Нетрадиційні_уроки_фізики

між двома найближчими точками хвилі, в яких коливання відбуваються в однаковій фазі.

Швидкість електромагнітних хвиль дорівнює добутку довжини хвилі на частоту коливань і у вакуумі становить 3 ×108 м / с.

Один із видів електромагнітних хвиль — це звичайне світло. Воно приходить до нас від Сонця, затративши на цей шлях вісім із половиною хвилин. Від зір та найвіддаленіших галактик світло іде тисячі, мільйони й навіть мільярди років. Але йому необхідні лише мільйонні частки секунди, щоб потрапити в наші очі від земних джерел: блискавки, вогнища, лампи, екрана телевізора.

Чи варто розповідати, що означає для людей світло? Понад 90% усієї інформації про світ і все, що нас оточує, ми отримуємо завдяки видимому світлу. Довжина його хвилі у вакуумі перебуває у межах від 4 ×10−7 м. до 7,6 ×10−7 м.

Кольори предметів визначаються тим, які з падаючих на них променів відбиваються, тобто тим, яка довжина хвилі у відбитих променів.

Біолог. Життя на землі виникло та існує завдяки енергії сонячного проміння. Вогнище первісної людини, нафта, продукти якої згоряють у двигунах автомашин, — це енергія, яку колись накопичили рослини і тварини.

Мистецтвознавець. Але світло не тільки створило все живе. Щедрість світлового потоку відкриває нам красу природи. Перше, що пам'ятає людина у своєму житті, — це обличчя матері, її руки.

(Проектується слайд «Мадонна» Рафаеля.)

Ми бачимо далекі галактики і туман на вранішньому лузі, зелене листя, що тягнеться до Сонця.

(Проектується слайд — квіти поранковому полі.)

Людина і природа єдині. і, дивлячись на цю красу, яку ми сприймаємо завдяки світлу, хочеться вигукнути: «Мить, зупинись, бо ти прекрасна!»

Історик. Зупинити мить вдалося у 1838 році французькому художнику Жаку Дагеру, який зумів записати зображення за допомогою світлової енергії на світлочутливій пластині.

Лінгвіст (репліка). Вибачте. Я лінгвіст. Слово «лінгва» латиною означає мова. Я пояснюю походження та значення слів.

Грецькою мовою світло — « фотос», а запис — « графіс». (Запитання до аудиторії.) Як, на вашу думку, називається запис

зображення за допомогою світла? Правильно: фотографія.

253

Історик. Англійський фізик Джеймс Максвелл у 1861 році створив першу в історії кольорову фотографію на склі. Він використав для цього розроблену ним теорію додавання та віднімання кольорів.

Інженер (репліка). Цей же принцип додавання та віднімання кольорів покладено в основу кольорового телебачення та кольорового друкування.

Історик. Значення фотографії важко переоцінили, особливо, якщо врахувати, що з фотографії виросло кіно і телебачення. Фотографія відтворює образи видатних людей.

(Проектується портрет А. Ейнштейна.)

Фотографія повертає нас до подій минулого, дає можливість побачити себе маленькими, а наших батьків, бабусь та дідусів зовсім молодими.

(Проектуються три фотографії: хлопчика — учасника конференції; бабусі біля вікна; молодої дівчини біля того ж вікна.)

Велику роль відіграє фотографія у наукових дослідженнях.

(Проектується фотографія місця падіння Тунгуського метеорита.)

Біолог. Тільки в XX столітті, завдяки розвиткові біології та створенню потужних мікроскопів, удалося з'ясувати механізм кольорового сприйняття світу.

Клітини сітківки ока — колбочки — поділяються на три типи, кожний із яких сприймає тільки свій колір: червоний, зелений чи синій. При складанні кольорів різної інтенсивності в зорових центрах кори головного мозку формується повно колірний кольоровий образ.

У 1794 році англійський фізик Дальтон описав порушення кольорового зору. Воно полягає у нездатності розрізняти деякі кольори, частіше — червоний та зелений, і називається дальтонізмом.

(Запитання до аудиторії.) Чому люди, що страждають дальтонізмом, не допускаються до керування транспортними засобами?

Учитель. У давнину вчених називали філософами, тобто любителями мудрості. Сучасна філософія — наука про найбільш загальні закони розвитку природи та пізнання. Отож, слово філософу.

