Физикалық құбылысты жаңғырту
М.Өтемісов атындағы Батыс Қазақстан университеті
Жарық дифракциясы және оны орта мектепте оқытудың әдістемесі
КУРСТЫҚ ЖҰМЫС
БББ:6В01505 Физика-информатика
Орындаған: Жакипова Н.Е.
Тексерген: Имангалиева Б.С.
Орал 2022 жыл
МАЗМҰНЫ
КІРІСПЕ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..3
1 Жарық дифракциясы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .5
1.1 Дифракция құбылысының сипаттамасы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .5
1.2 Дифракцияның күнделікті мысалдары ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ..7
1.3 Дифракция құбылысы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .9
2 Жарық дифракциясын орта мектепте оқыту әдістемесі ... ... ... ... ... ... . ... ... 11
2.1 Дифракция құбылысын зерттеудің дәстүрлі тәсілдерін ғылыми әдістемелік зерттеулерге талдамалық шолу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 11
2.2 Дифракция құбылысын зерделеу кезінде эксперименттерді қолдана отырып сабақтарды ұйымдастыру әдістемесі ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... 13
2.3 Дифракция есептерін шешу әдістері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..1 5
2.4 Жарық дифракциясы құбылысын зерттеуде сабақтарды ұйымдастыру әдістемесі ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .19
3 Дифракция құбылысын зерттеуде технологияларды қолдану ... ... ... ... ... ...23
3.1 Дифракция құбылысын зерттеуде ДК қолдану ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 23
3.2 Дифракция құбылысын зерттеуде аудиовизуалды технологияларды қолдану мүмкіндіктері ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .30
ҚОРЫТЫНДЫ ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...37
ПАЙДАЛАНҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 38
КІРІСПЕ
"Тербелістер мен толқындар" бөлімі физика курсының жарқын бөлімдерінің бірі болып табылады, ол студенттерге физиканың әртүрлі салаларында зерттелген материалдардың үйлесімі негізінде әлемнің физикалық бейнесі туралы түсінік қалыптастыруға мүмкіндік береді. Механикалық, оптикалық және кванттық құбылыстардың сипаттамаларын зерттеуді осы құбылыстарға тән жалпы заңдылықтарды анықтау тұрғысынан жүргізген жөн. Әр түрлі физикалық табиғаттың тербелістері мен толқындарын зерттеу кезінде ұғымдар мен терминдерге ұқсас құбылыстарды талдауға деген көзқарастың біртұтастығын көрсету қажет, бұл оқушылардың кең жалпылау жасау және білімді құбылыстардың бір саласынан басқаларына беру қабілетін дамытуға ықпал етеді.
Дифракция құбылыстарын зерттеудің мақсаты:
* білімділік
"дифракция" толқындық құбылысын зерттеу, оның жарыққа тән екендігіне сендіру; студенттерді дифракциялық тордың көмегімен жарық толқынының ұзындығын өлшеу әдістерінің бірімен таныстыру;
* дамытушылық
дифракциялық суретті сапалы және сандық сипаттау дағдыларын дамыту, негізгі материалды бөлу дағдылары, осы материалды ұсыну; ақыл-ойды дамыту, фактілерді салыстыру және жалпылау дағдылары;
* тәрбиелік
қызықты ақпаратты қолдана отырып, физиканы оқуға деген ынтаны дамыту; қарым-қатынас дағдыларын дамыту; сыныптастарын тыңдай білу.
Дифракция құбылыстарын зерттеудің маңыздылығы оқушының санасында дискреттілік пен үздіксіздік бірлігінің бейнесін қалыптастыру қажеттілігімен анықталады.
Орта мектеп физикасы курсында дифракция құбылысын зерттеудің міндеттері:
* жарықтың тік сызықты таралуы (геометриялық оптика) заңдарының қолданылу шекарасын анықтау;
* болашақта студенттерде электромагниттік сәулеленудің, зат пен материяның корпускулярлық-толқындық дуализмі туралы нақты түсінік қалыптастыру үшін жарықтың толқындық қасиеттерінің бар екендігінің дәлелі.
11-сынып физика мектебінде жарық дифракциясын зерттеу "егер жарық толқындар болса (және жарық интерференциясы мұны растайды), онда жарық дифракциясы да байқалуы керек" деген тұжырымнан басталады. Оқушыларға механикалық және электромагниттік толқындардың дифракциясын қарастыру кезінде білгендерін еске салады. Сондықтан, осы тақырыпты түсіндірудің бастапқы кезеңінде механикалық толқындарға ұқсастық жасаған жөн, өйткені бұл жағдайда студенттер осы құбылыстың пайда болуы мен даму жағдайларын динамикада көрнекі түрде көрсете алады
Біріншіден, олар негізгі шартты еске түсіреді, оны орындау кезінде толқындардың дифракциясын байқауға болады (кедергілердің өлшемдері толқын ұзындығына сәйкес келуі керек). Содан кейін жарық дифракциясының ашылу тарихы туралы қысқаша әңгімеден кейін жарық дифракциясын саңылау мен жұқа сымнан байқауға болады. Бұдан әрі, егер толқын (толқын ұзындығы λ) тесік арқылы өтсе немесе бақылаушы l қашықтыққа алып тастаған кедергіні (саңылаудың ені, кедергі өлшемдері D) айналып өтсе, онда дифракция кедергінің өлшемдері толқын ұзындығына ұқсас болған жағдайда ғана емес, сонымен қатар жалпы жағдайда - кедергінің шаршы өлшеміндегі мөлшері де байқалады кедергіге дейінгі қашықтықтың толқын ұзындығына көбейтіндісінен аз немесе оған тең.
Дәл осы жағдай оптикаға тән, онда дифракцияны тудыратын заттардың мөлшері жарық толқынының ұзындығынан мың және миллиондаған есе көп, ал дифракциялық суретті байқау үшін бақылау орнын тесіктен (немесе кедергіден) алыс орналастыру керек. Жаңа білімді қолдану кезеңінде жаңа тақырыпты тереңірек түсіну үшін студенттерге Жарық дифракциясы бойынша демонстрация көрсеткен жөн. Бұл жұмыста мұндай демонстрацияның мысалы ретінде "тұмандағы жарықтың дифракциясы"эксперименті қолданылады. Ол дайындау үшін көп уақытты және кез-келген қосымша жабдықты қажет етпейді. Ал студенттер үшін бұл өте жарқын және есте қаларлық. Экспериментті талдау кезінде студенттер жаңа материалды түсінеді және оны шоғырландырады.
1 Жарық дифракциясы.
1.1 Дифракция құбылысының сипаттамасы
Жарықтың дифракциясы-толқындар таралған кезде геометриялық оптика заңдарынан ауытқу ретінде көрінетін құбылыс. Бұл әмбебап толқындық құбылыс және әртүрлі табиғаттың толқындық өрістерін бақылау кезінде бірдей заңдармен сипатталады.
Бастапқыда бұл кедергінің жарық толқынының сынуы болды. Алайда, бүгінде бұл түсінік ішінара деп саналады. Жарық толқынының қозғалысын неғұрлым егжей-тегжейлі зерттей отырып, дифракция гетерогенді ортада жарықтың таралуының әртүрлі формаларын білдіре бастады. Бұл кедергінің айналуы да, толқынның сынуы да болуы мүмкін. Сонымен қатар, жарық біртіндеп нүктеден нүктеге ауыса алады. Бұл дифракциямен емес, геометриялық оптикамен байланысты қисық сызықты толқын сәулесін құрайды.
Осылайша, толқындық теорияда дифракция геометриялық оптика нормаларынан кез-келген ауытқуды білдіреді. Процестің мәні-геометриялық көлеңкеге кірген кезде жарық кедергіні айналып өтеді.
Дифракцияның пайда болуының негізгі шарты-кедергі мен жарықтың бастапқы көзі.
Кедергінің ұзындығы толқын ұзындығынан аспауы керек. Әйтпесе, толқын жай таралады немесе тек жақын жерде байқалады. Дифракцияның тұрақты көрінісін байқау үшін толқындар әртүрлі көздерден болуы керек. Бұған қол жеткізу қиын емес: бір жарық көзі және бірнеше кедергілер жеткілікті. Толқын кедергіге тиген кезде ол жаңа жарық көзіне айналады. Түрлі кедергілерден жарық толқындарының өзара әрекеттесуі нәтижесінде тұрақты дифракциялық суретті алуға болады.
Осылайша, дифракцияның пайда болуы үшін жарық толқынының ұзындығы кедергінің ұзындығына сәйкес келуі керек. Егер кедергінің мөлшері толқын ұзындығынан үлкен болса, онда көлеңке пайда болады, өйткені толқындар оған енбейді. Егер кедергінің мөлшері тым кішкентай болса, онда жарық онымен өзара әрекеттеспейді. Кедергінің ашылуы неғұрлым аз болса, жарық толқыны соғұрлым тез жан-жаққа бөлінеді.
Дифракциялық сурет кедергінің геометриялық ерекшеліктерімен тікелей байланысты екендігі белгілі болды.
Жарықтың кедергіден өтуінің жарқын мысалдарын табиғатта кездестіруге болады. Бұлттар күнді немесе айды жауып тұрған жағдайлар туралы. Күн сәулесі пайда болған кедергінің призмасы арқылы түзу сызықты қозғалысты жалғастыра алмайды. Нәтижесінде сәулелер шағылысып, шамның айналасында доға түзеді. Сонымен қатар, бұлттың құрылымына байланысты жарық жаңбыр тамшылары арқылы таралуы мүмкін. Бұл жағдайда сыну көрінісі түрлі-түсті жарқылмен ұсынылады.
Аспандағы кемпірқосақ немесе судағы май дақтары табиғи жағдайда кедергінің жарық толқынының сынуының мысалы болып табылады.
Егер сіз жалынның жалынына тұман терезе арқылы қарасаңыз, онда оттың әртүрлі бағытта табиғи емес қозғала бастағанын көре аласыз. Сонымен қатар, ол түрлі-түсті галонмен қоршалған, бұл кедергінің жеңіл сынуымен де түсіндіріледі.
Жарықтың тікелей бағыттан ауытқу саласы күнделікті өмірде өз қолданысын тапты. Бұған мысал-CD немесе DVD дискілеріндегі шағылысу. Бірінші көзқарас көрініс ескертеді радугу. Бірақ неғұрлым егжей-тегжейлі зерттегенде, бұл шағылыстың сипаттамасы өте күрделі құрылымға ие екендігі айқын болады. Дискіге жолдар бір-бірінен бірдей қашықтықта қолданылады. Бұл жарықтар жиынтығын жасайды. Оларға жарық түскен кезде дифракция жүреді. Ол пайда болу себебі жарық кемпірқосақ.
Дифракциялық тор-бұл көптеген жарықтар мен олардың арасындағы қашықтықтардың жиынтығы.
Тордағы сурет-бұл барлық жарықтардан бір уақытта пайда болған жарық толқындарының өзара әрекеттесуі. Физикада бұл процесс көп сәулелі кедергі деп аталады.
Жарық дифракциясының ең күрделі үлгісі несие карталарындағы голограмма болып саналады. Бұл дифракциялық тордың неғұрлым күрделі түрінің болуына байланысты. Голограмманың ортасында жарқын жарық сақинасы бар. Егер оған жарық түссе, сіз ай немесе күн түрінде шағылыса аласыз. Бұл жарық пен көлеңке ойынына байланысты: голограмманың жарығы пластиктен көлеңкеге түскен кезде белгілі бір жарық толқыны пайда болады.
Жарық дифракциясы оптикалық аспаптар: телескоп, микроскоп үшін ажыратымдылықты шектеуші болып саналады. Оның ішінде адам көзіне арналған.
Кедергілердің мөлшері жарықтың толқын ұзындығынан әлдеқайда үлкен болуы керек. Сонымен қатар, дөңгелек тесіктегі кедергінің жарық толқынының сынуы қарастырылады.
Мысал ретінде аспандағы 2 жұлдызды алайық. Жұлдызды Жарық оқушы арқылы көзге түседі. Осылайша, көздің торында Екі жұлдыз да 2 суретті құрайды. Олар екі орталық максимуммен ұсынылған. Егер жарық белгілі бір бұрышта түссе, онда жұлдыздар бір жұлдызға біріктіріледі.
Линзаның диаметрін өзгерту немесе толқын ұзындығын азайту арқылы ажыратымдылықты арттыруға немесе азайтуға болады.
Үлкейту принципі телескоптарда қолданылады, бұл қарастырылып отырған объектіні ыңғайлы өлшемдерге дейін азайтуға мүмкіндік береді. Линзаны азайту микроскоптар өндірісінде қолданылады. Бұл кішкентай элементті қарауға ыңғайлы өлшемдерге дейін арттыруға мүмкіндік береді.
1.2 Дифракцияның күнделікті мысалдары
Дифракцияның әсерін күнделікті өмірде оңай көруге болады. Дифракцияның ең жарқын мысалдары-жарықпен байланысты; мысалы, CD немесе DVD-дегі жақын орналасқан жолдар дифракциялық тор ретінде әрекет етеді, біз дискіге қараған кезде таныс кемпірқосақ үлгісін жасаймыз. Бұл принцип кез-келген қажетті дифракциялық суретті шығаратын құрылымы бар торды жобалауға қатысты болуы мүмкін; несие картасындағы голограмма мысал бола алады. Атмосферадағы Дифракция кішкентай бөлшектер күн немесе ай сияқты жарқын жарық көзінің айналасында жарқын сақина тудыруы мүмкін. Ықшам көзден алынған жарық көмегімен қатты заттың көлеңкесі оның шеттеріне жақын орналасқан кішкентай жолақтарды көрсетеді. Оптикалық өрескел бетке лазер сәулесінің түсуі кезінде байқалатын Спекл-сурет дифракциялық құбылыс болып табылады. Барлық осы әсерлер жарықтың толқынның салдары болып табылады.
