Un ochi asupra opticii

Kituri

• Trusele care includ materiale de activitate pot fi găsite la: https://laserclassroom.com/product/eyes-on-optics-kit-a-gelatin-optics-engineering-project/

Introducere

• Fișa de lucru 1 pentru elev: Diagrama KWL – SALVAȚI pentru a fi folosită din nou în Activitatea 5
• Diagrame de ochi normale, hipermetrope și miope/înmânare
• Pereche de ochelari

Activitatea 1

• Fișa de lucru pentru elev #2: Materiale și configurație experimentală
• Placi de gelatină preparate (vezi rețeta de mai jos)
• Set de Light Blox (https://laserclassroom.com/light-blox/) SAU Laser Blox (https://laserclassroom.com/laser-blox/)
• Set forme circulare pentru biscuiti
• Cuțit de plastic

Activitatea 2

• Fișa de lucru pentru elev #3: Ray Tracing
• Forme de gelatină preparate
  • Lentile convexe turnate
  • Lentile concave turnate
  • Pătrat de gelatină (~ 3” X 3”)
  • Cercul de gelatină (~3” diametru)
• Set de Light Blox (https://laserclassroom.com/light-blox/) SAU Laser Blox (https://laserclassroom.com/laser-blox/)

Activitatea 3

• 1 placă de gelatină pregătită per echipă
• 1 set de forme circulare pentru prăjituri per echipă
• 1 cuțit de plastic per echipă

Activitatea 4

• 1 placă de gelatină pregătită per echipă
• 1 set de forme circulare pentru prăjituri per echipă
• 1 cuțit de plastic per echipă

Activitatea 5

• Fișa de lucru pentru elev # 1
• 1 placă de gelatină pregătită per echipă
• 1 set de forme circulare pentru prăjituri per echipă
• 1 cuțit de plastic per echipă

Activitatea 6

• 1 placă de gelatină pregătită per echipă
• 1 set de forme circulare pentru prăjituri per echipă
• 1 cuțit de plastic per echipă
• Șablon de ochi
• Diagrama KWL pentru referință

Designul Challenge

• Set de Light Blox
• Set de lentile turnate – una concavă și una convexă
• Placă de gelatină
• Cuțit de plastic
• Taietoare pentru cookie-uri
• Șablon de ochi
• Diagrama KWL completată din foaia de lucru #1

Reteta cu gelatina:

• Următoarea rețetă face suficient gel pentru aproximativ șase discuri mari:
  • 4 cupe de apă
  • 8 plicuri de gelatină Knox Original
  • 1 recipient cu dimensiunile de 9” x 7” x 2”
  • Fierbe apa. Amestecați 4 căni de apă clocotită în 8 plicuri (sau un raport de 1:2 apă la gelatină) de Knox Original Gelatin.
• Pentru activitatea #2, turnați amestecul în tăvi pentru matriță pentru lentile.
• Pentru toate celelalte activități, turnați amestecul în recipient astfel încât adâncimea lichidului să fie de cel puțin 0.75 inci. Pune gelatina la frigider peste noapte pentru a se solidifica.

materiale

• Varietate de materiale reciclabile curate și uscate (materiale plastice, sticlă, cutii de metal / aluminiu și hârtie) într-o cutie sau cutie mare de reciclare
• Masă lungă sau câteva mese scurte așezate împreună

Proces

Așezați designul pe o masă lungă (sau câteva mese scurte așezate împreună), adăugați materiale reciclabile la proiect și documentați cât de bine fiecare proiect sortează materialele reciclabile în coșuri separate.

Designul Challenge

Faceți parte dintr-o echipă de ingineri având în vedere provocarea de a proiecta un sistem de lentile pentru a îmbunătăți vederea unui pacient. Veți finaliza 6 activități pentru a afla despre optica lentilelor și ochiul uman.

Criterii

• Proiectați și schițați un sistem pentru a îmbunătăți vederea unui pacient.

Constrângerile

• Folosiți numai materialele furnizate.

Lecția necesită șase perioade de curs de 45-60 de minute

PREZENTAREA PROVOCĂRII

Rezumat
Această lecție se încheie cu o provocare de design, un proiect deschis, care încurajează studenții să pună întrebări, să ia inițiativă și să gândească creativ. Provocările de inginerie și proiectare oferă context și sens pentru utilizarea procesului științific, dezvoltarea cunoștințelor și abilităților tehnice și succesul în societatea modernă.

Pentru a introduce această provocare de proiectare, studenților li se prezintă scopul de a proiecta un sistem de lentile pentru a îmbunătăți vederea unui pacient, studenții identifică ceea ce știu și de care au nevoie despre optica lentilelor și ochiul uman pentru a face față provocării.

