CC BY
375
УДК 535
А.И. Слепцов, А.А. Алексеев
исследование свойств полупроводникового лазера и изучение возможностей его использования в лабораторных и демонстрационных опытах по физике
Приведено обоснование обучения учащихся исследовательской деятельности по физике посредством включения их в непосредственный физический эксперимент. Описывается опыт их исследовательской деятельности под руководством авторов. Проведено исследование и сравнительный анализ свойств и физических характеристик полупроводникового и газового лазеров и доказано, что полупроводниковый лазер не уступает по своим характеристикам газовому лазеру.
Ключевые слова: исследовательская деятельность учащихся, физический эксперимент, полупроводниковый лазер, интерференция, дифракция, газовый лазер, дифракционная решетка.
На современном этапе развития образования целый ряд серьезных проблем связан с модернизацией методики обучения учащихся. Сегодня перед педагогами ставятся задачи раннего включения учащихся в научноисследовательскую деятельность, раннее развитие научных интересов. В последние годы наметилась и усиливается тенденция все более тщательного изучения и применения в образовательном процессе методов обучения учащихся исследовательской деятельности.
Необходимо отметить, что в формировании научного мировоззрения учащихся, в вооружении их общим методом научного познания огромную роль играет физика как учебный предмет. Ведущие ученые признают, что в системе общего образования преподавать физику нужно как науку, а не только как фрагменты её достижений. Как отмечают В.Г. Разумовский и В.В. Майер, учебная физика позволяет организовать научное познание объектов и явлений природы, реализовав все его этапы и дав возможность для творческого развития процесса познания, доступ к самостоятельным исследованиям и изобретениям [1].
В истории отечественной системы образования накоплен огромный опыт по разработке методики преподавания физики на основе эксперимента. В современной системе физического образования проблемам организации процесса научного познания при изучении физики посвящен ряд работ [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и др.].
Формирование и развитие исследовательской деятельности учащихся по физике создают условия для саморазвития личности, ранней профессиональной ориентации, творческой самореализации учащихся. Выявлено, что исследование физических явлений и применение полученных знаний в постановке лабораторных и демонстрационных опытов по физике повышают интерес обу-
СлЕПЦОВ Афанасий Иванович - учитель физики Покровской улусной многопрофильной гимназии, г. Покровск РС (Я). E-mail: amsai@mail.ru
АлЕКСЕЕВ Александр Алексеевич - к.б.н., доцент ФТИ ЯГУ
E-mail: fz_aaa@sitc.ru
чаемых к науке, способствуют формированию исследовательских умений и развитию творческих способностей.
«Когда государство ставит перед собой задачу перейти от сырьевой экономики к наукоемкой, когда перед производством ставится задача преодолеть отсталость и выйти на уровень современных «нанотехнологий», с меловой физикой в школе должно быть покончено», - утверждают В.Г. Разумовский и В.А. Орлов [10, с. 80]. Этим они подчеркивают актуальность обучения учащихся исследовательской деятельности посредством включения их в непосредственный физический эксперимент. Изучение физических явлений «без наблюдений, измерений и опытов многократно обеднено и, по существу, нелепо» [8, с. 13]. Поэтому в целях повышения эффективности обучения исследовательской деятельности необходимо создать условия для живого общения учащихся с физическими явлениями. Живой эксперимент с реальными явлениями и настоящими приборами создает условия для становления и развития специалиста-исследователя, способного к самостоятельному решению творческих задач в нестандартной ситуации.
Развитие лазерной техники обусловило широкое применение лазеров в исследовании законов природы, в выявлении физических закономерностей, в объяснении принципов действия и устройства физических приборов и технических объектов. В школьном курсе физики большое внимание уделяется разделу «Волновая оптика», где изучаются такие волновые свойства света, как интерференция, дифракция и другие. В лабораторных и демонстрационных опытах по изучению свойств света, обычно применяется гелий-неоновый лазер, работающий на возбужденных атомах гелия и неона. Однако для большинства школ приобрести газовый лазер не представляется возможным по причине его высокой стоимости. Поэтому мы поставили перед собой вопрос - способен ли недорогой полупроводниковый лазер - лазерная указка заменить газовый лазер в школьном физическом эксперименте? Каковы характеристики полупроводникового лазера? Постановка этих вопросов породила проблему поиска способов применения полупроводникового лазера в
лабораторных и демонстрационных опытах по физике в условиях сельской школы.