Дифракция кез-келген толқын түрінде болуы мүмкін. Мұхит толқындары айлақтар мен басқа да кедергілерге айналады. Дыбыстық толқындар заттардың айналасында таралуы мүмкін, сондықтан біз ағаштың артында жасырсақ та, біреудің бізді шақырғанын естиміз. Дифракция кейбір техникалық қосымшаларда да қиындық тудыруы мүмкін; ол камераның, телескоптың немесе микроскоптың ажыратымдылығының негізгі шегін белгілейді.
Мұнда бірнеше мысалдар келтірілген:
Кемпірқосақ
Кемпірқосақ негізінен судың кішкентай тамшыларының ішінде сынған және шағылысқан толқындардың әсерінен пайда болады.
Олар екінші реттік жарық көздерінің өте үлкен жиынтығын құрайды, олардың толқындары жаңбыр жауғаннан кейін бізді таңдандыратын түрлі-түсті кемпірқосақ үлгісін қалыптастырады.
CD түстері
Ықшам дискіден немесе DVD-ден шағылысқан жарық сонымен қатар түрлі-түсті өрнектерді құрайды. Олар жолды құрайтын субмиллиметрлік ойықтармен шағылысқан жарықтың дифракция құбылысынан басталады.
Голограммалар
Несиелік карталар мен тауарлық заттарда жиі кездесетін Голограмма үш өлшемді кескінді құрайды.
Бұл сансыз баспа шағылыстыратын нүктелерден шығатын толқындардың қабаттасуымен байланысты. Бұл нүктелер кездейсоқ бөлінбейді, бірақ лазер сәулесімен жарықтандырылған, содан кейін фотографиялық табаққа ойылған бастапқы объектінің дифракциялық суретінен пайда болады.
Жарқыраған денелердің айналасындағы гало
Кейде күн немесе айдың айналасында сіз гало немесе сақиналарды көре аласыз.
Олар осы аспан денелерінен шыққан жарық атмосфераның жоғарғы қабаттарында пайда болатын сансыз бөлшектерде немесе кристалдарда шағылысады немесе шағылысады.
Олар өз кезегінде қайталама көздер ретінде әрекет етеді және олардың суперпозициясы аспан галосын құрайтын дифракциялық көріністі тудырады.
Сабын көпіршіктерінің түстері
Сабын көпіршіктері немесе кейбір жәндіктердің мөлдір қанаттары сияқты кейбір беттердің толып кетуі жарықтың дифракциясымен түсіндіріледі. Бұл беттерде байқалған жарықтың реңктері мен түстері бақылау бұрышына байланысты өзгереді.
Жұқа мөлдір қабаттарда шағылысқан фотондар конструктивті немесе деструктивті кедергі келтіретін жарық көздерінің үлкен жиынтығын құрайды.
Осылайша, олар әр түрлі толқын ұзындығына немесе жарық көзінен тұратын түстерге сәйкес келетін өрнектер жасайды.
Осылайша, белгілі бір жолдардан тек толқын ұзындығы байқалады: шағылысқан нүктелерден бақылаушының көзіне өтетін және толқын ұзындығында толық айырмашылық бар.
Бұл талапқа сәйкес келмейтін толқын ұзындығы алынып тасталады және байқалмайды.
1.3 Дифракция құбылысы
Толқындардың дифракциясы кедергілердің толқындарын айналып өтуден немесе толқындардың геометриялық көлеңке аймағына ауытқуынан тұрады, егер бұл кедергілердің сызықтық өлшемдері толқын ұзындығынан аз немесе аз болса. Толқындардың түрі маңызды емес: дифракция дыбыс үшін де, жарық үшін де, кез-келген басқа толқындық процестер үшін де байқалады.
Жарық толқындарының дифракциясын бақылау кедергілердің өлшемдері шамамен 10-6-10-7 м болған кезде ғана мүмкін болады (көрінетін жарық үшін). Саңылаудың өлшемдері толқын ұзындығымен рет-ретімен салыстырылған кезде, алшақтық екінші сфералық толқындардың көзіне айналады, оның кедергісі саңылаудың артындағы қарқындылықтың таралу көрінісін анықтайды. Атап айтқанда, жарық геометриялық қол жетімді емес аймаққа енеді. Осылайша, спектрдің көрінетін аймағында дифракцияны байқау оңай емес. Басқа диапазондағы электромагниттік толқындар үшін дифракция күнделікті, барлық жерде және барлық жерде байқалады, өйткені егер бұл құбылыс болмаса, мысалы, жабық жерлерде радио тыңдай алмас едік.
Жалпы қабылданған анықтамаға сәйкес, жарықтың дифракциясы, жарықтың мөлдір немесе мөлдір денелердің өткір жиектерінен тар тесіктер арқылы таралуы кезінде байқалатын құбылыстар. Бұл жағдайда жарықтың таралуының түзулігі бұзылады, яғни. геометриялық оптика заңдарынан ауытқу. Нәтижесінде, мөлдір емес экрандарды көлеңке шекарасында нүктелік жарық көзімен жарықтандыру кезінде жарықтың дифракциясы, онда геометриялық оптика заңдарына сәйкес көлеңкеден жарыққа секіру керек еді, бірқатар ашық және қараңғы дифракциялық жолақтар байқалады. Дифракция кез-келген толқындық қозғалысқа тән болғандықтан, 17 ғасырда жарық дифракциясының ашылуы.итальяндық физик және астроном Ф. Грималди және оның түсіндірмесі 19 ғасырдың басында. Жарықтың дифракциясы Гюйгенс-Френель принципін қолдануға негізделген. Қарапайым жағдайларды сапалы қарау үшін Жарық дифракциясы Француз аймақтарын құруды қолдана алады. Жарық нүктелік көзден мөлдір емес экрандағы кішкентай дөңгелек тесік арқылы немесе дөңгелек мөлдір емес экранның айналасында концентрлік шеңбер түрінде дифракциялық жолақтар байқалады. Егер тесік бірнеше аймақты ашық қалдырса, онда дифракциялық суреттің ортасында қараңғы дақ пайда болады, тақ аймақтар саны ашық болады. Көлеңкенің ортасында Френельдің көп емес аймақтарын жабатын дөңгелек экраннан жарық дақ пайда болады. Гюйгенс-Френель принципі дифракция құбылысын түсіндіруге және оны сандық есептеу әдістерін беруге мүмкіндік береді. Дифракцияның екі жағдайы бар. Егер дифракция жүретін кедергі жарық көзіне немесе бақыланатын экранға жақын болса, онда құлаған немесе дифракцияланған толқындардың алдыңғы жағы қисық сызықты бетке ие болады; бұл жағдай Френельдің дифракциясы немесе дивергентті сәулелердегі дифракция деп аталады, яғни B-тесіктің өлшемі, z-бақылау нүктесінің экраннан қашықтығы, l - толқын ұзындығы (Френельдің дифракциясы) және параллель сәулелердегі жарықтың дифракциясы, онда тесік Френельдің бір аймағынан әлдеқайда аз, яғни (Фраунхофердің дифракциясы). Соңғы жағдайда, жарықтың параллель сәулесі тесікке түскен кезде, Сәуле J ~ Lb (дифракцияның бөлінуі) дивергентті болады. Жазық толқындар жарық көзін және бақылау орнын дифракцияны тудыратын кедергіден алып тастау немесе линзалардың тиісті орналасуын қолдану арқылы алынады.
Геометриялық оптиканың жарықтың тік сызықты таралуы туралы идеялары тұрғысынан мөлдір емес кедергінің артындағы көлеңке шекарасы кедергіден өтіп, оның бетіне тиетін сәулелермен күрт анықталады. Демек, дифракция құбылысы геометриялық оптика тұрғысынан түсініксіз. Гюйгенстің толқындық теориясына сәйкес, толқын өрісінің әр нүктесін барлық бағытта, соның ішінде кедергінің геометриялық көлеңкесі аймағында таралатын қайталама толқындардың көзі ретінде қарастырады, белгілі бір көлеңке қалай пайда болатыны белгісіз. Алайда, тәжірибе бізді көлеңкенің бар екендігіне сендіреді, бірақ жарықтың тік сызықты таралу теориясы бойынша айқын емес, бұлыңғыр жиектермен. Сонымен қатар, бұлыңғыр аймақта интерференциялық максимумдар мен жарық минимумдары жүйесі байқалады
2 Жарық дифракциясын орта мектепте оқыту әдістемесі
2.1 Дифракция құбылысын зерттеудің дәстүрлі тәсілдерін ғылыми-әдістемелік зерттеулерге талдамалық шолу
Педагогикалық зерттеулерде физиканы оқытуға негізделген ғылыми дүниетанымның қалыптасуы физика "материя формалары туралы" ғылым деп тұжырымдайды... күрделі материалдық жүйелердің құрамына кіретін материя формаларының өзара әрекеттесуі туралы... . Демек, ол жаратылыстану тұрғысынан материя, өзара әрекеттесу, кеңістік пен уақыт, себептілік және заңдылық сияқты жалпы категорияларды қарастырады. Барлық осы категориялар дүниетанымдық сипатқа ие, сондықтан физика сабақтарында осы мәселелер бойынша физика ғылымының идеяларын ашып, біз студенттерде әлем туралы ғылыми түсінік қалыптастырамыз .
Әлемнің физикалық бейнесінің негізін құрайтын бірқатар іргелі физикалық идеялар бар - атомизм идеясы, корпускулалық-толқындық дуализм идеясы, салыстырмалылық идеясы және т.б. олардың дәлелі физика курсында ашылған жалпы дүниетанымдық идеяларды, мысалы, әлемнің материалдылығы, біздің біліміміздің объективтілігі және әлемнің танымы және т. б.
"Тербелістер мен толқындар" бөлімі физика курсының жарқын бөлімдерінің бірі болып табылады, ол студенттерге физиканың әртүрлі салаларында зерттелген материалдардың үйлесімі негізінде әлемнің физикалық бейнесі туралы түсінік қалыптастыруға мүмкіндік береді. Зерттеулерде, оқулықтарда орта мектеп физика курсында осы бөлімді зерттеудің маңыздылығы көрсетілген. Осыған байланысты механикалық, оптикалық және басқа құбылыстардың ерекшеліктерін зерттеумен қатар, осы құбылыстарға тән жалпы заңдылықтарды анықтау тұрғысынан осы құбылыстардың барлығын зерттеудің орындылығы туындайды. Тербелістер мен толқындар туралы ілім механика, электромагнетизм және оптика бөлімдерінде қарастырылған материалды қамтиды және осылайша жоғарыда сипатталған тәсілді жүзеге асыруға мүмкіндік беретін физиканың тән бөлімі болып табылады.
Оқу материалының мұндай бірлестігі ұғымдар мен терминдерге ұқсас құбылыстарды талдауға деген көзқарастың бірлігін көрсету қажеттілігінен туындайды. Мысалы, кедергі және дифракция ұғымдары әртүрлі физикалық табиғаттың толқындарына жатады.
Әр түрлі физикалық табиғаттың тербелістері мен толқындарын зерттеудің бірыңғай тәсілін қолдану келесі тезисті негіздейтін жұмыстарда көрінеді: механика мен молекулалық физиканы оқытуда басталған, табиғатпен байланысты немесе көріністерге ұқсас процестерді талдаудың және оларды жалпы физикалық идеялардан қарастырудың әдістемелік желісін жалғастырудың бірыңғай тәсілі оқушылардың жалпы физикалық идеяларға келу дағдыларын дамытуға ықпал етеді кең жалпылау, білімді құбылыстардың бір саласынан басқаларына беру.
Физиканың осы бөлімін орта мектепте оқытудың жеке тәжірибесі және осы мәселені зерттеуге арналған әдістемелік зерттеулер көп жағдайда оқушылар формальды, таяз және жарық табиғатының дуализмін толық түсінбейтіндігін көрсетеді. Студенттер Жарық табиғатының жаңа дуализмінің кул Ярно-Воло корпусының мағынасын түсінуі үшін олар белгілі бір материал негізінде табиғи ортаның мүмкіндігін нақты көрсетуі керекжәне бір объектідегі немесе қарама-қарсы сипаттамалардың немесе көріністердің құбылысындағы табиғи комбинация.Мұндай материал "тербелістер мен толқындар" бөлімі бола алады, оны зерттеу болашақта оқушының санасында дискреттілік пен сабақтастықтың, мысалы, электрондар ағынының немесе жарық сәулесінің бірлігі бейнесін қалыптастырудың алғышарты бола алады. Сондықтан мектепте "электромагниттік тербелістер мен толқындар" бөлімінде физикалық оптиканы оқып, толқындық және кванттық көріністерге сүйене отырып, студенттердің іргелі физикалық ұғымдар мен теорияларды игеруіне негізделген әлемнің физикалық бейнесі туралы идеяларды неғұрлым нақты және дұрыс қалыптастыруға болады.
