Курсовая работа: Методика изучения квантовой оптики в базовой и профильной школах

Совместное решение этих уравнений, выполненное на основе представлений о фотоне как частице, способной испытывать столкновения с электроном по законам релятивистской механики, т. е. с учетом того, что электрон после столкновения приобретает скорость, близкую к скорости света, и его массу рассчитывают по формуле:

,

дает результат, совпадающий с данными эксперимента (с эмпирической формулой Комптона).

Как показывают опыты, каждому фотону, испытывающему рассеяние на угол φ, сопутствует появление электрона, движущегося именно с такой скоростью υ и под таким углом к направлению первичного пучка фотонов, который получается при решении соответствующих уравнений.

3.3. ФОТОНЫ. ДВОЙСТВЕННОСТЬ СВОЙСТВ СВЕТА

Одна из основных задач учителя при изучении световых квантов и действий света - ознакомить учащихся со свойствами фотона и двойственностью свойств света. После изучения фотоэффекта и явления Комптона обобщают полученные учащимися знания о фотоне и обсуждают корпускулярно-волновой дуализм его свойств. При подготовке к этому уроку школьники повторяют как уже пройденный до этого материал, так и материал об электромагнитных волнах раздела “Электродинамика”. В ходе беседы учитель подводит их к следующим выводам:

1) Фотон - частица электромагнитного излучения (квант электромагнитного поля).

2) Фотон, будучи квантом электромагнитного поля, существует только в движении. Он либо движется со скоростью, равной скорости света в вакууме, либо не существует. Остановить, замедлить и ускорить фотон нельзя, как нельзя увеличить или уменьшить скорость света в вакууме.

3) Эти частицы сравнительно легко могут зарождаться (излучаться) и исчезать (поглощаться). Фотоны неделимы. Когда атом испускает или поглощает свет, то это испускание и поглощение происходит только целыми фотонами. Поглощенный фотон прекращает свое самостоятельное существование, а его энергия превращается в какой-либо другой вид энергии.

4) Фотон обладает определенной энергией, массой и импульсом. Энергия фотона . По закону взаимосвязи массы и энергии энергия фотона связана с массой соотношением , следовательно, масса фотона равна

.

Масса фотона - мера его энергии. Эту массу нужно рассматривать как полевую массу, обусловленную тем, что электромагнитное поле обладает энергией.

Так как фотон существует только в движении, то у него нет массы покоя. Масса покоя фотона равна нулю, и в этом принципиальное отличие фотона от частиц вещества.

Импульс фотона равен

.

 Импульс - векторная величина. Направление вектора импульса фотона совпадает с направлением распространения света. Наличие у фотона импульса подтверждает существование светового давления и эффектом Комптона.

Учащиеся должны уяснить, что свет проявляет и волновые и корпускулярные свойства, т. е. он обладает дуализмом свойств. Это находит свое выражение, в частности, в формулах, определяющих корпускулярные характеристики фотона (энергию, импульс, массу) через частоту:

; ; .

В проявлении двойственности свойств света имеется определенная закономерность. Так как энергия отдельного фотона при малых частотах (например, у инфракрасного света) мала, то для этого диапазона частот корпускулярные свойства проявляются слабо, а в большей степени проявляются волновые свойства излучения. Интерференцию, дифракцию, поляризацию такого излучения легко демонстрируют с помощью несложной аппаратуры, фотохимические же действия обнаружить труднее. При больших частотах (когда энергия отдельного фотона сравнительно велика) корпускулярные свойства света обнаружить легче. В видимом свете волновые и корпускулярные свойства проявляются примерно в равной степени. Отражение, преломление, давление света можно объяснить как на основе волновых, так и на основе корпускулярных представлений.

Заметим, что при некоторых условиях в типично волновом явлении обнаруживаются квантовые свойства света. Например, эти свойства обнаружены в известных опытах С. И. Вавилова по квантовым флуктуациям в интерференционном поле при малых световых потоках. Свои наблюдения флуктуации световых потоков С. И. Вавилов рассматривал как одно из важнейших доказательств квантовых свойств излучения.

