...
ДИПЛОМНА РОБОТА “ПОСТАНОВКА ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМУ З ФІЗИКИ НА ОСНОВІ ЛАЗЕРНОЇ ТЕХНІКИ PDF Печать E-mail

ДИПЛОМНА РОБОТА
“ПОСТАНОВКА ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМУ З ФІЗИКИ НА ОСНОВІ ЛАЗЕРНОЇ ТЕХНІКИ


Вступ    ……………………………………………………………….    с. 3
І. Аналіз стану використання лазерної техніки при постановці
навчального експерименту
1.1. Теоретичні основи оптичних квантових генераторів………    с. 5
1.2. Сучасний стан використання лазерної техніки в
навчальному процесі………………………………………….    с. 20
1.3. Умови використання лазерів при постановці навчальних
експериментів різного виду………………………………….    с. 31
ІІ. Методичні особливості постановки фізичного практикуму
на основі ОКГ
2.1. Постановка робіт з геометричної оптики…………………    с. 38
2.2 Роботи з вивчення інтерференції…………………………        с. 43
2.3 Постановка та проведення експерименту при вивченні
хвильових властивостей світла у темі
“Дифракція світла”…………………………………………    с. 52
2.4 Роботи на дослідження поляризації……………………….    с. 62
ІІІ. Педагогічний експеримент…………………………………    с. 77
Висновки    ……………………………………………………..        с. 80
Література……………………………………………………….    с. 81

ВСТУП
Сьогодення загальноосвітньої школи вимагає інтенсивних і високо ефективних технологій навчання. В цьому ключі розробляються навчальні програми та посібники, які здатні змінити традиційні підходи до вивчення   предметів природничо-математичного спрямування в бік удосконалення змістових та практичних знань, умінь та навичок учнів. Однак аналіз науково-педагогічних джерел показує, що частка натурального фізичного експерименту в загальній методології навчання фізики невпинно скорочується. Демонстраційний та й лабораторний експеримент дедалі частіше замінюється моделюванням ситуацій за допомогою ПЕОМ та відповідного програмного забезпечення. Разом з тим, розвиток сучасної техніки дозволяє все більш інтенсивніше застосовувати різноманітні пристрої із властивостями, які наочно демонструють досягнення науково-технічного прогресу. В першу чергу це відноситься до джерел когерентного світла – лазерів, застосування яких в навчальному шкільному експерименті сприяє як поглибленню знань учнів з окремих розділів  фізики, так і розвитку експериментального способу пізнання реальної дійсності та пізнавального інтересу до вивчення фізики, як науки.
Наше дослідження присвячено вивченню можливостей використання в навчальному фізичному експерименті лазерної техніки для підвищення ефективності занять з фізики в загальноосвітній школі в умовах практикуму.
Актуальність проблеми використання на уроках фізики лазерних установок обумовлена постановкою перед середньою загальноосвітньою школою завдань комплексно розв’язувати навчально-виховні проблеми, реалізація яких вимагає підвищення якості знань і активності учнів в навчальному процесі, розвитку в них логічного мислення та пізнавальних здібностей. Проблема впровадження і використання лазерів в навчально-виховному процесі у середній школі виникла у другій половині минулого століття. Їх поява зумовлена бурхливим розвитком експериментальних досліджень в галузі квантової електроніки. Тому це питання потребує подальшої розробки як з педагогічної, так і з психологічної та методологічної точок зору.
Мета дослідження полягає в вивченні можливостей підвищення ефективності фізичного експерименту в умовах практикуму при використанні навчальних лазерів.
Об’єктом дослідження визначено процес організації та проведення навчального фізичного практикуму  з фізики у середній школі.
Предметом дослідження є постановка робіт лабораторного практикуму з фізики з використанням лазерної техніки в 11 класі.
Методологічну основу досліджень складають основні теорії пізнання, відображення, принципу єдності свідомості та діяльності, діалектична концепція розвитку, яка обумовлює появу нової якості у процесі зміни кількісних характеристик явищ.
Наукова новизна дослідження полягає:
1.    в розкритті методологічних особливостей використання лазерної техніки в ході проведення навчального експерименту при вивченні оптики.
2.    виявленні умов підвищення ефективності демонстраційного експерименту з фізики у середній школі.
3.    розробці системи завдань для проведення фізичного експерименту з використанням лазера ЛГ-72.
Практична цінність дослідження визначається формуванням технологічної схеми підготовки і організації лабораторних досліджень в ході фізичного практикуму в 11 класі загальноосвітньої школи.
Апробація результатів здійснювалась у приватному спеціалізованому ліцеї “Антей” під час проведення лабораторного практикуму з фізики та практикуму з шкільного фізичного експерименту з методики викладання фізики на 5 курсі.

