Acu optika

Komplekti

• Komplektus, kas ietver aktivitāšu materiālus, var atrast vietnē: https://laserclassroom.com/product/eyes-on-optics-kit-a-gelatin-optics-engineering-project/

Ievads

• Studentu darba lapa 1: KWL diagramma - SAGLABĀT, lai atkal varētu izmantot 5. aktivitātē
• Normālas, hiperopiskas un tuvredzīgas acu diagrammas/rokas
• Pāris brilles

1. darbība

• Studentu darba lapa #2: Materiāli un eksperimentālā struktūra
• Sagatavotas želatīna plāksnes (skatiet recepti zemāk)
• Gaismas bloka komplekts (https://laserclassroom.com/light-blox/) VAI Lāzera bloks (https://laserclassroom.com/laser-blox/)
• Apaļo cepumu griezēju komplekts
• Plastmasas nazis

2. darbība

• Studentu darba lapa #3: staru izsekošana
• Sagatavotas želatīna formas
  • Formētas izliektas lēcas
  • Formētas ieliektas lēcas
  • Želatīna kvadrāts (~ 3 ”X 3”)
  • Želatīna aplis (~ 3 collu diametrs)
• Gaismas bloka komplekts (https://laserclassroom.com/light-blox/) VAI Lāzera bloks (https://laserclassroom.com/laser-blox/)

3. darbība

• 1 sagatavota želatīna plāksne vienai komandai
• 1 apļveida sīkfailu griezēju komplekts komandai
• 1 plastmasas nazis komandai

4. darbība

• 1 sagatavota želatīna plāksne vienai komandai
• 1 apļveida sīkfailu griezēju komplekts komandai
• 1 plastmasas nazis komandai

5. darbība

• Studentu darba lapa # 1
• 1 sagatavota želatīna plāksne vienai komandai
• 1 apļveida sīkfailu griezēju komplekts komandai
• 1 plastmasas nazis komandai

6. darbība

• 1 sagatavota želatīna plāksne vienai komandai
• 1 apļveida sīkfailu griezēju komplekts komandai
• 1 plastmasas nazis komandai
• Acu veidne
• KWL diagramma atsaucei

Dizains izaicinājums

• Gaismas bloka komplekts
• Formētu lēcu komplekts - viens ieliekts un viens izliekts
• Želatīna plāksne
• Plastmasas nazis
• Sīkdatņu griezēji
• Acu veidne
• Pabeigta KWL diagramma no 1. darblapas

Želatīna recepte:

• Šī recepte nodrošina pietiekami daudz želejas apmēram sešiem lieliem diskiem:
  • 4 tases ūdens
  • 8 aploksnes no Knox Original Gelatin
  • 1 konteiners ar izmēriem 9 x 7 x 2 collas
  • Vārīts ūdens. Sajauciet 4 tases verdoša ūdens ar 8 aploksnēm (vai 1: 2 ūdens un želatīna attiecību) ar oriģinālo Knox želatīnu.
• 2. darbībai ielejiet maisījumu lēcu veidņu paplātēs.
• Visām citām darbībām ielejiet maisījumu traukā tā, lai šķidruma dziļums būtu vismaz 0.75 collas. Želatīnu ieliek ledusskapī uz nakti, lai sastingst.

Materiāli

• Tīru, sausu pārstrādājamo materiālu (plastmasas, stikla, metāla / alumīnija kannu un papīra) daudzveidība lielā atkritumu tvertnē vai kastē
• Garš galds vai daži īsi galdi, kas novietoti kopā

Process

Novietojiet dizainu uz gara galda (vai dažām īsām kopā novietotām tabulām), pievienojiet dizainam otrreizējās izejvielas un dokumentējiet, cik labi katrs dizains pārstrādā otrreizējās izejvielas atsevišķās tvertnēs.

Dizains izaicinājums

Jūs esat daļa no inženieru komandas, kuras uzdevums ir izstrādāt objektīvu sistēmu, lai uzlabotu pacienta redzi. Jūs pabeigsiet 6 aktivitātes, lai uzzinātu par lēcu optiku un cilvēka aci.

Kritēriji

• Izstrādājiet un ieskicējiet sistēmu, lai uzlabotu pacienta redzi.

Ierobežojumi

• Izmantojiet tikai komplektācijā iekļautos materiālus.

Nodarbībai nepieciešami seši 45-60 minūšu nodarbību periodi

IEVADĪT IZAICINĀJUMU

Kopsavilkums
Šī nodarbība noslēdzas ar dizaina izaicinājumu-beztermiņa projektu, kas mudina skolēnus uzdot jautājumus, uzņemties iniciatīvu un domāt radoši. Inženiertehniskie un dizaina izaicinājumi nodrošina kontekstu un nozīmi zinātniskā procesa izmantošanai, tehnisko zināšanu un prasmju attīstīšanai un panākumiem mūsdienu sabiedrībā.

Lai iepazīstinātu ar šo dizaina izaicinājumu, skolēniem tiek piedāvāts izveidot lēcu sistēmu, lai uzlabotu pacienta redzi, studenti apzinās, ko viņi zina un kas ir nepieciešams attiecībā uz lēcu optiku un cilvēka aci, lai tiktu galā ar šo izaicinājumu.

Pamatprasmes un zināšanas

• Gaismas ceļš no avota (vai objekta) uz acīm (neobligāta darbība: Klases ala)
• Gaismas ceļš cilvēka acī: tīklene un fokusa punkts
• Neobligāta darbība - Eksperimentējiet ar savu redzējumu

Iestatiet aktivitātēm

Sadaliet skolēnus komandās pa 2 vai 3. Uzstādiet ideju prāta vētrai par lēcu un cilvēka acs struktūru un funkciju.

Turiet brilles pāri.

Palūdziet studentiem paskaidrot, kā brilles darbojas, lai uzlabotu redzi. Ļaujiet studentiem ieskicēt savus dizainus, ja tas viņiem palīdz pilnīgāk izpausties.

