Een oog voor optica

Sets

• Kits met activiteitenmateriaal zijn te vinden op: https://laserclassroom.com/product/eyes-on-optics-kit-a-gelatin-optics-engineering-project/

Introductie

• Leerlingenwerkblad 1: KWL-diagram – OPSLAAN om opnieuw te gebruiken in Activiteit 5
• Normale, hyperopische en bijziende oogdiagrammen/hand-out
• bril

Activiteit 1

• Leerlingenwerkblad #2: Materialen en experimentele opstelling
• Bereide Gelatineplakken (zie recept hieronder)
• Set Light Blox (https://laserclassroom.com/light-blox/) OF Laserblox (https://laserclassroom.com/laser-blox/)
• Set cirkelvormige koekjes uitstekers
• Kunststof mes

Activiteit 2

• Leerlingenwerkblad #3: Ray Tracing
• Voorbereide gelatinevormen
  • Gegoten bolle lenzen
  • Gegoten concave lenzen
  • Vierkant van gelatine (~ 3 "X 3")
  • Cirkel van gelatine (~ 3 "diameter)
• Set Light Blox (https://laserclassroom.com/light-blox/) OF Laserblox (https://laserclassroom.com/laser-blox/)

Activiteit 3

• 1 Geprepareerde Gelatineplak per team
• 1 Set ronde koekjes uitstekers per team
• 1 Kunststof mes per team

Activiteit 4

• 1 Geprepareerde Gelatineplak per team
• 1 Set ronde koekjes uitstekers per team
• 1 Kunststof mes per team

Activiteit 5

• Leerlingenwerkblad # 1
• 1 Geprepareerde Gelatineplak per team
• 1 Set ronde koekjes uitstekers per team
• 1 Kunststof mes per team

Activiteit 6

• 1 Geprepareerde Gelatineplak per team
• 1 Set ronde koekjes uitstekers per team
• 1 Kunststof mes per team
• Oogsjabloon
• KWL Grafiek voor referentie:

Ontwerpuitdaging

• Set van Light Blox
• Set gegoten lenzen - één concaaf en één convex
• Plakje gelatine
• Kunststof mes
• Cookie Cutters
• Oogsjabloon
• Voltooid KWL-diagram van werkblad #1

Gelatine Recept:

• Het volgende recept maakt genoeg gel voor ongeveer zes grote schijven:
  • 4 kopjes water
  • 8 enveloppen Knox Original Gelatine
  • 1 container met afmetingen van 9” x 7” x 2”
  • Water koken. Meng 4 kopjes kokend water tot 8 enveloppen (of een verhouding van 1:2 water tot gelatine) Knox Original Gelatine.
• Giet voor activiteit #2 het mengsel in de bakjes voor de lensvorm.
• Voor alle andere activiteiten, giet het mengsel zo in de container dat de diepte van de vloeistof ten minste 0.75 inch is. Zet gelatine een nacht in de koelkast om te stollen.

Materialen

• Verscheidenheid aan schone, droge recyclebare materialen (kunststof, glas, blikjes van metaal/aluminium en papier) in een grote prullenbak of -doos
• Lange tafel of een paar korte tafels bij elkaar geplaatst

Proces

Plaats het ontwerp op een lange tafel (of een paar korte tafels bij elkaar), voeg recyclebare materialen toe aan het ontwerp en documenteer hoe goed elk ontwerp de recyclebare materialen in afzonderlijke bakken sorteert.

Ontwerpuitdaging

Je maakt deel uit van een team van ingenieurs die de uitdaging hebben gekregen om een ​​lenzensysteem te ontwerpen om het zicht van een patiënt te verbeteren. Je voltooit 6 activiteiten om meer te weten te komen over de optica van lenzen en het menselijk oog.

criteria

• Ontwerp en schets een systeem om het zicht van een patiënt te verbeteren.

beperkingen

• Gebruik alleen de verstrekte materialen.

Les vereist zes lesperiodes van 45-60 minuten

INTRODUCTIE VAN DE UITDAGING

Samengevat
Deze les wordt afgesloten met een ontwerpuitdaging, een project met een open einde dat leerlingen aanmoedigt om vragen te stellen, initiatief te nemen en creatief te denken. Engineering- en ontwerpuitdagingen bieden context en betekenis voor het toepassen van het wetenschappelijke proces, het ontwikkelen van technische kennis en vaardigheden, en succes in de moderne samenleving.

Om deze ontwerpuitdaging te introduceren, krijgen studenten het doel om een ​​lenzensysteem te ontwerpen om het zicht van een patiënt te verbeteren, studenten identificeren wat ze weten en nodig hebben over de optica van lenzen en het menselijk oog om de uitdaging aan te gaan.

Achtergrondvaardigheden en kennis

• Pad van licht van bron (of object) naar ogen (optionele activiteit: Klasgrot)
• Pad van licht in het menselijk oog: netvlies en brandpunt
• Optionele activiteit - Experimenteer met je eigen visie

Instellen voor Activiteit

Verdeel de leerlingen in teams van 2 of 3. Maak het podium voor een brainstormsessie over de structuur en functie van lenzen en het menselijk oog.

Houd een bril omhoog.

Vraag de leerlingen om uit te leggen hoe een bril werkt om het gezichtsvermogen te verbeteren. Laat leerlingen hun ontwerpen schetsen als het hen helpt zich vollediger uit te drukken.

