Un ull sobre l’òptica

kits

• Els kits que inclouen materials per a activitats es poden trobar a: https://laserclassroom.com/product/eyes-on-optics-kit-a-gelatin-optics-engineering-project/

introducció

• Full de treball de l’alumne 1: gràfic KWL: DESA per tornar a utilitzar-lo a l’activitat 5
• Diagrames oculars normals, hiperòpics i miops / repartiment
• Parell d’ulleres

Activitat 1

• Fitxa de treball per a estudiants # 2: materials i configuració experimental
• Lloses de gelatina preparades (vegeu la recepta a continuació)
• Conjunt de Light Blox (https://laserclassroom.com/light-blox/) O Laser Blox (https://laserclassroom.com/laser-blox/)
• Conjunt de talladors de galetes circulars
• Ganivet de plàstic

Activitat 2

• Full de treball de l'estudiant # 3: Ray Tracing
• Formes de gelatina preparades
  • Lents convexes modelades
  • Lents còncaves modelades
  • Quadrat de gelatina (~ 3 ”X 3”)
  • Cercle de gelatina (~ 3 "de diàmetre)
• Conjunt de Light Blox (https://laserclassroom.com/light-blox/) O Laser Blox (https://laserclassroom.com/laser-blox/)

Activitat 3

• 1 llosa de gelatina preparada per equip
• 1 Conjunt de talladors de galetes circulars per equip
• 1 ganivet de plàstic per equip

Activitat 4

• 1 llosa de gelatina preparada per equip
• 1 Conjunt de talladors de galetes circulars per equip
• 1 ganivet de plàstic per equip

Activitat 5

• Full de treball de l'estudiant # 1
• 1 llosa de gelatina preparada per equip
• 1 Conjunt de talladors de galetes circulars per equip
• 1 ganivet de plàstic per equip

Activitat 6

• 1 llosa de gelatina preparada per equip
• 1 Conjunt de talladors de galetes circulars per equip
• 1 ganivet de plàstic per equip
• Plantilla d'ulls
• Gràfic KWL com a referència

Disseny de repte

• Conjunt de Light Blox
• Conjunt de lents modelades: una còncava i una altra convexa
• Llosa de gelatina
• Ganivet de plàstic
• Talladors de galetes
• Plantilla d'ulls
• S'ha completat el gràfic KWL del full de treball núm. 1

Recepta de gelatina:

• La recepta següent fa que hi hagi prou gel per a uns sis discs grans:
  • 4 tasses d'aigua
  • 8 sobres de gelatina original Knox
  • 1 contenidor amb unes dimensions de 9 "x 7" x 2 "
  • Bullir l'aigua. Barregeu 4 tasses d’aigua bullent en 8 sobres (o una proporció d’aigua 1: 2 amb gelatina) de gelatina original Knox.
• Per a l'activitat núm. 2, aboqueu la barreja a les safates del motlle de la lent.
• Per a la resta d'activitats, aboqueu la barreja al recipient de manera que la profunditat del líquid sigui d'almenys 0.75 polzades. Poseu la gelatina a la nevera durant la nit per solidificar-se.

materials

• Varietat de materials reciclables nets i secs (plàstics, vidre, llaunes de metall / alumini i paper) en una gran safata o caixa de reciclatge
• Taula llarga o algunes taules curtes juntes

Procés

Col·loqueu el disseny en una taula llarga (o unes taules curtes juntes), afegiu-hi material reciclable i documenteu el grau de classificació de cada disseny en contenidors separats.

Disseny de repte

Formeu part d’un equip d’enginyers davant del repte de dissenyar un sistema de lents per millorar la visió d’un pacient. Completareu 6 activitats per conèixer l’òptica de les lents i l’ull humà.

Criteris

• Dissenyar i esbossar un sistema per millorar la visió d'un pacient.

Restriccions

• Utilitzeu només els materials proporcionats.

La lliçó requereix sis períodes de classe de 45-60 minuts

PRESENTACIÓ DEL REPTE

resum
Aquesta lliçó conclou amb un repte de disseny, un projecte obert que anima els estudiants a fer preguntes, prendre iniciativa i pensar de manera creativa. Els desafiaments en enginyeria i disseny proporcionen context i sentit per emprar el procés científic, desenvolupar coneixements i habilitats tècniques i tenir èxit en la societat moderna.

Per introduir aquest repte de disseny, es presenta als estudiants l’objectiu de dissenyar un sistema de lents per millorar la visió d’un pacient, identificant allò que saben i necessiten sobre l’òptica de les lents i l’ull humà per afrontar el repte.

Habilitats i coneixements de fons

• Camí de llum de la font (o objecte) als ulls (Activitat opcional: Aula Cova)
• Camí de la llum cap a l'ull humà: retina i punt focal
• Activitat opcional: Experimenteu amb la vostra pròpia visió

Configureu l'Activitat

Dividiu els estudiants en equips de 2 o 3. Organitzeu l’escenari d’una sessió de pluja d’idees sobre l’estructura i la funció de les lents i l’ull humà.