Оқу процесінде студенттер жиынтықты емес, білім жүйесін алуы керек. Шығармаларда білім жүйесі жеке ұғымдар, модельдер немесе заңдар емес, тек теория беретіні көрсетілген. Сондықтан, бірқатар зерттеулерде жеке фактілер емес, ассимиляцияланатын тұтас объект ретінде таңдалуы керек деген тезис алға тартылып, негізделеді .құбылысты дұрыс және толық сипаттайтын ұғымдар мен заңдар жиынтығы емес, ғылыми теория. Алайда, тәжірибе көрсеткендей, студенттерде әр теорияның немесе Заңның қолданылу шектері бар, жаңа теория ескісін қабылдамайтын, бірақ оны шекті жағдай ретінде қамтитын білімнің болмауы студенттерге белгілі бір " қиындықтар туғызады: неге, мысалы, кейбір жағдайларда олар жарықтың таралуының түзулігінен туындайды, ал басқалары оның дифракциясын ескеруі керек пе? Методист ғалымдардың еңбектерінде мұндай мәселелердің жиынтығы мектеп оқушыларына ғылыми білім процесі және әлемнің біртұтас бейнесі туралы түсінік қалыптастыруды қиындатады.
2.2 Дифракция құбылысын зерделеу кезінде натуралық және есептеуіш эксперименттерді қолдана отырып сабақтарды ұйымдастыру әдістемесі
Қазіргі уақытта мектепте білімді игеру процесінде оқушылардың Тәуелсіздік деңгейін біртіндеп арттыру идеясына негізделген оқу физикалық экспериментінің қалыптасқан жүйесі бар. Физика ғылымының эксперименттік сипатын көрсету мектеп курсында эксперименттің әртүрлі түрлерін-демонстрациялық эксперименттерді, бейнефильмдерді (аудиовизуалды Модульдер), фронтальды зертханалық жұмыстарды, эксперименттік тапсырмаларды және т.б. кеңінен қолдану арқылы жүзеге асырылады. Физикалық эксперимент барысында оқушылардың дағдылары мен дағдыларын қалыптастыру бірнеше бағытта жүргізілуі мүмкін. Ең алдымен, студенттер физикалық құбылыс немесе процесс туралы теориялық деңгейде түсінік алады. Бұл студенттерге зерттелетін физикалық құбылыстың негізін құрайтын физиканың негізгі заңдылықтары, оның басқа құбылыстармен немесе процестермен байланысы туралы түсінік қалыптастыруға, сондай-ақ қарастырылып отырған құбылыстардың әлемнің физикалық бейнесіндегі орнын және оны практикалық мақсаттарға қолдануға мүмкіндік береді. Екінші кезеңде студенттер физикалық құбылыстың сандық сипаттамасымен, модельдерді құру принциптерімен, объектілерді идеализациялаумен танысады.
Физикалық жүйенің мінез-құлқын сипаттайтын параметрлерді енгізу жүйеге әртүрлі физикалық әсерлердің сандық және сапалық деңгейде әсерін бағалауға мүмкіндік береді. Мұндай қарастыру жүйенің мінез-құлқын параметрлердің кең диапазонында бақылауға, тіпті стандартты емес жағдайларда оның дамуын "болжауға" мүмкіндік береді. Үшінші кезеңде эксперимент көмегімен физикалық жүйені зерттеу жүргізіледі. Мұнда эксперименттік деректерді жинау және өңдеу жолдарын талдау және іздеу, сондай-ақ зерттелетін жүйеге әсер ету механизмдерін қарастыру орын алады. Қорытынды кезең нәтижелерді талдауды, олардың қолданылатын модельге сәйкестігін, зерттеудің толықтығы мен толықтығын анықтауды қамтиды. Жоғарыда аталған барлық кезеңдер студенттерде қолданылатын құбылыс немесе процесс, оның физика курсындағы орны, оны зерттеу жолдары мен әдістері туралы тұтас және толық түсінік қалыптастыруға бағытталған. Немцев А.А. оқу физикалық экспериментіне тән екі компонентті ажыратады:
1.Физикалық құбылысты жаңғырту;
2. Бұл құбылысты зерттеу үшін оңтайлы жағдай жасау.
Оқу экспериментінің екінші бөлігінің сәтті жүзеге асырылуы , автордың пікірінше, оның бірінші бөлігімен анықталады, және тұтастай алғанда олар оқу экспериментін жасауы керек сенсорлық-визуалды бейнені құрайды. Егер көбею кезінде физикалық құбылыс тиісті түрде көрінбесе, онда оны зерттеуді оңтайландыратын әдістердің ауқымы күрт тарылып, қажетті сенсорлық және визуалды бейнені тиімді қалыптастыруға мүмкіндік бермейді. Мектептегі физикалық эксперименттің көмегімен белгілі бір физикалық құбылысты жетілдіру негізінде (оқытудың көрнекі және практикалық әдістері тұрғысынан) осы құбылыстың көбею кезеңін қарастыру қажет.В.В.Лаптевтің докторлық диссертациясында заманауи электронды технологияны қолдану үшін ашылған кең сала ұсынылған. Автор көбею кезеңінде де, физикалық құбылыстарды зерттеуге жағдай жасау кезінде де туындайтын тәжірибелік қиындықтарды жоюдың бірыңғай тәсілін ұсынды. Табиғи эксперимент жүргізу қиын немесе мүмкін болмаған жағдайда (әртүрлі себептерге байланысты) жұмыс авторы есептеу экспериментін жүргізу үшін оқу компьютерлік модельдерін қолдануды ұсынады. Оқушылар зерттелетін жүйе туралы неғұрлым толық түсінік алу үшін, С.А. Феофановтың пікірінше, есептеу эксперименті бірқатар негізгі талаптарды қанағаттандыруы керек:
1. Зерттелетін жүйені сипаттау үшін қолданылатын компьютерлік модель оның элементтері арасындағы ең маңызды аналитикалық қатынастарды қамтуы керек. Бұл жағдайда қолданылатын математикалық аппараттың күрделілігі кедергі емес, өйткені теңдеулерді шешуге және формулаларды есептеуге арналған барлық функциялар бұл жағдайда компьютерге жүктеледі.
2. Жүйеде тән байланыстарды анықтау үшін компьютерлік модель жүйенің параметрлерін бір-біріне тәуелсіз өзгертуге және жүйенің мінез-құлқын сапалық және сандық деңгейде зерттеуге мүмкіндік беруі керек.
3. Есептеу эксперименті кезінде студенттер жүйенің параметрлерін ғана емес, сонымен қатар компьютерлік модельге өзгерістер енгізе алуы керек. Бұл оқушыға жүйеде сапалы заңдылықтардың мәнін тереңірек түсінуге және сонымен бірге модельдеу нәтижелері мен эксперименттік мәліметтерге сәйкес келетін компьютерлік модельді оңтайландыруға мүмкіндік береді.
4. Алынған нәтижелерді неғұрлым нақты және нақты түсіну үшін компьютерлік модель оларды әр түрлі түрде ұсынуы керек, сонымен қатар табиғи экспериментте алынған мәліметтерді өңдеуге және жүйенің мінез-құлқын экстраполяциялау мен интерполяциялауға, зерттелетін модельді сипаттайтын эмпирикалық параметрлерді анықтауға мүмкіндік беруі керек. Есептеу экспериментін ұйымдастыруда осы әдістерді қолдану физиканы оқытуда сапалы әдістердің мүмкіндіктерін едәуір кеңейтуге, физикалық құбылыстарды сипаттау әдістерінен оларды зерттеуге баса назар аударуға мүмкіндік береді, бұл зерттелетін жүйенің физикалық мәнін толық ашуға әкеледі. Екінші жағынан, компьютерлік модель студенттерді сандық нәтижелерді алу кезінде ұзақ және шаршататын есептеулерден құтқарады, алынған үлгілерді графиканы, анимацияны, дыбыстық сүйемелдеуді қолдана отырып, оқушыға ыңғайлы түрде береді. Мұның бәрі оқу процесін, оқытудың әдіснамалық принциптерін неғұрлым толық іске асыруға, қарапайым мектеп экспериментін нақты ғылыми зерттеуге жақындатуға мүмкіндік береді.
2.3 Дифракция есептерін шешу әдістері
Дифракция есептерін шешкен кезде, көп жағдайда қатаң шешім алу керек, яғни.бастапқы есептерді қамтитын формулаларды нақты түрде ұсыну мүмкін емес. Тек кейбір жағдайларда (мысалы, доптағы дифракция, шексіз цилиндр) мәселенің қатаң шешімін алуға болады және өрісті ыдырау коэффициенттері объектінің бетіндегі шекаралық жағдайлардан тікелей анықталатын қатарлармен ұсынуға болады.
Жоғары жиілікті радиотехника үшін, оның ішінде радиолокация үшін де қызықты, дифракциялық тапсырмалар күрделі геометриялық пішіндегі объектілермен байланысты.
Мұндай есептерді шешу үшін электродинамика мен проекциялық әдістердің интегралдық теңдеулерін қолдана отырып, әмбебап жуық сандық әдістер бар және дамиды .Осы әдістердің негізінде компьютерлер (соның ішінде дербес компьютерлер) көмегімен күрделі дифракциялық есептерді шешу үшін алгоритмдер мен бағдарламалар құруға болады.
Дифракциялық есептердің жуық шешімін табу кезінде, әдетте, объектінің сипаттамалық мөлшерінің а (мысалы, оның ұзындығы немесе периметрі) толқын ұзындығына 𝜆 (немесе кері мәнге 𝜆а) қатынасын алуға болатын кейбір кіші параметр қолданылады.
Бұл жағдайда шешімнің үш саласы бөлінеді :
1.Квазистационарлық аймақ (ұзын толқындық жуықтау). Бұл жағдайда мәселенің кіші параметрі а𝜆1(𝜆--infinity) және толқындық cан k=2PIλ--0. Гельмгольц толқындық теңдеуі статикалық (стационарлық ) өрістерді сипаттайтын Лаплас теңдеуіне айналады.
2.Резонанстық аймақ (параметр a𝜆≈1) зерттеу үшін ең қиын. Шешу үшін қатаң әдістер қолданылады (меншікті функциялар әдісі, Интегралдық теңдеулер әдісі).
3.Квазиоптикалық облысы (қысқатолқындық жақындату). Бұл жағдайда есептің кіші параметрі 𝜆a1 (𝜆--0).
Бұл аймақта 𝜆а неғұрлым аз болса , геометриялық оптика дәл нәтиже береді. Алайда, толқынның алдыңғы жағы мен объектінің беті жергілікті тегіс болуы керек.
Квази-оптикалық шешім әдістері екі топқа бөлінеді :
1.Асимптотикалық әдістер. Олар 𝜆--0 ұмтылу кезінде нақты шешімдерді зерттеуге негізделген.
2.Кейбір физикалық идеяларды тарта отырып, эвристикалық (интуитивті) әдістер. Бұған мыналар жатады :
А) сәулелік әдістер - геометриялық оптика және оны нақтылау.
Б) толқындық әдістер-физикалық оптика (Кирхгофтың жақындауы) және оны нақтылау.
Электромагниттік толқындардың дифракциясының мәселесін қатаң түрде шешу кезінде ол әдетте дифференциалдық теңдеуге (Гельмгольц теңдеуіне) немесе интегралдық (жалпы жағдайда интегро-дифференциалдық) теңдеулерге дейін азаяды. Олардың нақты шешімді қарапайым жағдайларда ғана табуға болады. Дәл шешудің іргелі математикалық әдісі айнымалыларды бөлу және дифференциалдық (интегралдық) теңдеуді құрудан тұрады. Бөлу арқылы ресми шешім толқындық теңдеудегі айнымалыларды координаталар жүйесін қолдану арқылы бөлуге болатын бірнеше ерекше жағдайларда ғана мүмкін болады, олардың координаталық жазықтықтарының бірі дененің бетімен сәйкес келеді. Бұл жағдайларға цилиндр, сфера, сфероид, тор сияқты геометриялық пішіндер және жартылай сүйек, конустық бет, параболоид және т. б. сияқты жартылай шексіз беттер жатады. Мұндай объектілердің дисперсиялық қасиеттерін талдау ішінара назар аударуға тұрарлық, өйткені негізгі геометриялық пішіндердің денелеріндегі дифракцияны зерттеу электромагниттік өрістің күрделі конфигурациялардағы объектілермен әрекеттесу процесін тереңірек түсінуге мүмкіндік береді, сонымен қатар көптеген негізгі геометриялық пішіндер-бұл кейбір нақты кедергілерге өте жақын жақындау.
Нақты әдістерді қолдануды қарастырыңыз. Шексіз керемет өткізгіш дөңгелек цилиндрдегі электромагниттік толқынның дифракциясының мәселесін талдайық. хОy жазықтығындағы есептің геометриясы 1-суретте көрсетілген. Цилиндрдің осі Oz осіне сәйкес келеді, Еi құлаған толқынның электр өрісінің векторы осы оське параллель орналасқан.Ei кернеу векторы оське перпендикуляр болған кезде ортогональды поляризация жағдайын осы жағдайда оське параллель болатын Hi векторына ауыстыру арқылы Максвелл теңдеулерінің қосарлану принципіне сүйене отырып қарастыруға болады. Цилиндрдің радиусы-а.
y
y
Hi
x
i
1 -сурет
Дифракциялық есептерді шешудің сипатталған әдісі сонымен қатар дене бетінің іргелес сынықтарының өзара әсерін ескеруге мүмкіндік береді. Мұны істеу үшін дененің беті бойымен таралатын токтың біркелкі емес бөлігіне сәйкес келетін жиек толқыны көрші қабырғаға жетіп, қайталама жиек толқындарын қоздыратын дифракцияны бастан кешіреді деп болжау керек. Соңғысы, өз кезегінде, жаңа жиек толқындарын тудырады және т. б.