Leg aan de klas uit dat deze les eindigt met een ontwerpuitdaging. Leg uit dat teams van leerlingen een systeem van lenzen gaan ontwerpen om het zicht van een patiënt te verbeteren. Leg uit dat ze een model van het oog van een patiënt zullen krijgen en de taak zullen krijgen om een ​​set lenzen te ontwerpen om het zicht van de patiënt te verbeteren.

Leg uit dat teams hun ontwerpbeslissingen moeten uitleggen op basis van gegevens die ze verzamelen tijdens het ontwerpen en testen van lenzen.

Houd een klassikaal gesprek – vraag de leerlingen:

• Hoe werkt een bril?
• Hoe combineert een bril met het oog om het zicht te verbeteren?
• Zijn hun verschillende soorten brillen? Zo ja, hoe verschillen ze en waarom?
• Hoe denk je dat artsen erachter komen welk type lens het zicht zal verbeteren?

De les vergemakkelijken

Projecteer de beelden van een normaal oog, een hyperopie en een bijziend oog op het scherm en/of deel een hand-out uit aan teams met deze beelden.

Onderzoek en bespreek klassikaal de verschillen tussen de afbeeldingen. Help de cursisten het volgende te begrijpen en op te merken:

• Identificeer en begrijp de basisfuncties van de structuren van het oog getoond in de tekening
• Lens van het oog is overal identiek
• De afstand van de lens tot het netvlies verschilt van oog tot oog
• Het netvlies bevindt zich voor alle ogen op dezelfde plaats
• Vorm van elk oog als geheel is anders

Deel de scenario-uitdaging en leerlingenwerkblad #1, KWL-diagram uit aan de leerlingen. Lees en bekijk het scenario klassikaal. Laat de leerlingen de KWL in tweetallen invullen.

Samenvatting en reflectie

Bekijk klassikaal het scenario en vraag vrijwilligers om te delen van hun grafische organisatoren van KWL, en evalueer het begrip van de leerlingen van de Design Challenge.

Stel leerlingen vragen zoals:

• Hoe zou je in je eigen woorden de ontwerpuitdaging die je hebt gekregen omschrijven?
• Wat denk je dat je moet weten om een ​​lenzensysteem te ontwerpen om het zicht te verbeteren?
• Wat begrijp je al over het menselijk oog en gezichtsvermogen dat je zal helpen deze uitdaging aan te gaan?
• Wat begrijp je al over de aard van lenzen die je zullen helpen deze uitdaging aan te gaan?
• Wat denk je dat je moet leren om de ontwerpuitdaging aan te gaan?

ACTIVITEIT 1: ONTDEK MET LICHT EN GELATINE (45-60 minuten)

Samengevat

Het doel van deze activiteit is dat leerlingen de meest effectieve manier vinden en documenteren om het pad van licht waar te nemen en vast te leggen wanneer het de lichtbron verlaat en door en vervolgens uit de gelatine gaat.

Studenten krijgen een open kans om de materialen te verkennen en ermee te werken, observaties te doen en te delen en een fundamenteel begrip op te bouwen van de relatie tussen gelatinevormen en licht. Deze verkenning met een open einde moedigt creativiteit en probleemoplossing aan die nuttig zijn om de laatste uitdaging aan te gaan: het ontwerpen van een lenssysteem om het gezichtsvermogen te verbeteren.

Leerresultaten

Als resultaat van deze activiteit zullen de studenten in staat zijn om:

• Oriënteer gelatine en lichten om het pad van het licht te observeren terwijl het van de lichtbron door een stuk gelatine gaat
• Beschrijf en documenteer het pad van licht terwijl het door gelatine gaat

o Met gelatine plat op tafel gelegd

o Met de gelatine NIET plat op tafel gelegd

o 1 straal met Light Blox op zijn bredere kant

o 1 straal met Light Blox op de smallere kant

o 3 stralen tegelijk

Voorkennis en vaardigheden

Voorafgaand aan het begin van Activiteit 1:

• Aan het einde van deze les moeten de leerlingen de ontwerpuitdaging begrijpen. Zie het gedeelte 'Introductie van de uitdaging' hierboven.
• Introduceer het overkoepelende doel voor de verkenningsactiviteit: De meest effectieve manier vinden en documenteren om het pad van licht waar te nemen en vast te leggen wanneer het de lichtbron verlaat en door en vervolgens uit de gelatine gaat.

Demonstreer/modelleer hoe u het volgende kunt meten en vastleggen:

• Laat de leerlingen een set materialen zien en laat zien hoe ze koekjesvormpjes en het plastic mes kunnen gebruiken om verschillende gevormde stukjes gelatine te maken.
• Laat de leerlingen zien hoe ze de vormen zodanig kunnen manipuleren dat ze de lichten door elk oppervlak laten schijnen.
• Laat de leerlingen de twee verschillende manieren zien om de lichten die door de gelatine gaan te oriënteren.

