3.3 Вимоги до установки для здійснення демонстрацій з лазером
Застосування ОКГ в середній школі обумовлене різними чинниками і, як вже ми відзначали, припускає ознайомлення учнів з принципом роботи лазерів і їх будовою, а також переслідує мету підвищити науково-методичний рівень шкільних фізичних дослідів з окремих розділів фізики.
Найефективнішим уявляється застосування навчального лазера для вдосконалення фізичного експерименту з геометричної і фізичної оптики, і зокрема з теми „Світлові хвилі", велика частина дослідів яких вимагає від вчителя певних практичних навичків, багато часу на їх підготовку і проведення. Тому важливі демонстраційні досліди, що були основою при вивченні хвильових властивостей світла і важливими при поясненні явища поляризації, інтерференції і дифракції, часто не ставляться на уроках фізики в середній школі. В той же час лазер, випромінювання якого когерентне, монохроматичне і направлене, дозволяє виконувати ці і подібні їм досліди (наприклад, інтерференція від дзеркал Френеля, дифракція від круглого екрану, вузької щілини і ін.) досить просто і ефективно, не витрачаючи багато часу на підготовку установки.
Слід зазначити, що застосування лазера для постановки демонстрацій з хвильової оптики не означає взагалі відмову від здійснення цих дослідів з традиційними тепловими джерелами світла.
При підготовці установки для демонстрацій з лазером слід виходити з вимог техніки безпеки при роботі з лазерами і пам'ятати, що випромінювання його є вузьким пучком світла довжиною хвилі 632,8 нм, кут розходження якого складає порядку 8÷10 кутових хвилин.
Таким чином, для здійснення демонстрацій з хвильової оптики необхідно розширити випромінювання лазера, використовуючи для цього звичайні розсівні лінзи (наприклад, із набору для лабораторних робіт лінзу №3, або ж короткофокусну збиральну лінзу, наприклад, із окуляра до мікроскопа).
Рис. 3.1. Схема демонстраційної установки із застосуванням лазера: 1- лазер, 2 - розсіювальна лінза №3 з лабораторного набору з оптики, 3 - подвійноувігнута лінза з набору лінз і дзеркал, 4 - об'єкт, що створює інтерференційну або дифракційну картину, 5 - екран.
Збирання установки виконують у такому порядку. На одному кінці демонстраційного столу встановлюють лазер і вмикають його живлення згідно вказівок інструкції з експлуатування. На екрані, розташованому на протилежному боці стола, спостерігають яскравий, але дуже маленький за розмірами, кружечок червоного кольору.
Потім на вказаних відстанях від лазера встановлюють по черзі лінзи, в процесі чого пучок на екрані помітно розширяється і досягає розмірів, достатніх для здійснення гарної демонстрації (рис.3.1).
За наявності в комплекті раніше розглянутих наборів до навчального лазера установку збирають таким чином: учбовий лазер встановлюють на направляючих універсального проекційного ліхтара (ФОС-67), а на виході випромінюючої головки встановлюють короткофокусну лінзу F=17 мм). Тоді на екрані одержують великих розмірів у перерізі лазерне випромінювання. Встановлюючи за лінзою об'єкти, на екрані спостерігають дифракцію або інтерференцію лазерного випромінювання.
Таким чином доцільно виконувати демонстрації дослідів, до яких відносяться:
Інтерференція від біпризми Френеля.
Інтерференція від дзеркал Френеля.
Інтерференція від дзеркал Ллойда.
Інтерференція від подвійної щілини Юнга.
Інтерференція від фотопластини.
Дифракція від вузького екрану.
Дифракція на вузькій щілині.
Дифракція на клиновидній щілині.
Дифракція на круглому екрані малих розмірів.
Дифракція на малому отворі.
