Un ollo na óptica
O obxectivo desta lección é proporcionar aos estudantes unha oportunidade aberta para explorar e traballar con materiais, facer e compartir observacións e construír unha comprensión fundamental da relación entre as formas de xelatina e a luz.
Presenta aos estudantes a:
- Luz
- Lentes
- Tecnoloxías de visión asistencial
Niveis de idade 10-14
Kits
- Os kits que inclúen materiais de actividade pódense atopar en: https://laserclassroom.com/product/eyes-on-optics-kit-a-gelatin-optics-engineering-project/
introdución
- Ficha de traballo do alumno 1: Gráfico KWL – GARDAR para usalo de novo na actividade 5
- Diagramas oculares normais, hipermétropes e miopes/entrega
- Par de lentes
Actividade 1
- Ficha do alumno #2: Materiais e montaxe experimental
- Lousas de xelatina preparadas (ver receita a continuación)
- Set de Light Blox (https://laserclassroom.com/light-blox/) OU Laser Blox (https://laserclassroom.com/laser-blox/)
- Set de cortadores de galletas circulares
- Coitelo de plástico
Actividade 2
- Ficha de traballo do alumno #3: Ray Tracing
- Formas de xelatina preparadas
- Lentes convexas moldeadas
- Lentes cóncavas moldeadas
- Cadrado de xelatina (~ 3" X 3")
- Círculo de xelatina (~3" de diámetro)
- Set de Light Blox (https://laserclassroom.com/light-blox/) OU Laser Blox (https://laserclassroom.com/laser-blox/)
Actividade 3
- 1 Lousa de xelatina preparada por equipo
- 1 xogo de cortadores de galletas circulares por equipo
- 1 coitelo de plástico por equipo
Actividade 4
- 1 Lousa de xelatina preparada por equipo
- 1 xogo de cortadores de galletas circulares por equipo
- 1 coitelo de plástico por equipo
Actividade 5
- Ficha de traballo do alumno nº 1
- 1 Lousa de xelatina preparada por equipo
- 1 xogo de cortadores de galletas circulares por equipo
- 1 coitelo de plástico por equipo
Actividade 6
- 1 Lousa de xelatina preparada por equipo
- 1 xogo de cortadores de galletas circulares por equipo
- 1 coitelo de plástico por equipo
- Modelo de ollos
- Gráfico KWL para referencia
Deseño Challenge
- Set de Light Blox
- Conxunto de lentes moldeadas: unha cóncava e outra convexa
- Lámina de xelatina
- Coitelo de plástico
- Cortadores de galletas
- Modelo de ollos
- Gráfica KWL completada da folla de traballo #1
Receita de xelatina:
- A seguinte receita fai suficiente xel para uns seis discos grandes:
- 4 vasos de auga
- 8 sobres de gelatina Knox Original
- 1 recipiente cunhas dimensións de 9" x 7" x 2"
- Ferver auga. Mestura 4 cuncas de auga fervendo a 8 sobres (ou unha proporción de auga a xelatina 1:2) de Knox Original Gelatin.
- Para a actividade #2, verte a mestura nas bandexas do molde de lentes.
- Para todas as outras actividades, verte a mestura no recipiente de xeito que a profundidade do líquido sexa de polo menos 0.75 polgadas. Coloque a xelatina no frigorífico durante a noite para que se solidifique.
Obras
- Variedade de reciclables limpos e secos (plásticos, vidro, latas de metal / aluminio e papel) nunha caixa ou caixa de reciclaxe grande
- Mesa longa ou algunhas mesas curtas xuntas
Proceso
Coloque o deseño nunha táboa longa (ou algunhas táboas curtas xuntas), engada reciclables ao deseño e documenta o ben que cada deseño ordena os reciclables en colectores separados.
Deseño Challenge
Formas parte dun equipo de enxeñeiros ante o reto de deseñar un sistema de lentes para mellorar a vista dun paciente. Realizarás 6 actividades para aprender sobre a óptica das lentes e o ollo humano.
Criterios
- Deseñar e esbozar un sistema para mellorar a vista dun paciente.
Restriccións
- Use só os materiais proporcionados.
A lección require seis períodos de clase de 45-60 minutos
PRESENTANDO O RETO
Resumo
Esta lección conclúe cun reto de deseño, un proxecto aberto que anima aos estudantes a facer preguntas, tomar iniciativa e pensar de forma creativa. Os retos de enxeñaría e deseño proporcionan contexto e significado para empregar o proceso científico, desenvolver coñecementos e habilidades técnicas e ter éxito na sociedade moderna.
Para presentar este Desafío de Deseño, preséntase aos estudantes co obxectivo de deseñar un sistema de lentes para mellorar a vista dun paciente, os estudantes identifican o que saben e necesitan sobre a óptica das lentes e o ollo humano para afrontar o reto.
