Коллеги - педагогический журнал Казахстана
Наша библиотека
| Главная » Файлы » В помощь учителю » Физика |
Разработка урока по теме "Лазеры" , 11 класс
| [ Скачать с сервера (121.8 Kb) ] | 2014-01-30, 7:57 PM |
| Тема: Лазеры Цель: изучение устройства и принципа действия лазера. Задачи: - создать условия для изучения учащимися устройства и принципа действия лазера; - организовать знакомство с художественной научно-фантастической литературой; - способствовать развитию у учащихся операций умственной деятельности: анализа, синтеза, сравнения. Ход урока I. Организационный момент Предварительное деление класса на три группы. II. Актуализация имеющихся знаний Сегодня наш урок посвящен изучению технического устройства, являющегося одним из важнейших достижений 20 века. Для того чтобы узнать, о каком устройстве будет идти речь, я предлагаю вам посмотреть слайд с картинками и ответить на вопрос, что их объединяет? (Появляется слайд, на котором размещены фотографии работающего лазера в разных сферах человеческой деятельности). Ответы учащихся. - Правильно, сегодня мы будем знакомиться с устройством и принципом действия лазера. Появляется слайд с темой урока - Давайте вернемся к картинкам. По каким признакам вы догадались, что это устройство – лазер? Ответы учащихся. - Правильно, именно работающий лазер дает узкий световой пучок, используемый во многих сферах человеческой деятельности. Где применяют лазеры? Ответы учащихся. В практическом применении лазеров выделяют два направления. Первое – связывают с применениями, в которых лазерное излучение, достаточно высокой мощности используется для целенаправленного воздействия на вещество. Сюда относят лазерную обработку материалов: сварку, термообработку, резку, пробивание отверстий. Лазерное разделение изотопов, применения лазеров в медицине и т. Д. Второе – с так называемыми информативными применениями лазеров — для передачи и обработки информации, для осуществления контроля и измерений. Создание проблемной ситуации. Вы знаете, что часть технических устройств была описана, до их создания в научно-фантастической литературе. В романе «Гиперболоид инженера Гарина» А. Толстого главный герой о действии своего устройства пишет так: «Вы не представляете, какие открываются возможности? В природе не существует ничего, чтобы могло сопротивляться силе «лучевого шнура»… Здания, крепости, дредноуты, воздушные корабли, скалы, горы, кора земли – все пронижет, разрушит, разрежет мой луч…..» Как вы думаете, является ли гиперболоид инженера Гарина лазером? Ответы учащихся. Кажется, мнения нашей аудитории разделились: часть считает, что да, потому что работающий лазер высокой мощности, действительно дает узкий световой луч способный резать металлы, но часть сомневается. Почему? Ответы учащихся. Есть учащиеся, предполагающие, что их принцип действия может оказаться разным. Чтобы разобраться, нам необходимо найти ответы на следующие вопросы: - Какие явления положены в основу их действия? - Каков их состав и принцип действия? Постановка задач урока: 1) изучить явление, положенное в основу действия лазеров, их состав и принцип действия; 2) изучить явление, положенное в основу действия гиперболоида инженера Гарина, его состав и принцип действия. III. Изучение нового материала - Мы с вами будем работать в группах. Самостоятельная работа учащихся в группах с текстом. Во время работы учащиеся создают постер, по которому должны рассказать, что они узнали по предложенному вопросу. Задания группам: 1 группа. Явление индуцированного излучения атомов. Работа с текстом 1916 год. А. Эйнштейн в своей работе, посвященной изучению абсолютно черного тела, пишет, что, кроме поглощения и спонтанного излучения существует третий, качественно иной тип излучения. Если на атом, находящийся в возбужденном состоянии с энергией Em, действует излучение, квант энергии которого равен разности энергий этих состояний, то возникает вынужденный (индуцированный) переход в состояние с энергией Еn, с излучением фотона той же частоты. На приведенной схеме видно, что, если в начале у нас был один фотон, теперь их два –произошло усиление света. Индуцированное (вы́нужденное) излуче́ние - это излучение, возникающее при переходе квантовой системы из возбуждённого в стабильное состояние под воздействием индуцирующего фотона, энергия которого равна разности энергий этих уровней. Возникший фотон имеет ту же энергию, импульс, фазу и поляризацию, что и индуцирующий фотон (который при этом не поглощается). Не стоит забывать, что в веществе, наряду с атомами, находящимися в возбужденном состоянии, есть атомы и не возбужденные. Тогда одновременно с вынуждающим излучением происходит и поглощение фотонов. Протекают два процесса: и излучение, и поглощение. Результат ( усиление или ослабление) будет зависеть от того, какой процесс преобладает. А вероятность перехода зависит от заселенности состояний, т.