Paskaidrojiet klasei, ka šī stunda beidzas ar dizaina izaicinājumu. Paskaidrojiet, ka studentu komandas izstrādās lēcu sistēmu, lai uzlabotu pacienta redzi. Paskaidrojiet, ka viņi saņems pacienta acs modeli un viņiem tiks uzdots izstrādāt lēcu komplektu, lai uzlabotu pacientu redzi.

Paskaidrojiet, ka komandām būs jāpaskaidro savi dizaina lēmumi, pamatojoties uz datiem, ko tie savāc, izstrādājot un pārbaudot objektīvus.

Sarunājieties klasē - jautājiet studentiem:

• Kā darbojas brilles?
• Kā brilles apvienojas ar aci, lai uzlabotu redzi?
• Vai viņiem ir dažādi brilles veidi? Ja jā, kā tie atšķiras un kāpēc?
• Kā, jūsuprāt, ārsti izdomā, kāda veida lēcas uzlabos redzi?

Nodarbības veicināšana

Projicējiet ekrānā parastas acs, hiperopiskas un tuvredzīgas acs attēlus un/vai izdaliet izdales materiālu komandām ar šiem attēliem.

Klasē pārbaudiet un apspriediet atšķirības starp attēliem. Palīdziet studentiem saprast un atzīmēt:

• Identificēt un saprast zīmējumā redzamās acs struktūras pamatfunkcijas
• Acs lēca visā garumā ir identiska
• Attālums no lēcas līdz tīklenei ir atšķirīgs
• Tīklene atrodas vienā vietā visām acīm
• Katras acs forma kopumā ir atšķirīga

Izplatiet studentiem scenārija izaicinājumu un studentu darblapas #1, KWL diagrammu. Kā klase izlasiet un pārskatiet scenāriju. Ļaujiet studentiem pabeigt KWL pāros.

Kopsavilkums un pārdomas

Kā klase pārskatiet scenāriju un lūdziet brīvprātīgajiem dalīties ar saviem KWL grafikas organizatoriem un novērtējiet skolēnu izpratni par dizaina izaicinājumu.

Uzdodiet studentiem tādus jautājumus kā:

• Kā jūs, saviem vārdiem sakot, raksturotu jums uzdoto dizaina izaicinājumu?
• Kas, jūsuprāt, jāzina, lai izstrādātu lēcu sistēmu redzes uzlabošanai?
• Ko jūs jau saprotat par cilvēka aci un redzi, kas palīdzēs jums tikt galā ar šo izaicinājumu?
• Ko jūs jau saprotat par lēcu dabu, kas palīdzēs jums tikt galā ar šo izaicinājumu?
• Kas, jūsuprāt, ir jāiemācās, lai izpildītu dizaina izaicinājumu?

1. DARBĪBA: PĒTĪT AR GAISMU UN GELATĪNU (45–60 min)

Kopsavilkums

Šīs aktivitātes mērķis ir skolēniem atrast un dokumentēt visefektīvāko veidu, kā novērot un reģistrēt gaismas ceļu, kad tas atstāj gaismas avotu un iziet cauri želatīnam.

Studentiem būs beztermiņa iespēja izpētīt un strādāt ar materiāliem, veikt un dalīties novērojumos, kā arī veidot pamatzināšanas par želatīna formu un gaismas attiecībām. Šī atklāta izpēte veicina radošumu un problēmu risināšanu, kas ir noderīga, lai izpildītu pēdējo izaicinājumu-izstrādāt objektīvu sistēmu, lai uzlabotu redzi.

Mācīšanās rezultāti

Šīs aktivitātes rezultātā studenti varēs:

• Orientējiet želatīnu un gaismas, lai novērotu gaismas ceļu, kad tas iet no gaismas avota caur želatīna gabalu
• Aprakstiet un dokumentējiet gaismas ceļu, kas iet caur želatīnu

o Ar želatīnu noliek uz galda

o Želatīns NAV nolikts uz galda

o 1 staru kūlis ar Light Blox, kas atrodas tā plašākajā pusē

o 1 stars ar Light Blox, kas atrodas tā šaurākajā pusē

o 3 sijas vienlaikus

Iepriekšējās zināšanas un prasmes

Pirms 1. darbības sākuma:

• Šīs nodarbības beigās studentiem vajadzētu izprast dizaina izaicinājumu. Skatiet sadaļu “Iepazīstināšana ar izaicinājumu” iepriekš.
• Iepazīstiniet ar izpētes darbības vispārējo mērķi: atrast un dokumentēt visefektīvāko veidu, kā novērot un reģistrēt gaismas ceļu, kad tas atstāj gaismas avotu un iet caur un pēc tam no želatīna.

Demonstrējiet/modelējiet, kā izmērīt un ierakstīt:

• Parādiet studentiem materiālu komplektu un parādiet, kā izmantot cepumu griezējus un plastmasas nazi, lai izveidotu dažādas formas želatīna gabaliņus.
• Parādiet studentiem, kā manipulēt ar formām tā, lai tās spīdētu gaismā caur katru virsmu.
• Parādiet studentiem divus dažādus veidus, kā orientēt gaismas, kas iet caur želatīnu.