Філософ. Людей давно хвилювало питання про кольори. Чи існують кольори в природі, чи це лише здатність нашої свідомості сприймати світло з різною довжиною хвиль як різні кольори? Чи реальний світ фарб, чи це ілюзія?

254

Але ж ми самі й наша свідомість — частина матерії. З матеріальними колбочками зорового нерва взаємодіють матеріальні хвилі різної довжини. Світ кольорів реальний.

Учитель. Отже, кольори існують не лише в нашій свідомості, вони є в природі. Видиме світло люди вивчають понад 2000 років. Значний внесок у розвиток науки про світло — оптики — зробили: Евклід, Архімед, Леонардо да Вінчі, Кеплер, Декарт, Ньютон, Гюйгенс, Ломоносов, Френель, Юнг, Лебедєв, Столєтов, Ейнштейн, Вавилов, Басов, Прохоров.

Друге випромінювання. Інфрачервоне та ультрафіолетове випромінювання.

Історик. Учені давно відчували: видимі промені оточені океаном невидимих випромінювань. Знаменитий Тит Лукрецій Кар ще в І столітті нашої ери висловлював припущення, що у Сонця «є багато жарких, сильних та невидимих променів...»

Укінці ХVIII-го століття англійський астроном Вільям Гершель розмістив поза червоною частиною спектра чутливий термометр і виявив, що термометр нагрівається. Це було так незвично, що Гершель 20 років зберігав мовчання і тільки у 1800 році надрукував свої роботи. і зробив це саме вчасно, бо вже у наступному 1801 році два вчених — німецький Ріттер та англійський Волластон — незалежно один від одного виявили поруч із фіолетовою смугою спектра невидимі промені, що заломлювались сильніше за фіолетові.

Лінгвіст. Отже, були відкриті два нових види випромінювань. Це — два молодших брати видимого світла, їм необхідно дати гарні імена.

«Інфра» латиною — « нижче».

Інфрачервоне випромінювання — випромінювання нижче червоного за частотою.

«Ультра» - «те, що перебуває за межами».

Ультрафіолетове випромінювання перебуває за межами фіолетового. Виявити ультрафіолетове випромінювання можна за допомогою люмінесценції. «Люмен» (латинське) — « світло». Люмінесценція — холодне свічення під дією ультрафіолетових променів.

Ународі кажуть: побачити — означає повірити. А я скажу: перевірити — означає повірити.

255

(Проводиться дослід: зелене світіння демонстраційного люмінесцентного екрана під дією УФ-випромінювання, різноколірне: оранжеве, жовте, зелене — набору для люмінесценції).

Фізик. Інфрачервоне випромінювання — це електромагнітні хвилі з довжиною хвилі від 7,6 ×10−7 м. до 10−3 м.

Воно випромінюється усіма тілами, температура яких вища від абсолютного нуля. Інтенсивність випромінювання зростає за збільшення температури.

Ультрафіолетове випромінювання має довжини хвиль коротші, ніж у фіолетового — від 4 ×10−7 м. до 10−8 м.

Невидимі промені випромінюються Сонцем, зірками, туманностями. Штучними джерелами є зварювальна дуга та плазма. 50% енергії Сонця, що доходить до нас, — інфрачервоне випромінювання, а 10% енергії Сонця припадає на ультрафіолет.

Біолог. Отож, невидиме випромінювання.

(Звертається до аудиторії.) А що, на вашу думку, було б, якби людські очі сприймали інфрачервоні промені?

Учні. Ми нічого, окрім власного інфрачервоного випромінювання, не сприймали б, бо наше тіло було б найближчим і постійним джерелом ІЧ-випромінювання, яке могло б бути сильнішим за сонячне.

Біолог. Отож, очі людини не чутливі до ІЧ-випромінювання, але шкіра людини сприймає їх, пропускаючи на глибину 5-6 мм.

Подивіться на цей знімок — це портрет людини в тепловізорі, за яким лікар безпомилково може визначити захворювання судин мозку над правою бровою. Людині загрожує інсульт. (Проектується знімок із книги Лоуренса «Невидимое глазу». Проектується фотографія дна ока в звичайному світлі та знімок в УФ-променях.)

За люмінесценцією можна помітити захворювання судин. Такими методами хворобу можна виявити на тій стадії, коли з нею ще можна боротися. Тому медики все частіше звертаються за допомогою до фізиків.

