Методический электронный образовательный центр Министерства образования Оренбургской области и Оренбургского государственного университета
Методический электронный образовательный центр Министерства образования Оренбургской области и Оренбургского государственного университета
Название предмета: физика
Класс: 11
УМК: учебник Физика 11 класс, Г.Я. Мякишев, 2010
Уровень обучения: базовый
Тема урока: «Лазеры»
Общее количество часов, отведенное на изучение темы: 14
Место урока в системе уроков по теме: раздел «квантовая физика»-7 урок
Цель урока: на примере лазера показать как развитие фундаментальной науки (квантовой теории) приводит к прогрессу в самых различных областях техники.
Задачи урока:
изучить устройство и принцип действия лазера, применение его в науке и технике;
систематизация, классификация и обобщение знаний учащихся на примере развития квантовой физики.
воспитывать патриотизм и гордость за открытия, сделанные учеными нашей страны.
Планируемые результаты:
обучающиеся должны знать: понятие «лазер», свойства лазера, применение лазера;
обучающиеся должны уметь: объяснять принцип действия лазера; отличать излучение
лазера от излучения лампы накаливания;
наблюдать действие лазера.
Техническое обеспечение урока:
1. Мульмедийный проектор.
2. Презентация к уроку
Дополнительное методическое и дидактическое обеспечение урока:
сайт: https://infourok.ru/razrabotka_uroka_po_fizike-297649.htm http://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/srednjaja-shkola/fizika/84081-prezentacija-k-uroku-po-teme-lazery-11-klass.html
Содержание урока:
1. Оргмомент
2. Актуализация знаний:
Проверочная работа по 5 заданий 2 варианта:
I вариант:
1) Электрон, связанный с атомом, при переходе с более удаленной на менее удаленную от ядра атома орбиту в момент перехода… (Ответ: излучает энергию)
2) Определите минимальную энергию возбуждения атома водорода, если его энергия в нормальном состоянии Е=-13,53эВ. (Ответ: 3,39эВ)
3) С ростом главного квантового числа n (энергетического уровня атома) энергия стационарного состояния атома … ( Ответ: увеличивается)
4) Электрон в атоме водорода перешел с пятого энергетического уровня на второй. Как при этом изменилась энергия атома? (Ответ: уменьшилась)
5) Что с точки зрения планетарной модели атома резерфорда удерживает электроны и не позволяет им разлетаться? ( Ответ: кулоновские силы)
II вариант:
1) Электрон, связанный с атомом, при переходе со второй орбиты на четвертую …(Ответ: поглощает энергию)
2) Определите минимальную энергию кванта, поглощенного атомом водорода, если при этом электрон перешел с первого на третий энергетический уровень. Энергия первого энергетического уровня Е=-13,53эВ. (Ответ: 12,02эВ.)
3) Состояние атомов, соответствующее всем разрешенным энергетическим уровням, кроме низкого, называется… (Ответ: возбужденным)
4) Электрон в атоме водорода перешел с первого энергетического уровня на третий. Как при этом изменилась энергия атома? (Ответ: увеличилась)
5) Электрон и протон движутся с одинаковой скоростью. Какой из этих частиц соответствует меньшая энергия? (Ответ: электрону)
3. Объяснение нового материала
Академик Н.Г. Басов на вопрос, что такое лазер, отвечал: « Лазер-это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля - лазерный луч. При таком преобразовании часть энергии теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает более высоким качеством. Этот луч можно сфокусировать в крохотное пятнышко и получить плотность энергии, превышающую плотность энергии ядерного взрыва.»
Слово «лазер» перевод с анг. «усиление света при помощи индуцированного излучения».
Основные идеи, положенные в работу лазера:
В 1917 г А.Эйнштейн предсказал возможность индуцированного (вынужденного) излучения света атомами.
В 1940 г советский физик В.А.Фабрикант указал на возможность использования активных сред с инверсной заселенностью уровней, где возможно не поглощение, а усиление электромагнитных волн.
В 1954 советские ученые Н.Г.Басов и А.М. Прохоров и независимо от них американский физик Ч. Таунс использовали явление для создания микроволнового генератора радиоволн. За разработку нового принципа генерации и усиления радиоволн все они в 1964 году были удостоены Нобелевской премии.
В 1960 году Т.Г. Мейнапом в США был создан первый лазер – квантовый генератор электромагнитных волн в видимом диапазоне спектра.
Жорес Иванович Алферов – наш соотечественник, автор основополагающих работ в области многослойных гетероструктур, ставших основой современных полупроводниковых лазеров. Жорес Алфёров – лауреат Нобелевской премии в области физики за 2000год.