Разом з цим зазначимо, що застосування навчального лазера для постановки демонстраційного експерименту із хвильової оптики в середній школі породжує нову методичну проблему: коли доцільні ці демонстрації? Вже після того, як на уроці буде розглянутий пристрій і принцип роботи лазера, або ж одразу при вивченні теми „Світлові хвилі". Відповідь однозначною бути не може. При вивченні, наприклад, інтерференції від біпризми Френеля, кілець Ньютона, подвійної щілини Юнга спочатку обов'язкова демонстрація із звичайними джерелами світла. Учні в 11 класі повинні зрозуміти сутність труднощів, що виникають при отриманні когерентних джерел світла (на відміну від випадків отримання когерентних джерел механічних хвиль). Після цього доцільно повторити досліди з лазером, підкресливши, що його випромінювання завжди володіє властивістю когерентності і тому труднощі у здійсненні демонстрацій в даному випадку відпадають.
При постановці складних і традиційно важких дослідів (дифракції на щілині, круглому екрані і отворі) має сенс здійснити демонстрацію відразу за допомогою лазера, бо із звичайними тепловими джерелами світла відтворення цих демонстрацій, зазвичай, вимагає високо професійних компетенцій експериментатора і частіше всього ці демонстрації без лазера навіть в 11 класі не ставляться. Навчальна модель лазера розв’язує цю проблему легко і досить ефективно.
3.4. Застосування навчального лазера для постановки лабораторного експерименту з курсу фізики середньої школи
Поява лазера, як об'єкту обладнання фізичного кабінету, дозволяє поставити змістовні лабораторні роботи, причому вони розглядаються на сучасному рівні. Це дуже важливо, оскільки виправдовує порівняно ще великі для школи витрати на придбання такого приладу. Важливо і те, що для проведення цих робіт, крім лазера, використовуються досить поширені прилади, які входять до переліку типового обладнання шкільних кабінетів фізики, і невелике число саморобних приладів, які можуть бути легко виготовлені в умовах будь-якої школи.
При виконанні лабораторних робіт з лазером необхідно постійно вимагати виконання учнями правил техніки безпеки.
Перш за все, слід вимагати від учнів виконання загальних заходів безпеки при роботі з високою напругою, дбайливого і акуратного відношення до всіх приладів, робочого місця і т.д.
Не менш важливим завданням, що стоїть перед вчителем в ході підготовки і проведення лабораторних робіт з ОКГ, є запобігання можливості попадання прямого лазерного випромінювання в очі учнів.
Для цього вчителю необхідно перед виконанням роботи детально проінструктувати учнів, а в процесі виконання демонстрації установку розташувати так, щоб випромінювання лазера не перетинало місця можливого знаходження учнів (краще всього, щоб випромінювання проходило поблизу стінки класу і було паралельним їй), учням рекомендувати в ході роботи спостерігати за лазерним випромінюванням на поверхні екрану з розсіювальною поверхнею, забезпечити кожне робоче місце системою захисних та обмежувальних пристосувань і т.д.
З метою запобігання попаданню прямого пучка лазерного випромінювання в очі учню при неуважному виконанні роботи можна використовувати саморобний екран, виготовлений з органічного скла завтовшки 2÷5 мм. Вирізана з такого скла смужка 20х50 см закріплюється в дві дерев'яні підставки, щоб її середня лінія знаходилася на рівні з лазерним випромінюванням і ставиться перед установкою. Цей прозорий екран дає можливість учневі бачити установку і разом з тим не заважає змінювати розташування деталей. Одночасно він обмежує можливість проникнення в область прямого випромінювання.
За необхідності можна використовувати встановлені поряд два такі екрани.
У ході застосування газового лазера для виконання лабораторних робіт істотним є питання: хто повинен вмикати лазер? Слід зазначити, що управління лазером не складніше, ніж робота з електронним осцилографом. Проте, беручи до уваги ціну приладу і ряд інших обставин, доцільно вмикати лазер саме вчителю (лаборанту) і лише добре підготовленим учням дозволяти вмикати його самостійно при вичерпному інструктажі і контролі з боку вчителя (лаборанта).
Розглянемо деякі лабораторні роботи з газовим лазером, які можуть бути запропоновані у шкільному фізичному і факультативному практикумі в умовах профільного навчання фізики у ЗНЗ.