Обобщающий урок "Излучение и спектры"(11 класс, физика)

Методическая разработка урока по физике (11 класс).

Обобщающий урок на тему «Излучение и спектры. Спектральный анализ».

Учитель физики: Елакова Г.В.

Место работы: МБОУ "Средняя общеобразовательная школа №7» г. Канаш, Чувашская Республика.

   Обобщающий урок : «Излучение и спектры».
Цель урока: познакомить учащихся со спектрами химических веществ и практическим применением спектрального анализа в астрофизике, химии и других отраслях,  организовать деятельность учащихся по повторению «Излучение и спектры».

  Тип урока: урок повторения знаний.

Планируемый результат: углубление знаний о шкале электромагнитных волн, распределение энергии излучения по частотам и длинам волн, спектре и спектральном анализе, уметь анализировать и делать выводы, видеть проблему; объяснять увиденное, делать выводы; давать определение понятиям, применять полученную информацию в различных жизненных ситуациях, делать умозаключения на основе полученных сведений, уметь работать с книгой, добывать и перерабатывать информацию.

Задачи урока:  

Воспитывающая: установить необходимость естественнонаучных знаний и умений для использования в различных жизненных ситуациях. 

Развивающая: развивать умения анализировать полученную информацию, логически строить свой ответ, научную речь, развивать познавательные мотивы, направленные на добывание новых знаний.

Обучающая: знать формулировку спектра и спектрального анализа, понимать сущность метода спектрального анализа, уметь описывать и объяснять дисперсии, знать/понимать практическое применение дисперсии, разных видов излучения и спектрального анализа, важнейшие характеристики излучения и поглощения.

Планируемые результаты:

Метапредметные результаты:

Регулятивные УУД:

 - самостоятельно обнаруживать и формулировать учебную проблему, определять цель учебной деятельности (формулировка темы, цели, учебных задач урока), рефлексировать свою деятельность.

Познавательные УУД:

- смысловое чтение;

 - находить причинно-следственные связи, выявить закономерности по составу, строению, свойствам, формулировать выводы на основании знаний, экспериментальных данных и жизненного опыта, доказывать их правильность.

Личностные УУД:

- обладать учебно-познавательной мотивацией и интересом к учению, самоопределение.

Коммуникативные УУД:

- слушать и понимать речь других;

- уметь с достаточной полнотой и точностью выражать свои мысли.

- осуществлять взаимный контроль правильности формулировки понятий;

- задавать вопросы, необходимые для организации собственной деятельности и сотрудничества с партнёром;

- работать в группе - устанавливать рабочие отношения, эффективно сотрудничать и способствовать продуктивной кооперации.

Предметные результаты:

Предметные УУД:

- знать шкалу электромагнитных волн, что количественные различия в длинах волн приводят к существенным качественным различиям;

- уметь приводить примеры проявления и практического применения свойств электромагнитных волн; уметь описывать и наблюдать явление дисперсии;

-знать/понимать субъективность понятия «цвет»; уметь объяснять цветовую окраску предметов;

-знать/понимать процесс поглощения и испускания света атомами; уметь описывать спектры, спектральный анализ;

- знать и уметь описывать объяснять различие свойств электромагнитных волн разных диапазонов;

- уметь описывать и объяснять полезные и вредные воздействия излучений на живые организмы; знать способы защиты от вредных излучений.

 Техническое обеспечение урока: компьютер, мультимедийный проектор, экран, презентация к уроку, спектроскоп, генератор высоковольтный, набор спектральных трубок, спиртовка, кусочек асбеста, смоченного в растворе поваренной соли, набор флюоресцирующих жидкостей, призма (плоскопараллельная пластина).

  Демонстрации: наблюдение сплошного и линейчатых спектров при помощи спектроскопа и треугольной призмы.

  Вспомним:

 - Что такое свет.

- При каком условии электромагнитные волны излучаются.

- Что необходимо сделать, чтобы атом излучал.

- Виды излучений.

-Что называют дисперсией.

- Кто открыл явление дисперсии и какой опыт со светом поставил этот учёный.

-Что такое дифракционная решётка и что вы получали с помощью дифракционной решётки (радужную полоску-спектр).

- Является ли спектр лампы накаливания непрерывным.

- В чем состоит главное отличие линейчатых спектров от непрерывных и полосатых.

- Какие операции нужно проделать с крупицей вещества, чтобы узнать ее химический состав при помощи спектрального анализа.

-Почему солнечный свет, прошедший сквозь оконное стекло, не вызывает загара.

Ход урока:

Древняя китайская пословица гласит:

«Расскажи мне, и я забуду,

 Покажи мне, и я запомню,

 Дай мне попробовать, и я научусь».

Учитель: Возможности современной физики потрясают воображение. Без этой науки невозможно представить себе современный мир. Открытия, сделанные в ней, нередко становятся причиной настоящего переворота в прогрессе, мощного толчка вперед.        Природа не устает нас удивлять, демонстрируя нам свои тайны и загадки. Многое из того, что устрашало людей в прошлом, казалось им загадочным, мы, обладающие знанием и опытом, воспринимаем естественно и спокойно. Человеческое познание многих явлений происходит от незнания к знанию, через преодоление неизвестного и раскрытие его природной сути.
   Сегодня на уроке мы проанализируем причины возникновения многих природных явлений с помощью законов волновой оптики, узнаем, как на основе этих законов были созданы сложнейшие приборы, нашедшие применение в разных областях человеческой деятельности.

  Научное знание обогащает поэтическое восприятие природы. Знание физики природных явлений позволяет сильнее ощущать внутреннюю гармонию и красоту; в свою очередь, ощущение этой красоты есть дополнительный и мощный стимул к дальнейшему исследованию. Наш мир огромен, сложен и разнообразен. Вокруг нас и в нас самих происходят процессы, наблюдаются явления, тесно связанные друг с другом, но зачастую эти взаимосвязи нами не осознаются. Сегодня на уроке мы постараемся объяснить явления, встречающиеся как в научной, так и в художественной литературе.

 Учитель: В телескопах для получения спектра используют специальные приборы - спектрографы, устанавливаемые за фокусом объектива телескопа. В прошлом все спектрографы были призменными, но теперь вместо призмы в них используют дифракционную решетку, которая также разлагает белый свет в спектр, его называют дифракционным спектром.

  Что же такое свет? Ответ на этот вопрос интересовал всех физиков на протяжении всей истории существования науки. Но единой точки зрения как не было, так и нет, а свет, с его непостижимыми и загадочными свойствами, так и остается загадкой. 

  Свет распространяется в виде электромагнитных волн. Каждому цвету соответствует определенная длина электромагнитной волны. Длина волны в спектре уменьшается от красных лучей к фиолетовым примерно от 7•10^-7 до 4•10^-7 м. За фиолетовыми лучами спектра лежат ультрафиолетовые лучи, не видимые глазом, но действующие на фотопластинку.

  Еще более короткую длину волны имеют рентгеновские лучи, применяемые в медицине. Рентгеновское излучение небесных светил атмосфера Земли задерживает. Только недавно оно стало доступно для изучения посредством запусков высотных ракет, поднимающихся выше основного слоя атмосферы. Наблюдения в рентгеновских лучах производят также автоматические приборы, установленные на космических межпланетных станциях.

За красными лучами спектра лежат инфракрасные лучи. Они невидимы, но и они действуют на специальные фотопластинки. Под спектральными наблюдениями понимают обычно наблюдения в интервале от инфракрасных до ультрафиолетовых лучей.

   Для изучения спектров применяют приборы, называемые спектроскопом и спектрографом. В спектроскоп спектр рассматривают, в спектрографе его фотографируют.

