Urszula Łucznik
Nauczycielka fizyki w I LO im. B. Limanowskiego w Warszawie.

TEMAT
Dualizm falowo – korpuskularny z programem FOTONY

ZAKRES NAUCZANIA
rozszerzony

PROGRAMY:
FOTONY
jest to symulacja uzyskiwania na ekranie obrazów, jakie tworzy strumień fotonów po przejściu przez szczelinę bądź układ szczelin.
FALE/Interferencja fal na płaszczyźnie
symulacja obrazu interferencyjnego, który tworzy się w wyniku nałożenia dwóch fal w ośrodku dwuwymiarowym.

FORMY PRACY
Lekcja przeprowadzona z rzutnikiem i komputerem w pracowni fizycznej lub komputerowej z grupą uczniów.

CELE LEKCJI

• zapoznanie uczniów z korpuskularnym ujęciem teorii światła
• omówienie zjawiska dyfrakcji i interferencji strumienia fotonów, czyli cząstek posiadających określoną energię.

POZIOM WIEDZY WSTĘPNEJ

• Uczeń zna i rozumie zjawiska falowe: dyfrakcję i interferencję. Zna warunek na wzmocnienie i wygaszenie interferujących fal.
• Wie, że odkryto i zbadano zjawiska świetlne, których nie można było wyjaśnić na gruncie falowej teorii światła np. efekt fotoelektryczny.
• Wie, że światło jest falą elektromagnetyczną, jednocześnie jest również strumieniem fotonów – kwantów świetlnych, czyli cząstek posiadających określoną energię.
• Zna związek między kwantowymi i falowymi właściwościami: E= h·ν.

PRZEBIEG LEKCJI
1. Obserwacja obrazu tworzonego przez strumień fotonów o małej gęstości. Wyjaśnienie statystycznej natury obrazu – elektron “ wybiera” drogę.
2. Analiza obrazu dyfrakcyjnego przez jedną szczelinę o różnych szerokościach. Umieszczenie wyników symulacji w tabeli poniżej.
s – szerokość szczeliny
λ – długość fali,
710nm – światło czerwone,
530nm – światło zielone
460nm – światło niebieskie
Δα – odległość kątowa pomiędzy pierwszym i drugim minimum

3. Analiza obrazu dyfrakcyjnego dla dwóch szczelin – obserwujemy jak się zmienia obraz wraz ze zmianami parametrów.
4. Porównanie obrazu interferencyjnego dwóch fal na płaszczyźnie z obrazem dyfrakcyjnym dla fotonów po przejściu przez dwie szczeliny. Obraz falowy jest skonstruowany dla punktowych źródeł falowych, aby porównać obraz dyfrakcyjny dla fotonów należy przyjąć możliwie najmniejszą szerokość szczeliny.

5. Zwrócenie uwagi na niepewności pomiarowe.

SPODZIEWANE EFEKTY
1. Obserwacja obrazu tworzonego przez strumień fotonów o małej gęstości pozwala na stwierdzenie, że padanie poszczególnych fotonów jest przypadkowe, a po przejściu przez szczelinę docierają one z różnym prawdopodobieństwem do różnych obszarów ekranu.
2. Przekonanie się, że natężenia światła jest proporcjonalne do prawdopodobieństwa znalezienia fotonu w danym miejscu, a własności falowe wynikają ze statystycznego charakteru prawa rozchodzenia się ich w przestrzeni.
3. Postawienie pytania: skoro stwierdzono, że fale świetlne mają podwójną naturę, to czy cząstki też nie mogą zachowywać się jak fale?

PRACA DOMOWA

• Jaki warunek musi być spełniony, aby zaobserwować dyfrakcję na jednej szczelinie? Czy w otoczeniu możemy obserwować obrazy dyfrakcyjne?
• Zapoznaj się z hipotezą de Broglie΄a.
• Na podstawie dostępnych informacji (internet, książki) roztrzygnij problem: “Elektron – fala czy cząstka?”

UWAGI DOTYCZĄCE REALIZACJI LEKCJI
W punkcie 2 wypełnienie w zeszytach lub na tablicy prostej tabelki znacznie ułatwia zaobserwowanie prawidłowości w oglądanych obrazach dyfrakcyjnych.

Analiza obrazu dyfrakcyjnego fotonów po przejściu przez jedna szczelinę

Poniżej przedstawiam tabelkę wykonaną do punktu 4 w sposób charakterystyczny dla badania obrazów interferencyjnych dla fal na płaszczyźnie.
Widać, że zależności są takie same dla dyfrakcji fotonów na dwóch szczelinach. Zgodność ze znanym wzorem jest słabsza niż w pomiarze w programie FALE, co wynika z większej niepewności odczytu kąta w programie FOTONY.