Лазеры – источники когерентного излучения

   Пояснительная записка

Методическая разработка рассчитана на двух часовое занятие по дисциплине Физика для студентов первого года обучения на базе основной общеобразовательной школы, обучающихся по специальности Сестринское дело.

Целью занятия является изучение оптических явлений в лазерах, включая условия получения лазерной генерации в газах , жидкостях и твёрдых телах. диэлектрики, полупроводники, металлы, гетерогенные твердотельные структуры, плёнки и композитные материалы. Предполагается освоение фундаментальных закономерностей, связанных со свойствами лазерного излучения и процессами распространения электромагнитного излучения в веществе.

Актуальность темы обусловлена большой практической значимостью лазеров и важностью изучения теории лазерных явлений. В занятии используются представления смежных областей физики: квантовой механики, акустики, квантовой электроники, электродинамики.

Изобретение лазеров и все увеличивающиеся использование их в медицине поставило перед современной медициной ряд новых задач:

изучение влияния лазерного излучения на различные клетки, ткани, органы, системы и человеческий организм в целом;

определение возможности использования лазера в диагностике и лечении различных заболеваний, а также при оперативных вмешательствах в качестве так называемого светового скальпеля;

определение возможного отрицательного влияния лазерного излучения;

разработка соответствующих профилактических мероприятий и мер защиты.

Указанные задачи частично решены, частично находятся в стадии разработки.

В медицине возникло новое направление - лазерная медицина и лазерная техника стала основой значительного прогресса в области новых медицинских технологий. В настоящее время происходит переход от эмпирических методик к теоретически и экспериментально обоснованному применению, к более глубокому анализу механизмов взаимодействия лазерного излучения с веществом

Дальнейшее развитие лазерной медицины тесно связано с подготовкой таких специалистов, которые могли бы не только использовать лазер как инструмент, но и достаточно хорошо знали принципы его работы, особенности и возможности этого инструмента, могли бы принимать участие в разработке новых методов и методик использования лазерных систем, заниматься теоретическими и. экспериментальными исследованиями в этой области медицины. Вышесказанное позволяет сделать вывод о том, что назрела необходимость в систематической подготовке специалистов по использованию лазеров в медицине в медицинских колледжах.

Объем темы согласно рабочей программы составляет 4 часа, из которых 2 часов приходится на аудиторную нагрузку и 2 часа отведено на самостоятельную работу студента. Самостоятельная работа студента предусмотрена перед прохождением темы, что позволяет непрерывно самосовершенствоваться и преподавателю, внося коррективы в изложение материала.

Методический блок Технологическая карта

Тема: «Лазеры – источники когерентного излучения»

Преподаватель: Большакова Ольга Леонидовна

Образовательное учреждение: Государственное автономное образовательное учреждение среднего профессионального образования Республики Башкортостан Белорецкий медицинский колледж

Дисциплина: Физика

Краткая аннотация урока:

Курс, специальность: 1 курс, специальность 060501 Сестринское дело

Тема раздела: Квантовая физика

Тема: Физика атома

Урок: Лазеры – источники когерентного излучения.

Эпиграф урока: «Свет — это все. В случае сомнений поступай так, как делает подсолнечник. Ищи источник света и поворачивайся в его сторону» Бернар Вербер

Тип урока: комбинированный урок

Цель урока: формирование познакомить студентов с историей возникновения, устройством и принципом действия лазера, раскрыть его основные свойства; рассмотреть применение лазера на примерах профессионального содержания

Задачи урока:

Дидактические (образовательные):

изучить устройство и принцип действия лазера;

его применение в науке и технике.

Развивающие:

развивать умение думать, сопоставлять, обобщать, анализировать, расширить кругозор студентов;

развивать самостоятельность действий и суждений студентов, способствовать их самореализации и креативности

Воспитательные

-прививать познавательный интерес к предмету;

воспитывать умение работать в коллективе: высказывать свое мнение, выслушивать товарища.

Оборудование:

ПК, сеть интернет(или фильм на съемном носителе), мультимедиапроектор, компьютерная презентация урока

Формы реализации методов: Комбинированный: с включением элементов информационных технологий в процессе объяснения материала урока (мультимедийная презентация).