Abilități și cunoștințe de bază

• Calea luminii de la sursă (sau obiect) la ochi (Activitate opțională: Pestera clasa)
• Calea luminii către ochiul uman: retina și punctul focal
• Activitate optionala - Experimentează cu propria ta viziune

Configurați pentru activitate

Împărțiți elevii în echipe de câte 2 sau 3. Stabiliți scena pentru o sesiune de brainstorming despre structura și funcția lentilelor și a ochiului uman.

Ridică o pereche de ochelari.

Cereți elevilor să explice cum funcționează ochelarii pentru a îmbunătăți vederea. Lăsați elevii să-și schițeze desenele dacă îi ajută să se exprime mai complet.

Explicați clasei că această lecție se încheie cu o provocare de proiectare. Explicați că echipele de studenți vor proiecta un sistem de lentile pentru a îmbunătăți vederea unui pacient. Explicați-le că vor primi un model al ochiului unui pacient și vor fi însărcinați cu proiectarea unui set de lentile pentru a îmbunătăți vederea pacienților.

Explicați că echipele vor trebui să își explice deciziile de proiectare pe baza datelor pe care le colectează în timp ce proiectează și testează lentile.

Aveți o discuție în clasă – întrebați elevii:

• Cum funcționează ochelarii de vedere?
• Cum se combină ochelarii cu ochiul pentru a îmbunătăți vederea?
• Sunt diferite tipuri de ochelari? Dacă da, cu ce diferă ele și de ce?
• Cum credeți că medicii își dau seama ce tip de lentilă va îmbunătăți vederea?

Facilitarea Lecției

Proiectați imaginile unui ochi normal, hipermetrop și miopic pe ecran și/sau distribuiți o fișă echipelor cu aceste imagini.

Ca o clasă, examinați și discutați diferențele dintre imagini. Ajutați elevii să înțeleagă și să noteze următoarele:

• Identificați și înțelegeți funcțiile de bază ale structurilor ochiului prezentate în desen
• Lentila ochiului este identică peste tot
• Distanța de la cristalin la retină este diferită de la ochi la ochi
• Retina este situată în același loc pentru toți ochii
• Forma fiecărui ochi în ansamblu este diferită

Distribuiți studenților provocarea scenariului și Foaia de lucru pentru elev #1, diagrama KWL. Ca o clasă, citiți și revizuiți scenariul. Permiteți elevilor să completeze KWL în perechi.

Rezumat și Reflecție

Ca o clasă, revizuiți scenariul și cereți voluntarilor să împărtășească de la organizatorii lor grafici KWL și să evalueze înțelegerea de către elevi a Provocarii de proiectare.

Adresați elevilor întrebări precum:

• Cum ați descrie, în propriile cuvinte, provocarea de proiectare care vi s-a oferit?
• Ce crezi că trebuie să știi pentru a proiecta un sistem de lentile pentru a îmbunătăți vederea?
• Ce înțelegeți deja despre ochiul și viziunea umană care vă vor ajuta să faceți față acestei provocări?
• Ce înțelegeți deja despre natura lentilelor care vă vor ajuta să faceți față acestei provocări?
• Ce crezi că trebuie să înveți pentru a face față provocării de proiectare?

ACTIVITATEA 1: EXPLORA CU LUMINA SI GELATINA (45-60 min)

Rezumat

Scopul acestei activități este ca elevii să găsească și să documenteze cel mai eficient mod de a observa și înregistra traseul luminii pe măsură ce părăsește sursa de lumină și trece prin și apoi din gelatină.

Elevii vor avea o oportunitate deschisă de a explora și de a lucra cu materialele, de a face și de a împărtăși observații și de a construi o înțelegere fundamentală a relației dintre formele gelatinei și lumină. Această explorare deschisă încurajează creativitatea și rezolvarea problemelor utile pentru a face față provocării finale de a proiecta un sistem de lentile pentru a îmbunătăți vederea.

Rezultatele învățării

În urma acestei activități, elevii vor fi capabili:

• Orientați gelatina și luminile pentru a observa calea luminii pe măsură ce trece de la sursa de lumină printr-o bucată de gelatină
• Descrieți și documentați calea luminii pe măsură ce trece prin gelatină

o Cu gelatină întinsă pe masă

o Cu gelatina NU asezata plat pe masa

o 1 fascicul cu Light Blox așezat pe partea sa mai largă

o 1 fascicul cu Light Blox așezat pe partea mai îngustă

o 3 fascicule deodată

Cunoștințe și abilități anterioare

Înainte de începerea activității 1:

• Elevii ar trebui să înțeleagă Provocarea de proiectare la sfârșitul acestei lecții. Consultați secțiunea „Prezentarea provocării” de mai sus.
• Introduceți obiectivul general al activității de explorare: să găsiți și să documentați cel mai eficient mod de a observa și de a înregistra traseul luminii pe măsură ce părăsește sursa de lumină și trece prin și apoi din gelatină.

