Автор Ольга Прокопович, м. Рівне
Мета: ознайомити учнів з історією розвитку поглядів на природу світла; поглибити знання учнів про світло та закони його поширення. Продовжувати розвивати вміння учнів аналізувати та порівнювати наукові факти; логічно мислити; активізувати пізнавальну діяльність учнів на основі історичного матеріалу. Сприяти формуванню в учнів світоглядних ідей пізнаванності світу та роль світла в цьому процесі; сприяти політехнічному, екологічному та духовному вихованню учнів.
Обладнання: Біблія; таблиці з фізики.
Тип уроку: урок сприймання нових знань.
Думаємо колективно;
працюємо оперативно;
сперечаємось доказово —
це для всіх обов’язково!
Хід уроку
І. Організаційний момент
Вітання
Гра «Мовчанка»
Учитель озвучує деякі твердження. Після кожного твердження учням дається кілька секунд на обдумування відповіді. Якщо учні згодні з ним, то піднімають руку великим пальцем догори; якщо ж не згодні, — великим пальцем донизу. Наприклад: «Сьогодні чудова погода», «Мої однокласники — це мої добрі товариші», «Я люблю уроки фізики» та інші.
ІІ. Актуалізація опорних знань учнів
Учитель.
– Пригадайте, що таке електромагнітна хвиля (ЕМХ)?
– Якими фізичними величинами вона характеризується?
– Які властивості має електромагнітна хвиля?
– Чи змінюються її властивості із зміною частоти чи довжини хвилі?
Заслухати відповіді учнів на поставлені запитання.
ІІІ. Мотивування навчання
Учитель. Оскільки зв’язок між властивістю ЕМХ та її частотою насправді існує, то виникає логічне запитання: до яких меж можливе зростання частоти і, відповідно, зменшення довжини ЕМХ?
Відомо, що коливальні контури створюють ЕМХ з частотою до 1012 Гц і вони безпосередньо не сприймаються людиною. Інші коливальні системи (атоми, молекули…) можуть створювати коливання з частотами від 1012 до 3·1016 Гц, які також не сприймаються на слух. Але дуже вузький діапазон частот 4·1014÷7,7·1014 Гц (що відповідає довжині хвилі 0,4÷0,77 мкм) сприймаються оком людини. ЕМХ цього діапазону називаються світловими. Розділ фізики, що вивчає світлові явища, називають оптикою.
ІV. Повідомлення теми і мети уроку
V. Сприймання нових знань
- Коротка історія поглядів на природу світла:
- найдавнішу інформацію ми отримуємо з Біблії: «І сказав Бог: «Хай станеться світло!» І сталося світло. І побачив Бог світло, що добре воно, — і Бог відділив світло від темряви. І Бог назвав світло: «День», а темряву назвав: «Ніч». І був вечір, і був ранок, — день перший» (Бут. 1:3-5); Використати таблицю «Прямолінійне поширення світла. Утворення тіні» і звернути увагу учнів на два моменти: спрямований світловий потік і обертання Землі, щоб був день і була ніч.
- серед багатьох (язичницьких) народів були інші уявлення, за якими, зокрема, вважалось, що з очей людини виходять особливі «щупальця», які обмацують предмети, і тому людина їх бачить. Власне, і саме слово «оптика» в перекладі з грецької означає «наука про зір»;
- погляди на природу світла докорінно не змінювались, аж доки в середині XVII ст. не виявилось, що через «порожнечу» трубки ртутного барометра італійського вченого Е. Торрічеллі також видно предмети;
- англійський учений І. Ньютон (1643–1727) запропонував корпускулярну теорію світла, за якою світло розглядалось як потік особливих світлових частинок — корпускул;
- нідерландський учений Х. Гюйгенс (1629–1695) запропонував хвильову теорію для пояснення природи світла;
- англійський учений Дж. Максвелл (1831–1879) створив електромагнітну теорію;
- у XX ст. була створена квантова електродинаміка, якою досі користуються для пояснення природи світла.