Формы организации познавательной деятельности:

фронтальная – при обсуждении нового материала, фронтальном опросе, обсуждении видеофильма;

индивидуальная – при самостоятельной работе с презентацией Microsoft Office Power Point и составлении краткого конспекта; при выполнении индивидуальных упражнений и тестов; при самооценке.

Приемы обучения: Постановка проблемных вопросов при изложении нового материала; обращение к наглядным и компьютерным средствам обучения; выполнение исследовательских заданий.

Планируемые результаты обучения: В соответствии с требованиями Федеральным государственным образовательным стандартом нового поколения по специальности 060501 Сестринское дело студент

должен уметь:

формулировать определение индуцированного излучения;

объяснять принцип действия лазера, назначение трёхуровневой системы;

применять методы медицинской физики в профилактике, диагностике и лечении заболеваний;

объяснять свойства индуцированного и лазерного излучения

объяснять устройство рубинового лазера, другие типы лазеров и их применение.

Студент должен знать:

физические основы профилактики, диагностики и лечения различных заболеваний;

физические методы лазеротерапии; влияние лазерного излучения на физические процессы в биологических тканях;

виды излучения и их применение в медицине;

применение лазера в медицине;

основные группы медицинских электронных приборов и аппаратов

Ожидаемый результат: Все студенты усвоят изложенный на уроке материал и научатся применять полученные знания в жизненных ситуациях.

Приобретаемые навыки обучающихся:

-навыки самостоятельной работы с учебным материалом,

-навыки работы с ПК, электронной презентацией,

-навыки самообразования,

-навыки устной и письменной речи, -навыки самоконтроля,

-навыки самоанализа учебной деятельности;

Оценка, приобретаемых знаний:

Общая успеваемость 100%

Качественная успеваемость >60%

Оснащение: компьютер, интерактивная доска с мультимедийным проектором, презентация «Лазер», видеофрагмент «Лазер на здоровье», путеводитель по уроку, рабочие листы (инструктивные карты).

Оборудование: лазер лабораторный(или лазерная указка), дифракционная решетка, штатив, экран с миллиметровой бумагой.

Междисциплинарные связи:

Информатика

Раздел 1. «Информация и информационные процессы»

Тема: «Компьютер как средство автоматизации информационных систем»;

Раздел 5. Компьютерные сети

Тема: «Основы социальной информатики»

Генетика

Тема : «Мутагенез. Мутагены»

ОБЖ

Раздел «Основы военной службы»

Тема: «Огневая подготовка. Обычные средства поражения»

Микробиология

Раздел «Методы изучения микроорганизмов»

Тема: «Микроскопия препаратов»

Внутридисциплинарные связи:

Физика:

Раздел 5. Основы молекулярно-кинетической теории

Тема : «Основные положения молекулярно-кинетической теории»;

Раздел 12. Электромагнитные колебания и волны

Колебательный контур. Электромагнитные волны.

Раздел 13. Световые волны

Тема : «Волновые свойства света»;

Основные понятия: «вынужденное излучение», «Лазер», «квантовые постулаты Бора», «волны», «свойства волн»

Новые понятия: «когерентные волны», «лазер», «индуцированное излучение», «трехуровневая система»

Основная литература:

1.Физика (для нетехнических специальностей): учебник для студ. Образоват. Учреждений сред. Проф. Образования/ П.И. Самойленко, А.В. Сергеев. – 10-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2011. – 400с.

Дополнительная литература:

Блудов М. И. Беседы по физике. – М.: Просвещение, 1985.

Басов Н. Г., Афанасьев Световое чудо века. – М.: Педагогика,1984.

Билимович Б. Ф. Световые явления вокруг нас. – М.: Просвещение, 1986

Пигалицин Л.В. Лазерное наведение. – Физика, Первое сентября, №6, 2012

Цветкова О. М. Лазеры: от истоков до наших дней. – Физика, Первое сентября, №4, 2007

Используемые цифровые образовательные ресурсы:

Кирилл и Мефодий Физика 11 класс

Электронный учебник по физике для школьников «От плуга до лазера»

Электронный учебник по физике для школьников "Открытая физика 2.5

Интернет-ресурсы;