Шекті толқындар әдісінің негізінде бірқатар маңызды мәселелердің шешімдері табылды. Сандық есептеулер көрсеткендей, алынған нәтижелер қатаң шешімдердің нәтижелеріне (оларды алуға болатын кезде) және тәжірибелік мәліметтерге қанағаттанарлық түрде сәйкес келеді.
Күрделі конфигурациядағы денелердегі дифракция есептерін шешудің тағы бір тиімді әдісі-дифракцияның геометриялық теориясы. Б. Келлер ұсынған бұл әдіс геометриялық оптиканы дамыту және жалпылау болып табылады. Оны пайдаланудың негізгі шектеуі-объектінің өлшемімен салыстырғанда толқын ұзындығының аздығы. Геометриялық оптика сияқты, ГТД электромагниттік энергия сәулелер бойымен таралады деген болжамға негізделген, алайда геометриялық оптикадан айырмашылығы, оған дифракциялық сәулелер деп аталатын құлаған, шағылысқан және сынған сәулелерден басқа енгізіледі. Өте жақсы өткізгіш денелер болған жағдайда, дифракциялық сәулелер сәуле қарастырылып отырған дененің бетінің шетіне немесе өткір шыңына түскен кезде пайда болады, сондай-ақ егер құлаған сәуле тангенске тегіс иілген бетке сәйкес келсе.
Егер оқиға сәулесі дененің шетіне түссе, онда дифракциялық сәулелер жүйесі пайда болады, мысалы, дөңгелек конустың бетін дифракция нүктесі деп аталатын жиекпен құлаған сәуленің қиылысу нүктесінде шыңымен құрайды (сурет. 2а).Бұл жағдайда конустың осі жиекке тангенске сәйкес келеді, ал конустың ашылу бұрышы( 2 бүтін) оқиға сәулесі мен осы тангенс арасындағы екі еселенген бұрышқа тең.Оқиға сәулесі дененің шетіне тангенске перпендикуляр болған жағдайда (сурет. 2Б),конустық бет дифракция нүктесінде қабырғаға перпендикуляр жазықтыққа айналады.
а) б)
2-сурет
Егер құлаған сәуле шашыраңқы дененің өткір шыңына түссе, онда дифракциялық сәулелер нүктелік көз сияқты барлық бағытта бөлінеді (сурет. 3а). Егер құлаған сәуле тангенске тегіс иілген бетке сәйкес келсе (сурет. 3Б), содан кейін жанасу нүктесінде (оны дифракция нүктесі деп те атайды) ол екі сәулеге бөлінеді, олардың бірі оқиғаның жалғасы, ал екіншісі дененің бетіне геодезиялық сызық бойымен сырғып, "беттік" сәуле түзеді. Әр нүктеде одан түзу сызықты дифракциялық сәуле бөлінеді, ол бөлу нүктесінде беткі сәуленің тангенсімен сәйкес келеді.
а) б)
3-сурет
2.4 Жарық дифракциясы құбылысын зерттеуде сабақтарды ұйымдастыру әдістемесі
Оқушылар механикалық толқындардың дифракция құбылысымен танысқаннан кейін жарық дифракциясының құбылысын зерттеуге көшуге болады. Бұл мәселені сабақта қарастыруды мәселені шешуден бастау керек: егер жарық толқындар болса (және жарықтың кедергісі мұны растайды), онда жарықтың дифракциясы да байқалуы керек. Әңгіме барысында студенттер дифракция құбылысын байқауға болатын жағдайларды еске түсіреді. Бұл жағдайлар оларға механикалық толқындардың дифракциясындағы тәжірибелерден таныс. Содан кейін мұғалімнің Жарық дифракциясының ашылу тарихы туралы әңгімесінен кейін мұғалім лазер көзінен жарықтың дифракциясымен сипатталған толық экспериментті бір саңылауға қоя алады. Экранда пайда болған дифракцияның суретін қарастыра отырып, студенттер Жарық біркелкі бөлінбейді және тұтастай алғанда дифракциялық сурет пайда болады деген қорытындыға келеді: ортасында максималды жарығы бар жарық жолағы, бүйірлерінде Жарық нөлге тең болатын минимумдармен бөлінген екінші салыстырмалы түрде әлсіз максимумдар бар. Алайда, жоғарыда айтылғандай, студенттерге табиғи экспериментте дифракциялық суреттің өзгеруін бақылау өте қиын, өйткені жарық энергиясының негізгі бөлігі Орталық максимумға шоғырланған, ал көзге жоғары ретті максимумдар нашар ажыратылады. Сондықтан мұғалім кіріспе натуралық экспериментті қою кезеңін айналып өте алады (УАҚЫТ резервін ұлғайту үшін), оқушыларға "Дифракция"мультимедиялық бағдарламалық пакетінің құрамына кіретін оқу компьютерлік моделін зерттеуге көшуді ұсынады. Бұл жағдайда студенттердің қызметі оқу есептеу эксперименті түрінде ұйымдастырылады.
1 кезең: бір саңылаудағы дифракция құбылысын зерттеу. Кіріспе нұсқаманың соңында оқушылар алдында алдағы есептеу экспериментінің міндеттері қойылады:
-Фраунгофер дифракциясының бір саңылауда көрінуін суреттейтін бейнефильмнің фрагментін (аудиовизуалды модуль) қарау;
-қарау барысында бір саңылаудағы Жарық дифракциясының негізгі заңдылықтарын анықтау (жарықтың максимумдары мен минимумдарының орналасуы, олардағы Жарық қарқындылығының таралуы және т. б.);
- компьютерлік модельдің параметрлерін басқара отырып, Фраунхофердің бір саңылаудағы дифракция құбылысын зерттеңіз және bsin p = kA минимумдарының орындалуын тексеріңіз;
-зерттеу нәтижелерін кестеге енгізіңіз: тәжірибе № толқын ұзындығы.! саңылаудың ені, мкм дифракциялық кескіндеменің жалпы көрінісі-есептеу экспериментінің көмегімен алынған дифракциялық суреттерді 130 бейнеде және табиғи экспериментте ұсынылған дифракциялық суреттермен салыстыру (егер бұл орындалса) және қорытынды жасау; Есептеу экспериментінің бірінші кезеңінің мәселелерін шешу студенттерге оның бір немесе бірнеше кіріс параметрлеріне - жарықшақтың еніне, жарық толқынының ұзындығына әсер еткен кезде компьютерлік оқу моделімен болатын өзгерістерді бақылауды жүзеге асыруды, сондай-ақ алынған нәтижелерді салыстыруды, мысалы, бейне үзіндіде немесе табиғи экспериментте ұсынылған нәтижелермен салыстыруды қамтиды. Оқушыларға зерттелетін модельдің бастапқы параметрлерінің мәндерін таңдауда толық еркіндік беріледі. Осылайша, дараланған (TM) тапсырмалардың максималды дәрежесіне қол жеткізіледі, шығармашылық қабілеттерін көрсету үшін қызмет саласы кеңейеді.
2 кезең: "Дифракциялық торды зерттеу"зертханалық жұмысы. Бұл зертханалық жұмысты лазерді қолдана отырып, табиғи эксперимент жасаудан бастаған жөн. Бұл жағдайда байқауға және өлшеуге ыңғайлы айқын дифракциялық суреттер алынады. Торды пайдалану арқылы алынған дифракциялық суреттің табиғаты төрт параметрге байланысты: жарықтың толқын ұзындығы, жарықтардың ені, жарықтар арасындағы қашықтық және жарықтар саны. Әрине, табиғи экспериментте дифракциялық суреттің барлық осы параметрлерге тәуелділігін зерттеу көп уақытты ғана емес, сонымен қатар қиын, дифракциялық торлардың көп мөлшерін жасауды қажет етеді. Бұл жағдайда есептеу эксперименті қуатты зерттеу құралына айналады. Оқушылардың компьютерге тікелей жүгінуіне дейін олар алдағы есептеу экспериментінің міндеттерімен танысады:
1.Фраунгофер дифракциясының бірнеше саңылаулардағы көрінісін суреттейтін бейнефильмнің фрагментін қарау;
2. қарау барысында бірнеше саңылаулардағы Жарық дифракциясының негізгі заңдылықтарын анықтау (жарықтың максимумдары мен минимумдарының орналасуы, олардағы Жарық қарқындылығының таралуы және т.б.);
3. компьютерлік модельдің параметрлерін басқара отырып, екі саңылаудан тұратын тордағы Фраунгофердің дифракциясына зерттеу жүргізу; жағдайларды қарастыру: a) жарықтың өзгермейтін толқын ұзындығымен саңылаулардың өлшемдері мен олардың арасындағы қашықтықты азайту (ұлғайту) кезінде дифракциялық көрініс қалай сапалы өзгереді; b) жарықтың толқын ұзындығының азаюы (ұлғаюы) кезінде саңылаулардың өзгермеген мөлшері және олардың арасындағы қашықтық кезінде дифракциялық көрініс қалай сапалы өзгереді;
4. 3, 4 және 8 саңылаулардан тұратын дифракциялық тормен ұқсас зерттеулер жүргізу; алынған деректерді бейнефильмде ұсынылған ұқсас эксперименттердің нәтижелерімен салыстыру, қорытынды жасау;
5. дифракциялық суреттегі қосымша максимумдар мен минимумдардың саны саңылаулар санының ұлғаюымен қалай өзгеретінін зерттеу;
6.бір бос орын үшін қарқындылықты бөлу кестесін N бос орын үшін қарқындылықты бөлу кестесімен салыстырыңыз және негізгі максимумдағы қарқындылық қалай өзгеретінін анықтаңыз;
7. дифракциялық тор үшін максимумдар шарттарының орындалуын тексеру; d торының кезеңінен және N саңылауларының санынан берілген л толқын ұзындығы кезінде бас дифракциялық максимумдардың жағдайы туралы қорытынды жасау;
8. эксперимент нәтижелерін кестеге енгізіңіз: тәжірибе № саңылаулар саны период торлар арасындағы дифракциялық қашықтық толқын ұзындығы дифракциялық суреттің жалпы көрінісі компьютерлік модельдеудің маңызды артықшылықтары суретте көрінеді. 23 екі саңылаудан дифракциялық сурет (b = 20мкм, а -- 20МШ, Я - 7500А) және жарықтың таралу қисығы дифракциялық суреттің сипаты мен жүйенің параметрлеріне тәуелділігін зерттеу. Мұндай вариация дифракциялық суреттің квази-тұрақты түрде өзгеруіне мүмкіндік береді, бұл іс жүзінде мүмкін емес. Жоғарыда сипатталған схема бойынша жүргізілген зертханалық жұмыс ғылыми зерттеудің барлық кезеңдерін көрсетеді:
Есептеу экспериментінің екінші кезеңі-алдыңғы кезеңнің одан әрі дамуы. Оны өткізу барысында оқушылар шаблон бойынша жұмыс істеуге емес, "еркін іздеу" жүргізуге, зерттеу жүргізу сипатын өз бетінше анықтауға мүмкіндік алады. Студенттердің өз іс-әрекеті барысында қалыптасқан зерттеу стратегиясы ұсынылған тест блогындағы мәселелерді шешу түрінде одан әрі жалғасады. Тапсырмалар тізімінен оқушы күрделілігі бойынша қанағаттандыратын кез келген нөмірді таңдай алады (1-ден 3 баллға дейін). Бірдей коттедждер қайталанбайды. Тестілеу аяқталғаннан кейін компьютер баға қояды. Оқушы алған тестілеу нәтижелері мен бағасы сақталады және мұғалім сабақ аяқталғаннан кейін оларды қарап, журналға қоя алады.
3 кезең: табиғат пен техникадағы жарықтың дифракциясы. Әдістемелік тұрғыдан алғанда, зерттелетін құбылысты практикалық қолдану мәселесі маңызды. Оптикалық құрылғылар үшін Жарық дифракциясы үлкен маңызға ие. Оптикалық құрылғы (телескоп, микроскоп және т.б.) жасаған Жарық нүктесінің бейнесі оптикалық жүйелер арқылы алынған үлкейту мүмкіндігін шектейтін кіріс тесігіндегі дифракция нәтижесін білдіретіні белгілі. Сондықтан, жоғарыда айтылғандай, дөңгелек тесіктен Фраунхофердің дифракциясы маңызды практикалық мәнге ие, өйткені. оптикалық жүйелерде линзалар мен линзалардың жақтаулары, сондай-ақ диафрагмалар дөңгелек пішінді болады. Дифракцияның оптикалық жүйелердің (телескоптың, микроскоптың) шешілу қабілетіне әсерін зерттеу мақсатында лазерді пайдалана отырып, нақты эксперимент жүргізіледі. Экранда пайда болған дифракцияның суреті жарықтың толқындық табиғатын сенімді түрде анықтап, оқушыларға геометриялық оптика заңдарының бұзылуын көрсетуі керек. Алайда, іс жүзінде дифракциялық сурет экранда өте кішкентай (шамамен бірнеше миллиметр) және екіншісінен бастап екінші максимумдар аз жарыққа байланысты көзге көрінбейді. Сондай-ақ, лазерді қолдана отырып, натуралық экспериментті қою кезінде жарықтың толқын ұзындығын азайту (ұлғайту) кезінде дифракциялық суреттің өзгеруін көрсету мүмкін емес. Бұл жағдайда оқу ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Жарық дифракциясы және оны орта мектепте оқытудың әдістемесі
КУРСТЫҚ ЖҰМЫС
БББ:6В01505 Физика-информатика
Орындаған: Жакипова Н.Е.