Aktivitātes veicināšana

Veiciniet radošumu, izpēti un dokumentēšanu

• Modeļu izpēte un eksperimenti ar materiāliem
• Izsniedziet studenta 2. darblapu un modelējiet, kā ierakstīt novērojumus
• Parādiet, kā dokumentēt:
  • Viņu želatīna gabala izmērs un forma
  • Želatīna un gaismas (-u) orientācija
  • Viss gaismas staru ceļš sākas, kad tas iziet no gaismas bloka, kad tas iziet cauri un pēc tam iziet no želatīna
  • Izveidojiet komandas un sadaliet resursus. Pārliecinieties, ka katrai komandai ir pieejama “želatīna plāksne” griešanai, cepumu griezēji, plastmasas nazis, Light Blox (vai cits gaismas avots), papīra lapa un ierakstīšanas materiāli.
• Aptumšojiet gaismas, ja tas ir droši un iespējams
• Apmeklējiet visu klasi, lai novērotu komandas, kad studenti gatavo un organizē savu aprīkojumu.
• Cirkulējiet visā telpā, vērojot, kā studenti strādā. Strādājot komandās, novērojiet viņu centienus, lai caur želatīnu spīdētu Light Blox, palīdziet indivīdiem vai komandām, kuras cīnās ar aprīkojuma pārvaldību un uzstādīšanu.
• Ja nepieciešams, iesaistiet studentus diskusijās par viņu aktivitātēm. Uzdodiet studentiem atklātus jautājumus par viņu centieniem sakārtot aprīkojumu, sagriezt formas, orientēt gaismas, pierakstīt to, ko viņi novēro, un to, kā viņi saprot savus novērojumus.
• Ja nepieciešams, pārtrauciet nodarbību, lai dalītos vienas vai vairāku komandu darbā ar citām komandām. Izmantojiet šādus pārtraukumus, lai izceltu pozitīvus izpētes piemērus, tostarp, bet ne tikai: radošs dizains, gaismas, želatīna un ekrāna izlīdzināšanas metodes, lietvedība un komandas darbs.

Visā laika posmā atgādiniet studentiem, lai tie detalizēti reģistrē savu darbu, uz kuru viņi atsaucas uz turpmāko diskusiju.

Apkopojiet un pārdomājiet

Noslēdziet aktivitāti, mudiniet komandas dalīties savā darbā un izdarīt secinājumus par rezultātiem.

• Klasē apspriediet studentu atklājumus
  • Kā vislabāk orientēt želatīnu un gaismas, lai novērotu gaismas ceļu, kas iet caur želatīnu
  • Kā želatīna forma ietekmē gaismas ceļu, kad tas iet caur želatīnu
  • Atgādiniet, ka nākotnē jūs izstrādāsiet lēcu sistēmu, lai uzlabotu cilvēka redzi. Ko jūs šodien darījāt un uzzinājāt, kas attiecas uz šo izaicinājumu?
  • Kā klase vienojieties par procedūru, kā izsekot gaismas ceļam, kad tas atstāj gaismas avotu, iet caur želatīnu un pēc tam iziet no želatīna.

Kas notiek? Refrakcijas definīcija un atsauce uz vairāk informācijas. Pēc izvēles: kinestētiskā refrakcijas aktivitāte http://laserclassroom.com/products/kinesthetic-model-refraction/

2. DARBĪBA: EKSPERIMENTS AR LēcAS VEIDU (45–60 min)

Kopsavilkums

Studenti izmanto zinātnisko procesu, lai atklātu kvalitatīvs attiecības starp gaismu un lēcas formu (ieliekts, izliekts, kvadrāts, aplis).

Mācīšanās rezultāti

Šīs aktivitātes rezultātā studenti varēs ierakstīt viena gaismas stara ceļu, kad tas iet no gaismas avota caur vienu lēcas pusi uz otru želatīna gabala pusi; un izdarīt secinājumus par to, kā gaisma pārvietojas caur želatīna gabalu ar

• Plakana/taisna virsma
• Izliekta virsma
• Aprakstiet, demonstrējiet un ierakstiet gaismas ceļu, kas iet caur izliektu un ieliektu lēcu (izmantojot 3 gaismas)
• Identificējiet un definējiet: ieliektu lēcu, izliektu lēcas krītošo staru, refrakciju

Iepriekšējās zināšanas un prasmes

Pārskats aktivitātes sākumā:

• Kā orientēt želatīnu un gaismas (no iepriekšējās darbības)
• Kā reģistrēt gaismas ceļu, kas iet caur želatīnu (no iepriekšējās darbības)

Iestatiet aktivitātei

Iestatiet 4 stacijas

• 3 Gaismas bloks un želatīna aplis
• 3 Gaišs Bloks un želatīna kvadrāts
• 3 gaismas un veidota izliekta lēca
• 3 gaismas un veidots ieliekts objektīvs

Pirms eksperimenta uzsākšanas: izskaidrojiet zinātnisko procesu

• Veicināt sistemātisku gaismas un lēcu izpēti. Katrā stacijā skolēni dokumentē savus novērojumus ar zīmējumu, ieskaitot atbilstošas ​​etiķetes (krītošie un lauztie stari, ieliekti vai izliekti objektīvi)
• Atšķirība starp neatkarīgajiem un atkarīgajiem mainīgajiem
• Kādi mainīgie ir neatkarīgie un atkarīgie mainīgie katrā stacijā
• Atkarīgais mainīgais ir lēcas forma - ieliekta vai izliekta
• Papildu soļi zinātniskajā procesā, kurus jūs sagaidāt no studentiem, izvirzot hipotēzi un izdarot secinājumus.
• ZINĀTNISKAIS PROCESS: https://nces.ed.gov/nceskids/help/user_guide/graph/variables.asp

Demonstrējiet/modelējiet, kā izmērīt un ierakstīt:

• Atrašanās vieta un attālums no gaismas avotiem līdz objektīvam
• Mainās tas, kas notiek ar gaismas ceļu kā atkarīgo mainīgo (lēcas forma).
• Gaismas uzvedība caur objektīvu
• Pārskatiet vārdu krājumu, kā jūs to demonstrējat
  • Incidenta stars
  • Lūzis stars
  • Ieliekts objektīvs
  • Izliekta lēca
  • Kontaktpunkts

