Българска търсачка и начална страница

Методика на обучението по физика (доклад)

УВОД

Българската образователна система е в процес на реформа. Създадоха се нови учебници по физика за горния курс и целта е да се предложат подходящи нагледни средства, с чиято помощ да подпомогнем учебния процес. За раздела "Оптика", атмосферата може да послужи за получаване на нови занания и като обект, върху който да се прилагат вече получените знания за анализ и проверка

Атмосферата е средата, в която живеем. Това оправдава стремежа към изучаването и и опитите за въздействие върху някои процеси и явления в нея. Едни от най-интересните явления в атмосферата са оптичните - появата на дъгата, миражите, пламването на метеорите, полярните сияния и др. Освен това атмосферата е среда, в която се реализират физични процеси с изключително широк спектър на приложение, като излъчването и поглъщането на светлината от атомите на веществото в нея.

Целта на тази дипломна работа е да се покаже, че знанията по физика, получавани в средния курс на обучение, са достатъчни за изучаването и анализирането на оптичните явления, наблюдавани в заобикалящата ни среда. Да се посочи ролята на нагледните средства за възбуждане на интереса на учениците към изучаването на оптичните явления в атмосферата и техническото им приложение.

I ГЛАВА:

Учебно съдържание по оптика в седми и десети клас.

След продължително изучаване на природните науки "на куп" в предмета "Природознание", в учебния план на средното училище, 7. клас е равнището, на което се извършва пълната диференциация на природознанието на отделни отделни дисциплини, включително и физиката. За съжаление програмата не позволява да се стигне до строго формулиране на законите за запазване, принципите за суперпозицията, да се обсъди природата на светлината. Извършва се качествен преход от наблюдението, като основен метод за изучаване на явленията в рамките на курса по "Природознание", към експерименталния подход при изучаване на природата.

В 7.клас започва изучаването на широкия клас на светлинните явления, обект на големия раздел от физиката - Оптиката.

Традиционно е мнението, че геометричната оптика е приятен за изучаване раздел от физиката, особено привлекателен за учениците поради интересните демонстрации със светлината и е подходящ за обучението по физика в 7.клас. Построяването на образите, обаче, при сферичните огледала и лещите, поражда редица методически проблеми със своята сложност и с невъзможността да се изяснят до край въпросите с получаването на тези образи. За това тези въпроси се разглеждат облекчено без да се използват съответните формули и без да се карат учениците сами да построяват съответните образи, а само се запознават с различните случаи и проследяват хода на основните лъчи по готови вече чертежи.

Нека разгледаме разделът "Оптика" от учебника по физика за 7.клас с автори: доц. кфн Кр. Гроздов, ст.н.с. Н. Ненова, доц. кфн Л. Вацкичев, Й. Колета на издателство "Булвест 2000", София, 1999. В урока "Плоски и сферични огледала" учениците се запознават с образи при сферичните огледала. Обръща се внимание на отделните случаи, които са дадени без да се използват формули:

"Опитите показват, че в случая на вдлъбнато огледало образът на предмета може да бъде действителен или недействителен, прев или обърнат, уголемен или умален, в зависимост от положението на предмета спрямо огледалото и неговия фокус."

В учебника са посочени три фигури, на които са изобразени образите при вдлъбнато огледало за различни положения на предмета спрямо фокуса му. Посъщият начин е даденa характеристиката на образ при изпъкнало огледало с представяне на съответната фигура.

След няколко урока учениците се запознават с образи при сферични лещи, след като предварително са се запознали чрез демонстрации с хода на основните лъчи при лещи. В урока "Построяване на образи при сферични лещи" отново се разглеждат отделните случаи в зависимост от положениего на предмета, като всичко е представено във вид на готови чертежи в учебника, без да има достатъчно възможност за самостоятелна работа на учениците.

Законите за отражение и пречупване на светлината се формулират само качествено, а не количествено, поради непознаване на тригонометричните функиции от учениците. В същия учебник тези закони се разглеждат в два отделни урока. В "Отражение на светлината" се формулират законите за отражение като се използва демонстрация с оптичен кръг:

"Като накланяме огледалцето в различни посоки се забелязва, че падащия и отразения сноп се виждат върху оптичния кръг само тогава, когато равнината на огледалцето е пепендикулярна на диска. Изводът от този опит представлява първия закон за отражението, който гласи:

Падащият лъч, отразеният лъч и перпендикулярът към отрзяващата повърхност, издигнат в точката на паданвто,пежат е една равнина.

Измерваме с помощта на оптичния кръг ъглите ай (1 и ги сравняваме. Променяме посоката на падащия сноп светлина и повтаряме измерванията на ъглите. Резултатът позволява да формулираме втория закон за отржениета:

‘’Ъгълът на отражение е равен на ъгъла на падане."

За запознаване на учениците със законите за пречупване на светлината също се използват демонстрации с оптичния кръг. Тези закони се формулират качествено в урока "Пречупване на светлината". В него се обръща внимание и на явлението "пълно вътрешно отражение", като то се разглежда също без използване на формули.

От уроците по природознание в б.клас учениците имат представа за лъчеизпускането и лъчепоглъщането, за това те не се формулират в раздела "Оптика", но тези знания са основата при обсъждането на въпросите за различните видове източници на светлина Точков източник на светлина не се въвежда, понеже учениците нямат опит на този етап с физичния модел ‘материална точка’.

