Oko na optykę

Zestawy

• Zestawy zawierające materiały do ​​ćwiczeń można znaleźć pod adresem: https://laserclassroom.com/product/eyes-on-optics-kit-a-gelatin-optics-engineering-project/

Wprowadzenie

• Arkusz roboczy ucznia 1: Wykres KWL – ZAPISZ do ponownego wykorzystania w ćwiczeniu 5
• Normalne, nadwzroczność i krótkowzroczność diagramy/rozdanie rąk
• Para okularów

Aktywność 1

• Arkusz roboczy ucznia nr 2: Materiały i konfiguracja eksperymentalna
• Przygotowane płyty żelatynowe (patrz przepis poniżej)
• Zestaw Light Boksa (https://laserclassroom.com/light-blox/) LUB Blox laserowy (https://laserclassroom.com/laser-blox/)
• Zestaw okrągłych foremek do ciastek
• Plastikowy nóż

Aktywność 2

• Karta pracy ucznia nr 3: Śledzenie promieni
• Gotowe kształty żelatynowe
  • Formowane soczewki wypukłe
  • Formowane soczewki wklęsłe
  • Kwadrat żelatyny (~ 3” X 3”)
  • Koło żelatyny (średnica ~3”)
• Zestaw Light Boksa (https://laserclassroom.com/light-blox/) LUB Blox laserowy (https://laserclassroom.com/laser-blox/)

Aktywność 3

• 1 przygotowana płyta żelatynowa na zespół
• 1 zestaw okrągłych foremek do ciastek na zespół
• 1 plastikowy nóż na drużynę

Aktywność 4

• 1 przygotowana płyta żelatynowa na zespół
• 1 zestaw okrągłych foremek do ciastek na zespół
• 1 plastikowy nóż na drużynę

Aktywność 5

• Arkusz pracy ucznia nr 1
• 1 przygotowana płyta żelatynowa na zespół
• 1 zestaw okrągłych foremek do ciastek na zespół
• 1 plastikowy nóż na drużynę

Aktywność 6

• 1 przygotowana płyta żelatynowa na zespół
• 1 zestaw okrągłych foremek do ciastek na zespół
• 1 plastikowy nóż na drużynę
• Szablon oczu
• Wykres KWL w celach informacyjnych

Wyzwanie projektowe

• Zestaw Light Blox
• Zestaw soczewek odlewanych – jedna wklęsła i jedna wypukła
• Płyta żelatyny
• Plastikowy nóż
• Foremki do ciasteczek
• Szablon oczu
• Ukończono wykres KWL z arkusza roboczego nr 1

Przepis żelatyny:

• Poniższy przepis zapewnia wystarczającą ilość żelu na około sześć dużych krążków:
  • 4 szklanki wody
  • 8 kopert Knox Original Gelatin
  • 1 pojemnik o wymiarach 9” x 7” x 2”
  • Zagotować wodę. Wymieszaj 4 szklanki wrzącej wody z 8 kopertami (lub proporcją wody do żelatyny 1:2) Knox Original Gelatin.
• W ćwiczeniu nr 2 wlej mieszaninę do tac na formy soczewek.
• W przypadku wszystkich innych czynności wlej mieszaninę do pojemnika tak, aby głębokość płynu wynosiła co najmniej 0.75 cala. Żelatynę wstawić na noc do lodówki do zestalenia.

Materiały

• Różnorodność czystych, suchych materiałów nadających się do recyklingu (tworzywa sztuczne, szkło, puszki metalowe/aluminiowe i papier) w dużym pojemniku lub pudełku do recyklingu
• Długi stół lub kilka krótkich stołów ustawionych razem

Przetwarzanie

Umieść projekt na długim stole (lub kilku krótkich stołach umieszczonych razem), dodaj do projektu materiały nadające się do recyklingu i udokumentuj, jak dobrze każdy projekt sortuje materiały nadające się do recyklingu do oddzielnych pojemników.

Wyzwanie projektowe

Jesteś częścią zespołu inżynierów, którym postawiono wyzwanie zaprojektowania systemu soczewek poprawiających wzrok pacjenta. Wykonasz 6 ćwiczeń, aby poznać optykę soczewek i ludzkie oko.

kryteria

• Zaprojektuj i naszkicuj system poprawiający wzrok pacjenta.

ograniczenia

• Używaj tylko dostarczonych materiałów.

Lekcja wymaga sześciu 45-60 minutowych lekcji

PRZEDSTAWIAMY WYZWANIE

Podsumowanie
Ta lekcja kończy się wyzwaniem projektowym, otwartym projektem, który zachęca uczniów do zadawania pytań, podejmowania inicjatywy i kreatywnego myślenia. Wyzwania inżynieryjne i projektowe zapewniają kontekst i znaczenie dla zastosowania procesu naukowego, rozwijania wiedzy i umiejętności technicznych oraz sukcesu we współczesnym społeczeństwie.

Aby wprowadzić to wyzwanie projektowe, uczniowie mają za zadanie zaprojektować system soczewek poprawiających wzrok pacjenta, studenci identyfikują, co wiedzą i potrzebują na temat optyki soczewek i ludzkiego oka, aby sprostać wyzwaniu.

Umiejętności i wiedza w tle

• Droga światła od źródła (lub obiektu) do oczu (działanie opcjonalne: Jaskinia klasy)
• Ścieżka światła do ludzkiego oka: siatkówka i ognisko
• Aktywność opcjonalna – Eksperymentuj z własną wizją

Skonfiguruj Aktywność

Podziel uczniów na 2 lub 3 osobowe zespoły. Przygotuj grunt pod burzę mózgów na temat budowy i funkcji soczewek oraz ludzkiego oka.

Trzymaj okulary.

Poproś uczniów, aby wyjaśnili, w jaki sposób okulary poprawiają widzenie. Pozwól uczniom naszkicować swoje projekty, jeśli pomoże im to pełniej wyrazić siebie.

