Урок 13. Взаимодействие поля и вещества. Цвет и спектры
Предмет: Естествознание, 10 класс

Конспект урока

Естествознание, 10 класс

Урок 13. Взаимодействие поля и вещества. Цвет и спектры

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме;

Как взаимодействуют поле и вещество;

Чем определяется цвет веществ;

Волновые свойства света;

Что такое спектры веществ;

Какое тело называют абсолютно черным;

Что даёт исследование спектров веществ;

Глоссарий по теме:

Спектр излучения – совокупность частот (длин волн), содержащихся в излучении.

Дисперсия – зависимость показателя преломления среды от длины световой волны.

Спектр светового потока – характеристика, показывающая интенсивность и длину волн (частот), из которых этот поток состоит.

Спектр линейчатый – спектральные линии, имеющие определенную интенсивность и разделенные темными промежутками.

Спектр сплошной – спектральные линии излучения без разрыва.

Интенсивность излучения - величина, характеризующая количество энергии, переносимой волной в направлении распространения.

Абсолютно черное тело – идеализированная модель тела, которое способно полностью поглощать все падающие не него излучения любой длины волны при любой температуре; позволяет плодотворно излучать закономерности теплового излучения.

Тепловое излучение – излучение, испускаемое нагретым телом.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Естествознание. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017: с 59-62.

Спектр (Статья) Универсальная научно-познавательная энциклопедия «Кругозор» http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/SPEKTR.html

Сайт Наука детям http://virtuallab.by/publ/fizika/optika/39

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Единство поля и вещества, представляющих собой формы существования материи, связано с их взаимодействием. Признавая поле материальным, мы делам вывод, что поле воздействует на вещество с определенной силой. С другой стороны, если свет представляет собой электромагнитное поле, то, вспомнив любой источник света, можно сделать умозаключение - источником поля является вещество. На этом уроке попробуем разобраться с цветом и спектрами, иллюстрирующими специфические формы взаимодействия вещества и поля.

В повседневной жизни мы видим многообразие цветов. Чтобы разобраться с этим, нужно обратиться к опытам И. Ньютона, который одним из первых провел опыты по исследованию цвета. Занимаясь усовершенствованием линз, его заинтересовала радужная полоска по краям изображения. В 1666 году поставленный им опыт показал, что солнечный свет, проходя через призму, дает разноцветную полоску, которую он назвал спектром. В спектре солнечного света можно различить семь основных цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. При этом, соединив этот спектр с помощью собирающей линзы, снова образуется белый свет. И. Ньютон делает вывод, что цвет не является свойством тела, как это считалось ранее. Он делает важный вывод, что наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, меньше всех – красные. Эту зависимость преломления света от его цвета Ньютон назвал дисперсией.

Позднее Томас Юнг, опытным путем обнаруживает, что свет обладает волновыми свойствами. И установил, что каждому цвету соответствует волна определённой длины. Следовательно, наши зрительные ощущения цвета связаны с разным действием электромагнитных волн на светочувствительные клетки (рецепторы сетчатки) глаза. Например, некоторые животные не различают цвета, а другие воспринимают только один цвет.

При этом, в чем физический смысл того, что трава зеленая, а небо голубое? Чтобы ответить на этот вопрос нужно вспомнить общую характеристику поля и вещества как энергия.

При взаимодействии энергия может поглощаться, излучаться, отражаться и преломляться. Если при взаимодействии частиц вещества с электромагнитным полем, поле отдает энергию веществу, то волна поглощается. Противоположный процесс, когда вещество создает энергию поля – излучение. Возможны взаимодействия, когда энергия не изменяется, а меняется направление распространения. Следовательно, цвет является результатом взаимодействия поля и вещества.

Приведем примеры.

Если тело полностью поглощает всю энергию света, то оно для нас будет выглядеть черным. Когда поверхность для нас выглядит синей (в белом свете), это означает, что при взаимодействии все электромагнитные волны были поглощены и только волны соответствующие синему цвету отразились. При этом, если тело белое, это значит, что оно полностью отразит энергию электромагнитных волн всех длин волн. Ну и наконец, пламя газовой горелки окрашено голубым цветом: вещество в момент горения излучает энергию в диапазоне этого цвета.

Свойства разных веществ по-разному взаимодействовать с электромагнитным полем, дают подробную информацию о составе и структуре вещества.