De activiteit faciliteren

Stimuleer creativiteit, verkenning en documentatie

• Modelverkenning en experimenteren met de materialen
• Deel het leerlingenwerkblad #2 uit en modelleer hoe je observaties opneemt
• Demonstreer hoe te documenteren:
  • De grootte en vorm van hun stukje gelatine
  • De oriëntatie van de gelatine en de lamp(en)
  • Het hele pad van de lichtstraal begint wanneer deze de Light Blox verlaat terwijl deze door de gelatine gaat en vervolgens uit de gelatine
  • Creëer teams en distribueer middelen. Zorg ervoor dat elk team toegang heeft tot een "gelatineblad" om te snijden, koekjesmessen, plastic mes, Light Blox (of andere lichtbron), een vel papier en opnamemateriaal.
• Dim de lichten indien veilig en mogelijk
• Loop door het klaslokaal om teams te observeren terwijl studenten hun uitrusting voorbereiden en organiseren.
• Loop door de kamer en observeer terwijl de leerlingen aan het werk zijn. Terwijl teams werken, observeer je hun inspanningen om Light Blox door de gelatine te laten schijnen, help je individuen of teams die worstelen met het beheer en de installatie van apparatuur.
• Betrek de leerlingen, indien van toepassing, in discussie over hun activiteiten. Stel de leerlingen open vragen over hun inspanningen om apparatuur te ordenen, vormen te snijden, lichten te oriënteren, op te nemen wat ze waarnemen en hoe ze hun waarnemingen begrijpen.
• Indien van toepassing, stop de les om het werk van een of meer teams met andere teams te delen. Gebruik dergelijke onderbrekingen om positieve voorbeelden van verkenning te benadrukken, inclusief maar niet beperkt tot: creatief ontwerp, methoden om lichten, gelatine en scherm op één lijn te brengen, het bijhouden van gegevens en teamwerk.

Herinner de leerlingen er gedurende de hele periode aan om gedetailleerde verslagen van hun werk bij te houden, waarnaar ze het in de vervolgbespreking zullen verwijzen.

Samenvatten en reflecteren

Sluit de activiteit af, moedig teams aan om hun werk te delen en trek conclusies over de resultaten.

• Bespreek klassikaal de bevindingen van de leerlingen
  • Hoe gelatine en lichten het beste te oriënteren om het pad van het licht te observeren terwijl het door de gelatine gaat?
  • Hoe de vorm van de gelatine het pad van het licht beïnvloedt als het door de gelatine gaat?
  • Bedenk dat u in de toekomst een lenzensysteem gaat ontwerpen om het menselijk zicht te verbeteren. Wat heb je vandaag gedaan en geleerd dat van toepassing is op deze uitdaging?
  • Spreek als klas een procedure af om het pad van het licht te volgen wanneer het de lichtbron verlaat, door de gelatine gaat en vervolgens uit de gelatine.

Wat gebeurd er? Brekingsdefinitie en verwijzing naar meer informatie. Optioneel: kinesthetische brekingsactiviteit http://laserclassroom.com/products/kinesthetic-model-refraction/

ACTIVITEIT 2: EXPERIMENT MET LENSVORM (45-60 minuten)

Samengevat

Studenten gebruiken het wetenschappelijke proces om de kwalitatieve relatie tussen licht en de vorm (hol, bol, vierkant, cirkel) van een lens.

Leerresultaten

Als resultaat van deze activiteit zullen de leerlingen in staat zijn om het pad van een enkele lichtstraal vast te leggen terwijl deze van de lichtbron door een kant van een lens naar de andere kant van een stuk gelatine gaat; en conclusies trekken over hoe licht door een stuk gelatine reist met a

• Vlak/recht oppervlak
• Gebogen oppervlak
• Beschrijf, demonstreer en registreer het pad van licht terwijl het door zowel een convexe als concave lens gaat (met behulp van 3 lampen)
• Identificeer en definieer: concave lens, convexe lens invallende straal, gebroken straal

Voorkennis en vaardigheden

Review aan het begin van de activiteit:

• Hoe gelatine en lichten te oriënteren (van vorige activiteit)
• Hoe het pad van licht te registreren terwijl het door gelatine gaat (van eerdere activiteit)

Instellen voor de activiteit

4 stations instellen

• 3 Light Blox en cirkel van gelatine
• 3 Light Blox en vierkant van gelatine
• 3 lampen en een gegoten bolle lens
• 3 lampen en een gegoten holle lens

Voorafgaand aan het begin van het experiment: Leg het wetenschappelijke proces uit

• Moedig de systematische studie van licht en lenzen aan. Laat de leerlingen op elk station hun waarnemingen documenteren met een tekening, inclusief passende labels (invallende en gebroken stralen, concave of convexe lens)
• Het verschil tussen onafhankelijke en afhankelijke variabelen
• Welke variabelen zijn de onafhankelijke en afhankelijke variabelen op elk station?
• De afhankelijke variabele is lensvorm - concaaf of convex
• Aanvullende stappen in het wetenschappelijke proces die je verwacht dat studenten volgen van het formuleren van een hypothese tot het trekken van conclusies.
• WETENSCHAPPELIJK PROCES: https://nces.ed.gov/nceskids/help/user_guide/graph/variables.asp

Demonstreer/modelleer hoe u het volgende kunt meten en vastleggen:

• De positie en afstand van de lichtbronnen tot de lens
• Wat er met het pad van het licht gebeurt als de afhankelijke variabele (de vorm van de lens), verandert.
• Het gedrag van licht als het door een lens gaat
• Beoordeel woordenschat terwijl u demonstreert
  • incident straal
  • gebroken straal
  • concave lens
  • Bolle lens
  • Brandpunt