Тексерген: Имангалиева Б.С.
Орал 2022 жыл
МАЗМҰНЫ
КІРІСПЕ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..3
1 Жарық дифракциясы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .5
1.1 Дифракция құбылысының сипаттамасы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .5
1.2 Дифракцияның күнделікті мысалдары ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ..7
1.3 Дифракция құбылысы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .9
2 Жарық дифракциясын орта мектепте оқыту әдістемесі ... ... ... ... ... ... . ... ... 11
2.1 Дифракция құбылысын зерттеудің дәстүрлі тәсілдерін ғылыми әдістемелік зерттеулерге талдамалық шолу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 11
2.2 Дифракция құбылысын зерделеу кезінде эксперименттерді қолдана отырып сабақтарды ұйымдастыру әдістемесі ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... 13
2.3 Дифракция есептерін шешу әдістері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..1 5
2.4 Жарық дифракциясы құбылысын зерттеуде сабақтарды ұйымдастыру әдістемесі ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .19
3 Дифракция құбылысын зерттеуде технологияларды қолдану ... ... ... ... ... ...23
3.1 Дифракция құбылысын зерттеуде ДК қолдану ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 23
3.2 Дифракция құбылысын зерттеуде аудиовизуалды технологияларды қолдану мүмкіндіктері ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .30
ҚОРЫТЫНДЫ ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...37
ПАЙДАЛАНҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 38
КІРІСПЕ
"Тербелістер мен толқындар" бөлімі физика курсының жарқын бөлімдерінің бірі болып табылады, ол студенттерге физиканың әртүрлі салаларында зерттелген материалдардың үйлесімі негізінде әлемнің физикалық бейнесі туралы түсінік қалыптастыруға мүмкіндік береді. Механикалық, оптикалық және кванттық құбылыстардың сипаттамаларын зерттеуді осы құбылыстарға тән жалпы заңдылықтарды анықтау тұрғысынан жүргізген жөн. Әр түрлі физикалық табиғаттың тербелістері мен толқындарын зерттеу кезінде ұғымдар мен терминдерге ұқсас құбылыстарды талдауға деген көзқарастың біртұтастығын көрсету қажет, бұл оқушылардың кең жалпылау жасау және білімді құбылыстардың бір саласынан басқаларына беру қабілетін дамытуға ықпал етеді.
Дифракция құбылыстарын зерттеудің мақсаты:
* білімділік
"дифракция" толқындық құбылысын зерттеу, оның жарыққа тән екендігіне сендіру; студенттерді дифракциялық тордың көмегімен жарық толқынының ұзындығын өлшеу әдістерінің бірімен таныстыру;
* дамытушылық
дифракциялық суретті сапалы және сандық сипаттау дағдыларын дамыту, негізгі материалды бөлу дағдылары, осы материалды ұсыну; ақыл-ойды дамыту, фактілерді салыстыру және жалпылау дағдылары;
* тәрбиелік
қызықты ақпаратты қолдана отырып, физиканы оқуға деген ынтаны дамыту; қарым-қатынас дағдыларын дамыту; сыныптастарын тыңдай білу.
Дифракция құбылыстарын зерттеудің маңыздылығы оқушының санасында дискреттілік пен үздіксіздік бірлігінің бейнесін қалыптастыру қажеттілігімен анықталады.
Орта мектеп физикасы курсында дифракция құбылысын зерттеудің міндеттері:
* жарықтың тік сызықты таралуы (геометриялық оптика) заңдарының қолданылу шекарасын анықтау;
* болашақта студенттерде электромагниттік сәулеленудің, зат пен материяның корпускулярлық-толқындық дуализмі туралы нақты түсінік қалыптастыру үшін жарықтың толқындық қасиеттерінің бар екендігінің дәлелі.
11-сынып физика мектебінде жарық дифракциясын зерттеу "егер жарық толқындар болса (және жарық интерференциясы мұны растайды), онда жарық дифракциясы да байқалуы керек" деген тұжырымнан басталады. Оқушыларға механикалық және электромагниттік толқындардың дифракциясын қарастыру кезінде білгендерін еске салады. Сондықтан, осы тақырыпты түсіндірудің бастапқы кезеңінде механикалық толқындарға ұқсастық жасаған жөн, өйткені бұл жағдайда студенттер осы құбылыстың пайда болуы мен даму жағдайларын динамикада көрнекі түрде көрсете алады
Біріншіден, олар негізгі шартты еске түсіреді, оны орындау кезінде толқындардың дифракциясын байқауға болады (кедергілердің өлшемдері толқын ұзындығына сәйкес келуі керек). Содан кейін жарық дифракциясының ашылу тарихы туралы қысқаша әңгімеден кейін жарық дифракциясын саңылау мен жұқа сымнан байқауға болады. Бұдан әрі, егер толқын (толқын ұзындығы λ) тесік арқылы өтсе немесе бақылаушы l қашықтыққа алып тастаған кедергіні (саңылаудың ені, кедергі өлшемдері D) айналып өтсе, онда дифракция кедергінің өлшемдері толқын ұзындығына ұқсас болған жағдайда ғана емес, сонымен қатар жалпы жағдайда - кедергінің шаршы өлшеміндегі мөлшері де байқалады кедергіге дейінгі қашықтықтың толқын ұзындығына көбейтіндісінен аз немесе оған тең.
Дәл осы жағдай оптикаға тән, онда дифракцияны тудыратын заттардың мөлшері жарық толқынының ұзындығынан мың және миллиондаған есе көп, ал дифракциялық суретті байқау үшін бақылау орнын тесіктен (немесе кедергіден) алыс орналастыру керек. Жаңа білімді қолдану кезеңінде жаңа тақырыпты тереңірек түсіну үшін студенттерге Жарық дифракциясы бойынша демонстрация көрсеткен жөн. Бұл жұмыста мұндай демонстрацияның мысалы ретінде "тұмандағы жарықтың дифракциясы"эксперименті қолданылады. Ол дайындау үшін көп уақытты және кез-келген қосымша жабдықты қажет етпейді. Ал студенттер үшін бұл өте жарқын және есте қаларлық. Экспериментті талдау кезінде студенттер жаңа материалды түсінеді және оны шоғырландырады.
1 Жарық дифракциясы.
1.1 Дифракция құбылысының сипаттамасы
Жарықтың дифракциясы-толқындар таралған кезде геометриялық оптика заңдарынан ауытқу ретінде көрінетін құбылыс. Бұл әмбебап толқындық құбылыс және әртүрлі табиғаттың толқындық өрістерін бақылау кезінде бірдей заңдармен сипатталады.
Бастапқыда бұл кедергінің жарық толқынының сынуы болды. Алайда, бүгінде бұл түсінік ішінара деп саналады. Жарық толқынының қозғалысын неғұрлым егжей-тегжейлі зерттей отырып, дифракция гетерогенді ортада жарықтың таралуының әртүрлі формаларын білдіре бастады. Бұл кедергінің айналуы да, толқынның сынуы да болуы мүмкін. Сонымен қатар, жарық біртіндеп нүктеден нүктеге ауыса алады. Бұл дифракциямен емес, геометриялық оптикамен байланысты қисық сызықты толқын сәулесін құрайды.
Осылайша, толқындық теорияда дифракция геометриялық оптика нормаларынан кез-келген ауытқуды білдіреді. Процестің мәні-геометриялық көлеңкеге кірген кезде жарық кедергіні айналып өтеді.
Дифракцияның пайда болуының негізгі шарты-кедергі мен жарықтың бастапқы көзі.
Кедергінің ұзындығы толқын ұзындығынан аспауы керек. Әйтпесе, толқын жай таралады немесе тек жақын жерде байқалады. Дифракцияның тұрақты көрінісін байқау үшін толқындар әртүрлі көздерден болуы керек. Бұған қол жеткізу қиын емес: бір жарық көзі және бірнеше кедергілер жеткілікті. Толқын кедергіге тиген кезде ол жаңа жарық көзіне айналады. Түрлі кедергілерден жарық толқындарының өзара әрекеттесуі нәтижесінде тұрақты дифракциялық суретті алуға болады.
Осылайша, дифракцияның пайда болуы үшін жарық толқынының ұзындығы кедергінің ұзындығына сәйкес келуі керек. Егер кедергінің мөлшері толқын ұзындығынан үлкен болса, онда көлеңке пайда болады, өйткені толқындар оған енбейді. Егер кедергінің мөлшері тым кішкентай болса, онда жарық онымен өзара әрекеттеспейді. Кедергінің ашылуы неғұрлым аз болса, жарық толқыны соғұрлым тез жан-жаққа бөлінеді.
Дифракциялық сурет кедергінің геометриялық ерекшеліктерімен тікелей байланысты екендігі белгілі болды.
Жарықтың кедергіден өтуінің жарқын мысалдарын табиғатта кездестіруге болады. Бұлттар күнді немесе айды жауып тұрған жағдайлар туралы. Күн сәулесі пайда болған кедергінің призмасы арқылы түзу сызықты қозғалысты жалғастыра алмайды. Нәтижесінде сәулелер шағылысып, шамның айналасында доға түзеді. Сонымен қатар, бұлттың құрылымына байланысты жарық жаңбыр тамшылары арқылы таралуы мүмкін. Бұл жағдайда сыну көрінісі түрлі-түсті жарқылмен ұсынылады.
Аспандағы кемпірқосақ немесе судағы май дақтары табиғи жағдайда кедергінің жарық толқынының сынуының мысалы болып табылады.
Егер сіз жалынның жалынына тұман терезе арқылы қарасаңыз, онда оттың әртүрлі бағытта табиғи емес қозғала бастағанын көре аласыз. Сонымен қатар, ол түрлі-түсті галонмен қоршалған, бұл кедергінің жеңіл сынуымен де түсіндіріледі.
Жарықтың тікелей бағыттан ауытқу саласы күнделікті өмірде өз қолданысын тапты. Бұған мысал-CD немесе DVD дискілеріндегі шағылысу. Бірінші көзқарас көрініс ескертеді радугу. Бірақ неғұрлым егжей-тегжейлі зерттегенде, бұл шағылыстың сипаттамасы өте күрделі құрылымға ие екендігі айқын болады. Дискіге жолдар бір-бірінен бірдей қашықтықта қолданылады. Бұл жарықтар жиынтығын жасайды. Оларға жарық түскен кезде дифракция жүреді. Ол пайда болу себебі жарық кемпірқосақ.
Дифракциялық тор-бұл көптеген жарықтар мен олардың арасындағы қашықтықтардың жиынтығы.
Тордағы сурет-бұл барлық жарықтардан бір уақытта пайда болған жарық толқындарының өзара әрекеттесуі. Физикада бұл процесс көп сәулелі кедергі деп аталады.
Жарық дифракциясының ең күрделі үлгісі несие карталарындағы голограмма болып саналады. Бұл дифракциялық тордың неғұрлым күрделі түрінің болуына байланысты. Голограмманың ортасында жарқын жарық сақинасы бар. Егер оған жарық түссе, сіз ай немесе күн түрінде шағылыса аласыз. Бұл жарық пен көлеңке ойынына байланысты: голограмманың жарығы пластиктен көлеңкеге түскен кезде белгілі бір жарық толқыны пайда болады.
Жарық дифракциясы оптикалық аспаптар: телескоп, микроскоп үшін ажыратымдылықты шектеуші болып саналады. Оның ішінде адам көзіне арналған.
Кедергілердің мөлшері жарықтың толқын ұзындығынан әлдеқайда үлкен болуы керек. Сонымен қатар, дөңгелек тесіктегі кедергінің жарық толқынының сынуы қарастырылады.
Мысал ретінде аспандағы 2 жұлдызды алайық. Жұлдызды Жарық оқушы арқылы көзге түседі. Осылайша, көздің торында Екі жұлдыз да 2 суретті құрайды. Олар екі орталық максимуммен ұсынылған. Егер жарық белгілі бір бұрышта түссе, онда жұлдыздар бір жұлдызға біріктіріледі.
Линзаның диаметрін өзгерту немесе толқын ұзындығын азайту арқылы ажыратымдылықты арттыруға немесе азайтуға болады.
Үлкейту принципі телескоптарда қолданылады, бұл қарастырылып отырған объектіні ыңғайлы өлшемдерге дейін азайтуға мүмкіндік береді. Линзаны азайту микроскоптар өндірісінде қолданылады. Бұл кішкентай элементті қарауға ыңғайлы өлшемдерге дейін арттыруға мүмкіндік береді.
1.2 Дифракцияның күнделікті мысалдары
Дифракцияның әсерін күнделікті өмірде оңай көруге болады. Дифракцияның ең жарқын мысалдары-жарықпен байланысты; мысалы, CD немесе DVD-дегі жақын орналасқан жолдар дифракциялық тор ретінде әрекет етеді, біз дискіге қараған кезде таныс кемпірқосақ үлгісін жасаймыз. Бұл принцип кез-келген қажетті дифракциялық суретті шығаратын құрылымы бар торды жобалауға қатысты болуы мүмкін; несие картасындағы голограмма мысал бола алады. Атмосферадағы Дифракция кішкентай бөлшектер күн немесе ай сияқты жарқын жарық көзінің айналасында жарқын сақина тудыруы мүмкін. Ықшам көзден алынған жарық көмегімен қатты заттың көлеңкесі оның шеттеріне жақын орналасқан кішкентай жолақтарды көрсетеді. Оптикалық өрескел бетке лазер сәулесінің түсуі кезінде байқалатын Спекл-сурет дифракциялық құбылыс болып табылады. Барлық осы әсерлер жарықтың толқынның салдары болып табылады.