е. от того, в каком состоянии находится преобладающее число атомов. В 1939 год Валентин Александрович Фабрикант, советский физик предложил метод усиления света на основе вынужденного излучения. Идея заключалась в использовании атомов с метастабильными состояниями. У атомов некоторых веществ имеются такие возбужденные состояния, в которых атомы могут находиться довольно долго. Рассмотрим атом с метастабильным состоянием. У такого атома можно выделить три «работающих» энергетических уровня. Существенно, что в отсутствии внешнего воздействия время, в течение которого атомная система находится в различных энергетических состояниях «время жизни», неодинаково. На третьем уровне система живет порядка 10-8 с, после чего самопроизвольно переходит в состояние 2 без излучения света, энергия при этом передается кристаллической решетке. Во втором состоянии система живет в 100 000 раз дольше (10-3 с). При переводе системы сначала в возбужденное 3-е состояние и далее самопроизвольный её переход во второе состояние приводит к тому, что в среде число атомов, находящихся в возбужденном состоянии, становится больше числа атомов в основном состоянии. Такие неравновесные состояния называются состояниями с инверсной заселенностью энергетических уровней. Инверсная заселенность — необходимое условие для генерации и усиления электромагнитных волн. 2 Группа. Создание лазера. Рубиновый лазер. Работа с текстом. В 1960 году в США был создан первый лазер. В 1963 году советские ученые Николай Геннадьевич Басов и Александр Михайлович Прохоров, а также американский физик Чарлз Таунс получили Нобелевскую премию за практические разработки в данной области. Рассмотрим с вами, как работает лазер на примере рубинового лазера. В качестве рабочего тела (активной среды) используется рубиновый цилиндр. Рубин – это окись алюминия Al2O3 примесью окиси хрома Cr2O3 в количестве от 0,03 до 0, 05 %. В кристаллической решетке Al2O3 некоторая часть атомов алюминия заменена ионами хрома Cr+++. На рисунке показана схема уровней иона хрома. Имеются основной уровень(1), широкая полоса возбужденных, очень близко расположенных уровней (3), и метастабильный уровень (2). В лазере рубин освещается мощной импульсной ксеноновой лампой(накачка), которая преимущественно дает зеленый свет. Ионы хрома при поглощении света переходят в возбужденное состояние(3). Вероятность перехода с 3 в 1 очень мала, поэтому большинство атомов переходят на метастабильный уровень(2). Избыток энергии ионы передают кристаллической решетке, излучения не происходит. В результате количество ионов хрома с электронами, находящимися на втором уровне, больше чем на первом. Создается инверсная заселенность уровней 2 и 1. Теперь посмотрим, что произойдет, если спонтанно прошел один акт перехода со второго уровня на первый. Тогда излученный фотон начнет вызывать вынужденные излучения. Теперь излучается два, затем четыре число фотонов начнет лавинообразно нарастать. Для того чтобы добиться большего усиления рубин помещают между двумя параллельными зеркалами. Зеркалами могут служить отполированные торцы рубинового цилиндра, на которые наносится отражающий слой. Одно из зеркал полупрозрачное. Таким образом, с помощью зеркал создается положительная обратная связь. Рубиновый лазер является импульсным. Сильная световая вспышка ксеноновой лампы вызывает импульс когерентного излучения лазера, который повторяется при каждой вспышке лампы. Есть лазеры, работающие в непрерывном режиме. 3 группа. Состав и принцип действия гиперболоида инженера Гарина. Работа с текстом романа. На столе так же распечатана схема гиперболоида. Смотрите сюда… Это основная схема… Это просто, как дважды два. Чистая случайность, что это до сих пор не было построено. Весь секрет в гиперболическом зеркале (А), напоминающем формой зеркало обычного прожектора, и в кусочке шамонита (В), сделанном также в виде гиперболической сферы. Закон гиперболических зеркал таков: Лучи света, падая на внутреннюю поверхность гиперболического зеркала, сходятся в одной точке, в фокусе гиперболы. Это известно. Теперь вот, что неизвестно: я помещаю в фокусе гиперболического зеркала вторую гиперболу (очерченную, так сказать навыворот) – гиперболоид вращения, выточенный из тугоплавкого, идеально полирующегося минерала – шамонита (В), -залежи его на севере России неисчерпаемы. Чтоже получается с лучами? Лучи, собираясь в фокусе зеркала ( А), падают на поверхность гиперболоида (В) и отражаются от него математически параллельно, - иными словами, гиперболоид (В) концентрирует все лучи в один луч, или в «лучевой» шнур любой толщины. Переставляя микрометрическим винтом гиперболоид (В), я по желанию увеличиваю или уменьшаю толщину «лучевого шнура». Потеря его энергии при прохождении через воздух ничтожна. При этом я могу довести его (практически) до толщины иглы. Позднее инженер Гарин вместо свечей стал использовать угольные пирамидки, которые, по его словам, горят около 5 мин и дают большую энергию, чем свечи. Меняются источники света, но принцип действия гиперболоида –нет. IV. Закрепление Выступления групп. Теперь, когда мы знаем принцип действия данных устройств и свойства луча, мы можем их сравнить. Что для устройств является общим, чем они отличаются? Да, я с Вами согласна, общим будет только узость светового луча и мощность излучения. Следовательно, гиперболоид инженера Гарина нельзя считать лазером. Домашнее задание: Но, тем не менее, остаются вопросы: - Будет ли действительно гиперболоид работать так, как описывает инженер Гарин? - Что нужно изменить в конструкции гиперболоида, чтобы получить узкий световой пучок? - Как правильно, с физической точки зрения, нужно назвать данное устройство? Надеюсь, поиск ответов на эти вопросы будет увлекательным. | |
| Просмотров: 2256 | Загрузок: 250 | Комментарии: 1 | | |
Пятница, 2024-04-19, 6:40 PM
Приветствую Вас Гость
Приветствую Вас Гость
Форма входа |
|---|
Категории раздела | |||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
Социальные закладк |
|---|
Поиск |
|---|
Друзья сайта |
|---|
Теги |
|---|
Статистика |
|---|