Faciliteren van de activiteit

• Deel leerlingenwerkblad #3 uit
• Leg uit dat studenten in deze activiteit het wetenschappelijke proces zullen gebruiken om meer georganiseerde en concrete analyses te maken van het effect van verschillende soorten lenzen op het gedrag van licht. Leg aan de leerlingen uit dat ze door vier stations zullen roteren.
• Leg uit dat ze op elk station licht door één type lens zullen laten gaan en het gedrag van de lichtbundels wanneer ze door de lenzen gaan, registreren.
• Instrueer de leerlingen om hun observaties op elk station te observeren en vast te leggen met tekeningen en labels:
  • Lichtbron
  • Incident Ray
  • gebroken straal
  • concave lens
  • Bolle lens
  • Brandpunt (het is op dit punt niet nodig om de brandpuntsafstand in te voeren, of de relatie tussen brandpunt en zicht te bespreken, tenzij het naar voren komt)
  • Opmerkingen, conclusies, andere observaties
• Verdeel de leerlingen in tweetallen. Wijs paren toe aan stations.
• Stel verwachtingen in voor de tijd die op elk station wordt doorgebracht en het aantal opstellingen van de lichten en de lens waarvan u verwacht dat de leerlingen op elk station gaan meten en opnemen.
• Loop door de kamer terwijl teams aan het werk zijn om hun inspanningen te observeren. Help teams om hun apparatuur in te stellen, de afhankelijke en onafhankelijke variabelen te identificeren en hun resultaten te meten, vast te leggen en te tekenen.
• Bespreek indien van toepassing met de leerlingen hun experimentele opstelling, hun methoden om de positie van het licht te meten, de hoek van de lichtstraal die de lens binnenkomt en er doorheen gaat, en welke variabelen ze constant zullen houden wanneer ze naar het volgende station gaan. en de volgende lens.
• Als de gelegenheid zich voordoet om de inspanningen van de leerlingen te benadrukken, houd dan een klassikaal gesprek over enkele van de opmerkingen die u hebt gemaakt. Laat de leerlingen aan hun medestudenten uitleggen wat hun experimentele opzet, methoden voor het meten en vastleggen van resultaten zijn, en plannen om hun werk consistent te houden van station tot station.
• Houd de tijd in de gaten. Geef de leerlingen voldoende tijd om hun lichten minstens twee of drie keer te herschikken en te meten voordat ze naar een ander station gaan.
• Geef een "voorwaarschuwing" ongeveer 5 minuten voordat de leerlingen naar het volgende station moeten draaien. Zeg dat ze hun werk op het huidige station moeten afmaken.
• Laat de leerlingen, met nog 1-2 minuten over, het station opruimen en herstellen zoals het was toen ze het vonden (of beter). Als de tijd het toelaat, roteer dan naar een ander station. Zo niet, leg dan uit dat de leerlingen de volgende periode verder gaan waar ze gebleven waren.

Samenvatten en reflecteren

Sluit de activiteit af, moedig teams aan om hun werk te delen en trek conclusies over de resultaten.

• Bespreek en deel resultaten en conclusies klassikaal
  • Vierkant versus cirkel
  • Concave lenzen produceren een brandpunt voor de lens
  • Bolle lenzen produceren een brandpunt aan de achterkant van de lens
  • De afstand van het middelpunt van de lens tot het brandpunt wordt het brandpunt genoemd
  • lengte
  • Adreswoordenschat

ACTIVITEIT 3: MAAK JE EIGEN LENZEN - ONTWERP EN DOCUMENT (45-60 minuten)

Samengevat

Studenten gaan in gerichte verkenning en gebruiken wat ze tot nu toe hebben geleerd, om een ​​proces te documenteren voor het betrouwbaar creëren/ontwerpen van concave en convexe lenzen van verschillende afmetingen (breedtes).

Leerresultaten

Als resultaat van deze activiteit zullen de studenten in staat zijn om:

• Beschrijf, demonstreer en noteer hoe je met een cirkelvormige uitsteker zowel een holle als een bolle lens uit gelatine snijdt.
• Trek conclusies uit bewijsmateriaal over hoe het pad van licht zich gedraagt ​​wanneer een afhankelijke variabele (lensvorm, grootte, afstand tot de lichtbron) verandert.

Voorafgaand aan de activiteit introduceren, bespreken of reviewen

• Concave en convexe lenzen
• Een herhaalbaar proces documenteren? http://www.wikihow.com/Document-a-Process

Faciliteren van de activiteit

We raden je sterk aan deze lesperiode te nemen om de leerlingen een bepaalde hoeveelheid tijd (15-20 minuten) te geven om te worstelen nadat je ze de vormen hebt laten zien die ze moeten maken en ze hun materialen hebt gegeven, in plaats van de leerlingen expliciet te laten zien hoe ze maak de vormen. Als ze eenmaal hebben ontdekt hoe ze zowel een concave als een convexe lens kunnen maken, zullen ze het proces documenteren dat ze hebben gebruikt.

Deze uitdaging legt de basis voor het begrijpen van iets basaals, maar niet intuïtiefs over dit soort lenzen – dat ze zijn afgeleid van cirkels; en het meer geavanceerde begrip van de wiskunde die de eigenschappen van lenzen beschrijft, is afhankelijk van dat begrip. Deze eenvoudige hands-on activiteit geeft studenten een ervaringsgerichte, intuïtieve ervaring van de relatie tussen concave/convexe lenzen en cirkels.

• Introduceer de uitdaging voor vandaag: documenteer een proces voor het snijden van een convexe en een concave lens
  • Concaaf: 2-3 verschillende maten
  • Convex: 2-3 verschillende maten
• Geef elk paar studenten een set ronde koekjesvormpjes en een plak gelatine van ongeveer 9 "X 7".
• Geef teams van studenten 15-20 minuten de tijd om te experimenteren met het uitsnijden van lensvormen, waarbij de nadruk ligt op het documenteren van een herhaalbaar en betrouwbaar proces voor het gebruik van ronde koekjesvormers om concave en convexe lenzen te ontwerpen.
• Loop door de kamer terwijl teams aan het werk zijn om hun inspanningen te observeren. Help teams indien nodig bij het opstellen van hun uitrusting.

