Методическая разработка проекта по теме: «ДРУГАЯ СТОРОНА РАДУГИ ИЛИ ПРИМЕНЕНИЕ

Курсы повышения квалификации «Курчатовский проект: от знаний – к практике»
Курсовая работа
Методическая разработка проекта по теме:
«ДРУГАЯ СТОРОНА РАДУГИ ИЛИ ПРИМЕНЕНИЕ
ОПТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ В ИССЛЕДОВАНИИ
СОСТАВА ВЕЩЕСТВА»
Работу выполнила:
учитель физики ГБОУ СОШ № 2030
Шудрик Наталия Александровна.
Москва 2014
Содержание:
1.
2.
3.
4.
5.
Введение.
Цель и задачи работы.
Методика работы над проектом.
Выводы.
Список литературы.
Введение:
Актуальность темы: Основы спектрального анализа выходят за пределы школьной программы
8 класса. Явления дисперсии, дифракции, виды спектров и спектральный состав излучения атомов
изучают только в 11 классе и редко подкрепляют серьёзной практикой. Однако разложить белый
свет в спектр и собрать его снова, описать цвет света с помощью физических величин, провести
качественный спектральный анализ и использовать его для решения понятной ученикам средней
школы проблемы – задачи вполне посильные и очень интересные для ребят этой возрастной
категории. Подготовка группы квалифицированных экспертов – спектроскопистов позволит помочь
ученикам 11 классов ускорить прохождение практикума по оптике. Участники проекта могут
выступить в роли лаборанта или тьютора.
Вид проекта: прикладной.
Цель: Исследование химического состава простых и сложных веществ по их спектрам. Определить
состав светящегося тела на расстоянии.
Задачи:
Предметные: доказательство составной структуры белого света, доказательство волновой природы
света, знакомство с лабораторией спектроскопии, и её модернизация, использование лаборатории в
исследованиях света, различных источников света и вещества, знакомство со спектрофотометром,
исследование с его помощью состава сложных органических веществ.
Межпредметные: математический анализ данных, сравнение, знакомство с методами автоматической
обработки данных, качественный химический анализ, определение простых и сложных химических
веществ по их спектрам, сбор информации об истории спектроскопии.
Личностные: развитие активности и инициативности в условиях командной работы, выявление
лидерских качеств, развитие аналитического мышления, творческого подхода и умения нестандартно
мыслить, развитие навыков самоконтроля и взаимоконтроля, способствование самоопределению
учащегося, сознательное и активное приобретения учащимся нового опыта, работа в команде.
Гипотезы:
1. Любое вещество можно идентифицировать по его спектру. Главное, правильно провести
эксперимент.
2. Мы предполагаем, что при курении состав ногтей и волос человека немного меняется.
Вредные вещества впитываются в ткани. Возможно, ли, с помощью спектрального анализа
отличить курящего человека от человека, ведущего здоровый образ жизни.
Методы:
Эмпирические: наблюдение, описание, эксперимент, измерения, опросы.
Теоретические: анализ, классификация, обобщение.
Универсальные: сравнение, рефлексия.
Методика работы над проектом, деятельность учащихся и необходимое оборудование.
Таблица 1. Методика работы и тематическое планирование проекта.
№
занятия
1-2
Тема занятия
Оборудование
Деятельность учащихся
Как появляется радуга.
Состав белого света и
способы разложить его в
спектр.
Стеклянная призма,
дифракционные решётки, фонарь,
экран белый, экран со щелью.
Бумага, краски, ножницы, булавки,
вода.
3-4
Волны и их
характеристики.
Лаборатория «Спектроскопия»,
ноутбук, газовые трубки, лампа
дневного света, лампа
накаливания, лазер. Волновая
машина. Дифракционная решётка,
набор для наблюдения
интерференции света.
5-6
Наблюдение спектров с
помощью спектроскопа.
Лаборатория «Спектроскопия»,
ноутбук, газовые трубки, лампа
дневного света, лампа
накаливания, цветные карандаши.
7-8
Виды спектров.
Лаборатория «Спектроскопия»,
ноутбук, газовые трубки, лампа
дневного света, лампа
накаливания.
9-10
Энергия излучения.
11-12
Сравнение спектров
различных источников
света.
Датчик освещённости цифровой
лаборатории, ноутбук,
фотоэлемент, мультиметр,
стеклянная призма,
дифракционные решётки, фонарь,
экран белый, экран с щелью,
линейки.