Дифракция кез-келген толқын түрінде болуы мүмкін. Мұхит толқындары айлақтар мен басқа да кедергілерге айналады. Дыбыстық толқындар заттардың айналасында таралуы мүмкін, сондықтан біз ағаштың артында жасырсақ та, біреудің бізді шақырғанын естиміз. Дифракция кейбір техникалық қосымшаларда да қиындық тудыруы мүмкін; ол камераның, телескоптың немесе микроскоптың ажыратымдылығының негізгі шегін белгілейді.
Мұнда бірнеше мысалдар келтірілген:
Кемпірқосақ
Кемпірқосақ негізінен судың кішкентай тамшыларының ішінде сынған және шағылысқан толқындардың әсерінен пайда болады.
Олар екінші реттік жарық көздерінің өте үлкен жиынтығын құрайды, олардың толқындары жаңбыр жауғаннан кейін бізді таңдандыратын түрлі-түсті кемпірқосақ үлгісін қалыптастырады.
CD түстері
Ықшам дискіден немесе DVD-ден шағылысқан жарық сонымен қатар түрлі-түсті өрнектерді құрайды. Олар жолды құрайтын субмиллиметрлік ойықтармен шағылысқан жарықтың дифракция құбылысынан басталады.
Голограммалар
Несиелік карталар мен тауарлық заттарда жиі кездесетін Голограмма үш өлшемді кескінді құрайды.
Бұл сансыз баспа шағылыстыратын нүктелерден шығатын толқындардың қабаттасуымен байланысты. Бұл нүктелер кездейсоқ бөлінбейді, бірақ лазер сәулесімен жарықтандырылған, содан кейін фотографиялық табаққа ойылған бастапқы объектінің дифракциялық суретінен пайда болады.
Жарқыраған денелердің айналасындағы гало
Кейде күн немесе айдың айналасында сіз гало немесе сақиналарды көре аласыз.
Олар осы аспан денелерінен шыққан жарық атмосфераның жоғарғы қабаттарында пайда болатын сансыз бөлшектерде немесе кристалдарда шағылысады немесе шағылысады.
Олар өз кезегінде қайталама көздер ретінде әрекет етеді және олардың суперпозициясы аспан галосын құрайтын дифракциялық көріністі тудырады.
Сабын көпіршіктерінің түстері
Сабын көпіршіктері немесе кейбір жәндіктердің мөлдір қанаттары сияқты кейбір беттердің толып кетуі жарықтың дифракциясымен түсіндіріледі. Бұл беттерде байқалған жарықтың реңктері мен түстері бақылау бұрышына байланысты өзгереді.
Жұқа мөлдір қабаттарда шағылысқан фотондар конструктивті немесе деструктивті кедергі келтіретін жарық көздерінің үлкен жиынтығын құрайды.
Осылайша, олар әр түрлі толқын ұзындығына немесе жарық көзінен тұратын түстерге сәйкес келетін өрнектер жасайды.
Осылайша, белгілі бір жолдардан тек толқын ұзындығы байқалады: шағылысқан нүктелерден бақылаушының көзіне өтетін және толқын ұзындығында толық айырмашылық бар.
Бұл талапқа сәйкес келмейтін толқын ұзындығы алынып тасталады және байқалмайды.
1.3 Дифракция құбылысы
Толқындардың дифракциясы кедергілердің толқындарын айналып өтуден немесе толқындардың геометриялық көлеңке аймағына ауытқуынан тұрады, егер бұл кедергілердің сызықтық өлшемдері толқын ұзындығынан аз немесе аз болса. Толқындардың түрі маңызды емес: дифракция дыбыс үшін де, жарық үшін де, кез-келген басқа толқындық процестер үшін де байқалады.
Жарық толқындарының дифракциясын бақылау кедергілердің өлшемдері шамамен 10-6-10-7 м болған кезде ғана мүмкін болады (көрінетін жарық үшін). Саңылаудың өлшемдері толқын ұзындығымен рет-ретімен салыстырылған кезде, алшақтық екінші сфералық толқындардың көзіне айналады, оның кедергісі саңылаудың артындағы қарқындылықтың таралу көрінісін анықтайды. Атап айтқанда, жарық геометриялық қол жетімді емес аймаққа енеді. Осылайша, спектрдің көрінетін аймағында дифракцияны байқау оңай емес. Басқа диапазондағы электромагниттік толқындар үшін дифракция күнделікті, барлық жерде және барлық жерде байқалады, өйткені егер бұл құбылыс болмаса, мысалы, жабық жерлерде радио тыңдай алмас едік.
Жалпы қабылданған анықтамаға сәйкес, жарықтың дифракциясы, жарықтың мөлдір немесе мөлдір денелердің өткір жиектерінен тар тесіктер арқылы таралуы кезінде байқалатын құбылыстар. Бұл жағдайда жарықтың таралуының түзулігі бұзылады, яғни. геометриялық оптика заңдарынан ауытқу. Нәтижесінде, мөлдір емес экрандарды көлеңке шекарасында нүктелік жарық көзімен жарықтандыру кезінде жарықтың дифракциясы, онда геометриялық оптика заңдарына сәйкес көлеңкеден жарыққа секіру керек еді, бірқатар ашық және қараңғы дифракциялық жолақтар байқалады. Дифракция кез-келген толқындық қозғалысқа тән болғандықтан, 17 ғасырда жарық дифракциясының ашылуы.итальяндық физик және астроном Ф. Грималди және оның түсіндірмесі 19 ғасырдың басында. Жарықтың дифракциясы Гюйгенс-Френель принципін қолдануға негізделген. Қарапайым жағдайларды сапалы қарау үшін Жарық дифракциясы Француз аймақтарын құруды қолдана алады. Жарық нүктелік көзден мөлдір емес экрандағы кішкентай дөңгелек тесік арқылы немесе дөңгелек мөлдір емес экранның айналасында концентрлік шеңбер түрінде дифракциялық жолақтар байқалады. Егер тесік бірнеше аймақты ашық қалдырса, онда дифракциялық суреттің ортасында қараңғы дақ пайда болады, тақ аймақтар саны ашық болады. Көлеңкенің ортасында Френельдің көп емес аймақтарын жабатын дөңгелек экраннан жарық дақ пайда болады. Гюйгенс-Френель принципі дифракция құбылысын түсіндіруге және оны сандық есептеу әдістерін беруге мүмкіндік береді. Дифракцияның екі жағдайы бар. Егер дифракция жүретін кедергі жарық көзіне немесе бақыланатын экранға жақын болса, онда құлаған немесе дифракцияланған толқындардың алдыңғы жағы қисық сызықты бетке ие болады; бұл жағдай Френельдің дифракциясы немесе дивергентті сәулелердегі дифракция деп аталады, яғни B-тесіктің өлшемі, z-бақылау нүктесінің экраннан қашықтығы, l - толқын ұзындығы (Френельдің дифракциясы) және параллель сәулелердегі жарықтың дифракциясы, онда тесік Френельдің бір аймағынан әлдеқайда аз, яғни (Фраунхофердің дифракциясы). Соңғы жағдайда, жарықтың параллель сәулесі тесікке түскен кезде, Сәуле J ~ Lb (дифракцияның бөлінуі) дивергентті болады. Жазық толқындар жарық көзін және бақылау орнын дифракцияны тудыратын кедергіден алып тастау немесе линзалардың тиісті орналасуын қолдану арқылы алынады.
Геометриялық оптиканың жарықтың тік сызықты таралуы туралы идеялары тұрғысынан мөлдір емес кедергінің артындағы көлеңке шекарасы кедергіден өтіп, оның бетіне тиетін сәулелермен күрт анықталады. Демек, дифракция құбылысы геометриялық оптика тұрғысынан түсініксіз. Гюйгенстің толқындық теориясына сәйкес, толқын өрісінің әр нүктесін барлық бағытта, соның ішінде кедергінің геометриялық көлеңкесі аймағында таралатын қайталама толқындардың көзі ретінде қарастырады, белгілі бір көлеңке қалай пайда болатыны белгісіз. Алайда, тәжірибе бізді көлеңкенің бар екендігіне сендіреді, бірақ жарықтың тік сызықты таралу теориясы бойынша айқын емес, бұлыңғыр жиектермен. Сонымен қатар, бұлыңғыр аймақта интерференциялық максимумдар мен жарық минимумдары жүйесі байқалады
2 Жарық дифракциясын орта мектепте оқыту әдістемесі
2.1 Дифракция құбылысын зерттеудің дәстүрлі тәсілдерін ғылыми-әдістемелік зерттеулерге талдамалық шолу
Педагогикалық зерттеулерде физиканы оқытуға негізделген ғылыми дүниетанымның қалыптасуы физика "материя формалары туралы" ғылым деп тұжырымдайды... күрделі материалдық жүйелердің құрамына кіретін материя формаларының өзара әрекеттесуі туралы... . Демек, ол жаратылыстану тұрғысынан материя, өзара әрекеттесу, кеңістік пен уақыт, себептілік және заңдылық сияқты жалпы категорияларды қарастырады. Барлық осы категориялар дүниетанымдық сипатқа ие, сондықтан физика сабақтарында осы мәселелер бойынша физика ғылымының идеяларын ашып, біз студенттерде әлем туралы ғылыми түсінік қалыптастырамыз .
Әлемнің физикалық бейнесінің негізін құрайтын бірқатар іргелі физикалық идеялар бар - атомизм идеясы, корпускулалық-толқындық дуализм идеясы, салыстырмалылық идеясы және т.б. олардың дәлелі физика курсында ашылған жалпы дүниетанымдық идеяларды, мысалы, әлемнің материалдылығы, біздің біліміміздің объективтілігі және әлемнің танымы және т. б.
"Тербелістер мен толқындар" бөлімі физика курсының жарқын бөлімдерінің бірі болып табылады, ол студенттерге физиканың әртүрлі салаларында зерттелген материалдардың үйлесімі негізінде әлемнің физикалық бейнесі туралы түсінік қалыптастыруға мүмкіндік береді. Зерттеулерде, оқулықтарда орта мектеп физика курсында осы бөлімді зерттеудің маңыздылығы көрсетілген. Осыған байланысты механикалық, оптикалық және басқа құбылыстардың ерекшеліктерін зерттеумен қатар, осы құбылыстарға тән жалпы заңдылықтарды анықтау тұрғысынан осы құбылыстардың барлығын зерттеудің орындылығы туындайды. Тербелістер мен толқындар туралы ілім механика, электромагнетизм және оптика бөлімдерінде қарастырылған материалды қамтиды және осылайша жоғарыда сипатталған тәсілді жүзеге асыруға мүмкіндік беретін физиканың тән бөлімі болып табылады.
Оқу материалының мұндай бірлестігі ұғымдар мен терминдерге ұқсас құбылыстарды талдауға деген көзқарастың бірлігін көрсету қажеттілігінен туындайды. Мысалы, кедергі және дифракция ұғымдары әртүрлі физикалық табиғаттың толқындарына жатады.
Әр түрлі физикалық табиғаттың тербелістері мен толқындарын зерттеудің бірыңғай тәсілін қолдану келесі тезисті негіздейтін жұмыстарда көрінеді: механика мен молекулалық физиканы оқытуда басталған, табиғатпен байланысты немесе көріністерге ұқсас процестерді талдаудың және оларды жалпы физикалық идеялардан қарастырудың әдістемелік желісін жалғастырудың бірыңғай тәсілі оқушылардың жалпы физикалық идеяларға келу дағдыларын дамытуға ықпал етеді кең жалпылау, білімді құбылыстардың бір саласынан басқаларына беру.
Физиканың осы бөлімін орта мектепте оқытудың жеке тәжірибесі және осы мәселені зерттеуге арналған әдістемелік зерттеулер көп жағдайда оқушылар формальды, таяз және жарық табиғатының дуализмін толық түсінбейтіндігін көрсетеді. Студенттер Жарық табиғатының жаңа дуализмінің кул Ярно-Воло корпусының мағынасын түсінуі үшін олар белгілі бір материал негізінде табиғи ортаның мүмкіндігін нақты көрсетуі керекжәне бір объектідегі немесе қарама-қарсы сипаттамалардың немесе көріністердің құбылысындағы табиғи комбинация.Мұндай материал "тербелістер мен толқындар" бөлімі бола алады, оны зерттеу болашақта оқушының санасында дискреттілік пен сабақтастықтың, мысалы, электрондар ағынының немесе жарық сәулесінің бірлігі бейнесін қалыптастырудың алғышарты бола алады. Сондықтан мектепте "электромагниттік тербелістер мен толқындар" бөлімінде физикалық оптиканы оқып, толқындық және кванттық көріністерге сүйене отырып, студенттердің іргелі физикалық ұғымдар мен теорияларды игеруіне негізделген әлемнің физикалық бейнесі туралы идеяларды неғұрлым нақты және дұрыс қалыптастыруға болады.