Veicināt darbību

• Sniedziet skolēnu darba lapu #3
• Paskaidrojiet, ka šajā aktivitātē studenti izmantos zinātnisko procesu, lai organizētāk un konkrētāk analizētu dažādu veidu lēcu ietekmi uz gaismas uzvedību. Paskaidrojiet studentiem, ka viņi rotēs pa četrām stacijām.
• Paskaidrojiet, ka katrā stacijā viņi izlaidīs gaismu caur viena veida objektīvu un reģistrēs gaismas staru uzvedību, kad tie iziet cauri lēcām.
• Uzdodiet studentiem novērot un pierakstīt savus novērojumus katrā stacijā ar zīmējumiem un etiķetēm:
  • Gaismas avots
  • Incidents Rejs
  • Lūzis Rejs
  • Ieliekts objektīvs
  • Izliekta lēca
  • Kontaktpunkts (šajā brīdī nav jāievada fokusa attālums vai jāapspriež attiecības starp fokusu un redzējumu, ja vien tas netiek parādīts)
  • Piezīmes, secinājumi, citi novērojumi
• Sadaliet studentus pāros. Piešķiriet pāriem stacijas.
• Iestatiet cerības uz laiku, kas pavadīts katrā stacijā, un gaismas un objektīva izkārtojumu skaitu, ko jūs sagaidāt no studentiem katrā stacijā.
• Cirkulējiet visā telpā, kamēr komandas strādā, lai novērotu viņu centienus. Palīdziet komandām izveidot savu aprīkojumu, identificēt atkarīgos un neatkarīgos mainīgos, kā arī izmērīt, reģistrēt un uzzīmēt to rezultātus.
• Vajadzības gadījumā apspriediet ar skolēniem viņu eksperimentālo iestatījumu, gaismas stāvokļa mērīšanas metodes, gaismas staru leņķi, kas ieiet un iziet caur objektīvu, un kādus mainīgos lielumus viņi saglabās nemainīgus, pārejot uz nākamo staciju un nākamais objektīvs.
• Ja rodas iespēja izcelt studentu centienus, sarīkojiet klases diskusiju par dažiem jūsu veiktajiem novērojumiem. Palūdziet studentiem izskaidrot saviem vienaudžiem savu eksperimentālo izkārtojumu, rezultātu mērīšanas un reģistrēšanas metodes un plānus saglabāt savu darbu konsekventu no stacijas uz staciju.
• Sekojiet līdzi laikam. Pirms došanās uz citu staciju dodiet studentiem pietiekami daudz laika, lai vismaz divas vai trīs reizes pārkārtotu un izmērītu gaismas.
• Sniedziet “iepriekšēju brīdinājumu” apmēram 5 minūtes pirms studentiem jāgriežas nākamajā stacijā. Lieciet viņiem pabeigt darbu pašreizējā stacijā.
• Kad ir atlikušas 1-2 minūtes, palūdziet studentiem sakopt un atjaunot staciju tādā stāvoklī, kādā tā atradās (vai labāk). Ja laiks atļauj, pagriezieties uz citu staciju. Ja nē, paskaidrojiet, ka nākamā perioda laikā skolēni turpinās darbu, kur beidzās.

Apkopojiet un pārdomājiet

Noslēdziet aktivitāti, mudiniet komandas dalīties savā darbā un izdarīt secinājumus par rezultātiem.

• Klasē apspriediet un dalieties rezultātos un secinājumos
  • Kvadrāts pret apli
  • Ieliektas lēcas rada fokusa punktu objektīva priekšā
  • Izliektas lēcas rada fokusa punktu objektīva aizmugurē
  • Attālumu no objektīva centra līdz fokusa punktam sauc par fokusu
  • garums
  • Adreses vārdnīca

3. DARBĪBA: IZVEIDOJIET SAVAS LĒCES - DIZAINS UN DOKUMENTI (45–60 min)

Kopsavilkums

Studenti iesaistās mērķtiecīgā izpētē un izmanto līdz šim apgūto, lai dokumentētu procesu, kā droši izveidot/noformēt dažāda izmēra (platuma) ieliektas un izliektas lēcas.

Mācīšanās rezultāti

Šīs aktivitātes rezultātā studenti varēs:

• Aprakstiet, demonstrējiet un ierakstiet, kā ar apļveida sīkfailu griezēju no želatīna izgriezt gan ieliektu, gan izliektu lēcu.
• Izdariet secinājumus no pierādījumiem par to, kā gaismas ceļš uzvedas, mainoties atkarīgajam mainīgajam (objektīva forma, izmērs, attālums no gaismas avota).

Pirms aktivitātes iepazīstiniet, apspriediet vai pārskatiet

• Ieliektas un izliektas lēcas
• Kā dokumentēt atkārtojamu procesu http://www.wikihow.com/Document-a-Process

Veicināt darbību

Mēs ļoti iesakām izmantot šo nodarbību laiku, lai dotu studentiem noteiktu laiku (15–20 minūtes) cīnīties pēc tam, kad esat parādījis viņiem veidojamās formas un devis materiālus, nevis skaidri parādīt studentiem, kā veidot formas. Kad viņi ir sapratuši, kā izveidot ieliektu un izliektu lēcu, viņi dokumentēs izmantoto procesu.

Šis izaicinājums rada pamatu, lai izprastu kaut ko pamata, bet ne intuitīvu par šāda veida objektīviem - ka tie ir iegūti no aprindām; un uz šo izpratni balstās uzlabotā matemātikas izpratne, kas apraksta lēcu īpašības. Šī vienkāršā praktiskā darbība sniedz studentiem pieredzes bagātu, intuitīvu pieredzi par ieliekto/izliekto lēcu un loku attiecībām.

• Iepazīstiniet ar šodienas izaicinājumu: dokumentējiet procesu, kā sagriezt izliektu un ieliektu lēcu
  • Ieliekts: 2-3 dažādi izmēri
  • Izliekts: 2-3 dažādi izmēri
• Dodiet katram studentu pārim apaļo cepumu griezēju komplektu un ~ 9 ”X 7” želatīna plāksni.
• Atvēliet 15-20 minūtes studentu komandām, lai eksperimentētu ar lēcu formu izgriešanu, koncentrējoties uz atkārtojama un uzticama procesa dokumentēšanu apaļo sīkfailu griezēju izmantošanai ieliektu un izliektu lēcu projektēšanā.
• Cirkulējiet visā telpā, kamēr komandas strādā, lai novērotu viņu centienus. Vajadzības gadījumā palīdziet komandām uzstādīt savu aprīkojumu.