 Опыт: Наблюдение сплошного спектра излучения.

   Сплошной спектр можно получить, используя осветитель. Его световой поток пропускают через диафрагму с узкой щелью, объектив и дифракционную решётку или призму. Включим осветитель. Поместим за решёткой полупрозрачный экран. На экране наблюдается центральный дифракционный максимум. Он виден как белая полоса. Чуть дальше расположен максимум первого порядка. При использовании в осветителе лампы накаливания на экране наблюдается спектр. (На экране наблюдаем спектр).

Опыт (работа в группе):

1.      Спектроскоп устанавливайте таким образом, чтобы щель его коллиматора была расположена вертикально.

2.      Перед щелью на расстоянии нескольких сантиметров установите электрическую лампочку на подставке так, чтобы ее нить накаливания была на высоте щели.

3.      Подключите лампу через реостат к источнику тока.

4.      Включите лампу и наблюдайте сплошной спектр излучения нити.

5.      Постепенно уменьшая накал нити, наблюдайте ослабление яркости спектра и постепенное исчезновение спектральных цветов, начиная с фиолетового.

6.      В лампе накаливания (спираль вольфрама) нагревается до очень высокой температуры. (Наблюдаем спектр, который выглядит непрерывной радужной полоской с постепенным переходом цветов от фиолетового к красному).

7.      Направьте коллиматор спектроскопа на светящуюся люминесцентную лампу, висящую на потолке. Рассмотрите ее спектр.

Сплошной (непрерывный) спектр. Накаленные твердые и жидкие тела и газы (при большом давлении) испускают свет, разложение которого дает сплошной спектр, в котором спектральные цвета непрерывно переходят один в другой. Характер непрерывного спектра и сам факт его существования опре­деляются не только свойствами отдельных излучающих атомов, но и вза­имодействием атомов друг с другом. Сплошные спектры одинаковы для разных веществ, и поэтому их нельзя использовать для определения состава вещества.

Линейчатый (атомный) спектр.

При наблюдении пламени в спектроскоп на фоне едва различимого непрерывного спектра пламени вспыхнет ярко желтая линия. Эту желтую линию дают пары натрия, которые образуются при расщеплении молекул поваренной соли в пламени.  Каждый из спектров- это частокол цветных линий различной яркости, разделённых широкими тёмными полосами. Такие спектры называются линейчатыми. Наличие линейчатого спектра означает, что вещество излучает свет только вполне определенных длин волн (точнее, в определенных очень узких спектральных интервалах). Каждая из линий имеет конечную ширину.

Опыт: Наблюдение линейчатого спектра излучения. (Спектральные трубки нумеруются №1, №2, №3, №4).

 1. В бледное пламя спиртовки внесем кусочек асбеста, смоченного раствором обыкновенной поваренной соли. При наблюдении пламени в спектроскоп на фоне едва различимого непрерывного спектра пламени вспыхнет ярко желтая линия. Эту желтую линию дают пары натрия, которые образуются при расщеплении молекул поваренной соли в пламени. спектре натрия особенно ярки две желтые линии. Спектр атома или молекулы связан с их строением и отражает определенные изменения, происходящие в них в процессе свечения.

2. Рассмотрим спектры различных газов.

Вставим трубку с исследуемым газом №1 в держатель прибора для зажигания спектральных трубок и подключим прибор к источнику напряжения.

3. Зажигаем спектральную трубку и рассматриваем в спектроскоп линейчатый спектр излучения. Зарисовываем основные цвета в наблюдаемой последовательности.

4.  Наблюдаем спектральную трубку №2, зарисуем его спектр излучения.

5. Повторим наблюдение со следующими спектральными трубками №3 и №4, зарисуем их спектры излучения.

6. Сравним полученные линейчатые спектры излучения с табличными спектрами соответствующих газов, добавим спектрограмму этих газов. На экран проецируется кадр с линейчатыми спектрами излучения натрия, водорода, гелия, неона и криптона.   Задание: Определите, в какой трубке находится водород, гелий, неон и криптон. Атомы каждого химического элемента излучают свойственный только ему линейчатый спектр. Учащиеся провели качественный спектральный анализ, определили химический состав газов в спектральных трубках по их линейчатым спектрам излучения.

Обычно для наблюдения линейчатых спектров используют свечение паров вещества в пламени или свечение газового разряда в трубке, наполненной исследуемым газом. При увеличении плотности атомарного газа отдельные спектральные линии расширяются и, при очень большой плотности газа, когда взаимодействие атомов становится существенным, эти линии перекрывают друг друга, образуя непрерывный спектр.

Молекулярный (полосатый) спектр.

Спектр молекулы состоит из большого числа отдельных линий, сливающихся в полосы, четкие с одного края и размытые с другого. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры создаются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом. Серии очень близких линий группируются на отдельных участках спектра и заполняют целые полосы.

Вопрос: Чем спектр люминесцентной лампы отличается от спектра лампы накаливания? Спектр излучения непрерывный лампы накаливания и линейчатый люминесцентной лампы, линейчатый спектр излучения может вызвать искажения в цветопередаче.

  Контрольные вопросы:

1.      Какие вещества дают сплошной спектр?

Ответ: нагретые тела, находящиеся в твёрдом и жидком состоянии, газы при высоком давлении и плазма.

2.      Какие вещества дают линейчатый спектр?

Ответ: Линейчатый спектр излучения дают разреженные газы и пары при сильном нагревании или под действием электрического разряда. У каждого газа свой излученный набор ярких линий определенных цветов. Их цвет соответствует определенным длинам волн. Они находятся всегда в одних и тех же местах спектра. Изменения состояния газа или условий его свечения, например, нагрев или ионизация, вызывают определенные изменения в спектре данного газа.

3.      Объясните, почему отличаются линейчатые спектры различных газов.

Ответ: при нагревании часть молекул газа распадаются на атомы и излучают кванты с различными значениями энергии, от чего и зависит длина волны, а значит, и цвет.

4.      Как выглядит сплошной спектр?

Ответ: Сплошной (иначе непрерывный) спектр - это сплошная полоса, в которой представлены все цвета, плавно переходящие один в другой. (Например: При пропускании солнечного света через призму получался спектр в виде сплошной полосы. В ней были представлены все цвета (т. е. волны всех частот) видимого диапазона), плавно переходящие один в другой).

 5. Какие тела дают сплошной спектр? Приведите примеры.

 Ответ: Сплошной спектр характерен для твёрдых и жидких излучающих тел, имеющих температуру порядка нескольких тысяч градусов Цельсия. Сплошной спектр дают также светящиеся газы и пары, если они находятся под очень высоким давлением (т. е. если силы взаимодействия между их молекулами достаточно велики). Например: Свет от раскаленной нити электрической лампы, светящаяся поверхность расплавленного металла, пламя свечи.

5.      Каким образом можно получить линейчатый спектр испускания натрия?

Ответ: Если внести в пламя спиртовки кусочек поваренной соли, то пламя окрасится в жёлтый цвет, а в спектре, наблюдаемом с помощью спектроскопа, будут видны две близко расположенные жёлтые линии, характерные для спектра паров натрия. Под действием высокой температуры молекулы NaCl распались на атомы натрия и хлора. Свечение атомов хлора возбудить гораздо труднее, чем атомов натрия, поэтому в данном опыте линии хлора не видны.

7. От каких источников света получаются линейчатые спектры?

 Ответ: Линейчатые спектры получают от газов и паров малой плотности, при которой свет излучается изолированными атомами.

8. Каков механизм получения линейчатых спектров поглощения (т. е. что нужно сделать, чтобы получить их)?

