Вивчення хвильової оптики в старшій школі

ВИВЧЕННЯ ХВИЛЬОВОЇ ОПТИКИ В СТАРШІЙ ШКОЛІ

Курсова робота

ПЛАН Вступ РОЗДІЛ 1. Особливості вивчення теми

1.1 Місце теми в програмі старшої школи РОЗДІЛ 2. Хвильові властивості світла РОЗДІЛ 3. Науково-методичний аналіз змісту і структури навчального матеріалу РОЗДІЛ 4. Експериментальна перевірка розробленої методики

4.1 Методика викладання теми: «Хвильова оптика»

4.2 Результати проведеного експерименту Висновок Використані джерела

ВСТУП Мета курсової роботи: дослідження особливостей вивчення хвильової оптики за новою програмою в 11 класі.

Актуальність теми: в даний час рівень розвитку такої науки, як фізика, у світі досить високий. І, природно, що програми навчання фізики, шкільного курсу, так само неповинні відставати від рівня розвитку самої науки. Учням потрібно, по можливості, знаходитися курсі всіх новинок і найбільш цікавих відкриттів і розробок.

Зараз в період реформування освіти, виникає багато проблем щодо методики викладання, в тому числі й фізики. Зменшення кількості годин і збільшення матеріалу, який потрібно викласти на уроці у 11 класі (стандарт — 2 год. на тиждень, академічний — 3 год. на тиждень, профільний — 6 год. на тиждень) змушує переглянути стару методику, внести деякі зміни, використовувати інші методи і засоби навчання. Потрібно звернути увагу й на те, що нова програма не враховує недостатній рівень базових знань для вивчення деяких тем з розділу «Хвильова оптика» в якому вивчається хвильова оптика, та вивчення фізики з 7 по 11 клас.

При викладенні матеріалу вчитель повинен враховувати всі недоліки.

Отже, актуальність проблеми, її недостатня розробка зумовили тему роботи «Вивчення хвильової оптики в старших класах».

Предмет дослідження: методичні особливості вивчення хвильової оптики, введення до програми 11 класу, що несе в собі великі пізнавальні можливості.

Об'єкт дослідження: процес навчальної діяльності учнів 11 класу на уроках фізики, при вивченні ними хвильової оптики.

Гіпотеза: створені на основі об'єктивних критеріїв методичні рекомендації допоможуть вчителям ефективно здійснювати процес навчання, досягти на уроці дидактичної мети.

Завдання курсової роботи: полягає в тому, щоб на основі вивчення та аналізу методичної та додаткової, розробленої по новій програмі літератури створити методичні рекомендації щодо проведення уроків фізики з теми хвильова оптика, допомогти вчителеві провести урок цікаво, з врахуванням всіх особливостей даної теми, застосовуючи наочність, демонстрації, що допомагають учням на завершальному етапі вивчення фізики краще засвоїти матеріал та актуалізувати вивчений матеріал.

РОЗДІЛ І. ОСОБЛИВОСТІ ВИВЧЕННЯ ТЕМИ Фізика викладається як експериментальна наука. Вихідний матеріал для досліджених питань в основному здобувається учнями з цілеспрямованого поставлених спостережень і дослідів, в тому числі і в домашніх умовах. Подальше абстрагування та узагальнення даних дослідів і спостережень призводить до виділення основних фізичних понять, створення будь-яких моделей, встановлення принципів, законів і теорій. Заключний етап — практика для учнів виступає як застосування набутих знань з різною навчальною діяльності, при вирішенні завдань, на лабораторних роботах і, нарешті, в суспільно корисній і продуктивній праці. Процес формування будь-якого фізичного поняття полягає в послідовному розкритті якісних і кількісних властивостей предметів, що вивчаються і явищ, до стану їх словесного визначення і усвідомлення можливостей їх практичного застосування. Формування фізичних понять відбувається на двох етапах. Перший етап — рух від чуттєвого коректного сприйняття до абстрактного. У ході чого дітей вчать бачити і вміти виділяти в предметі або явищі його найбільш істотні ознаки. Показують, як у науці відбувається абстрагування. У результаті вводиться словесне визначення нового поняття. [7]

На другому етапі здійснюється узагальнення введеного поняття, більш повно розкривається його зміст і зв’язок з іншими. Відповідно до моменту початку процесу формування поняття учень повинен володіти базою необхідних для цього знань, умінь і навичок.