Sosteniu un parell d’ulleres.

Demaneu als alumnes que expliquin com funcionen les ulleres per millorar la visió. Deixeu que els estudiants esbossin els seus dissenys si els ajuda a expressar-se més completament.

Expliqueu a la classe que aquesta lliçó acaba amb un repte de disseny. Expliqueu que els equips d’estudiants dissenyaran un sistema de lents per millorar la visió d’un pacient. Expliqueu que rebran un model d'ull del pacient i tindran l'encàrrec de dissenyar un conjunt de lents per millorar la visió dels pacients.

Expliqueu que els equips hauran d’explicar les seves decisions de disseny basant-se en les dades que recopilin durant el disseny i la prova d’objectius.

Feu un debat a classe: pregunteu als estudiants:

• Com funcionen les ulleres?
• Com es combinen les ulleres amb l’ull per millorar la visió?
• Són els seus diferents tipus d’ulleres? Si és així, en què es diferencien i per què?
• Com creieu que els metges esbrinen quin tipus de lent millorarà la visió?

Facilitar la lliçó

Projecteu les imatges d'un ull normal, un hiperòpic i un ull miop a la pantalla i / o distribuïu un full informatiu als equips amb aquestes imatges.

Com a classe, examineu i discutiu les diferències entre les imatges. Ajudeu els estudiants a comprendre i tenir en compte el següent:

• Identificar i comprendre les funcions bàsiques de les estructures de l’ull que es mostren al dibuix
• La lent de l’ull és idèntica a tot arreu
• La distància de la lent a la retina és diferent d’un ull a l’altre
• La retina es troba al mateix lloc per a tots els ulls
• La forma de cada ull en conjunt és diferent

Distribuïu el repte de l’escenari i el full de treball número 1 de l’alumne, gràfic KWL als estudiants. Com a classe, llegiu i reviseu l’escenari. Permetre que els estudiants completin el KWL per parelles.

Resum i reflexió

Com a classe, reviseu l’escenari i demaneu als voluntaris que comparteixin amb els seus organitzadors gràfics de KWL i avalueu la comprensió dels estudiants sobre el repte del disseny.

Feu preguntes als estudiants com ara:

• Com, amb les vostres paraules, descriuríeu el repte de disseny que se us ha plantejat?
• Què creus que necessites saber per dissenyar un sistema de lents per millorar la visió?
• Què enteneu ja de l’ull i la visió humana que us ajudaran a assolir aquest repte?
• Què enteneu ja de la naturalesa de les lents que us ajudaran a assolir aquest repte?
• Què creus que necessites aprendre per assolir el repte del disseny?

ACTIVITAT 1: EXPLORA AMB LLUM I GELATINA (45-60 min)

resum

L’objectiu d’aquesta activitat és que els estudiants trobin i documentin la forma més eficaç d’observar i enregistrar el camí de la llum quan surt de la font de llum i passa a través i després de la gelatina.

Els estudiants tindran una oportunitat oberta d'explorar i treballar amb els materials, fer i compartir observacions i construir una comprensió fonamental de la relació entre les formes de gelatina i la llum. Aquesta exploració oberta fomenta la creativitat i la resolució de problemes útils per afrontar el repte final de dissenyar un sistema de lents per millorar la visió.

Els resultats de l'aprenentatge

Com a resultat d'aquesta activitat, els estudiants podran:

• Orientar la gelatina i les llums per observar el camí de la llum quan passa de la font de llum a través d’un tros de gelatina
• Descriviu i documenteu el camí de la llum al seu pas per la gelatina

o Amb gelatina sobre la taula

o Amb la gelatina NO posada plana sobre la taula

o 1 feix amb Light Blox assegut al seu costat més ample

o 1 feix amb Light Blox assegut al costat més estret

o 3 feixos alhora

Coneixements previs i habilitats

Abans de començar l'activitat 1:

• Al final d’aquesta lliçó, els estudiants haurien de comprendre el repte del disseny. Consulteu la secció "Presentació del repte" anterior.
• Introduïu l’objectiu general de l’activitat d’exploració: trobar i documentar la manera més eficaç d’observar i enregistrar el recorregut de la llum quan surt de la font de llum i passa i surt de la gelatina.

Demostreu / modeleu com es mesura i es registra el següent:

• Mostreu als estudiants un conjunt de materials i demostreu com s'utilitzen els talladors de galetes i el ganivet de plàstic per crear diverses formes de gelatina.
• Mostrar als estudiants com manipular les formes de manera que facin brillar les llums per cada superfície.
• Mostra als estudiants les dues maneres diferents d’orientar els llums que passen per la gelatina.

