Un ojo en la óptica

Kits

• Los kits que incluyen materiales de actividades se pueden encontrar en: https://laserclassroom.com/product/eyes-on-optics-kit-a-gelatin-optics-engineering-project/

Introducción

• Hoja de trabajo del estudiante 1: Tabla KWL - GUARDAR para usar nuevamente en la Actividad 5
• Diagramas / reparto de ojos normales, hipermétropes y miopes
• Par de anteojos

Actividad 1

• Hoja de trabajo del estudiante n. ° 2: Materiales y configuración experimental
• Losas de gelatina preparadas (vea la receta a continuación)
• Juego de Light Blox (https://laserclassroom.com/light-blox/) O Laser Blox (https://laserclassroom.com/laser-blox/)
• Juego de cortadores de galletas circulares
• Cuchillo de plastico

Actividad 2

• Hoja de trabajo del estudiante n. ° 3: trazado de rayos
• Formas de gelatina preparadas
  • Lentes convexas moldeadas
  • Lentes cóncavas moldeadas
  • Cuadrado de gelatina (~ 3 "X 3")
  • Círculo de gelatina (~ 3 "de diámetro)
• Juego de Light Blox (https://laserclassroom.com/light-blox/) O Laser Blox (https://laserclassroom.com/laser-blox/)

Actividad 3

• 1 placa de gelatina preparada por equipo
• 1 juego de cortadores de galletas circulares por equipo
• 1 cuchillo de plástico por equipo

Actividad 4

• 1 placa de gelatina preparada por equipo
• 1 juego de cortadores de galletas circulares por equipo
• 1 cuchillo de plástico por equipo

Actividad 5

• Hoja de trabajo del estudiante # 1
• 1 placa de gelatina preparada por equipo
• 1 juego de cortadores de galletas circulares por equipo
• 1 cuchillo de plástico por equipo

Actividad 6

• 1 placa de gelatina preparada por equipo
• 1 juego de cortadores de galletas circulares por equipo
• 1 cuchillo de plástico por equipo
• Plantilla de ojo
• Tabla de KWL para referencia

Reto de Diseño

• Juego de Light Blox
• Juego de lentes moldeados: uno cóncavo y otro convexo
• Losa de gelatina
• Cuchillo de plastico
• Cortador de galletas
• Plantilla de ojo
• Cuadro KWL completo de la hoja de trabajo n. ° 1

Receta de gelatina:

• La siguiente receta produce suficiente gel para aproximadamente seis discos grandes:
  • 4 tazas de agua
  • 8 sobres de Knox Original Gelatin
  • 1 recipiente con dimensiones de 9 "x 7" x 2 "
  • Agua hervida. Mezcle 4 tazas de agua hirviendo en 8 sobres (o una proporción de 1: 2 de agua por gelatina) de Knox Original Gelatin.
• Para la actividad n. ° 2, vierta la mezcla en las bandejas de moldes para lentes.
• Para todas las demás actividades, vierta la mezcla en el recipiente de manera que la profundidad del líquido sea de al menos 0.75 pulgadas. Coloque la gelatina en el refrigerador durante la noche para que se solidifique.

Materiales

• Variedad de materiales reciclables limpios y secos (plásticos, vidrio, latas de metal / aluminio y papel) en un contenedor o caja de reciclaje grande
• Mesa larga o algunas mesas cortas colocadas juntas

Proceso

Coloque el diseño en una mesa larga (o unas pocas mesas pequeñas juntas), agregue materiales reciclables al diseño y documente qué tan bien cada diseño clasifica los materiales reciclables en contenedores separados.

Reto de Diseño

Formas parte de un equipo de ingenieros que se ha enfrentado al reto de diseñar un sistema de lentes para mejorar la visión de un paciente. Completarás 6 actividades para aprender sobre la óptica de las lentes y el ojo humano.

Criterios

• Diseñar y esbozar un sistema para mejorar la vista de un paciente.

Limitaciones

• Utilizar solo los materiales proporcionados.

La lección requiere seis períodos de clase de 45 a 60 minutos.

PRESENTANDO EL RETO

Resumen
Esta lección concluye con un desafío de diseño, un proyecto abierto que anima a los estudiantes a hacer preguntas, tomar la iniciativa y pensar de forma creativa. Los desafíos de ingeniería y diseño brindan contexto y significado para emplear el proceso científico, desarrollar conocimientos y habilidades técnicas y el éxito en la sociedad moderna.

Para presentar este desafío de diseño, a los estudiantes se les presenta el objetivo de diseñar un sistema de lentes para mejorar la vista de un paciente, los estudiantes identifican lo que saben y necesitan sobre la óptica de las lentes y el ojo humano para enfrentar el desafío.

Habilidades y conocimientos previos

• Ruta de la luz desde la fuente (u objeto) hasta los ojos (Actividad opcional: Cueva del aula)
• Camino de la luz hacia el ojo humano: retina y punto focal
• Actividad opcional - Experimente con su propia visión

Configurar para actividad

Divida a los estudiantes en equipos de 2 o 3. Prepare el escenario para una sesión de lluvia de ideas sobre la estructura y función de las lentes y el ojo humano.

Sostén un par de anteojos.

