Урок "Изучение темы "Лазеры" (11 класс)

Урок изучения нового материала по теме "Лазеры" 11 кл. Цель урока: сформировать у учащихся понятия по теме "Лазеры" Задачи урока:     1)Образовательные: вызвать объективную необходимость изучения нового  материала; проверить усвоение учащимися основных понятий квантовой  теории электромагнитного излучения вещества; сформировать у учащихся  понятие о принципах работы лазеров и их применении; сформировать у  учащихся понятия: индуцированное излучение, спонтанное излучение,  инверсная населенность энергетических уровней, метастабильное состояние.    2)Развивающие: содействовать развитию речи, учить анализировать,  сравнивать, строить аналогии, способствовать развитию сенсорной сферы,  памяти, логического мышления.    3)Воспитывающие: способствовать формированию добросовестного  отношения к труду, гуманности, патриотизма и гордости за открытия,  сделанные учеными нашей страны, дисциплинированности, аккуратности,  культуры общения. Тип урока: урок изучения нового материала.  Методы и приемы:   1)Метод объяснительно­иллюстративный   2)Словесные методы обучения (лекция, беседа)  3)Методы наглядной передачи информации и зрительного восприятия  информации (приемы: наблюдение, демонстрация модели)  4)Методы стимулирования и мотивации учащихся (создание ситуации успеха, создание ситуации взаимопомощи)  5)Методы контроля (приемы: фронтальный опрос) Форма организации работы на уроке: групповая.  Средства обучения:  компьютер, проектор, экран, презентация; учебник.                                                  План урока  1)Организационный момент ­ 1 минута.  2)Актуализация знания ­ 5 минут. 3)Изучение нового материала ­ 31 минута.  4)Систематизация и закрепление нового материала ­ 5 минут.  5)Подведение итогов урока и домашнее задание ­ 3 минуты. Ход урока: 1)Организационный момент.  2)Актуализация знания. Фронтальный опрос.   Что такое энергия ионизации? (Минимальная энергия, необходимая для перевода атома из основного состояния в свободное)  Что может быть с электроном, если энергии фотона недостаточно для  ионизации? (Может перескочить на другую орбиту, соответствующую  возбужденному состоянию)  Как формулируется второй постулат Бора? Чему равна энергия  излученного фотона? (Разности энергий стационарных состояний)  Как найти излучаемую атомом частоту при переходе атома из одного  стационарного состояния в другое? Что такое серия Бальмера?  (Переходы в первое возбужденное состояние при n=2 с верхних уровней наблюдается в видимом свете)  Чем различаются люминесцентные явления? (Механизмом возбуждения  атомов)   Назвать виды излучений. Перечислить виды люминесценций. Какие  типы спектров вы знаете? (Испускания и поглощения)  Какие виды спектров испускания вы знаете? (Сплошной, линейчатый,  полосатый.)  3) Изучение нового материала. Ребята, многие из вас уже слышали о лазерах, в основном об их применении  (лазерные указки, в военном деле,...) Тема нашего урока "Лазеры", и мы  познакомимся с историей открытия лазеров, их строении, применении.     В 1917 г. А. Эйнштейн предсказал возможность индуцированного  (вынужденного) излучения света атомами.    a)Что такое поглощение света? (Электрон атома, находящийся в основном  состоянии с энергией Е1, может поглотить фотоны, перейдя в возбужденное  состояние с энергией Е2>Е1).  Демонстрируем учащимся с помощью модели поглощение света.   b)В отсутствии внешних полей или столкновений с другими частицами  электрон, находящийся в возбужденном состоянии, через время порядка  10^8­10^7 с. Самопроизвольно (спонтанно) возвращается в основное  состояние. Запишем определение: Спонтанное излучение ­ излучение, испускаемое при  самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое.   Спонтанное излучение различных атомов происходит некогерентно, так как  каждый атом начинает и заканчивает излучать независимо от других.   Демонстрируем учащимся спонтанное излучение с помощью модели.  c)Индуцированное излучение. В 1917 г. Эйнштейн предсказал, что  возбужденный атом может излучать под действием падающего на него света. Запишем определение: Индуцированное (вынужденное) излучение ­ излучение  возбужденных атомов под действием падающего на них света.   При индуцированном излучении, частота, фаза, поляризация и направление  распространения оказываются такими же, как и у волны, падающей на атом.  На языке квантовой теории вынужденное излучение означает переход атома  из высшего энергетического состояния в низшее, но не самопроизвольно, как  при обычном излучении, а под влиянием внешнего воздействия.   Демонстрируем учащимся вынужденное излучение с помощью модели. Принцип действия лазера.  В 1940 г. Советский физик В. А. Фабрикант указал на возможность  использования явления вынужденного излучения для усиления  электромагнитных волн.   Российские ученые Н. Г. Басов и А. М. Прохоров и американский физик Ч.  