ВУЗ ШАГ
   

Синельниківська загальноосвітня школа І-ІІІ ступенів № 1

 

Лазери

Природничий профіль навчання

Підготувала вчитель інформатики та фізики Безуглова Н.М.

 

Мета:  Познайомити учнів із принципом дії квантових джерел світла, властивостями лазерного випромінювання, основними сферами застосування лазерів; закріпити знання про квантовий характер випромінювання та поглинання світла атомом. Навчити використовувати інформаційні технології для навчання та розвиту. Розвивати кругозір учнів, логічне мислення, пам’ять; вміння орієнтуватися в інформаційному просторі; прагнення до знань основних здобутків світової науки та сучасних технологій, напрямків розвитку науково-технічного прогресу.  Виховувати практичність та цілеспрямованість, доброзичливість, культуру поведінки, вміння працювати в колективі; виховувати інформаційну культуру, допитливість, інтерес до науки та досліджень, сприяти професіональній орієнтації учнів.

 

Тип уроку:   Комбінований  

 

ПЛАН УРОКУ: 

І. Організаційний етап

1. Оголошення теми та мети уроку, його ролі в даній темі та курсі фізики в цілому.

2. Постановка перед дітьми цілі та розкриття методів її досягнення на уроці

ІІ. Перевірка знань.

1.Робота в парах, виконання індивідуальних завдань.

2. Фронтальне опитування.

ІІІ. Викладання нового матеріалу.

  1. Поняття про вимушене індуковане випромінювання.
  2. Принцип дії рубінового лазера.
  3. Властивості лазерного випромінювання.
  4. Застосування лазерів.
  5. Роль вітчизняних учених у створенні квантових генераторів світла.

ІV. Первинна перевірка засвоєних знань. Тестовий контроль.

V.  Закріплення знань.

1.Чим відрізняється випромінювання лазера від випромінювання лампи розжарення

VІ. Підсумки уроку.

1. Вільний мікрофон. Прокоментувати вислів: "Принцип дії та будова лазера – це занадто специфічні знання. Достатньо знати сфери їх застосування".

2. Оцінювання.

Домашнє завдання: опрацювати §80. Задачі №94, 95 підручника С.У.Гончаренко "Фізика11", стор 308

 

 

 

 

ХІД УРОКУ

І. Організаційний етап

1. Оголошення теми та мети уроку, його ролі в даній темі та курсі фізики в цілому.

Якщо аналізувати історію людства, то відомо всім, що це суцільна історія війн, розвитку зброї. Так вже створена людина – їй треба все і одразу. Легенда про Архімеда розповідає, як простим віддзеркаленим та сфокусованим променем сонця було вщент знищено ворожу ескадру, відголоски розвитку науки початку 20 століття знайшли своє втілення в знаменитому "блок-бастері того часу "Гіперболоїд інженера Гаріна", де розповідалось про надпотужні руйнівні можливості світлового пучка променів на відстані в декілька кілометрів! Найдалі за всіх, мабуть, зайшов Стівен Кінг – його героїня, маленька дівчинка могла підпалювати просто поглядом!

Насправді то, все це, нажаль, не можливо. Неможливо отримати паралельний пучок світла, про це свідчать закони розсіювання, дифракції та інтерференції світла, а також закон збереження енергії. Щоб підпалити дрова на відстані в 1 км, необхідно дзеркало діаметром 500 м та джерело світла, яскравість якого більша за яскравість Сонця всього тільки… в мільйон разів.

Неможливо, якщо не знати законів квантової фізики! Адже ми з вами звикли, що саме цей розділ фізики багатий на парадокси та несподіванки, з якими ми зустрічаємось майже на кожному уроці.

Тема нашого уроку: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. В перекладі це означає підсилення світла за допомогою індукованого випромінювання. Абревіатура, що складається з перших букв назви, утворює слово, що знають всі, проте мало знає, що саме воно означає.

2. Постановка перед дітьми цілі та розкриття методів її досягнення на уроці

Мета: ознайомити вас із основними сферами застосування лазерів, з принципом їх дії, властивостями лазерного випромінювання. Сподіваюсь, що наприкінці уроку кожен зможе сказати, чим саме відрізняється лазер від звичайних джерел світла. Думаю, що в цьому нам сьогодні допоможе наше з вами вміння використовувати цифрові технології та ресурси Інтернету, а також вміння аналізувати інформацію та ефективно її використовувати. Кожен з вас на початку уроку отримав технологічні картки і ознайомився із їх вмістом. Протягом уроку вам пропонується заповнити їх, тим самим фіксуючи інформацію, яку отримуватимете.