Тъй като в 7.клас е предвидено изучаването само на геометричната оптика, това предопределя и структурата на раздела "Оптика". След излагането на законите за отражение и пречупване на светлината и след изучаване на образите при сферични огледала и лещи, се преминава към приложенията на геометричната оптика в оптичните уреди и разглеждане на устройството и свойствата на човешкото око от гледна точка на физиката.

Понеже в раздела се засяга въпросът за цвета на светлината и разлагането на бялата светлина, в обобщителния урок се обръща внимание на причината за цвета на телата и закономерностите при смесване на боите с различен цвят.

Изучените в 7.клас светлинни явления се доразвиват в Ю.клас. В 9.клас се споменава, че светлината представлява електромагнитна вълна, но светлинните явления все още не се разглеждат в този аспект. Това става в глава "Светлина" в Ю.клас.

Като пример може да се разгледа учебника по физика за Ю.клас на издателство "Булвест 2000" - София, 2001.

В глава "Светлина" се разглеждат явленията интерференция и дифракция, които са характерни само за вълните. Наблюдението им е решителен артумент в полза на хипотезата за вълновата природа на светлината. Двете явления се разглеждат в последователни уроци. В този за интерференцията учениците се запознават със свойствата на светлината - цвят и праволинейно разпространение. Интерференцията се обяснява чрез опита на Юнг:

"Интерференция настъпва при наслагване на вълни от два кохерентни източника. Получената интерференчна картина е постоянна с времето. При светлината тя се състои от редуващи се тъмни и светли ивици. Такава картина е получена през 1801г. от английския физик Томас Юнг."

По-нататьк се прави сравнение с интерференцията на механични вълни, като се разглежда принципа на Хюйгенс:

"Всички точки в даден вълнов фронт могат да се разглеждат като източник на вторични вълни, които се разпространяват само по посока на първичната вълна, с характерната за вълните скорост в дадената среда. Вълновият фронт след време ∆t представлява повърхност, допирателна към фронтовете на вторичните вълни." Урокът завършва с условията за възникване на интерференчни максимуми и минимуми:

∆r = r₂ – r₁ = mλ - условие за максимум

∆r = r₂ – r₁ = (m + ½)λ - условие за минимум

В отделен урок "Кохерентни вълни" се изяснява кои са източниците на кохерентна светлина: "Два точкови, идеално монохраматични източника на светлина с една и съща честата ν винаги са кохерентни." Посочват се и некохерентните източници на светлина. Урокът завършва с частен случай на интерференция от тънки слоеве - маслени петна и сапунени мехури.

В следващия урок се разглежда явлението дифракция на светлината. За по-добра нагледност изучаването му става чрез демонстрации. Тук се въвеждат понятията 'константа' на дифракционната решетка, 'дифракционен максимум’, 'порядък на максимумите' и 'дифракционни спектри'. Изяснява се и условието за дифракционен максимум:

d sinθ= mλ, m = 0, ±1, ±2...

При дифракция на светлината от нишка "в центъра на геометричната сянка се наблюдава светла /а не тъмна/ивица, около която се редуват тъмни и светли ивици. Дифракцията е причина за появата на тъмни петна в центъра на картината върху екран, осветен от кръгла бленда."

На този етап от изучаването на оптиката законите за отражение и пречупване на светлината се формулират вече количествено, като се ползуват тригонометричните функции. Тези закони се разглеждат в един урок -"Отражение и пречупване на светлината": "В сила са следните закони за явленията на границата на две среди, в които светлината се разпространява с различни скорости c₁ и c₂’’.

1.Падщият, отразеният, пречупеният лъчи и перпендикулярът към
граничната повърхност между две среди, прекаран в точката на падане,
лежат в една равнина.

2.Ъгълът на отражение е равен на ъгъла на падане: α´= α — закон за отражение.

3. Отношението на синуса от ъгъла на падане α₁ към синуса от ъгъла на пречупване α₂ не зависи от големината на α₁ и е равно на отношението на показателя на пречупване на втората среда n₂ към показателя на пречупване на първата среда n₁:

Доразвива се също така и представата за явлението пълно вътрешно отражение, чиято основа е положена още в 7.клас, а тук се обяснява вече чрез закона на Снелиус:

"Явлението, при което светлината се разпространява в среда с показател на пречупване щ и изцяло се отразява от границата с друга среда с по-малък показател на пречупване п₂ (n₂ < п₁), се нарича пълно вътрешно.’’

При изучаване на физиката до 10. клас, т.нар. класическа физика, не могат да се решат редица проблеми. Едни от тях са свързани с взаимодействието на светлината с веществото и по-конкретно с процесите на поглъщане и излъчване на светлината от атомите. При тяхното изследване са открити явления, които не могат да се обяснят със законите на класическата физика. Задълбоченото изучаване на тези явления доведе до разкриването на законите за микросвета, с което се сложи началото на раздела от съвременната физика, наречен "Квантова физика".

Квантовата теория за светлината е разгледана накратко в обобщителния урок "Вълни и частици". Според тази теория светлината е сложен обект, който не може да се разглежда само като вълна или само като движеща се частица:

"Светлината, електроните и другите микрочастици имат двойствена природа - те проявяват свойства както на вълни, така и на частици!"

Тук вече системно, на все по-високо ниво се формира представата за корпускулярно-вълновите свойства на светлината.

Научно-техническият прогрес е свързан с много технически приложения на оптиката, които се разглеждат подробно в учебниците за 10.клас. Знанията на учениците по оптика позволяват да се изясни важността от развитието на техническата физика за опознаване на природата, за удовлетворяване на материалните и културни ценности и потребности.