Мы решили исследовать свойства полупроводникового лазера (лазерной указки) и изучить возможности его применения в демонстрационном эксперименте по физике.
Технические характеристики исследованных лазеров таковы:
Лазерная указка. Длина волны: 630-680 нм. Выходная мощность: 3 мВт (класс IIIa). Масса: 20-30 г. Стандарты безопасности: FDA, CE, GS, EMC, LVD, CSA.
Гелий-неоновый лазер ЛГН-109. Длина волны: 630 нм. Выходная мощность: 1мВт. Масса: 1,5 кг.
Исследование физических свойств полупроводникового и газового лазеров
Для изучения однородности и расходимости были сделаны снимки светового пятна, формируемого лазером на экране. По результатам наблюдения и анализа снимков можно сказать, что интенсивность лучей газового и полупроводникового лазеров изменяется по площади сечения: максимальная - в центре, она плавно спадает к краям. Измерения показали, что на одном и том же расстоянии от источника по горизонтали ширина луча газового лазера равна 12 мм, по вертикали - 11 мм, у полупроводникового - по горизонтали - 18 мм, по вертикали -19 мм. Это показало, что угол расхождения луча полупроводникового лазера почти в 1,5 раза больше, чем у газового лазера.
Сравнение когерентности излучения этих лазеров производилось путем сравнения полученных интерференционных и дифракционных картин, являющихся следствием волновой природы света. Были проведены эксперименты по наблюдению дифракции на дифракционной решетке и на тонкой игле. Дифракционную картину снимали на цифровой фотоаппарат, а изображение вводили в компьютер. Полученные дифракционные картины не выявили заметных различий в когерентности излучений газового и полупроводникового лазеров. Интерференционные картины были получены также при отражении луча лазера от поверхности стеклянной пластины. Для этого в одном конце комнаты устанавливались лазеры, а в другом - штатив со стеклом так, чтобы луч отражался от двух поверхностей стекла и отраженные лучи падали на экран, где происходила интерференция. Полученные интерференционные картины показали, что излучение полупроводникового лазера обладает примерно такой же когерентностью, как и газового лазера, поскольку получить дифракцию можно и для некогерентного луча, но интерференция возможна лишь для когерентного излучения.
Последний этап - исследование поляризации излучений газового и полупроводникового лазеров. Для анализа степени поляризации излучения исследованных лазеров на пути луча устанавливался поляроид, вращая
который можно менять направление поляризации пропускаемого излучения. За ноль угла поворота поляроида принят угол, при котором интенсивность излучения минимальна. Из снимков, полученных при различных углах поворота поляроида, видно, что луч полупроводникового лазера, проходя через поляризатор, установленный на ноль градусов, не гаснет полностью, - четко видны две области излучения. При изменении угла поляроида до 15 градусов луч трансформируется и принимает обычную форму. Луч газового лазера при установке поляроида на
0 градусов почти полностью погашен, с изменением угла поворота поляроида структура луча остается прежней и только увеличивается интенсивность излучения. Из этого опыта можно сделать вывод: лучи газового и полупроводникового лазеров поляризованы, но луч газового лазера поляризован гораздо больше, чем луч полупроводникового. Кроме того, луч полупроводникового лазера более неоднороден с точки зрения поляризации.
Результаты проведенных исследований показывают, что: 1) мощность излучения полупроводникового лазера лишь незначительно уступает мощности излучения газового лазера; 2) угол расхождения луча полупроводникового лазера примерно в 1,5 раза больше, чем у газового лазера; 3) распределение мощности излучения в поперечном сечении луча более неоднородно у полупроводникового лазера, дифракция излучения наблюдалась примерно одинаково для обоих типов лазеров; 4) интерференционные картины получены как для излучения газового лазера, так и для излучения полупроводникового, что свидетельствует об удовлетворительной когерентности излучения полупроводникового лазера; излучение газового лазера поляризовано сильнее, чем излучение полупроводникового лазера.