Pida a los estudiantes que expliquen cómo funcionan los anteojos para mejorar la visión. Deje que los estudiantes hagan un boceto de sus diseños si eso les ayuda a expresarse de manera más completa.

Explique a la clase que esta lección termina con un desafío de diseño. Explique que los equipos de estudiantes diseñarán un sistema de lentes para mejorar la visión de un paciente. Explique que recibirán un modelo del ojo de un paciente y se les asignará la tarea de diseñar un conjunto de lentes para mejorar la visión de los pacientes.

Explique que los equipos deberán explicar sus decisiones de diseño en función de los datos que recopilen mientras diseñan y prueban lentes.

Tenga una discusión en clase - pregunte a los estudiantes:

• ¿Cómo funcionan los anteojos?
• ¿Cómo se combinan las gafas con el ojo para mejorar la visión?
• ¿Son sus diferentes tipos de gafas? Si es así, ¿en qué se diferencian y por qué?
• ¿Cómo cree que los médicos determinan qué tipo de lente mejorará la visión?

Facilitando la lección

Proyecte las imágenes de un ojo normal, un hipermétrope y un ojo miope en la pantalla y / o distribuya un folleto a los equipos con estas imágenes.

Como clase, examinen y discutan las diferencias entre las imágenes. Ayude a los alumnos a comprender y tener en cuenta lo siguiente:

• Identificar y comprender las funciones básicas de las estructuras del ojo que se muestran en el dibujo.
• El cristalino del ojo es idéntico en todo
• La distancia del cristalino a la retina es diferente de un ojo a otro.
• Retina se encuentra en el mismo lugar para todos los ojos
• La forma de cada ojo en su conjunto es diferente

Distribuya el desafío del escenario y la Hoja de trabajo del estudiante # 1, la tabla KWL a los estudiantes. Como clase, lean y revisen el escenario. Permita que los estudiantes completen el KWL en parejas.

Resumen y reflexión

Como clase, revise el escenario y pida a los voluntarios que compartan sus organizadores gráficos KWL y evalúen la comprensión de los estudiantes sobre el Desafío de diseño.

Haga preguntas a los estudiantes como:

• ¿Cómo, en sus propias palabras, describiría el desafío de diseño que se le ha planteado?
• ¿Qué crees que necesitas saber para diseñar un sistema de lentes para mejorar la visión?
• ¿Qué es lo que ya comprende sobre el ojo y la visión humanos que lo ayudará a enfrentar este desafío?
• ¿Qué comprende ya acerca de la naturaleza de los lentes que lo ayudarán a enfrentar este desafío?
• ¿Qué crees que necesitas aprender para afrontar el desafío del diseño?

ACTIVIDAD 1: EXPLORA CON LUZ Y GELATINA (45-60 minutos)

Resumen

El objetivo de esta actividad es que los estudiantes encuentren y documenten la forma más eficaz de observar y registrar el camino de la luz cuando sale de la fuente de luz y atraviesa y luego sale de la gelatina.

Los estudiantes tendrán una oportunidad abierta para explorar y trabajar con los materiales, hacer y compartir observaciones y desarrollar una comprensión fundamental de la relación entre las formas de gelatina y la luz. Esta exploración abierta fomenta la creatividad y la resolución de problemas útiles para enfrentar el desafío final de diseñar un sistema de lentes para mejorar la visión.

Los resultados del aprendizaje

Como resultado de esta actividad, los estudiantes podrán:

• Oriente la gelatina y las luces para observar el camino de la luz a medida que pasa de la fuente de luz a través de un trozo de gelatina.
• Describir y documentar la trayectoria de la luz a medida que atraviesa la gelatina.

o Con gelatina colocada sobre la mesa

o Con la gelatina NO colocada sobre la mesa

o 1 haz con Light Blox sentado en su lado más ancho

o 1 haz con Light Blox sentado en su lado más estrecho

o 3 haces a la vez

Conocimientos y habilidades previas

Antes de comenzar la Actividad 1:

• Los estudiantes deben comprender el desafío de diseño al final de esta lección. Consulte la sección "Presentación del desafío" más arriba.
• Presente el objetivo general de la actividad de exploración: encontrar y documentar la forma más eficaz de observar y registrar la trayectoria de la luz a medida que sale de la fuente de luz y atraviesa y luego sale de la gelatina.

Demuestre / modele cómo medir y registrar lo siguiente:

• Muestre a los estudiantes un conjunto de materiales y demuestre cómo usar cortadores de galletas y el cuchillo de plástico para crear trozos de gelatina con diferentes formas.
• Muestre a los estudiantes cómo manipular las formas para que hagan brillar las luces a través de cada superficie.
• Muestre a los estudiantes las dos formas diferentes de orientar las luces que pasan a través de la gelatina.

Facilitando la Actividad

Fomentar la creatividad, la exploración y la documentación.