Ответ: Линейчатые спектры поглощения дают газы малой плотности, состоящие из изолированных атомов, когда сквозь них проходит свет от яркого и более горячего (по сравнению с температурой самих газов) источника, дающего непрерывный спектр.

 9. Как получить линейчатый спектр поглощения натрия и как он выглядит?

Ответ: Линейчатый спектр поглощения натрия можно получить, если пропустить свет от лампы накаливания через сосуд с парами натрия, температура которых ниже температуры нити лампы накаливания. В этом случае в сплошном спектре света от лампы появится узкая чёрная линия как раз в том месте, где располагается жёлтая линия в спектре испускания натрия. Это и будет линейчатый спектр поглощения натрия. Линии поглощения атомов натрия точно соответствуют его линиям испускания.

10. В чем заключается суть закона Кирхгофа, касающегося линейчатых спектров излучения и поглощения?

Ответ: Общий для всех химических элементов закон был открыт в середине XIX в. немецким физиком Густавом Кирхгофом: Атомы данного элемента поглощают световые волны тех же самых частот, на которых они излучают. Спектр атомов каждого химического элемента уникален. Не существует двух химических элементов, атомы которых излучали бы одинаковый набор спектральных линий.

11. Какую аналогию можно привести в качестве примера при характеристике спектра?

Ответ: спектр каждого химического элемента индивидуален.

  Выводы:

Спектр атома или молекулы связан с их строением и отражает определенные изменения, происходящие в них в процессе свечения.

Линейчатый спектр поглощения дают газы и пары, когда за ними находится яркий и более горячий источник, дающий непрерывный спектр. 

Спектр поглощения состоит из непрерывного спектра, перерезанного темными линиями, которые находятся в тех самых местах, где должны быть расположены яркие линии, присущие данному газу. Например, две темные линии поглощения натрия расположены в желтой части спектра.

Таким образом, спектральный анализ позволяет установить химический состав паров, излучающих свет или поглощающих его; определить, находятся ли они в лаборатории или на небесном светиле. Количество атомов или молекул, лежащих на нашем луче зрения, излучающих или поглощающих, определяется по интенсивности линий. Чем больше атомов, тем ярче линия или тем она темнее в спектре поглощения.

Часть инфракрасного спектра Солнца с Фраунгоферовыми линиями.

Фраунгоферовы линии. Примерная длина волны 700-900 нм.

Спектр лампы накаливания.

Спектр лампы накаливания вместе с ИК частью.

Спектр белого светодиода.

Присутствует провал в голубой части спектра и отсутствует ИК.

Спектр ультрафиолетовой лампы Вуда.

Фото спектра лампы чёрного света.

Спектры зелёного лазера 532 нм, соли NaCl в огне 588,995 и 589,5924 нм, красного лазера 663 нм, красного пламени зажигалки (литий) 670,78 нм и ИК лазеров 780 нм и 808 нм.

Фотографии спектров лазеров и цветных огней.

Учитель: Разложение волнового потока в природе мы наблюдаем часто, но порой даже не догадываемся, что это дисперсия. Солнце на заходе, окрашивает все в красный или оранжевый цвет. Это происходит из-за разложения освещения в среде газа, который составляет нашу атмосферу. На дне аквариума или водоема с достаточно прозрачной водой мы можем видеть радужные блики. Это солнечный диапазон, преломленный в воде, раскладывается на цветовой спектр. Бриллианты, огранённый хрусталь, фиониты переливаются всеми гранями при ярком освещении
   Цвет – есть ощущение, которое возникает в сетчатой оболочке глаза при её возбуждении световой волной определенной длины. Зная длину волны испущенного света и условия его распространения, можно наперед с высокой степенью точности сказать, какой цвет увидит глаз.

   Может быть так, что сетчатка глаза плохо воспринимает один из основных цветов или совсем на него не реагирует, тогда у этого человека нарушается цветоощущение. Такой недостаток зрения назван дальтонизмом.

 Учитель: Дисперсией объясняется факт появления радуги после дождя (точнее тот факт, что радуга разноцветная, а не белая).
Первая попытка объяснить радугу как естественное явление природы была сделана в 1611 году архиепископом Антонио Доминисом.

 Ученик: С радугой всегда связывают ощущения радости и освобождения. Она добрая предвестница. Поэты неоднократно обращались к радуге. Например, хорошо передал ощущение радости, вызываемое радугой, Гёте:

К тебе я, солнце, обращусь спиною;
На водопад сверкающий, могучий
Теперь смотрю я с радостью живою,-
Стремится он, дробящийся, гремучий,
На тысячи потоков разливаясь,
Бросая к небу брызги светлой тучей.
И между брызг, так дивно изгибаясь,
Блистает пышной радуга дугою,
То вся видна, то вновь во мгле теряясь,
И всюду брызжет свежею росою!
Всю нашу жизнь она воспроизводит:
Всмотрись в нее - и ты поймешь душою,
Что жизнь на отблеск красочный походит.

   Ученик: Существовало поверье, будто в том месте, где радуга одним из своих концов как бы уходит в землю, можно откопать горшок с золотом. А чтобы всю жизнь быть удачливым во всех делах, нужно хотя бы раз пройти под радугой босиком. Радуга дарит ощущение радости, но оно мимолетно, дарит мечту о счастье, но оно недостижимо. Удивительное в своей красоте "мимолетное видение" тает на наших глазах, оставляя нам чувство светлой грусти. Об этом хорошо написал Ф.И. Тютчев:

Как неожиданно и ярко
На влажной неба синеве
Воздушная воздвиглась арка
В своем минутном торжестве!

Один конец в леса вонзила,
Другим за облака ушла -
Она полнеба обхватила
И в высоте изнемогла.

О, в этом радужном виденье
Какая нега для очей!
Оно дано нам на мгновенье,
Лови его - лови скорей!

Смотри - оно уж побледнело, -
Ещё минута, две - и что ж?
Ушло, как то уйдет всецело,
Чем ты и дышишь и живешь.

  Учитель: Изучая законы природы И. Ньютон первым понял «устройство» радуги и доказал, что солнечный лучик состоит из различных цветов. Загадка цвета казалась столь важной, что люди решили об этом написать на могиле Ньютона.

 Самым ярким и занятным проявлением разложения спектра в природе является радуга. После дождя в насыщенной водными каплями атмосфере солнечные лучи проходит через эти капли. Преломляясь в водных порах поток раскладывается на спектральную полосу.

   Солнечный поток может преломляться дважды. Тогда мы видим двойную радугу. При чем, во второй радуге цвета расположены в обратно порядке от фиолетового к красному. Это явление редкое, но объяснимое с точки зрения физики.

В том случае, если свет внутри дождевой капли преломляется только один раз, появляется так называемая первичная радуга. Однако при двух отражениях на небе появляется двойная радуга, которая представляет собой более редкое природное явление. Та радуга, диаметр которой меньше, более яркая и обладает стандартным порядком цветов. Вторая радуга, напротив, менее заметна и обладает обратным порядком цветов спектра. Таким образом, необычно красивое явление радуги после дождя можно объяснить простыми физическими законами.

 Ученик: От чего зависит яркость радуги?

Учитель: Яркость радуги зависит от величины дождевых капель. Если они крупные (диаметром 1-2 мм), радуга очень яркая, в ней хорошо видны полосы. Если капли маленькие, радуга кажется блеклой, размытой. Капельки диаметром меньше 0,05 мм вообще не могут посылать четкие цветные лучи. В этом случае видна только бесцветная, белая радуга.

Ученик: Бывают ли радуги зимой?

Учитель: Во время сильных морозов, когда в воздухе находится много мельчайших кристалликов льда, можно увидеть белую радугу.

Ученик: Бывает ли радуга перевернутой?