З першими фундаментальними поняттями з даної теми учні знайомляться в середній школі у 7 класі, де саме і вводиться поняття фізика та формуються опорні знання.

1.1 МІСЦЕ ТЕМИ В ПРОГРАМІ СТАРШОЇ ШКОЛИ

Шкільний курс фізики побудований за двома логічно завершеними концентрами, зміст яких узгоджується зі структурою середньої загальноосвітньої школи: в основній школі (7 — 9 кл.) вивчається логічно завершений базовий курс фізики, який закладає основи фізичного знання; у старшій школі вивчення фізики відбувається залежно від обраного профілю навчання: на рівні стандарту, академічного або профільному.

Навчання фізики в старшій школі ґрунтується на засадах гуманітаризації й демократизації освіти, врахування пізнавальних інтересів і намірів учнів щодо обрання подальшого життєвого шляху, диференціації змісту і вимог щодо його засвоєння залежно від здібностей і освітніх потреб старшокласників.

Загальноосвітня підготовка з фізики відбувається за умов профільного навчання. Зміст фізичної освіти та вимоги до засвоєння цього змісту залежать від обраної навчальної програми: на рівні стандарту курс фізики обмежується обов’язковими результатами навчання, тобто мінімально необхідними знаннями, які мають головним чином світоглядне спрямування; на академічному рівні - основами системи фізичних знань, достатніх для продовження навчання за напрямами, де потрібна відповідна підготовка з фізики; на рівні профільного навчання в учнів формуються фундаментальні знання з фізики, оскільки з їх удосконаленням учні здебільшого пов’язують своє майбутнє професійне зростання. 5]

Тема «Хвильова оптика» вивчається у старшій школі в 11-му класі, де проводиться повторення та вивчення матеріалу. Ця тема має велике пізнавальне, політичне і виховне значення. Все, що нас оточує ми пізнаємо перш за все за рахунок світла і нашим зоровим якостям.

Згідно з програмою на вивчення фізики, на кожному рівні (стандарт, академічний та профільний) відводиться різна кількість годин. За рівнем стандарту 2 години на тиждень, академічному — 3 години на тиждень, профільному — 6 годин на тиждень. Тому різниця в кількості годин стосується і вивчення окремих тем. Тема «Хвильова оптика» на рівні стандарту входить до розділу: «Хвильова і квантова оптика» на вивчення якого відводиться 12 годин. При вивченні на академічному рівні тема також входить до вище згаданого розділу і на вивчення його відводиться 19 годин. Що стосується профільного рівня то тема входить до розділу «Оптика» (38 годин). [5]

хвильова оптика урок фізика

РОЗДІЛ 2. ХВИЛЬОВІ ВЛАСТИВОСТІ СВІТЛА Доведення хвильових характеристик досліджуваного процесу — наявність для цього процесу явища інтерференції і дифракції. Так само і в випадку видимого світла явище інтерференції і дифракції, характерні для нього, кажуть про те, що світло володіє хвильовими властивостями.

Так як в старшій школі, згідно з програмою на вивчення фізики, на кожному рівні (стандарт, академічний та профільний) відводиться різна кількість годин тому різниця в кількості годин стосується і вивчення окремих тем. Тема «Хвильова оптика» на рівні стандарту входить до розділу: «Хвильова і квантова оптика» на вивчення якого відводиться 12 годин. При вивченні на академічному рівні тема також входить до вище згаданого розділу і на вивчення його відводиться 19 годин. Що стосується профільного рівня то тема входить до розділу «Оптика» (38 годин). [5]

Найбільш детально в школі розглядаються явища інтерференції світла, причому виклад даного матеріалу базується на уже знайомих для учнів явищах інтерференції механічних (звукових) і електромагнітних хвиль. Дифракція світлових хвиль вивчається менш детально, так як основна задача — довести хвильові властивості світла, а для цього необхідно добре розбиратися в інтерференції. Але розуміння дифракції світлових хвиль важливо для показу того, що геометрична оптика — критичний випадок хвильової оптики. Учні уже знають, що стійкість інтерференційної картини отримують лише для так званих когерентних джерел, які характерні в першу чергу рівністю частот коливання. Тут підкреслюють, що для хвиль від цих джерел характерне и збереження в часі різниці фаз коливань. Просторову когерентність шкільному курсі фізики не розглядають.