II. ГЛАВА:

Елементи на атмосферната оптика.

Атмосферната оптика изучава разпространението на светлината в атмосферата и свързаните с това явления: пречупване на светлината във въздуха, капките и кристалите; разсейване и дифракция и т.н. Атмосферната оптика използува като приближение геометричната оптика /в задачи за рефракция/, а също и методите на вълновата оптика, когато става въпрос за разсейване и пречупване от малки частци.

1. Пречупване на светлината

Пътят на светлинните лъчи в атмосферата зависи от показателя на пречупване на въздуха п, който нараства с намаляване на дължината на светлинната вълна Величината л е обратно пропорционална на скоростта на светлината За по-голяма точност се приема, че величината (n-1) е пропорцоинална на плътността на въздуха ρ.

Астрономическата рефракция расте в зависимост от зенитния ъгъл i и силно зависи от плътността, особено в ниските атмосферни слоеве.

Поради рефракцията слънцето и луната изгряват рано и залязват късно. Близо до хоризонта дискът на слънцето изглежда сплескан, поради увеличената рефракция в хоризонта и в последния момент на залеза горният му край "избухва" в 1-2 отенъка на ярко-зелена светлина. Червените и жълтите изображения на слънцето са вече залезли в този момент. При много чист въздух се вижда зеления цвят. Синият цвят не се вижда, понеже се слива със синьото небе.

Земната рефракция расте с изменение на градиента на температурата; γ ~ (dT/dz) .Така напр. билото на п-ов Калифорния с височина 3308m поначало е невидимо от края на континента, поради отдалечеността му от мексиканското крайбрежие. Но е видимо вечер от Калифорнийския залив на разстояние 290km, поради силната рефракция във възникващата над водата инверсия, която повдига изображението му.

Аналогично при зимна антициклонна инверсия понякога телевизионните изображения могат да се приемат на разстояния, много по-големи от възможната геометрическа отдалеченост L = 2Rh. Това явление се нарича суперрефракция.

В случай на големи γ в приземните слоеве, пътят на лъча е релефен отгоре и изображението на предмета е обърнато обратно. Това е пустинния мираж в топлите дни, когато изображенията на далечни дървета могат да се видят като техни отражения в колебаещия се слой на приземния горещ въздух. Това може да се види и над нагрят асфалтов път.

Ако в атмосферата има повишена инверсия над Земята, тогава над обичайните изображения на предметите се появява второ и даже трето изображение. Този "горен" мираж се наблюдава често в полярните области. При него лъчът може да премине между две точки по няколко дискретни пътя, които дават и няколко изображения.

2. Разсейване на светлината в атмосферата

Когато светлинната вълна срещне по пътя си частица, чиято диелектрична константа ε₁ е различна от тази на околната среда ε_0, тогава частицата става източник на колебания със собствена кръгова честота ω. Разпространявайки се във всички страни, тези колебания създават явлението "разсейване" на светлината. В атмосферата това явление се създава както от молекулите на въздуха, така и от аерозолните частици.

Реалните среди никога не са еднородни. В тях има микроскопични нееднородности, причинени от наличието на друго вещество във вид на прашинки, колоидни частици, капки и др. - такива среди се наричат "мътни". При разпространението на светлината през мътна среда възниква разсейване във всички посоки и намаляване на интензивността на светлинния сноп. Оптичните микроскопични нееднородности се причиняват и от хаотичното топлинно двичение на атомите, молекулите и другите частици, от които се състои веществото. Разсейването на светлина, причинено от топлинното движение на молекулите, се нарича молекулярно разсейване. Интензивността на светлината в този случай се увеличава. Светлината взаимодейства с частиците от газа /с молекулни размери/ поради своята елекромагнитна вълнова природа и поради наличието на електрони и йони във веществото. Частиците, чиито размери са малки в сравнение с дължината на светлинната вълна, прехвърлят взаимодействието на електричното поле равномерно по целия си обем. Това вътрешно електрично поле създава в частицата дипол, който трепти пропорцоинално с промяната на външното поле и изпуска лъчение, като всеки осцилиращ дипол. Това довежда до намаляване на енергията на падащия сноп и лъчението се разпределя по съответното направление на колебание на дипола. Това разсейване се нарича "рейлиевско разсейване".

Интензивността на светлината, разсеяна от идеална диелектрична среда I_Φ може да се запише по начин, kъдето φ - ъгъл на разсейване, n - показател на пречупване на разсейващите частици, R - разстояние от точката на наблюдение до частицата, λ - дължина на светлинната вълна, r - радиус на частицата, E - осветеността /светлинната енергия на единица площ за единица време/.

Важното в този случай е, че при разсейване от газове, включително от въздух, интензивността на разсеяната светлина зависи от дължината на вълната като λ^-4 и не зависи от ъгъла на наблюдение.

Като следствие от молекулярното разсейване на светлината се явява синия цвят на небето и червения цвят на слънцето при изгрев и залез. Виолетовите лъчи в слънчевия спектър са слаби и поради това човешкото око е малко чувствително към тях. При чист въздух небето е синьо до самия хоризонт.

Фактът, че небето понякога има различни оттенъци от бяло-жълто до тъмно синьо /близо до хоризонта/, води до извода, че голяма част от светлината се разсейва и от аерозолни частици. Голямата част от аерозола /който е с различен състав/ попада в ниската част на атмосферата, близо до земната повърхност и концентрацията му бързо намалява с увеличаване на височината

Аерозолите са смес от газове и частици с ниска скорост на утаяване и относителна стабилност в гравитационно поле. Атмосферата също се явява вид аерозол в смисъла, че съдържа известно количество частици.