Учитель: Перевернутая радуга – редкое явление. Она наблюдается, когда солнечные лучи дважды отражаются на своем пути: сначала от спокойной поверхности водоема, затем от дождевых капель.

Ученик: Можно ли ночью наблюдать радугу?

Учитель: Ночью можно наблюдать только лунную радугу. Сочетание низкой Луны и темного неба часто создает лунные дуги, по существу радуги, произведенные светом луны. Появляясь в противоположном Луне конце неба, они обычно выглядят как полностью белые из-за слабой окраски, однако фотография с длинной выдержкой может захватить истинные цвета, как на этом фото, сделанном в Йосемитском национальном парке, Калифорния. 

  Учитель: Позже другой известный физик, талантливый музыкант Томас Юнг покажет, что различие в цвете объясняется различными длинами волн. Некоторые свойства цвета в своей характеристике имеют физические оттенки (кроме длины волны и частоты): цвета делятся по температурным впечатлениям – теплые (красный, оранжевый и т.д.) и холодные (голубой, синий); по тяжести – легкие (светлые цвета), тяжелые (темные). Цвет можно «уравновесить». Очень часто и наука использует «цветные» термины: «красное смещение», «черные дыры», «цветные кварки», «черный ящик», «красная граница фотоэффекта», как будто эпитеты одинаковы, а физический смысл разный. Так и в живописи – один и тот же цвет в разном окружении может вызвать разные чувства, подчас противоположные – радостные и отталкивающие, например, красное знамя на рейхстаге и кровь на пальцах и лице репинского Ивана Грозного. Если бы Ньютон завершил свою серию опытов с призмой исследованием прохождения белого света сквозь пирометрический клин (из зеленого стекла с переменной увеличивающейся толщиной от одного края к другому), то к своим выводам он добавил бы и такой, что после клина на экране можно видеть зеленый и красные цвета. Вот почему во многих известных полотнах живописцев можно заметить красноватый оттенок в кронах деревьев, которые изображаются на фоне яркого неба, особенно во время закатов солнца. Молодые художники знают, как порой трудно уловить все градации света и тени, бликов и рефлексов на складках ткани или сложной поверхности скульптуры, но именно они создают иллюзию материала и достоверную красоту изображения. Вспомним картину Андрея Рублева «Троица». Изумляет острое видение художника древности, заметившего, что при двойном отражении света на зеленой ткани в глубине ее складок появляется красный цвет, а на синей – оранжевый. Заметив этот цветной парадокс С. Есенин писал:

«… Люблю, когда на деревах, огонь зеленый шевелится…»

Ученик: Иоганн Вольфганг фон Гете заметил, что, глядя сквозь призму на темные объекты, расположенные на светлом фоне, вокруг них появляется цветной ореол. Такой эффект обычно происходит при переходе от белого к черному, когда цвет меняется поэтапно на желтый, затем красный, а от черного — на фиолетовый, синий и бирюзовый. Наблюдая за закатом, вы наверняка замечали, как меняется цветовая гамма на вечернем небе. По мере приближения к горизонту, солнце становится краснее и краснее, это явление обусловлено тем, что из-за изменения угла солнца, его свет проходит через более низкие и плотные слои атмосферы. Красный цвет получается в результате того, что свету приходится преодолевать более плотную среду.
   Если же мы посмотрим в противоположную сторону, то увидим, как меняется вечернее небо от темно-голубого к синему и фиолетовому. Чем больше света находится в атмосфере, тем более ярким будет небо, а то, что мы наблюдаем ночью -  не что иное, как тьма и пустота космоса вверху над нами.

   Учитель: Физика помогла разгадать тайны многих картин. Известна одна загадочная история. Амстердам. 29 мая 1945 года. В дом господина Хан Ван Мегеерен входят офицеры американской разведки и голландской военной полиции и предъявляют ему ордер на арест. Он обвиняется в пособничестве германским оккупантам, так как продал Герингу шедевр Вермеера «Христос и грешница», причинив урон национальному достоянию страны.

   Вырванное допросом признание поразительно: «Я надул Геринга. Миллион гульденов рейхсмаршал Геринг уплатил за подделку. Это картина не 17 века и не Вермеера, а моя», - сказал обвиняемый. Как же так? Эксперты свидетельствуют: о фальшивке не может быть и речи- это почерк старых мастеров, настоящий 17 век! И вот на помощь живописи приходит физика. Шедевр Яна Вермеера Дельфтского просвечивают рентгеном – и что же? Под наружным изображением проступает другое, скрытое.  Хан Ван Мегеерен купил полотно неизвестного художника в антикварной лавке, чтобы заполучить ткань этой эпохи, и сам написал картину «Христос и грешница». И еще одна улика благодаря рентгеновскому излучению: трещины верхнего и нижнего слоев не совпадают. Они разные: одни, старинные, появились от времени, другие, якобы тоже давние, сфабрикованы аферистом, который затем зачернил их тушью. Последние сомнения рассеял химический анализ. Хан Ван Мегеерен отделался годом тюрьмы.

 Учитель: Итак, физика встала на защиту подлинной красоты. Арсенал средства в этой борьбе достаточно широк. Ультрафиолетовые лучи выявляют позднейшие записи, а инфракрасные – как бы снимают лак и позволяют судить о состоянии поверхности картины и ближайших под ней слоев живописи.

 Ученик: Цвет тела, покрытого слоем цинковых белил, воспринимается как белый. Если в качестве краски использовать берлинскую лазурь, цвет предмета станет голубым. В обоих случаях тело кажется какого-то одного определенного цвета. Наблюдения за курильщиками показывает, что дым представляется нам либо голубоватым, либо приобретает красновато-желтый оттенок, в зависимости от расположения наблюдателя по отношению к курильщику, облаку дыма и источнику света. Почему же цвет дыма зависит от «точки зрения» наблюдателя?

 Учитель: Частицы табачного дыма рассеивают падающий на них свет по-разному, в зависимости от длины волны. Сильнее всего рассеиваются лучи с малой длиной волны- фиолетовые, синие и голубые. Длинноволновые лучи, лежащие у другого конца спектра, рассеиваются значительно меньше, так как явление дифракции  - огибание светом преград – свойственно им в гораздо большей степени. Поэтому в пучке света, прошедшего через облако дыма, преобладают красноватые оттенки. Наоборот, при наблюдении со стороны источника или сбоку мы видим в основном коротковолновые лучи и дым нам кажется голубоватым. Что касается «настоящего цвета» дыма, то им, наверное, надо считать цвет микроскопических несгоревших частиц угля, из которых состоит дым, т.е. черный цвет.

  Зависимость поглощения световых лучей от их цвета всегда принимается во внимание на практике: в аварийные и предупреждающие об опасности фонари вставляются красные стекла (красный цвет светофора), а в целях светомаскировки освещение осуществляется синими лампами.

Шедевр Яна Вермеера Дельфтского «Христос и грешница».

Ученик: Сам по себе свет -  пучок невидимой энергии, путешествующий через пространство. Чтобы мы смогли разглядеть его, необходимо, чтобы свет прошел сквозь плотные облака пыли или тумана. Мы также можем наблюдать взаимодействие света с окружающим миром, когда он отражается от встречных объектов. Наши глаза улавливают его отраженные волны и преобразуют их в цвета. Сэр Исаак Ньютон обнаружил, что, когда луч света пропускают сквозь призму, он преломляется и распадается на цвета, расположенные в одном и том же порядке: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый.
  Учитель: Наша сетчатка содержит два типа светочувствительных клеток: палочки и колбочки. Палочки определяют интенсивность света и его яркость, в то время как колбочки отвечают за цветовосприятие. Всего в наших глазах находится три типа колбочек, которые различают красный, синий и зеленый цвета соответственно. Именно комбинации этих трех основных цветов и образуют все остальные, вторичные цвета. Если вам необходим наглядный пример, то представьте, что весь спектр электромагнитного излучения занимает расстояние от Нью-Йорка до Лос-Анджелеса (что примерно составляет около 2500 миль), тогда видимый спектр будет в длину равен примерно одному дюйму.