Технологічна картка уроку

Термін

Значення

Лазер

 

Спонтанне  випромінювання

 

Індуковане випромінювання

 

Інверсія заселення енергетичних рівнів

 

Монохроматичність випромінювання

 

Лампа накачування

 

 

 

Але на початку, хочу зазначити, що цієї мети ми не зможемо досягти, якщо не маємо базових знань та уявлень про будову атома. Тож і спробуємо перевірити наші знання, а заодно і закріпити.

ІІ. Перевірка знань.

Питання для опрацювання в парах.

1. На яких умовах буде відбуватися підсилення двох електромагнітних хвиль?

Очікувана відповідь: Хвилі повинні бути когерентними – мати однакову частоту, та незмінний зсув фаз в кожній точці простору. Амплітуда – не входить в умову когерентності хвиль. 

2. Чому звичайні джерела світла не можуть створити стійкої інтерференційної картини?

Очікувана відповідь: Звичайні джерела світла не можуть створити стійкої інтерференційної картини, так як атоми джерел випромінюють кванти світла незалежно один від одного, стійкого посилення або послаблення коливань в будь якій точці простору отримати неможливо, воно хаотично  змінюється в часі.  

  3. За яких умов атом буде поглинати світло?

Очікувана відповідь: Коли енергія фотонів, що поглинаються, буде дорівнювати різниці енергій незбудженого та збудженого станів атома.

4. При проходженні  електричного струму  по вольфрамовій нитці лампи накалювання випромінюється світло. Пояснити, чому це відбувається.

Очікувана відповідь: Тепловий рух частинок в розпеченому тілі призводить до того, що їх електрони опинились у збудженому стані, який дуже нестійкий. Майже миттєво вони повертаються в нормальний стан на основні орбіти, віддаючи при цьому надлишок енергії, що отримали, у вигляді світла.

5. Задача: Для іонізації атома Оксигену необхідна енергія близько 14еВ. Знайти частоту випромінювання, яке може викликати іонізацію (3, 4.10-15 Гц)

Фронтальне опитування.

1.Сформулювати постулати Бора.

2. Атом переходить  з основного стану в збуджений. Випромінює він енергію чи поглинає?

3. Переходи з яких рівнів на які відповідають видимій частині спектру Гідрогену? Яку назву мають ці переходи?

4. Яке значення енергії атома водоводу на першому енергетичному рівні?

 

ІІІ. Викладання нового матеріалу.

1. Поняття про вимушене індуковане випромінювання.

Дійсно,  в процесах випромінювання світла, навіть такого невеликого джерела, як свічка, приймають участь мільярди мільярдів атомів. Їх збудження відбувається неодночасно, тому і віддача енергії теж неодночасна, невпорядкована, з вилучанням квантів різної довжини хвилі.

На відміну від подібних джерел в лазері, генерується в високій мірі впорядковане, когерентне випромінювання, що характеризується монохроматичністю (тобто узгодженістю випромінювання атомів лазеру) та високою направленістю. Як досягти такого випромінювання?

Роздивимось незбуджений атом, на який падає фотон. Відбудеться поглинання енергії, атом перейде в збуджений стан. Інший випадок: нехай атом вже є збудженим. Тоді можливі два варіанти розвитку події: атом спонтанно випромінює фотон і знову переходить в основний стан(такий процес називають спонтанним випромінювання), або на збуджений атом падає фотон, який не поглинається, навпаки, він ініціює випромінювання з даного атому ще одного фотона. Такий процес називається вимушеним, або індукованим випромінюванням.

Саме процес індукованого випромінювання грає в лазері визначальну роль. Пролітаючи повз збуджених атомів, індуковані фотони в свою чергу будуть ініціювати народження нових і нових фотонів: всі вони будуть мати однакову енергію, рухатись в одному напрямку, час народження їх буде узгодженим – тобто має місце когерентне випромінювання.

Що ж для цього потрібно? Потрібно, щоб процеси індукованого випромінювання переважали над спонтанним випромінюванням та поглинанням. Треба щоб більшість незбуджених атомів переселилась на більш високий енергетичний рівень. Такий стан називають інвертованим, кажуть, що має місце інверсія енергетичних рівнів. Як досягти такого стану?

2. Принцип дії рубінового лазера.

На практиці такий стан реалізується, наприклад в рубіні, що представляє собою оксид алюмінію, в кристалічних ґратках  якого присутні іони хрому. Хром поглинає жовте та зелене випромінювання та пропускає червоний та помаранчевий кольори. Для збудження іонів хрому використовують допоміжне випромінювання: лампу-сполох. Імпульси світла, що вона утворює, поглинаються іонами хлору. Таку лампу називають лампою накачування.