Facilitar l’activitat

Fomenteu la creativitat, l’exploració i la documentació

• Model d'exploració i experimentació amb els materials
• Repartiu el full de treball número 2 de l’estudiant i modeleu com enregistrar observacions
• Demostreu com documentar:
  • La mida i la forma del seu tros de gelatina
  • L'orientació de la gelatina i la llum
  • Tot el recorregut del feix de llum comença quan surt del Light Blox quan passa i surt de la gelatina
  • Crear equips i distribuir recursos. Assegureu-vos que cada equip tingui accés a una "llosa de gelatina" per tallar, talladors de galetes, ganivet de plàstic, Light Blox (o una altra font de llum), un full de paper i materials de gravació.
• Apagueu els llums si és possible i segur
• Circula per tota l’aula per observar equips mentre els estudiants preparen i organitzen el seu equip.
• Circular per tota la sala observant com treballen els estudiants. Mentre els equips treballen, observeu els seus esforços per fer brillar Light Blox a través de la gelatina, ajudeu a persones o equips que lluiten amb la gestió i la configuració dels equips.
• Si escau, involucreu els estudiants en debats sobre les seves activitats. Fer als estudiants preguntes obertes sobre el seu esforç per disposar equips, tallar formes, orientar llums, enregistrar allò que observen i com donen sentit a les seves observacions.
• Si escau, atureu la classe per compartir la feina d’un o més equips amb altres equips. Utilitzeu aquestes interrupcions per ressaltar exemples positius d’exploració, inclosos, entre d'altres, el disseny creatiu, els mètodes per alinear llums, gelatina i pantalla, manteniment de registres i treball en equip.

Durant tot el període, recordeu als estudiants que conservin registres detallats de la seva feina a la qual la remetran en la discussió de seguiment.

Resumeix i reflexiona

Tanca l’activitat, anima els equips a compartir el seu treball i treu conclusions sobre els resultats.

• A classe discutir les conclusions dels estudiants
  • La millor manera d’orientar la gelatina i les llums per observar el recorregut de la llum al seu pas per la gelatina
  • Com la forma de la gelatina afecta el camí de la llum quan passa per la gelatina
  • Recordeu que en el futur dissenyareu un sistema de lents per millorar la visió humana. Què heu fet i après avui que s’aplica a aquest repte?
  • Com a classe, acordeu un procediment per rastrejar el recorregut de la llum quan surt de la font de llum, passa a través de la gelatina i surt de la gelatina.

Què està passant? Definició de refracció i referència a més informació. Opcional: Activitat de refracció cinestèsica http://laserclassroom.com/products/kinesthetic-model-refraction/

ACTIVITAT 2: EXPERIMENT AMB FORMA DE LENT (45-60 min)

resum

Els estudiants utilitzen el procés científic per descobrir el qualitativa relació entre la llum i la forma (còncava, convexa, quadrada, cercle) d’una lent.

Els resultats de l'aprenentatge

Com a resultat d’aquesta activitat, els estudiants podran enregistrar el recorregut d’un sol feix de llum quan passa de la font de llum a través d’un costat d’una lent a l’altre costat d’una peça de gelatina; i treure conclusions sobre com la llum viatja a través d’un tros de gelatina amb un

• Superfície plana / recta
• Superfície corba
• Descriviu, demostreu i registreu el recorregut de la llum quan travessa tant una lent convexa com còncava (mitjançant 3 llums)
• Identificar i definir: lent còncava, raig incident de lent convexa, raig refractat

Coneixements i habilitats previs

Revisió al començament de l'activitat:

• Com orientar la gelatina i les llums (de l'activitat anterior)
• Com registrar el camí de la llum al seu pas per la gelatina (de l'activitat anterior)

Configureu l’activitat

Configureu 4 estacions

• 3 Light Blox i cercle de gelatina
• 3 Light Blox i quadrat de gelatina
• 3 llums i una lent motllada convexa
• 3 llums i una lent còncava modelada

Abans de començar l’experiment: expliqueu el procés científic

• Fomenteu l’estudi sistemàtic de la llum i les lents. A cada estació, feu que els estudiants documentin les seves observacions, amb un dibuix, incloses les etiquetes adequades (rajos incidentals i refractats, lent còncava o convexa)
• La diferència entre variables independents i dependents
• Quines variables són les variables independents i dependents de cada estació
• La variable dependent és la forma de la lent: còncava o convexa
• Passos addicionals en el procés científic que espereu que segueixin els estudiants, des de declarar una hipòtesi fins a treure conclusions.
• PROCÉS CIENTÍFIC: https://nces.ed.gov/nceskids/help/user_guide/graph/variables.asp

Demostreu / modeleu com es mesura i es registra el següent:

• La posició i la distància de les fonts de llum a l’objectiu
• Què passa amb el camí de la llum a mesura que canvia la variable dependent (la forma de la lent).
• El comportament de la llum quan travessa una lent
• Repasseu el vocabulari a mesura que demostreu
  • Raig incident
  • Raig refractat
  • Lent còncava
  • Lents convexes
  • Punt focal