Фильм «Лазер на здоровье»: http://www.youtube.com/watch?v=UK0YcRsrwUQ

Фильм «Лазер в медицине»: http://youtube.com/watch?v=9UVIbCRKPo8

http://nauka-pedagogika.com/pedagogika-13-00-02/dissertaciya-podgotovka-spetsialistov-po-ispolzovaniyu-lazerov-v-meditsine-v-meditsinskih-vuzah#ixzz2yJK8N7Av

Хронокарта комбинированного занятия

II. Информационный блок

Комбинированное занятие:

Конспект изучаемой темы

История лазера

Важный этап развития квантовой физики был заложен Альбертом Эйнштейном в 1916 году. Он сформулировал понятие индуцированного излучения. Явление заключается в том, что переходы электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний с испусканием излучения могут проходить под влиянием внешнего электромагнитного поля. Только спустя много лет это явление было использовано практически и положено в основу устройства лазера.

В 1951 г. советскими физиками Фабрикатом В.А., Вудынским М.М., Бутаевой Ф.А. было открыто явление усиления потока света при прохождении через вещество с инверсной населённостью.

В 1954 году советские учёные Басов Г.Н. и Прохоров А.М. и независимо от них американский физик Таунс Ч. создали микроволновый генератор радиоволн – мазер. В 1964 г. Басову Г.Н. и Прохорову А.М. совместно с американским ученым Ч. Таунсом присуждается Нобелевская премия по физике за фундаментальные исследования в области квантовой электроники, приведшие к созданию мазеров и лазеров.

Днём рождения лазера считается 16 мая 1960 г. Эта дата стоит в рабочей тетради Теодора Меймана. Он создал первый квантовый генератор электромагнитных волн в видимом диапазоне спектра. Активным веществом в его устройстве служил рубиновый цилиндрический стержень, а возбуждение осуществлялось с помощью оптической накачки (ламп фотовспышки). Для обеспечения в кристалле рубина инверсной населенности энергетических уровней лампы работали в режиме сверхъярких коротких импульсов. 7 июля 1960 г. на специально созванной пресс-конференции Т. Мейман объявил о создании лазера и рассказал о возможных областях его применения: связь, медицина, военная техника, транспорт и высокие технологии. Изобретение получило широкий общественный резонанс. Газеты писали, что ученый из Лос-Анджелеса изобрел "луч смерти".

18 сентября 1961 года в Физическом институте имени П.Н. Лебедева М.Д. Галанининым, А.М. Леонтовичем и З.А. Чижиковой заработал первый импульсный советский лазер на кристалле рубина.Они провели первые «пионерские» исследования свойств лазера.

В 1963 г. Жорес Алферов и Герберт Кремер независимо друг от друга разработали теорию полупроводниковых гетероструктур, на основе которых позднее были созданы многие лазеры (за эту работу они в 2000 г. получили Нобелевскую премию). Во всех мобильных телефонах есть гетероструктурные полупроводники, созданные Алфёровым. Вся оптиковолоконная связь работает на его полупроводниках и "лазере Алфёрова". Без "лазера Алфёрова" были бы невозможны проигрыватели компакт-дисков и дисководы современных компьютеров. Открытия Жореса Ивановича используются и в фарах автомобилей, и в светофорах, и в оборудовании супермаркетов — декодерах товарных ярлыков…

Принцип действия лазера:

В квантовой системе с двумя выделенными уровнями при взаимодействии с излучением могут происходить различные процессы.

а) поглощение.

В обычных условиях атомы не возбуждены – находятся в низшем энергетическом состоянии. Атом, поглотивший энергию , переходит в возбужденное состояние.

б) спонтанное излучение.

Возбужденный атом может самопроизвольно испустить фотон в любом направлении.

в) вынужденное излучение.

Возбужденный атом может перейти в низшее состояние и не самопроизвольно, а под влиянием внешнего воздействия. При этом излучается волна, совпадающая по частоте и фазе с падающей и волна усиливается.

Т.о. для вынужденного излучения нужно искусственно создать перенаселенность верхних энергетических уровней. Этот процесс называется накачка. Накачка должна перевести двухуровневую среду в состояние, в котором количество атомов на верхнем уровне превышает количество атомов на нижнем. Такое состояние среды называется состоянием с инверсной населенностью уровней, а сама среда называется активной.