• Modele la exploración y experimentación con los materiales.
• Reparta la Hoja de trabajo para el estudiante # 2 y ejemplifique cómo registrar las observaciones.
• Demuestre cómo documentar:
  • El tamaño y la forma de su trozo de gelatina.
  • La orientación de la gelatina y la luz (s)
  • La trayectoria completa del rayo de luz que comienza cuando sale del Light Blox al pasar y luego sale de la gelatina.
  • Crea equipos y distribuye recursos. Asegúrese de que cada equipo tenga acceso a una “placa de gelatina” para cortar, cortadores de galletas, cuchillo de plástico, Light Blox (u otra fuente de luz), una hoja de papel y materiales de grabación.
• Atenúe las luces si es seguro y posible
• Circule por el aula para observar a los equipos mientras los estudiantes preparan y organizan su equipo.
• Circule por el salón observando cómo trabajan los estudiantes. Mientras los equipos trabajan, observe sus esfuerzos para hacer brillar Light Blox a través de la gelatina, ayudar a las personas o equipos que luchan con la administración y configuración del equipo.
• Según corresponda, involucre a los estudiantes en una discusión sobre sus actividades. Haga a los estudiantes preguntas abiertas sobre su esfuerzo por organizar el equipo, cortar formas, orientar las luces, registrar lo que observan y cómo le dan sentido a sus observaciones.
• Si es apropiado, detén la clase para compartir el trabajo de uno o más equipos con otros equipos. Utilice estas interrupciones para resaltar ejemplos positivos de exploración que incluyen, entre otros: diseño creativo, métodos para alinear luces, gelatina y pantalla, mantenimiento de registros y trabajo en equipo.

A lo largo del período, recuerde a los estudiantes que mantengan registros detallados de su trabajo a los que lo referirán en la discusión de seguimiento.

Resumir y reflexionar

Cierre la actividad, anime a los equipos a compartir su trabajo y saque conclusiones sobre los resultados.

• Como clase, discuta los hallazgos de los estudiantes.
  • La mejor manera de orientar la gelatina y las luces para observar el camino de la luz a medida que pasa a través de la gelatina.
  • Cómo la forma de la gelatina impacta en la trayectoria de la luz cuando pasa a través de la gelatina
  • Recuerda que en el futuro diseñarás un sistema de lentes para mejorar la visión humana. ¿Qué hiciste y aprendiste hoy que se aplique a este desafío?
  • Como clase, acuerden un procedimiento para rastrear el camino de la luz cuando sale de la fuente de luz, pasa a través de la gelatina y luego sale de la gelatina.

¿Qué pasa? Definición de refracción y referencia a más información. Opcional: Actividad de refracción cinestésica http://laserclassroom.com/products/kinesthetic-model-refraction/

ACTIVIDAD 2: EXPERIMENTO CON FORMA DE LENTE (45-60 minutos)

Resumen

Los estudiantes usan el proceso científico para descubrir el cualitativo relación entre la luz y la forma (cóncava, convexa, cuadrada, circular) de una lente.

Los resultados del aprendizaje

Como resultado de esta actividad, los estudiantes podrán registrar la trayectoria de un solo haz de luz a medida que pasa de la fuente de luz a través de un lado de una lente al otro lado de un trozo de gelatina; y sacar conclusiones sobre cómo la luz viaja a través de un trozo de gelatina con un

• Superficie plana / recta
• Superficie curva
• Describa, demuestre y registre la trayectoria de la luz a medida que pasa a través de una lente convexa y cóncava (utilizando 3 luces)
• Identificar y definir: lente cóncava, rayo incidente de lente convexa, rayo refractado

Conocimientos y habilidades previas

Repase al inicio de la actividad:

• Cómo orientar la gelatina y las luces (de la actividad anterior)
• Cómo registrar la trayectoria de la luz a medida que atraviesa la gelatina (de la actividad anterior)

Configurar para la actividad

Configurar 4 estaciones

• 3 Light Blox y círculo de gelatina
• 3 Light Blox y cuadrado de gelatina
• 3 luces y una lente convexa moldeada
• 3 luces y una lente cóncava moldeada

Antes de comenzar el experimento: explique el proceso científico

• Fomentar el estudio sistemático de la luz y las lentes. En cada estación, haga que los estudiantes documenten sus observaciones, con un dibujo, que incluya etiquetas apropiadas (rayos incidentes y refractados, lentes cóncavas o convexas).
• La diferencia entre variables independientes y dependientes
• ¿Qué variables son las variables independientes y dependientes en cada estación?
• La variable dependiente es la forma de la lente: cóncava o convexa.
• Pasos adicionales en el proceso científico que espera que los estudiantes sigan desde enunciar una hipótesis hasta sacar conclusiones.
• PROCESO CIENTÍFICO: https://nces.ed.gov/nceskids/help/user_guide/graph/variables.asp

Demuestre / modele cómo medir y registrar lo siguiente:

• La posición y la distancia desde las fuentes de luz al objetivo.
• Lo que sucede con la trayectoria de la luz como variable dependiente (la forma de la lente) cambia.
• El comportamiento de la luz cuando pasa a través de una lente.
• Repase el vocabulario mientras demuestra
  • Rayo incidente
  • Rayo refractado
  • Lente cóncava
  • Lentes convexas
  • Punto focal