- Світлові явища
Кожне із цих явищ відбувається за певних умов та за певними законами (пригадайте закон прямолінійного поширення світла, закони відбивання та закони заломлення), характеризуються певними фізичними величинами.
Кожне із цих світлових явищ певним чином пов’язане із швидкістю поширення світла. Жодна з фізичних величин не має такого великого значення, як швидкість світла: вона як параметр входить до багатьох рівнянь теоретичної фізики, її значення важливе в космонавтиці та радіолокації, теорії відносності та астрономії. Виразити швидкість світла через інші сталі величини неможливо, її можна лише дослідно виміряти. У фізиці такі величини називають фундаментальними.
- А. Ейнштейн: «Галілей сформулював проблему визначення швидкості світла, але він не розв’язав її. Формулювання проблеми часто суттєвіше, ніж її розв’язання, яке може бути справою лише математичного чи експериментального мистецтва».
Способи вимірювання швидкості світла можна поділити на прямі та непрямі.
Прямі способи ґрунтуються на вимірюванні шляху, пройденого світлом, і часу його проходження, тобто с = l / t.
Основою непрямих способів вимірювання є те, що світло — це електромагнітна хвиля і її швидкість c = λ · ν.
Далі вчитель, використовуючи відповідні таблиці, знайомить учнів із методами визначення швидкості світла та отриманими результатами.
Отже:
1676 р. — вперше була виміряна швидкість світла данським ученим О. Ремером, який застосовував астрономічний метод; с = 227 000 км/с;
1849 р. — французький учений А. Фізо вперше застосував пряме вимірювання швидкості світла; с = 313 300 км/с;
1926 р. — американський учений А. Майкельсон здійснив найточніше вимірювання швидкості світла на той час; с = 299 796 ±4 км/с.
До речі, Майкельсон зауважив: «Те, що швидкість світла є категорією, недоступною людській уяві, і що, з іншого боку, її можна виміряти з надзвичайною точністю, робить її визначення однією із найзахопливіших проблем, з якими може зіткнутись дослідник…»
І мав право на таку заяву, бо швидкість світла він вимірював багаторазово протягом 47 років (з 1879 по 1926 рік). Його досліди показали, що:
– рух Землі ніяк не впливає на швидкість світла;
– швидкість світла не залежить від руху тіл, що його випромінюють;
– числове значення швидкості світла має стійку тенденцію до зменшення, що добре узгоджується з результатами експериментів інших учених. Зокрема, американський вчений К. Івенсон і його колеги 1972 р. за цезієвим стандартом частоти одержали с = 299 792 456,2 ±2 м/с. [1]
Зараз в «арсеналі» учених понад 16 різних способів визначення швидкості світла.
Те, що швидкість світла зменшується, викликало в минулому полеміку в наукових колах. Так, в журналі NATURE за 4 квітня 1931 року, с. 522, Де Брей пише: «Якщо швидкість світла — константа, то як же виходить, що кожне нове вимірювання неодмінно дає значення, нижче від попереднього?.. Існують 22 збіги на користь зменшення швидкості світла, і жодного — проти».
Американський учений Беррі Сеттерфілд проаналізував результати вимірювання швидкості світла різними вченими і в різний час і показав це на графіку (рис. 1).
Графік має очевидну нелінійну залежність (рис. 2). Якби результати експериментів можна було пояснити похибками чи недосконалістю вимірювань, то на графіку було б «розкидання» значень відносно якогось певного значення с (рис. 3). Для обчислень, які не потребують високої точності, використовуємо значення с = 3·108 м/с. То хіба має таке велике значення отих кілька тисяч м/с різниці? Виявляється, має. І ось чому.
Якщо графік (рис. 1) екстраполювати назад у часі, то виявиться, що всього 6 чи 7 тис. років тому швидкість світла була дуже високою, практично нескінченною.