  Ученик: «…И потом, давай говорить честно: сколько времени можно смотреть на закат? И кому нужно, чтобы закат продолжался целую вечность? И кому нужно вечное тепло? Кому нужен вечный аромат? Ведь ко всему этому привыкаешь и уже просто перестаешь замечать. Закатом хорошо любоваться минуту, ну две. А потом хочется чего-нибудь другого. Уж так устроен человек, Лео. Как ты мог про это забыть?- А разве я забыл?
-  Мы потому и любим закат, что он бывает только один раз в день…» 

В этом отрывке из произведения Рэя Брэдбери «Вино из одуванчиков» упомянуто одно из красивейших природных явлений.

Учитель: А задумывались ли вы когда-нибудь, почему Солнце на закате становится красным? Даже если мы отвлечемся от поэтической составляющей этого вопроса, ответ все равно будет интересным и содержательным. Разумеется, все дело в атмосфере Земли. Чем ниже над горизонтом находится астрономический объект, тем большую толщу воздуха проходят его лучи на пути к нам. Это, вероятно, и вызывает изменение цвета.

Ученик: Но почему светила на закате становятся именно красными, а не зелеными или синими, например? 

Учитель: Это красивое природное явление не оставило равнодушными многих художников мира. Например, И.К. Айвазовский, который известен как автор картины "Вид в Крыму при закате солнца".

               И.К. Айвазовский. Вид в Крыму при закате солнца.

    Ученик: Одной из отличительных черт человека является любознательность. Каждый из нас не раз смотрел на небо и задавался вопросом: Почему на закате Солнце краснеет? А как выглядит восходящее Солнце? А восходящая и заходящая Луна? Что вызывает изменение их цвета?

  Учитель: В случае, когда Солнце прячется за горизонт, мы можем наблюдать то самое длинноволновое излучение красного-оранжевого цвета. В данном случае свет от Солнца должен пройти заметно большее расстояние в атмосфере Земли, прежде чем достигнет глаз наблюдателя. В месте, где излучение Солнца начинает взаимодействовать с атмосферой, наиболее выраженными являются голубой и синий цвета. Однако, с расстоянием коротковолновое излучение теряет свою интенсивность, так как значительно рассеивается по пути. В то время как длинноволновое излучение отлично справляется с преодолением таких больших расстояний. Вот почему Солнце красное на закате.

Длинноволновое излучение и слабо рассеивается в воздухе, все же рассеяние имеет место быть. Поэтому находясь на горизонте, Солнце излучает свет, из которого до наблюдателя доходит лишь излучение красно-оранжевых оттенков, которое несколько успевает рассеяться в атмосфере, образуя ранее упомянутый «блуждающий» свет. Последний и окрашивает небо в пестрые оттенки красного и оранжевого цвета.

     По цвету заката можно определить погоду на ближайшие часы. Чем сильнее атмосфера заполонена облаками, тем сильнее она рассеивает лучи света. Лишь самые длинные, то есть самые красные, волны доберутся до нас. А значит алый закат – предвестник дождя. Тем же принципом прогнозирования можно руководствоваться на рассвете. Нужно только помнить, что утром атмосфера чище, чем в сумерках, так как не успела загрязниться, поэтому на восходе Солнце кажется ярче.

    Ученик: Я. Райнис пишет:

Багровый светится закат,
И тучи низкие лежат,
Как крепостные бастионы,
Грозя светило взять в полон;
А выше бледен небосклон,
И угасают лес, поля и склоны.

        Приведем так же замечательные строки, принадлежащие перу И.С. Тургенева:

Садится солнце. Воздух дивно тих,
И вздрагивает ветер, словно сонные.
Окошки темных домиков на миг
Зарделись и погасли. Отягченный
Росой внезапной, стынет луг. Затих
Весь необъятный мир. И благовонный,
Прозрачный пар понесся в вышину:
И небо ждет холодную луну"

 Учитель: Наблюдаемая картина заката солнца зависит всякий раз от состояния атмосферы и определяется типом и формой облаков, подсвечиваемых лучами заходящего солнца. Поэтому закаты так не похожи друг на друга и всегда необычайно красивы.

Что удивительного может подметить в закате солнца внимательный наблюдатель? 

Учитель: Основные особенности заката:

Красный цвет заходящего солнца и такой же цвет неба вблизи него. Согласно народным приметам, если заря на закате или восходе солнца золотистая, светло-розовая, то будет ясная погода. Красное заходящее солнце предвещает ветреную погоду. Если посмотреть на заходящее солнце через слегка закопченное стекло, то нетрудно заметить, что цвет солнечного диска имеет различные оттенки: у самой линии горизонта он краснее, а в верхней части диска переходит постепенно в цвет более светлых тонов.

Некоторая сплюснутость заходящего солнца по вертикали. В момент, когда нижний край солнца касается горизонта, поперечник солнечного диска в вертикальном направлении виден земному наблюдателю под углом 26′, а в горизонтальном под углом 32′.

Иногда при закате солнца наблюдается зеленый луч. Яркий зеленый луч вспыхивает на несколько секунд, когда почти уже весь солнечный диск скрылся за горизонтом. Советский астроном Г.А. Тихов, много лет изучавший это удивительное явление, писал: "Если солнце при закате красного цвета и на него легко смотреть, то можно с уверенностью утверждать - зеленого луча не будет. Напротив, если солнце не очень изменило свой бело-желтый цвет и садится ярким, то можно предполагать, что зеленый луч появится. Важно, чтобы горизонт имел отчетливую линию, без всяких неровностей: ближнего леса, строений и т.п. Этих условий легче всего достичь на море, вот почему зеленый луч хорошо известен "людям моря".

Красный цвет заходящего солнца. Причина красного цвета заходящего солнца и голубого цвета неба одна: рассеяние солнечного света в земной атмосфере. В 1869 году Дж. Тиндаль выполнил свой знаменитый опыт, с помощью которого можно объяснить рассеяние света.

 Опыт. (Демонстрация опыта Тиндаля. Для создания узкого пучка нужно вставить в диапроектор на место слайда кусочек плотной черной бумаги с круглым отверстием в центре диаметром 2-3 мм. Опыт проводится в затемненном помещении).

   На стенку аквариума прямоугольной формы, наполненного водой, направим слабо расходящийся узкий пучок света от диапроектора или теневого осветителя. Для усиления рассеяния света добавим в воду немного молока и тщательно размешаем. Содержащиеся в молоке частички жира находятся в воде во взвешенном состоянии и способствуют рассеиванию света. Если смотреть на световой пучок в аквариуме сбоку, то он представляется голубым, а с выходного торца - красноватым.

Как это явление объяснить?

Учитель: Если предположить, что синий цвет рассеивается сильнее, чем красный, то можно объяснить так: при прохождении белого пучка света через рассеивающую среду из него рассеивается в основном "синий" компонент, поэтому в выходящем из среды пучке преобладает "красный" компонент.

В 1871 году Дж. Стретт (Рэлей) именно так объяснил опыт Дж. Тиндаля на основе своей теории рассеяния световых волн на частицах, размеры которых много меньше длины световой волны. Закон Рэлея утверждает: интенсивность рассеянного света пропорциональна четвертой степени частоты света. Применяя закон Рэлея можно объяснить голубой цвет дневного неба и красный цвет солнца при восходе и закате.