Habilidades e coñecementos previos
- Camiño da luz dende a fonte (ou obxecto) ata os ollos (Actividade opcional: Aula Cova)
- Camiño da luz cara ao ollo humano: retina e punto focal
- Actividade opcional - Experimenta coa túa propia visión
Configurar para a actividade
Divide os alumnos en equipos de 2 ou 3. Prepara o escenario para unha sesión de reflexión sobre a estrutura e función das lentes e do ollo humano.
Sostenga un par de lentes.
Pídalles aos alumnos que expliquen como funcionan as lentes para mellorar a visión. Deixa que os estudantes fagan un bosquexo dos seus deseños se lles axuda a expresarse máis completamente.
Explique á clase que esta lección remata cun reto de deseño. Explique que equipos de estudantes deseñarán un sistema de lentes para mellorar a visión dun paciente. Explique que recibirán unha maqueta do ollo dun paciente e que se encargarán de deseñar un conxunto de lentes para mellorar a visión dos pacientes.
Explique que os equipos terán que explicar as súas decisións de deseño en función dos datos que recompilan mentres deseñan e proban lentes.
Fai unha discusión na clase: pregunta aos estudantes:
- Como funcionan os lentes?
- Como se combinan as lentes co ollo para mellorar a visión?
- Son os seus diferentes tipos de lentes? Se é así, en que se diferencian e por que?
- Como pensas que os médicos descubren que tipo de lente mellorará a visión?
Facilitando a lección
Proxecta as imaxes dun ollo normal, un hipermetrope e un ollo miope na pantalla e/ou distribúe un folleto aos equipos con estas imaxes.
Na clase, examina e comenta as diferenzas entre as imaxes. Axude aos estudantes a comprender e observar o seguinte:
- Identificar e comprender as funcións básicas das estruturas do ollo mostradas no debuxo
- A lente do ollo é idéntica en todo
- A distancia do cristalino á retina é diferente de ollo a ollo
- A retina está situada no mesmo lugar para todos os ollos
- A forma de cada ollo no seu conxunto é diferente
Distribuír o desafío do escenario e a folla de traballo do alumno #1, o gráfico KWL aos estudantes. Na clase, le e repasa o escenario. Permitir que os alumnos completen o KWL por parellas.
Resumo e Reflexión
Como clase, revise o escenario e pídelles aos voluntarios que compartan os seus organizadores gráficos KWL e avalúen a comprensión dos estudantes sobre o Desafío de Deseño.
Fai preguntas aos estudantes como:
- Como describirías, coas túas propias palabras, o reto de deseño que che deron?
- Que cres que necesitas saber para deseñar un sistema de lentes para mellorar a visión?
- Que entendes xa do ollo humano e da visión que che axudarán a afrontar este reto?
- Que entendes xa da natureza das lentes que che axudarán a afrontar este reto?
- Que cres que necesitas aprender para afrontar o reto do deseño?
ACTIVIDADE 1: EXPLORA CON LUZ E XELATINA (45-60 min)
Resumo
O obxectivo desta actividade é que os estudantes atopen e documenten a forma máis eficaz de observar e rexistrar o camiño da luz cando sae da fonte de luz e pasa e despois sae da xelatina.
Os estudantes terán unha oportunidade aberta para explorar e traballar cos materiais, facer e compartir observacións e construír unha comprensión fundamental da relación entre as formas de xelatina e a luz. Esta exploración aberta fomenta a creatividade e a resolución de problemas útiles para afrontar o desafío final de deseñar un sistema de lentes para mellorar a visión.
Resultados de aprendizaxe
Como resultado desta actividade o alumnado será capaz de:
- Orienta a xelatina e as luces para observar o camiño da luz cando pasa da fonte de luz a través dun anaco de xelatina
- Describe e documenta o camiño da luz ao atravesar a xelatina
o Con xelatina deitada sobre a mesa
o Coa xelatina NON pousada sobre a mesa
o 1 feixe con Light Blox sentado no seu lado máis ancho
o 1 feixe con Light Blox sentado no seu lado máis estreito
o 3 vigas á vez
Coñecementos e habilidades previas
Antes de comezar a actividade 1:
- Os estudantes deben comprender o Desafío de deseño ao final desta lección. Consulte a sección "Presentando o desafío" anterior.
- Introduza o obxectivo xeral da actividade de exploración: atopar e documentar a forma máis eficaz de observar e rexistrar o camiño da luz cando sae da fonte de luz e atravesa e despois sae da xelatina.
Demostra/modelo como medir e rexistrar o seguinte:
- Mostrar aos alumnos un conxunto de materiais e demostrar como utilizar os cortadores de galletas e o coitelo de plástico para crear varias pezas de xelatina con formas.
- Mostrar aos alumnos como manipular as formas para que fagan brillar as luces por cada superficie.
- Mostrar aos alumnos as dúas formas diferentes de orientar as luces que pasan pola xelatina.
