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

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!