СУД МЕЖДУ НЬЮТОНОМ И ГЮЙГЕНСОМ
Сценарий театрализованного урока.
по теме «Квантовые и волновые свойства света».
Действующие лица:
1. Судья
2. Х. Гюйгенса
3. Друг Гюйгенса.
4. Свидетели в пользу Гюйгенса:
а) Юнг.
б) Френель.
в) ученик школы.
5. И. Ньютон
6. Друг Ньютона
7. Свидетели в пользу Ньютона:
а) М. Планк
б) А. Эйнштейн
в) Ученик школы.
8. «Голос за кадром» - один или несколько учеников, которые будут читать стихи.
Необходимое оборудование:
1. Демонстрационный лазер.
2. Принадлежности к лазеру для демонстрации явлений интерференции и дифракции.
3. Приспособление для получения мыльных пузырей.
4. Бусы из жемчуга, перламутровая раковина, коллекция бабочек.
5. Плакаты и рисунки.
6. Костюмы для участников представления, возможно, портреты учёных.
Литература:
1. Исаев А.А. Этюды об учёных. М. , Наука, 1989.
2. М. Колтун. Мир физики. М., Детская литература, 1987.
3. Е.М. Клярус. Поиски и открытия. М., Наука, 1986
4. Учебники физики. 11 – й класс. Разделы «Электромагнитные волны» и «Элементы квантовой физики».
5. В.А. Барабай. Солнечный луч. М., Наука, 1979.
6. В.И. Арнольд. Гюйгенс и Барроу, Ньютон и Гук. М., Наука, 1989.
Голос за кадром:
Как наша прожила б планета,
Как люди жили бы на ней
Без теплоты, магнита, света
И электрических лучей?
Что было бы? Пришла бы снова
Хаоса мрачная пора.
Лучам – приветственное слово,
А свету – громкое Ура!
Судья:
Приветствую вас, дамы, господа.
Мы собрались сегодня все сюда,
Чтоб разрешить спор двух людей учёных,
Известных миру, мудрых, просвещённых.
Пусть три столетья минуло с тех пор,
Ещё не раз разрешился этот спор.
Кто в этом зале быть имеет счастье,
Мы приглашаем в нём принять участье.
Один сказал, что свет – это волна,
Подобна механической она.
Частицы вездесущего эфира,
Колеблясь, свет распространяют в мир.
Другой сказал, что свет – поток частиц.
Упруго отражаясь от границ,
В прозрачные он среды прозрачные он среды проникает,
Законы притяженья отражает.
Чтоб время потекло обратно, вспять,
Пришлось машину времени создать,
Из трёх веков учёных пригласили,
Помочь решить наш спор их попросили.
Итак, приступим. Что такое свет?
Кто дал на это правильный ответ?
Иль волновой теории творец,
Иль Ньютон – всей механики отец?
Сейчас представлю Гюйгенса вам я.
Его друзья, коллеги, оппоненты
О том, что свет есть всё – таки волна.
Вам веские представят аргументы.
Христиан Гюйгенс фен Цюйлихен:
Я, Христиан Гюйгенс, родился в Голландии в богатой и знатной семье. Считаю, что благодаря этому факту моей биографии с детства получил хорошее образование и воспитание, что благотворно сказалось на моей дальнейшей жизни. Работая над различными научными вопросами в парижской академии наук, я предложил теорию света, отличную от ньютоновской. Свет представляет собой волны, которые распространяются в эфире. Световые волны подобны механическим волнам, распространяющимся на воде. Я сформировал принцип, вытекающий из волновой природы света, который впоследствии и до вашего времени называют «Принцип Гюйгенса», используя который, можно объяснить прямолинейность распространения света. Как было доказано учёными, которые жили после меня, свет не является механическими волнами, это особые – электромагнитные волны, чего я, конечно, ещё не знал. Однако при моей жизни волновая теория света почти не имела сторонников. Вероятно, потому, что тогда господствовала классическая теория Ньютона, а моя теория не вписывалась в её рамки. Хочу отметить, что, несмотря на то, что мы с Ньютоном жили в одно время, встретиться нам не довелось. (Во время объяснения идеи волн демонстрируется плакат, рис. 1 - Автор).
Голос за кадром:
Умер он неожиданно, словно споткнулся на бегу. Стояло зелёное нидерландское лето. Было много тюльпанов на его похоронах. А в душном подвале типографии скрипел пресс – печаталась последняя книга Гюйгенса «Космотеорос». Даже смерть не могла его остановить.