Лампа накаливания, лампа
дневного света, светодиод, свеча,
дифракционные решётки, фонарь,
экран белый, экран со щелью,
датчик освещённости Цифровой
лаборатории, ноутбук.
Изучение истории
открытия состава белого
света с помощью
простых опытов. Работа
с текстом. Презентации:
«Роджер Бэкон»,
«Декарт», «Ньютон и
природа радуги».
Доказательство
волновой природы света
путём
экспериментального
сравнения свойств
световых и
механических волн.
Измерение длины волны
излучения. Презентации:
«Доказательства
волновой природы
света», «Волны и их
характеристики»,
«Свойства волн».
Знакомство с
устройством
спектроскопа,
наблюдение, зарисовка и
сравнение спектров.
Наблюдение сплошных
и линейчатых спектров.
Связь между видом
спектра и агрегатным
состоянием вещества.
Оценка энергии
излучения по действию
на фотоэлемент.
Построение
спектральной кривой.
13-14
Возникновение излучения. Лампа накаливания, лампа
Виды излучения.
дневного света, светодиод, свеча,
таблица ЭМ излучений.
Определение максимума
энергии излучения в
сплошном спектре.
Сравнение спектров
лампы накаливания,
лампы дневного света,
светодиода, свечи.
Определение причин
отличия спектров
излучения разных
15-16
Основы спектрального
анализа.
Таблица спектров элементов и
индивидуальных соединений.
Набор спектральных трубок.
Лаборатория «Спектроскопия».
17-18
Таблица химических
элементов и излучение
атомов.
Таблица спектров элементов и
индивидуальных соединений.
Набор спектральных трубок.
Лаборатория «Спектроскопия».
19-20
Применение
спектрального анализа для
определения содержимого
лампы дневного света.
Поглощение излучения
веществом. Спектр
поглощения.
Лаборатория «Спектроскопия»,
ноутбук, газовые трубки, лампа
дневного света, лампа
накаливания.
Лаборатория «Спектроскопия»,
ноутбук, газовые трубки, лампа
дневного света, прозрачная
кювета, вода, краска, марганцовка,
пробирки с водородом,
углекислым газом, парами иода.
Спектрофотометр, образцы.
21-22
23-24
Знакомство с работой
спектрофотометра.
25-26
Сбор биологических
образцов для
спектрального анализа.
27-28
Применение
Спектрофотометр, образцы.
спектрального анализа для
определения состава
сложного вещества.
Оформление проекта.
Ноутбук.
29-32
Контейнеры для образцов.
источников.
Знакомство с основными
принципами
спектрального анализа.
Изучение истории
использования
спектрального анализа.
Знакомство со
спектральными
таблицами и атласами.
Изучение методов
обработки данных.
Презентации «История
спектрального анализа»,
«Применение
спектрального анализа».
Изучение таблицы
характерных для
каждого элемента
излучаемых и
поглощаемых длин волн.
Создание атласа
фотографий спектров
простых веществ.
Идентификация простых
веществ по спектру их
излучения.
Определение состава
вещества,
содержащегося в лампах
дневного света.
Наблюдение спектра
поглощения, сравнение
спектров излучения и
поглощения одного
вещества.
Определение
концентрации сложного
вещества в растворе.
Сбор образцов и
социологический опрос
для проверки гипотезы
об изменении состава
ногтей и волос у
курильщиков.
Исследование состава
биологических образцов.
Работа с презентациями,
оформление результатов
исследований,
написание текста
доклада, распределение
33-34
Защита проекта.
Проектор, экран, ноутбук.
ролей, репетиция
доклада.
Выступление и
демонстрации
фотографий и
экспериментов перед
учащимися 11 классов и
учителями. Ответы на
вопросы. Обсуждение
результатов работы.
Ожидаемые результаты:
1. Выяснить, как появляется радуга. Состав
белого света и способы разложить его в
спектр.
Экспериментально подтвердить, что белый
свет имеет сложный состав.
2. Доказать волновую природу света.
Доказать волновую природу света можно
сравнивая свойства света и механических
волн. Пронаблюдать волны на поверхности
воды с помощью волновой ванной и,
установив в воде препятствия, познакомиться
с явлениями интерференции и дифракции
механических волн.