Лазер – компьютерная двухуровневая модель (CD «Открытая физика»)

Трехуровневая система

Двух уровней энергии для работы лазера недостаточно, т.к. необходимо, чтобы число возбужденных атомов было больше невозбужденных. Поэтому используются 3 «работающих» энергетических уровня.

Для возбуждения атомов используется мощная лампа. После ее вспышки атомы переходят в состояние 3, где время жизни мало – 10-8с, затем самопроизвольно переходят в состояние 2. Время жизни в состоянии 2 в 100 000 раз больше -10-3с. Т.о. создается «перенаселенность» возбужденного уровня 2 по сравнению с невозбужденным 1.

Переход между уровнями E3 и E2 безызлучательный. Лазерный переход осуществляется между уровнями E2 и E1.

Необходимые энергетические уровни имеются в кристаллах рубина. Рубин- это красный кристалл оксида алюминия Al2 O3 c примесями атомов хрома.

В кристалле рубина уровни E1, E2 и E3 принадлежат примесным атомам хрома

Устройство рубинового лазера (сообщение 1 ученика)

Типы лазеров

Сразу же после появления в 1960г первого лазера началось бурное развитие лазерной техники. В короткое время были созданы разнообразные типы лазеров. В настоящее время в качестве рабочих веществ в лазерах используются самые различные материалы. Генерация получена более чем на ста веществах: кристаллах, активированных стеклах, пластмассах, газах, жидкостях, полупроводниках, плазме. Поэтому лазеры бывают: твердотельные (например, рубиновый, стеклянный или сапфировый),газовые (например, гелий-неоновый, аргоновый и т.п.), жидкостные, полупроводниковые. Различают также лазеры по характеру излучаемой энергии. Если энергия излучается импульсно, то говорят обимпульсных лазерах, если непрерывно, то лазер называют лазером с непрерывным излучением. Есть лазеры и со смешанным режимом работы, например полупроводниковые. Если излучение лазера сосредоточено в узком интервале длин волн, то лазер называют монохроматичным, если в широком интервале, то говорят о широкополосном лазере. Рабочий диапазон существующих оптических квантовых генераторов изменяется от ультрафиолетового излучения с длиной волны 0,3 мкм до инфракрасного с длиной волны 300 мкм.

Применение лазеров

Уникальные свойства лазерного луча, многообразие конструкций современных лазеров обуславливают широкое применение лазерных технологий в различных областях человеческой деятельности: промышленности, науке, медицине и быту.

Иллюстративный материал для мультимедийного сопровождения

III. Контролирующий блок Вопросы для активизации познавательной деятельности студентов при изучении нового материала

. Что представляет собой свет согласно квантовой теории?

Сформулируйте I постулат Бора.

Сформулируйте II постулат Бора.

Имеют ли эти понятия практическое значение? Влияют ли эти знания на нашу жизнь?

Какие физические явления объяснила и предсказала квантовая физика как теория?

Вопросы для закрепления и систематизации полученных знаний

1. Какое количество фотонов испускает гелий- неоновый лазер за 5 минут, излучая волны с длиной 630 нм и развивая мощность 50 мВт. (Ответ: 4,7 ∙1019)

2. Рубиновый лазер излучает в одном импульсе длительностью 0,001 с 7∙ 1019 фотонов с длиной волны 624 нм. Чему равна средняя мощность этого импульса? (Ответ:3,17∙ ∙ 10-16 Вт)

3. Сколько фотонов испускает за 10 минут работы полупроводниковый лазер принтера, если мощность его излучения равна 5 мВт. Длина волны излучения равна 770 нм? (Ответ: 1,16∙1019 м)

4. Лазер мощностью 1 мВт генерирует монохроматичное излучение с длиной волны 0,6 мкм. За какое время лазер испускает фотоны, суммарная масса которых равна массе покоя протонов? (Ответ: 1,510-7

Рекомендации для студентов по выполнению внеаудиторной самостоятельной работы:

Внимательно прочитать §16.4, стр. 300 учебника, подготовить ответы на вопросы 8-11 стр. 309

IV. Приложение

Приложение1

Мультимедиа сопровождение

1. Презентация Лазер

2. Фильм «Лазер на здоровье»

3 Презентации студентов

Приложение2

Образец студенческой внеаудиторной работы

Государственное автономное образовательное учреждение

среднего профессионального образования

Республики Башкортостан

Белорецкий медицинский колледж

Методические указания по организации

внеаудиторной самостоятельной работы для студентов 1 курса

по теме: «Лазеры – источники когерентного излучения»

по дисциплине: Физика

форма выполнения задания: Мультимедийная презентация

для специальности

060501 Сестринское дело

(базовая подготовка)

Автор: Большакова О.Л.

