اندازه گیری سرعت نور به کمک اجاق مایکروویو - جلسه اول

تاریخچه ای از ماهیت نور از نیوتون تا اینشتین

اهداف جلسه: در این جلسه و جلسه بعد باید توضیحات خلاصه و کلی در مورد تاریخچه شناخت نور گفته شود و مراحلی

که دانشمندان طی کرده اند تا به درک فعلی از نور برسند بیان شود؛ در نهایت دانش آموز خواهد دانست که به نور باید به عنوان چه موجودی بنگرد.

وسایل مورد نیاز: یک دستگاه رایانه، برنامه مایکروسافت پاورپوینت، پروژکتور برای نمایش پاورپوینت و فیلم

(توضیحاتی در مورد فیلم : در فیلم با کمک آزمایش دو شکاف خاصیت موجی - ذره ای الکترون نمایش داده شده)

روند کار:

انتظار می رود دبیر محترم مطالب عنوان شده را به همراه اسلایدهای پاورپوینت پیش برد و در هر مرحله با ارائه توضیحات لازم به صورت شفاهی و استفاده از اسلایدهای موجود مطالب را هرچه شفاف تر برای دانش آموزان شرح دهد. (لینک پاور پوینت در پایان جلسه دوم)

در ابتدا به بیان ویژگی های نور بپردازید:

1.نور به خط مستقیم سیر می کند.

2.نور بسیار سریع حرکت می کند؛حدود 300،000 کیلومتر بر ثانیه.

3.ما اجسام را می بینیم؛ چون نور بازتابیده از آنها، به چشمان ما می رسد.

بازتاب نور و قانون بازتاب:

• شکست نور:

نور با رفتن از محیطی به محیط دیگر، مسیر حرکت و سرعتش تغییر می کند؛ به عبارتی شکسته می شود.

طبق قانون اسنل، با توجه به این که محیط دوم غلیظ تر است یا رقیق تر، مسیر پرتو نور به خط عمود نزدیک یا از آن دور می گردد. در جلسه ششم بیشتر در مورد قانون اسنل توضیح داده شده است.

• دلیل رنگی دیدن اجسام:

اجسام با توجه به خواص متفاوتی که دارند، هنگامی که نور سفید به آن ها تابیده می شود بعضی طول موج های آن را جذب و بعضی را منعکس می کنند؛ که این طول موج های منعکس شده به چشم ما می رسد و ما آن جسم را به یک رنگ خاص می بینیم.

حال به بیان تاریخچه کشف ماهیت نور بپردازید:

بیان تاریخچه نور:

نیوتون:

اولین کسی که در مورد ماهیت نور مطالعاتی داشت و آزمایشاتی را در این زمینه انجام داد اسحاق نیوتن (Isaac Newton) بود. او معتقد بود نور از ذرات تشکیل شده اند و در کتاب خود در رساله ای درباره نور نوشت؛ پرتوهای نور ذرات کوچکی هستند که از یک جسم نورانی نشر می شوند.

احتمالاً اسحاق نیوتن نور را به این دلیل بصورت ذره در نظر گرفت که در محیط های همگن (یکنواخت) به نظر می رسد نور در امتداد خط مستقیم منتشر می شوند.

وی یك دسته اشعه نور خورشید را كه از شكاف باریكی وارد اتاق تاریكی شده بود، بطور مایل بر وجه یك منشور شیشه ای مثلث القاعده ای تابانید. این دسته هنگام ورود در شیشه منحرف شد و سپس هنگام خروج از وجه دوم منشور باز هم در همان جهت منحرف شد.

نیوتن دسته اشعه خارج شده را بر یك پرده سفید انداخت. وی مشاهده كرد كه به جای تشكیل یك لكه سفید نور، دسته اشعه در نوار رنگینی كه به ترتیب مركب از رنگهای سرخ، نارنجی، زرد، سبز، آبی و بنفش است پراكنده شده است. نوار رنگینی را كه از م,لفه های نور تشكیل می شود، طیف نور سفید می نامند.