Інженер. Природа розкриває нам свої таємниці і людина вчиться у природи, а потім створює прилади та пристрої, подібні до того, що вона побачила в природі. Наприклад, фотоапарат подібний до ока.

(Проектується зображення голови гадюки.)

Гадюка вловлює ІЧ-випромінювання теплокровних тварин своїм «локатором» і безпомилково знаходить свої жертви в повній темряві.

256

Прилад нічного бачення за допомогою електронно-оптичного перетворювача — ЕОП — перетворює у видиме те зображення, яке створили інфрачервоні промені.

У ракетах, що самі наводяться на ціль, реєструються ІЧ-промені, які виходять від працюючих двигунів танків, літаків. Радіус дії таких ракет до 200 км.

Учитель. Повернімося до затишного електричного каміна або нагрівача-рефлектора.

(Звертається до аудиторії.) Навіщо у рефлектора великий блискучий відбивач? На що він схожий в автомобілі? У чому відмінність цих приладів?

З цією ж метою (відбивання інфрачервоного випромінювання)

металізують костюми пожежників та сталеварів, щоб захистити їх від перегрівання.

Тепер поговоримо про ультрафіолетове випромінювання. Воно не може проникати через звичайне скло. Ті промені, які виникають під час газового розряду в лампах денного світла, викликають люмінесценцію порошку, яким вкрита внутрішня поверхня балона лампи, за рахунок чого світло люмінесцентної лампи наближається за своїм складом до сонячного, а також збільшується коефіцієнт корисної дії лампи до 30-40%, на відміну від лампи розжарювання, у якої ККД усього 4%, тобто лише 4 відсотки електричної енергії перетворюється у світлову.

Таким чином, з точки зору економіки лампи денного світла вигідніші, бо дозволяють заощаджувати електроенергію.

Біолог. Те, що ультрафіолетові промені проникають через кварцове скло, використовують у так званих кварцових лампах, які широко застосовуються в медицині. Виходячи з того, що УФ-промені вбивають мікроорганізми, їх використовують для стерилізації операційних та «кварцування» лікарняних палат.

Малі дози УФ-променів благотворно впливають на організм людини, стимулюють утворення вітаміну Б, поліпшують імунобіологічні властивості організму. Великі дози можуть викликати пошкодження очей, опіки і навіть викликати утворення злоякісних пухлин.

Еколог. Ультрафіолетове випромінювання Сонця сильно поглинається атмосферою Землі, утворюючи в ній озон на висоті близько 25 км над поверхнею Землі. Викиди двигунів автомобілів, літаків, ракет, теплових електростанцій руйнують озоновий шар.

257

Сюди ж свій негативний вплив додають фреони, що використовуються у холодильниках та різних аерозольних пристроях. У результаті цих впливів у деяких місцях атмосфери виникають озонові дірки, в які буквально вривається ультрафіолет із космосу. Наслідки — шкода для живих організмів.

З іншого боку, викиди теплових двигунів мають значний уміст вуглекислого газу. Він прозорий для видимого світла, але не пропускає інфрачервоні промені. У результаті відбувається штучне нагрівання повітря — парниковий ефект, який може призвести до глобального потепління клімату, танення льодовиків, підвищення рівня світового океану.

Сподіватимемося, що людство здатне прогнозувати результати своєї діяльності та запобігатиме виникненню екологічної катастрофи.

Учитель. Бачите, що виходить: позитивне і негативне (корисне і шкідливе) поєднуються в одних і тих же явищах. У цьому полягає один із фундаментальних законів природи: закон єдності та боротьби протилежностей, справедливий і для інших явищ природи та суспільного життя, в чому ви ще не раз переконаєтесь.

Отож, наш давній приятель — видиме світло — отримав двох молодших братів; інфрачервоне та ультрафіолетове випромінювання.

Третє випромінювання. Радіохвилі.

Філософ. Найважливішими категоріями філософії є простір та час. Здійснимо невеличку подорож у просторі й часі.

Англійський фізик Майкл Фарадей у середині XIX століття (1831 рік) поєднав електричні та магнітні явища, відкривши електромагнітну індукцію. Там же в Англії Джеймс Максвелл створив теорію електромагнітного поля і теоретично обґрунтував можливість випромінювання електромагнітних хвиль зарядженими частинками, що рухаються прискорено (1862 рік).

УНімеччині 30-річний Генріх Герц у 1888 році доповів про одержані ним електромагнітні хвилі. Властивості цих хвиль збігалися із властивостями світла, як і передбачав Максвелл.