2019

Тема: Лазеры – источники когерентного излучения

Цели:

После выполнения работы студент должен

- иметь представление о принцип действия лазера, свойства индуцированного и лазерного излучения

- уметь объяснять устройство рубинового лазера, другие типы лазеров и их применение

Форма выполнения задания: Мультимедийная презентация

Срок сдачи работы: 2 неделя марта

Количество часов: 2ч.

Вопросы и содержание материала для самостоятельного изучения.

Уважаемый студент!

Вам предлагается подобрать материал по своему варианту.

Выполнение данной работы поможет Вам лучше усвоить изучаемую тему, углубить, расширить и систематизировать свои знания по данному вопросу. Умение пользоваться редактором электронных презентация поможет Вам в будущей профессиональной деятельности.

Презентация – интерактивная последовательность слайдов, содержащих текст, графику, звук, видео, анимацию

Алгоритм выполнения и оформления самостоятельной работы:

Этапы разработки презентации:

Определение цели и задач.

Разработка концепции.

Подбор материала.

Разработка структуры проекта.

Создание дизайна.

Организация навигации.

Подготовка материала.

Выполнение проекта.

Тестирование.

Требования к оформлению работы

Работа выполняется в программе Power Point (Оpenoffice.org Impress) и включает в себя:

Первый слайд с указанием темы, ФИО выполнившего студента

Содержание работы

Последний слайд: используемая литература и Интернет-ресурсы

Рекомендации по оформлению:

Соблюдайте единый стиль оформления.

Избегайте стилей, которые будут отвлекать от самой презентации.

Вспомогательная информация (управляющие кнопки) не должны преобладать над основной информацией (текст, рисунок).

На одном слайде рекомендуется использовать три-четыре цвета.

Для фона и текста слайда выбирайте контрастные цвета.

Используйте возможности компьютерной анимации для представления информации на слайде.

Не стоит злоупотреблять различными анимационными эффектами, они не должны отвлекать внимание от содержания на слайде

Используйте короткие слова и предложения.

Минимизируйте количество предлогов, наречий, прилагательных.

Заголовки должны привлекать внимание аудитории

Предпочтительно горизонтальное расположение информации.

Наиболее важная информация должна располагаться в центре экрана.

Если на слайде картинка, надпись должна располагаться под ней.

Шрифт для заголовков - не менее 24.

Шрифт для информации - не менее 18.

Нельзя смешивать различные типы шрифтов в одной презентации.

Для выделения информации следует использовать жирный шрифт, курсив, подчеркивание.

Не стоит заполнять один слайд слишком большим объемом информации: люди могут запомнить не более трех фактов, выводов, определений.

Наибольшая эффективность достигается тогда, когда ключевые пункты отображаются по одному на каждом отдельном слайде

Критерии оценки работы

Полнота раскрытия темы

Четкость изложения темы

Отсутствие ошибок

Аккуратность оформления в соответствии с требованиями

Сроки сдачи работы

Перечень обязательной, нормативной и дополнительной литературы (по форме):

Желаем успеха!

Приложение 3

Бланк конспекта

А) История создания.

Индуцированное излучение – это ……..

Свойство индуцированного излучения: ……….

В) Принцип действия. (Объяснить по схеме)

С) Трёхуровневая система.

Трёхуровневая система применяется потому, что…………

Что происходит при этих переходах?

D) Устройство рубинового лазера.

Е)

F) Применение лазеров.

Приложение 4

Онлайн-тестирование

http://kalin-kung.narod.ru/test/files/11_klass_07_lazery.html

Приложение 5

Домашнее задание

ОИ№1, §16.4, стр 300 прочитать, стр.309 ответить на вопросы 8-11

2.Выучить конспект лекции.