Facilitar l’activitat

• Repartiu el full de treball de l'estudiant # 3
• Expliqueu que en aquesta activitat els estudiants utilitzaran el procés científic per fer anàlisis més organitzades i concretes de l’efecte de diferents tipus de lents sobre el comportament de la llum. Expliqueu als estudiants que giraran per quatre estacions.
• Expliqueu que a cada estació passaran la llum a través d’un tipus de lent i registraran el comportament dels feixos de llum quan passen per les lents.
• Indiqueu als estudiants que observin i enregistrin amb dibuixos i etiquetes les seves observacions a cada estació:
  • Font de llum
  • Ray Incident
  • Ray refractat
  • Lent còncava
  • Lents convexes
  • Punt focal (no cal introduir la distància focal en aquest punt ni discutir la relació entre el punt focal i la visió, tret que aparegui)
  • Notes, conclusions, altres observacions
• Dividiu els estudiants en parelles. Assigneu parells a estacions.
• Definiu les expectatives del temps dedicat a cada estació i el nombre d’arranjaments de les llums i l’objectiu que espereu que els estudiants mesurin i gravin a cada estació.
• Circula per tota la sala mentre els equips treballen per observar els seus esforços. Ajudeu els equips a configurar el seu equip, a identificar les variables dependents i independents i a mesurar, enregistrar i dibuixar els seus resultats.
• Si escau, discutiu amb els estudiants la seva configuració experimental, els seus mètodes per mesurar la posició de la llum, l'angle del feix de llum que entra i passa a través de l'objectiu i quines variables mantindran constants quan es moguin a la següent estació i la següent lent.
• Si apareix l'oportunitat de ressaltar els esforços dels estudiants, mantingueu una discussió a classe sobre algunes de les observacions que heu fet. Feu que els estudiants expliquin als seus companys la seva configuració experimental, els mètodes per mesurar i registrar els resultats i els plans per mantenir el seu treball constant d'estació en estació.
• Vigileu el temps. Doneu als estudiants el temps suficient per reordenar i mesurar les llums almenys dues o tres vegades abans de passar a una altra estació.
• Feu un "preavís" uns 5 minuts abans que els estudiants puguin girar a la propera estació. Digueu-los que completin el seu treball a l'estació actual.
• Quan falten 1-2 minuts, demaneu als estudiants que netegin i restaurin l’estació tal com era quan la van trobar (o millor). Si el temps ho permet, gireu cap a una altra estació. Si no és així, expliqueu que els estudiants recolliran on van deixar el període següent.

Resumeix i reflexiona

Tanca l’activitat, anima els equips a compartir el seu treball i treu conclusions sobre els resultats.

• Debateu i compartiu resultats i conclusions com a classe
  • Quadrat vs. cercle
  • Les lents còncaves produeixen un punt focal davant de la lent
  • Les lents convexes produeixen un punt focal a la part posterior de l’objectiu
  • La distància des del centre de la lent fins al punt focal s’anomena focal
  • longitud
  • Direccionar vocabulari

ACTIVITAT 3: CREA LES TEVES PROPIES LENTS: DISSENY I DOCUMENT (45-60 min)

resum

Els estudiants participen en una exploració dirigida i utilitzen allò que han après fins ara per documentar un procés de com crear / dissenyar de forma fiable lents còncaves i convexes de diferents mides (amplades).

Els resultats de l'aprenentatge

Com a resultat d'aquesta activitat, els estudiants podran:

• Descriviu, demostreu i registreu com retallar una lent còncava i una convexa de gelatina amb un tallador de galetes circular.
• Traieu conclusions a partir de proves sobre com es comporta el camí de la llum quan canvia una variable dependent (forma, mida, distància de la lent de la font de llum).

Abans de l'activitat, introduïu, discutiu o reviseu

• Lents còncaves i convexes
• Com documentar un procés repetible http://www.wikihow.com/Document-a-Process

Facilitar l’activitat

Us recomanem que prengueu aquest període de classes per permetre als estudiants un temps determinat (15-20 minuts) per lluitar després de mostrar-los les formes que han de crear i donar-los els seus materials, en lloc de mostrar als estudiants explícitament com crear les formes. Un cop hagin esbrinat com crear tant una lent còncava com una lent convexa, documentaran el procés que van utilitzar.

Aquest desafiament posa les bases per entendre quelcom bàsic, però no intuïtiu sobre aquest tipus de lents: que es deriven de cercles; i la comprensió més avançada de les matemàtiques que descriu les propietats de les lents es basa en aquesta comprensió. Aquesta senzilla activitat pràctica ofereix als estudiants una experiència intuïtiva i experiencial de la relació entre lents còncaves / convexes i cercles.

• Introduïu el repte d'avui: documenteu un procés per tallar una lent convexa i còncava
  • Còncau: 2 a 3 mides diferents
  • Convexa: 2-3 mides diferents
• Doneu a cada parell d’estudiants un joc de talladors de galetes rodons i una llosa de gelatina de ~ 9 ”X 7”.
• Deixeu que els equips d’estudiants experimentin amb el tall de formes de lent entre 15 i 20 minuts, centrant-se en documentar un procés fiable i repetible per utilitzar talladores de galetes rodones per dissenyar lents còncaves i convexes.
• Circula per tota la sala mentre els equips treballen per observar els seus esforços. Ajudeu els equips a configurar el seu equip si és necessari.