  

نیوتن نظر داد كه نور از ذرات بسیار ریز - دانه ها - تشكیل می شود كه با سرعت زیاد حركت می كند. علاوه بر آن به نظر نیوتن نور در محیط غلیظ با سرعت بیشتری حركت می كند. اگر نظر نیوتن در مورد سرعت نور درست می بود می بایست سرعت نور در شیشه بیشتر از هوا باشد كه می دانیم درست نیست.

هویگنس:

هویگنس در سال 1690 رساله ای در شرح نظریه موجی نور منتشر كرد. طبق اصل هویگنس حركت نور به صورت موجی است و از چشمه های نوری به تمام جهات پخش می شود.

هویگنس با به كاربردن امواج اصلی و موجك های ثانوی قوانین بازتاب و شكست را تشریح كرد. هویگنس نظر داد كه سرعت نور در محیط های شكست دهنده كمتر از سرعت نور در هوا است كه درست است.

نظریه دانه ای نیوتن هرچند بعضی از سئوالات را پاسخ می گفت، اما باز هم پرسش هایی وجود داشت كه این نظریه نمی توانست برای آنها جواب قانع كننده ای ارائه دهد. مثلاً چرا ذرات نور سبز از ذرات نور زرد بیشتر منحرف می شوند؟ چرا دو دسته اشعه ی نور می توانند بدون آنكه بر هم اثر بگذارند، از هم بگذرند؟

اما بر اساس نظریه موجی هویگنس، دو دسته اشعه ی نورانی می توانند بدون آنكه مزاحمتی برای هم فراهم كنند از یكدیگر بگذرند. هویگنس نمی دانست كه نور موج عرضی است یا موج طولی، و طول موج های نور مرئی را نیز نمی دانست. ولی چون نور در خلاء نیز منتشر می شود، وی مجبور شد محیط یا رسانه حاملی برای این انتشار این امواج در نظر بگیرد. هویگنس تصور می كرد كه این امواج توسط اتر منتقل می شوند. به نظر وی اتر محیط و مایع خیلی سبكی است و همه جا، حتی میان ذرات ماده نیز وجود دارد.

نظری هویگنس نیز بطور كامل رضایت بخش نبود، زیرا نمی توانست توضیح دهد كه چرا سایه ی واضح تشكیل می شود، یا چرا امواج نور نمی توانند مانند امواج صوت از موانع بگذرند؟

نظریه موجی و دانه ای نور بیش از یكصد سال با هم مجادله كردند، اما نظریه دانه ای نیوتن بیشتر مورد قبول واقع شده بود، زیرا از یك طرف منطقی تر به نظر می رسید و از طرف دیگر با نام نیوتن همراه بود. با وجود این هر دو نظریه فاقد شواهد پشتوانه ای قوی بودند. تا آنكه بتدریج دلایلی بر موجی بودن نور ارائه گردید.

یانگ:

نظریه موجی نور 100 سال بعد از نظریه ذره ای نیوتن دوباره توسط یانگ مطرح و مورد قبول واقع شد…

یانگ توانست تداخل نور را که هویگنس قادر به اثبات آن نبود، به وسیله ی آزمایش دوشکافی خود، نشان دهد.

بعد از آن، نظریه موجی نور مورد قبول دانشمندان واقع شد تا ... سال 1905؛ در این سال انیشتین به مخالفت با نظریه موجی نور برخاست.

اینشتین:

در اواخر قرن 19 و اوایل قرن 20 آزمایش هایی نظیراثر فوتوالکتریک و پدیده کامپتون مطرح شدند که نتایج آن ها با فرض موج بودن نور (موج کلاسیکی) در تناقض بود.

اثر فوتوالکتریک به پیش برد مفهوم طبیعت دوگانه نور، که نور امواج و ذرات را در شرایط متفاوت نشان می‌دهد، کمک بسزایی کرد. این پدیده از طریق توصیف کلاسیک نور به عنوان موج غیر قابل درک بود، زیرا که انرژی الکترون گسیل شده به شدت تابش بستگی نداشت. این تئوری کلاسیک پیش بینی کرده بود که الکترون می‌تواند در طول یک زمان مشخص انرژی دریافتی را انباشته کرده و بعد گسیل شود.(مطالب بیشتر در مورد پدیده فوتو الکتریک در پاور پوینت ضمیمه شده)

نظریه مکملی (موجی - ذره ای):

نظریه جدید نور شامل اصولی از تعاریف نیوتون و هویگنس است. بنابراین گفته می‌شود که نور خاصیت دو گانه‌ای دارد، برخی از پدیده‌ها مثل تداخل و پراش خاصیت موجی آن را نشان می‌دهد و برخی دیگر مانند پدیده فوتوالکتریک ، پدیده کامپتون و ... با خاصیت ذره‌ای نور قابل توضیح هستند.