Facilitando a actividade
Fomentar a creatividade, a exploración e a documentación
- Modelo explorando e experimentando cos materiais
- Reparte a folla de traballo do alumno #2 e modela como rexistrar observacións
- Demostra como documentar:
- O tamaño e a forma da súa peza de xelatina
- A orientación da xelatina e da luz (s)
- Todo o camiño do feixe de luz comeza cando sae do Light Blox ao atravesar e despois saír da xelatina
- Crear equipos e distribuír recursos. Asegúrate de que cada equipo teña acceso a unha "lousa de xelatina" para cortar, cortadores de galletas, coitelo de plástico, Light Blox (ou outra fonte de luz), unha folla de papel e materiais de gravación.
- Atenua as luces se é seguro e é posible
- Circular pola aula para observar os equipos mentres os alumnos preparan e organizan o seu equipamento.
- Circular pola sala observando como traballan os alumnos. Mentres os equipos traballan, observa os seus esforzos para facer brillar a Light Blox a través da xelatina, axuda a persoas ou equipos que teñen dificultades coa xestión e configuración do equipo.
- Se é o caso, faga partícipes aos alumnos de debates sobre as súas actividades. Fai preguntas abertas aos alumnos sobre o seu esforzo por organizar o equipo, cortar formas, orientar as luces, rexistrar o que observan e como dan sentido ás súas observacións.
- Se procede, detén a clase para compartir o traballo dun ou máis equipos con outros equipos. Use tales interrupcións para destacar exemplos positivos de exploración, incluíndo, entre outros: deseño creativo, métodos para aliñar luces, xelatina e pantalla, mantemento de rexistros e traballo en equipo.
Durante o período recorda aos alumnos que manteñan un rexistro detallado do seu traballo ao que o remitirán na discusión de seguimento.
Resumir e reflexionar
Peche a actividade, anime aos equipos a que compartan o seu traballo e saque conclusións sobre os resultados.
- Na clase comentar as conclusións dos alumnos
- Como mellor orientar a xelatina e as luces para observar o camiño da luz ao atravesar a xelatina
- Como a forma da xelatina incide no camiño da luz ao atravesar a xelatina
- Lembra que no futuro deseñarás un sistema de lentes para mellorar a visión humana. Que fixeches e aprendiches hoxe que se aplica a este reto?
- Como clase, acorda un procedemento para trazar o camiño da luz cando sae da fonte de luz, atravesa a xelatina e despois sae da xelatina.
Que está pasando? Definición de refracción e referencia a máis información. Opcional: Actividade de refracción cinestésica http://laserclassroom.com/products/kinesthetic-model-refraction/
ACTIVIDADE 2: EXPERIMENTO COA FORMA DE LENTE (45-60 min)
Resumo
Os alumnos utilizan o proceso científico para descubrir cualitativo relación entre a luz e a forma (cóncava, convexa, cadrada, circular) dunha lente.
Resultados de aprendizaxe
Como resultado desta actividade os alumnos poderán rexistrar o camiño dun único feixe de luz ao pasar dende a fonte de luz por un lado dunha lente ata o outro lado dun anaco de xelatina; e extrae conclusións sobre como viaxa a luz a través dun anaco de xelatina con a
- Superficie plana/recta
- Superficie curva
- Describe, demostra e rexistra o camiño da luz ao atravesar unha lente convexa e cóncava (utilizando 3 luces)
- Identifica e define: lente cóncava, lente convexa raio incidente, raio refractado
Coñecementos e habilidades previas
Repaso ao comezo da actividade:
- Como orientar a xelatina e as luces (da actividade anterior)
- Como rexistrar o camiño da luz ao atravesar a xelatina (da actividade anterior)
Configurar para a actividade
Configura 4 estacións
- 3 Light Blox e círculo de xelatina
- 3 Light Blox e cadrado de xelatina
- 3 luces e unha lente convexa moldeada
- 3 luces e unha lente cóncava moldeada
Antes de comezar o experimento: Explicar o Proceso Científico
- Fomentar o estudo sistemático da luz e das lentes. En cada estación, solicite aos alumnos que documenten as súas observacións, cun debuxo, incluíndo as etiquetas adecuadas (raios incidentes e refractados, lente cóncava ou convexa).
- A diferenza entre variables independentes e dependentes
- Que variables son as variables independentes e dependentes en cada estación
- A variable dependente é a forma da lente: cóncava ou convexa
- Pasos adicionais do proceso científico que espera que sigan os estudantes desde a formulación dunha hipótese ata a obtención de conclusións.
- PROCESO CIENTÍFICO: https://nces.ed.gov/nceskids/help/user_guide/graph/variables.asp
Demostra/modelo como medir e rexistrar o seguinte:
- A posición e a distancia das fontes de luz á lente
- O que sucede co camiño da luz como variable dependente, (a forma da lente), cambia.
- Comportamento da luz ao atravesar unha lente
- Revisa o vocabulario mentres demostras
- Raio incidente
- Raio refractado
- Lente cóncava
- Lente convexa
- Punto focal
Facilitar a actividade
- Entrega a folla de traballo do alumno #3
- Explique que nesta actividade o alumnado utilizará o proceso científico para facer análises máis organizadas e concretas do efecto dos distintos tipos de lentes no comportamento da luz. Explíquelles aos alumnos que rotarán por catro estacións.