Resumeix i reflexiona

• Atureu els estudiants després de 15-20 minuts per mantenir una discussió a classe sobre el treball dels estudiants. Demaneu als estudiants que expliquin als seus companys la seva configuració experimental i els mètodes per documentar el procés.
• Com a classe, escriviu (documenteu) el procés en funció de les conclusions i aportacions dels estudiants.

ACTIVITAT 4: EXPERIMENT AMB MIDA DE LENT (AMPLADA) (45-60 min)

resum

Mitjançant el procés documentat durant l’últim període de classe, els estudiants participen en el procés científic per recopilar i registrar dades i arribar a una conclusió sobre l’impacte de la variable dependent (amplada de la lent) sobre la distància focal. Això és qualitatiu. La distància focal s’allarga o es redueix, per exemple.

Comprendre com la mida (amplada) de la lent i la distància des de la font de llum fins a la lent afecta la distància focal ajudarà els estudiants a dissenyar un sistema de lents per millorar la visió quan es comprometin en el repte final.

• Els estudiants:
  • Disseny:
    • Còncau: 2 -3 amplades diferents
    • Convexes: 2-3 amplades diferents
  • Registre: recorregut del feix i distància focal aproximada
    • Lents còncaves: 2 a 3 amplades diferents
    • Lents convexes: 2-3 amplades diferents
  • Conclou la relació qualitativa entre l’amplada d’una lent i la distància focal
  • Terminologia i conceptes:
    • Font de llum
    • Distància focal: com afecta el canvi d’amplada de l’objectiu la distància focal?

Abans de l'activitat, introduïu, discutiu o reviseu

• La diferència entre variables independents i dependents
• Quines variables són les variables independents i dependents de l'activitat actual -
  • L’amplada de l’objectiu I la distància de la font de llum de l’objectiu són les variables dependents que afecten el resultat: la distància focal
• La definició de longitud focal i breument, la seva relació amb la visió.
  • La font de llum = l'objecte (llum que rebota de l'objecte a l'ull)
  • La llum que entra a l’ull ha de centrar-se directament en la retina perquè es formi una imatge clara.
• Si preferiu introduir més matemàtiques o aprofundir en la distància focal, Khan Academy us ofereix una visió general excel·lent per a la vostra referència:
  • Convexa: https://www.khanacademy.org/science/physics/geometricoptics/lenses/v/convex-lenses
  • Còncau: https://www.khanacademy.org/science/physics/geometricoptics/lenses/v/concave-lenses

Demostrar / modelar com observar, mesurar i enregistrar

• Com es determina la distància focal aproximada tant d’una lent còncava com d’una lent convexa
• Què passa amb el comportament (camí) de la llum a mesura que canvia la variable dependent (l’amplada de la lent).
• Reviseu o introduïu vocabulari a mesura que demostreu
  • Raig incident
  • Raig refractat
  • Lent còncava
  • Lents convexes
  • Distància focal

Facilitar l'activitat:

Fomenteu l’experimentació sistemàtica amb llum i lents

• Introduïu l'objectiu de l'activitat d'avui:
  • Recopileu dades i traieu conclusions sobre l’impacte de la mida (amplada) de l’objectiu sobre la distància focal
  • Recopileu dades i traieu conclusions sobre l’impacte de la distància focal de la font de llum a l’objectiu
• Doneu a cada parella d'estudiants un conjunt de materials:
  • Conjunt de talladors de galetes rodons
  • 9 "X 13" llosa de gelatina
  • Conjunt de tres Light Blox
• Donar instruccions als estudiants
  • Dissenya 3 lents convexes amb amplades variables
  • Mesureu i registreu l’amplada de cada lent i la seva distància focal corresponent
• Donar instruccions als estudiants
  • Dissenya 3 lents còncaves amb amplades variables
  • Mesureu i registreu l’amplada de cada lent i la seva distància focal corresponent
• Donar instruccions als estudiants
  • Mesureu i registreu com canvia la distància focal a mesura que canvia la distància entre la font de llum i la lent.
• Un cop els equips han registrat les seves mesures i observacions, acaba l'activitat.
• Doneu als estudiants temps per acabar la feina, completant taules de dades i dibuixos segons sigui necessari.
• Dediqueu un temps a la neteja.

Resum i reflexió

Demaneu als equips que comparteixin els seus resultats. Feu una discussió a classe en què els equips / individus expliquin què van fer, què van observar i quin sentit tenen dels resultats. Depenent del vostre enfocament, és possible que vulgueu utilitzar una de les diverses estratègies d’aprenentatge actives o convidar voluntaris a dibuixar o demostrar el seu treball al davant de la classe.