Свойства лазерного излучения:
- малый угол расхождения пучка света
- исключительная монохроматичность
- самый мощный источник света 1014 Вт/см2
- КПД – около 1%
Принцип действия лазеров:
В обычных условиях большинство атомов находится в низшем энергетическом состоянии, поэтому при низких температурах вещества не светятся. При прохождении электромагнитной волны сквозь вещество ее энергия поглощается. За счет поглощенной энергии волны часть атомов возбуждается, т.е. переходит в более высокое энергетическое состояние. При этом у светового пучка отнимается энергия, равная разности энергий между уровнями 2 и 1: hν= Е2 - Е1
Когда электрон находится на нижнем уровне, то атом поглощает падающий фотон, и электрон переход с уровня Е1 на уровень Е2. Это состояние неустойчивое, электрон самопроизвольно переход на уровень Е1 с испусканием фотона. Спонтанное излучение происходит самопроизвольно, следовательно, атом будет испускать свет несогласованно, хаотично, поэтому световые волны несогласованны друг с другом ни по фазе, ни по поляризации, ни по направлению. Это естественный свет.
Возможно и индуцированное (вынужденное) излучение. Если электрон находится на верхнем уровне Е2 (атом в возбужденном состоянии), то при падении фотона может произойти вынужденный переход электрона на нижний уровень испусканием второго фотона.
Излучение при переходе электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний с испусканием фотона под влиянием внешнего электромагнитного поля (падающего фотона) называют вынужденным, или индуцированным.
Существуют различные методы получения среды с возбужденными состояниями атомов. В рубиновом лазере используется специальная мощная лампа. Атомы возбуждаются за счет поглощения света.
Как вы думаете, двух уровней энергии для работы лазера достаточно? Нет, правильно, т.к. каким бы мощным ни был свет лампы, число возбужденных атомов не будет больше числа невозбужденных. Свет одновременно и возбуждает атомы, и вызывает в них индуцированные переходы с верхнего уровня на нижний. Выход был найден в использовании трех энергетических уровней.
На третьем уровне система живет очень мало, после чего самопроизвольно переходит в состояние Е2 без испускания фотона. Переход из состояния 2 в состояние 1 сопровождается излучением фотона, что и используется в лазерах.
Процесс перехода среды в инверсное состояние называется накачкой. Чаще всего для этого используют облучение светом (оптическая накачка), электрический разряд, электрический ток, химические реакции. Например, после вспышки мощной лампы система переходит в состояние 3, спустя малый промежуток времени в состояние 2, в котором живет сравнительно долго. Так создается перенаселенность на уровне 2.
Необходимые энергетические уровни имеются в кристаллах рубина.
Основная деталь рубинового лазера – рубиновый стержень. Рубин состоит из атомов Al и O с примесью атомов Cr. Именно атомы хрома придают рубину цвет и имеют метастабильное состояние. На стержень навита трубка газоразрядной лампы, называемой лампой накачки. Лампа кратковременно вспыхивает, происходит накачка.
Рубиновый лазер работает в импульсном режиме. Существуют и другие типы лазеров: газовые, полупроводниковые... Они могут работать в непрерывном режиме.
Применение лазеров:
обработка металлов (резка, сварка, плавка, сверление);
в радиоастрономии для определения расстояний до тел Солнечной системы с максимальной точностью (светолокатор);
в медицине (хирургические операции…)
для получения объемных изображений (голография);
связь (особенно в космосе);
запись и хранение информации (лазерные диски);
в химических реакциях;
для осуществления термоядерных реакций в ядерном реакторе;
ядерное оружие
4. Закрепление нового материала
1) Что такое лазер? Назовите свойства лазера?
2) Чем отличается излучение лазера от излучения лампы накаливания?
3) Объясните принцип действия лазера?
4) Какие фамилии ученых вы запомнили?
5) Перечислите основные сферы применения лазеров?
5. Домашнее задание
§ 96, написать мини-сочинение на тему «Лазерные технологии»
6. Подведение итогов урока
Список литературы:
1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. Физика 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни – 19-е изд. – М.: Просвещение, 2010 г.
2. Волков В.А. Поурочные разработки по физике: 11 класс. – М.: ВАКО, 2011. – 461с.
Автор(ы): Картбаева А. С.
Скачать: Физика 11кл - урок.docxАвтор(ы): Картбаева А. С.
Скачать: Физика 11кл - Презентация к уроку.pptx