Аерозолите се образуват при различни процеси, които могат да се класифицират по следния начин:

·         разпръскване, раздробяване и др.под. процеси, водещи до образуването на прах, чиито размери на частиците е по-голям от този на на веществата, намиращи се във въздуха. Като пример за такъв механизъм могат да се дадат различните промишлени производства и сублимацията на частиците във въздуха /прахови бури и др./.

·         разпръскване на вода и образуването на мъгла от капки. Те могат да се
изпарят, в следствие на което остава нелетливото вещество, разтворено е първоначалната капка.

·         кондензация на частици в пламък, при което се образуват аерозоли,
съдържащи частици с много малки размери в сравнение с тези, образувани при горните два процеса. Например въглерода, в случая на недостиг на кислород или при ниски температури, кондензира до сажди.Взависимост от условията в пламъка, кондензиращите частици могат да коагулират в други с по-големи размери малко след образуването си. Следователно, топлинните източници дават
частици със субмикроразмери, които в някои случаи могат да образуват
конгломерати или верига от първоначалните частици.

·         коагулацията на голям брой малки частици в атмосферата води до
образуването на частици с големи размери.

·         процеси на образуване на ядра - те могат да са хомогенни /когато, в
следствие на кондензацията, не се образуват ядра с големи размери/ или хетерогенни /когато кондензацията протича на повърхността на частиците/.

Хомогенният процес не играе важна роля при обикновенни условия в
атмосферата, но може да се окаже съществен, напр., в лишената от прах горна част на атмосферата. Хетерогенният процес е характерен за атмосферата, тъй като в нея винаги се съдържат чстици, които могат да бъдат ядра на такова образуване.

·         реакции, протичащи на повърхността на частиците. Като пример може да се посочи окислението на серен диоксид върху повърхността на частица,
съдържаща вещество-катализатор. Получените по този начин сулфати остават на повърхността. Някои вещества, съдържащи се в изхвърлените сажди при изгарянето на нефта и въглищата се явяват сенсибилизатори на сухото окисление на серния диоксид.

·         реакции в капките - друга група процеси, които произтичат от
поглъщането на капки вода от газообразните вещества в облаците и мъглите, с последващи реакции в капките и изпарение на водата.

·         разрушение на големи частици - по механичен път или по време на
фазовите превръщания. Изпарението на капките в облаците води до увеличаване на общия брой частици, които могат да се окажат ядра на кондензация, т.е. от облака излизат повече активни частици, отколкото влизат в него.

Първите три процеса са преки източници на аерозоли, които внасят вещество във въздуха Коагулацията не е такъв процес и не може да измени общата маса на частиците в него.

За явленията на разсейване на светлината от чужди частици има няколко гранични случая, които се различават помежду си в съотношението на размерите на частиците спрямо дължината на светлинната вълна.

Ако размерът на частицата е малък в сравнение с дължината на вълната падащата светлина , тогава фазата на вълната е еднаква във всички точки и ще трепти като дипол. Ако частиците са с размери от порядъка на λ, освен диполното ще се наблюдават и квадруполни трептения. Разсеяната светлина се състои от няколко, насложени едно върху друго колебания, чиято амплитуда постоянно намалява.

Това теоретично е направено от Г.Ми и е известно като теория на Ми.

С увеличаване на размера на частиците ρ, индикатрисата на разсейването се разтегля все повече по направление на падащия лъч - светлината все повече се разсейва напред под малки ъгли спрямо ъгъла на падане. По този начин големите частици създават яркия ореол около слънцето и луната, характерни при затъмнено небе.

Светлината, разсеяна от аерозоли е по-малко поляризирана в сравнение с тази от молекулярното разсейване.

След залез /или преди изгрев/ слънце разсеяната светлина създава сумрак, който постепенно изчезва При замъглена атмосфера сумракът е светъл. В жълтата област на спектъра, около λ = 600nm, озонът съществено отслабва яркостта на сумрачната светлина, придавайки и синкава окраска. След залез наблюдателят вижда ярки и променящи цвета си зари. Те включват преди всичко цветната полуос на хоризонта /червена отдолу, жълта отгоре/, което вероятно зависи от осветеността при много плътна атмосфера с аерозоли. При потъване на Слънцето с 2-6° понякога се пявява пурпурен цвят на височина 15-25° над хоризонта, често пъти ярко и придаващо на пейзажа розов оттенък /особено ако има сняг/. Това се обяснява с разсейването на светлината от аерозолния слой, с което осветява долния червен край на сумрачния лъч.

Интересен е проблемът с отдалеченото различаване на предметите, пътя, пътните знаци и т.н. - много важен за практиката и главно за транспорта. Поради това се разглежда подробно в атмосферната оптика Дневното и нощното отдалечено различаване зависят от различни фактори. През деня виждаме отделните предмети на някакъв фон, създаващи върху него по-светли или по­тъмни контрасти, в сравнение със самите тях.

В_Φ - плътност на светлинния поток /яркост/, създаващ фона, В_c - яркост на целта /предмета/.