Wyjaśnij klasie, że ta lekcja kończy się wyzwaniem projektowym. Wyjaśnij, że zespoły uczniów zaprojektują system soczewek poprawiający widzenie pacjenta. Wyjaśnij, że otrzymają model oka pacjenta i będą mieli za zadanie zaprojektować zestaw soczewek poprawiających widzenie pacjenta.

Wyjaśnij, że zespoły będą musiały wyjaśnić swoje decyzje projektowe na podstawie danych zebranych podczas projektowania i testowania soczewek.

Przeprowadź dyskusję klasową – zapytaj uczniów:

• Jak działają okulary?
• Jak okulary łączą się z okiem, aby poprawić widzenie?
• Czy mają różne rodzaje okularów? Jeśli tak, to czym się różnią i dlaczego?
• Jak myślisz, jak lekarze dowiadują się, jaki rodzaj soczewek poprawi widzenie?

Ułatwienie lekcji

Wyświetlaj na ekranie obrazy oka normalnego, nadwzrocznego i krótkowzrocznego i/lub rozpowszechniaj materiały informacyjne wśród zespołów z tymi obrazami.

Podczas zajęć przeanalizujcie i omówcie różnice między obrazami. Pomóż uczniom zrozumieć i zanotuj następujące kwestie:

• Zidentyfikuj i zrozum podstawowe funkcje struktur oka pokazane na rysunku
• Soczewka oka jest w całym tekście identyczna
• Odległość od soczewki do siatkówki różni się w zależności od oka
• Siatkówka znajduje się w tym samym miejscu dla wszystkich oczu
• Kształt każdego oka jako całości jest inny

Rozdaj uczniom wyzwanie scenariusza i Arkusz Ucznia nr 1, wykres KWL. Przeczytajcie i przejrzyjcie scenariusz jako klasa. Pozwól uczniom wypełnić KWL w parach.

Podsumowanie i refleksja

Jako klasa przejrzyj scenariusz i poproś wolontariuszy, aby podzielili się z ich organizatorami grafiki KWL i oceń zrozumienie przez uczniów Wyzwania Projektowego.

Zadawaj uczniom pytania, takie jak:

• Jak własnymi słowami opisałbyś wyzwanie projektowe, które zostało Ci postawione?
• Jak myślisz, co musisz wiedzieć, aby zaprojektować system soczewek poprawiających widzenie?
• Co już rozumiesz o ludzkim oku i wzroku, co pomoże Ci sprostać temu wyzwaniu?
• Co już wiesz o naturze soczewek, które pomogą Ci sprostać temu wyzwaniu?
• Jak myślisz, czego musisz się nauczyć, aby sprostać wyzwaniu projektowemu?

ĆWICZENIE 1: ODKRYWAJ ŚWIATŁEM I ŻELATYNĄ (45-60 minut)

Podsumowanie

Celem tego ćwiczenia jest znalezienie i udokumentowanie najskuteczniejszego sposobu obserwowania i rejestrowania ścieżki światła, gdy opuszcza ono źródło światła i przechodzi przez żelatynę, a następnie wychodzi z niej.

Uczniowie będą mieli otwartą możliwość odkrywania i pracy z materiałami, dokonywania i dzielenia się obserwacjami oraz budowania fundamentalnego zrozumienia związku między kształtami żelatyny a światłem. Ta otwarta eksploracja zachęca do kreatywności i rozwiązywania problemów przydatnych do sprostania ostatecznemu wyzwaniu, jakim jest zaprojektowanie systemu soczewek poprawiającego widzenie.

Wyniki nauki

W wyniku tej aktywności uczniowie będą mogli:

• Zorientuj żelatynę i światła, aby obserwować ścieżkę światła przechodzącą ze źródła światła przez kawałek żelatyny
• Opisz i udokumentuj ścieżkę światła przechodzącego przez żelatynę

o Z żelatyną ułożoną płasko na stole

o Żelatyna NIE leży płasko na stole

o 1 wiązka z Light Blox umieszczonym po szerszej stronie

o 1 wiązka z Light Bloxem po węższej stronie

o 3 wiązki na raz

Wcześniejsza wiedza i umiejętności

Przed rozpoczęciem Ćwiczenia 1:

• Uczniowie powinni rozumieć Wyzwanie Projektowe na końcu tej lekcji. Zobacz sekcję „Przedstawiamy wyzwanie” powyżej.
• Przedstaw nadrzędny cel ćwiczenia eksploracyjnego: znalezienie i udokumentowanie najskuteczniejszego sposobu obserwowania i rejestrowania ścieżki światła, gdy opuszcza ono źródło światła i przechodzi przez żelatynę, a następnie wychodzi z niej.

Zademonstruj/modeluj, jak mierzyć i rejestrować:

• Pokaż uczniom zestaw materiałów i zademonstruj, jak używać foremek do ciastek i plastikowego noża do tworzenia kawałków żelatyny o różnych kształtach.
• Pokaż uczniom, jak manipulować kształtami tak, aby świeciły światłem przez każdą powierzchnię.
• Pokaż uczniom dwa różne sposoby orientacji świateł przechodzących przez żelatynę.