- Explica que en cada estación pasarán luz a través dun tipo de lente e rexistrarán o comportamento dos feixes de luz ao atravesar as lentes.
- Instruír aos alumnos a observar e rexistrar con debuxos e etiquetas as súas observacións en cada estación:
- Fonte de Luz
- Raio de incidencias
- Raio refractado
- Lente cóncava
- Lente convexa
- Punto focal (non é necesario introducir a distancia focal neste punto, nin discutir a relación entre o punto focal e a visión a menos que apareza)
- Notas, conclusións, outras observacións
- Divide os alumnos en parellas. Asignar pares ás estacións.
- Establece as expectativas sobre o tempo que pasa en cada estación e o número de disposicións das luces e da lente que esperas que os estudantes midan e rexistren en cada estación.
- Circula pola sala mentres os equipos traballan para observar os seus esforzos. Axudar aos equipos a configurar os seus equipos, identificar as variables dependentes e independentes e medir, rexistrar e debuxar os seus resultados.
- De ser o caso, comente cos alumnos a súa configuración experimental, os seus métodos para medir a posición da luz, o ángulo do feixe de luz que entra e pasa pola lente e que variables manterán constantes cando se trasladen á seguinte estación. e a seguinte lente.
- Se xorde a oportunidade de destacar os esforzos dos estudantes, manteña un debate en clase sobre algunhas das observacións que fixeches. Pídalles aos alumnos que expliquen aos seus compañeiros a súa configuración experimental, os métodos para medir e rexistrar os resultados e os plans para manter o seu traballo consistente dunha estación a outra.
- Manteña un ollo no tempo. Dálle aos alumnos tempo suficiente para reorganizar e medir as súas luces polo menos dúas ou tres veces antes de mudarse a outra estación.
- Dea un "aviso previo" uns 5 minutos antes de que os estudantes deban rotar á seguinte estación. Dilles que completen o seu traballo na estación actual.
- Cando quedan 1 ou 2 minutos, pídelle aos estudantes que limpe e restaure a estación como estaba cando a atoparon (ou mellor). Se o tempo o permite, despraza a outra estación. En caso contrario, explique que os estudantes retomarán o seguinte período onde o deixaron.
Resumir e reflexionar
Peche a actividade, anime aos equipos a que compartan o seu traballo e saque conclusións sobre os resultados.
- Discutir e compartir resultados e conclusións en clase
- Cadrado vs círculo
- As lentes cóncavas producen un punto focal diante da lente
- As lentes convexas producen un punto focal na parte traseira da lente
- A distancia desde o centro da lente ata o punto focal chámase focal
- lonxitude
- Vocabulario de enderezos
ACTIVIDADE 3: CREA AS TÚAS PROPIAS LENTES – DESEÑO E DOCUMENTO (45-60 min)
Resumo
Os estudantes participan nunha exploración dirixida e usan o aprendido ata agora para documentar un proceso sobre como crear/deseñar de forma fiable lentes cóncavas e convexas de diferentes tamaños (anchuras).
Resultados de aprendizaxe
Como resultado desta actividade o alumnado será capaz de:
- Describe, demostra e rexistra como cortar tanto unha lente cóncava como unha convexa de xelatina cun cortador de galletas circular.
- Extrae conclusións a partir da evidencia sobre como se comporta o camiño da luz cando cambia unha variable dependente (forma da lente, tamaño, distancia á fonte de luz).
Antes da actividade, presenta, comenta ou repasa
- Lentes cóncavas e convexas
- Como documentar un proceso repetible http://www.wikihow.com/Document-a-Process
Facilitar a actividade
Suxerímoslle encarecidamente que aproveches este período de clase para permitirlles aos estudantes un tempo determinado (15-20 minutos) para loitar despois de que lles ensinaras as formas que deben crear e lles deas os seus materiais, en lugar de mostrarlles aos alumnos de forma explícita como crear as formas. Unha vez que descubran como crear tanto unha lente cóncava como unha convexa, documentarán o proceso que utilizaron.
Este desafío senta as bases para comprender algo básico, pero non intuitivo, sobre este tipo de lentes: que se derivan dos círculos; e a comprensión máis avanzada das matemáticas que describen as propiedades das lentes depende desa comprensión. Esta sinxela actividade práctica ofrece aos estudantes unha experiencia intuitiva e experiencial da relación entre as lentes cóncavas/convexas e os círculos.
- Presenta o reto de hoxe: documenta un proceso sobre como cortar unha lente convexa e unha cóncava
- Cóncavo: 2-3 tamaños diferentes
- Convexo: 2-3 tamaños diferentes
- Dálle a cada par de estudantes un conxunto de cortadores de galletas redondos e unha placa de xelatina de ~ 9 "X 7".
- Deixa entre 15 e 20 minutos para que os equipos de estudantes experimenten co recorte de formas de lentes, centrándose en documentar un proceso repetible e fiable para usar cortadores de galletas redondos para deseñar lentes cóncavas e convexas.