Таке велике значення швидкості світла в минулому неминуче вплинуло на деякі процеси, а саме:
1) доведено, що швидкість радіоактивного розпаду залежить від швидкості світла, а тому була вищою, ніж тепер. Отже, продукти розпаду утворювались швидше. Якщо це так, то метод радіоактивного датування дав неправильний результат — не мільярди чи мільйони років, а лише тисячі років існування Всесвіту (і Землі);
2) зараз на небі ми спостерігаємо явища, які відбувались тоді, коли швидкість світла була більшою, а тому реальні відстані між об’єктами, відповідно, не такі колосальні, а значно менші;
3) оскільки швидкість світла була більшою, то і довжина хвилі збільшувалася (c = λ · ν), тобто це призводить до зміщення частот світла в червону сторону спектра. «Червоне зміщення», яке спостерігають астрономи, пояснюють ефектом Допплера, який виникає при розширенні Всесвіту. Сеттерфілд обчислив, що червоне зміщення, яке виникає внаслідок зменшення швидкості світла, має більшу величину, ніж та, яку спостерігають астрономи, бо «фіолетове зміщення» Допплера його частково компенсує. А це означає, що Всесвіт не розширюється, а стискається;
4) швидкість фотосинтезу, який відбувається під дією світла, також була вищою і це могло стати однією з причин існування рослин-гігантів;
5) в’язкість земних порід в минулому була нижчою, а тому теплообмін відбувався швидше і, відповідно, швидше рухались електрони та іони, що прискорювало процеси кровообігу, нервових імпульсів, дихання та ін. процесів. А це могло призвести до того, що в минулому людина мала вищий інтелект (як здатність до мислення, особливо до його вищих теоретичних рівнів).
На основі цих та деяких інших наслідків, які випливають із факту зниження швидкості світла, можна зробити висновок про те, що біблійна модель історії Землі більше відповідає дійсності, ніж еволюційна.
VI. Осмислення знань
- Вправа «Слова-описи»
До кожної літери слова «світло» дібрати слово, яке вказувало б на світлові явища чи їх застосування.
Наприклад:
С — світловод, спектр
В — відбивання
І — інформація (запис, передача)
Т — темрява, тінь
Л — лампа, лазер
О — освітлення
- Розв’язати задачу
В історичному досліді Фізо з визначення швидкості світла відстань між колесом, що має N = 720 зубців, і дзеркалом було l = 8633 м. Світло зникло перший раз при частоті зубчастого колеса ν = 12, 67 с-1. Яке значення швидкості світла одержав Фізо?
Дослід Фізо
N = 720
l = 8633 м
ν = 12,67 с-1
_____________
с – ?
Розв’язок
За час t світло від джерела до дзеркала і назад проходить шлях 2l. Тоді с = 2l / t.
З іншого боку, за цей же час t диск повертався на 1 зубець, тобто на 1/2N повного оберту (ширина зубців і проміжків між ними однакові). Час одного оберту (період) T = 1 / ν. Тоді шуканий час t =1/2Nν.
Тому с = 2l/ 1/2Nν = 4lNν.
[c] = м ∙ с-1 = м/с
c = 4 ∙ 8633 ∙ 720 ∙ 12,67 = 315014716,8 (м/с)
c = 315015 км/с
- Учитель. Нещодавно я прочитала одну цікаву історію. Послухаєте?
Професор одного зі швейцарських університетів під час лекції запитав своїх студентів:
— Чи все, що існує, створено Богом?
Хтось із студентів відповів:
— Так, усе створено Богом.
Тоді професор сказав:
— Якщо Бог створив усе, то, отже, Бог створив також існуюче зло. А згідно з принципом, що наші вчинки визначають нас самих, виходить, що Бог є зло.
В аудиторії запанувала тиша. Задоволений собою професор похвалився студентам, що він щойно (уже вкотре!) довів, що віра в Бога є міфом.