Так как интенсивнее рассеиваются световые волны с более высокими частотами, то спектр рассеянного света будет сдвинут в сторону более высоких частот, т.е. белый свет становится голубым, а спектр света после того, как, испытав рассеяние, покинул пучок, будет сдвинут к более низким частотам, т. е становится красноватым.

Глядя на дневное небо, наблюдатель воспринимает свет, рассеянный в атмосфере, т.е. голубой цвет неба. Глядя на солнце, наблюдатель воспринимает свет, прошедший через атмосферу без рассеяния, спектр этого света сдвинут к низким частотам. Чем ближе солнце к горизонту, тем более длинный путь проходят в атмосфере световые лучи, прежде чем попадут к наблюдателю, тем в большей степени сдвигается их спектр. В результате, заходящее солнце мы видим в красных тонах, причем нижняя часть солнца выглядит более красной, чем верхняя.

  Ученик: Многие задаются вопросом: «Почему небо днем голубое?».

Ответ: Дело в том, земная атмосфера рассеивает свет с короткой длиной волны, то есть с синей, сильнее, чем длинноволновое излучение. Также лучи света рассеиваются молекулами газов в воздухе и твердыми частицами.

   Учитель: Человеческие глаза не видят инфракрасного излучения, но оно окружает нас повсюду. Около 50% солнечного света относится к ИК-лучам, да и большая часть ламп накаливания тоже. Зарегистрировать его можно только с помощью специального оборудования.

  Ученик: Некоторые живые существа способны видеть в инфракрасном спектре, например, пираньи или золотые рыбки. Такая же способность есть у комаров и некоторых змей, которым она помогает охотиться в тёмное время суток. А комары с помощью ИК-зрения видят интересующие их кровеносные сосуды на теле жертвы. А удавы и вовсе видят одновременно в двух спектрах, в обычном и инфракрасном. Уильям Гершель в 1800 году открыл инфракрасное излучение в ходе одного из своих экспериментов. Вообще-то он искал способ найти уменьшить нагрев инструментов, с помощью которых он вёл наблюдения за Солнцем, а в результате обнаружил, что максимальный нагрев лежит за красным концом видимого спектра. ИК-излучение широко применяется в пищевой промышленности, так как инфракрасные волны способны проникать в некоторые продукты. Эта особенность используется и для дезинфекции, и для просушки, и для некоторых других операций. Проверка денег на подлинность обычно осуществляется именно с помощью инфракрасного излучения, так как ИК-метки на банкноты наносить намного сложнее и дороже, чем ультрафиолетовые, и это значительно осложняет жизнь фальшивомонетчикам.

     Учитель: Объекты в космосе нагреваются под воздействием излучения Солнца, несмотря на отсутствие атмосферы, которая могла бы переносить тепло. Это отличает инфракрасное излучение от других типов теплообмена, потому что с его помощью теплообмен может осуществляться даже в вакууме.

   Ученик: Темные линии на спектре Солнца заметил ещё в 1802 году изобретатель Волластон. Однако сам первооткрыватель особо не зациклился на этих линиях. Их обширное исследование и классификацию произвел в 1814 году Фраунгофер. В ходе своих опытов он заметил, что своим набором линий обладает Солнце, Сириус, Венера и искусственные источники света. Это означало, что эти линии зависят исключительно от источника света. На них не влияет земная атмосфера или свойства оптического прибора. Природу этих линий в 1859 открыл немецкий физик Кирхгоф вместе с химиком Робертом Бунзеном. Они установили связь между линиями в спектре Солнца и линиями излучения паров различных веществ. Так они сделали революционное открытие о том, что каждый химический элемент обладает своим набором спектральных линий. Следовательно, по излучению любого объекта можно узнать о его составе.  Так был рождён спектральный анализ.

 Учитель: Спектральный анализ и его применение в научной среде позволило создать астрофизику. Открытие американского учёного Эдвина Хаббла сравнимо с разработкой Коперником гелиоцентрической системы мира. Исследуя яркость цефеид в различных туманностях, он доказал, что многие из них расположены намного дальше Млечного Пути. Сопоставив полученные расстояния с красным смещением спектров галактик, Хаббл открыл свой знаменитый закон. Согласно нему, расстояние до галактик пропорционально скорости их удаления от нас. Хотя его закон несколько разнится с современными представлениями, открытие Хаббла расширило масштабы Вселенной. При отдалении источника всё темные полосы на спектре его излучения смещаются к красной стороне. Т.е. все длины волн увеличиваются. Точно также при приближении источника они смещаются к фиолетовой стороне. Таким образом эффект Доплера стал отличным дополнением к спектральному анализу. Теперь по линиям в спектре можно было узнать то, что раньше казалось невозможным. Измерить скорости космических объекта, рассчитать орбитальные параметры двойных звёзд, скорости вращения планет и многое другое. Особую роль эффект «красного смещения» произвёл в космологии. Эффект заключается в том, что для наблюдателя длина волны движущегося источника искажается. Она увеличивается при удалении источника и уменьшается при приближении. Аналогичным свойством обладают и электромагнитные волны.

Учитель: Сущность эффекта состоит в следующем: Если источник излучения движется по лучу зрения наблюдателя со скоростью v (лучевая скорость), то вместо длины волны λ₀ (её излучает источник) наблюдатель фиксирует длину волны λ. Лучевой скоростью называют проекцию пространственной скорости небесного объекта на луч зрения (на направление от объекта к наблюдателю).

Лучевая скорость связана со сдвигом спектральных линий формулой

где λ₀ — длина волны, которую излучает источник; Δλ — разность между λ и λ₀; υ_r — лучевая скорость; c — скорость света.

    Задача: Линия водорода с длинной волны λ ₀=434,00 нм на спектрограмме звезды оказалась равной λ=434,12 нм. К нам или от нас движется звезда и с какой скоростью v_r?

Решение: v_r = (λ - λ ₀) ·c /λ₀; v_r = (434,12 – 434,00) · 3 ·10⁵ /434 = 83 км/с, звезда удаляется.

   Задача: В спектре звезды линия, соответствующая длине волны 5,3 ⋅ 10^-4 мм, смещена к фиолетовому концу спектра на 5,3 ⋅ 10^-8 мм. Определите лучевую скорость звезды.

Решение: v_r = (λ - λ ₀) ·c /λ₀; v_r = (5·10 ^{– 8} мм · 3 ·10⁵ км/с /5·10 ^{– 4} мм = 30 км/с

  Ученик: Имел ли право физик Роберт Вуд, нарушив правила дорожного движения, ссылаться на эффект Доплера, чтобы доказать полицейскому, что виновата скорость, которая изменила красный свет светофора на зеленый?

  Однажды он ехал в своем автомобиле по городу и, не сумев затормозить, выехал на перекресток. Когда на светофоре загорелся красный свет. Нарушителя движения задержал полицейский, и между ними состоялся следующий разговор:

«- Я не виноват, защищался Вуд. – Меня подвел эффект Доплера.

- Что. Что? – переспросил удивленный полицейский.

- Эффект Доплера, - ответил Вуд и пояснил. - Вы, вероятно, обращали внимание, как повышается тон гудка движущегося навстречу вам паровоза или автомобиля. Это происходит потому, что в ухо попадает за единицу времени больше звуковых волн. Аналогичное явление наблюдается и для света. Если источник света приближается к вам или вы приближаетесь к нему, что свет вам покажется другого оттенка, его цвет смещается к синему концу спектра. Я ехал довольно быстро, и красный огонь светофора показался мне зеленым!»