- Circula pola sala mentres os equipos traballan para observar os seus esforzos. Axudar aos equipos a configurar o seu equipamento se é necesario.
Resumir e reflexionar
- Detén aos estudantes despois de 15-20 minutos para manter un debate en clase sobre o traballo dos estudantes. Pídalles aos alumnos que expliquen aos seus compañeiros a súa configuración experimental e os métodos para documentar o proceso.
- Como clase, escriba (documente) o proceso baseándose nas conclusións e as entradas dos estudantes.
ACTIVIDADE 4: EXPERIMENTO CO TAMAÑO DE LENTE (ANCHO) (45-60 min)
Resumo
Usando o proceso documentado no último período de clase, os alumnos participan no proceso científico para recoller e rexistrar datos e chegar a unha conclusión sobre o impacto da variable dependente (ancho da lente) na distancia focal. Isto é cualitativo. A distancia focal faise máis longa ou máis curta, por exemplo.
Comprender como o tamaño (ancho) da lente e a distancia desde a fonte de luz ata a lente afecta a distancia focal axudará aos estudantes a deseñar un sistema de lentes para mellorar a visión cando se comprometan no desafío final.
- Os estudantes:
- Proxecto:
- Cóncavo: 2 -3 anchos diferentes
- Convexo: 2-3 anchos diferentes
- Rexistro: percorrido do feixe E distancia focal aproximada
- Lentes cóncavas: 2 -3 anchos diferentes
- Lentes convexas: 2-3 anchos diferentes
- Conclúe a relación cualitativa entre o ancho dunha lente e a distancia focal
- Terminoloxía e conceptos:
- Fonte de Luz
- Lonxitude focal: como afecta a lonxitude focal cambiar o ancho da lente?
- Proxecto:
Antes da actividade, presenta, comenta ou repasa
- A diferenza entre variables independentes e dependentes
- Que variables son as variables independentes e dependentes na actividade actual?
- O ancho da lente E a distancia da fonte de luz desde a lente son as variables dependentes que inciden no resultado: distancia focal
- A definición de distancia focal brevemente, a súa relación coa visión.
- A fonte de luz = o obxecto (a luz que rebota do obxecto no ollo)
- A luz que entra no ollo debe enfocarse directamente na retina para que se forme unha imaxe clara.
- Se prefires introducir máis matemáticas ou entrar na distancia focal con máis detalle, Khan Academy ofrece unha excelente visión xeral para a túa referencia:
Demostrar/modelar como observar, medir e rexistrar
- Como determinar a distancia focal aproximada tanto dunha lente cóncava como dunha convexa
- O que sucede co comportamento (percorrido) da luz como variable dependente (a anchura da lente), cambia.
- Repasa ou introduce vocabulario mentres demostras
- Raio incidente
- Raio refractado
- Lente cóncava
- Lente convexa
- Distancia Focal
Facilitar a actividade:
Fomentar a experimentación sistemática con luz e lentes
- Presenta o obxectivo da actividade de hoxe:
- Recolle datos e extrae conclusións sobre o impacto do tamaño (ancho) da lente na distancia focal
- Recolle datos e extrae conclusións sobre o impacto da distancia desde a fonte de luz ata a lente na distancia focal
- Entrega a cada parella de alumnos un conxunto de materiais:
- Set de cortadores de galletas redondos
- Lousa de xelatina de 9" X 13".
- Set de tres Light Blox
- Darlle instrucións aos alumnos
- Deseña 3 lentes convexas con anchos variables
- Mide e rexistra a anchura de cada lente e a súa correspondente distancia focal
- Darlle instrucións aos alumnos
- Deseña 3 lentes cóncavas con anchos variables
- Mide e rexistra a anchura de cada lente e a súa correspondente distancia focal
- Darlle instrucións aos alumnos
- Mide e rexistra como cambia a distancia focal a medida que cambia a distancia entre a fonte de luz e a lente.
- Unha vez que os equipos rexistraron as súas medicións e observacións, remata a actividade.
- Dálle tempo aos estudantes para rematar o seu traballo, completando táboas de datos e debuxos segundo sexa necesario.
- Reserva un tempo para limpar.
Resumo e Reflexión
Pídalles aos equipos que compartan os seus resultados. Manteña unha discusión na clase na que os equipos/individuos expliquen o que fixeron, o que observaron e o sentido que lles dá aos resultados. Dependendo do seu enfoque, pode querer utilizar unha das varias estratexias de aprendizaxe activa ou invitar voluntarios a debuxar ou demostrar o seu traballo á fronte da clase.
- Usando os resultados dos estudantes, incluíndo debuxos e táboas de datos, compare a diferenza entre pasar unha luz por cada tipo de lente.
- Na clase discute cuestións como:
- Que pasa coa distancia focal cando o ancho da lente aumenta ou diminúe?
- É o mesmo para cóncavo que para convexo?
- Os resultados difiren coa distancia da luz á lente?