I.    Аналіз стану використання лазерної техніки при постановці навчального експерименту.
1.1    Теоретичні основи оптичних квантових генераторів.
Пристрій і принцип роботи
У наш час вже розроблено багато різноманітних видів ОКГ, однак кожний з них складається з таких основних елементів, які забезпечують генерацію і випромінювання світла: активне середовище, оптичний резонатор, джерело збудження і живлення.
Основним елементом квантового генератора є активне середовище або робоче тіло. Робоче тіло повинно відповідати таким умовам: ширина спектральної лінії випромінювання атома чи іона повинна бути мінімальною; поглинання енергії, що не зв'язане з переходом між робочими енергетичними рівнями, повинне бути якнайменшим; час перебування збудженого атома (молекули чи іона) в метастабільному стані повинен бути якомога більшим, а час перебування збудженої частинки на верхньому залежно від типу робочого тіла лазери поділяють на твердотілі, напівпровідникові, рідинні й газові, а за режимом роботи – на прилади безперервного та імпульсного випромінювання.
Оптичні квантові генератори – це одна з трьох великих самостійних галузей розвитку сучасної квантової електроніки. До неї входять ще такі галузі: молекулярні генератори, парамагнітні підсилювачі. Велику роль у зародженні і розвитку цих галузей відіграли роботи радянських фізиків. Свідченням цього є присудження радянським ученим М. Г. Басову, О. М. Прохорову разом з американським фізиком Ч. Таунсом за фундаментальні дослідження в галузі квантової електроніки в 1964р. Нобелівської премії з фізики.
Квантова електроніка – область фізики, що вивчає теорію і методи генерації та підсилення електромагнітних хвиль шляхом індукованого випромінювання квантових систем. Індуковане випромінювання передбачив А. Ейнштейн ще в 1917р., виводячи формули Планка для рівноважного випромінювання.
Про можливість експериментального виявлення «від'ємної абсорбції» вперше було сказано у 1939р. радянським фізиком В. О. Фабрикантом у праці, присвяченій вивченню оптичних властивостей газового розряду. Але ця ідея в той час нікого не зацікавила і її забули.
Ідею використання індукованого випромінювання для генерації та підсилення електромагнітних хвиль висунули М. Г. Басов і О. М. Прохоров і незалежно від них Ч. Таунс.
З 1951 р. у фізичному інституті ім. П. М. Лебедєва проводились роботи, в результаті яких було відкрито новий метод генерації і підсилення електромагнітних хвиль, встановлено вирішальну роль когерентного індукованого випромінювання і з'ясовано роль зворотного зв'язку, що здійснюється за допомогою резонансних систем.
У 1954 р. основні наукові проблеми, створення молекулярного генератора, було розв'язано; запропоновано ефективний спосіб утворення середовища з від'ємним поглинанням (метод сортування молекул), вибрано робочу речовину (пучок молекул аміаку),з'ясовано роль об'ємного резонатора. У 1952—1955рр. було розроблено теорію стаціонарних процесів у молекулярних Про можливість експериментального виявлення “від'ємної абсорбції” вперше було сказано у 1939р. радянським фізиком В. О. Фабрикантом у праці, присвяченій вивченню оптичних властивостей газового розряду. Але ця ідея в той час нікого не зацікавила і її забули.
Ідею використання індукованого випромінювання для генерації та підсилення електромагнітних хвиль висунули М. Г. Басов і О. М. Прохоров і незалежно від них Ч. Таунс.
З 1951 р. у фізичному інституті ім. П. М. Лебедєва проводились роботи, в результаті яких було відкрито новий метод генерації і підсилення електромагнітних хвиль, встановлено вирішальну роль когерентного індукованого випромінювання і з'ясовано роль зворотного зв'язку, що здійснюється за допомогою резонансних систем.