Отримати когерентні звукові хвилі і хвилі радіодіапазону, як знають учні, порівняно неважко. Зазвичай для цього використовують два незалежних джерела коливання (два налаштованих в унісон камертони; два генератора, налаштованих на одну й ту частоту, і т. д.). Досліди по інтерференції світла більш важчі, для їх виконання й спостереження, по суті, необхідно забезпечити накладання хвиль одного цуга, випущених яким не будь атомом. Однак на практиці завжди маємо справу з джерелами світла, які складаються з великої кількості атомів, хаотично утворюючих цуги хвиль з різними частотами, амплітудами, початковими фазами і різноманітними напрямками. Площини поляризації. Якщо виділить (наприклад, світлофільтром) хвилі однакової частоти (монохроматичні), то різниця фаз між окремими цугами буде хаотично змінюватися; такі хвилі являються некогерентними, а як наслідок, не дають стійкої інтерференційної картини. Довгий час вважали неможливість отримання стійкої (спостережливої) інтерференційної картини, використовуючи світло від двох незалежних джерел (наприклад, від двох зірок або різних точок тіла, що світиться). В наш час когерентність світлових хвиль отримують і від незалежних джерел — квантових генераторів.

Для того щоб користуючись звичайними (некогерентними) випромінювачами світла, створити взаємно когерентні джерела і отримати сталу інтерференційну картину, необхідно виконати такі дії: розділити світловий промінь від звичайного джерела світла на два, які потім звести разом, і вони інтерферують. Іншими словами випромінювання кожного окремого атома розділяють на дві частини і тим самим примушують хвилю, випромінену окремим атомом, інтерферувати самій з собою. При цьому слід враховувати, що цуг хвиль, випромінюваний окремим атомом, має кінцеву протяжність вдаль променя. [4]

При тривалому випусканні порядку 10 ^— 8-10 ^-9 с і швидкості світла 3*10⁸ м/с ця протяжність близько 3 м. Таким чином, інтерференція хвилі самій з собою можлива лише при невеликій різниці ходу (?l <3 м).

Існує кілька способів поділу світлового пучка на дві частини: а) метод Юнга (світло проходить через два близько розташованих малих отвори), б) дзеркало Ллойда (прямий пучок світла інтерферує з пучком, відбитим від дзеркала); в) дзеркала і біпризмою Френеля (світло, потрапляючи на дзеркала, розташовані під кутом, близьким до 180°, або проходячи через біпризму, поділяється на два пучки, які потім зустрічаються і накладаються один на одного (мал. 1);

г) досліди з тонкими плівками і кільцями Ньютона (рис. 2); світло інтерферується не від точкових джерел світла, а як звичайне розсіяне світло.

Природно виникає методичне запитання, який спосіб використовувати в середній школі при вивченні явища інтерференції, який досвід показать. Проведемо аналіз даного запитання.

Здавалося б, природно починати пояснення з досвіду Юнга. Цей досвід був першим, в якому спеціально спостерігали і досліджували явище інтерференції світла. До того ж ідея досвіду найбільш наочна і проста (рис. 3). Але він важкий і не придатний для демонстрації в класі. Слід мати на увазі, що в досвіді Юнга інтерферуючі пучки світла виходять за допомогою дифракції, що ускладнює застосування і пояснення даного досліду на даному етапі.

Можна було б починати з розгляду досвіду Ллойда або дзеркал Френеля і тим самим продовжити аналогію з дослідження властивостей електромагнітних хвиль радіодіапазону, де застосовуються подібні досліди. Але, виявляється, ці досліди зі світловими хвилями показати в аудиторії важко, і в середній школі їх застосовувати не слід.

У навчальній і методичній літературі явище інтерференції часто починають розглядати з опису досвіду з тонкими плівками. Перевагу цього досвіду віддають тому, що інтерференція в тонких плівках дуже яскраве явище, що часто зустрічається в нашому житті і порівняно легко спостерігається і відтворюється в демонстраційному експерименті. Але інтерференція в тонких плівках (або шарах) більш складна для пояснення, ніж інтерференція в дзеркалах і біпризмой; це пов’язано з тим, що при відображенні хвиль від оптично більш щільного середовища відбувається втрата напівхвилі, а довжина хвилі залежить від швидкості поширення світла в даному середовищі.