- Que aprendeches sobre as lentes convexas e cóncavas que che axudarán co reto final?
- Coa clase, comentar os resultados do experimento. As preguntas para abordar inclúen, pero non se limitan a:
- Como cambia o punto focal a medida que a lente se fai máis pequena ou máis grande?
- Que probas apoian estas conclusións?
- En que se diferencian os resultados entre lentes cóncavas e convexas?
- Como axuda comprender a relación entre a forma e o tamaño da lente e o punto focal co desafío final de deseñar un sistema de lentes para mellorar a visión?
- Se os estudantes fixeron unha predición sobre o punto focal e o tamaño da lente, como se comparaba a súa predición cos resultados? Sorprendeu algún resultado?
- Na actividade final terás o reto de crear un sistema de lentes deseñado para mellorar a visión. Que aprendeches sobre as lentes e o foco que che axudarán a afrontar o reto?
- Lembra as imaxes do ollo (normais, de preto e de lonxe). En que parte do diagrama queres que se centre a luz?
ACTIVIDADE 5: EXPERIMENTA CON 2 SISTEMAS DE LENTES (45-60 min)
Resumo
Como actividade final de preparación para o Desafío de Deseño, os estudantes exploran o comportamento da luz ao atravesar varias combinacións de pares de lentes. No reto final, os alumnos reciben un diagrama do ollo dun paciente. Unha lente do sistema representará a lente atopada no ollo. O alumnado deberá deseñar unha ou varias lentes de xelatina para corrixir ou mellorar a visión do seu paciente. A combinación de lentes e o seu aliñamento precisan enfocar a luz na retina no diagrama do ollo do paciente.
Encha a última parte do gráfico KWL PRIMEIRO.
Resultados de aprendizaxe
Como resultado desta lección, o alumnado será capaz de:
- Describe, demostra e rexistra o impacto dun sistema de dúas lentes no camiño da luz e da distancia focal
- 2 lentes convexas
- 2 lentes cóncavas
- 1 lente cóncava e 1 convexa
- Describe o papel das lentes en diversos instrumentos utilizados para mellorar a visión ou enfocar imaxes
- cámara
- Telescopio
- Microscopio
- Lupa
- Describe o papel das lentes na visión humana
- O ollo humano contén unha lente convexa
- A visión humana clara depende da capacidade de enfocar a luz específicamente na retina
- Miopía e hipermetropía como problemas comúns de visión
- Prever como varias lentes poden mellorar a visión humana cando hai miopía ou hipermetropía.
Matemáticas opcionales
https://www.khanacademy.org/science/physics/geometric-optics/lenses/v/multiple-lenssystems
Prepara o escenario para experimentar con varias lentes.
Como clase, faga unha lista de varios instrumentos que utilicen dúas ou máis lentes. Se os alumnos suxiren que o ollo combinado con lentes é un sistema de lentes, explique que na última lección abordarán esta combinación específicamente. Polo de agora céntrase en instrumentos como telescopios, microscopios e prismáticos.
Pídalles aos alumnos que expliquen como cren que funcionan os distintos instrumentos e as relacións entre as lentes e as lentes e a luz.
Explique que nesta actividade os alumnos explorarán combinacións de lentes sobre o comportamento da luz. Explica que farán pasar un feixe de luz a través de dúas lentes para observar e rexistrar os resultados.
Coa clase comentar as moitas variables do experimento, cales cambiar e cales manter as mesmas. Algunhas variables que os estudantes deben recoñecer inclúen:
- Distancia entre lentes
- Combinación de tipos de lentes para crear pares de lentes
- Posición e distancia da fonte de luz ás lentes
Facilitar a actividade
Explique que nesta actividade os alumnos deben levar un rexistro coidadoso do seu traballo. Dependendo do tempo dispoñible, fai que todos os equipos traballen con todas as combinacións de lentes ou divida a clase en "grupos de expertos" e asígnelles a responsabilidade de informar á clase sobre o sistema que exploraron.
Os equipos deben experimentar con todas ou algunhas das seguintes combinacións de lentes:
- Convexo + Convexo
- Cóncavo + Cóncavo
- Convexo + Cóncavo
- Encha a última parte do gráfico KWL PRIMEIRO
- Pídalles aos alumnos que planifiquen o seu experimento, debuxen a súa configuración e fagan unha táboa de datos na que rexistren os resultados. Alternativamente, debuxa a configuración do equipamento no encerado e distribúe unha táboa de datos a cada equipo.
- Unha vez que os equipos demostren un plan axeitado para os seus experimentos, proporciónalles xelatina e ferramentas.
- Asegúrese de que os estudantes exploren o efecto das combinacións de lentes E o efecto de cambiar a distancia entre as lentes.
- Chama a atención sobre os efectos das diferentes combinacións de lentes no comportamento da luz.
- Chama a atención sobre os efectos do cambio da distancia entre lentes no comportamento da luz.