• Utilitzant els resultats dels estudiants, inclosos dibuixos i taules de dades, compareu la diferència entre passar una llum per cada tipus de lent.
• Com a classe, discutiu qüestions com ara:
  • Què passa amb la distància focal quan l’amplada de la lent augmenta o disminueix?
  • És el mateix per a còncaves que per a convexes?
  • Els resultats difereixen amb la distància de la llum a l’objectiu?
  • Què heu après sobre les lents convexes i còncaves que us ajudaran en el repte final?
• Com a classe, discutiu els resultats de l’experiment. Les preguntes a tractar inclouen, entre d'altres, les següents:
  • Com canvia el punt focal a mesura que l’objectiu es fa més petit / més gran?
  • Quines proves avalen aquestes conclusions?
  • En què es diferencien els resultats entre les lents còncaves i les lents convexes?
  • Com ajuda a entendre la relació entre la forma i la mida de l’objectiu i el punt focal amb el repte final de dissenyar un sistema d’objectius per millorar la visió?
  • Si els estudiants feien una predicció sobre el punt focal i la mida de la lent, com es comparen la seva predicció amb els resultats? Hi ha hagut resultats sorprenents?
  • En l'activitat final, se us rebrà el repte de crear un sistema de lents dissenyades per millorar la visió. Què heu après sobre les lents i el punt focal que us ajudaran a assolir el repte?
  • Recordeu les imatges de l’ull (normals, properes i amb molta visió). En quina part del diagrama voleu que es focalitzi la llum?

ACTIVITAT 5: EXPERIMENT AMB SISTEMES DE 2 LENTS (45-60 min)

resum

Com a activitat final com a preparació per al Design Challenge, els estudiants exploren el comportament de la llum quan travessa diverses combinacions de parells de lents. En el repte final, els estudiants reben un diagrama de l’ull del pacient. Una lent del sistema representarà la lent que es troba a l’ull. Els estudiants hauran de dissenyar una o més lents de gelatina per corregir o millorar la visió del seu pacient. La combinació de lents i la seva alineació necessiten enfocar la llum sobre la retina en el diagrama de l’ull del pacient.

Empleneu l’última part del gràfic KWL PRIMER.

Els resultats de l'aprenentatge

Com a resultat d'aquesta lliçó, els estudiants podran:

• Descriviu, demostreu i registreu l’impacte d’un sistema de dues lents en el recorregut de la llum i la distància focal
  • 2 lents convexes
  • 2 lents còncaves
  • 1 lent còncava i 1 convexa
• Descriviu el paper de les lents en diversos instruments que s’utilitzen per millorar la visió o enfocar les imatges
  • càmera
  • Telescopi
  • Microscopi
  • Lupa
• Descriviu el paper de les lents en la visió humana
  • L’ull humà conté una lent convexa
  • La visió humana clara depèn de la capacitat d’enfocar la llum específicament a la retina
  • La miopia i la hipermetropia com a problemes de visió habituals
• Predir com diverses lents poden millorar la visió humana quan hi ha miopia o hipermetropia.

Matemàtiques opcionals

https://www.khanacademy.org/science/physics/geometric-optics/lenses/v/multiple-lenssystems

Prepareu l’escenari per experimentar amb múltiples lents.

Com a classe, feu una llista de diversos instruments que utilitzen dos o més objectius. Si els estudiants suggereixen que l'ull combinat amb ulleres és un sistema de lents, expliqueu que a la lliçó final tractaran específicament aquesta combinació. De moment, se centren en instruments com telescopis, microscopis i binoculars.

Demaneu als alumnes que expliquin com pensen que funcionen els diversos instruments i les relacions entre les lents i les lents i la llum.

Expliqueu que en aquesta activitat els estudiants exploraran combinacions de lents sobre el comportament de la llum. Expliqueu que passaran un feix de llum per dues lents per observar i registrar els resultats.

Com a classe, discutiu les moltes variables de l’experiment, quines canviar i quines per mantenir les mateixes. Algunes variables que els estudiants haurien de reconèixer inclouen:

• Distància entre lents
• Combinació de tipus de lents per crear parells de lents
• Posició i distància de la font de llum a les lents

Facilitar l’activitat

Expliqueu que en aquesta activitat els estudiants han de portar un registre acurat del seu treball. Depenent del temps disponible, feu que tots els equips treballin amb totes les combinacions de lents o dividiu la classe en "grups d'experts" i assigneu-los la responsabilitat d'informar a la classe del sistema que van explorar.

Els equips haurien d’experimentar amb totes o algunes de les combinacions de lents següents:

• Convex + Convex
• Còncau + Còncau
• Convex + Còncau
• Empleneu l’última part del gràfic KWL PRIMER
• Demaneu als estudiants que planifiquin el seu experiment, que en dibuixin la configuració i que facin una taula de dades en què es registrin els resultats. Com a alternativa, dibuixeu la configuració de l’equip al tauler i distribuïu una taula de dades a cada equip.
• Un cop els equips demostrin un pla adequat per als seus experiments, proporcioneu-los gelatina i eines.
• Assegureu-vos que els estudiants exploren l’efecte de les combinacions de lents I l’efecte de canviar la distància entre les lents.
• Crideu l'atenció sobre els efectes de les diferents combinacions de lents sobre el comportament de la llum.
• Crideu l'atenció sobre els efectes de canviar la distància entre les lents sobre el comportament de la llum.
• Circular per tota la sala per observar els estudiants. Si escau, participeu els equips en una discussió sobre els seus procediments experimentals, mesures, observacions i resultats. Ajudeu-los a connectar els seus mètodes amb els seus resultats.
• (Opcional) Demaneu als estudiants que creen “diagrames de raigs” per a lents com la que es mostra aquí.