Полученные результаты экспериментов доказывают, что полупроводниковый лазер (лазерная указка) пригоден для использования в качестве источника когерентного излучения при проведении демонстрационных и лабораторных опытов по физике.
Использование лазерной указки в школьном физическом эксперименте
Лазеры, применяемые в преподавании физики в школах, должны удовлетворять нормам техники безопасности. Мощность излучения должна быть достаточной для проведения соответствующих опытов перед аудиторией в 30-40 человек. Этим условиям удовлетворяет полупроводниковый лазер. Приведем некоторые демонстрационные опыты по физике, в которых можно использовать лазерную указку.
Звуковой осциллограф
Полупроводниковый лазер может служить основой для создания своеобразного звукового осцилло-
графа. Прибор представляет собой цилиндр, с одной стороны которого натягивается тонкая резина. Второй конец цилиндра остается открытым. К резине каплей клея прикрепляется зеркальце на расстоянии 1/3 диаметра от края цилиндра (кусочек от лазерного диска).
Для проведения опытов в качестве источника света используется полупроводниковый лазер. Зайчик от него четко виден на стене. Источником звука может служить голос экспериментатора. Вибрации воздуха передаются резиновой мембране, а через неё - зеркальцу, от которого на стене или экране получаются осциллограммы звуковых колебаний.
Данный прибор имеет развертку, т.е. позволяет наблюдать характер колебаний в зависимости от времени. Это обусловлено несимметричным положением зеркальца на мембране (развертка в данном случае будет не линейная, а круговая). По полученным осциллограммам можно увидеть отличие шума от музыкального тона, связь амплитуды и громкости и т.д. Для проведения опытов используются камертон и музыкальные инструменты (гитара, детская флейта, ксилофон).
1. Демонстрация полного внутреннего отражения
Демонстрация сложения двух взаимно перпендикулярных колебаний
Для демонстрации сложения двух взаимно перпендикулярных гармонических колебаний металлический стержень круглого сечения закрепляется в тисках. К нему прикрепляется лазер таким образом, чтобы его луч попадал на потолок. Необходимо вывести стержень из положения равновесия, отклонив его на некоторый угол. Стержень начнет совершать колебания. При этом лазер рисует на потолке линию. Одновременно стержню сообщаются колебания в перпендикулярном направлении. В результате получается наглядная картина (осциллограмма) сложения двух взаимно перпендикулярных колебаний.
Для демонстрации сложения колебаний лазер с помощью четырех резин равной длины и сечения прикрепляется к середине специального самодельного ящика. Смещая лазер в разные стороны, в этой установке можно наблюдать сложение колебаний.
Если частоты по Х и У совпадают, то получается эллипс, 1:2 - седло, 1:3 - седло с тремя пиками. Путем изменения жесткости резины и совершения колебаний по оси Х, а затем - по оси У можно наблюдать сложение взаимно перпендикулярных колебаний.
Для наблюдения явления полного внутреннего отражения в тонкостенный стакан наливается 7-8 см воды. Луч лазера направляется на боковую стенку стакана под некоторым углом вверх. В воде луч преломляется, а затем полностью отражается от поверхности воды и выходит, преломляясь с противоположной стороны стакана. Изменяя углы падения на боковую стенку стакана, можно наблюдать полное отражение света. Для улучшения видимости луча в стакан с водой можно добавить раствор флюоресцина или добавить немного известь.
2. Простейшая модель световода
Приоритет открытия световодного эффекта принадлежит Джону Тиндалу, который в 1870 году в Королевском научном обществе Великобритании продемонстрировал эффект канализации света по заполненной водой изогнутой стеклянной трубке.
Для наблюдения полного отражения света демонстрируется следующая модель световода: в нижней части прозрачного полиэтиленового сосуда проделывается отверстие диаметром 3-5 мм. При закрытом отверстии сосуд наполняется водой. На противоположной стороне располагается лазер таким образом, чтобы луч света точно попадал в её отверстие. Когда открывается отверстие и вода начинает вытекать из сосуда, её струя светится, так как луч лазера многократно отражается от границы «жидкость-воздух».