- Circular pola sala para observar aos alumnos. De ser o caso, participe aos equipos nun debate sobre os seus procedementos experimentais, medicións, observacións e resultados. Axúdaos a conectar os seus métodos cos seus resultados.
- (Opcional) Pídalles aos alumnos que creen "diagramas de raios" para lentes como a que se mostra aquí.
Resumo e Reflexión
Peche os experimentos que realizaron os alumnos. Na clase, repasa o comportamento da luz ao atravesar varios pares de lentes e o efecto de cambiar a distancia entre pares de lentes.
- Se é necesario, dálle tempo aos estudantes para revisar e completar o traballo do paso anterior da lección antes de presentalo.
- Fai que os equipos compartan os seus resultados. Animar ao alumnado a que se refire a debuxos e datos para explicar as súas observacións e conclusións.
- Na clase, discuta cuestións como:
- Que pasa co punto focal mentres achegas ou afastas unha lente da outra? Depende da combinación de lentes que uses?
- Que pasa co punto focal de dúas lentes convexas
- Que pasa co punto focal de dúas lentes cóncavas?
- Que pasa coas varias combinacións de diferentes lentes?
- Como se aplica traballar con dúas (ou máis) lentes ao reto final de deseñar un sistema de lentes para mellorar a visión do paciente?
- Que combinacións de lentes cres que mellorarán a visión dun paciente miope?
- Que combinación de lentes cres que mellorará a visión dun paciente con hipermetropía?
OPCIONAL
- Experimenta con combinacións adicionais de lentes.
- Investiga deseños de varios instrumentos que usan lentes como telescopios, láseres, microscopios e prismáticos.
O reto: deseñar un sistema de 2 lentes para corrixir un problema de visión (45-60 min)
Resumo
Esta actividade está enfocada a levar aos alumnos a través dun proceso para crear un sistema de lentes que corrixa un problema de visión. O obxectivo da lección de actividade non é deseñar a lente perfecta, senón comprender o que implica resolver un problema co proceso de enxeñaría. Deixa moito tempo e algúns límites estruturados para permitir que o descubrimento motive a exploración.
Coñecementos e habilidades previas
- A luz viaxa en liña recta ata chegar a un obxecto ou viaxar dun medio a outro
- Todo o que vemos é o resultado da luz que entra nos nosos ollos; a maior parte desa luz reflíctese
- Cando a luz pasa dun medio a outro (é dicir: a través dunha lente), a luz dóbrase ou refracta
- A forma e o material da lente afectan a forma en que se dobra a luz
- O ollo contén unha lente que enfoca a luz na retina. A visión clara depende da capacidade da lente do ollo para curvar a luz que entra no ollo para que a imaxe se forme especificamente na retina.
Facilitar a actividade:
- Revisa e consulta o cadro KWL dos estudantes
- Reparte un xogo de Light Blox coas tapas de fenda activadas e dúas lentes de xelatina moldeadas (unha convexa e outra cóncava) a cada grupo de 3 alumnos.
- Amosalles aos alumnos como acender as luces e dálles de 3 a 5 minutos para que exploren como se move a luz a través das lentes.
- Reparte a plantilla dun ollo con visión "normal". Pídalles aos estudantes que coloquen a lente convexa moldeada "no" ollo para ver que a luz chega a un punto focal da retina. Ver claramente depende de que o punto focal aterrice nun lugar específico do ollo, chamado retina.
- A continuación, faga que os estudantes coloquen a lente convexa moldeada na plantilla dun ollo hipermétrope que precisa corrección da visión porque a luz aterra no lugar equivocado. Fíxate onde está o punto focal. Isto non crea boa visión!
- Pídalles que definan o problema e especulen unha solución... Que pode "mover" o punto focal a outro lugar. Neste punto, permita aos estudantes un tempo coas lentes cóncavas e convexas xuntas para que poidan descubrir que a lente cóncava move o punto focal.
- A continuación, dálle a cada grupo un cadrado (~ 4 "X 8") de xelatina simple preparada de dobre forza e 3 cortadores de galletas redondos de varios diámetros.
- Explica que con esta xelatina crearán unha SEGUNDA lente, para corrixir o problema de visión. Os materiais e ferramentas dos que dispoñen son a xelatina, o coitelo e os cortadores de galletas!
- Pídalles aos alumnos primeiro que practiquen a creación de lentes cóncavas e convexas cos seus cortadores de galletas e xelatina.
- A continuación, pídelles aos alumnos que constrúan lentes utilizando cortadores de galletas, o coitelo de plástico e xelatina, que corrixirán os problemas de visión demostrados nas plantillas.
- A medida que os estudantes crean, proban e melloran o deseño das súas lentes, están a participar no esencial do proceso de enxeñería usando lentes e luz.
O obxectivo é permitir que os estudantes comprendan que a luz pode ser manipulada con lentes e que, facendo isto, poden resolver problemas. Será un reto conseguir a lente correcta. Para os estudantes máis avanzados, pode introducir a distancia focal, o radio de curvatura e o índice de refracción como métodos matemáticos para crear solucións en lugar do enfoque de "ensaio e erro" que están a usar.