Установив на пути светового луча экраны с
отверстиями, проволоку и решётки, можно
наблюдать чередование светлых и тёмных
полос, что докажет сходство свойств света и
механических волн.
3. Изучить
устройства
спектроскопа.
Пронаблюдать
спектры
с
помощью
спектроскопа.
Полученные спектры газов можно качественно
сравнить с помощью фотографий.
С помощью дополнительной призмы можно
наблюдать спектры разных веществ на одной
шкале. Для измерения длин волн в трёхтрубном
спектроскопе
используется
дополнительный
поток света.
В конструкцию спектроскопа можно внести
дополнение. Подсветка шкалы осуществляется с
помощью карманного фонарика, а не большой
лампой дневного света. Это позволяет уменьшить
засветку помещения и сделать фотографии ярче.
4. Таблица химических элементов и излучение газов. Основы спектрального анализа.
Известно, что каждое газообразное вещество излучает определённые длины волн и можно
определить вещество по его спектру. Это основной принцип спектрального анализа. Для сравнения с
экспериментальными значениями можно использовать данные из спектральных таблиц.
Таблица 2. Спектр излучения гелия. Сравнение экспериментальных и теоретических данных.
λэксп,н
м
λтеор,н
м
Таблица 3. Спектр излучения водорода. Сравнение экспериментальных и теоретических данных.
λэксп,н
м
λтеор,н
м
Таблица 4. Спектр излучения ртути. Сравнение экспериментальных и теоретических данных.
λэксп,н
м
λтеор,н
м
Таблица 5. Спектр излучения неона. Сравнение экспериментальных и теоретических данных.
λэксп,н
м
λтеор,н
м
Таблица 6. Спектр излучения аргона. Сравнение экспериментальных и теоретических данных.
λэксп, нм
λтеор
нм
5. Виды спектров. Получение спектров различных источников света. Применение
спектрального анализа для определения содержимого лампы дневного света.
Сравнить спектры разных источников света: свеча и лампа накаливания, светодиоды.
Методы, которые можно использовать для определения вещества по его спектру:
1) Анализ спектральных таблиц «вручную». Метод очень сложен из-за большого объёма данных.
Пользоваться таким методом можно, только если вы располагаете таблицами длин волн самых
ярких линий всех химических элементов по порядку.
2) Анализ спектральных таблиц с помощью программы «SPECTR». Программа специально
написана для нашего проекта и позволяет делать выборку из открытой базы данных.
Программа выбирает из базы данных все элементы, у которых есть яркие линии, попадающие в
пределы погрешности.
3) Анализ фотографий спектров.
Рис. Таблица спектров всех элементов таблицы Менделеева, полученных с помощью дифракции.
4) Сравнение с образцом.
Вывод:
С помощью методов спектрального анализа можно идентифицировать неизвестное вещество.
Список литературы:
Специальная литература по спектроскопии:
1. «Таблицы спектральных линий» под редакцией С. Л. Мандельштама и С. М. Райского,
Государственное объединение научно-техническое издательство НКТП СССР, редакция
технико-теоретической литературы, Москва-Ленинград, 1938.
2. Справочник химика, том четвёртый «Аналитическая химия. Спектральный анализ.
Показатели преломления» под редакцией Б. П. Никольского, Л.: Изд-во «Химия»,
ленинградское отделение, 1967.
3. Спектроскопия. Методическое руководство, Москва, 2013.
4. Начинающему аналитику-спектроскописту. / В. И. Барсуков, Тамбов: изд-во "Тамбовский
государственный технический университет", 2007.
Учебники:
5. ФИЗИКА: Оптика. Квантовая физика. 11 класс. Учебник для углублённого изучения физики. /
Г. Я. Мякишев, А. З. Синяков, М.: Дрофа, 2002.
Интернет ресурсы:
6. Опыты Ньютона и Юнга. http://mikhalkevich.narod.ru/kyrs/Cvetovedenie/nuton.htm
7. «Спектральный анализ» Энциклопедический словарь Ф. А. Брокгауза и И. А. Ефрона
http://dic.academic.ru/dic.nsf/brokgauz_efron/141061/Спектральный
8. «Как просто!» социальная сеть экспертов, http://www.kakprosto.ru/kak-39965-kak-poluchitspektr
9. Спектроскопические методы анализа, http://crus55.narod.ru/11.htm
10. База данных Национального института стандартов и технологий США NIST
http://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_form.html