У1897 році О. С. Попов продемонстрував усьому світові новий вид зв'язку — радіо, застосувавши його згодом для обміну інформацією між кораблями.

Хіба це не тріумф?! Ось він шлях пізнання: від спостереження до теорії, від теорії до її експериментального підтвердження, потім до технічної розробки принципово нового виду зв'язку.

258

Інженер. Життя сучасного суспільства, розвиток виробництва та культури неможливі без постійного обміну інформацією. Радіо і телебачення відіграють у цьому неабияку роль. У промисловості телебачення дозволяє контролювати процеси в зонах, недосяжних для прямого спостереження: під водою, в землі, на шкідливих для людей виробництвах.

У1939 році у Харкові було створено перший у світі радіолокатор. Тепер радіолокація використовується у військовій справі, цивільній авіації, метеорології, астрономії.

(Звертається до аудиторії.) З якою метою на транспорті використовують радіолокатори (радари)?

У1997 році радіолокаційним методом на Місяці було виявлено воду в твердому стані, яка утворилася, вірогідно, при падінні на Місяць комети, яка майже повністю складалася з льоду.

Учитель. А що нам може сказати гість, який серйозно займається спортом?

Спортсмен. Так, я займаюсь спортом і можу сказати, що електромагнітні хвилі мені завжди допомагають: видиме світло — бачити суперника і точно фіксувати момент старту та фінішу, відтворювати свої дії під час тренувань по записах на відеоплівці. Уболівальники, які не потрапили на стадіон, можуть бачити змагання по телевізору, завдяки радіохвилям. Хіба могли про це мріяти наші дідусі та бабусі багато років тому назад?

Але хвилі допомагають не тільки у цьому. Якщо трапиться травма, лазерне випромінювання допоможе зростанню кісток та відновленню м'язових тканин.

До речі, я чув, що й акселерація — прискорений ріст людей — відбувається не тільки за рахунок збалансованого харчування, але й під впливом електромагнітного випромінювання від радіо - та телевізійних антен, яке буквально переповнює простір навколо. Але ця гіпотеза потребує перевірки.

Учитель. XIX століття виявилося щасливим для фізиків. У перші роки століття були опубліковані роботи про відкриття інфрачервоних та ультрафіолетових променів, а в останні роки були одержані радіохвилі та рентгенівське випромінювання.

Четверте випромінювання. Рентгенівське випромінювання. Історик Відкриття Вільгельма Рентгена в жодному разі не було

випадковістю, бо з появою флуоресцентних екранів (1878 рік) та вакуумних трубок Крукса (1879 рік) основні вузли рентгенівського

259

апарата були вже в наявності. Та, як сказав великий учений Луї Пастер, «випадок обирає підготовлений розум». Відкриття було нагородою за працелюбність, спостережливість Рентгена, його вміння дивуватись, та аналізувати те, що він спостерігав.

Відкриття було зроблене 8 листопада 1895 року. Рентген працював майже цілодобово, сім тижнів, за ці дні й ночі він встиг зробити чимало: він встановив усі властивості та можливості застосування відкритих ним Х-променів (тепер їх називають рентгенівськими), випередивши цим українця Івана Пулюя.

У 1901 році Рентгену була присуджена перша в історії Нобелівська премія з фізики — заслужена нагорода за відкриття, яке, за словами Резерфорда, поклало початок «нової плідної епохи у фізиці, де відкриття фундаментальної значимості відбувались майже безперервно одне за одним». Справедливо було б, якби цієї премії був удостоєний також Іван Полюй, який швидше від Рентгена спостерігав Х-промені, але вчасно не опублікував своїх результатів.

Інженер. Вільгельм Рентген не оформив юридично свій пріоритет, подарувавши своє відкриття усьому людству. Це дало можливість конструкторам розробляти нові типи рентгенівських трубок.

(Проектується зображення різних типів рентгенівських трубок.)

Матеріалознавці за допомогою цих трубок можуть виявити бульбашки повітря у зварювальних швах, раковини та тріщини у відливках: рейках, поршнях тощо.

(Проектується зображення установки «Рентгенівська дефектоскопія».)

Фізик. Що ж це таке — рентгенівське проміння?

Джерелом рентгенівського випромінювання виявився анод вакуумної трубки. Випромінювання виникає під час гальмування електронів, які прискорюються сильним електричним полем. Під час гальмуванні кінетична енергія електронів перетворюється в енергію електромагнітного випромінювання. Тому випромінювання називають гальмівним.