Facilita la actividad

• Reparta la hoja de trabajo para el alumno n. ° 3
• Explique que en esta actividad los alumnos utilizarán el proceso científico para realizar análisis más organizados y concretos del efecto de diferentes tipos de lentes sobre el comportamiento de la luz. Explique a los estudiantes que rotarán a través de cuatro estaciones.
• Explique que en cada estación pasarán luz a través de un tipo de lente y registrarán el comportamiento de los rayos de luz a medida que pasan a través de las lentes.
• Indique a los estudiantes que observen y registren con dibujos y etiquetas, sus observaciones en cada estación:
  • Fuente de luz
  • Rayo incidente
  • Rayo refractado
  • Lente cóncava
  • Lentes convexas
  • Punto focal (no es necesario introducir la distancia focal en este punto, o discutir la relación entre el punto focal y la visión a menos que surja)
  • Notas, conclusiones, otras observaciones
• Divida a los estudiantes en parejas. Asignar pares a las estaciones.
• Establezca expectativas para el tiempo que pasa en cada estación y el número de arreglos de las luces y la lente que espera que los estudiantes midan y registren en cada estación.
• Circule por la sala mientras los equipos trabajan para observar sus esfuerzos. Ayude a los equipos a configurar su equipo, identificar las variables dependientes e independientes y medir, registrar y dibujar sus resultados.
• Según corresponda, discuta con los estudiantes su configuración experimental, sus métodos para medir la posición de la luz, el ángulo del haz de luz que entra y pasa a través de la lente y qué variables mantendrán constantes cuando se muevan a la siguiente estación. y la próxima lente.
• Si surge la oportunidad de resaltar los esfuerzos de los estudiantes, realice una discusión en clase sobre algunas de las observaciones que ha hecho. Haga que los estudiantes expliquen a sus compañeros su configuración experimental, los métodos para medir y registrar los resultados y los planes para mantener su trabajo constante de una estación a otra.
• Esté atento a la hora. Dé a los estudiantes el tiempo suficiente para reorganizar y medir sus luces al menos dos o tres veces antes de pasar a otra estación.
• Dé una "advertencia previa" unos 5 minutos antes de que los estudiantes roten a la siguiente estación. Dígales que completen su trabajo en la estación actual.
• Con 1-2 minutos restantes, haga que los estudiantes limpien y restauren la estación como estaba cuando la encontraron (o mejor). Si el tiempo lo permite, cambie a otra estación. Si no es así, explique que los estudiantes continuarán donde lo dejaron el próximo período.

Resumir y reflexionar

Cierre la actividad, anime a los equipos a compartir su trabajo y saque conclusiones sobre los resultados.

• Discutir y compartir resultados y conclusiones como clase.
  • Cuadrado vs círculo
  • Las lentes cóncavas producen un punto focal frente a la lente
  • Las lentes convexas producen un punto focal en la parte posterior de la lente
  • La distancia desde el centro de la lente hasta el punto focal se llama focal.
  • de largo
  • Abordar el vocabulario

ACTIVIDAD 3: CREE SUS PROPIOS LENTES: DISEÑO Y DOCUMENTO (45-60 minutos)

Resumen

Los estudiantes participan en la exploración dirigida y usan lo que han aprendido hasta ahora, para documentar un proceso sobre cómo crear / diseñar de manera confiable lentes cóncavas y convexas de diferentes tamaños (anchos).

Los resultados del aprendizaje

Como resultado de esta actividad, los estudiantes podrán:

• Describa, demuestre y registre cómo cortar una lente cóncava y convexa de gelatina con un cortador de galletas circular.
• Saque conclusiones de la evidencia sobre cómo se comporta la trayectoria de la luz cuando cambia una variable dependiente (forma de la lente, tamaño, distancia de la fuente de luz).

Antes de la actividad, presente, discuta o revise

• Lentes cóncavas y convexas
• Cómo documentar un proceso repetible http://www.wikihow.com/Document-a-Process

Facilitar la actividad

Recomendamos encarecidamente que aproveche este período de clase para permitirles a los estudiantes una cantidad determinada de tiempo (15-20 minutos) para luchar después de que les haya mostrado las formas que deben crear y les haya dado sus materiales, en lugar de mostrarles explícitamente cómo hacerlo. crea las formas. Una vez que hayan descubierto cómo crear una lente cóncava y convexa, documentarán el proceso que utilizaron.

Este desafío sienta las bases para comprender algo básico, pero no intuitivo, acerca de este tipo de lentes: que se derivan de círculos; y la comprensión más avanzada de las matemáticas que describe las propiedades de las lentes se basa en esa comprensión. Esta sencilla actividad práctica les brinda a los estudiantes una experiencia intuitiva y experiencial de la relación entre lentes cóncavas / convexas y círculos.

• Presente el desafío de hoy: documente un proceso sobre cómo cortar una lente convexa y una cóncava
  • Cóncavo: 2-3 tamaños diferentes
  • Convexo: 2-3 tamaños diferentes
• Entregue a cada par de estudiantes un juego de cortadores de galletas redondos y una losa de gelatina de ~ 9 ”X 7”.
• Permita entre 15 y 20 minutos para que los equipos de estudiantes experimenten recortando formas de lentes, enfocándose en documentar un proceso repetible y confiable para usar cortadores de galletas redondos para diseñar lentes cóncavas y convexas.
• Circule por la sala mientras los equipos trabajan para observar sus esfuerzos. Ayude a los equipos a configurar su equipo si es necesario.