Опитът показва, че човешкото око различава преметите, когато с » Е₀ /праг на контрастната чувствителност на зрението/. Нека наблюдаваме черен предмет на разстояние S, при съответен телесен ъгъл dω. Тогава елемент от конуса на зрението на разстояние r от окото има обем dr = r² drdω. Въздухът в този обем е осветен от слънцето и от небето и се явява източник на светлина с яркост dΒ = I₀α₀φ(1+cos^2φφ)dv

Наблюдателят престава да вижда светлината, когато Е намалее до прага на светлинната чувствителност на окото Еp. Еp е малък, когато източникът на светлината се отдалечава и изчезва и е голям, когато източникът се появява по дадено направление.

Интересни са и явленията от взаимодейсвието на светлината с облачни и дъждовни елементи:

Небесна дъга - цветна дъга с център в противослънчевата точка, която се вижда при дъжд или на фона на дъждовен облак. Външният край на главната небесна дъга е червен, след него следва оранжев и т.н. Синият цвят е слаб, а виолетовият - ярък. Има също и втора небесна дъга /над първата и с обратно разположени цветове/ и рядко трета и четвърта дъги. Могат да се видят най-често над фонтани и водопади.

Небесната дъга се обяснява с пречупване на светлината в сравнително големи капки вода, заедно с възникващото при това явление дифракция. Нека успоредните лъчи на слънцето падат върху капка, при което ъгълът на падане i е различен в различните и точки.                                        

След пречупване на лъча в т. А той може да се отрази от т.В и да излезе от капката, пречупвайки се отново в т.С. Така възниква първата дъга, а при второ и трето отражение в капката - втора и трета дъги.

Ако слънчев лъч се пречупва в кристали лед, плаващи в атмосферата, напр. в пересто-слоести облаци или в следи от самолет, възниква явлението хало. Тези яаления са разнообразни, наблюдават се често и в различни съчетания, съдържат голяма информация за кристалите в облаците, тяхната форма и др.

Най-често се наблюдава малък кръг около слънцето или луната с ъглов радиус 22°, синкав във външния си по-размит край и червникав във вътрешния по-контрастен край. Най-ярко се вижда подобен голям кръг с радиус 46° и още по-ярко "пръстена на Говелия" с радиус 90°. Не рядко се вижда бял "хоризонтален" кръг, преминаващ през слънцето /луната/ и понякога опасващ цялото небе. При пресичането му с кръгове с радиус 22° и 46° близо до него или малко по-далеч от слънцето се появяват "допълнителни" слънца- доста ярки петна с цветовете на дъгата. Често се виждат допирателни дъги към главния кръг и също така някои други детайли на халото. От самолет може да се види и "долното слънце" - светло петно върху облачния слой, разположен ниско под наблюдателя, което петно представлява огледално отражение на слънцето в кристалите и образът се намира в облака.

Кристалите лед в облаците представляват съчетания от шестоъгълни призми и пластинки.

Хоризонталният кръг се обяснява с отражението на слънчевите лъчи от страните на призмата, при условие че всички призми в кристала са разположени вертикално, т.е. при паднето си се ориентират еднакво. Вероятно така падат призми,чиято вътрешност е преазна и когато центърът на тежесттс е разположен по-ниско от центъра на съприкосновение с въздуха Аналогично се обяснява и "долното слънце", което се появява при отражение на лъчите от падаща пластинка.

В полупрозрачните облачни слоеве, напр. във високо-слоестите или ниско-купестите облаци, около слънцето или луната могат да се видят цветни кръгове - венци, в които най-ярко се различават зеления и червения цвят. Венците могат да бъдат от първи, втори и т.н. порядък, т.е. могат да се видят червени кръгове на 2°, 4°, от слънцето. Това явление се нарича дифракция.

Понякога цветните венци могат да се видят и около сянката на самолет, падаща върху по-ниско разположения слой облаци, или около сянката на човек, намиращ се на росна ливада. Ако наблюдателят стои някъде високо и при ниско слънце сянката му пада върху облак, то тя също ще бъде оградена от венци -т.нар. "брокенски призрак".

Ако капките са много малки, дифракцията се приближава до просто молекулярно разсейване и явлението "венци" добива доста по-сложно обяснение. Мекке е наблюдавал в лаборатория, че видимият източник на бяла светлина, минаваща през слой от частици, е ограден от синкаво-виолетов ореол, а извън слоя - от зелено колелце. Напр., тези цветове би трябвало да създават разсейване при неголеми размери на частиците, когато "виолетовата индикатриса" е изтеглена напред много повече от зелената Ако слоят от частици е по-голям, възниква вече тъмно-зелен ореол, ограден от синкави и розови колелца. Вероятно такова съчетание от разсейване и дифракция на светлината създава и големите цветни петна на седефените облаци.

Ш ГЛАВА:

Примерни уроци за онагледяване на учебното съдържание

Важна тенденция в усъвършенстването на учебния процес е целенасоченото и оптимално използване на нагледни средства Те позволяват да се вникне по-дълбоко в същността на явленията, дават представа за обекти, отдалечени по пространство и време. Съчетани със словото, спомагат за проблемно поставяне и разрешаване на въпросите и по-задълбочен логически анализ върху същността на процесите. Всичко това предизвиква интерес към проблемите, съсредоточава учениците.

Ще използваме възможностите на "Атмосферната оптика" за онагледяване на учебното съдържание по "Оптика".

1. Земна рефракция

Едни от най-интересните явления в атмосферата са свързани с рефракцията на светлината Те са резултат от изкривяването на свтлинните лучи при преминаването им през атмосферните слоеве с различна плътност. В случаите, когато източникът на светлина се намира извън земната атмосфера, говорим за астрономическа рефракция. Когато източникът е в атмосферата или върху земната повърхност, става въпрос за земна рефракция. Най-важните явления, дължащи се на нея са "повдигане на хоризонта" и " миражите".