Оқу процесінде студенттер жиынтықты емес, білім жүйесін алуы керек. Шығармаларда білім жүйесі жеке ұғымдар, модельдер немесе заңдар емес, тек теория беретіні көрсетілген. Сондықтан, бірқатар зерттеулерде жеке фактілер емес, ассимиляцияланатын тұтас объект ретінде таңдалуы керек деген тезис алға тартылып, негізделеді .құбылысты дұрыс және толық сипаттайтын ұғымдар мен заңдар жиынтығы емес, ғылыми теория. Алайда, тәжірибе көрсеткендей, студенттерде әр теорияның немесе Заңның қолданылу шектері бар, жаңа теория ескісін қабылдамайтын, бірақ оны шекті жағдай ретінде қамтитын білімнің болмауы студенттерге белгілі бір " қиындықтар туғызады: неге, мысалы, кейбір жағдайларда олар жарықтың таралуының түзулігінен туындайды, ал басқалары оның дифракциясын ескеруі керек пе? Методист ғалымдардың еңбектерінде мұндай мәселелердің жиынтығы мектеп оқушыларына ғылыми білім процесі және әлемнің біртұтас бейнесі туралы түсінік қалыптастыруды қиындатады.
2.2 Дифракция құбылысын зерделеу кезінде натуралық және есептеуіш эксперименттерді қолдана отырып сабақтарды ұйымдастыру әдістемесі
Қазіргі уақытта мектепте білімді игеру процесінде оқушылардың Тәуелсіздік деңгейін біртіндеп арттыру идеясына негізделген оқу физикалық экспериментінің қалыптасқан жүйесі бар. Физика ғылымының эксперименттік сипатын көрсету мектеп курсында эксперименттің әртүрлі түрлерін-демонстрациялық эксперименттерді, бейнефильмдерді (аудиовизуалды Модульдер), фронтальды зертханалық жұмыстарды, эксперименттік тапсырмаларды және т.б. кеңінен қолдану арқылы жүзеге асырылады. Физикалық эксперимент барысында оқушылардың дағдылары мен дағдыларын қалыптастыру бірнеше бағытта жүргізілуі мүмкін. Ең алдымен, студенттер физикалық құбылыс немесе процесс туралы теориялық деңгейде түсінік алады. Бұл студенттерге зерттелетін физикалық құбылыстың негізін құрайтын физиканың негізгі заңдылықтары, оның басқа құбылыстармен немесе процестермен байланысы туралы түсінік қалыптастыруға, сондай-ақ қарастырылып отырған құбылыстардың әлемнің физикалық бейнесіндегі орнын және оны практикалық мақсаттарға қолдануға мүмкіндік береді. Екінші кезеңде студенттер физикалық құбылыстың сандық сипаттамасымен, модельдерді құру принциптерімен, объектілерді идеализациялаумен танысады.
Физикалық жүйенің мінез-құлқын сипаттайтын параметрлерді енгізу жүйеге әртүрлі физикалық әсерлердің сандық және сапалық деңгейде әсерін бағалауға мүмкіндік береді. Мұндай қарастыру жүйенің мінез-құлқын параметрлердің кең диапазонында бақылауға, тіпті стандартты емес жағдайларда оның дамуын "болжауға" мүмкіндік береді. Үшінші кезеңде эксперимент көмегімен физикалық жүйені зерттеу жүргізіледі. Мұнда эксперименттік деректерді жинау және өңдеу жолдарын талдау және іздеу, сондай-ақ зерттелетін жүйеге әсер ету механизмдерін қарастыру орын алады. Қорытынды кезең нәтижелерді талдауды, олардың қолданылатын модельге сәйкестігін, зерттеудің толықтығы мен толықтығын анықтауды қамтиды. Жоғарыда аталған барлық кезеңдер студенттерде қолданылатын құбылыс немесе процесс, оның физика курсындағы орны, оны зерттеу жолдары мен әдістері туралы тұтас және толық түсінік қалыптастыруға бағытталған. Немцев А.А. оқу физикалық экспериментіне тән екі компонентті ажыратады:
1.Физикалық құбылысты жаңғырту;
2. Бұл құбылысты зерттеу үшін оңтайлы жағдай жасау.
Оқу экспериментінің екінші бөлігінің сәтті жүзеге асырылуы , автордың пікірінше, оның бірінші бөлігімен анықталады, және тұтастай алғанда олар оқу экспериментін жасауы керек сенсорлық-визуалды бейнені құрайды. Егер көбею кезінде физикалық құбылыс тиісті түрде көрінбесе, онда оны зерттеуді оңтайландыратын әдістердің ауқымы күрт тарылып, қажетті сенсорлық және визуалды бейнені тиімді қалыптастыруға мүмкіндік бермейді. Мектептегі физикалық эксперименттің көмегімен белгілі бір физикалық құбылысты жетілдіру негізінде (оқытудың көрнекі және практикалық әдістері тұрғысынан) осы құбылыстың көбею кезеңін қарастыру қажет.В.В.Лаптевтің докторлық диссертациясында заманауи электронды технологияны қолдану үшін ашылған кең сала ұсынылған. Автор көбею кезеңінде де, физикалық құбылыстарды зерттеуге жағдай жасау кезінде де туындайтын тәжірибелік қиындықтарды жоюдың бірыңғай тәсілін ұсынды. Табиғи эксперимент жүргізу қиын немесе мүмкін болмаған жағдайда (әртүрлі себептерге байланысты) жұмыс авторы есептеу экспериментін жүргізу үшін оқу компьютерлік модельдерін қолдануды ұсынады. Оқушылар зерттелетін жүйе туралы неғұрлым толық түсінік алу үшін, С.А. Феофановтың пікірінше, есептеу эксперименті бірқатар негізгі талаптарды қанағаттандыруы керек:
1. Зерттелетін жүйені сипаттау үшін қолданылатын компьютерлік модель оның элементтері арасындағы ең маңызды аналитикалық қатынастарды қамтуы керек. Бұл жағдайда қолданылатын математикалық аппараттың күрделілігі кедергі емес, өйткені теңдеулерді шешуге және формулаларды есептеуге арналған барлық функциялар бұл жағдайда компьютерге жүктеледі.
2. Жүйеде тән байланыстарды анықтау үшін компьютерлік модель жүйенің параметрлерін бір-біріне тәуелсіз өзгертуге және жүйенің мінез-құлқын сапалық және сандық деңгейде зерттеуге мүмкіндік беруі керек.
3. Есептеу эксперименті кезінде студенттер жүйенің параметрлерін ғана емес, сонымен қатар компьютерлік модельге өзгерістер енгізе алуы керек. Бұл оқушыға жүйеде сапалы заңдылықтардың мәнін тереңірек түсінуге және сонымен бірге модельдеу нәтижелері мен эксперименттік мәліметтерге сәйкес келетін компьютерлік модельді оңтайландыруға мүмкіндік береді.
4. Алынған нәтижелерді неғұрлым нақты және нақты түсіну үшін компьютерлік модель оларды әр түрлі түрде ұсынуы керек, сонымен қатар табиғи экспериментте алынған мәліметтерді өңдеуге және жүйенің мінез-құлқын экстраполяциялау мен интерполяциялауға, зерттелетін модельді сипаттайтын эмпирикалық параметрлерді анықтауға мүмкіндік беруі керек. Есептеу экспериментін ұйымдастыруда осы әдістерді қолдану физиканы оқытуда сапалы әдістердің мүмкіндіктерін едәуір кеңейтуге, физикалық құбылыстарды сипаттау әдістерінен оларды зерттеуге баса назар аударуға мүмкіндік береді, бұл зерттелетін жүйенің физикалық мәнін толық ашуға әкеледі. Екінші жағынан, компьютерлік модель студенттерді сандық нәтижелерді алу кезінде ұзақ және шаршататын есептеулерден құтқарады, алынған үлгілерді графиканы, анимацияны, дыбыстық сүйемелдеуді қолдана отырып, оқушыға ыңғайлы түрде береді. Мұның бәрі оқу процесін, оқытудың әдіснамалық принциптерін неғұрлым толық іске асыруға, қарапайым мектеп экспериментін нақты ғылыми зерттеуге жақындатуға мүмкіндік береді.
2.3 Дифракция есептерін шешу әдістері
Дифракция есептерін шешкен кезде, көп жағдайда қатаң шешім алу керек, яғни.бастапқы есептерді қамтитын формулаларды нақты түрде ұсыну мүмкін емес. Тек кейбір жағдайларда (мысалы, доптағы дифракция, шексіз цилиндр) мәселенің қатаң шешімін алуға болады және өрісті ыдырау коэффициенттері объектінің бетіндегі шекаралық жағдайлардан тікелей анықталатын қатарлармен ұсынуға болады.
Жоғары жиілікті радиотехника үшін, оның ішінде радиолокация үшін де қызықты, дифракциялық тапсырмалар күрделі геометриялық пішіндегі объектілермен байланысты.
Мұндай есептерді шешу үшін электродинамика мен проекциялық әдістердің интегралдық теңдеулерін қолдана отырып, әмбебап жуық сандық әдістер бар және дамиды .Осы әдістердің негізінде компьютерлер (соның ішінде дербес компьютерлер) көмегімен күрделі дифракциялық есептерді шешу үшін алгоритмдер мен бағдарламалар құруға болады.
Дифракциялық есептердің жуық шешімін табу кезінде, әдетте, объектінің сипаттамалық мөлшерінің а (мысалы, оның ұзындығы немесе периметрі) толқын ұзындығына 𝜆 (немесе кері мәнге 𝜆а) қатынасын алуға болатын кейбір кіші параметр қолданылады.
Бұл жағдайда шешімнің үш саласы бөлінеді :
1.Квазистационарлық аймақ (ұзын толқындық жуықтау). Бұл жағдайда мәселенің кіші параметрі а𝜆1(𝜆--infinity) және толқындық cан k=2PIλ--0. Гельмгольц толқындық теңдеуі статикалық (стационарлық ) өрістерді сипаттайтын Лаплас теңдеуіне айналады.
2.Резонанстық аймақ (параметр a𝜆≈1) зерттеу үшін ең қиын. Шешу үшін қатаң әдістер қолданылады (меншікті функциялар әдісі, Интегралдық теңдеулер әдісі).
3.Квазиоптикалық облысы (қысқатолқындық жақындату). Бұл жағдайда есептің кіші параметрі 𝜆a1 (𝜆--0).
Бұл аймақта 𝜆а неғұрлым аз болса , геометриялық оптика дәл нәтиже береді. Алайда, толқынның алдыңғы жағы мен объектінің беті жергілікті тегіс болуы керек.
Квази-оптикалық шешім әдістері екі топқа бөлінеді :
1.Асимптотикалық әдістер. Олар 𝜆--0 ұмтылу кезінде нақты шешімдерді зерттеуге негізделген.
2.Кейбір физикалық идеяларды тарта отырып, эвристикалық (интуитивті) әдістер. Бұған мыналар жатады :
А) сәулелік әдістер - геометриялық оптика және оны нақтылау.
Б) толқындық әдістер-физикалық оптика (Кирхгофтың жақындауы) және оны нақтылау.
Электромагниттік толқындардың дифракциясының мәселесін қатаң түрде шешу кезінде ол әдетте дифференциалдық теңдеуге (Гельмгольц теңдеуіне) немесе интегралдық (жалпы жағдайда интегро-дифференциалдық) теңдеулерге дейін азаяды. Олардың нақты шешімді қарапайым жағдайларда ғана табуға болады. Дәл шешудің іргелі математикалық әдісі айнымалыларды бөлу және дифференциалдық (интегралдық) теңдеуді құрудан тұрады. Бөлу арқылы ресми шешім толқындық теңдеудегі айнымалыларды координаталар жүйесін қолдану арқылы бөлуге болатын бірнеше ерекше жағдайларда ғана мүмкін болады, олардың координаталық жазықтықтарының бірі дененің бетімен сәйкес келеді. Бұл жағдайларға цилиндр, сфера, сфероид, тор сияқты геометриялық пішіндер және жартылай сүйек, конустық бет, параболоид және т. б. сияқты жартылай шексіз беттер жатады. Мұндай объектілердің дисперсиялық қасиеттерін талдау ішінара назар аударуға тұрарлық, өйткені негізгі геометриялық пішіндердің денелеріндегі дифракцияны зерттеу электромагниттік өрістің күрделі конфигурациялардағы объектілермен әрекеттесу процесін тереңірек түсінуге мүмкіндік береді, сонымен қатар көптеген негізгі геометриялық пішіндер-бұл кейбір нақты кедергілерге өте жақын жақындау.
Нақты әдістерді қолдануды қарастырыңыз. Шексіз керемет өткізгіш дөңгелек цилиндрдегі электромагниттік толқынның дифракциясының мәселесін талдайық. хОy жазықтығындағы есептің геометриясы 1-суретте көрсетілген. Цилиндрдің осі Oz осіне сәйкес келеді, Еi құлаған толқынның электр өрісінің векторы осы оське параллель орналасқан.Ei кернеу векторы оське перпендикуляр болған кезде ортогональды поляризация жағдайын осы жағдайда оське параллель болатын Hi векторына ауыстыру арқылы Максвелл теңдеулерінің қосарлану принципіне сүйене отырып қарастыруға болады. Цилиндрдің радиусы-а.
y
y
Hi
x
i
1 -сурет
Дифракциялық есептерді шешудің сипатталған әдісі сонымен қатар дене бетінің іргелес сынықтарының өзара әсерін ескеруге мүмкіндік береді. Мұны істеу үшін дененің беті бойымен таралатын токтың біркелкі емес бөлігіне сәйкес келетін жиек толқыны көрші қабырғаға жетіп, қайталама жиек толқындарын қоздыратын дифракцияны бастан кешіреді деп болжау керек. Соңғысы, өз кезегінде, жаңа жиек толқындарын тудырады және т. б.