Resumir y reflexionar

• Detenga a los estudiantes después de 15 a 20 minutos para mantener una discusión en clase sobre el trabajo de los estudiantes. Haga que los estudiantes expliquen a sus compañeros su configuración experimental y los métodos para documentar el proceso.
• Como clase, redacten (documenten) el proceso basándose en los hallazgos y aportes de los estudiantes.

ACTIVIDAD 4: EXPERIMENTO CON TAMAÑO DE LENTE (ANCHO) (45-60 minutos)

Resumen

Utilizando el proceso documentado en el último período de clase, los estudiantes participan en el proceso científico para recopilar y registrar datos y llegar a una conclusión sobre el impacto de la variable dependiente (ancho de la lente) en la distancia focal. Esto es cualitativo. La distancia focal se alarga o acorta, por ejemplo.

Comprender cómo el tamaño (ancho) de la lente y la distancia desde la fuente de luz hasta la lente impacta la longitud focal ayudará a los estudiantes a diseñar un sistema de lentes para mejorar la visión cuando se involucren en el desafío final.

• Los estudiantes podran ♪ aprender la importancia de ♪ refrescar los conceptos básicos° grado ♪ descubrir lo que implica ♪ ampliar los vitales para abordar la ORQUESTA DE LA ESCUELA MEDIA!
  • diseño:
    • Cóncavo: 2-3 anchos diferentes
    • Convexo: 2-3 anchos diferentes
  • Registro: trayectoria del haz y distancia focal aproximada
    • Lentes cóncavas: 2-3 anchos diferentes
    • Lentes convexas: 2-3 anchos diferentes
  • Concluya la relación cualitativa entre el ancho de una lente y la distancia focal
  • Terminología y conceptos:
    • Fuente de luz
    • Longitud focal: ¿cómo afecta el cambio de ancho de la lente a la distancia focal?

Antes de la actividad, presente, discuta o revise

• La diferencia entre variables independientes y dependientes
• ¿Qué variables son las variables independientes y dependientes en la actividad de hoy?
  • El ancho de la lente Y la distancia de la fuente de luz a la lente son las variables dependientes que impactan en el resultado: distancia focal
• La definición de longitud focal y brevemente, su relación con la visión.
  • La fuente de luz = el objeto (luz que rebota del objeto al ojo)
  • La luz que ingresa al ojo debe enfocarse directamente en la retina para que se forme una imagen clara.
• Si prefiere introducir más matemáticas o profundizar en la distancia focal con más detalle, Khan Academy ofrece una excelente descripción general para su referencia:
  • Convexo: https://www.khanacademy.org/science/physics/geometricoptics/lenses/v/convex-lenses
  • Cóncavo: https://www.khanacademy.org/science/physics/geometricoptics/lenses/v/concave-lenses

Demostrar / modelar cómo observar, medir y registrar

• Cómo determinar la distancia focal aproximada de una lente cóncava y convexa
• Lo que sucede con el comportamiento (trayectoria) de la luz como variable dependiente (el ancho de la lente) cambia.
• Repase o presente el vocabulario mientras demuestra
  • Rayo incidente
  • Rayo refractado
  • Lente cóncava
  • Lentes convexas
  • Longitud focal

Facilite la actividad:

Fomentar la experimentación sistemática con luz y lentes.

• Presente el objetivo de la actividad para hoy:
  • Recopile datos y saque conclusiones sobre el impacto del tamaño (ancho) de la lente en la distancia focal
  • Recopile datos y saque conclusiones sobre el impacto de la distancia entre la fuente de luz y la lente en la distancia focal.
• Entregue a cada par de estudiantes un conjunto de materiales:
  • Juego de cortadores de galletas redondos
  • Losa de gelatina de 9 "X 13"
  • Juego de tres Light Blox
• Dar instrucciones a los estudiantes para
  • Diseñe 3 lentes convexas con diferentes anchos
  • Mida y registre el ancho de cada lente y su distancia focal correspondiente
• Dar instrucciones a los estudiantes para
  • Diseño de 3 lentes cóncavas con diferentes anchos
  • Mida y registre el ancho de cada lente y su distancia focal correspondiente
• Dar instrucciones a los estudiantes para
  • Mida y registre cómo cambia la distancia focal a medida que cambia la distancia entre la fuente de luz y la lente.
• Una vez que los equipos hayan registrado sus mediciones y observaciones, cierre la actividad.
• Dé tiempo a los estudiantes para terminar su trabajo, completando tablas de datos y dibujos según sea necesario.
• Reserva tiempo para limpiar.

Resumen y reflexión

Pida a los equipos que compartan sus resultados. Realice una discusión en clase en la que los equipos / individuos expliquen lo que hicieron, lo que observaron y el sentido que dan a los resultados. Dependiendo de su enfoque, es posible que desee utilizar una de varias estrategias de aprendizaje activo o invitar a voluntarios a dibujar o demostrar su trabajo al frente de la clase.