Samenvatten en reflecteren

• Stop de leerlingen na 15-20 minuten om een ​​klassikale discussie te houden over het werk van de leerlingen. Laat de leerlingen aan hun medestudenten uitleggen wat hun experimentele opzet is en hoe ze het proces documenteren.
• Schrijf (documenteer) klassikaal het proces op basis van de bevindingen en input van de leerlingen.

ACTIVITEIT 4: EXPERIMENT MET LENSGROOTTE (BREEDTE) (45-60 minuten)

Samengevat

Gebruikmakend van het proces dat in de laatste lesperiode is gedocumenteerd, nemen leerlingen deel aan het wetenschappelijke proces om gegevens te verzamelen en vast te leggen en een conclusie te trekken over de impact van de afhankelijke variabele (breedte van de lens) op de brandpuntsafstand. Dit is kwalitatief. De brandpuntsafstand wordt bijvoorbeeld langer of korter.

Door te begrijpen hoe de grootte (breedte) van de lens en de afstand van de lichtbron tot de lens de brandpuntsafstand beïnvloedt, kunnen leerlingen een lenzensysteem ontwerpen om het zicht te verbeteren wanneer ze de laatste uitdaging aangaan.

• Studenten zullen:
  • Design:
    • Concaaf: 2 -3 verschillende breedtes
    • Convex: 2-3 verschillende breedtes
  • Opnemen: bundelpad EN geschatte brandpuntsafstand
    • Concave lenzen: 2 -3 verschillende breedtes
    • Bolle lenzen: 2-3 verschillende breedtes
  • Concludeer de kwalitatieve relatie tussen de breedte van een lens en de brandpuntsafstand
  • Terminologie en concepten:
    • Lichtbron
    • Brandpuntsafstand - hoe beïnvloedt het veranderen van de breedte van de lens de brandpuntsafstand?

Voorafgaand aan de activiteit introduceren, bespreken of reviewen

• Het verschil tussen onafhankelijke en afhankelijke variabelen
• Welke variabelen zijn de onafhankelijke en afhankelijke variabelen in de activiteit van vandaag -
  • De breedte van de lens EN de afstand van de lichtbron tot de lens zijn de afhankelijke variabelen die het resultaat beïnvloeden: brandpuntsafstand
• De definitie van brandpuntsafstand en kort, de relatie met visie.
  • De lichtbron = het object (licht weerkaatst van het object in het oog)
  • Het licht dat het oog binnenkomt, moet zich direct op het netvlies concentreren om een ​​duidelijk beeld te krijgen.
• Als je liever meer wiskunde introduceert of in meer detail op de brandpuntsafstand ingaat, biedt Khan Academy een uitstekend overzicht voor je referentie:
  • Convex: https://www.khanacademy.org/science/physics/geometricoptics/lenses/v/convex-lenses
  • Concaaf: https://www.khanacademy.org/science/physics/geometricoptics/lenses/v/concave-lenses

Demonstreren/modelleren hoe te observeren, meten en registreren

• Hoe de geschatte brandpuntsafstand van zowel een concave als een convexe lens te bepalen?
• Wat er gebeurt met het gedrag (pad) van licht als de afhankelijke variabele (de breedte van de lens), verandert.
• Bekijk of introduceer woordenschat terwijl u demonstreert
  • incident straal
  • gebroken straal
  • concave lens
  • Bolle lens
  • Focus afstand

Faciliteren van de activiteit:

Moedig systematisch experimenteren met licht en lenzen aan

• Introduceer het doel van de activiteit voor vandaag:
  • Gegevens verzamelen en conclusies trekken over de impact van de grootte (breedte) van de lens op de brandpuntsafstand
  • Gegevens verzamelen en conclusies trekken over de impact van de afstand van de lichtbron tot de lens op de brandpuntsafstand
• Geef elk tweetal leerlingen een set materialen:
  • Set ronde koekjes uitstekers
  • 9 "X 13" plak gelatine
  • Set van drie Light Blox
• Geef leerlingen instructies om
  • Ontwerp 3 bolle lenzen met verschillende breedtes
  • Meet en noteer de breedte van elke lens en de bijbehorende brandpuntsafstand
• Geef leerlingen instructies om
  • Ontwerp 3 holle lenzen met verschillende breedtes
  • Meet en noteer de breedte van elke lens en de bijbehorende brandpuntsafstand
• Geef leerlingen instructies om
  • Meet en registreer hoe de brandpuntsafstand verandert als de afstand tussen de lichtbron en de lens verandert.
• Zodra de teams hun metingen en waarnemingen hebben geregistreerd, wordt de activiteit beëindigd.
• Geef leerlingen de tijd om hun werk af te ronden en vul zo nodig gegevenstabellen en tekeningen in.
• Maak tijd vrij om op te ruimen.

Samenvatting en reflectie

Vraag teams om hun resultaten te delen. Houd een klassikaal gesprek waarin teams/individuen uitleggen wat ze hebben gedaan, wat ze hebben waargenomen en wat ze van de resultaten vinden. Afhankelijk van je aanpak wil je misschien een van de verschillende actieve leerstrategieën gebruiken of vrijwilligers uitnodigen om voor de klas te tekenen of hun werk te demonstreren.