Чтобы учащиеся убедились в этом, полезно предложить им определить частоту, импульс, энергию фотонов, соответствующих различным длинам волн оптического диапазона.

Обсуждение данных поможет школьникам получить более конкретные представления о шкале электромагнитных волн и понять, почему в коротковолновой области в большей степени обнаруживаются корпускулярные свойства, а волновые проявляются слабее. Например, если сопоставить излучения двух одинаковых по мощности источников света (красного (видимого) и рентгеновского), то можно увидеть, что энергия фотона рентгеновского излучения во много раз больше энергии фотона видимого света и при одинаковой интенсивности плотность фотонов красного света в 1000-100000 раз больше плотности рентгеновского излучения.

Из условий равенства интенсивностей следует

,

где n – число фотонов, проходящих за 1 с через поверхность единичной площади, откуда

.

Поэтому красное излучение проявляется как непрерывное, а рентгеновское – как нечто дискретное.

Целесообразно предложить учащимся предсказать, какие (химические, биологические и др.) действия могут оказывать различные виды излучений.

Для подчеркивания дуализма свойств света полезно заполнить таблицу, в которой указаны основные физические величины, отражающие диалектическое единство дискретности (прерывности) и континуальности (непрерывности) материи. При объяснении особое внимание обращают на рассмотрение формул, объединяющих оба класса величин.

3.4. ПРИМЕНЕНИЕ ФОТОЭФФЕКТА

Учащиеся должны знать устройство и принцип - действия двух- фотоэлектрических приборов: фотоэлементов, в основе которых лежит внешний фотоэффект, и полупроводниковых фоторезисторов, основанных на внутреннем фотоэффекте. (Фоторезисторы изучались в IX классе, и их устройство и действие надо лишь повторить.) Вентильные фотоэлементы не изучаются; следует, однако, продемонстрировать их действие на опыте.

Надо более или менее подробно остановиться на различных применениях фотореле и использовании фотоэлементов для воспроизведения звука, записанного на пленку.

При наличии соответствующего оборудования весьма желательно продемонстрировать также воспроизведение звука с кинопленки.

Полено показать на уроке учебный кинофильм «Фотоэлементы и их применение». Где показывается устройство вакуумного фотоэлемента и фотореле, а также применение фотореле для автоматического счета изделий, обеспечения безопасности на резальной машине в типографии и др. Также показано устройство и действие вентильного фотоэлемента и фототелеграфа. Эти моменты можно демонстрировать в ознакомительном плане. На уроке можно заслушать сообщения учащихся об отдельных применениях фотоэффекта.

4. РОЛЬ И ЗНАЧЕНИЕ РАЗДЕЛА «КВАНТОВАЯ ОПТИКА»

Квантовая механика — физическая теория, открывшая своеобразие свойств и закономерностей микромира, установившая способ описания состояния и движения микрочастиц. Методы квантовой механики находят широкое применение в квантовой электронике, в физике Твердого тела, современной химии. Ее широко используют в физике высоких энергий, изучающей строение ядра атома и свойства элементарных частиц. Результаты этих исследований находят все большее применение в технике. Достаточно вспомнить успехи квантовой теории твердых тел, выводы которой положены в основу создания новых материалов с заранее заданными свойствами (магнитными, полупроводящими, сверхпроводящими и т.д.), лазеров, ядерных реакторов. Квантовая физика является более высокой ступенью познания, нежели классическая физика. Она установила ограниченность многих классических представлений. Ныне, когда ХХ в. подходит к концу, элементы квантовой физики должны быть включены в школьный курс. Иначе знания, полученные школьниками при изучении курса физики, останутся на уровне XIX в. Представления учащихся о строении и свойствах окружающего мира будут неполными и неадекватными современному научному знанию о них.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6