Apkopojiet un pārdomājiet

• Pārtrauciet studentus pēc 15-20 minūtēm, lai sarīkotu klases diskusiju par studentu darbu. Lieciet studentiem izskaidrot saviem vienaudžiem savu eksperimentālo uzstādījumu un procesa dokumentēšanas metodes.
• Klasē uzrakstiet (dokumentējiet) procesu, pamatojoties uz studentu atklājumiem un ieguldījumu.

4. DARBĪBA: EKSPERIMENTS AR LENSA IZMĒRU (PLATUMS) (45–60 min)

Kopsavilkums

Izmantojot pēdējā nodarbību periodā dokumentēto procesu, skolēni iesaistās zinātniskajā procesā, lai apkopotu un reģistrētu datus un nonāktu pie secinājuma par atkarīgā mainīgā (objektīva platuma) ietekmi uz fokusa attālumu. Tas ir kvalitatīvi. Piemēram, fokusa attālums kļūst garāks vai īsāks.

Izpratne par to, kā objektīva izmērs (platums) un attālums no gaismas avota līdz objektīvam ietekmē fokusa attālumu, palīdzēs studentiem izveidot objektīvu sistēmu, lai uzlabotu redzi, kad viņi iesaistās pēdējā izaicinājumā.

• Studenti:
  • Dizains:
    • Ieliekts: 2-3 dažādi platumi
    • Izliekts: 2-3 dažādi platumi
  • Ieraksts: staru kūlis UN aptuvenais fokusa attālums
    • Ieliektas lēcas: 2-3 dažādi platumi
    • Izliektas lēcas: 2-3 dažādi platumi
  • Noslēdziet kvalitatīvo attiecību starp objektīva platumu un fokusa attālumu
  • Termini un jēdzieni:
    • Gaismas avots
    • Fokusa attālums - kā objektīva platuma maiņa ietekmē fokusa attālumu?

Pirms aktivitātes iepazīstiniet, apspriediet vai pārskatiet

• Atšķirība starp neatkarīgajiem un atkarīgajiem mainīgajiem
• Kādi mainīgie ir neatkarīgie un atkarīgie mainīgie mūsdienu darbībā -
  • Objektīva platums UN gaismas avota attālums no objektīva ir atkarīgie mainīgie, kas ietekmē rezultātu: fokusa attālums
• Definīcija fokusa attālums un īsi, tā saistība ar redzējumu.
  • Gaismas avots = objekts (gaisma atsitās no objekta acī)
  • Gaismai, kas nonāk acī, ir jākoncentrējas tieši uz tīkleni, lai veidotos skaidrs attēls.
• Ja vēlaties ieviest vairāk matemātikas vai sīkāk aplūkot fokusa attālumu, Khan Academy piedāvā lielisku pārskatu:
  • Izliekta: https://www.khanacademy.org/science/physics/geometricoptics/lenses/v/convex-lenses
  • ieliekts: https://www.khanacademy.org/science/physics/geometricoptics/lenses/v/concave-lenses

Demonstrējiet/modelējiet, kā novērot, izmērīt un ierakstīt

• Kā noteikt aptuvenu fokusa attālumu gan ieliektam, gan izliektam objektīvam
• Mainās tas, kas notiek ar gaismas uzvedību (ceļu) kā atkarīgo mainīgo (objektīva platums).
• Pārskatiet vai iepazīstiniet ar vārdu krājumu, kā jūs to demonstrējat
  • Incidenta stars
  • Lūzis stars
  • Ieliekts objektīvs
  • Izliekta lēca
  • Fokusa attālums

Veicināt darbību:

Veiciniet sistemātiskus eksperimentus ar gaismu un lēcām

• Iepazīstiniet ar šodienas aktivitātes mērķi:
  • Apkopojiet datus un izdariet secinājumus par objektīva izmēra (platuma) ietekmi uz fokusa attālumu
  • Apkopojiet datus un izdariet secinājumus par attāluma no gaismas avota līdz objektīvam ietekmi uz fokusa attālumu
• Dodiet katram studentu pārim materiālu komplektu:
  • Apaļo cepumu griezēju komplekts
  • 9 ”X 13” želatīna plāksne
  • Trīs Light Blox komplekts
• Sniedziet studentiem norādījumus
  • Izstrādājiet 3 izliektas lēcas ar dažādu platumu
  • Izmēriet un ierakstiet katra objektīva platumu un atbilstošo fokusa attālumu
• Sniedziet studentiem norādījumus
  • Izstrādājiet 3 ieliektas lēcas ar dažādu platumu
  • Izmēriet un ierakstiet katra objektīva platumu un atbilstošo fokusa attālumu
• Sniedziet studentiem norādījumus
  • Izmēriet un reģistrējiet, kā mainās fokusa attālums, mainoties attālumam starp gaismas avotu un objektīvu.
• Kad komandas ir reģistrējušas savus mērījumus un novērojumus, aktivitāte beidzas.
• Dodiet studentiem laiku darba pabeigšanai, pēc vajadzības aizpildot datu tabulas un rasējumus.
• Atlieciet laiku tīrīšanai.

Kopsavilkums un pārdomas

Palūdziet komandām dalīties savos rezultātos. Sarīkojiet klases diskusiju, kurā komandas/indivīdi paskaidro, ko viņi darīja, ko novēroja un kāda ir viņu izpratne par rezultātiem. Atkarībā no jūsu pieejas, iespējams, vēlēsities izmantot kādu no vairākām aktīvās mācīšanās stratēģijām vai uzaicināt brīvprātīgos zīmēt vai demonstrēt savu darbu klases priekšā.