У 1954 р. основні наукові проблеми, створення молекулярного генератора, було розв'язано; запропоновано ефективний спосіб утворення середовища з від'ємним поглинанням (метод сортування молекул), вибрано робочу речовину (пучок молекул аміаку),з'ясовано роль об'ємного резонатора. У 1952-1955рр. було розроблено теорію стаціонарних процесів у молекулярних генераторах і підсилювачах; у цей період було успішно запущено перший квантовий прилад – молекулярний генератор на пучку молекул аміаку. Паралельно в Колумбійському університеті (США) під керівництвом І Ч. Таунса в 1954 р. було запущено подібний генератор, названий мазером.
У 1955 р. М. Г. Басов і О. М. Прохоров для утворення активного середовища запропонували метод накачування у багаторівневій квантовій системі, що був з успіхом використаний для створення квантових приладів інших типів – парамагнітних підсилювачів, а пізніше лазерів. У 1957р. О. М. Прохоров запропонував використати  рубін як робочу речовину в парамагнітному підсилювачі, його й застосували в першому в СРСР парамагнітному підсилювачі (1958р.).
Перед тим, як створити оптичні квантові генератори (лазери), радянські вчені виконали значну теоретичну та експериментальну роботу. Проблеми субміліметрового квантового генератора розглядав з різних точок зору О. М. Прохоров. У 1958 р. він запропонував пристрій для генерації електромагнітних хвиль у далекій (відносно оптичного спектра) інфрачервоній області, а також новий тип резонатора у вигляді плоскопаралельних пластинок. Ще в 1957р. М. Г. Басов подав ідею використовувати напівпровідники для квантових генераторів оптичного діапазону.
У 1950р. М. Г. Басов, О. Н. Крохін, Ю. М. Попов опублікували працю, в якій проаналізували питання про робочу речовину ОКГ, а також способи утворення нерівноважних станів у них. Одночасно вчені Фізичного інституту ім. П. М. Лебедєва провели дослідження проблеми створення газового лазера.
Перший ОКГ з оптичним накачуванням створив у 1960р. Т. Мейман (США), а гелій-неоновий лазер, в якому для збудження використовувався електричний розряд, створив у 1961 р. А. Джаван (США).
Наприкінці 1962р. американським фізикам вдалось створити напівпровідниковий лазер, який ще в 1961 р. запропонували радянські фізики під керівництвом М. Г. Басова. Ця група разом з лабораторією напівпровідників Фізичного інституту ім. П. М. Лебедєва, якою керував Б. М. Вул, на початку 1963р. створила напівпровідникові лазери на арсеніді галію. Цей лазер працював у неперервному режимі.
Газові лазери. Гелій-неоновий лазер
У газових лазерах робочим тілом є газ або суміш газів. За способом накачування вони поділяються на кілька типів.
Газостатичні – це такі газові лазери, в яких активну речовину (найчастіше інертні гази: аргон, гелій, неон, криптон, ксенон тощо) збуджує електричний струм високої напруги, що подається до електродів газорозрядної трубки. Необхідну інверсну населеність енергетичних рівнів створює електричний розряд у трубці.
Газодинамічні лазери працюють за принципом нагрівання (теплового накачування) газової суміші азоту і оксиду вуглецю (IV) з наступним різким розширенням та охолодженням суміші внаслідок пропускання її через сопло з надзвуковою швидкістю. В результаті температура і тиск суміші спадають настільки швидко, що збуджені атоми (молекули) “заморожуються” в стані високих енергій, тому що вони не взаємодіють, створюється інверсна населеність енергетичних рівнів.
Електроаеродинамічні лазери. Метод накачування активної речовини в таких лазерах, на відміну від газодинамічних, ґрунтується на збудженні молекул за рахунок електричного розряду.
Електроіонізаційні газові лазери. Збудження активної речовини в таких лазерах ґрунтується на створенні під дією іонізуючого випромінювання електропровідності газової суміші: спеціально сконструйовані електронні гармати створюють потік електронів високої енергії (до 130 кеВ), які на своєму шляху іонізують молекули газової суміші. Утворені іони під дією електричного поля прискорюються і при зіткненні з молекулами газу переводять їх на вищі енергетичні рівні.