Онагледяването на тези явления ще предизвика интереса на учениците. Те ще се убедят, че явленията, които сме гледали във филмите, не са нещо свръхестествено, а се случват в атмосферата и могат да бъдат обяснени на базата на знанията им по физика (оптика).

Основните цели на евентуален урок, свързан със земната рефракция, са следните:

а) учениците да си припомнят някои елементи на геометричната оптика, прилагайки ги в нова ситуация;

б) да се покаже, че атмосферата не е хомогенна, а съществуват
нееднородности в плътността, дължащи се на локален нагрев или изстиване на земната повърхност иприземния въздух;

в) да се покаже, че в резултат на изкривяването на светлинния лъч при преминаването му през такива области се наблюдават характерни явления;

г) учениците да се убедят, че в тях няма нищо свръхестествено и могат да бъдат обяснени на базата на знанията по физика, получени до този момент.

Урокът може да има и дискусионен характер. В началото е необходимо да се покаже, че явленията пречупване и пълно вътрешно отржение на светлината могат да настъпят и при разпространението и в непркъсната среда, каквато е и атмосферата. Те са резултат от появата на плътностни нехомогенности, които възникват при нагрева на земната повърхност и приземните въздушни слоеве. Земната повърхност се нагрява директно от слънчевата радиация, а чрез топлообмен се нагрява и въздуха в непосредствена близост до повърхността. Нагревът е неравномерен в различните слоеве на атмосферата, порели въртенето на земята около оста и и около слънцето. По-горещите и следователно по-разредени слоеве въздух имат по-малък показател на пречупване. Най-разреден се оказва слоят въздух до асфалта и до пясъка в пустинята. В този слой става пълно вътрешно отражение на светлината и се наблюдава явлението "мираж". Получава се изкривяване на лъчите и наблюдателят ги възприема като излизащи от предмета, който се намира по продължение на отразените лъчи. Това изкривяване се дължи на рефракцията на светлината. В резултат на земната рефракция се наблюдава и отместването на хоризонта, което се обяснява аналогично на явлението мираж.

На рефракцията на светлината се дължи късното изгряване и залязване на слънцето и луната. Поради увеличената рефракция в хоризонта, близо до него слънчевият диск изглежда сплескан и в последния момент на залеза горният му край "избухва" в оттенъци на яркозелена светлина, която при много чист въздух се вижда, за разлика от синята, която се слива с цвета на небето.

Така се налага изводът, че светлината е носител на знания за заобикалящата ни среда и заявленията, които протичат в нея.

2. Разпространение на светлината в мътна атмосфера

Още от най-дълбока древност хората са разбирали значението на светлината за живота на Земята С развитието на оптиката се обясняват много въпроси, свързани със същността на светлината и с начина на нейното разпространение. В еднородна среда светлината се разпространява праволинейно и като доказателство за това може да се посочи получаването на сянка зад всяко непрозрачно тяло.

Нагледното представяне на явленията, свързани с разпространението на светлината в мътна среда ще засили интереса на учениците. Това ще спомогне за по-лесното разбиране на причините, предизвикващи явлението разсейване на светлината По този начин учениците не само прилагат знанията си за светлината и оптичните явления, но и получават нова информация за заобикалящата ни среда.

Основен източник на светлина за Земята е Слънцето. Светлината, излъчена от него, достига земната повърхност, преминавайки през атмосферата -реална среда с микроскопични нееднородности, които са резултат от замърсяването с вещества във вид на прашинки, колоидни частици и др. На тях се дължи разсейването на светлината Когато нееднородностите се дължат на топлинното движение на молекулите в атмосферата, разсейването е молекулярно, а при наличието на аерозоли - имаме рейлиевско разсейване. При съставянето на урок за разпространението на светлината в мътна атмосфера, си поставяме следните цели:

а) да се изясни въпросът с нееднородностите на атмосферата, като среда за разпространение на светлината, които се дължат на наличието на вещества в нея;

б) да се запознаят учениците с някои от основните типове реакции, които водят до замърсяване на атмосферата с аерозоли;

в) да се обърне внимание на спектралния анализ като метод за анлизиране на частиците, замърсяващи атмосферата

Урокът може да протече и дискусионно. В началото трябва да се разгледа атмосферата като газова обвивка на Земята Тя е реална среда, която никога не е еднородна, съдържа аерозоли и като резултат е мътна среда Аерозолите са с по-висока плътност от въздуха и би трябвало да се "утаят" върху земната повърхност, но поради малките си размери, имат ниска скорост на утаяване и затова остават за дълго време в атмосферните слоеве. На този процес пречи и естествената циркулация на въздуха Аерозоли в атмосферата са различните микроорганизми, спори, кристалчета от соли, минерален прах, водни капки и кристали от лед. Те се образуват при протичането на различни процеси, които могат да се класифицират по следния начин:

·         процеси, водещи до образуването на прах в атмосферата;

·         процеси, при които се образуват мъгли от капки;

·         кондензация на частици в пламък. Като пример може да се посочи
непълното горене на въглеродния диоксид при недостиг на кислород или при ниски температури, в резултат на което се образуват сажди;

·         процеси на коагулация на малки частици в атмосферата, което води до образуването на частици с много големи размери;

·         горене на въглища и течни горива Образува се серен диоксид, който
изхвърлен в атмосферата, се разтваря във водните капки на мъглите и облаците - така се получават киселинните дъждове.