• Izmantojot studentu rezultātus, tostarp zīmējumus un datu tabulas, salīdziniet atšķirību starp gaismas nodošanu, izmantojot katra veida objektīvus.
• Klasē apspriediet šādus jautājumus:
  • Kas notiek ar fokusa attālumu, palielinoties vai samazinoties objektīva platumam?
  • Vai tas ir tāds pats ieliektam kā izliektam?
  • Vai rezultāti atšķiras atkarībā no attāluma no gaismas līdz objektīvam?
  • Ko jūs uzzinājāt par izliektām un ieliektām lēcām, kas jums palīdzēs pēdējā uzdevumā?
• Klasē apspriediet eksperimenta rezultātus. Jautājumi, kas jārisina, ietver, bet ne tikai:
  • Kā mainās fokusa punkts, kad objektīvs kļūst mazāks/lielāks?
  • Kādi pierādījumi apstiprina šos secinājumus?
  • Kā rezultāti atšķiras starp ieliektām un izliektām lēcām?
  • Kā izpratne par attiecībām starp objektīva formu un izmēru un fokusa punktu palīdz atrisināt pēdējo uzdevumu - izstrādāt objektīvu sistēmu, lai uzlabotu redzi?
  • Ja skolēni prognozēja fokusa punktu un objektīva izmēru, kā viņu prognozes salīdzināja ar rezultātiem? Vai kādi rezultāti pārsteidza?
  • Pēdējā pasākumā jums tiks piedāvāts izveidot lēcu sistēmu, kas paredzēta redzes uzlabošanai. Ko jūs uzzinājāt par objektīviem un kontaktpunktu, kas palīdzēs jums tikt galā ar izaicinājumu?
  • Atgādiniet acs attēlus (normāli, tuvu un tālredzīgi). Uz kuru diagrammas daļu vēlaties, lai gaisma fokusētos?

5. DARBĪBA: EKSPERIMENTS AR 2 LēcU SISTĒMĀM (45–60 min)

Kopsavilkums

Gatavojoties dizaina izaicinājumam, studenti pēta gaismas uzvedību, kad tā iziet cauri dažādām lēcu pāru kombinācijām. Pēdējā izaicinājumā studenti saņem pacienta acs diagrammu. Viens sistēmas objektīvs attēlo acī atrodamo objektīvu. Studentiem būs jāizstrādā viena vai vairākas želatīna lēcas, lai labotu vai uzlabotu pacienta redzi. Lēcu kombinācijai un to izlīdzināšanai pacienta acs diagrammā ir jākoncentrē gaisma uz tīkleni.

PIRMĀ aizpildiet KWL diagrammas pēdējo daļu.

Mācīšanās rezultāti

Šīs nodarbības rezultātā studenti varēs:

• Aprakstiet, demonstrējiet un reģistrējiet divu objektīvu sistēmas ietekmi uz gaismas un fokusa attālumu
  • 2 izliektas lēcas
  • 2 ieliektas lēcas
  • 1 ieliekta un 1 izliekta lēca
• Aprakstiet lēcu lomu dažādos instrumentos, ko izmanto redzes uzlabošanai vai attēlu fokusēšanai
  • kamera
  • Teleskops
  • Mikroskops
  • Lupa
• Aprakstiet lēcu lomu cilvēka redzē
  • Cilvēka acī ir izliekta lēca
  • Skaidra cilvēka redze balstās uz spēju koncentrēt gaismu tieši uz tīkleni
  • Tuvredzība un hiperopija kā bieži sastopamas redzes problēmas
• Prognozējiet, kā dažādas lēcas var uzlabot cilvēka redzi, ja ir tuvredzība vai hiperopija.

Pēc izvēles Matemātika

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

Uzstādiet posmu eksperimentiem ar vairākiem objektīviem.

Kā klase sastādiet sarakstu ar dažādiem instrumentiem, kuros tiek izmantotas divas vai vairākas lēcas. Ja skolēni uzskata, ka acs kopā ar brillēm ir lēcu sistēma, paskaidrojiet, ka pēdējā stundā viņi īpaši pievērsīsies šai kombinācijai. Pagaidām koncentrējieties uz tādiem instrumentiem kā teleskopi, mikroskopi un binokļi.

Palūdziet studentiem paskaidrot, kā, viņuprāt, darbojas dažādi instrumenti, kā arī attiecības starp lēcām, lēcām un gaismu.

Paskaidrojiet, ka šajā aktivitātē studenti izpētīs lēcu kombinācijas par gaismas uzvedību. Paskaidrojiet, ka viņi izlaidīs gaismas staru caur divām lēcām, lai novērotu un reģistrētu rezultātus.

Klasē apspriediet eksperimentā daudzos mainīgos, kurus mainīt un kurus nemainīt. Daži mainīgie, kas studentiem jāatzīst, ir šādi:

• Attālums starp objektīviem
• Objektīvu tipu kombinācija, lai izveidotu objektīvu pārus
• Gaismas avota novietojums un attālums līdz lēcām

Veicināt darbību

Paskaidrojiet, ka šajā aktivitātē studentiem rūpīgi jāreģistrē savs darbs. Atkarībā no pieejamā laika, ļaujiet visām komandām strādāt ar visām objektīvu kombinācijām vai sadaliet klasi “ekspertu grupās” un uzticiet viņiem pienākumu ziņot klasei par izpētīto sistēmu.

Komandām vajadzētu eksperimentēt ar visām vai dažām no šīm objektīvu kombinācijām:

• Izliekts + izliekts
• Ieliekts + ieliekts
• Izliekta + ieliekta
• PIRMĀ aizpildiet KWL diagrammas pēdējo daļu
• Lieciet studentiem plānot savu eksperimentu, sastādīt to un izveidot datu tabulu, kurā ierakstīt rezultātus. Alternatīvi, uzzīmējiet uz tāfeles aprīkojumu un izdaliet katrai komandai datu tabulu.
• Kad komandas demonstrē piemērotu plānu saviem eksperimentiem, nodrošiniet viņiem želatīnu un instrumentus.
• Pārliecinieties, ka skolēni pēta lēcu kombināciju ietekmi UN attāluma starp lēcām maiņas efektu.
• Pievērsiet uzmanību dažādu objektīvu kombināciju ietekmei uz gaismas uzvedību.
• Pievērsiet uzmanību ietekmei, ko rada attāluma maiņa starp lēcām uz gaismas uzvedību.
• Riņķojiet pa istabu, lai novērotu studentus. Ja nepieciešams, iesaistiet komandas diskusijā par savām eksperimentālajām procedūrām, mērījumiem, novērojumiem un rezultātiem. Palīdziet viņiem savienot savas metodes ar rezultātiem.
• (Neobligāti) Aiciniet studentus izveidot “staru diagrammas” tādām lēcām kā šeit parādītās.