Багаторічна практика викладання дає підставу зробити висновок: у середній школі основним дослідом з інтерференції світла повинен бути дослід з біпризмой Френеля. У ньому інтерференцію світлових хвиль отримують в результаті різниці шляхів, пройдених когерентними хвилями в одному і тому ізотропному середовищі - повітрі. Слід врахувати, що досліди по інтерференції (а також по дифракції світла) вимагають відмінного затемнення класу, так як яскравість отриманої інтерфераційної картини дуже мала. Крім того, для її спостереження око повиненно звикати до темряви 5−10 хв. Через недостатню видимості явища учні проводять спостереження окремими групами, підходячи до екрану, що створює на уроці додаткові незручності.

Багато робиться для вдосконалення цього експерименту, але вирішити складні проблеми шкільного демонстраційного експеримента з оптики радикальним чином можна, лише застосувавши принципово нове джерело світла — оптичний квантовий генератор (лазер). Застосування лазера дозволяє гранично спростить підготовку багатьох дослідів і різко підвищити якість на картинах, які ми намагаємося проспостерігати.

На уроці при вивченні інтерференції світла корисно розповісти про особу О. Френеля та його ролі у вивченні явищ інтерференції і дифракції світла, в історії встановлення природи світла. Важливо відзначити, що саме Френелю належить ідея поділу світлового пучка на дві частини, які потім інтерферують. Досвід з біпризмой Френеля в якості основного внесений і в навчальний кінофільм «Хвильові властивості світла» (і в відповідний діафільм).

Після показу і пояснення досліду (або перегляду кінофільму) корисно обговорити з учнями наступні питання: як виконується поділ біпризмою Френеля світлового пучка на два когерентних? Які умови перетворення в інтерференційній картинці максимуму (мінімуму) коливання? Як залежить розташування інтерференційних смуг від довжини світлової хвилі? Де знаходиться практичне застосування явища інтерференції?

Умову виникнення максимуму і мінімуму в інтерференційній картині можна записати в загальному вигляді:

максимум коливань:

?l=2*k*(л2),

мінімум коливань:

?l=(2*k+1)* (л2),

де ?l — різниця ходу, k — ціле число, рівне 0,1,2,…, л — довжина хвилі.

Слід обов’язково вирішити ряд завдань на застосування цих формул.

Для пояснення інтерференційної картини використовують енергетичне трактування і роз’яснюють, що при інтерференції немає втрати або збільшення енергії світла, а відбувається тільки перерозподіл цієї енергії в інтерференційному полі в відповідності до закону збереження енергії. При проведенні дослідів з інтерференції без світлофільтрів (висвітлюючи установку білим світлом) спостерігають спектральне розкладання немонохроматичної світлової хвилі на складові (інтерференційний спектр). Інтерференційні максимуми і мінімуми для променів різного кольору виявляються просторово розділеними в залежно від довжини хвилі. Саме в цьому місці курсу фізики вперше більш докладно знайомлять школярів із спектральним розкладанням і з’ясовують, з якими фізичними характеристиками світлової хвилі пов’язані відмінності в кольорі.

Завершують вивчення інтерференції світла розглядом її проявів в природі і прикладами практичного використання в техніці (інтерференційний спосіб перевірки якості оброблення поверхонь, просвітлена оптика, інтерферометри і т. п.). Доцільно запропонувати учням різні цікаві практичні завдання з простим устаткуванням: спостереження і пояснення райдужного забарвлення мильних плівок, краплі масла або осика на поверхні води, кольорів мінливості на металевих предметах. Ці завдання можна виконувати вдома.

Далі переходять до вивчення дифракції світла, причому починають з твердження: «Якщо світло — це хвилі (а інтерференція світла підтверджує це), то повинні спостерігатися і дифракції світла». Учням пригадують те що вони дізналися при розгляді дифракції механічних і електричних хвиль. В першу чергу нагадують основні умови, при виконанні яких можливе спостереження дифракції хвиль (розміри перешкод повинні бути співсталимі з довжиною хвилі).

РОЗДІЛ 3. НАУКОВО-МЕТОДИЧНИЙ АНАЛІЗ ЗМІСТУ І СТРУКТУРИ НАВЧАЛЬНОГО МАТЕРІАЛУ Зміст теми «Хвильова оптика» охоплює такі питання: розвиток уявлення про природу світла, поширення світла в різних середовищах, джерела і приймачі світла, поглинання і розсіювання світла, відбивання світла, заломлення світла, світло, як електромагнітна хвиля, когерентність світлових хвиль, інтерференція світла, дифракція світла, принцип Гюйгенса — Френеля, дифракційна гратка, дисперсія світла, поляризація світла. Завданнями теми «Хвильова оптика» є:

ь Сформувати в учнів знання про особливості поширення світла в різних середовищах, закони відбивання і заломлення світла, принцип Гюйгенса — Френеля,

ь Ознайомити учнів з сутністю світла як електромагнітної хвилі, показника заломлення, інтерференції, дифракції, дисперсії та поляризації світла, голографії;

ь Розвинути в учнів здатність пояснити поглинання і розсіювання світла, утворення інтерференційних і дифракційних картин, вміння будувати зображення, одержані за допомогою дзеркал і лінз;

ь Закріпити в учнів уміння розв’язувати фізичні задачі, застосовуючи закони відбивання і заломлення світла, інтерференції та дифракції світла. 5]

ь Розкрити поняття про закони заломлення і відбивання світла, переконати учнів у пізнаваності світу і безмежності пізнання; формуючи уявлення про дисперсію, дифракцію, дифракцію та інтерференцію світла, розвивати вміння спостерігати явища природи і давати їм наукове тлумачення; розказати про застосування вивчених явищ у різних галузях науки, техніки та народного господарства. [3]

У темі «Хвильова оптика» можна виокремити чотири відносно самостійні та логічно завершені частини: поширення світла, дифракція світла, дисперсія світла та інтерференція світла.

Також вивчення цієї теми відіграє важливе й політичне значення, оскільки матеріал, що в ній вивчають, є теоретичною основою розвитку оптичних приладів. [3]

Як так матеріал для вивчення складний в розумінні, наприклад, інтерференція та дифракція світла, тому під час вивчення теми доречно введено в програму всіх трьох рівнів складності виконання двох лабораторних робіт, що полегшує сприйняття учнів теоретичної бази теми.

РОЗДІЛ 4. ЕКСПРЕМЕНТАЛЬНА ПЕРЕВІРКА РОЗРОБЛЕНОЇ МЕТОДИКИ

4.1 МЕТОДИКА ВИКЛАДЕННЯ ТЕМИ: «ХВИЛЬОВА ОПТИКА»

Одним із найважливіших напрямків діяльності вчителя в загальноосвітній школі є його робота з учнями. За час проходження активної педагогічної практики в Пузиківській Загальноосвітній школі І - ІІІ ступенів, мною була розроблена та апробована на практиці спеціальна методика вивчення фізики учнями 11- го класу з теми «Хвильова оптика». Методика спрямована на вивчення навчального матеріалу за допомогою технології опорних конспектів, що дає змогу вивчення великого обсягу матеріалу за невеликі терміни.

Звичайно, зрозуміло що така методика недоречна для 7 — 9 класів, так як учні ще не мають можливості весь час конспектувати і засвоювати матеріал, але вона широко поширена в старших класах.

Ця технологія навчання орієнтує на репродуктивне засвоєння знань, умінь і навичок. Доцільна вона і при вивченні нового матеріалу, оскільки систематизує матеріал.

Але все ж проведення нестандартного уроку ще не робить навчання продуктивним, так як основне в учительській діяльності, щоб навчання було цікавим, а матеріал який подається ще й доступним. Все залежить від того, наскільки вчителеві вдається творчо підійти до уроку.

Для перевірки ефективності впровадженої методики я провела експеримент, до якого було залучено учнів двох одинадцятих класів. В 11-а було проведено урок на основі опорних конспектів, а в 11-б — звичайний урок.

4.2 РЕЗУЛЬТАТИ ПРОВЕДЕНОГО ЕКСПЕРМЕНТУ Провівши підсумковий контроль для учнів 11-класу, я переконалася що запропонована мною методик, а вивчення матеріалу має високу ефективність. По — правді кажучи, інакше й бути не могло, оскільки, з власного досвіду і з народної мудрості знаю, що те що написано пером не вирубають і топором.

Отже, роблячи висновки з результатів проведеного експерименту з упевненістю можна сказати, що ця методика є ефективною при поданні матеріалу.

ВИСНОВОК Фізика є фундаментальною наукою, яка вивчає загальні закономірності перебігу природних явищ, закладає основи світорозуміння на різних рівнях пізнання природи і дає загальне обґрунтування природничо-наукової картини світу. Сучасна фізика, крім наукового, має важливе соціокультурне значення. Вона стала невід'ємною складовою культури високотехнічного інформаційного суспільства. Тому перед сучасною школою стоїть задача — забезпечити міцні знання вивчаючих основи наук, з врахуванням потреб суспільства, можливостей і бажань учнів. Учням потрібно, по можливості, знаходитися в курсі всіх новинок і найбільш цікавих відкриттів і розробок.

Зараз, в період реформування освіти, виникає багато проблем щодо методики викладання, в тому числі й фізики. Зменшення кількості годин і збільшення обсягу матеріалу необхідного для засвоєння, змушує переглянути стару методику та внести зміни.

Серед різних шляхів виховання в учнів інтересу до навчання одним з найефективніших є так званий метод зміни типу та структури я уроків на основі опорних конспектів.

Фізика як навчальний предмет відіграє важливу роль у змісті освіти. Вивчення точних наук дається дітям важче, ніж гуманітарних. Тому вчителям фізики потрібно докладати багато зусиль, застосовувати різноманітні методи навчання. Розвиток інтересу учнів на уроках фізики — актуальна проблема, тож зацікавити учнів стає дедалі складніше.

Завдання вчителя полягає у формуванні в учнях широкого кола позитивних інтересів, але потрібно враховувати й розвиток дитини. [8]

Так у 11-х класах, під час вивчення теми «Хвильова оптика» було проведено дослідження методики проведення уроку фізики в 11-му класі.

Сприятливий психологічний клімат упродовж проведення уроку створюється тільки в тому разі, коли на уроці задіяні всі учні.

В усіх школярів є потреба в нових враженнях, в постійній розумовій діяльності. Тому до уроку потрібно підготуватися з урахуванням характеру потреб учнів. [8]

Опорні конспекти допомагають об'єднати відомості в єдиний зрозумілий конспект. Щодо уроку то важливо, щоб усім учням на уроці було цікаво.

ВИКОРИСТАНІ ДЖЕРЕЛА

1. Калитеевський Н. И. Волновая оптика. Учеб. пособие для ун-тов. Изд. 2-ге, испр. и доп. М., «Высш. школа», 1978.

2. Кирик Л. А. Фізика. 11клас: Розробки уроків/Л.А. Кирик. — 2-ге вид. — Х.: Веста: Видавництво «Ранок», 2008. — 448с. — (Майстер-клас) + Додаток (16с.)

3. Методика навчання фізики у старшій школі: навч. посіб. / [В.Ф. Савченко, М. П. Бойко, М.М. Дідович та ін.]; за ред. В. Ф. Савченка. — К.: ВЦ «Академія», 2011. — с. 241 — 254 — (Серія «Альма-матер»).

4. Методика преподавания физики в средней школе: Частные вопросы: Учеб. Пособие для студентов пед. ин-тов по физ.-мат. спец. / С. В. Анофрикова, М. А. Бобкова, Л. А. Бордонская и др.; Под ред. С. Е. Каменецкого, Л. А. Ивановой. — М.: Просвещение, 1987. — с. 256 — 263.

5. Програма для загальноосвітніх навчальних закладів. Фізика 10 — 11 класи. Рівень стандарту, академічний, профільний. — К.: 2010.

6. Євлахова О.М. Фізика. 11 клас. Академічний рівень/. Євлахова О.М.. Євлахова, М. В. Бондаренко. — Х.: Вид. група «Основа», 2011. — 224 с. — (Серія «Мій конспект»).

7. http://hghltd.yandex. net/inject.html.

8. http://hm-rmk.ucoz.ru/Skarbnuchka/nestandartnuy.doc