3. Определение длины волны полупроводникового и газового лазеров
Экспериментальная установка включает в себя лазерный источник света, дифракционную решётку периодом 1/100 мм и экран с миллиметровой шкалой.
Дифракционная решетка располагается между лазером и экраном таким образом, чтобы на экране получились чёткие изображения центрального максимума и спектров первого и второго порядков. Длина волны лазера определяется по формуле: d ■ sin ф
~k , (D
А = -
где d - период решетки, k - порядок спектра, ф - угол, под которым наблюдаются спектры первого, второго и т.д. порядков. Поскольку углы, под которыми наблюдаются максимумы 1-го, 2-го порядков малы, можно вместо синусов углов использовать их тангенсы:
tgф = -
(2)
где а - расстояние между центральным максимумом и максимумом первого, второго и т.д. порядков, с - расстояние от дифракционной решетки до экрана. Тогда формула для определения длины волны лазера будет:
А =
d ■ a к ■ с
(З)
a
с
Полученные результаты измерений приведены в табл. І. откуда
Таблица І
Результаты измерений длин волн полупроводникового и газового лазеров
Источник света a, мм с, мм X, нм
Полупроводниковый лазер 4G 6G1,33 665,1
Газовый лазер 27 4GG,91 673,4
s
F
A
a
(4)
s, = F ■A = 5.95мм ■ 2мм = 238мм = 23.8см (5) 1 a G.G5мм
s2 = F ■
■ = 17.14мм ■-
2 мм 0.05мм
= 685.6 мм = 68.56см (б)
Самодельная дифракционная решетка
Дифракционные решетки имеются не во всех школах. Если они и есть, то их количество не всегда позволяет проводить фронтальные лабораторные опыты по оптике. Поэтому мы изготовили дифракционную решетку. Для этого с помощью электронной таблицы Microsoft Excel получили изображение таблицы из І00 строк, высота которых уменьшена до минимальной. Изображение распечатано на лазерном принтере на диапроекторной пленке ПКД-2.
Для изготовления дифракционной решётки используются и графические редакторы. Для этого на векторном редакторе Corel Draw рисуется прямоугольник шириной 2І0 мм и высотой І мм и заливается черным цветом. Затем скопированный прямоугольник вставляется до тех пор, пока не заполнится весь лист А4. Если расстояние между черными полосами сделать равным І мм, получится система светлых и темных полос одинаковой высоты (ширины). Период данной системы будет равен 2 мм.
Затем это изображение уменьшается на компьютере соответственно в 4 (25%), 8 (І2,5%), ІО (І0%), І6 (6,25%), 20 (5%), ЗО (3,75%), 32 (3,І25), 4О (2,5%) и 5О (2%) раз и на лазерном принтере распечатывается на прозрачной диапроекторной пленке. Получаются дифракционные решетки с периодами соответственно І/2, І/4, І/5, І/8, І/ІО, І/І5, І/І6, І/2О и І/25 мм.
Для изготовления дифракционной решетки методом цифрового фотографирования полученное описанным выше способом изображение на лазерном принтере, желательно большого разрешения, надо напечатать на листе бумаги формата А4. С данного шаблона можно получить дифракционные решетки с различными периодами, если фотографировать его с различных расстояний. Пусть, например, ширина А светлых полос и ширина В темных полос на шаблоне одна и та же и равна І мм и необходимо получить решетку с постоянной d=a+b=0,05 мм. Фокусное расстояние F объектива нашей цифровой фотокамеры изменяется от 5,95 до І7,І4 мм. Тогда расстояние s до шаблона равно
Полученная решетка будет содержать на одном миллиметре около 20 штрихов, то есть примерно столько же, сколько на первых решетках Фраунгофера.
При пропускании луча лазера под некоторым углом к решетке на экране получатся чёткие изображения спектров нескольких порядков. Период решетки определяется экспериментально в зависимости от угла наклона решетки.
Полученные решетки вставляются в специальные рамки, делаются вращающимися и используются в демонстрационных и лабораторных опытах по физике.
4. Определение периода компакт-диска как отражающей дифракционной решётки
По существу компакт-диск - это дифракционная решетка, при падении на которую естественный свет отражается и дифрагирует. Расчет периода d производится по формуле
d sin ф = кА
(7)
После этого определяется длина волны падающего света.