Ułatwienie działalności

Zachęcaj do kreatywności, eksploracji i dokumentacji

• Eksploracja modeli i eksperymentowanie z materiałami
• Rozdaj uczniowi kartę pracy nr 2 i wymodeluj sposób zapisywania obserwacji
• Zademonstruj, jak dokumentować:
  • Wielkość i kształt kawałka żelatyny
  • Orientacja żelatyny i światła (świateł)
  • Cała ścieżka wiązki światła zaczyna się, gdy opuszcza Light Blox, gdy przechodzi przez żelatynę, a następnie wychodzi z niej
  • Twórz zespoły i dystrybuuj zasoby. Upewnij się, że każdy zespół ma dostęp do „płytki żelatyny” do cięcia, foremek do ciastek, plastikowego noża, Light Blox (lub innego źródła światła), kartki papieru i materiałów do nagrywania.
• Przygaś światła, jeśli jest to bezpieczne i możliwe
• Krąż w klasie, aby obserwować zespoły, jak uczniowie przygotowują i organizują swój sprzęt.
• Krążyć po sali, obserwując pracę uczniów. Podczas pracy zespołów obserwuj ich wysiłki, aby rozświetlić Light Blox przez żelatynę, pomóż osobom lub zespołom, które zmagają się z zarządzaniem sprzętem i jego konfiguracją.
• W razie potrzeby zaangażuj uczniów w dyskusję na temat ich działań. Zadawaj uczniom otwarte pytania dotyczące ich wysiłku w układaniu sprzętu, wycinaniu kształtów, orientowaniu świateł, rejestrowaniu tego, co obserwują i jak mają sens w swoich obserwacjach.
• W razie potrzeby zatrzymaj zajęcia, aby podzielić się pracą jednego lub więcej zespołów z innymi zespołami. Użyj takich przerw, aby podkreślić pozytywne przykłady eksploracji, w tym między innymi: kreatywne projektowanie, metody wyrównania świateł, żelatyny i ekranu, prowadzenie dokumentacji i praca zespołowa.

Przez cały okres przypominaj uczniom, aby prowadzili szczegółowe zapisy swojej pracy, do których będą się odnosić w dalszej dyskusji.

Podsumuj i zastanów się

Zamknij działanie, zachęć zespoły do ​​dzielenia się swoją pracą i wyciągaj wnioski z wyników.

• W klasie omów wyniki uczniów
  • Jak najlepiej zorientować żelatynę i światła, aby obserwować drogę światła przechodzącego przez żelatynę?
  • Jak kształt żelatyny wpływa na ścieżkę światła przechodzącego przez żelatynę?
  • Przypomnijmy, że w przyszłości zaprojektujesz system soczewek poprawiających widzenie człowieka. Co zrobiłeś i czego nauczyłeś się dzisiaj, co odnosi się do tego wyzwania?
  • Uzgodnijcie w klasie procedurę śledzenia ścieżki światła, gdy opuszcza ono źródło światła, przechodzi przez żelatynę, a następnie wychodzi poza żelatynę.

Co się dzieje? Definicja załamania i odniesienie do dodatkowych informacji. Opcjonalnie: aktywność refrakcji kinestetycznej http://laserclassroom.com/products/kinesthetic-model-refraction/

ĆWICZENIE 2: EKSPERYMENTUJ Z KSZTAŁTEM SOCZEWEK (45-60 minut)

Podsumowanie

Uczniowie wykorzystują proces naukowy, aby odkryć jakościowy związek między światłem a kształtem (wklęsłym, wypukłym, kwadratowym, okrągłym) soczewki.

Wyniki nauki

W wyniku tego ćwiczenia uczniowie będą mogli nagrać ścieżkę pojedynczej wiązki światła przechodzącej od źródła światła przez jedną stronę soczewki na drugą stronę kawałka żelatyny; i wyciągnij wnioski o tym, jak światło przechodzi przez kawałek żelatyny z

• Płaska/prosta powierzchnia
• Krzywa powierzchnia
• Opisz, zademonstruj i zapisz ścieżkę światła przechodzącą przez soczewkę wypukłą i wklęsłą (za pomocą 3 świateł)
• Zidentyfikuj i zdefiniuj: soczewkę wklęsłą, promień padający soczewki wypukłej, promień załamany

Wcześniejsza wiedza i umiejętności

Przegląd na początku ćwiczenia:

• Jak zorientować żelatynę i światła (z poprzedniej czynności)
• Jak zarejestrować ścieżkę światła przechodzącego przez żelatynę (z poprzedniej czynności)

Przygotuj się do działania

Ustaw 4 stacje

• 3 Light Blox i krąg żelatyny
• 3 Light Blox i kwadrat żelatyny
• 3 światła i formowana soczewka wypukła
• 3 światła i formowana soczewka wklęsła

Przed rozpoczęciem eksperymentu: Wyjaśnij proces naukowy

• Zachęcaj do systematycznego studiowania światła i soczewek. Na każdej stacji uczniowie dokumentują swoje obserwacje rysunkiem wraz z odpowiednimi etykietami (promienie padające i załamane, soczewka wklęsła lub wypukła)
• Różnica między zmiennymi niezależnymi i zależnymi
• Które zmienne są zmiennymi niezależnymi i zależnymi na każdej stacji?
• Zmienną zależną jest kształt soczewki – wklęsły lub wypukły
• Dodatkowe kroki w procesie naukowym, których oczekujesz od uczniów, od sformułowania hipotezy do wyciągnięcia wniosków.
• PROCES NAUKOWY: https://nces.ed.gov/nceskids/help/user_guide/graph/variables.asp

Zademonstruj/modeluj, jak mierzyć i rejestrować:

• Położenie i odległość od źródeł światła do obiektywu
• Zmienia się to, co dzieje się ze ścieżką światła jako zmienną zależną (kształt soczewki).
• Zachowanie światła podczas przechodzenia przez soczewkę
• Przejrzyj słownictwo, jak zademonstrujesz
  • Promień incydentu
  • Załamany promień
  • Soczewka wklęsła
  • Wypukła soczewka
  • Punkt centralny