 Неизвестно, чем кончился разговор Вуда с полицейским (утверждают, что полицейский все же оштрафовал Вуда за быструю езду), нас интересует другое: имел ли Вуд право ссылаться на эффект Доплера?

  Учитель: Длина волны, соответствующая красному цвету, равна примерно 0,65мкм. Зеленому цвету соответствует длина волны около 0,55 мкм. Таким образом, изменение длины волны вследствие эффекта Доплера должно было бы составить 0.55 мкм/0,65 мкм = 0,85. Это значит, что частота электромагнитных колебаний, попадающих в глаз автомобилиста, должна возрасти вследствие взаимного сближения его с источником света в 1/0,85 = 1,18 раза, т.е. примерно на 20%. Такое увеличение частоты возможно лишь при скоростях, примерно на столько же процентов отличающихся от скорости света, которые для автомобилиста, разумеется, недостижимы. Минимальная скорость, при которой начинает обнаруживаться эффект Доплера с помощью достаточно чувствительных оптических приборов, составляет 500 м\с, что также лежит далеко за возможностями автомобиля.

Учитель: Однажды Роберт Вуд заподозрил, что хозяйка пансиона добавляет объедки в свежие блюда для постояльцев. На следующий день изобличает хозяйку. Как же это ему удалось? Как вы думаете, что использовал Роберт Вуд?

   Ответ: Он всыпал в еду немного хлористого лития - безопасного для человеческого организма, а по виду и вкусу похожего на соль. На другой день спектральный анализ новой еды выдал красную линию, характерную для этого вещества. Подозрения Вуда подтвердились. Молекулы и атомы излучают и поглощают свет определённых частот. Спектры эти можно наблюдать с помощью приборов невооруженным глазом, но существуют также невидимые лучи. На следующем занятии пойдёт речь об инфракрасном и ультрафиолетовом излучении.

Учитель: Благодаря сравнительной простоте и универсальности спектральный анализ является основным методом контроля состава вещества в металлургии, машиностроении, атомной индустрии. С помощью спектрального анализа определяют химический состав руд и минералов. Состав сложных, главным образом органических, смесей анализируется по их молекулярным спектрам.

Спектральный анализ широко применяют в криминалистике, для расследования улик, найденных на месте преступления. Также спектральный анализ в криминалистике хорошо помогает определять орудие убийства и вообще раскрывать некоторые частности преступления. Физика предоставила криминалистам метод, при котором для анализа достаточно мельчайшей пылинки вещества, т. е. в 10 млн. раз меньше массы одного короткого волоска! Установлено, что волосы обладают такой же индивидуальной характеристикой, как и отпечатки пальцев. Потому мельчайшие следы на обуви и на одежде преступника имеют в точности тот же спектр, что и краска на месте преступления.

 Ученик: Широкое применение получил спектральный анализ в медицине. Его используют для определения инородных веществ в организме человека, диагностирования, в том числе и онкологических заболеваний на ранней стадии их развития. Наличие или отсутствие многих заболеваний можно определить по лабораторному анализу крови. Чаще это болезни органов ЖКТ, мочеполовой сферы. Количество заболеваний, которые определяет спектральный анализ крови, постепенно увеличивается. Этот метод дает самую высокую точность при выявлении биохимических изменений в крови в случае сбоя в работе какого-либо органа человека. В ходе исследования специальными приборами регистрируются инфракрасные спектры поглощения, возникающие в результате колебательного движения молекул, сыворотки крови, и определяются любые отклонения ее молекулярного состава. Спектральным анализом проверяют также минеральный состав тела. Материалом для исследования в данном случае служат волосы. Любой дисбаланс, дефицит или избыток минералов часто связан с целым рядом заболеваний, таких как болезни крови, кожи, сердечно-сосудистой, пищеварительной системы, аллергия, нарушения развития и роста детей, снижение иммунитета, утомляемость и слабость.

Ученик: Способность рентгеновских лучей просвечивать материальные объекты не только дает людям возможность создавать простые рентгеновские снимки, но и открывает возможности для более продвинутых средств диагностики. К примеру, она лежит в основе метода компьютерной томографии (КТ). Внутри кольца, в котором лежит пациент, вращаются источник рентгеновских лучей и приемник. Полученные данные о том, как ткани тела поглощают рентгеновские лучи, реконструируются компьютером в 3D-картинку. Метод КТ особенно важен для диагностики инсульта, и хоть он и менее точен, чем магнитно-резонансная томография головного мозга, зато требует гораздо меньше времени.

  Сравнительно новое направление, которое развивается сейчас в микробиологии и медицине, -  применение мягкого рентгеновского излучения. При просвечивании живого организма оно позволяет получать изображение кровеносных сосудов, подробно изучать структуру мягких тканей и даже проводить микробиологические исследования на клеточном уровне. Рентгеновский микроскоп, использующий излучение разряда типа пинч в плазме тяжелых элементов, дает возможность увидеть такие детали строения живой клетки, какие не видит электронный микроскоп даже в специально подготовленной клеточной структуре.

  Один из видов лучевой терапии, применяемой для лечения злокачественных опухолей, использует жесткое рентгеновское излучение, что становится возможным благодаря его ионизирующему воздействию, разрушающему ткань биологического объекта. В этом случае в качестве источника излучения используется ускоритель электронов. 

  Ученик: Мягкое рентгеновское излучение используется в исследованиях, направленных на решение проблемы управляемого термоядерного синтеза. Для запуска процесса нужно создать ударную волну отдачи, облучив небольшую мишень из дейтерия и трития мягким рентгеном из электрического разряда и мгновенно разогревая до плазменного состояния оболочку этой мишени. Эта волна сжимает вещество мишени до плотности, в тысячи раз большей плотности твердого тела, и разогревает ее до термоядерной температуры. Выделение термоядерной энергии синтеза происходит за короткое время, пока горячая плазма разлетается по инерции.

Способность просвечивать делает возможной рентгенографию - метод визуализации, который позволяет отображать внутреннюю структуру непрозрачного объекта, выполненного, например, из металла. На глаз невозможно определить, прочно ли сварили конструкции моста, герметичен ли шов у газопровода и плотно ли прилегают друг к другу рельсы. Поэтому в промышленности рентгенография используется для дефектоскопии - контроля надежности основных рабочих свойств и параметров объекта или отдельных его элементов, не требующего выведения объекта из эксплуатации либо его демонтажа.

На эффекте флуоресценции основана рентгенофлуоресцентная спектрометрия - метод анализа, используемый для определения концентраций элементов от бериллия до урана в диапазоне от 0,0001 до 100% в веществах различного происхождения. При облучении образца мощным потоком излучения рентгеновской трубки возникает характеристическое флуоресцентное излучение атомов, которое пропорционально их концентрации в образце. В настоящее время практически каждый электронный микроскоп позволяет определять без каких-либо затруднений детальный элементный состав изучаемых микрообъектов методом рентгенофлуоресцентного анализа.

  Учитель: Способность рентгеновских лучей просвечивать и создавать эффект флуоресценции применяется и для изучения картин. То, что скрывается под верхним слоем краски, может рассказать очень многое об истории создания полотна. Например, именно в искусной работе с несколькими красочными слоями изображения могут заключаться уникальные свойства работы художника. Также структуру слоев картины важно учитывать при подборе наиболее подходящих условий хранения полотна. Для всего этого незаменимо рентгеновское излучение, позволяющее заглянуть под верхние слои изображения без вреда для него. 

Важными разработками в этом направлении являются новые методы, специализированные для работы с произведениями искусства. 