• Utilizando los resultados de los estudiantes, incluidos dibujos y tablas de datos, compare la diferencia entre pasar una luz por cada tipo de lente.
• Como clase, discuta preguntas como:
  • ¿Qué sucede con la distancia focal a medida que aumenta o disminuye el ancho de la lente?
  • ¿Es lo mismo para cóncavos que para convexos?
  • ¿Los resultados difieren con la distancia entre la luz y la lente?
  • ¿Qué aprendiste sobre las lentes convexas y cóncavas que te ayudarán con el desafío final?
• Como clase, discuta los resultados del experimento. Las preguntas que se deben abordar incluyen, entre otras, las siguientes:
  • ¿Cómo cambia el punto focal a medida que la lente se vuelve más pequeña o más grande?
  • ¿Qué evidencia respalda estas conclusiones?
  • ¿En qué se diferencian los resultados entre lentes cóncavas y convexas?
  • ¿Cómo ayuda comprender la relación entre la forma y el tamaño de las lentes y el punto focal con el desafío final de diseñar un sistema de lentes para mejorar la visión?
  • Si los estudiantes hicieron una predicción sobre el punto focal y el tamaño de la lente, ¿cómo se compara su predicción con los resultados? ¿Fueron sorprendentes los resultados?
  • En la actividad final, se le desafiará a crear un sistema de lentes diseñado para mejorar la visión. ¿Qué aprendió sobre lentes y puntos focales que lo ayudarán a enfrentar el desafío?
  • Recuerde las imágenes del ojo (normal, de cerca y de lejos). ¿En qué parte del diagrama le gustaría que se enfocara la luz?

ACTIVIDAD 5: EXPERIMENTO CON 2 SISTEMAS DE LENTES (45-60 minutos)

Resumen

Como actividad final en preparación para el Desafío de diseño, los estudiantes exploran el comportamiento de la luz cuando pasa a través de varias combinaciones de pares de lentes. En el desafío final, los estudiantes reciben un diagrama del ojo de un paciente. Una lente del sistema representará la lente que se encuentra en el ojo. Los estudiantes deberán diseñar una o más lentes de gelatina para corregir o mejorar la visión de su paciente. La combinación de lentes y su alineación deben enfocar la luz en la retina en el diagrama del ojo del paciente.

Complete la última parte de la tabla KWL PRIMERO.

Los resultados del aprendizaje

Como resultado de esta lección, los estudiantes podrán:

• Describir, demostrar y registrar el impacto de un sistema de dos lentes en la trayectoria de la luz y la distancia focal.
  • 2 lentes convexas
  • 2 lentes cóncavas
  • 1 lente cóncava y 1 convexa
• Describir el papel de los lentes en varios instrumentos utilizados para mejorar la visión o enfocar imágenes.
  • Cámara
  • Telescopio
  • Microscopio
  • Lupa
• Describir el papel de las lentes en la visión humana.
  • El ojo humano contiene una lente convexa.
  • La visión humana clara se basa en la capacidad de enfocar la luz específicamente en la retina.
  • La miopía y la hipermetropía como problemas de visión comunes
• Predecir cómo varios lentes pueden mejorar la visión humana cuando hay miopía o hipermetropía.

Matemáticas opcional

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

Prepara el escenario para experimentar con múltiples lentes.

Como clase, hagan una lista de varios instrumentos que usan dos o más lentes. Si los estudiantes sugieren que el ojo combinado con anteojos es un sistema de lentes, explique que en la lección final abordarán específicamente esta combinación. Por ahora, céntrese en instrumentos como telescopios, microscopios y binoculares.

Pida a los estudiantes que expliquen cómo creen que funcionan los distintos instrumentos y las relaciones entre las lentes y las lentes y la luz.

Explique que en esta actividad los estudiantes explorarán combinaciones de lentes sobre el comportamiento de la luz. Explique que pasarán un rayo de luz a través de dos lentes para observar y registrar los resultados.

Como clase, discuta las muchas variables del experimento, cuáles cambiar y cuáles mantener iguales. Algunas variables que los estudiantes deben reconocer incluyen:

• Distancia entre lentes
• Combinación de tipos de lentes para crear pares de lentes
• Posición y distancia de la fuente de luz a las lentes

Facilitar la actividad

Explique que en esta actividad los estudiantes deben llevar un registro cuidadoso de su trabajo. Dependiendo del tiempo disponible, haga que todos los equipos trabajen con todas las combinaciones de lentes o divida la clase en "grupos de expertos" y asígneles la responsabilidad de informar a la clase sobre el sistema que exploraron.

Los equipos deben experimentar con todas o algunas de las siguientes combinaciones de lentes:

• Convexo + Convexo
• Cóncavo + cóncavo
• Convexo + cóncavo
• Complete la última parte de la tabla KWL PRIMERO
• Haga que los estudiantes planifiquen su experimento, dibujen su configuración y hagan una tabla de datos en la que registrar los resultados. Alternativamente, dibuje la configuración del equipo en la pizarra y distribuya una tabla de datos a cada equipo.
• Una vez que los equipos demuestren un plan apropiado para sus experimentos, proporcióneles gelatina y herramientas.
• Asegúrese de que los estudiantes exploren el efecto de las combinaciones de lentes Y el efecto de cambiar la distancia entre lentes.
• Llame la atención sobre los efectos de las diferentes combinaciones de lentes sobre el comportamiento de la luz.
• Llame la atención sobre los efectos de cambiar la distancia entre lentes sobre el comportamiento de la luz.
• Circule por el salón para observar a los estudiantes. Cuando sea apropiado, involucre a los equipos en una discusión de sus procedimientos experimentales, mediciones, observaciones y resultados. Ayúdelos a conectar sus métodos con sus resultados.
• (Opcional) Haga que los estudiantes creen "diagramas de rayos" para lentes como el que se muestra aquí.