Kopsavilkums un pārdomas

Noslēdziet skolēnu veiktos eksperimentus. Kā klase, pārskatiet gaismas uzvedību, kad tā iet cauri dažādiem lēcu pāriem, un attāluma maiņas efektu starp lēcu pāriem.

• Ja nepieciešams, dodiet studentiem laiku, lai pārskatītu un pabeigtu darbu no iepriekšējā soļa stundā pirms prezentācijas.
• Lieciet komandām dalīties savos rezultātos. Mudiniet studentus atsaukties uz zīmējumiem un datiem, lai izskaidrotu savus novērojumus un secinājumus.
• Klasē apspriediet šādus jautājumus:
  • Kas notiek ar fokusa punktu, pārvietojot vienu objektīvu tuvāk vai tālāk no otra? Vai tas ir atkarīgs no izmantotās lēcu kombinācijas?
  • Kas notiek ar divu izliektu objektīvu fokusa punktu
  • Kas notiek ar divu ieliektu objektīvu fokusa punktu?
  • Kas notiek ar dažādām dažādu objektīvu kombinācijām?
  • Kā darbs ar divām (vai vairākām) lēcām attiecas uz pēdējo uzdevumu - izveidot objektīvu sistēmu, lai uzlabotu pacienta redzi?
  • Kādas lēcu kombinācijas, jūsuprāt, uzlabos redzi tuvredzīgam pacientam?
  • Kura lēcu kombinācija, jūsuprāt, uzlabos tālredzīga pacienta redzi?

IZVĒLES

• Eksperimentējiet ar papildu lēcu kombinācijām.
• Izpētiet dažādu instrumentu, kas izmanto objektīvus, dizainus, piemēram, teleskopus, lāzerus, mikroskopus un binokļus.

Izaicinājums: izveidojiet divu objektīvu sistēmu, lai novērstu redzes problēmu (2–45 minūtes)

Kopsavilkums

Šī darbība ir vērsta uz studentu izglītošanu, lai izveidotu lēcu sistēmu, kas koriģē redzes problēmu. Aktivitātes nodarbības mērķis nav izstrādāt perfektu objektīvu, bet gan saprast, kas ir inženierijas procesa problēmas risinājums. Atvēliet daudz laika un dažas strukturētas robežas, lai atklājumi varētu motivēt izpēti!

Iepriekšējās zināšanas un prasmes

• Gaisma pārvietojas taisnā līnijā, līdz tā ietriecas objektā vai pārvietojas no vienas vides uz citu
• Viss, ko mēs redzam, ir gaismas rezultāts, kas ienāk mūsu acīs; lielākā daļa šīs gaismas tiek atstarota
• Kad gaisma pāriet no vienas vides uz otru (ti, caur lēcu), gaisma ir saliekta vai lauzta
• Lēcas forma un materiāls ietekmē gaismas saliekšanos
• Acs satur lēcu, kas fokusē gaismu uz tīkleni. Skaidra redze ir atkarīga no acs lēcas spējas saliekt gaismu, kas nonāk acī, lai attēls veidotos tieši uz tīklenes

Veicināt darbību:

• Pārskatiet un skatiet studentu KWL diagrammu
• Katrai 3 skolēnu grupai izdaliet vienu Light Blox komplektu ar ieslēgtiem šķēlumiem un divas veidotas želatīna lēcas (vienu izliektu un vienu ieliektu).
• Parādiet studentiem, kā ieslēgt gaismas, un dodiet viņiem 3-5 minūtes laika, lai izpētītu, kā gaisma pārvietojas caur lēcām.
• Iedaliet acs veidni ar “normālu” redzi. Palūdziet studentiem ievietot izliekto lēcu „acī”, lai redzētu, ka gaisma nonāk tīklenes centrā. Redze skaidri ir atkarīga no fokusa punkta, kas atrodas noteiktā acs vietā, ko sauc par tīkleni.
• Pēc tam lūdziet studentus izvietot izliekto lēcu uz hiperopiskas acs veidnes, kurai nepieciešama redzes korekcija, jo gaisma nokrīt nepareizā vietā. Ievērojiet, kur atrodas fokusa punkts. Tas nerada labu redzi!
• Palūdziet viņiem definēt problēmu un minēt risinājumu ... Kas varētu “pārvietot” kontaktpunktu uz citu vietu. Šajā brīdī ļaujiet studentiem kādu laiku kopā ar ieliektajām un izliektajām lēcām, lai viņi varētu atklāt, ka ieliektā lēca pārvieto fokusa punktu.
• Pēc tam katrai grupai piešķiriet kvadrātu (~ 4 ”X 8”) sagatavota, divkārša stipruma vienkārša želatīna un 3 apaļus dažādu diametru cepumu griezējus.
• Paskaidrojiet, ka ar šo želatīnu viņi izveidos OTRO lēcu, lai novērstu redzes problēmu. Pieejamie materiāli un instrumenti ir želatīns, nazis un cepumu griezēji!
• Lūdziet studentus vispirms praktizēt ieliektu un izliektu lēcu veidošanu ar cepumu griezējiem un želatīnu.
• Pēc tam lūdziet studentiem konstruēt lēcas, izmantojot sīkfailu griezējus, plastmasas nazi un želatīnu, kas novērsīs redzes problēmas, kas parādītas veidnēs.
• Kad studenti veido, pārbauda un uzlabo objektīvu dizainu, viņi iesaistās inženierijas procesa būtiskajos aspektos, izmantojot lēcas un gaismu.