 Метод макроскопической флуоресценции - это вариант рентгенофлуоресцентного анализа, который хорошо подходит для визуализации структуры распределения ключевых элементов, в основном металлов, присутствующих на площадях примерно 0,5–1 квадратный метр и более. С другой стороны, для получения изображений отдельных слоев картины перспективной представляется рентгеновская ламинография - вариант компьютерной рентгеновской томографии, который больше подходит для исследования плоских поверхностей. С помощью этих методов также можно изучать химический состав красочного слоя. Это позволяет датировать полотно, в том числе для того, чтобы выявить подделку.

Учитель: В собрании живописи Эрмитажа был портрет, написанный неизвестным французским художником в 18 веке. На портрете изображён юноша с красивыми, тонкими чертами лица, одетый в тёмный фрак, из широкого выреза которого виден белоснежный шейный платок и скромная манишка. Благодаря изучению архивов было выяснено, что изображённое на портрете лицо – один из русских дипломатов. Но кто именно?

Детальное изучение живописного полотна позволило обнаружить целый ряд ранее незамеченных деталей: в левом ухе юноше видна большая, кольцеобразная серьга (этому удивились: строгий тёмный фрак и висячая серьга), по отворотам костюма шли мелкие пуговицы, ничего не застёгивающие, одна из них почему-то находилась на середине белой манишки. Возникла мысль, что пуговицы «сквозят» из нижнего, глубинного красочного слоя картины и принадлежат какому-то более раннему костюму; видимо, молодой человек некогда «носил» другое одеяние, а впоследствии художником был «переодет» во фрак. Но так ли это? Верна ли догадка? Обратились к физикам. Ультрафиолетовые и инфракрасные лучи показали в общих чертах покрой первоначального костюма; это был мундир со стоячим воротником, на левом плече просмотрелся неширокий плоский погон. Благодаря микроскопическому анализу удалось установить и цвет наряда: судя по сквожению цветных мазков, мундир был синим, воротник – красным. Рентгеноскопия и сравнительный анализ привели к выводу, что это юноша П.А. Строганов, в будущем видный дипломат, а в момент создания портрета – член якобинского клуба и хранитель его библиотеки; также было установлено, что работа принадлежит кисти Жана Батиста Грёза. Такова история расшифровки портрета «неизвестного юноши».

«Портрет П.А. Строганова»
Жан Батист Грёза

Ученик: На фотографиях, полученных в инфракрасных лучах, четко видны все предметы до самого горизонта. Почему?

Ответ: Инфракрасные лучи не рассеиваются в воздухе.

Ученик: Почему на фотографиях местности, сделанных с самолета, явственно выделяются маскировки под зелень, которые не обнаруживаются при непосредственном наблюдении?

Ответ: Ультрафиолетовое излучение от естественной зелени и предметов маскировки различно. Поэтому различно действие их на фотопластинку.

Ученик: Для получения рентгеновских лучей, применяемых в медицине и в технике, необходимо, чтобы поток электронов ударял в одну точку антикатода, а не падал бы на него широким пучком. Почему?

Ответ: Чтобы получить точечный источник рентгеновских лучей, дающих на экране резкие очертания просвечиваемых тел.

Ученик: В физиотерапевтическом кабинете поликлиники при горении кварцевых ламп ощущается запах озона. Почему?

Ответ: Кварцевые лампы дают ультрафиолетовое излучение, действие которого на кислород воздуха приводит к образованию озона.

Ученик: Почему виднеющийся на горизонте лес кажется не зеленым, а подернутым голубоватой дымкой?

Ответ: Сильнее других воздухом рассеиваются синие и голубые лучи. Поэтому слой воздуха между наблюдателем и далеким лесом кажется, как и небо, голубоватым.

Учитель: Мы поставили ряд задач и, используя различные источники информации, пришли к следующим выводам: что талантливые художники используют законы восприятия света, образования тени и полутени, фотометрию, колориметрию; что попытались доказать, что физика и искусство связаны между собой. Представители искусства, его разных областей и направлений должны знать физические закономерности. Я надеюсь, что вы лишний раз убедились, что научное познание мира нам необходимо, что рядом с ним шагает поэзия, художественные произведения, где используются оптические законы. Различные направления деятельности людей развиваются параллельно, дополняя и обогащая друг друга.

  Физик видит то, что видят все: предметы и явления, восхищается красотой и величием мира, но за этой, всем доступной красотой, ему открывается еще одна: красота закономерностей в бесконечном разнообразии вещей и событий. Физику доступна редкая радость - понимать Природу.

 Хочется надеяться, что наши ученики будут воспринимать красоту, гармонию природы и после окончания школы. Вряд ли они будут помнить расчеты многих процессов, выводы формул, однако основные законы физики должны не только объяснить им, почему небо голубое, а закат красный, но и оставить след в душе от ощущения их красоты.

Подведение итогов.

Рефлексия.

Учитель: Продолжите фразы:

- Сегодня на уроке я узнал…

- Больше всего мне сегодня запомнилось…

- Самым интересным было…

- Очень трудно было…

Литература:

1.Физика. 11 класс.: учебн. для общеоразоват. учреждений: базовый и профильный уровни/Г.Я. Мякишев, Б.Б.; Буховцев, В.М.; Чаругин: - М.: Просвещение, 2020.

2.Богданов К.И. Не все так просто/ Первое сентября 2006, №3. - с. 31-33.

3.Булат В.Л. Оптические явления в природе. - М.: Наука, 1983

4.Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики: для учителя: Из опыта работы. -2-е издание, перераб. – М.: Просвещение, 1988. - 159 с.: ил.

 5.  Ланге В.Н.; Физические парадоксы и софизмы: Пособие для учащихся. -8-е изд., перераб. – М.: Просвещение, 1978. -176 с., ил.

 6. Лыков В.Я.; Эстетическое воспитание при обучении физике: Кн. для учителя: Из опыта работы. – М.: Просвещение, 1986. – 144 с., ил.

7. Перельман Я.И. Знаете ли Вы физику? - М.: Наука, 1992

8. Тарасов Л.В. Физика в природе. - М.: Просвещение, 1982

9. Тульчинский М.Е. Качественные задачи по физике в средней школе. Пособие для учителей - М.: Просвещение. 1972

10. Хрестоматия по физике (под ред. Проф. Б.И. Спасского) учебное пособие для учащихся. - М.: Просвещение, 1982

11.Энциклопедический словарь юного физика. - М.: Педагогика, 2002. - с.

12. Немилова И. С. Загадки старых картин. — М.: Изобразительное искусство,1974.

13. Васин М. Шедевры на операции. — Наука и жизнь, 1975, №6, с. 141.

14. Кудрявцев Е. В. Техника реставрации картин. — М.: изд. Гос. Третьяковской галереи, 1948.

 https://www.syl.ru/article/141494/mod_spektralnyiy-analiz-ego-vidyi-i-oblasti-primeneniya

https://www.syl.ru/article/141494/mod_spektralnyiy-analiz-ego-vidyi-i-oblasti-primeneniya

 https://bugaga.ru/interesting/1146746294-top-10-faktov-o-svete-i-cvete.html#ixzz6mLQKmmWa

https://bugaga.ru/interesting/1146746294-top-10-faktov-o-svete-i-cvete.html#ixzz6mLQ4lH4K

https://lampasveta.com/teoriya/dispersiya-sveta

 https://lampasveta.com/teoriya/dispersiya-sveta

 https://lampasveta.com/teoriya/dispersiya-sveta

 https://zelv.ru/interesnye-fakty/66930-20-samyh-udivitelnyh-svetovyh-fenomenov.html

https://lampasveta.com/teoriya/dispersiya-sveta

http://class-fizika.ru/u9-63.html

 https://www.m24.ru/articles/nauka/10082015/81536?utm_source=CopyBuf

Скачано с www.znanio.ru