Resum i reflexió

Acabeu els experiments realitzats pels estudiants. Com a classe, reviseu el comportament de la llum quan travessa diversos parells de lents i l’efecte de canviar la distància entre parells de lents.

• Si cal, doneu als estudiants temps per revisar i completar el treball del pas anterior de la lliçó abans de presentar-lo.
• Feu que els equips comparteixin els seus resultats. Animeu els estudiants a referir-se a dibuixos i dades per explicar les seves observacions i conclusions.
• Com a classe, discutiu qüestions com:
  • Què passa amb el punt focal quan es mou un objectiu més a prop o més lluny de l’altre? Depèn de la combinació de lents que utilitzeu?
  • Què passa amb el punt focal de dues lents convexes
  • Què passa amb el punt focal de dues lents còncaves?
  • Què passa amb diverses combinacions de diferents lents?
  • Com s’aplica treballar amb dues (o més) lents al repte final de dissenyar un sistema de lents per millorar la visió d’un pacient?
  • Quines combinacions de lents creieu que milloraran la visió d’un pacient miop?
  • Quina combinació de lents creieu que millorarà la visió d'un pacient hipermetrop?

OPTIONAL

• Experimenteu amb combinacions addicionals de lents.
• Investiga dissenys de diversos instruments que utilitzen lents com telescopis, làsers, microscopis i binoculars.

El repte: dissenyar un sistema de 2 lents per corregir un problema de visió (45-60 min)

resum

Aquesta activitat se centra a portar els estudiants a un procés per crear un sistema de lents que corregeixi un problema de visió. L’objectiu de la lliçó d’activitat no és dissenyar l’objectiu perfecte, sinó entendre què passa amb la resolució d’un problema amb el procés d’enginyeria. Dediqueu molt de temps i alguns límits estructurats per permetre el descobriment per motivar l’exploració.

Coneixements i habilitats previs

• La llum viatja en línia recta fins que toca un objecte o viatja d’un mitjà a un altre
• Tot el que veiem és el resultat de la llum que ens entra als ulls; la major part d’aquesta llum es reflecteix
• Quan la llum passa d'un mitjà a un altre (és a dir, a través d'una lent), la llum es dobla o es refracta
• La forma i el material de la lent afecten la forma en què la llum es dobla
• L’ull conté una lent que enfoca la llum sobre la retina. La visió clara depèn de la capacitat de la lent de l’ull per doblegar la llum que entra a l’ull de manera que la imatge es formi específicament a la retina

Facilitar l'activitat:

• Reviseu i consulteu el gràfic KWL dels estudiants
• Repartiu un joc de Light Blox amb les tapes escletxades ACTIVADES i dues lents de gelatina modelades (una convexa i una còncava) a cada grup de 3 estudiants.
• Mostrar als estudiants com encendre els llums i donar-los 3-5 minuts per explorar com es mou la llum a través de les lents.
• Repartiu la plantilla d'un ull amb visió "normal". Demaneu als estudiants que col·loquin la lent convexa modelada "a" l'ull per veure que la llum arriba a un punt focal de la retina. Veure clarament depèn del punt focal que aterra en un lloc específic de l’ull, anomenat retina.
• A continuació, feu que els estudiants col·loquin la lent convexa modelada a la plantilla d’un ull hiperòpic que necessita una correcció de la vista perquè la llum aterra en un punt equivocat. Fixeu-vos on es troba el punt focal. Això no crea una bona visió.
• Demaneu-los que defineixin el problema i especulin amb una solució ... Què pot "moure" el punt focal a una altra ubicació. En aquest punt, permeteu als estudiants un temps amb les lents còncaves i les convexes juntes perquè puguin descobrir que la lent còncava mou el punt focal.
• A continuació, doneu a cada grup un quadrat (~ 4 ”X 8”) de gelatina llisa preparada de doble força i 3 talladores de galetes rodones de diversos diàmetres.
• Expliqueu que amb aquesta gelatina crearan una SEGONA lent per corregir el problema de la visió. Els materials i les eines a la seva disposició són els talladors de gelatina, ganivets i galetes.
• Demaneu primer als estudiants que practiquin la creació de lents còncaves i convexes amb els talladors de galetes i la gelatina.
• A continuació, demaneu als estudiants que construeixin lents amb talladores de galetes, el ganivet de plàstic i la gelatina, que corregiran els problemes de visió demostrats a les plantilles.
• A mesura que els estudiants creen, posen a prova i milloren el disseny de les seves lents, es dediquen a l’essencial del procés d’enginyeria mitjançant lents i llum.