Ułatw aktywność

• Rozdaj arkusz uczniowski nr 3
• Wyjaśnij, że w tym ćwiczeniu uczniowie wykorzystają proces naukowy do przeprowadzenia bardziej zorganizowanych i konkretnych analiz wpływu różnych typów soczewek na zachowanie światła. Wyjaśnij uczniom, że będą przechodzić przez cztery stacje.
• Wyjaśnij, że na każdym stanowisku będą przepuszczać światło przez jeden rodzaj soczewek i rejestrują zachowanie wiązek światła podczas przechodzenia przez soczewki.
• Poinstruuj uczniów, aby obserwowali i zapisywali za pomocą rysunków i etykiet swoje obserwacje na każdej stacji:
  • Źródło światła
  • Incydent Ray
  • Załamany promień
  • Soczewka wklęsła
  • Wypukła soczewka
  • Ognisko (nie ma potrzeby wprowadzania ogniskowej w tym momencie ani omawiania związku między ogniskiem a wizją, chyba że się pojawi)
  • Notatki, wnioski, inne spostrzeżenia
• Podziel uczniów na pary. Przypisz pary do stacji.
• Ustal oczekiwania dotyczące czasu spędzonego na każdym stanowisku oraz liczby rozmieszczeń świateł i obiektywu, które uczniowie mają mierzyć i rejestrować na każdym stanowisku.
• Krążyć po pokoju, gdy zespoły pracują nad obserwacją ich wysiłków. Pomóż zespołom skonfigurować sprzęt, zidentyfikować zmienne zależne i niezależne oraz mierzyć, rejestrować i rysować wyniki.
• W razie potrzeby przedyskutuj z uczniami ich konfigurację eksperymentalną, metody pomiaru położenia światła, kąta wpadania i przechodzenia wiązki światła przez soczewkę oraz tego, które zmienne będą utrzymywać na stałym poziomie po przejściu do następnej stacji. i następny obiektyw.
• Jeśli pojawi się okazja do podkreślenia wysiłków uczniów, zorganizuj dyskusję w klasie na temat niektórych spostrzeżeń, które poczyniłeś. Poproś uczniów, aby wyjaśnili swoim kolegom konfigurację eksperymentalną, metody pomiaru i rejestrowania wyników oraz plany, aby ich praca była spójna na każdym stanowisku.
• Miej oko na czas. Daj uczniom wystarczająco dużo czasu na przestawienie i zmierzenie światła co najmniej dwa lub trzy razy przed przejściem do innej stacji.
• Daj „ostrzeżenie wstępne” około 5 minut przed przejściem uczniów do następnej stacji. Powiedz im, aby dokończyli pracę na aktualnej stacji.
• Po 1-2 minutach poproś uczniów, aby posprzątali i przywrócili stację do stanu, w jakim ją znaleźli (lub lepiej). Jeśli czas pozwoli, przesuń się do innej stacji. Jeśli nie, wyjaśnij uczniom, w którym miejscu zakończyli kolejny okres.

Podsumuj i zastanów się

Zamknij działanie, zachęć zespoły do ​​dzielenia się swoją pracą i wyciągaj wnioski z wyników.

• Omów i podziel się wynikami i wnioskami jako klasa
  • Kwadrat a okrąg
  • Soczewki wklęsłe tworzą ognisko przed soczewką
  • Soczewki wypukłe tworzą ognisko z tyłu soczewki
  • Odległość od środka soczewki do ogniska nazywa się ogniskową
  • długość
  • Słownictwo adresowe

ĆWICZENIE 3: STWÓRZ WŁASNE SOCZEWKI – PROJEKT I DOKUMENT (45-60 minut)

Podsumowanie

Uczniowie angażują się w ukierunkowaną eksplorację i wykorzystują to, czego się do tej pory nauczyli, aby udokumentować proces tworzenia/projektowania soczewek wklęsłych i wypukłych o różnych rozmiarach (szerokościach).

Wyniki nauki

W wyniku tej aktywności uczniowie będą mogli:

• Opisz, zademonstruj i zapisz, jak wyciąć zarówno soczewkę wklęsłą, jak i wypukłą z żelatyny za pomocą okrągłego obcinaka do ciastek.
• Wyciągnij wnioski z dowodów na to, jak zachowuje się ścieżka światła, gdy zmienia się zmienna zależna (kształt soczewki, rozmiar, odległość od źródła światła).

Przed rozpoczęciem aktywności przedstaw, omów lub przejrzyj

• Soczewki wklęsłe i wypukłe
• Jak udokumentować powtarzalny proces http://www.wikihow.com/Document-a-Process

Ułatw działanie

Zdecydowanie zalecamy, aby poświęcić tę lekcję, aby dać uczniom określoną ilość czasu (15-20 minut) na zmaganie się po pokazaniu im kształtów, które mają stworzyć i przekazaniu im materiałów, zamiast wyraźnie pokazywać uczniom, jak tworzyć kształty. Po ustaleniu, jak stworzyć zarówno soczewkę wklęsłą, jak i wypukłą, udokumentują proces, którego użyli.

To wyzwanie stanowi podstawę do zrozumienia czegoś podstawowego, ale nie intuicyjnego w odniesieniu do tego rodzaju soczewek – że wywodzą się one z kręgów; a bardziej zaawansowane rozumienie matematyki opisującej właściwości soczewek opiera się na tym zrozumieniu. Ta prosta praktyczna aktywność daje uczniom empiryczne, intuicyjne doświadczenie związku między soczewkami wklęsłymi / wypukłymi a okręgami.

• Przedstaw wyzwanie na dziś: udokumentuj proces cięcia soczewki wypukłej i wklęsłej
  • Wklęsłe: 2-3 różne rozmiary
  • Wypukły: 2-3 różne rozmiary
• Daj każdej parze uczniom zestaw okrągłych foremek do ciastek i płytkę żelatyny o wymiarach około 9 cali x 7 cali.
• Daj zespołom uczniów 15-20 minut na eksperymentowanie z wycinaniem kształtów soczewek, skupiając się na udokumentowaniu powtarzalnego i niezawodnego procesu używania okrągłych foremek do ciastek do projektowania soczewek wklęsłych i wypukłych.
• Krążyć po sali, gdy zespoły pracują nad obserwacją ich wysiłków. W razie potrzeby pomóż zespołom w ustawieniu sprzętu.