Шекті толқындар әдісінің негізінде бірқатар маңызды мәселелердің шешімдері табылды. Сандық есептеулер көрсеткендей, алынған нәтижелер қатаң шешімдердің нәтижелеріне (оларды алуға болатын кезде) және тәжірибелік мәліметтерге қанағаттанарлық түрде сәйкес келеді.
Күрделі конфигурациядағы денелердегі дифракция есептерін шешудің тағы бір тиімді әдісі-дифракцияның геометриялық теориясы. Б. Келлер ұсынған бұл әдіс геометриялық оптиканы дамыту және жалпылау болып табылады. Оны пайдаланудың негізгі шектеуі-объектінің өлшемімен салыстырғанда толқын ұзындығының аздығы. Геометриялық оптика сияқты, ГТД электромагниттік энергия сәулелер бойымен таралады деген болжамға негізделген, алайда геометриялық оптикадан айырмашылығы, оған дифракциялық сәулелер деп аталатын құлаған, шағылысқан және сынған сәулелерден басқа енгізіледі. Өте жақсы өткізгіш денелер болған жағдайда, дифракциялық сәулелер сәуле қарастырылып отырған дененің бетінің шетіне немесе өткір шыңына түскен кезде пайда болады, сондай-ақ егер құлаған сәуле тангенске тегіс иілген бетке сәйкес келсе.
Егер оқиға сәулесі дененің шетіне түссе, онда дифракциялық сәулелер жүйесі пайда болады, мысалы, дөңгелек конустың бетін дифракция нүктесі деп аталатын жиекпен құлаған сәуленің қиылысу нүктесінде шыңымен құрайды (сурет. 2а).Бұл жағдайда конустың осі жиекке тангенске сәйкес келеді, ал конустың ашылу бұрышы( 2 бүтін) оқиға сәулесі мен осы тангенс арасындағы екі еселенген бұрышқа тең.Оқиға сәулесі дененің шетіне тангенске перпендикуляр болған жағдайда (сурет. 2Б),конустық бет дифракция нүктесінде қабырғаға перпендикуляр жазықтыққа айналады.
а) б)
2-сурет
Егер құлаған сәуле шашыраңқы дененің өткір шыңына түссе, онда дифракциялық сәулелер нүктелік көз сияқты барлық бағытта бөлінеді (сурет. 3а). Егер құлаған сәуле тангенске тегіс иілген бетке сәйкес келсе (сурет. 3Б), содан кейін жанасу нүктесінде (оны дифракция нүктесі деп те атайды) ол екі сәулеге бөлінеді, олардың бірі оқиғаның жалғасы, ал екіншісі дененің бетіне геодезиялық сызық бойымен сырғып, "беттік" сәуле түзеді. Әр нүктеде одан түзу сызықты дифракциялық сәуле бөлінеді, ол бөлу нүктесінде беткі сәуленің тангенсімен сәйкес келеді.
а) б)
3-сурет
2.4 Жарық дифракциясы құбылысын зерттеуде сабақтарды ұйымдастыру әдістемесі
Оқушылар механикалық толқындардың дифракция құбылысымен танысқаннан кейін жарық дифракциясының құбылысын зерттеуге көшуге болады. Бұл мәселені сабақта қарастыруды мәселені шешуден бастау керек: егер жарық толқындар болса (және жарықтың кедергісі мұны растайды), онда жарықтың дифракциясы да байқалуы керек. Әңгіме барысында студенттер дифракция құбылысын байқауға болатын жағдайларды еске түсіреді. Бұл жағдайлар оларға механикалық толқындардың дифракциясындағы тәжірибелерден таныс. Содан кейін мұғалімнің Жарық дифракциясының ашылу тарихы туралы әңгімесінен кейін мұғалім лазер көзінен жарықтың дифракциясымен сипатталған толық экспериментті бір саңылауға қоя алады. Экранда пайда болған дифракцияның суретін қарастыра отырып, студенттер Жарық біркелкі бөлінбейді және тұтастай алғанда дифракциялық сурет пайда болады деген қорытындыға келеді: ортасында максималды жарығы бар жарық жолағы, бүйірлерінде Жарық нөлге тең болатын минимумдармен бөлінген екінші салыстырмалы түрде әлсіз максимумдар бар. Алайда, жоғарыда айтылғандай, студенттерге табиғи экспериментте дифракциялық суреттің өзгеруін бақылау өте қиын, өйткені жарық энергиясының негізгі бөлігі Орталық максимумға шоғырланған, ал көзге жоғары ретті максимумдар нашар ажыратылады. Сондықтан мұғалім кіріспе натуралық экспериментті қою кезеңін айналып өте алады (УАҚЫТ резервін ұлғайту үшін), оқушыларға "Дифракция"мультимедиялық бағдарламалық пакетінің құрамына кіретін оқу компьютерлік моделін зерттеуге көшуді ұсынады. Бұл жағдайда студенттердің қызметі оқу есептеу эксперименті түрінде ұйымдастырылады.
1 кезең: бір саңылаудағы дифракция құбылысын зерттеу. Кіріспе нұсқаманың соңында оқушылар алдында алдағы есептеу экспериментінің міндеттері қойылады:
-Фраунгофер дифракциясының бір саңылауда көрінуін суреттейтін бейнефильмнің фрагментін (аудиовизуалды модуль) қарау;
-қарау барысында бір саңылаудағы Жарық дифракциясының негізгі заңдылықтарын анықтау (жарықтың максимумдары мен минимумдарының орналасуы, олардағы Жарық қарқындылығының таралуы және т. б.);
- компьютерлік модельдің параметрлерін басқара отырып, Фраунхофердің бір саңылаудағы дифракция құбылысын зерттеңіз және bsin p = kA минимумдарының орындалуын тексеріңіз;
-зерттеу нәтижелерін кестеге енгізіңіз: тәжірибе № толқын ұзындығы.! саңылаудың ені, мкм дифракциялық кескіндеменің жалпы көрінісі-есептеу экспериментінің көмегімен алынған дифракциялық суреттерді 130 бейнеде және табиғи экспериментте ұсынылған дифракциялық суреттермен салыстыру (егер бұл орындалса) және қорытынды жасау; Есептеу экспериментінің бірінші кезеңінің мәселелерін шешу студенттерге оның бір немесе бірнеше кіріс параметрлеріне - жарықшақтың еніне, жарық толқынының ұзындығына әсер еткен кезде компьютерлік оқу моделімен болатын өзгерістерді бақылауды жүзеге асыруды, сондай-ақ алынған нәтижелерді салыстыруды, мысалы, бейне үзіндіде немесе табиғи экспериментте ұсынылған нәтижелермен салыстыруды қамтиды. Оқушыларға зерттелетін модельдің бастапқы параметрлерінің мәндерін таңдауда толық еркіндік беріледі. Осылайша, дараланған (TM) тапсырмалардың максималды дәрежесіне қол жеткізіледі, шығармашылық қабілеттерін көрсету үшін қызмет саласы кеңейеді.
2 кезең: "Дифракциялық торды зерттеу"зертханалық жұмысы. Бұл зертханалық жұмысты лазерді қолдана отырып, табиғи эксперимент жасаудан бастаған жөн. Бұл жағдайда байқауға және өлшеуге ыңғайлы айқын дифракциялық суреттер алынады. Торды пайдалану арқылы алынған дифракциялық суреттің табиғаты төрт параметрге байланысты: жарықтың толқын ұзындығы, жарықтардың ені, жарықтар арасындағы қашықтық және жарықтар саны. Әрине, табиғи экспериментте дифракциялық суреттің барлық осы параметрлерге тәуелділігін зерттеу көп уақытты ғана емес, сонымен қатар қиын, дифракциялық торлардың көп мөлшерін жасауды қажет етеді. Бұл жағдайда есептеу эксперименті қуатты зерттеу құралына айналады. Оқушылардың компьютерге тікелей жүгінуіне дейін олар алдағы есептеу экспериментінің міндеттерімен танысады:
1.Фраунгофер дифракциясының бірнеше саңылаулардағы көрінісін суреттейтін бейнефильмнің фрагментін қарау;
2. қарау барысында бірнеше саңылаулардағы Жарық дифракциясының негізгі заңдылықтарын анықтау (жарықтың максимумдары мен минимумдарының орналасуы, олардағы Жарық қарқындылығының таралуы және т.б.);
3. компьютерлік модельдің параметрлерін басқара отырып, екі саңылаудан тұратын тордағы Фраунгофердің дифракциясына зерттеу жүргізу; жағдайларды қарастыру: a) жарықтың өзгермейтін толқын ұзындығымен саңылаулардың өлшемдері мен олардың арасындағы қашықтықты азайту (ұлғайту) кезінде дифракциялық көрініс қалай сапалы өзгереді; b) жарықтың толқын ұзындығының азаюы (ұлғаюы) кезінде саңылаулардың өзгермеген мөлшері және олардың арасындағы қашықтық кезінде дифракциялық көрініс қалай сапалы өзгереді;
4. 3, 4 және 8 саңылаулардан тұратын дифракциялық тормен ұқсас зерттеулер жүргізу; алынған деректерді бейнефильмде ұсынылған ұқсас эксперименттердің нәтижелерімен салыстыру, қорытынды жасау;
5. дифракциялық суреттегі қосымша максимумдар мен минимумдардың саны саңылаулар санының ұлғаюымен қалай өзгеретінін зерттеу;
6.бір бос орын үшін қарқындылықты бөлу кестесін N бос орын үшін қарқындылықты бөлу кестесімен салыстырыңыз және негізгі максимумдағы қарқындылық қалай өзгеретінін анықтаңыз;
7. дифракциялық тор үшін максимумдар шарттарының орындалуын тексеру; d торының кезеңінен және N саңылауларының санынан берілген л толқын ұзындығы кезінде бас дифракциялық максимумдардың жағдайы туралы қорытынды жасау;
8. эксперимент нәтижелерін кестеге енгізіңіз: тәжірибе № саңылаулар саны период торлар арасындағы дифракциялық қашықтық толқын ұзындығы дифракциялық суреттің жалпы көрінісі компьютерлік модельдеудің маңызды артықшылықтары суретте көрінеді. 23 екі саңылаудан дифракциялық сурет (b = 20мкм, а -- 20МШ, Я - 7500А) және жарықтың таралу қисығы дифракциялық суреттің сипаты мен жүйенің параметрлеріне тәуелділігін зерттеу. Мұндай вариация дифракциялық суреттің квази-тұрақты түрде өзгеруіне мүмкіндік береді, бұл іс жүзінде мүмкін емес. Жоғарыда сипатталған схема бойынша жүргізілген зертханалық жұмыс ғылыми зерттеудің барлық кезеңдерін көрсетеді:
Есептеу экспериментінің екінші кезеңі-алдыңғы кезеңнің одан әрі дамуы. Оны өткізу барысында оқушылар шаблон бойынша жұмыс істеуге емес, "еркін іздеу" жүргізуге, зерттеу жүргізу сипатын өз бетінше анықтауға мүмкіндік алады. Студенттердің өз іс-әрекеті барысында қалыптасқан зерттеу стратегиясы ұсынылған тест блогындағы мәселелерді шешу түрінде одан әрі жалғасады. Тапсырмалар тізімінен оқушы күрделілігі бойынша қанағаттандыратын кез келген нөмірді таңдай алады (1-ден 3 баллға дейін). Бірдей коттедждер қайталанбайды. Тестілеу аяқталғаннан кейін компьютер баға қояды. Оқушы алған тестілеу нәтижелері мен бағасы сақталады және мұғалім сабақ аяқталғаннан кейін оларды қарап, журналға қоя алады.
3 кезең: табиғат пен техникадағы жарықтың дифракциясы. Әдістемелік тұрғыдан алғанда, зерттелетін құбылысты практикалық қолдану мәселесі маңызды. Оптикалық құрылғылар үшін Жарық дифракциясы үлкен маңызға ие. Оптикалық құрылғы (телескоп, микроскоп және т.б.) жасаған Жарық нүктесінің бейнесі оптикалық жүйелер арқылы алынған үлкейту мүмкіндігін шектейтін кіріс тесігіндегі дифракция нәтижесін білдіретіні белгілі. Сондықтан, жоғарыда айтылғандай, дөңгелек тесіктен Фраунхофердің дифракциясы маңызды практикалық мәнге ие, өйткені. оптикалық жүйелерде линзалар мен линзалардың жақтаулары, сондай-ақ диафрагмалар дөңгелек пішінді болады. Дифракцияның оптикалық жүйелердің (телескоптың, микроскоптың) шешілу қабілетіне әсерін зерттеу мақсатында лазерді пайдалана отырып, нақты эксперимент жүргізіледі. Экранда пайда болған дифракцияның суреті жарықтың толқындық табиғатын сенімді түрде анықтап, оқушыларға геометриялық оптика заңдарының бұзылуын көрсетуі керек. Алайда, іс жүзінде дифракциялық сурет экранда өте кішкентай (шамамен бірнеше миллиметр) және екіншісінен бастап екінші максимумдар аз жарыққа байланысты көзге көрінбейді. Сондай-ақ, лазерді қолдана отырып, натуралық экспериментті қою кезінде жарықтың толқын ұзындығын азайту (ұлғайту) кезінде дифракциялық суреттің өзгеруін көрсету мүмкін емес. Бұл жағдайда оқу ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz