Учебно-исследовательская деятельность на уроках физики

Учебно-исследовательская деятельность на уроках физики.

       Учебно-исследовательская деятельность учащихся при изучении физики – необходимый фактор, позволяющий повысить интерес к физической науке.

Для успешной исследовательской деятельности необходимо выработать у учащихся элементарные навыки этой работы и пробудить интерес к исследовательской работе.

В связи с этим используем на уроке педагогические технологии, основанные на применении исследовательского метода обучения, при выполнении учебных лабораторных работ, где учащиеся самостоятельно решают новые для них проблемы с применением таких элементов научного исследования, как:

- наблюдение;

- изучение фактов и явлений;

- выявление проблемы;

- постановка исследовательской задачи;

- определение цели;

- выдвижение гипотезы и ее проверки;

- формирование выводов.

В лабораторные работы вносим дополнительные задания исследовательского характера.

Пример:«Исследование длины волны при помощи дифракционной решетки»

Цель: Ознакомление с одномерной дифракционной решеткой, исследование длин волн спектра источника света - лампы накаливания.

Задача: Исследовать расстояние до дифракционного максимума на экране - (в) и расстояние от дифракционной решетки до экрана (ℓ) в спектре первого и второго порядка.

Приборы и принадлежности:

1. Одномерная дифракционная решетка.

2. Лампа накаливания.

3. Линейная установка для определения длины волны света.

Объектисследования: Явление дифракции.

Предмет: Дифракция на дифракционной решетке.

Гипотеза: Если менять расстояние от дифракционной решетки до экрана и менять порядок спектра, длина световой волны не меняется.

Проблема: Умение исследовать длины волн спектра источника света - лампы накаливания.

Теория:Дифракционная решетка представляет собой плоскую прозрачную пластину, на которой нанесены чередующиеся прозрачные и непрозрачные полосы. Сумму ширины прозрачной и непрозрачной полос называют постоянной решетки d, или ее периодом.

       Рассмотрим элементарную теорию дифракционной решетки. Направим перпендикулярно плоскости решетки монохроматический пучок света, т. е. плоскую монохроматическую волну длины λ. В соответствии с принципом Гюйгенса - Френеля каждая точка волнового фронта может рассматриваться как самостоятельный источник вторичных волн. Эти источники когерентны. Каждая щель решетки ведет себя как точечный источник вторичных волн  при том условии, что ширина щели меньше длины волны. В этом случае дифракционная решетка представляет собой набор точечных когерентных источников, расположенных в щелях решетки и испускающих световые колебания во всех направлениях. Падающий на дифракционную решетку параллельный пучок лучей в результате дифракции изменит свою структуру. После решетки отклонение лучей от первоначального направления составляет от 00 до 900 вправо и влево. Если за дифракционный решеткой поместить собирающую линзу, то в фокальной плоскости линзы можно наблюдать дифракционную картину, являющуюся результатом двух процессов: дифракции света от каждой щели решетки и многолучевой интерференции от всех щелей. Основные черты этой картины определяются вторым процессом.

Так как на решетку падает плоская волна, то лучи одного и того же направления, выходящие из различных щелей, имеют одинаковые начальные фазы. Линза также не вносит разности фаз. Следовательно, разность фаз может создаваться только за счет разности хода лучей до линзы. Если разность хода pg соответствующих лучей (т. е. лучей, выходящих из соответственно расположенных точек двух соседних щелей) равна целому числу k=0,1,2,3... длин волн светаλ, т. е. pg=d⋅sinφ=kλ, то разность хода любых лучей, идущих в этом направлении:,

также равна целому числу длин волн (множитель N равен разности номеров щелей). Следовательно, все лучи, выходящие под углом φ, удовлетворяющих условию:  (1)при интерференции, будут усиливать друг друга и на экране будут наблюдаться максимум света. Уравнение (1) является основным при практическом использовании дифракционных решеток. Измерив углы φ, соответствующие положениям дифракционных максимумов, можно, зная длину волны света, найти постоянную решетки d, или наоборот, зная d, определить длину волны света. В центральной световой полосе, изображение которой создается пучком, параллельный падающему (k=0, sinφ =0) суммируется действия всех лучей, независимо от длины волны. Справа и слева от центрального максимума располагаются световые полосы, для которых k=±1, ±2, ±3, ±4, ...

они называются дифракционными максимумами 1-го, 2-го... и k-го порядка. Согласно уравнению (1) различным значениям λ соответствуют различные углы φ (в дифракционных максимумах одного порядка). Поэтому при освещении решетки белым светом в фокальной плоскости линзы образуется ряд дифракционных спектров, перекрывающих друг друга.

Решая уравнение(1) относительно λ, получим:.  (2)

Это выражение является основной расчетной формулой для вычисления длин световых волн.

Оптическая схема:

Выполнение работы на линейной установке.

       Этот прибор состоит из деревянного бруска прямоугольного сечения, на верхней стороне которого нанесена миллиметровая шкала. В пазах бруска перемещается подвижный экран, верхняя часть которого окрашена в черный цвет, а на нижнюю часть наклеена миллиметровая шкала.

Оптическая схема представлена на рис.5:Нуль шкалы расположен посередине экрана, где имеется щель. Глаз видит дифракционные спектр, который проецируется на экран Э. Угол дифракции φ, под которым виден дифракционный максимум, мал, поэтому можно принять, что:

(3)

b - расстояние до дифракционного максимума на экране,

- расстояние от дифракционной решетки до экрана.

Подставляя (3) в (2), получаем:(4)

Порядок выполнения работы.

1. Зажечь электрическую лампочку. Укрепить прибор так, чтобы горизонтальная рейка была на уровне глаз.

2. Вставить в рамку дифракционную решетку. Приблизив глаз к дифракционной решетке, направить прибор на источник света так, чтобы сквозь узкую щель на экране была видна нить накала лампы. На черном фоне по обе стороны щели будут видны симметричные спектры. Определить по шкале экрана расстояние b до красных, а также до фиолетовых лучей в спектре первого (k=1)  и второго порядка сначала по одну сторону от волн, затем по другую.

3. Определить расстояние  от экрана до дифракционной решетки.

4. Подставить значения b, , k, d  в (4) и вычислить длину волны λ света.

5. Данные занести в таблицу.

k	d (мм)	bкр (мм)	bф (мм)	(м)	λкр (мм)	λф (мм)
1	0,01	1,45	1,0	200	7,25∙10-5	5∙10-5
2	0,01	2,8	1,9	200	7∙10-5	4,87∙10-5
1	0,01	2,0	1,55	300	6,66∙10-5	5,16∙10-5
2	0,01	4,1	2,8	300	6,83∙10-5	4,66∙10-5
6,935∙10-5	4,922∙10-5

Описание результатов:

Вычисления:        

λкр== 0,0000725=7,25∙10-5 ммλф== 0,00005=5,0∙10-5 мм

λкр== 0,00007=7,0∙10-5 ммλф== 0,0000487=4,87∙10-5 мм

λкр== 0,0000666=6,66∙10-5 ммλф== 0,0000516=5,16∙10-5 мм

λкр== 0,0000683=6,83∙10-5 ммλф== 0,0000466=4,66∙10-5 мм

Вывод: Длина световой волны не зависит ни от расстояния до дифракционного максимума на экране, ни от расстояния от дифракционной решетки до экрана и ни от порядка спектра.

Гипотеза подтвердилась.

Таким образом, исследовательская деятельность формируют у учащихся целостную систему универсальных знаний, умений, навыков, а также опыта самостоятельной деятельности и ответственности, что и обеспечивает современное качество образования и повышает качество преподавания предмета.

Список литературы:

1. Ваганова, учебно - исследовательской деятельности школьников. Улан - Удэ. БИПК и ПРО. 2008.

2. Загвязинский, , учителю подготовить и провести эксперимент. Пед. общ. России. М.2005.

3. Павлуцкая, «Преподавание физики в условиях модернизации».

Улан-Удэ. 2011.