При разпространение на светлината в мътна атмосфера възниква разсейването и във всички посоки. Като резултат от това се явява факта, че небето има различни оттенъци от бяло-жълто до тъмно-синьо (към хоризонта). При залез разсеяната светлина създава сумрак, който е светъл при мътна атмосфера Когато слънцето потъне малко под хоризонта, понякога се появява пурпурен цвят, който придава на пейзажа розов оттенък - това също се дължи на разсейването от аерозол.

Един от методите, чрез които може да се установи наличието на даден замърсител в атмосферата е спектралния анализ. Спектърът на електромагнитните вълни, които се поглъщат от дадено вещество, позволява да се направят важни изводи за неговото състояние /твърдо, течно или газообразно/. Това е спектър на поглъщане и се нарича асорбционен. Той позволява да се изследва състава и състоянието на веществата, които поглъщат светлина Чрез спектралния анализ може да се открият и нищожни количества от дадено вещество в атмосферата Някои елементи /като хелия/ за първи път са открити чрез спектралния анализ на светлина, идвща от космоса и след това на Земята.

3. Взаимодействие на светлината с облачни и дъждовни елементи

В заобикалящата ни среда се наблюдават редица явления, свързани с пречупване и дифракция на светлината, тези явления се явяват резултат от взаимодействието на светлината с водните капки и ледените кристали в облаците.

По-горе бяха разгледани природните явления "хало", "венци" и "небесна дъга" - нагледното им представяне ще помогне на учениците да ги разпознават, да търсят приликите и разликите и да запомнят условията, при които се наблюдават, а и ще се засили желанието им да ги обяснят с помощта на знанията им по оптика.

Основните цели на урок, разглеждащ въпроса за взаимодействието на светлината с облачни елементи са:

а) да се запознаят учениците с процесите на образуване на облаците като се разглеждат условията за възникване на кондензацията и образуването на ледените кристали;

б) да се приложат придобитите до този момент знания по физика за пречупване и дифракция на светлината като основа, с помощта на която се обясняват възникващите явления.

Необходимо е урокът да започне със запознаване на учениците с начините за формиране на облаците:

- при нагряване на земната повърхност /суша или океан/, вследствие на изпарението, в атмосферата постъпват водни молекули. Така се формира влажността в определени слоеве;

- в резултат на въздушните течения парите се пренасят в други области. При определени условия възникват възходящи потоци, които отнасят водните капки във височина - конвекция;

- с издигане във височина температутата спада и започва кондензация на парите. Ако вуздушният слой досгиге височини с отрицателна температура, започва кристализация и се образуват облачните елементи.

При взаимодействието на светлината с облачните елементи се наблюдават описаните вече интересни явления - хало, венци, небесна дъга.

4. Полярни сияния

Полярните сияния са едни от най-впечатляващите явления в земната атмосфера, със силно емоционален ефект върху наблюдаващите ги, от векове предизвикват интереса на изследователите и все още търсят своето обяснение. Те са едно от следствията на сънчево - земните връзки, което се наблюдава директно във видимата част на спектъра и поразява с красотата си. Именно поради това са особенно подходящи за разглеждане в средния курс на обучение - могат да грабнат трайно интереса на учениците, давайки обяснение за това почти феноменално явление.

Евентуален такъв урок може да се направи реферативен и дискусионен края на раздел "Оптика", като преди това преподавателят даде основните физически аспекти на това явление - пряк резултат от нахлуването на високо енергетични частици от слънчевия вятър в земната атмосфера.

При навлизане в атмосферата на замятя, най-вече на електроните от сънчевия вятър се удрят в неутрални частици. При това кинетичната им енергия се предава на неутралните атоми, в резултат на което те се възбуждат до високо-енергетични нива Поради нестабилността на тези нива, почти веднага, възбуденият атом излъчва придобитата енергия, но вече във вид на фотон /луминесценция/. Общият резултат от множеството взаимодействия електрон - неутрален атом е именно полярното сияние. Има и други механизми на транформация на кинетичната енергия на е от слънчевия вятър и съставящите атмосферата газови атоми и молекули. Такива са йонизацията и дисоциацията. При обратните процеси на рекомбинасия и асоциация, атомите и молекулите също могат да са във възбудено, нестабилно състояние, при което да излъчат фотон със съответна честота. По този начин спектърът на полярното сияние характеризира излъчващия ги газ.

Полярните сияния се появяват най-често във високите геомагнитни ширини и в двете земни полукълба, като честотата на появата им намалява с приближаване към екватора Максимумът тази честота е по геомагнитната ширина около 72°. Наблюдават се на височини от 80 до над 650км., като с максимална честота са тези с долна граница малко над 1000км.

Свойствата на полярните сияния са изключително разнообразни и сложни и трудно могат да се разглеждат най-общо. Но регулярността им е позволила на учените Акасоф и Чапмън да построят следния модел на типично сияние. На разстояние 5-6 земни радиуса центробежната сила, действаща върху е\ захванати от геомагнитното поле, обяснява появата на насочения на запад токов кръгов контур в плоскотта на екватора. Той може да е толкова силен, че да се окаже способен да повлияе сериозно вурху посоката на геомагнитните линии на дадено място. В този случай областта на изменение на полето трябва да е ограничена от външната и вътрешната страна от "неутрални" линии, където геомагнитното поле е нулево. Електроните, които се приближават до тези линии, не извършват повече орбитални движения около силовите линии. За електроните в слоя между "неутралните" слоеве се появява възможност да се спуснат дълбоко в атмосферата Така, че наблюденията, проведени в полярните области, могат да дадат сведения за свойствата на магнитосферата в екваториалните области. Счита се, че дъгите на полярните сияния съответстват на положението на неутралните линии.