L’objectiu és permetre als estudiants entendre que la llum es pot manipular amb lents i que, en fer-ho, poden resoldre problemes. Serà un repte encertar l’objectiu. Per als estudiants més avançats, podeu introduir la distància focal, el radi de curvatura i l'índex de refracció com a mètodes matemàtics de creació de solucions en lloc de l'enfocament de "prova i error" que utilitzen.

La lliçó es pot fer en només un període de classe per a estudiants més grans. Tanmateix, per ajudar els estudiants a no sentir-se precipitats i per garantir l'èxit dels estudiants (especialment per als estudiants més joves), dividiu la lliçó en dos períodes donant-los més temps per fer una pluja d'idees, provar idees i finalitzar el seu disseny. Realitzeu les proves i el resum en el següent període de classes.

Diagrames oculars

Connexions a Internet

• https://www.bbc.co.uk

Activitat d’escriptura

Quines altres aplicacions tenen les lents al nostre món?

Alineació als marcs d’estudis

Nota: Tots els plans de lliçons d'aquesta sèrie estan alineats amb els estàndards d'informàtica K-12 de l'Associació de Professors d'Informàtica, els estàndards bàsics comuns dels Estats Units per a matemàtiques i, si escau, també amb els principis i normes de matemàtiques escolars del Consell Nacional de Professors de Matemàtiques, les Normes per a l'alfabetització tecnològica de l'Associació Internacional d'Educació Tecnològica i les Normes Nacionals d'Educació en Ciències dels Estats Units elaborades pel National Research Council.

Idees bàsiques disciplinàries 

∙ PS4.B: Radiació electromagnètica

o El recorregut de la llum es pot traçar com a línies rectes, excepte en superfícies entre diferents materials transparents (per exemple, aire i aigua, aire i vidre) on el recorregut de la llum es doblega entre els suports. (MS-PS4-2)

∙ ETS1.A: Definició i delimitació de problemes d'enginyeria

o Com més precisament es puguin definir els criteris i les limitacions d'una tasca de disseny, més probable és que la solució dissenyada tingui èxit. L'especificació de restriccions inclou la consideració de principis científics i altres coneixements rellevants que probablement limiten les possibles solucions (MS-ETS1-1)

∙ ETS1.B: desenvolupament de possibles solucions

o Cal provar una solució i modificar-la sobre la base dels resultats de la prova per millorar-la. MS-ETS-4)

Pràctiques de ciència i enginyeria 

∙ Definiu un problema de disseny que es pugui resoldre mitjançant el desenvolupament d’un objecte, una eina, un procés o un sistema i que inclogui múltiples criteris i restriccions, inclosos els coneixements científics que puguin limitar possibles solucions. (MS-ETS1-1)

∙ Desenvolupar i utilitzar un model per descriure fenòmens (MS-PS4-2)

∙ Analitzar i interpretar dades per determinar similituds i diferències en els resultats. (MS ETS1-3)

Conceptes transversals

∙ Estructura i funció

o Les estructures es poden dissenyar per complir funcions particulars tenint en compte les propietats de diferents materials i com es poden modelar i utilitzar els materials (MS PSR-2)

o Les estructures es poden dissenyar per complir funcions particulars

Full de treball de l'estudiant # 1: gràfic KWL

Nom de l'alumne Data

Infermeres, metges i enginyers treballen junts per dissenyar i construir ulleres i altres eines que millorin la visió. En aquest repte dissenyareu un sistema de lents per millorar la visió del pacient.

Què heu de saber sobre l'ull humà i les lents per ajudar a millorar la visió d'algú?

Utilitzeu l’organitzador gràfic KWL següent per llistar allò que sabeu, voleu saber i heu après a dissenyar ulleres per millorar la visió d’algú.

Fitxa de treball de l'estudiant 2: materials i configuració experimental

Nom de l'alumne Data

Per completar el repte de disseny al final d’aquesta unitat, no haureu de saber orientar la gelatina i les llums per observar el recorregut de la llum que passa de la font de llum a través d’un tros de gelatina.

Amb paraules i / o dibuixos, descriviu i documenteu el recorregut de la llum al seu pas per la gelatina: o Amb la gelatina posada plana sobre la taula o Amb la gelatina NO es col·loca plana sobre la taula

• 1 feix amb Light Blox assegut al seu costat més ample
• 1 feix amb Light Blox assegut al costat més estret
• 3 feixos alhora

Fitxa de treball de l'estudiant 3: Ray Tracing

Utilitzant paraules i dibuixos, registreu el recorregut d’un sol feix de llum en passar de la font de llum a través d’un costat d’una lent a l’altre costat d’una peça de gelatina; i treure conclusions sobre com la llum viatja a través d’un tros de gelatina amb un

• Superfície plana / recta
• Superfície corba
• Descriviu, demostreu i registreu el recorregut de la llum quan travessa tant una lent convexa com còncava (mitjançant 3 llums)
• Identificar i definir: lent còncava, raig incident de lent convexa, raig refractat

  Fitxa 4 de l'alumne: Plantilla d'ulls