Подруга Гюйгенса:
Меня зовут Нинон де Ленкло. Я хорошо знала и любила этого человека. Но, несмотря на мои очарование и красоту, христиан Гюйгенс не уделял мне больше внимания, чем другим знакомым женщинам. Это был молодой человек с красивыми голубыми глазами, локоны модного парика ложились на безукоризненный дорогой костюм. Его высокое происхождение и воспитание открывало двери почти всех дворцов Европы, но Гюйгенс не особенно любил бывать в свете. Он мог чуть – чуть повеселиться, чуть – чуть выпить, не основную часть жизни он отдавал занятиями наукой. Получив хорошее образование. Гюйгенс уже в детстве удивлял своих учителей способностями в физике и математике. В дальнейшем он плодотворно занимался наукой в Парижской академии наук. Ему принадлежат многочисленные работы в области физики, дифференциальной математики, астрономии, механики. Как вы знаете, он предложил иной, чем Ньютон, подход к объяснению природы света. Невозможно преувеличить заслуги Гюйгенса перед наукой. Я думаю, что сегодняшний суд вынесет справедливый приговор в его пользу.
Томас Юнг:
Науки и искусства расхожденье –
Обман для глаз, их связь нерасторжима.
И для меня вражда их стала мнима,
Я равное питаю к ним влеченье.
Я, Томас Юнг, родился 17 июня 1773 года. Родители утверждали, что уже в два года от роду я научился читать. В девятилетнем возрасте изучил математику и латынь, а к четырнадцати годам знал около десяти языков. В 20 лет Королевское научное общество избрало меня своим членом за работу по аккомодации глаза. В 22 года я получил степень доктора медицины, но продолжал заниматься проблемами волновой оптики. Интерес к этому разделу физики у меня возник с детства, когда я пытался понять игру разнообразных цветов на мыльных пузырях. Проделав многочисленные опыты, я объяснил их, исходя из представлений Гюйгенса о том, что свет – это волна. Были проделаны многочисленные опыты по интерференции света. Теперь каждый выпускник школы знает, что интерференция – это явление сложения двух когерентных колебаний, в результате которого интенсивность результатирующей волны перераспределяется. Это положение было подтверждено следующим опытом (далее Юнг демонстрирует и объясняет плакат с изображением опыта по интерференции света от двух отверстий, проделанных в тёмном экране, рис. 2. Затем получает мыльные пузыри и объясняет их окраску, иллюстрируя это плакатом, рис. 3.) В 1816 году члены Французской академии Арго и Гей – Люссак были у меня в гостях и рассказали об опытах Френеля по интерференции света. Я был несколько смущён, но моя жена, молча, вышла и вскоре вернулась с толстым томом – это был первый том моих «лекций по натуральной философии», выпущенных в 1807 году. Там описывались аналогичные опыты, проделанные мною девять лет назад. Оглянитесь вокруг, и вы увидите множество примеров интерференции вокруг нас. Жемчуг и перламутровые раковины переливаются потому, что покрыты тонкой прозрачной плёнкой, на которой происходят процессы, подобные тому, который я объяснял на мыльных пузырях. Интересно, что крылья ярких бабочек переливаются благодаря явлению интерференции, так как они покрыты тонкими прозрачными волосками. (юнг демонстрирует названные предметы, рис. 4. Во время демонстрации звучат стихи. - Автор)
Голос за кадром:
И всюду – звук, и всюду – свет,
И всем мирам – одно начало,
И ничего в природе нет,
Что бы любовью не дышало.
Итак, я свидетельствую в пользу теории Гюйгенса и подтверждаю, что свет – это волна, так как интерференция – это явление, присущее именно волнам.
Огюст Жан Френель:
Я, Огюст Жан Френель, был по профессии дорожным инженером. Но наука всегда привлекала меня, особенно же интересовала наука о свете. Изучив принцип Гюйгенса, я придумал и проделал опыты по интерференции и дифракции. Так как я жил в стороне от научной жизни и не общался сучёными, я не знал, что многие из моих опытов уже были проделаны и объяснены Юнгом. Принцип Гюйгенса был дополнен мною явлением интерференции и теперь носит имя принципа Гюйгенса – Френеля, а приспособления, которые я применял в опытах по интерференции, сейчас называют «бипризмой» и «бизеркалами» Френеля. Сейчас я покажу опыт по интерференции света, используя бипризму. Конечно, в моё время не было таких источников света, как лазер, поэтому постановка опытов вызывала большие трудности. (Показывает и объясняет опыты по интерференции и дифракции, рис. 5. Для демонстрации необходим лазер. Описание опускается, так как опыты общеизвестны. - Автор).
Во время демонстрации опытов звучат стихи Ф. Тютчева:
Голос за кадром:
Не то, что мните Вы, природа,
Не слепок, не бездушный лик.
В ней есть душа, в ней есть свобода,
В ней есть любовь, в ней есть язык.