• Vergelijk met behulp van leerlingresultaten, inclusief tekeningen en gegevenstabellen, het verschil tussen het passeren van een lamp door elk type lens.
• Bespreek klassikaal vragen als:
  • Wat gebeurt er met de brandpuntsafstand als de breedte van de lens groter of kleiner wordt?
  • Is het hetzelfde voor concaaf als voor convex?
  • Verschillen de resultaten met de afstand van het licht tot de lens?
  • Wat heb je geleerd over bolle en holle lenzen die je zullen helpen bij de laatste uitdaging?
• Bespreek klassikaal de resultaten van het experiment. Vragen die moeten worden beantwoord, omvatten, maar zijn niet beperkt tot:
  • Hoe verandert het brandpunt als de lens kleiner/groter wordt?
  • Welk bewijs ondersteunt deze conclusies?
  • Hoe verschillen de resultaten tussen concave en convexe lenzen?
  • Hoe helpt het begrijpen van de relatie tussen lensvorm en -grootte en brandpunt bij de laatste uitdaging van het ontwerpen van een lenssysteem om het zicht te verbeteren?
  • Als leerlingen een voorspelling deden over het brandpunt en de lensgrootte, hoe verhield hun voorspelling zich dan tot de resultaten? Waren de resultaten verrassend?
  • In de laatste activiteit word je uitgedaagd om een ​​lenzensysteem te maken dat is ontworpen om het zicht te verbeteren. Wat heb je geleerd over lenzen en brandpunt dat je zal helpen de uitdaging aan te gaan?
  • Denk aan de beelden van het oog (normaal, dichtbij en verziend). Op welk deel van het diagram zou je het licht willen laten focussen?

ACTIVITEIT 5: EXPERIMENT MET 2 LENSSYSTEMEN (45-60 minuten)

Samengevat

Als laatste activiteit ter voorbereiding op de Design Challenge onderzoeken de leerlingen het gedrag van licht als het door verschillende combinaties van lensparen gaat. In de laatste uitdaging ontvangen studenten een diagram van het oog van een patiënt. Eén lens in het systeem vertegenwoordigt de lens die in het oog wordt aangetroffen. Studenten moeten een of meer gelatinelenzen ontwerpen om het gezichtsvermogen van hun patiënt te corrigeren of te verbeteren. De combinatie van lenzen en hun uitlijning moeten het licht op het netvlies concentreren in het diagram van het oog van de patiënt.

Vul EERST het laatste deel van de KWL-kaart in.

Leerresultaten

Als resultaat van deze les kunnen de leerlingen:

• Beschrijf, demonstreer en registreer de impact van een systeem van twee lenzen op de lichtweg en de brandpuntsafstand
  • 2 bolle lenzen
  • 2 holle lenzen
  • 1 concave en 1 convexe lens
• Beschrijf de rol van lenzen in verschillende instrumenten die worden gebruikt om het zicht te verbeteren of beelden scherp te stellen
  • camera
  • Telescoop
  • Microscoop
  • Vergrootglas
• Beschrijf de rol van lenzen in het menselijk zicht
  • Het menselijk oog bevat een bolle lens
  • Helder menselijk zicht is afhankelijk van het vermogen om licht specifiek op het netvlies te focussen
  • Bijziendheid en verziendheid als veelvoorkomende problemen met het gezichtsvermogen
• Voorspel hoe verschillende lenzen het menselijk zicht kunnen verbeteren wanneer bijziendheid of verziendheid aanwezig is.

Optionele wiskunde

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

Creëer de basis voor het experimenteren met meerdere lenzen.

Maak klassikaal een lijst van verschillende instrumenten die twee of meer lenzen gebruiken. Als leerlingen suggereren dat het oog in combinatie met een bril een lenssysteem is, leg dan uit dat ze in de laatste les specifiek op deze combinatie ingaan. Voor nu focus op instrumenten zoals telescopen, microscopen en verrekijkers.

Vraag de leerlingen uit te leggen hoe zij denken dat de verschillende instrumenten werken en wat de relatie is tussen de lenzen en de lenzen en licht.

Leg uit dat leerlingen in deze activiteit combinaties van lenzen op het gedrag van licht zullen onderzoeken. Leg uit dat ze een lichtstraal door twee lenzen zullen laten gaan om de resultaten te observeren en vast te leggen.

Bespreek klassikaal de vele variabelen in het experiment, welke u kunt veranderen en welke u hetzelfde kunt houden. Sommige variabelen die studenten moeten herkennen, zijn onder meer:

• Afstand tussen lenzen
• Combinatie van lenstypes om lenzenparen te maken
• Positie en afstand van lichtbron tot lenzen

Faciliteren van de activiteit

Leg uit dat de leerlingen bij deze activiteit zorgvuldig hun werk moeten bijhouden. Laat alle teams, afhankelijk van de beschikbare tijd, met alle combinaties van lenzen werken of verdeel de klas in "expertgroepen" en wijs hen de verantwoordelijkheid toe om terug te rapporteren aan de klas over het systeem dat ze hebben verkend.

Teams moeten experimenteren met alle of enkele van de volgende lenscombinaties:

• Bol + Bol
• Concaaf + Concaaf
• Convex + Concaaf
• Vul EERST het laatste deel van de KWL-kaart in
• Laat de leerlingen hun experiment plannen, hun opstelling tekenen en een gegevenstabel maken waarin de resultaten kunnen worden vastgelegd. U kunt ook de opstelling van de uitrusting op het bord tekenen en een gegevenstabel uitdelen aan elk team.
• Zodra teams een geschikt plan voor hun experimenten demonstreren, geef je ze gelatine en gereedschap.
• Zorg ervoor dat de leerlingen het effect van lenscombinaties EN het effect van het veranderen van de afstand tussen lenzen onderzoeken.
• Vestig de aandacht op de effecten van verschillende lenscombinaties op het gedrag van licht.
• Vestig de aandacht op de effecten van het veranderen van de afstand tussen lenzen op het gedrag van licht.
• Loop door de kamer om de leerlingen te observeren. Betrek teams waar nodig bij een bespreking van hun experimentele procedures, metingen, observaties en resultaten. Help hen om hun methoden te verbinden met hun resultaten.
• (Optioneel) Laat de leerlingen 'straaldiagrammen' maken voor lenzen zoals hier getoond.