Поглинувши фотон зеленого світла, іон переходить з рівня 1 на рівень 2. Там він існує дуже малий час і переходить на рівень2, де знаходиться вже більше часу. В результаті здійснюється можливість створення інверсії населеності рівнів: на другому їх буде більше, ніж на першому.

Щоб створити умови для створення лавини, що поширюється в одному напрямку, використовують циліндричний стержень рубіну – 10 см в довжину та 0,5 в ширину, з обох боків торці сріблять, обточують строго паралельно один одному.

Роздивимось ті процеси, що відбуваються в рубіні. Накачка лампи сполоху приводить атому хрому в збуджений стан. Далі народжується фотонна лавина, яка ініціюється фотонами які народились в результаті спонтанного випромінювання. Фотонна лавина здатна віддзеркалюється багато разів від торців кристалу, значно при цьому підсилюючись. Спонтанні фотони, що вилітають під кутом до осі кристалу, дуже швидко покинуть рубін через його прозорі сторони, участі у загальному випромінюванні не візьмуть, а свою лавину утворити не вспіють. Таким чином, процеси, що відбуваються в кристалі рубіну, утворюють лазерний імпульс (короткочасне випромінювання)   

3. Властивості лазерного випромінювання. Робота з підручником.

  • Вузька направленість.
  • Висока монохроматичність.
  • Висока когерентність просторова та когерентність в часі.
  • Можливість фокусування випромінювання, отримання зображень, які яскравіше за джерела світла.
  • Надвисока потужність. У вузькому інтервалі спектру короткочасно 10-11 с досягається потужність випромінювання 1012-1013Вт з кожного квадратного сантиметру в порівнянні із Сонцем, яке дає 7.103 Вт з кожного квадратного сантиметру.
  1. Застосування лазерів. Роль вітчизняних учених у створенні квантових генераторів світла. Доклади учнів о сферах застосування лазера.
  2. Роль вітчизняних учених у створенні квантових генераторів світла.

 Кому саме належіть ідея створення квантового генератора? В 1917 році Ейнштейн, а пізніше - в 1940 році наш співвітчизник Валентин Олександрович Фабрикант вказували на можливість отримання індукованого випромінювання світла атомами. В 1954 році радянські вчені Микола Геннадійович Басов  та Олександр Михайлович Прохоров та незалежно від них американський вчений Чарльз Таунс застосували явище індукованого випромінювання для створення мікрохвильового генератора радіохвиль. В 1960 році в США створено квантовий генератор електромагнітних хвиль у видимому діапазоні спектра - лазер (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. В перекладі це означає підсилення світла за допомогою індукованого випромінювання.) В 1963 році ці вчені були нагороджені Нобелевською премією

 

ІV. Первинна перевірка засвоєних знань. Тестовий контроль.

1. У стані іонізації атом має максимальну енергію, яка дорівнює

А) – 13,6 еВ          Б) 13,6 еВ,      В) 1, 6.10-19Дж    Г) 0

2. З якою метою в лазерній установці застосовують лампу накачування?

А) сполох лампи безпосередньо створює лавину фотонів  в кристалі рубіну;

Б) сполох лампи створює інверсію заселення енергетичних рівнів;

В) сполох лампи вибиває електрони з поверхні рубіну, які, рухаючись із прискоренням  утворюють електромагнітну хвилю високої потужності.

3. Синонімом слова ЛАЗЕР є слова:

А) лампа накачування

Б) квантовий генератор світла

В) інверсія енергетичних рівнів

Г) мікрохвильовий генератор радіохвиль

4. Монохроматичність  випромінювання - 

А) утворення електромагнітної хвилі внаслідок випромінювання окремого атому хрому

Б) узгодженість випромінювання атомів лазеру

В) незалежність випромінювання атомів джерела світла один від одного

5. Спонтанне випромінювання:

А) випромінювання атомом фотону під впливом зовнішнього впливу

Б) самовипромінювання

В) миттєве випромінювання внаслідок поглинання дуже великої порції енергії

6. В рубіновому лазері використовують кристал рубіну, в якого посріблено:

А) всю поверхню

Б) тільки бокові стінки,

В) тільки два торці

Г) бокові стінки та один торець

V.  Закріплення знань.

1.Чим відрізняється випромінювання лазера від випромінювання лампи розжарення

VІ. Підсумки уроку.

1. Вільний мікрофон. Прокоментувати вислів: "Принцип дії та будова лазера – це занадто специфічні знання. Достатньо знати сфери їх застосування".