(Голос из зала: «Можно мне сказать несколько слов в пользу Гюйгенса?» судья разрешает)
Ученик школы:
Я хочу спеть песню о Гюйгенсе. (Песню обычно придумывают сами ребята. Вот вариант, придуманный моими учениками, на мотив песни «четыре чёрненьких чумазеньких чертёнка. - Автор».)
Жил Гюйгенс Христиан в 17 – м столетье,
И даже Ньютон понимал, как он велик,
В любое время, в счастье или в лихолетье,
Нигде и никогда он не бывал безлик.
Он был красив, голубоглаз и очень строен,
И в обществе высоком Христиан блистал,
Был остроумен, весел и всегда спокоен,
И популярности у женщин не искал.
А всё же в жизни главная его забота –
Творить и мыслить, думать, вери ть и дерзать,
И даже хобби у него почти работа –
Вручную линзы очень точно шлифовать.
Он математик, астроном, механик, физик,
И света суть была почти ему ясна.
Пройдут года, и убедиться даже лирик,
Что свет – волна, да, свет – это волна.
Судья:
Итак, сэр Гюйгенс и его друзья
Свой взгляд нам очень ясно изложили.
Теперь представлю Ньютона вам я
И тех, кто сущность квантов подтвердили.
Ньютон:
Друзья, я жил в далёкие года,
Кругом одна механика тогда
Всё объясняла – и планет вращенье.
Природа хитроумна и проста,
Всё материально, что вокруг творится.
Корпускулы заполнили места,
Куда лишь мысль способна устремится.
И солнца свет, и свет свечи горячей –
Всё суть одна – мельчайших ток частиц.
Корпускулы, как тенистый тот мячик,
Упруго отскочили от границ.
Что две среды прозрачных разделяют,
Но также проникают в вещество.
Механики законы отражают,
Им всё подвластно, что есть естество.
Но понимал я, может, как никто,
Наш детский разум и плоды дерзанья,
Что абсолютных истин нет, ничто
Не вечно, так вперёд – к познанью.
(В процессе объяснения своей теории Ньютон демонстрирует плакат, рис. 5. - Автор)
Друг Ньютона:
Я хорошо знал этого человека и восхищался его умом и талантами. Но хочу внести некоторую ясность: я не был близким другом Исаака Ньютона. Таковых у него вообще не было. Он слыл плохим собеседником. Не любил бывать в шумных компаниях и тратить время на пустые разговоры. Такие мужчины не пользуются успехом у женщин, наверное, поэтому Ньютон ни разу не женился. А может быть, он всю жизнь любил ту девочку, в которую влюбился в детстве? Сейчас об этом трудно судить, но известно, что её он навещал и тогда, когда она была уже старушкой. Родился Ньютон слабым и хилым ребёнком вьюжной зимой 1643 года в небольшой деревушке Вулсторн. Священник, крестивший Исаака, считал его не жильцом на этом свете. Но мальчик выжил, и за свою долгую жизнь почти не болел, а к 84 годам потерял только один зуб. Трудно перечислить все заслуги Ньютона в науке, и то, о чём мы говорим сегодня, лишь малая часть его научного наследия. Когда, овеянный славой Ньютон скончался, люди написали на его могиле следующие слова: «Здесь покоится сэр Исаак ньютон, который почти божественным разумом первый доказал с факелом математики движения планет, пути комет и приливов океанов. Он первый исследовал разнообразие световых лучей и проистекающие отсюда особенности цветов, каких до того времени никто не подозревал. Прилежный, мудрый и верный истолкователь природы и святого описания, он утверждал евангелическую простоту. Пусть смертные радуются, что среди них существовало такое украшение рода человеческого».
Макс Планк:
Я долго думал, сомневался,
Чтоб жребий правильно упал,
В себе старался разобраться
И в жизни путь сам выбирал.
Я был силён в гуманитарных,
Как и в естественных науках,
Писал стихи, играл концерты
И ставил опыты на мухах.
И всё же физика синее
Меня влекла к себе тогда –
Вот почему её я выбрал
В те свои юные года.
А человеком я рисковым
В народе до сих пор слыву,
Ведь незадолго до открытия
Я поднимался на скалу.
Была высокою и сложной
Труднодоступная скала,
Но всё же я её осилил –
Меня к тому судьба влекла.
И после этих приключений
Мне в голову вселился гений,
Который взял и подсказал мне
Всю цепь моих предположений.
Быть может, свет представить можно
Не в виде волн с длиною разной,
А как поток частиц отдельных,
Но несколько своеобразных.
Ведь триста лет назад сам Ньютон
Нам предлагал подход корпускул.
Но ныне он забыт, отвергнут,
Поскольку понимался узко.
Голос из зала:
Господин судья, можно задать Максу планку?
(Судья разрешает).
Какое отношение вы имеете к «ультрафиолетовой катастрофе»?