Podsumuj i zastanów się

• Zatrzymaj uczniów po 15-20 minutach, aby przeprowadzić klasową dyskusję na temat pracy uczniów. Poproś uczniów, aby wyjaśnili swoim rówieśnikom ich eksperymentalną konfigurację i metody dokumentowania procesu.
• W klasie zapisz (udokumentuj) proces na podstawie ustaleń i wkładu uczniów.

ĆWICZENIE 4: EKSPERYMENTUJ Z ROZMIAREM OBIEKTYWU (SZEROKOŚĆ) (45-60 minut)

Podsumowanie

Wykorzystując proces udokumentowany w ostatnim okresie zajęć, studenci angażują się w proces naukowy zbierania i rejestrowania danych oraz wyciągania wniosków na temat wpływu zmiennej zależnej (szerokość obiektywu) na ogniskową. To jest jakość. Na przykład ogniskowa staje się dłuższa lub krótsza.

Zrozumienie, w jaki sposób rozmiar (szerokość) soczewki i odległość od źródła światła do soczewki wpływa na długość ogniskowej, pomoże uczniom zaprojektować system soczewek poprawiających widzenie, gdy zaangażują się w ostatnie wyzwanie.

• Uczniowie będą:
  • Design:
    • Wklęsłe: 2-3 różne szerokości
    • Wypukły: 2-3 różne szerokości
  • Nagraj: ścieżka wiązki ORAZ przybliżona ogniskowa
    • Soczewki wklęsłe: 2-3 różne szerokości
    • Soczewki wypukłe: 2-3 różne szerokości
  • Wnioskuj o jakościowej zależności między szerokością obiektywu a ogniskową
  • Terminologia i pojęcia:
    • Źródło światła
    • Ogniskowa – jak zmiana szerokości obiektywu wpływa na ogniskową?

Przed rozpoczęciem aktywności przedstaw, omów lub przejrzyj

• Różnica między zmiennymi niezależnymi i zależnymi
• Które zmienne są zmiennymi niezależnymi i zależnymi w dzisiejszej działalności –
  • Szerokość soczewki ORAZ odległość źródła światła od soczewki to zmienne zależne, które wpływają na wynik: ogniskowa
• Definicja długość ogniskowa i krótko, jego związek z wizją.
  • Źródło światła = obiekt (światło odbija się od obiektu do oka)
  • Światło wpadające do oka musi skupiać się bezpośrednio na siatkówce, aby powstał wyraźny obraz.
• Jeśli wolisz wprowadzić więcej matematyki lub bardziej szczegółowo omówić ogniskową, Khan Academy oferuje doskonały przegląd w celach informacyjnych:
  • Wypukły: https://www.khanacademy.org/science/physics/geometricoptics/lenses/v/convex-lenses
  • Wklęsły: https://www.khanacademy.org/science/physics/geometricoptics/lenses/v/concave-lenses

Zademonstruj/modeluj, jak obserwować, mierzyć i rejestrować

• Jak określić przybliżoną ogniskową zarówno soczewki wklęsłej, jak i wypukłej?
• Zmienia się to, co dzieje się z zachowaniem (ścieżką) światła jako zmiennej zależnej (szerokość soczewki).
• Przejrzyj lub przedstaw słownictwo podczas demonstrowania
  • Promień incydentu
  • Załamany promień
  • Soczewka wklęsła
  • Wypukła soczewka
  • Długość ogniskowa

Ułatw działanie:

Zachęcaj do systematycznych eksperymentów ze światłem i soczewkami

• Przedstaw cel działania na dziś:
  • Zbieraj dane i wyciągaj wnioski dotyczące wpływu rozmiaru (szerokości) obiektywu na ogniskową
  • Zbieraj dane i wyciągaj wnioski dotyczące wpływu odległości od źródła światła do obiektywu na ogniskową
• Rozdaj każdej parze uczniów zestaw materiałów:
  • Zestaw okrągłych foremek do ciastek
  • Płyta żelatyny 9 "X 13"
  • Zestaw trzech Light Blox
• Przekaż uczniom instrukcje, aby
  • Zaprojektuj 3 wypukłe soczewki o różnych szerokościach
  • Zmierz i zapisz szerokość każdego obiektywu i odpowiadającą mu ogniskową
• Przekaż uczniom instrukcje, aby
  • Zaprojektuj 3 soczewki wklęsłe o różnych szerokościach
  • Zmierz i zapisz szerokość każdego obiektywu i odpowiadającą mu ogniskową
• Przekaż uczniom instrukcje, aby
  • Zmierz i zapisz, jak zmienia się ogniskowa wraz ze zmianą odległości między źródłem światła a obiektywem.
• Gdy zespoły zarejestrują swoje pomiary i obserwacje, zakończ działanie.
• Daj uczniom czas na zakończenie pracy, wypełniając tabele danych i rysunki w razie potrzeby.
• Odłóż czas na sprzątanie.

Podsumowanie i refleksja

Poproś zespoły, aby podzieliły się swoimi wynikami. Przeprowadź dyskusję w klasie, w której zespoły/osoby wyjaśniają, co zrobili, co zaobserwowali i jaki sens mają wyniki. W zależności od podejścia możesz chcieć użyć jednej z kilku strategii aktywnego uczenia się lub zaprosić wolontariuszy do rysowania lub demonstrowania swojej pracy przed klasą.