Хімічні лазери. Принцип дії цих лазерів полягає втому, що використовується для накачування енергія, яка звільняється в результаті хімічних реакцій, наприклад реакції водню і фтору або дейтерія і фтору. Звільнена хімічна енергія спричиняє інверсну населеність енергетичних рівнів молекул фтористого водню.
Існують хімічні лазери, в яких енергія для накачування створюється внаслідок вибуху хімічної суміші ізотопів водню та азотно-фтористих хімічних сполук. Хімічні лазери мають багато переваг, головна з них – немає традиційної системи накачування (випромінювання лазера відбувається за рахунок хімічної реакції) та можливість генерування електромагнітних коливань таких частот, які зазнають найменшого затухання підчас поширення в атмосфері; довжина електромагнітної хвилі залежить від використання в лазерах хімічних компонентів.
Газові лазери помітно відрізняються від інших типів ОКГ. У газоподібному середовищі інверсія населеностей відбувається на рівнях майже ізольованих частинок (атомів, іонів, молекул). Оскільки в газах взаємодія між частинками менша, ніж у твердих тілах і рідинах, лінії робочих переходів дуже вузькі, а ширина лінії генерації мінімальна і досягає 1 Гц. Газове середовище характеризується значною оптичною однорідністю, тому втрати на розсіювання та дифракційні втрати в газах мінімальні.
Гази мають відносно малу густину, тому газові лазери більших розмірів, ніж лазери на іонних кристалах та стеклах чи лазери на напівпровідниках. Лазери на газах працюють як в імпульсному, так і в неперервному режимах, причому потужність їх може бути дуже великою. Газові лазери можуть генерувати хвилі в широкому діапазоні: від рентгенівської, ультрафіолетової (?=0,2 нм) до далекої інфрачервоної області (?=400 мкм). За їх допомогою можна утворити вихідний пучок з розбіжністю приблизно 1?; ККД газових лазерів може досягати ЗО %, наприклад, для лазера на СО2.
Властивості лазерного випромінювання
Розглянемо основні властивості лазерного випромінювання.
Когерентність (від латинського слова соhoerens – той, що перебуває в зв'язку) – це узгоджене протікання в просторі та часі кількох коливальних чи хвильових процесів, що проявляється при їх накладанні. Коливання називають когерентними, якщо різниця їх фаз залишається сталою або закономірно змі¬нюється з часом.
У широкому розумінні оптична когерентність – це прояв кореляції між флуктуаціями випромінювання. Найбільш виразно і просто когерентність проявляється в дослідах з інтерференції світлових пучків. Для двох чи більше хвиль, що випромінюються різними джерелами, фази взагалі різні. Коли між фазами існує зв'язок (кореляція), то такі хвилі, а відповідно і їхні джерела, є когерентними. Якщо ж кореляції між фазами хвиль немає, то такі хвилі (джерела) вважають некогерентними.
Для реальних джерел світла виділяють два важливих окремих випадки когерентності — просторову когерентність і часову когерентність. Просторова когерентність — це кореляція між фазами хвиль, що випромінюють джерела, розміщені в різних точках простору. Таку когерентність можна продемонструвати на досліді (мал.1). Коли джерела 1 і 2некогерентні, то екран E буде рівномірно освітленим, причому інтенсивність випромінювання в будь-якій точці 3 дорівнюватиме сумі інтенсивностей джерел. Якщо ж джерела когерентні, то на екрані спостерігається інтерференційна картина, а інтенсивність на екрані змінюється від Іmin  , яка дорівнює квадрату різниці квадратних коренів інтенсивностей першого та другого джерел до Іmax яка дорівнює квадрату суми квадратних коренів інтенсивностей першого та другого джерел.

Дану роботу можна придбати по замовленню!

 

Яндекс.Метрика >