Лъчите на полярните сияния се определят от направлението на геомагнитното поле. При високите ширини те се разполагат под ъгли от 10 - 15° спрямо вертикалата и с намаляване на широчината стават все по-хоризонтални. Типичните лъчи възникват в областта м/у 90 и 250км. над Земята, но се наблюдават и лъчи, разположини много по-високо - те започват в осветената от Слънцето атмосфера, на височина от 500 до 1000км. и могат да са наблюдават в сянката на Земята.

Честотата на поява на полярните сияния за 24ч. период се характеризира с главен максимум по време на полунощ /местно време/. Ярките, бьрзодвижещи и променящи се сияния, се появяват обикновенно преди този максимум, докато спокойните и сравнително слаби форми се появяват предимно след него.

Годишната честота на поява на полярните сияния е с максимум в равноденствените месеци и минимум - в летните и зимни месеци. Този ход е много близък до смущенията в магнитното поле на Земята

Изследванията показват и дългопериодична зависимост на честотата на поява на сиянията, като пряко следствие от Слънчевите цикли. Полярни сияния се наблюдават много повече около максимума в слънчевите петна, като се наблюдава закъсняване в максимума на сиянията /както и на магнитните смущения/ с около 1-2 години. Пряко е и отношението на интензивността на полярните сияния към интензивността в броя слънчеви петна.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Формалното поднасяне на учебния материал в средния курс на обучение, в смисъла на учебни планове и програми, в никакъв случай не може да предизвика интереса на ученика. Нещо повече - обикновено формалният подход отблъсква и прави материала, формиран от нормативните документи, трудно достъпен поради липсата на провокиран интерес и любознателност.

Физиката, като наука, изучава Природата в пълнота и поради това дава големи възможности на преподавателя да предизвика интереса и мотивацията на слушателя, в конкретен урок, възползвайки се именно от най-ярките и красиви природни явления /като разгледаните в Глава 3/.

Нестандартното представяне на даден физичен проблем, дори и в рамките и изискванията на нормативните документи, е една отлична възможност за излизане от състояние на апатия, както от страна на ученика, така и на преподавателя; а Физиката е неизчерпаем източник на такива възможности!

Разгледаните по-горе явления: "земна рефракция", "разпространение на светлината в мътна атмосфера", "взаимодействие на светлината с облачни елементи" и "полярни сияния" освен, че са изключително информативни напр. за "Оптиката" /като дял от Физиката/, дават възможност на аудиторията да почувства заобикалящият ни свят по-близък и естествен; а и човека -непосредствена част от Природата. Красотата и емоционалното въздействие на явление, обхващащо Слънце, Земя, атмосфера, геомагнитно поле, взаимодействие на лъчение с веществото, йонизация и рекомбинация, дисоциация и асоциация /кавото е полярното сияние/, несъмнено би предизвикало интереса на всяка аудитория и особено на учениците.

Анализът, макар и не строг, на такива явления, при преподаването на раздели като Оптика, Електричество и Магнетизъм, Атомна физика би дало допълнителен стимул на ученика да вникне и да се стреми да разбере това, което му поднася преподавателя в рамките на задължителното съдържание.

ЛИТЕРАТУРА

1. Волощук В.М., Седунов Ю.С., "Процеси коагуляции в
дисперсннх системах" Л., Гидрометеоиздат, 1974

2. Мазин И.П., "Сравнение зффективности различнмх механизмов
коагуляции", "Труда ЦАО", 1971

3. Нефедьева А.И., Астономическая рефракция - "Известнне
астрономические обсерватории", ч.1,1968, К36; ч.2,1973, К40

4. Селезнева Е.С., "Атмосферние аерозоли", Л., Гидрометеоиздат,
1966

5. З.Хргиан А.Х., "Физика атмосфери", Л., Гидрометеоиздат, 1972,2

6. Хюлст ван дер, "Разссеяние света малнми частицами", М., Изд-во
иностр. Лит., 1961

7. Гроздев Кр., Ненова Н., Вацкичев Л., Колева И., "Физика" - 7.
клас, Булвест 2000, София, 1999

8. Христакудис М., Максимов М., "Физика" - 10. клас, Булвест
2000, София, 2001

9. S.Chapman , J.Bartles, ’’ Geomagnetism’’, Clarendon, Oxford, 1940

10. Сп. "В мире науки", бр. 9/98, 3/99, 5/99, 7/99

11. Бейтс Д., "Физика верхней атмосфери", Физико -
математической литератури, Москва, 1963

Napred.BG е търсачка от българи за българи.

Повече от година работим тя да става все по-добра.

Tя има шанс за успех само, ако вие ни помогнете, като я опитате, харесате и споделите!

Подобно на Уикипедия ще опитаме да се издържаме по некомерсиален начин. Може да ни помогнете в тази насока, като ни направите дарение.

Може да сигнализирате грешка, да предложите сайт или да се свържете с нас през Facebook.

За уебмастъри:
Ако сложите линк към нас, ще сме Ви много благодарни! Ако искате банер, само ни пишете какъв размер и ще ви предоставим.