Естествознание
10 класс

§ 21. Дискретность и непрерывность. Эксперимент

И опыт — сын ошибок трудных...
А. С. Пушкин

Как на опыте доказать непрерывный (волновой) характер света? Какая идея положена в основу эксперимента измерению заряда электрона?

Урок-практикум

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Проведение эксперимента, доказывающего волновую природу света. Анализ метода, использованного Милликеном при измерении заряда электрона.

ПЛАН РАБОТЫ. Последовательно выполняя задания эксперимента с лазером, выявить непрерывный характер света. Выполняя последующие задания, понять идею опыта Милликена.

Оборудование: обычная лазерная указка (для краткости мы будем ее называть просто лазером), бумага, ножницы, затемненное помещение и экран.

1. В плотной бумаге вырежите щель, как показано на рисунке 17.

Рис. 17

Длина щели должна быть 4-5 см, ширина у края листа — около 1 мм. Пропускайте луч лазера через широкую часть щели, затем медленно смещайте луч к узкой части и наблюдайте изображение на экране. Вначале вы увидите на экране яркую полоску, перпендикулярную щели, со светлым пятном в середине, затем полоска разделится на несколько светящихся элементов, расстояние между которыми будет увеличиваться.

Подобное изображение называют дифракционной картиной, а само явление образования темных и светлых областей при прохождении света через щель — дифракцией. Ответьте на вопрос: можно ли объяснить это явление законами геометрической оптики и гипотезой о том, что свет представляет собой поток частичек, движущихся по законам механики? Каким было бы изображение, если бы свет не обладал волновыми свойствами, а его свойства полностью описывались бы законами геометрической оптики? Попробуйте нарисовать соответствующую картину.

Перейдем теперь к описанию опыта Милликена. Сложность измерения величины заряда электрона заключается в том, что величина этого заряда очень мала. Для измерения заряда электрона нужны мельчайшие тела, и Милликен решил использовать для этого микроскопические капли жидкости, движение которых можно наблюдать лишь в микроскоп.

Если поместить такую каплю между пластинами заряженного конденсатора, на нее будет действовать электрическая сила, пропорциональная величине заряда. Поскольку капля находится в воздушной среде, на нее также действует сила сопротивления воздуха, пропорциональная скорости капли и направленная против скорости. В результате взаимной компенсации этих сил капля будет двигаться с постоянной скоростью. Заряд капли на опыте можно изменять, воздействуя на нее рентгеновским излучением.

2. Проанализируйте силы, действующие на каплю, и нарисуйте примерный график зависимости ее скорости от величины ее заряда.

ПОДСКАЗКА. Запишите второй закон Ньютона и приравняйте ускорение к нулю (равномерное движение). Вы получите, что скорость капли линейно зависит от ее заряда, т. е. соответствующий график является прямой линией.

3. Нарисуйте подобный график при условии, что заряд может изменяться дискретно, т. е. порциями.

ПОДСКАЗКА. Идея опыта Милликена заключалась в том, чтобы на основе измерения дискретного приращения скорости капель вычислить минимальные порции электрического заряда, вызывающего изменение скорости.

Свойства света, в частности явление дифракции, невозможно объяснить на основе представления о свете как о потоке частиц, движущихся по законам механики. Свет имеет волновую природу, и соответствующая волна непрерывно заполняет некоторую область пространства.

Опыт Милликена по исследованию движения частиц мельчайших капель жидкости позволил доказать гипотезу о дискретности заряда и вычислить на основе экспериментальных данных величину минимально возможной порции заряда (заряд электрона).

Литература для дополнительного чтения

  1. Бутиков Е. И. Физика для углубленного изучения / Е. И. Бутиков, А. С. Кондратьев. — М.: Физматлит. 2004.
  2. Физика 7—9: мультимедийное учеб. пособие нового поколения. — М.: Просвещение-Медиа, 2004.

Рейтинг@Mail.ru