Resumen y reflexión

Cierre los experimentos que realizaron los estudiantes. Como clase, revise el comportamiento de la luz cuando pasa a través de varios pares de lentes y el efecto de cambiar la distancia entre pares de lentes.

• Si es necesario, dé tiempo a los alumnos para repasar y completar el trabajo del paso anterior de la lección antes de presentarlo.
• Haga que los equipos compartan sus resultados. Anime a los estudiantes a consultar dibujos y datos para explicar sus observaciones y conclusiones.
• Como clase, discuta preguntas como:
  • ¿Qué le sucede al punto focal cuando acerca o aleja un objetivo del otro? ¿Depende de la combinación de lentes que esté usando?
  • ¿Qué sucede con el punto focal de dos lentes convexas?
  • ¿Qué sucede con el punto focal de dos lentes cóncavas?
  • ¿Qué sucede con varias combinaciones de diferentes lentes?
  • ¿Cómo se aplica el trabajo con dos (o más) lentes al desafío final de diseñar un sistema de lentes para mejorar la visión de un paciente?
  • ¿Qué combinaciones de lentes cree que mejorarán la visión de un paciente miope?
  • ¿Qué combinación de lentes cree que mejorará la visión de un paciente con hipermetropía?

OPCIONAL

• Experimente con combinaciones adicionales de lentes.
• Investigue los diseños de varios instrumentos que utilizan lentes como telescopios, láseres, microscopios y binoculares.

El desafío: diseñar un sistema de 2 lentes para corregir un problema de visión (45-60 min)

Resumen

Esta actividad se enfoca en llevar a los estudiantes a través de un proceso para crear un sistema de lentes que corrija un problema de visión. El objetivo de la lección de actividad no es diseñar la lente perfecta, sino comprender qué implica resolver un problema con el proceso de ingeniería. ¡Deje suficiente tiempo y algunos límites estructurados para permitir que el descubrimiento motive la exploración!

Conocimientos y habilidades previas

• La luz viaja en línea recta hasta que golpea un objeto o viaja de un medio a otro
• Todo lo que vemos es el resultado de la luz que entra en nuestros ojos; la mayor parte de esa luz se refleja
• Cuando la luz pasa de un medio a otro (es decir, a través de una lente), la luz se dobla o refracta.
• La forma y el material de la lente afectan cómo se dobla la luz.
• El ojo contiene una lente que enfoca la luz en la retina. La visión clara depende de la capacidad del cristalino del ojo para desviar la luz que entra en el ojo para que la imagen se forme específicamente en la retina.

Facilite la actividad:

• Revise y consulte la tabla KWL de los estudiantes.
• Entregue un juego de Light Blox con las tapas de hendidura ENCENDIDAS y dos lentes de gelatina moldeada (una convexa y una cóncava) a cada grupo de 3 estudiantes.
• Muestre a los estudiantes cómo encender las luces y déles de 3 a 5 minutos para explorar cómo la luz se mueve a través de las lentes.
• Reparta la plantilla de un ojo con visión "normal". Haga que los estudiantes coloquen la lente convexa moldeada “dentro” del ojo para ver que la luz llega a un punto focal EN la retina. Ver con claridad depende de que el punto focal aterrice en un lugar específico del ojo, llamado retina.
• A continuación, pida a los estudiantes que coloquen la lente convexa moldeada en la plantilla de un ojo hipermétrope que necesita corrección de la visión porque la luz aterriza en el lugar equivocado. Observe dónde está el punto focal. ¡Esto no crea una buena visión!
• Pídales que definan el problema y especulen una solución… Qué podría “mover” el punto focal a otra ubicación. En este punto, permita a los estudiantes algo de tiempo con las lentes cóncava y convexa juntas para que puedan descubrir que la lente cóncava mueve el punto focal.
• Luego, dé a cada grupo un cuadrado (~ 4 ”X 8”) de gelatina simple preparada de doble concentración y 3 cortadores de galletas redondos de varios diámetros.
• Explíqueles que con esta gelatina crearán una SEGUNDA lente, para corregir el problema de visión. Los materiales y herramientas disponibles para ellos son la gelatina, el cuchillo y los cortadores de galletas.
• Primero, pida a los estudiantes que practiquen la creación de lentes cóncavas y convexas con sus cortadores de galletas y gelatina.
• Luego, pida a los estudiantes que construyan lentes usando cortadores de galletas, el cuchillo de plástico y gelatina, que corregirán los problemas de visión demostrados en las plantillas.
• A medida que los estudiantes crean, prueban y mejoran el diseño de sus lentes, se involucran en los aspectos esenciales del proceso de ingeniería utilizando lentes y luz.