Макс Планк:
На рубеже ХХ столетия в науке существовал один неразрешимый вопрос. Используя волновые представления о природе света, нельзя было объяснить излучение абсолютно чёрных тел в ультрафиолетовой области. После того как я выдвинул гипотезу квантов, этот вопрос успешно разрешился. Таким образом, я предотвратил «ультрафиолетовую катастрофу». Вначале я относился к своей гипотезе не очень серьёзно и считал её некоторым приёмом, позволяющим найти математические решения некоторых вопросов. Свет испускается потоком частиц – квантов, которые обладают энергией, равной. Но окончательно я поверил в реальность квантов только после работы Эйнштейна…
Голос за кадром:
Был этот мир тревожной мглой окутан.
Да будет свет! И тут явился Ньютон.
Но сатана недолго ждал реванша,
Пришёл Эйнштейн – и стало всё, как раньше.
Эйнштейн:
Эти шуточные стихи Маршака говорят о том, что великий Ньютон с помощью своих законов установил порядок в природе. Отныне окружающий мир для людей не явился хаотическим набором случайных событий, явлений и фактов – всё подчинялось и описывалось строгими законами. Через 200 лет я открыл общую и специальную теории относительности, которые по – иному, чем ньютоновская механика, объяснили явления природы. Механика Ньютона являлась лишь частным случаем более общей теории. Многие учёные вначале её не поняли, а некоторые считали меня чудаком. В конце моей жизни я написал: «Прости меня, Ньютон. В своё время ты нашёл тот единственный путь, который был пределом возможного для человека величайшего ума и творческой силы». Не сейчас идёт речь о корпускулярной природе света. Я не отрицаю, что это электромагнитные волны, не в некоторых случаях, например, при взаимодействия света с веществом, свет ведёт себя как поток частиц, которые Ньютон называл корпускулами, а Планк – квантами. Фотоэффект (вы помните, что это явление выбивания светом электронов с поверхности металла), так же, как и излучение абсолютно чёрного тела, невозможно было объяснить сточки зрения волновой теории света. Я взял на вооружение идею ланка о квантах света и понял, что энергия каждого кванта E = hv. Где V – частота света. Можно увидеть, как влияет частота света на энергию квантов, выбивающих электроны из металла (Эйнштейн демонстрирует простейшую установку для фотоэффекта, изменяет величину фототока. Объясняет это явление - Автор )
Голос за кадром:
Упали в прах обломки суеверий,
Наука в правду обратила сон,
В прах, в телеграф, в фонограф, в телефон,
Познав составы звёзд и жизнь бактерий.
Ученик школы:
Господин судья, можно мне сказать несколько слов в пользу Ньютона?
(судья разрешает).
Я не был лично знаком с Исааком Ньютоном, но хочу заметить, что он не считал свои представления абсолютно верными и не противопоставлял их взглядам Гюйгенса. Ньютон всегда высказывался осторожно о рироде явлений, предпочитая говорить только о твёрдо установленных физических фактах. Вот типичная для Ньютона фраза: «справедливо, что я заключаю из моей теории о телесности света, но я делаю это без всякой абсолютной уверенности». И ещё я хочу исполнить песню о Ньютоне. (Песню опять – таки придумывают ученики во время подготовки урока. Эта песня положена на мотив песни «Осень» группы «Лицей» - Автор)
Свет твоего окна –
Квант или волна, квант или волна?
Был Ньютон убеждён,
Что тот самый свет квантами рождён.
Припев:
Ньютон, Ньютон, ну скажи, ты взял откуда
Мысль о том, что корпускул полон дом?
Ньютон, Ньютон, но я верю почему – то –
Есть он, квант, вечный квант
Планк и Альберт Эйнштейн
Двести лет спустя, только двести лет,
Вновь, подтвердили вновь,
Свет – волна и квант, радость и любовь.
Припев.
Судья:
Сказал о свете так мудрец Платон:
Свет – в душу проникающее пламя,
И подтвердили всею жизнью то
Учёные, что здесь прошли пред вами.
Многообразны проявленья света –
Нас убеждают в свойствах волновых
Интерференция, дифракция, но это
Не отрицает свойств его других.
А тепловые излучения тела,
Что абсолютно чёрным названо,
Фотоэффект, открытый так умело, -
О квантах говорят уже давно.
Мы с вами здесь сейчас убеждены,
Что свет – явленья вовсе не простое,
То он частица, то – в виде волны,
И утверждать обратное – пустое.
Возможно, человечество найдёт
Явлений этих соприкосновенье
И безграничным разумом поймёт
Столь мудрое природы проявленье.
Голос за кадром:
Наш мир – не завершенье –
Там – дальше – новый круг –
Невиданный – как Музыка,
Вещественный – как Звук.
Он манит и морочит –
И должен – под конец –
Сквозь кольца Загадки
Пройти любой Мудрец.