Samenvatting en reflectie

Sluit de experimenten af ​​die studenten hebben uitgevoerd. Bekijk klassikaal het gedrag van licht terwijl het door verschillende lenzenparen gaat en het effect van het veranderen van de afstand tussen lenzenparen.

• Geef de leerlingen indien nodig de tijd om het werk van de vorige stap in de les te bekijken en af ​​te ronden voordat ze presenteren.
• Laat teams hun resultaten delen. Moedig de leerlingen aan om naar tekeningen en gegevens te verwijzen om hun observaties en conclusies uit te leggen.
• Bespreek klassikaal vragen als:
  • Wat gebeurt er met het brandpunt als je de ene lens dichter bij of verder van de andere plaatst? Hangt het af van welke combinatie van lenzen je gebruikt?
  • Wat gebeurt er met het brandpunt van twee bolle lenzen?
  • Wat gebeurt er met het brandpunt van twee holle lenzen?
  • Wat gebeurt er met verschillende combinaties van verschillende lenzen?
  • Hoe is het werken met twee (of meer) lenzen van toepassing op de laatste uitdaging van het ontwerpen van een lenzensysteem om het zicht van een patiënt te verbeteren?
  • Welke combinaties van lenzen zullen volgens u het zicht van een bijziende patiënt verbeteren?
  • Welke combinatie van lenzen denkt u dat het zicht van een verziende patiënt zal verbeteren?

OPTIONELE

• Experimenteer met extra combinaties van lenzen.
• Onderzoek ontwerpen van verschillende instrumenten die lenzen gebruiken zoals telescopen, lasers, microscopen en verrekijkers.

De uitdaging: ontwerp een systeem met 2 lenzen om een ​​zichtprobleem te corrigeren (45-60 min)

Samengevat

Deze activiteit is erop gericht studenten door een proces te leiden om een ​​lenssysteem te creëren dat een zichtprobleem corrigeert. Het doel van de activiteitenles is niet om de perfecte lens te ontwerpen, maar om te begrijpen wat er komt kijken bij het oplossen van een probleem met het engineeringproces. Geef voldoende tijd en een aantal gestructureerde grenzen om ontdekking mogelijk te maken om verkenning te motiveren!

Voorkennis en vaardigheden

• Licht reist in een rechte lijn totdat het een object raakt of van het ene medium naar het andere gaat
• Alles wat we zien is het resultaat van licht dat onze ogen binnenkomt; het meeste van dat licht wordt gereflecteerd
• Wanneer licht van het ene medium naar het andere gaat (dwz: door een lens), wordt het licht gebogen of gebroken
• De vorm en het materiaal van de lens beïnvloeden hoe het licht buigt
• Het oog bevat een lens die het licht op het netvlies focust. Helder zicht hangt af van het vermogen van de ooglens om het licht dat het oog binnenkomt te buigen, zodat het beeld zich specifiek op het netvlies vormt

Faciliteren van de activiteit:

• Bekijk en verwijs naar het KWL-diagram van studenten
• Deel een set Light Blox uit met de spleetdoppen AAN en twee gevormde gelatinelenzen (een convex en een concaaf) aan elke groep van 3 studenten.
• Laat de leerlingen zien hoe ze de lichten aanzetten en geef ze 3-5 minuten om te ontdekken hoe het licht door de lenzen beweegt.
• Deel de sjabloon uit van een oog met "normaal" zicht. Laat de leerlingen de gevormde bolle lens "in" het oog plaatsen om te zien dat het licht een brandpunt op het netvlies bereikt. Duidelijk zien hangt af van het brandpunt dat op een specifieke plaats in het oog landt, een netvlies genaamd.
• Laat de leerlingen vervolgens de gevormde bolle lens op de sjabloon plaatsen van een hyperopisch oog dat oogcorrectie nodig heeft omdat het licht op de verkeerde plek terechtkomt. Let op waar het brandpunt is. Dit zorgt niet voor een goed zicht!
• Vraag hen om het probleem te definiëren en een oplossing te speculeren ... Wat zou het brandpunt naar een andere locatie kunnen "verplaatsen". Geef de leerlingen op dit punt wat tijd met zowel de concave als de convexe lenzen samen, zodat ze kunnen ontdekken dat de concave lens het brandpunt verplaatst.
• Geef vervolgens elke groep een vierkant (~ 4 "X 8") van voorbereide, dubbele sterkte gewone gelatine en 3 ronde koekjesvormers van verschillende diameters.
• Leg uit dat ze met deze gelatine een TWEEDE lens zullen maken om het zichtprobleem te corrigeren. De materialen en gereedschappen die voor hen beschikbaar zijn, zijn de gelatine, mes en koekjes uitstekers!
• Vraag de leerlingen eerst om te oefenen met het maken van holle en bolle lenzen met hun koekjesvormpjes en gelatine.
• Vraag de leerlingen vervolgens om lenzen te maken met behulp van koekjesvormpjes, het plastic mes en gelatine, die de zichtproblemen zullen corrigeren die op de sjablonen zijn gedemonstreerd.
• Terwijl studenten hun lensontwerp maken, testen en verbeteren, houden ze zich bezig met de essentie van het technische proces met behulp van lenzen en licht.

Het doel is om studenten te laten begrijpen dat licht kan worden gemanipuleerd met lenzen - en dat ze door dit te doen problemen kunnen oplossen. Het zal een uitdaging zijn om de lens precies goed te krijgen. Voor meer gevorderde studenten kun je brandpuntsafstand, kromtestraal en brekingsindex introduceren als wiskundige methoden om oplossingen te creëren in plaats van de "trial and error"-benadering die ze gebruiken.

Voor oudere leerlingen kan de les in slechts 1 lesperiode worden gedaan. Om studenten echter te helpen zich gehaast te voelen en om studentensucces te garanderen (vooral voor jongere studenten), splitst u de les in twee perioden, zodat de studenten meer tijd hebben om te brainstormen, ideeën te testen en hun ontwerp af te ronden. Voer de testen en debriefing uit in de volgende lesperiode.

Oog diagrammen

Internetverbindingen

• https://www.bbc.co.uk

Schrijfactiviteit

Welke andere toepassingen hebben lenzen in onze wereld?

Afstemming op leerplankaders

Opmerking: Alle lesplannen in deze serie zijn afgestemd op de Computer Science Teachers Association K-12 Computer Science Standards, de US Common Core State Standards for Mathematics en, indien van toepassing, ook op de Principles and Standards for School Mathematics van de National Council of Teachers of Mathematics, de International Technology Education Association's Standards for Technological Literacy, en de US National Science Education Standards die zijn opgesteld door de National Research Council.

Disciplinaire kernideeën 

∙PS4.B: elektromagnetische straling

o Het pad van licht kan worden gevolgd als rechte lijnen, behalve op oppervlakken tussen verschillende transparante materialen (bijv. lucht en water, lucht en glas) waar het lichtpad tussen media buigt. (MS-PS4-2)

∙ ETS1.A: Technische problemen definiëren en afbakenen

o Hoe nauwkeuriger de criteria en beperkingen van een ontwerptaak ​​kunnen worden gedefinieerd, hoe groter de kans dat de ontworpen oplossing succesvol zal zijn. Specificatie van beperkingen omvat het in overweging nemen van wetenschappelijke principes en andere relevante kennis die mogelijke oplossingen waarschijnlijk zullen beperken (MS-ETS1-1)

∙ ETS1.B: Mogelijke oplossingen ontwikkelen

o Een oplossing moet worden getest en vervolgens op basis van de testresultaten worden aangepast om deze te verbeteren. MS-ETS-4)

Wetenschaps- en ingenieurspraktijken 

∙ Definieer een ontwerpprobleem dat kan worden opgelost door de ontwikkeling van een object, hulpmiddel, proces of systeem en dat meerdere criteria en beperkingen omvat, waaronder wetenschappelijke kennis die mogelijke oplossingen kan beperken. (MS-ETS1-1)

∙ Een model ontwikkelen en gebruiken om fenomenen te beschrijven (MS-PS4-2)

∙ Gegevens analyseren en interpreteren om overeenkomsten en verschillen in bevindingen vast te stellen. (MS ETS1-3)

Grensoverschrijdende concepten

∙Structuur en functie

o Structuren kunnen worden ontworpen om bepaalde functies te vervullen door rekening te houden met de eigenschappen van verschillende materialen en hoe materialen kunnen worden gevormd en gebruikt (MS PSR-2)

o Structuren kunnen worden ontworpen om bepaalde functies te vervullen

Leerlingenwerkblad #1:KWL-diagram

Naam leerling Datum

Verpleegkundigen, artsen en ingenieurs werken samen om brillen en andere hulpmiddelen te ontwerpen en te bouwen die het gezichtsvermogen verbeteren. In deze uitdaging ontwerp je een lenzensysteem om het zicht van een patiënt te verbeteren.

Wat moet u weten over het menselijk oog en lenzen om iemands zicht te helpen verbeteren?

Gebruik de onderstaande grafische organizer van KWL om op te sommen wat je weet, wilt weten en hebt geleerd om een ​​bril te ontwerpen om iemands zicht te verbeteren

Leerlingenwerkblad 2: Materialen en experimentele opzet

Naam leerling Datum

Om de ontwerpuitdaging aan het einde van deze unit te voltooien, moet je niet weten hoe je gelatine en lichten moet oriënteren om het pad van het licht te observeren terwijl het van de lichtbron door een stuk gelatine gaat

Beschrijf en documenteer met behulp van woorden en/of tekeningen het pad van het licht terwijl het door gelatine gaat: o Met gelatine plat op tafel gelegd o Met gelatine NIET plat op tafel gelegd

• 1 straal met Light Blox op zijn bredere kant
• 1 straal met Light Blox op de smallere kant
• 3 stralen tegelijk

Leerlingenwerkblad 3: Raytracing

Leg met behulp van woorden en tekeningen het pad vast van een enkele lichtstraal terwijl deze van de lichtbron door de ene kant van een lens naar de andere kant van een stuk gelatine gaat; en conclusies trekken over hoe licht door een stuk gelatine reist met a

• Vlak/recht oppervlak
• Gebogen oppervlak
• Beschrijf, demonstreer en registreer het pad van licht terwijl het door zowel een convexe als concave lens gaat (met behulp van 3 lampen)
• Identificeer en definieer: concave lens, convexe lens invallende straal, gebroken straal

  Leerlingenwerkblad 4: Oogsjabloon