• Korzystając z wyników uczniów, w tym rysunków i tabel danych, porównaj różnicę między przechodzeniem światła przez każdy typ soczewki.
• W klasie omów pytania takie jak:
  • Co dzieje się z ogniskową, gdy szerokość obiektywu rośnie lub maleje?
  • Czy to samo dotyczy wklęsłych i wypukłych?
  • Czy wyniki różnią się w zależności od odległości światła od obiektywu?
  • Czego dowiedziałeś się o soczewkach wypukłych i wklęsłych, które pomogą Ci w ostatecznym wyzwaniu?
• Omówcie w klasie wyniki eksperymentu. Pytania, na które należy odpowiedzieć, obejmują między innymi:
  • Jak zmienia się ognisko, gdy obiektyw staje się mniejszy/większy?
  • Jakie dowody potwierdzają te wnioski?
  • Czym różnią się wyniki soczewek wklęsłych i wypukłych?
  • W jaki sposób zrozumienie związku między kształtem i rozmiarem soczewki a punktem ogniskowym pomaga w ostatecznym wyzwaniu, jakim jest zaprojektowanie systemu soczewek poprawiającego widzenie?
  • Jeśli uczniowie dokonali prognozy dotyczącej ogniska i rozmiaru soczewki, jak ich prognoza wypada w porównaniu z wynikami? Czy jakieś wyniki były zaskakujące?
  • W ostatnim ćwiczeniu będziesz musiał stworzyć system soczewek zaprojektowanych do poprawy widzenia. Czego dowiedziałeś się o soczewkach i ognisku, które pomogą Ci sprostać wyzwaniu?
  • Przypomnij sobie obrazy oka (normalne, bliskie i dalekowidzące). Na której części diagramu chcesz skupić się na świetle?

ĆWICZENIE 5: EKSPERYMENT Z 2 SYSTEMAMI SOCZEWEK (45-60 minut)

Podsumowanie

Jako ostatnie ćwiczenie przygotowujące do wyzwania projektowego uczniowie badają zachowanie światła podczas przechodzenia przez różne kombinacje par soczewek. W końcowym wyzwaniu uczniowie otrzymują schemat oka pacjenta. Jedna soczewka w systemie będzie reprezentować soczewkę znajdującą się w oku. Studenci będą musieli zaprojektować jedną lub więcej soczewek żelatynowych, aby poprawić lub poprawić widzenie pacjenta. Połączenie soczewek i ich ustawienie muszą skupiać światło na siatkówce na schemacie oka pacjenta.

Wypełnij ostatnią część wykresu KWL NAJPIERW.

Wyniki nauki

W wyniku tej lekcji uczniowie będą mogli:

• Opisz, zademonstruj i zapisz wpływ układu dwóch soczewek na ścieżkę światła i ogniskową
  • 2 wypukłe soczewki
  • 2 soczewki wklęsłe
  • 1 wklęsła i 1 wypukła soczewka
• Opisać rolę soczewek w różnych instrumentach używanych do poprawy widzenia lub ostrości obrazów
  • Aparat fotograficzny
  • Teleskop
  • Mikroskop
  • Lupy
• Opisz rolę soczewek w ludzkim widzeniu
  • Ludzkie oko zawiera wypukłą soczewkę
  • Wyraźne widzenie człowieka opiera się na zdolności skupiania światła na siatkówce
  • Krótkowzroczność i nadwzroczność jako częste problemy ze wzrokiem
• Przewiduj, jak różne soczewki mogą poprawić ludzkie widzenie, gdy obecna jest krótkowzroczność lub nadwzroczność.

Opcjonalna matematyka

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

Przygotuj scenę do eksperymentowania z wieloma obiektywami.

Jako klasa sporządź listę różnych instrumentów, które używają dwóch lub więcej obiektywów. Jeśli uczniowie zasugerują, że oko w połączeniu z okularami to system soczewek, wyjaśnij, że na ostatniej lekcji zajmą się konkretnie tą kombinacją. Na razie skup się na instrumentach, takich jak teleskopy, mikroskopy i lornetki.

Poproś uczniów, aby wyjaśnili, jak ich zdaniem działają różne instrumenty i jakie są związki między soczewkami, soczewkami i światłem.

Wyjaśnij, że w tym ćwiczeniu uczniowie będą badać kombinacje soczewek dotyczące zachowania światła. Wyjaśnij, że przepuszczą wiązkę światła przez dwie soczewki, aby obserwować i rejestrować wyniki.

W klasie przedyskutuj wiele zmiennych w eksperymencie, które należy zmienić, a które zachować. Niektóre zmienne, które uczniowie powinni rozpoznać, obejmują:

• Odległość między soczewkami
• Połączenie typów soczewek w celu stworzenia par soczewek
• Pozycja i odległość źródła światła do soczewek

Ułatw działanie

Wyjaśnij, że w tym ćwiczeniu uczniowie muszą prowadzić dokładny zapis swojej pracy. W zależności od dostępnego czasu, poproś wszystkie zespoły, aby pracowały ze wszystkimi kombinacjami soczewek lub podziel klasę na „grupy ekspertów” i przydziel im odpowiedzialność za raportowanie klasie w systemie, który zbadali.

Zespoły powinny poeksperymentować ze wszystkimi lub niektórymi z następujących kombinacji soczewek:

• Wypukły + Wypukły
• Wklęsłe + Wklęsłe
• Wypukły + wklęsły
• Wypełnij ostatnią część wykresu KWL PIERWSZY
• Niech uczniowie zaplanują eksperyment, narysują konfigurację i przygotują tabelę danych, w której będą zapisywane wyniki. Ewentualnie narysuj rozmieszczenie sprzętu na tablicy i rozdaj tabelę danych każdemu zespołowi.
• Gdy zespoły zademonstrują odpowiedni plan swoich eksperymentów, zapewnij im żelatynę i narzędzia.
• Upewnij się, że uczniowie poznają efekt kombinacji soczewek ORAZ efekt zmiany odległości między soczewkami.
• Zwróć uwagę na wpływ różnych kombinacji soczewek na zachowanie światła.
• Zwróć uwagę na wpływ zmiany odległości między soczewkami na zachowanie światła.
• Chodź po sali, aby obserwować uczniów. W razie potrzeby zaangażuj zespoły w dyskusję na temat ich procedur doświadczalnych, pomiarów, obserwacji i wyników. Pomóż im połączyć ich metody z wynikami.
• (Opcjonalnie) Poproś uczniów, aby utworzyli „diagramy promieni” dla soczewek, takich jak pokazany tutaj.

Podsumowanie i refleksja

Doprowadź do zamknięcia przeprowadzanych przez uczniów eksperymentów. W klasie przejrzyj zachowanie światła przechodzącego przez różne pary soczewek i efekt zmiany odległości między parami soczewek.

• W razie potrzeby daj uczniom czas na przejrzenie i dokończenie pracy z poprzedniego etapu lekcji przed prezentacją.
• Niech zespoły podzielą się swoimi wynikami. Zachęć uczniów, aby odnieśli się do rysunków i danych, aby wyjaśnić swoje spostrzeżenia i wnioski.
• Omówcie w klasie takie pytania, jak:
  • Co dzieje się z ogniskiem, gdy zbliżasz lub oddalasz jedną soczewkę od drugiej? Czy to zależy od tego, jakiej kombinacji soczewek używasz?
  • Co dzieje się z ogniskiem dwóch soczewek wypukłych?
  • Co dzieje się z ogniskiem dwóch soczewek wklęsłych?
  • Co dzieje się z różnymi kombinacjami różnych soczewek?
  • W jaki sposób praca z dwoma (lub więcej) soczewkami ma się do ostatecznego wyzwania, jakim jest zaprojektowanie systemu soczewek poprawiającego widzenie pacjenta?
  • Jak myślisz, które kombinacje soczewek poprawią widzenie u pacjentów z krótkowzrocznością?
  • Jaka kombinacja soczewek Twoim zdaniem poprawi widzenie dalekowzrocznemu pacjentowi?

OPCJA

• Eksperymentuj z dodatkowymi kombinacjami soczewek.
• Badania projektów różnych instrumentów, które wykorzystują soczewki, takie jak teleskopy, lasery, mikroskopy i lornetki.

Wyzwanie: Zaprojektuj system z 2 soczewkami, aby skorygować problem ze wzrokiem (45-60 min)

Podsumowanie

Ta aktywność koncentruje się na przeprowadzeniu uczniów przez proces tworzenia systemu soczewek, który koryguje problem ze wzrokiem. Celem lekcji ćwiczeń nie jest zaprojektowanie idealnego obiektywu, ale zrozumienie, co składa się na rozwiązanie problemu z procesem inżynieryjnym. Poświęć dużo czasu i ustrukturyzowane granice, aby odkrywanie motywowało do eksploracji!

Wcześniejsza wiedza i umiejętności

• Światło porusza się w linii prostej, dopóki nie uderzy w obiekt lub przemieści się z jednego ośrodka do drugiego
• Wszystko, co widzimy, jest wynikiem światła wpadającego do naszych oczu; większość tego światła jest odbijana
• Gdy światło przechodzi z jednego ośrodka do drugiego (np. przez soczewkę), światło ulega załamaniu lub załamaniu
• Kształt i materiał soczewki wpływa na zakrzywienie światła
• Oko zawiera soczewkę, która skupia światło na siatkówce. Wyraźne widzenie zależy od zdolności soczewki oka do zaginania światła wpadającego do oka, dzięki czemu obraz tworzy się specyficznie na siatkówce

Ułatw działanie:

• Przejrzyj i zapoznaj się z tabelą KWL uczniów
• Rozdaj jeden zestaw Light Blox z założonymi nasadkami i dwie formowane soczewki żelatynowe (jedną wypukłą i jedną wklęsłą) każdej grupie 3 uczniów.
• Pokaż uczniom, jak włączyć światła i daj im 3-5 minut na zbadanie, jak światło przechodzi przez soczewki.
• Rozdaj szablon oka z „normalnym” wzrokiem. Poproś uczniów, aby umieścili uformowaną soczewkę wypukłą „w” oku, aby zobaczyć, że światło dociera do ogniska na siatkówce. Widzenie wyraźnie zależy od wylądowania ogniska w określonym miejscu w oku, zwanym siatkówką.
• Następnie poproś uczniów, aby umieścili uformowaną soczewkę wypukłą na szablonie nadwzrocznego oka, które wymaga korekcji wzroku, ponieważ światło pada w niewłaściwym miejscu. Zwróć uwagę, gdzie znajduje się punkt centralny. To nie tworzy dobrej wizji!
• Poproś ich, aby zdefiniowali problem i wymyślili rozwiązanie… Co może „przesunąć” punkt centralny w inne miejsce. W tym momencie daj uczniom trochę czasu z soczewkami wklęsłymi i wypukłymi razem, aby mogli odkryć, że soczewka wklęsła przesuwa ognisko.
• Następnie daj każdej grupie kwadrat (~ 4” X 8”) przygotowanej, czystej żelatyny o podwójnej wytrzymałości i 3 okrągłe foremki do ciastek o różnych średnicach.
• Wyjaśnij, że z tą żelatyną stworzą DRUGIĄ soczewkę, aby skorygować problem ze wzrokiem. Dostępne dla nich materiały i narzędzia to żelatyna, nóż i foremki do ciastek!
• Poproś uczniów, aby najpierw poćwiczyli tworzenie soczewek wklęsłych i wypukłych za pomocą foremek do ciastek i żelatyny.
• Następnie poproś uczniów, aby skonstruowali soczewki za pomocą foremek do ciastek, plastikowego noża i żelatyny, które naprawią problemy ze wzrokiem widoczne na szablonach.
• Tworząc, testując i ulepszając projekt soczewek, uczniowie angażują się w podstawowe procesy inżynieryjne z wykorzystaniem soczewek i światła.

Celem jest umożliwienie uczniom zrozumienia, że ​​światłem można manipulować za pomocą soczewek – i że robiąc to, mogą rozwiązywać problemy. Trudno będzie uzyskać odpowiedni obiektyw. Dla bardziej zaawansowanych uczniów można wprowadzić ogniskową, promień krzywizny i współczynnik załamania jako matematyczne metody tworzenia rozwiązań, a nie podejście „prób i błędów”, z którego korzystają.

W przypadku starszych uczniów lekcję można przeprowadzić już za 1 lekcję. Jednak, aby pomóc uczniom w pośpiechu i zapewnić uczniom sukces (zwłaszcza młodszym uczniom), podziel lekcję na dwa okresy, dając uczniom więcej czasu na burzę mózgów, testowanie pomysłów i sfinalizowanie ich projektu. Przeprowadź test i podsumowanie w następnej lekcji.

Schematy oczu

Połączenia internetowe

• https://www.bbc.co.uk

Pisanie

Jakie inne zastosowania mają soczewki w naszym świecie?

Dostosowanie do ram programowych

Uwaga: Wszystkie plany lekcji w tej serii są zgodne ze standardami Computer Science Teachers Association K-12 Computer Science Standards, US Common Core State Standards for Mathematics, a jeśli dotyczy, również z National Council of Teachers of Mathematics' Principles and Standards for School Mathematics, Standardy Umiejętności Technologicznej Międzynarodowego Stowarzyszenia Edukacji Technologicznej oraz Amerykańskie Krajowe Standardy Edukacji Naukowej, które zostały opracowane przez Narodową Radę ds. Badań Naukowych.

Podstawowe pomysły dyscyplinarne 

∙PS4.B: Promieniowanie elektromagnetyczne

o Ścieżkę światła można prześledzić jako linie proste, z wyjątkiem powierzchni między różnymi przezroczystymi materiałami (np. powietrze i woda, powietrze i szkło), gdzie ścieżka światła załamuje się między mediami. (MS-PS4-2)

∙ ETS1.A: Definiowanie i rozgraniczanie problemów inżynierskich

o Im dokładniej można zdefiniować kryteria i ograniczenia zadania projektowego, tym większe prawdopodobieństwo, że zaprojektowane rozwiązanie odniesie sukces. Specyfikacja ograniczeń obejmuje uwzględnienie zasad naukowych i innej istotnej wiedzy, które prawdopodobnie ograniczą możliwe rozwiązania (MS-ETS1-1)

∙ ETS1.B: Opracowanie możliwych rozwiązań

o Rozwiązanie musi zostać przetestowane, a następnie zmodyfikowane na podstawie wyników testów w celu jego ulepszenia. MS-ETS-4)

Nauka i praktyki inżynierskie 

∙ Zdefiniuj problem projektowy, który można rozwiązać poprzez opracowanie obiektu, narzędzia, procesu lub systemu i zawiera wiele kryteriów i ograniczeń, w tym wiedzę naukową, która może ograniczać możliwe rozwiązania. (MS-ETS1-1)

∙ Opracuj i wykorzystaj model do opisu zjawisk (MS-PS4-2)

∙ Analizuj i interpretuj dane w celu określenia podobieństw i różnic w ustaleniach. (MS ETS1-3)

Koncepcje przekrojowe

∙Struktura i funkcja

o Konstrukcje można projektować tak, aby spełniały określone funkcje, biorąc pod uwagę właściwości różnych materiałów oraz sposób ich kształtowania i użytkowania (MS PSR-2)

o Struktury mogą być zaprojektowane do pełnienia określonych funkcji

Arkusz roboczy ucznia nr 1: Wykres KWL

Nazwisko ucznia Data

Pielęgniarki, lekarze i inżynierowie współpracują przy projektowaniu i budowie okularów oraz innych narzędzi poprawiających widzenie. W tym wyzwaniu zaprojektujesz system soczewek poprawiających widzenie pacjenta.

Co musisz wiedzieć o ludzkim oku i soczewkach, aby poprawić czyjeś widzenie?

Użyj poniższego organizatora grafiki KWL, aby wymienić to, co wiesz, chcesz wiedzieć i nauczyć się projektować okulary, aby poprawić czyjeś widzenie

Arkusz roboczy ucznia 2: Materiały i konfiguracja eksperymentalna

Nazwisko ucznia Data

Aby ukończyć wyzwanie projektowe na końcu tej części, musisz wiedzieć, jak zorientować żelatynę i światła, aby obserwować ścieżkę światła, gdy przechodzi ze źródła światła przez kawałek żelatyny

Używając słów i/lub rysunków, opisz i udokumentuj drogę światła przechodzącego przez żelatynę: o Żelatyna ułożona płasko na stole o Żelatyna NIE jest ułożona płasko na stole

• 1 wiązka z Light Blox umieszczonym po szerszej stronie
• 1 wiązka z Light Blox siedzącą na węższej stronie
• 3 wiązki na raz

Arkusz roboczy ucznia 3: Śledzenie promieni

Używając słów i rysunków, zapisz ścieżkę pojedynczej wiązki światła, która przechodzi ze źródła światła przez jedną stronę soczewki na drugą stronę kawałka żelatyny; i wyciągnij wnioski o tym, jak światło przechodzi przez kawałek żelatyny z

• Płaska/prosta powierzchnia
• Krzywa powierzchnia
• Opisz, zademonstruj i zapisz ścieżkę światła przechodzącą przez soczewkę wypukłą i wklęsłą (za pomocą 3 świateł)
• Zidentyfikuj i zdefiniuj: soczewkę wklęsłą, promień padający soczewki wypukłej, promień załamany

  Arkusz roboczy ucznia 4: Szablon oka