Белый свет создает сплошную картинку цветов плавно переходящих от одного к другому. Такой спектр называют сплошным (непрерывным):

Если испарить частицу вещества и нагреть ее, чтобы она стала светиться, то спектр получится как набор отдельных узких полосок определенного цвета. При этом у каждого вещества свой неповторимый спектр:

Если не нагревать частицу вещества, тогда при пропускании белого света, атом поглотит характерные для него излучения:

Спектры светового потока, по своей сути, характеристика, показывающая интенсивность и длину волны (частоту), из которой этот поток состоит. Спектры у каждого атома неповторимы. Исследуя спектр вещества однозначно можно определить его состав.

Если посмотреть на распределение энергии в спектрах излучения абсолютно черного тела (при разных температурах черного тела и Солнца заметно, что максимум интенсивности солнечного излучения приходится на волны соответствующие желтому цвету).

Не менее интересен вопрос откуда берется свет. Чтобы тело стало излучать электромагнитные волны, они должны обладать достаточной энергией. Эта энергия, позволяющая веществу излучать свет может быть получена в результате разных процессов. Если эта энергия связана только с энергией теплового (хаотического) движения атомов и молекул вещества, т.е. за счет внутренней энергии, тогда мы имеем дело с тепловым излучением. Оно характерно для любого нагретого тела. Даже наши тела постоянно излучают тепловую энергию, только она не видна, т.к. находится в области инфракрасных волн. При высоких температурах излучаются короткие электромагнитные волны, при низких преимущественно длинные. Тепловое излучение имеет сплошной спектр – содержит электромагнитные волны всех длин волн от нуля до бесконечности. Другими словами спектр содержит от радио до гамма диапазонов, включая и диапазон волн видимого света.

Интенсивность светового излучения нагреваемого тела меняется от температуры. Так нагревая кусок железа, мы можем нагреть его настолько, что он начинает светиться красным цветом. Повышая температуру, мы можем раскалить его до бела. Таким образом, интенсивность излучения возрастает с увеличением температуры нагрева тела и уменьшением длины волны.

Излучение звёзд и Солнца имеет спектральный состав, близкий к спектральному составу излучения черного тела. Что позволяет к ним применять законы теплового излучения черного тела. Таким образом, астрономы по цвету звезд могут определить их температуру. В частности, выяснили, что температура наружных слоев Солнца приблизительно 6170 К.

Резюме теоретической части

Поле и вещество взаимосвязаны и взаимодействуют между собой. Одним из примеров взаимодействия являются цвет и спектры. Свет, обладая волновой природой, переносит импульс и энергию. Свет и вещество могут взаимодействовать, при этом энергия может поглощаться, излучаться, отражаться и преломляться. Что и определяет цвет вещества.

Белый свет представляет собой совокупность различных длин волн. Пучок света при прохождении через призму распределяется по длинам волн в спектр.

Свойства разных веществ по-разному взаимодействовать с электромагнитным полем, дают подробную информацию о составе и структуре вещества. На этом свойстве основан спектральный анализ веществ.

Изучая спектры можно оценить энергию, которую переносит излучение. Такая характеристика волн называется интенсивностью. Эта характеристика зависит от температуры и длины волны.

Источником света могут быть нагретые тела. При этом, чем выше температура, тем ниже длина электромагнитных волн.

Изучение спектров излучения позволяет определить химический состав, температуру и другие параметры.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля.

Задание 1. Расположите цвета в порядке уменьшения показателя преломления.

Варианты: красный, синий, жёлтый, оранжевый, фиолетовый, зелёный

Ответ: Фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый, красный

Пояснение: Показатель преломления связан с длиной волны. Чем больше длина волны, тем меньше электромагнитная волна изменяет направление распространения и наоборот. С самой маленькой длиной волны из видимого спектра электромагнитных волн являются красные, самую большую длину волны – фиолетовые.

Задание 2. На изображениях представлены изображения двух спектров линейчатого и сплошного. Установите соответствие между рисунком и типом спектра.

1.

????

2.

????

3.

????

Ответ:

1.

Сплошной спектр

2.

Линейчатый спектр

3.

Линейчатый спектр

Пояснение: Только первый спектр является непрерывным, т.е. сплошным. Второй и третий спектры имеют разрывы. Спектр 2 – спектр излучения, Спектр 3 – спектр поглощения.