Особенно ярко выделяется максимум нулевого порядка. Справа и слева от него находятся максимумы первого и второго порядков (рис. 1), хотя на экране их картина менее четкая.
Рис. 1. Ход отраженных лучей от компакт-диска:
0, 1, 2 - максимумы нулевого, первого и второго порядков соответственно; ф - угол отклонения луча;
AS - отраженный луч
a
Вычисление периода решетки при известном расстоянии от СБ до экрана и расстоянии между максимумами первого и второго порядков производится следующим образом:
k ■ X
sm ф
где
AS
(8)
(9)
Угол, на который отклоняется лазерный луч после дифракции на СБ, вычисляется по формуле
откуда
X
'ет=I ,
(10)
(11)
где х - расстояние между максимумами, Ь - расстояние от СБ до экрана.
Для вычисления количества борозд на 1 мм поверхности применяли формулу
1
мм
(12)
Полученные результаты измерений приведены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты измерений периода компакт-дисков как отражательной дифракционной решётки
Тип диска K х, мм L, мм нм ^Ф Ф 8Шф d,мкм N
CD 1 256 365 665 0,701 35° 0,5736 1,159 863
DVD 1 705 360 665 1,958 62°54' 0,8902 0,747 1338
Для демонстрации явления дифракции на уроках физики можно использовать небольшие кусочки компакт-диска.
Использование лазерной указки в быту и технике
Лазерная указка может найти применение в быту, например, для дистанционного управления работой элек-тро- и радиоприборов. Для этого можно сконструировать автомат, способный по сигналу указки включать и выключать бытовые электро- и радиоприборы с любыми блоками питания, а также электроприборы с электродвигателями, например, вентиляторы. Указка может работать в охранных устройствах, самодельных игрушках, устройствах для отпугивания птиц и т.д. Сама указка при этом никакой переделки не требует. Можно изготовить и светотелефон на базе лазерной указки [6]. При направлении луча указки на приемник абонента, в котором уста-
новлен фотодатчик с усилителем, в динамической головке приемника раздастся звук. Два приемопередатчика, размещенные в пунктах связи, образуют светотелефон. Лазерную указку не переделывают, а лишь подключают к электронной «начинке» устройства, причем корпус соединяют с плюсом питания. Устройство состоит из передающего и приемного узлов, которые конструктивно размещены в телефонной трубке (кроме указки и фототранзистора). Питание поступает от автономного или сетевого блока. На практике дальность связи может достигать нескольких сотен метров, но в пределах прямой видимости. Правда, потребуется точно сориентировать лазерный луч и надежно зафиксировать положение указки и фототранзистора. Проводить такую настройку следует в темное время суток, пользуясь подзорной трубой или биноклем.
Под нашим руководством ученик 10 класса Амгин-ской педагогической гимназии Неустроев Алексей создал устройство - лазерный дальномер - прибор, с помощью которого определяется расстояние до тел, находящихся, например, в недоступном месте.
Классическим способом определения расстояний был и остаётся угломерный геометрический способ. Геометрический способ основан на явлении параллактического смещения.
Для построения дальномера использованы две лазерные указки и три прозрачные линейки из оргстекла (одна из них длинная). Оба лазера прикрепляются к большой линейке таким образом, чтобы один из них находился строго перпендикулярно к ней, а другой лежал перпендикулярно линейке на её нулевой отметке и имел угол поворота 90°. Также к нулевой отметке большой линейки перпендикулярно крепится одна маленькая, а затем такая же линейка крепится параллельно большой так, чтобы лазерный луч несколько касался её ребра с указанием сантиметров.
При включении лазеров наблюдаются на некотором расстоянии две красные точки. Расстояние между ними равно длине базиса - расстояния между лазерами, затем эти точки сводятся в одну. Для этого лазер, который имеет угол поворота, поворачивается в сторону закреплённого неподвижного лазера. В момент совпадения точек на противолежащей базису линейке лазерный луч, чуть касаясь его ребра, показывает длину противолежащего катета. Длина прилежащего катета фиксирована и имеет постоянную длину.