Таунс, создавшие в 1954 г. Квантовый генератор излучения, работающий в  сантиметровом диапазоне, были удостоены в 1964 г. Нобелевской премии по  физике. Первый лазер, работающий на кристалле рубина в видимом  диапазоне, был создан в 1960 г. Американским физиком Т. Мейманом. Слово  "лазер" образовано начальными буквами английских слов light amplification by stimulated emission of  radiation ("усиление света с помощью вынужденного  излучения").  Лазер ­ источник излучения, усиливаемого в результате индуцированного  излучения.   Усиление излучения, падающего на среду, возникает тогда, когда  интенсивность индуцированного излучения превысит интенсивность  поглощенного излучения. Это произойдет в случае инверсной населенности,  если в возбужденном состоянии находится больше частиц, чес в основном n2  > n1. В состоянии термодинамического равновесия, когда система занимает  состояние с наименьшей энергией Е1, т. е. n1 > n2 усиления не происходит. Инверсная населенность энергетических уровней ­ неравновесное состояние  среды, при котором концентрация атомов в возбужденном состоянии больше,  чем концентрация атомов в основном состоянии.   Спонтанные переходы являются фактором, препятствующим накоплению  атомов в возбужденном состоянии. Этим можно пренебречь, если  возбужденное состояние метастабильно.  Метастабильное состояние ­ возбужденное состояние электрона в атоме, в  котором он может находиться достаточно долго (например, 10^3 с) по  сравнению с обычным возбужденным состоянием (10^8 с).  Рассмотрим принцип действия рубинового лазера. Рубин представляет собой  кристалл оксида алюминия Аl203, в котором часть атомов алюминия  замещена ионами хрома Cr3+.   С помощью мощного импульса лампы­вспышки ("оптической накачки") ионы  хрома переводятся из основного состояния Е1 в возбужденное Е2.  Через 10^8 с ионы, передавая часть энергии кристаллической решетке,  переходят на метастабильный энергетический уровень Е2< Е3, на котором  они начинают накапливаться. Малая вероятность спонтанного перехода с  этого уровня в основное состояние приводит к инверсной населенности: n2>  n1. Случайный фотон с энергией hv = Е2­Е1 может вызвать лавину  индуцированных когерентных фотонов.    Индуцированное излучение, распространяющееся вдоль оси  цилиндрического кристалла рубина, многократно отражается от его торцов и  быстро усиливается.   Один из торцов рубинового стержня делают зеркальным, а другой ­ частично  прозрачным. Через него выходит мощный импульс когерентного  монохроматического излучения красного цвета с длиной волны 694,3 нм. В настоящее время существует много различных типов и конструкций  лазеров. Основные особенности лазерного излучения следующие: лазерное излучение обладает исключительной монохроматичностью и  когерентностью;  пучок света лазера имеет очень маленький угол расхождения (около 10^(­5)  рад), на луне такой пучок, испущенный с Земли, дает пятно диаметром 3 км; лазер ­ наиболее мощный искусственный источник света. Напряженность  электрического поля в электромагнитной волне, излучаемой лазером,  превышает напряженность поля внутри атома. В узком интервале спектра  кратковременно ( в течении промежутка времени продолжительностью  порядка 10^(­3) с) у некоторых типов лазеров достигается мощность  излучения 10^17 Вт/см^2, в то время как мощность излучения Солнца равна  только 7*10^3 Вт/см^2, причем суммарно по всему спектру.  Применение лазеров.   Лазеры нашли применение в различных областях науки, техники и медицины.  Очень перспективно применение лазерного излучения для космической связи,  в светолокаторах, измеряющих большие расстояния с точностью до  миллиметров, для передачи телевизионных и компьютерных сигналов по  оптическому волокну. Лазеры используются при считывании информации с  компакт­дисков, со штрих­кодов товаров. С помощью луча лазеров малой  интенсивности можно проводить хирургические операции, например  "приваривать" отслоившуюся от глазного дна сетчатку, делать сосудистые  операции. Излучение мощных лазеров сваривает и разрезает металлические  листы. Перспективно использование мощного лазерного излучения для  осуществления управляемой термоядерной реакции.  Лазеры применяются также для топографической съемки, потому что луч  лазера задает идеальную прямую линию. Направление тоннеля под проливом  Ла­Манш задавалось лазерным лучом. С помощью лазерного излучения  получаются голографические трехмерные объемные изображения.  Создание лазеров ­ результат использования фундаментальных физических  законов в прикладных исследованиях. Оно привело к гигантскому прогрессу в различных областях техники и технологии.  5)Систематизация и закрепление знаний.   Фронтальный опрос. a)Какие возможны процессы взаимодействия атома с фотоном?  b)Кто предсказал возможность вынужденного излучения? c)Какую населенность энергетических уровней атома называют инверсной? d)Какое состояние электрона в атоме называют метастабильным? e)Чем отличается излучение лазера от излучения лампы накаливания?  6)Подведение итогов урока и домашнее задание.   Домашнее задание: Г. Я. Мякишев Б. Б. Буховцев "Физика 11 класс" Прочитать §75, выполнить  упражнения на стр. 184.