Рентгенівські промені іонізують повітря, викликають свічення деяких речовин, діють на фотоемульсію, проникають через непрозорі тіла. Поглинання рентгенівських променів збільшується в міру збільшення товщини та густини поглинаючої речовини.

260

(Проектуються кадри із зображенням, одержаним за допомогою рентгенівських променів.)

Природа рентгенівського випромінювання була остаточно з'ясована після того, як у 1913 році німецькому фізику Лауе вдалося провести досліди щодо дифракції цього випромінювання. Дифракційною решіткою для рентгенівських променів є самі атоми. За дифракційною картиною можна визначити будову речовини — провести рентгеноструктурний аналіз.

(Проектується зображення дифракції рентгенівських променів.)

Біолог. Я впевнений, що з рентгенівськими променями всі ми вперше познайомились у поліклініці.

(Демонструється рентгенограма руки та грудної клітки людини.)

У медичному діагностуванні рентгенівські промені — незамінний поміч ник. Вони дають видиме зображення на спеціальному екрані або фотоплівці.

(Звертається до аудиторії.) Чому не можна часто робити рентгенівське обстеження? Які засоби захисту використовують люди, які постійно працюють із рентгенівським випромінюванням?

Мистецтвознавець. Реставратори картин та знавці живопису користуються ультрафіолетовими, інфрачервоними та рентгенівськими променями для того, щоб визначити час створення полотна, техніку його виконання. Цей спосіб ґрунтується на тому, що різні фарби по-різному пропускають і поглинають випромінювання.

Охорона картин та скульптур за допомогою невидимих променів застосовується в багатьох музеях світу. Якщо чиясь рука, тягнучись до витвору мистецтва, перетинає невидимі промені, — спрацьовує сигналізація.

П'яте випромінювання. Гамма-випромінювання.

Учитель. Ми розглянули природу та використання рентгенівських променів, які були відкриті наприкінці 1895 року. А через кілька місяців, у лютому 1896 року, були відкриті промені, яким пізніше присвоїли назву гамма-випромінювання.

Із цим випромінюванням ми детально ознайомимося пізніше при вивченні фізики атомного ядра, а зараз можна сказати, що виникає воно під час перетворення атомних ядер.

Крім того, властивості гамма-променів дуже подібні на властивості рентгенівських променів, але мають:

261

-більшу іонізуючу здатність;

-більшу проникливість;

-більшу частоту коливань;

-більшу небезпеку для живих організмів.

І ще слід сказати: у всіх розглянутих нами електромагнітних хвиль є ще один родич — низькочастотне випромінювання, яке виникає під час роботи електричних генераторів, поблизу ліній електропередач і поширюється лише на кілька метрів, тому практичного застосування воно не має.

IV. Висновки

Ми розглянули різні види електромагнітних випромінювань. Скільки їх?

Так, їх сім — низькочастотне електромагнітне випромінювання, радіохвилі, ІФ-промені, видиме світло, УФ-промені, рентгенівське випромінювання і гамма-промені, тобто виходить сім'я. Де ми зустрічаємося з цією сімейкою? А що об'єднує цих родичів?

За яких умов виникає електромагнітне випромінювання? Електромагнітне випромінювання виникає в результаті

прискореного руху заряджених часток. А сім'ї можна дати ім'я — шкала електромагнітних випромінювань.

(Щоразу, роблячи висновки, учитель звертається до шкали електромагнітних хвиль.)

Лаборант. Прощу вибачення. Я працюю лаборантом у кабінеті фізики. Зараз повинен віднести до кабінету прилади з оптики. Ось ці прилади.

Учитель. Погляньте уважно і потім скажіть, чи збігається те, що скаже лаборант, із тим, що ви знаєте. Будь ласка.

Лаборант. Ось скляна пластинка. Вона використовується для визначення показника заломлення скла, який показує, у скільки разів швидкість світла у склі більша, ніж у повітрі.

А це тригранна призма. Вона допомогла Ньютону одержати спектр і довести, що червоне світло заломлюється сильніше, ніж фіолетове.

Між цими двома скляними пластинками під час їхнього стискання можна побачити такі ж кольорові смуги, як у краплині масла, що розтеклось по воді. Це явище називають дифракцією.

У цих дифракційних ґратках світло заломлюється.

262