Для вычисления расстояния используется формула
I =
с • Ь
(13)
Если в дальнейшем уменьшить размеры дальномера и прикрепить их к биноклю, то можно применить их на природе, на охоте. Для определения расстояний до каких-либо тел применяются уменьшенные по размерам дальномеры, которые можно прикрепить к биноклю.
X
а
Результаты этого исследования были отражены в докладе Неустроева Алексея «Исследование свойств полупроводникового лазера и изучение возможностей его использования в лабораторных и демонстрационных опытах по физике». Он стал лауреатом 9-й республиканской конференции, лауреатом 12-й Всероссийской конференции «Шаг в будущее» и был включен кандидатом в состав российской национальной делегации для участия в Тайваньской международной научной выставке (Тай-пеи, Тайвань, февраль, 2006 г.).
Л и т е р а т у р а
1. Разумовский В.Г., Майер В.В. Физика в школе. Научный метод познания и обучения. - М.: Владос, 2004. - 463 с.
2. Андреев В.И. Эвристическое программирование учебноисследовательской деятельности. - М.: Высш.школа, 1981. - 240 с.
3. Беленок И.Л., Мишина Ю.Д. Развитие интеллектуальных способностей учащихся на уроках физики // Физика в школе. -2007. - № 5. - С. 34-39.
4. Малафеев РИ. Проблемное обучение физике в средней школе: кн. для учителя. - 2-е изд., дораб. - М.: Просвещение, 1993. - 192 с.
5. Майер В.В., Майер Р.В. Электричество: учебные исследования. - М.: Физматлит, 2007. - 232 с.
6. Нечаев И. Светотелефон на базе лазерной указки / Радио. - 2000. - № 1. - С. 54-55.
7. Оспенникова Е.В. Развитие самостоятельности школьников в учении в условиях обновления информационной культуры общества: В 2 ч. Ч 1. Моделирование информационнообразовательной среды учения. - Пермь: Изд-во Перм. гос. пед. ун-та. 2003. - 294 с.
8. Синенко В.Я. О некоторых путях решения проблем обучения физике в Новосибирском регионе // Физика в школе. -2007. - № 5. - С. 13-17.
9. Усова А.В. Теория и методика обучения физике в средней школе. - М.: Высш. шк., 2005. - 301 с.
10. Разумовский В.Г, Орлов В.А. Подвижник народного образования: К шестидесятилетию Валерия Вильгельмовича Майера // Физика в школе. - 2007. - № 3. - С. 77-80.
A.I. Sleptsov, A.A. Alekseev
Investigation of properties of semiconductor laser and research of its usage opportunities in laboratory and demonstration experiments in physics
In the article author gives substantiation of students' training to research activity in physics by involving them in direct physical experiment. This experience of research activity under the supervision of investigators is described. Research and comparative analysis of features and physical characteristics of semiconductor and gas lasers are conducted. It is established, that semiconductor laser is equal with gas laser by its characteristics.
Key-words: students' research activity, physical experiment, semiconductor laser, interference, diffraction, gas laser, diffraction lattice.
УДК 378:004.05 Е.Г. Матвиевская
гуманитаризация оценочной деятельности педагога
Рассматриваются противоречия в сфере контроля и оценки качества образования, а также проблема создания объективной системы оценки уровня учебных достижений учащихся в контексте гуманитарной парадигмы образования, ориентированной на выявление потенциала учащихся и объективизацию оценочной деятельности педагога.
Ключевые слова: гуманитаризация, оценка, оценочная деятельность, контроль, результат, объективность, критерии, качество образования, самооценка, измерение.
Российская система образования переживает очень важный и ответственный период своего развития, так как одной из приоритетных задач является интеграция
МАТВИЕВСКАЯ Елена Геннадьевна - к.п.н., доцент института повышения квалификации и профессиональной переподготовки работников образования Оренбургского государственного педагогического университета.
E-mail: cerling@mail.ru
российской системы образования в мировую образовательную систему и учет в процессе модернизации общих тенденций мирового развития. Актуализируется проблема диверсификации мировой системы оценивания качества образования как процесса расширения сфер деятельности в области контроля результатов учебных достижений учащихся в национальных образовательных системах, основанного на выработке единых общих критериев и показателей оценивания [1].