Modificación do tempo
A lección pódese facer en tan só 1 período de clase para estudantes maiores. Non obstante, para evitar que os estudantes se sintan apresurados e para garantir o éxito dos estudantes (especialmente para os máis novos), divida a lección en dous períodos dándolle aos estudantes máis tempo para facer unha pluja de ideas, probar ideas e finalizar o seu deseño. Realice as probas e o resumo no seguinte período de clases.
Diagramas dos ollos
Conexións a Internet
Actividade escrita
Que outras aplicacións teñen as lentes no noso mundo?
Aliñación aos marcos curriculares
Nota: Todos os plans de lección desta serie están aliñados cos Estándares de Ciencias da Computación K-12 da Asociación de Profesores de Ciencias da Computación, os Estándares Estatales Básicos Comúns dos Estados Unidos para Matemáticas e, se é o caso, tamén cos Principios e Estándares de Matemáticas Escolares do Consello Nacional de Profesores de Matemáticas. os Estándares de Alfabetización Tecnolóxica da Asociación Internacional de Educación Tecnolóxica e os Estándares Nacionais de Educación Científica dos Estados Unidos que foron elaborados polo Consello Nacional de Investigación.
Ideas básicas disciplinarias
∙ PS4.B: Radiación electromagnética
o O camiño da luz pódese trazar como liñas rectas, excepto nas superficies entre diferentes materiais transparentes (por exemplo, aire e auga, aire e vidro) onde o camiño da luz se dobra entre os medios. (MS-PS4-2)
∙ ETS1.A: Definición e delimitación de Problemas de Enxeñaría
o Canto máis preciso se poidan definir os criterios e as restricións dunha tarefa de deseño, máis probable é que a solución deseñada teña éxito. A especificación de restricións inclúe a consideración de principios científicos e outros coñecementos relevantes que poidan limitar as posibles solucións (MS-ETS1-1)
∙ ETS1.B: Desenvolvemento de posibles solucións
o Hai que probar unha solución, e logo modificala en función dos resultados das probas para mellorala. MS-ETS-4)
Prácticas de Ciencia e Enxeñaría
∙ Definir un problema de deseño que se poida resolver mediante o desenvolvemento dun obxecto, ferramenta, proceso ou sistema e que inclúa múltiples criterios e restricións, incluíndo coñecementos científicos que poidan limitar as posibles solucións. (MS-ETS1-1)
∙ Desenvolver e utilizar un modelo para describir fenómenos (MS-PS4-2)
∙ Analizar e interpretar datos para determinar semellanzas e diferenzas nos achados. (MS ETS1-3)
Conceptos Transversais
∙ Estrutura e función
o As estruturas poden deseñarse para cumprir funcións particulares tendo en conta as propiedades dos diferentes materiais e como se poden dar forma e utilizar os materiais (MS PSR-2)
o As estruturas poden deseñarse para cumprir funcións concretas
Ficha de traballo do alumno #1: Gráfica KWL
Nome do alumno Data
Enfermeiras, médicos e enxeñeiros traballan xuntos para deseñar e construír lentes e outras ferramentas que melloren a visión. Neste reto deseñarás un sistema de lentes para mellorar a visión do paciente.
Que necesitas saber sobre o ollo humano e as lentes para axudar a mellorar a visión dunha persoa?
Use o organizador gráfico KWL a continuación para enumerar o que sabe, quere saber e aprendeu a deseñar lentes para mellorar a visión de alguén
Que eu Saber sobre ollos e lentes | Que eu Queres para Saber sobre Ollos e
Lentes |
Que eu Aprendido sobre Ollos e
Lentes |
||
|
|
|||
|
||||
|
||||
|
Ficha do alumno 2: Materiais e montaxe experimental
Nome do alumno Data
Para completar o desafío de deseño ao final desta unidade, necesitarás non saber como orientar a xelatina e as luces para observar o camiño da luz ao pasar da fonte de luz a través dun anaco de xelatina.
Usando palabras e/ou debuxos, describir e documentar o camiño da luz ao atravesar a xelatina: o Con xelatina pousada sobre a mesa o Coa xelatina NON pousada sobre a mesa.
- 1 feixe con Light Blox sentado no seu lado máis ancho
- 1 feixe con Light Blox sentado no seu lado máis estreito
- 3 vigas á vez
Ficha de traballo do alumno 3: Ray Tracing
Usando palabras e debuxos, rexistra o camiño dun único feixe de luz ao pasar desde a fonte de luz por un lado dunha lente ata o outro lado dun anaco de xelatina; e extrae conclusións sobre como viaxa a luz a través dun anaco de xelatina con a
- Superficie plana/recta
- Superficie curva
- Describe, demostra e rexistra o camiño da luz ao atravesar unha lente convexa e cóncava (utilizando 3 luces)
- Identifica e define: lente cóncava, lente convexa raio incidente, raio refractado
Ficha do alumno 4: Modelo de ollos
Tradución do plan de lección