Відтак ще один студент підняв руку і звернувся до професора:
— Чи можу я вас запитати, пане професоре?
— Звісно, — відповів професор.
Студент підвівся і запитав:
— Професоре, а холод існує?
— Що за дивне запитання? Звичайно, існує. Хіба тобі ніколи не було холодно?
Студенти засміялися, але їхній однокурсник, здавалось, не звернув на це уваги.
— Насправді, сер, холоду не існує. Якщо вірити законам фізики, те, що ми вважаємо холодом, насправді є відсутністю тепла. Людину чи будь-яку річ можна дослідити на рахунок того, чи мають вони енергію і чи передають її. При абсолютному нулі (–237 °С), тобто, цілковитій відсутності тепла, уся матерія стає інертною й нездатною реагувати на будь-що. Холоду не існує, — продовжував розвивати свою думку студент. — Ми придумали це слово для того, щоб описати, що ми відчуваємо при відсутності тепла.
Студент продовжив:
— Професоре, а темрява існує?
— Так, існує.
— Ви знову помиляєтесь, сер. Темряви також не існує. Насправді темрява — це відсутність світла. Ми можемо досліджувати світло, але не темряву. Ми можемо використовувати скляну призму, щоб розкласти біле світло на безліч кольорів. Ми можемо виміряти швидкість світла, але ми не можемо виміряти швидкості темряви. Чи не так? Таким чином, темрява — це поняття, яке людина використовує для опису того, що відбувається за відсутності світла.
Насамкінець студент запитав професора:
— Сер, а зло існує?
— Звісно, як я вже й казав, — відповів професор. — Ми бачимо його щодня: жорстокість між людьми, злочини та насилля по всьому світі. Хіба це не зло?
На це студент відповів:
— Зла не існує, сер, чи, принаймні, його не існує для нього самого. Зло — це просто відсутність Бога. Воно схоже на темряву і холод. Це слово, створене людиною лише для того, щоб описати відсутність Бога. Бог не створював зла. Зло — це не віра чи любов, які існують як світло і тепло. Зло — це результат відсутності в серці людини Божої любові. Зло — це щось схоже на холод, що приходить за відсутності тепла, чи на темряву, яка настає за відсутності світла.
Студентом, який присоромив професора, був Альберт Ейнштейн.
Гарна історія, правда?
І вже згодом Альберт Ейнштейш, лауреат Нобелівської премії, видатний фізик, ім’я якого ми зустрічаємо неодноразово під час вивчення фізики, висловився так:
«Вірую в єдиного Бога і з чистим сумлінням можу сказати, що ніколи не відчував симпатій до атеїстів … Звичайне уявлення про мене як про атеїста — велика помилка. Якщо це уявлення про мене як про атеїста взяте з моїх наукових праць, то можу сказати, що моїх робіт не зрозуміли». [2]
VII. Підсумок уроку
Висновки формулюють учні або вчитель.
- Світло — це особливий процес, який проявляє подвійну природу: як потік світлових частинок і як електромагнітна хвиля.
- Світлові явища підлягають певним законам (закон прямолінійного поширення світла, закони відбивання та заломлення світла нам уже відомі), описуються певними фізичними величинами, зокрема, швидкістю.
- Швидкість світла належить до фундаментальних фізичних величин, с = 3 ∙ 108 м/с.
- Знання, які ми отримали сьогодні, мають значення, бо визначають не тільки рівень нашої освіти, але й впливають на наш світогляд.
VIII. Домашнє завдання
- Усім учням вивчити відповідний матеріал за підручником.
- За рівнями підготовки учнів:
а) розв’язати задачі, вправи;
б) підготувати коротку презентацію про значення світла в житті людей.
Джерела
Малколм Бауден. Уменьшение скорости света. — Христианский научно-апологетический центр, 1998. — Буклет № 42.
Климишин І. А. Вчені знаходять Бога. — Івано-Франківськ: Нова Зоря, 2004. — 96 с.