تعریف واقعی نور :

تحول درک ما از ماهیت فیزیکی نور، یکی از جذاب ترین فصل های تاریخ علم را تشکیل می دهد. در قرن های 16و17 میلادی، نور یا به صورت ذره یا به صورت موج در الگوهای ناسازگار تصویر می شده است و هر یک از این الگوها در دوره ای مورد توجه بوده است. در قرن بیستم معلوم شد نور به نحوی هم موج است و هم ذره، و در عین حال دقیقاً هیچ یک از این دو نیست. این وضعیت گیج کننده که دوگانگی موج-ذره نامیده شد، مدتها بزرگترین مغزهای علمی معاصر را به کار انداخت تا چاره ای برای این الگوهای ظاهراً متناقض پیدا کنند. حل این معما با ابداع الکترودینامیک کوانتومی بدست آمد که یکی از موفق ترین ساختارهای نظری در تاریخ فیزیک است.

رفتار فوتون ها و الکترون ها هم به صورت موج، هم به صورت ذره در ابتدا یک تناقض به نظر می رسید، زیرا ذره و موج دارای ماهیتهای کاملا متفاوتی هستند. به تدریج و تا حد زیادی از طریق اندیشه های نیلز بور و مخصوصاً اصل مکملیت او روشن شد که الکترونها و فوتون ها نه ذره اند و نه موج، بلکه چیزی پیچیده تر هستند.

فوتون:

نور، بسته هایی از انرژی است که به آن ها فوتون گفته می شود.

تئوری کوانتومی نور را به صورت ذراتی که به آنها فوتون گفته می شود، درنظر می گیرد.

طبق نظریه کوانتومی انرژی فوتون به صورت زیر است:

(که در آن h ثابت پلانک است h = 6.6x10^-34 [J*sec]  )

انرژی نور متناسب با فرکانس و عکس طول موج است. فرکانس های بالاتر(طول موج های کوتاهتر)، دارای فوتون هایی با انرژی بیشتر هستند!

انرژی10 فوتون، 10 برابر انرژی یک فوتون تنهاست.

تئوری کوانتومی آزمایش ها را با چنان دقت شگفت انگیزی توصیف می کند که امواج کلاسیکی هیچ وقت قادر به بیان آن نبوده اند.

تکلیف:

1.نمونه هایی از پدیده تداخل نور را در محیط اطراف خود بیابند.(به عنوان مثال رنگهای روی حباب صابون یا فریزهای ایجادشده در عبور نور از توری پرده اتاق به هنگام شب)

2.در مورد اینشتین و نظریات او در مورد نور تحقیق کنند. (اثر فوتو الکتریک - اثر کامپتون -نظریه موجی ذره ای و ...) که می توان این عناوین تحقیق را بین بچه های تقسیم کرد.

3.تحقیق در مورد نسبیت خاص

محل بازدید/ اردو/ خرید: ---------------------------------------------

منابع مطالعه: ----------------------------

مطالب مرتبط:

اندازه گیری سرعت نور به کمک اجاق مایکروویو، جلسه اول

اندازه گیری سرعت نور به کمک اجاق مایکروویو، جلسه دوم

اندازه گیری سرعت نور به کمک اجاق مایکروویو، جلسه سوم

اندازه گیری سرعت نور به کمک اجاق مایکروویو، جلسه چهارم

اندازه گیری سرعت نور به کمک اجاق مایکروویو، جلسه پنجم

اندازه گیری سرعت نور به کمک اجاق مایکروویو، جلسه ششم

بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان، تهیه: سارا قیصری

تنظیم: نسرین صادقی