Mērķis ir ļaut skolēniem saprast, ka ar gaismu var manipulēt ar lēcām - un to darot, viņi var atrisināt problēmas. Būs grūti iegūt pareizo objektīvu. Vairāk pieredzējušiem studentiem jūs varat ieviest fokusa attālumu, izliekuma rādiusu un refrakcijas indeksu kā matemātiskas risinājumu radīšanas metodes, nevis viņu izmantoto “izmēģinājumu un kļūdu” pieeju.

Nodarbību var veikt tikai 1 klases periodā vecākiem skolēniem. Tomēr, lai palīdzētu studentiem nejusties sasteigtiem un nodrošinātu studentu panākumus (īpaši jaunākiem skolēniem), sadaliet stundu divos periodos, dodot studentiem vairāk laika domāt par idejām, pārbaudīt idejas un pabeigt to noformējumu. Veiciet pārbaudi un pārskatu nākamajā klases periodā.

Acu diagrammas

Interneta savienojumi

• https://www.bbc.co.uk

Rakstīšanas aktivitāte

Kādas citas iespējas lēcām ir mūsu pasaulē?

Pielāgošana mācību programmas ietvariem

Piezīme: Visi šīs sērijas stundu plāni ir saskaņoti ar Datorzinātņu skolotāju asociācijas K-12 Datorzinātnes standartiem, ASV Kopējiem matemātikas pamatstandartiem un, ja piemērojams, arī Nacionālās matemātikas skolotāju padomes principiem un standartiem skolas matemātikā, Starptautiskās tehnoloģiju izglītības asociācijas tehnoloģiskās prasmes standarti un ASV Nacionālie zinātnes izglītības standarti, ko izstrādājusi Nacionālā pētniecības padome.

Disciplinārās pamatidejas 

4. PSXNUMX.B: elektromagnētiskais starojums

o Gaismas ceļu var izsekot kā taisnas līnijas, izņemot virsmas starp dažādiem caurspīdīgiem materiāliem (piemēram, gaisu un ūdeni, gaisu un stiklu), kur gaismas ceļš saliecas starp nesējiem. (MS-PS4-2)

∙ ETS1.A: Inženierijas problēmu definēšana un norobežošana

o Jo precīzāk var definēt projektēšanas uzdevuma kritērijus un ierobežojumus, jo lielāka iespēja, ka izstrādātais risinājums būs veiksmīgs. Ierobežojumu specifikācija ietver zinātnisko principu un citu būtisku zināšanu apsvēršanu, kas varētu ierobežot iespējamos risinājumus (MS-ETS1-1)

∙ ETS1.B: Iespējamo risinājumu izstrāde

o Risinājums ir jāpārbauda un pēc tam jāmaina, pamatojoties uz testa rezultātiem, lai to uzlabotu. MS-ETS-4)

Zinātne un inženierzinātņu prakse 

∙ Definējiet dizaina problēmu, kuru var atrisināt, izstrādājot objektu, rīku, procesu vai sistēmu, un tajā ir iekļauti vairāki kritēriji un ierobežojumi, tostarp zinātniskās zināšanas, kas var ierobežot iespējamos risinājumus. (MS-ETS1-1)

∙ Izstrādāt un izmantot parādību aprakstīšanas modeli (MS-PS4-2)

∙ Analizējiet un interpretējiet datus, lai noteiktu secinājumu līdzības un atšķirības. (MS ETS1-3)

Pārrobežu jēdzieni

∙ Struktūra un funkcijas

o Konstrukcijas var veidot, lai tās pildītu noteiktas funkcijas, ņemot vērā dažādu materiālu īpašības un to, kā materiālus var veidot un izmantot (MS PSR-2)

o Konstrukcijas var veidot, lai tās pildītu noteiktas funkcijas

Studentu darba lapa #1: KWL diagramma

Studenta vārda datums

Medmāsas, ārsti un inženieri strādā kopā, lai izstrādātu un izveidotu brilles un citus instrumentus, kas uzlabo redzi. Šajā izaicinājumā jūs izstrādāsiet lēcu sistēmu, lai uzlabotu pacienta redzi.

Kas jums jāzina par cilvēka aci un lēcām, lai palīdzētu uzlabot redzi?

Izmantojiet tālāk redzamo KWL grafisko organizatoru, lai uzskaitītu to, ko zināt, vēlaties zināt un iemācījāties veidot brilles, lai uzlabotu kāda cilvēka redzi

Studentu darba lapa 2: Materiāli un eksperimentālā struktūra

Studenta vārda datums

Lai pabeigtu dizaina uzdevumu šīs ierīces beigās, jums būs jāzina, kā orientēt želatīnu un gaismas, lai novērotu gaismas ceļu, kas iet no gaismas avota caur želatīna gabalu

Izmantojot vārdus un/vai zīmējumus, aprakstiet un dokumentējiet gaismas ceļu, kas iet caur želatīnu: o ar želatīnu, kas nolikts uz galda, o ar želatīnu NAV nolikts uz galda

• 1 stars ar Light Blox, kas atrodas tā plašākajā pusē
• 1 stars ar Light Blox sēž tā šaurākajā pusē
• 3 sijas uzreiz

Studentu darba lapa 3: staru izsekošana

Izmantojot vārdus un zīmējumus, ierakstiet viena gaismas stara ceļu, kad tas iet no gaismas avota caur vienu lēcas malu uz želatīna gabala otru pusi; un izdarīt secinājumus par to, kā gaisma pārvietojas caur želatīna gabalu ar

• Plakana/taisna virsma
• Izliekta virsma
• Aprakstiet, demonstrējiet un ierakstiet gaismas ceļu, kas iet caur izliektu un ieliektu lēcu (izmantojot 3 gaismas)
• Identificējiet un definējiet: ieliektu lēcu, izliektu lēcas krītošo staru, refrakciju

  Studentu darba lapa 4: acu veidne