El objetivo es permitir que los estudiantes comprendan que la luz se puede manipular con lentes y que, al hacerlo, pueden resolver problemas. Será un desafío conseguir el objetivo perfecto. Para los estudiantes más avanzados, puede presentar la distancia focal, el radio de curvatura y el índice de refracción como métodos matemáticos para crear soluciones en lugar del enfoque de "prueba y error" que están usando.

La lección se puede realizar en tan solo 1 período de clase para estudiantes mayores. Sin embargo, para ayudar a los estudiantes a no sentirse apresurados y asegurar el éxito de los estudiantes (especialmente para los estudiantes más jóvenes), divida la lección en dos períodos para que los estudiantes tengan más tiempo para intercambiar ideas, probar ideas y finalizar su diseño. Realice las pruebas y el informe en el próximo período de clases.

Diagramas de ojos

Enlaces a Internet

• https://www.bbc.co.uk

Actividad de Escritura

¿Qué otras aplicaciones tienen las lentes en nuestro mundo?

Alineación con los marcos curriculares

Nota: Todos los planes de lecciones de esta serie están alineados con los Estándares de Informática K-12 de la Asociación de Maestros de Ciencias de la Computación, los Estándares Estatales Básicos Comunes de EE. UU. Para Matemáticas y, si corresponde, también con los Principios y Estándares de Matemáticas Escolares del Consejo Nacional de Maestros de Matemáticas. los Estándares de Alfabetización Tecnológica de la Asociación Internacional de Educación Tecnológica y los Estándares Nacionales de Educación Científica de EE. UU. que fueron elaborados por el Consejo Nacional de Investigación.

Ideas básicas disciplinarias 

∙ PS4.B: Radiación electromagnética

o La trayectoria de la luz se puede trazar como líneas rectas, excepto en superficies entre diferentes materiales transparentes (por ejemplo, aire y agua, aire y vidrio) donde la trayectoria de la luz se dobla entre los medios. (MS-PS4-2)

∙ ETS1.A: Definición y delimitación de problemas de ingeniería

o Cuanto más precisamente se puedan definir los criterios y las restricciones de una tarea de diseño, más probabilidades hay de que la solución diseñada tenga éxito. La especificación de restricciones incluye la consideración de principios científicos y otros conocimientos relevantes que probablemente limiten las posibles soluciones (MS-ETS1-1)

∙ ETS1.B: Desarrollo de posibles soluciones

o Es necesario probar una solución y luego modificarla sobre la base de los resultados de la prueba para mejorarla. MS-ETS-4)

Prácticas de ciencia e ingeniería 

∙ Definir un problema de diseño que pueda resolverse mediante el desarrollo de un objeto, herramienta, proceso o sistema e incluya múltiples criterios y restricciones, incluido el conocimiento científico que puede limitar las posibles soluciones. (MS-ETS1-1)

∙ Desarrollar y utilizar un modelo para describir fenómenos (MS-PS4-2)

∙ Analizar e interpretar datos para determinar similitudes y diferencias en los hallazgos. (MS ETS1-3)

Conceptos transversales

∙ Estructura y función

o Las estructuras se pueden diseñar para que cumplan funciones particulares teniendo en cuenta las propiedades de los diferentes materiales y cómo se pueden moldear y utilizar los materiales (MS PSR-2)

o Las estructuras se pueden diseñar para cumplir funciones particulares

Hoja de trabajo del estudiante # 1: Tabla KWL

Nombre del estudiante Fecha

Las enfermeras, los médicos y los ingenieros trabajan juntos para diseñar y fabricar anteojos y otras herramientas que mejoran la visión. En este desafío diseñarás un sistema de lentes para mejorar la visión de un paciente.

¿Qué necesita saber sobre el ojo humano y los lentes para ayudar a mejorar la visión de alguien?

Utilice el organizador gráfico de KWL a continuación para enumerar lo que sabe, lo que quiere saber y lo que aprendió a diseñar anteojos para mejorar la visión de alguien.

Hoja de trabajo del estudiante 2: Materiales y configuración experimental

Nombre del estudiante Fecha

Para completar el desafío de diseño al final de esta unidad, necesitará saber cómo orientar la gelatina y las luces para observar el camino de la luz a medida que pasa de la fuente de luz a través de un trozo de gelatina.

Usando palabras y / o dibujos, describa y documente la trayectoria de la luz a medida que atraviesa la gelatina: o Con la gelatina colocada sobre la mesa o Con la gelatina NO colocada sobre la mesa

• 1 haz con Light Blox sentado en su lado más ancho
• 1 haz con Light Blox sentado en su lado más estrecho
• 3 haces a la vez

Hoja de trabajo del estudiante 3: Trazado de rayos

Utilizando palabras y dibujos, registre la trayectoria de un solo haz de luz a medida que pasa de la fuente de luz a través de un lado de una lente al otro lado de un trozo de gelatina; y sacar conclusiones sobre cómo la luz viaja a través de un trozo de gelatina con un

• Superficie plana / recta
• Superficie curva
• Describa, demuestre y registre la trayectoria de la luz a medida que pasa a través de una lente convexa y cóncava (utilizando 3 luces)
• Identificar y definir: lente cóncava, rayo incidente de lente convexa, rayo refractado

  Hoja de trabajo del estudiante 4: Plantilla de ojos