло пройшло, перш ніж потрапив в ту або іншу точку екрану (залежно відрізниці ходу проміння).
На екрані дійсноспостерігалася картина, в центрі якою була біла пляма або біла смуга. Далісиметрично щодо центру картини розташовувалися кольорові смуги.
Досвід Юнга одночасно бувприкладом інтерференції і дифракції світлових хвиль, оскільки інтерференційнакартина виходила при накладенні двох пучків світла, утворених в результатідифракції на двох отворах або двох щілинах.
В роботі Юнга не мовилосяпро спосіб формування пучка світла, падаючого на два отвори або дві щілини.Тепер ми розуміємо, що перша щілина А в установці Юнга була необхідна для тогна щілини В is. З падало світло тільки від близько розташованих ділянок реальногосвітиться тіла, що знаходиться за першою щілиною. В цьому випадку щілини В і З«ділили» світло фактично від одного джерела на дві частини і тому ці щілиниможна було вважати когерентними джерелами світла. Хвилі від когерентних джерелпри накладенні давали інтерференційну картину.
Таким чином, досліди Юнга неспростовно свідчили про те, що світлоє хвильовим процесом.
Домашнє завдання: доконспектувати дослід Юнга