Demonstrați/modelați cum să măsurați și să înregistrați următoarele:

• Arată-le elevilor un set de materiale și demonstrează cum să folosești formele de prăjituri și cuțitul de plastic pentru a crea diverse bucăți de gelatină.
• Arătați elevilor cum să manipuleze formele astfel încât să strălucească luminile prin fiecare suprafață.
• Arată-le elevilor cele două moduri diferite de a orienta luminile care trec prin gelatină.

Facilitarea activității

Încurajează creativitatea, explorarea și documentarea

• Model de explorare și experimentare cu materialele
• Înmânați Fișa de lucru #2 pentru elev și modelați cum să înregistrați observațiile
• Demonstrați cum să documentați:
  • Dimensiunea și forma bucății lor de gelatină
  • Orientarea gelatinei și a luminii (luminilor)
  • Întregul traseu al fasciculului de lumină pornește când părăsește Light Blox pe măsură ce trece prin și apoi iese din gelatină
  • Creați echipe și distribuiți resurse. Asigurați-vă că fiecare echipă are acces la o „placă de gelatină” pentru tăiere, forme de prăjituri, cuțit de plastic, Light Blox (sau altă sursă de lumină), o foaie de hârtie și materiale de înregistrare.
• Reduceți luminile dacă este sigur și posibil
• Circulați prin clasă pentru a observa echipele în timp ce elevii își pregătesc și își organizează echipamentul.
• Circulați prin încăpere observând cum lucrează elevii. Pe măsură ce echipele lucrează, observați eforturile lor de a străluci Light Blox prin gelatină, ajutați indivizii sau echipele care se luptă cu gestionarea și configurarea echipamentelor.
• După caz, implicați elevii în discuții despre activitățile lor. Puneți elevilor întrebări deschise despre efortul lor de a aranja echipamentul, de a tăia forme, de a orienta luminile, de a înregistra ceea ce observă și de modul în care înțeleg observațiile lor.
• Dacă este cazul, opriți cursul pentru a împărtăși munca uneia sau mai multor echipe cu alte echipe. Utilizați astfel de întreruperi pentru a evidenția exemple pozitive de explorare, inclusiv, dar fără a se limita la: design creativ, metode de aliniere a luminilor, gelatină și ecran, păstrarea înregistrărilor și munca în echipă.

De-a lungul perioadei, reamintiți-le elevilor să păstreze înregistrări detaliate ale lucrărilor lor la care le vor trimite în discuția ulterioară.

Rezumați și reflectați

Încheiați activitatea, încurajați echipele să-și împărtășească munca și trageți concluzii despre rezultate.

• În clasă, discutați constatările elevilor
  • Cum să orientați cel mai bine gelatina și luminile pentru a observa calea luminii pe măsură ce trece prin gelatină
  • Cum influențează forma gelatinei calea luminii pe măsură ce trece prin gelatină
  • Amintiți-vă că în viitor veți proiecta un sistem de lentile pentru a îmbunătăți vederea umană. Ce ai făcut și ai învățat astăzi, care se aplică acestei provocări?
  • Ca o clasă, convineți asupra unei proceduri pentru trasarea căii luminii pe măsură ce aceasta părăsește sursa de lumină, trece prin gelatină și apoi iese din gelatină.

Ce se întâmplă? Definirea refracției și trimitere la mai multe informații. Opțional: Activitate de refracție kinestezică http://laserclassroom.com/products/kinesthetic-model-refraction/

ACTIVITATEA 2: EXPERIMENTARE CU FORMA LENTILELOR (45-60 min)

Rezumat

Elevii folosesc procesul științific pentru a descoperi calitativ relația dintre lumină și forma (concavă, convexă, pătrată, cerc) a unei lentile.

Rezultatele învățării

Ca rezultat al acestei activități, elevii vor putea să înregistreze traseul unui singur fascicul de lumină pe măsură ce acesta trece de la sursa de lumină printr-o parte a lentilei pe cealaltă parte a unei bucăți de gelatină; și trageți concluzii despre modul în care lumina călătorește printr-o bucată de gelatină cu a

• Suprafață plană/dreaptă
• Suprafata curbata
• Descrieți, demonstrați și înregistrați calea luminii pe măsură ce trece prin lentile convexe și concave (folosind 3 lumini)
• Identificați și definiți: lentila concavă, raza incidentă a lentilei convexe, raza refractată

Cunoștințe și abilități anterioare

Revizuire la începutul activității:

• Cum se orientează gelatina și luminile (din activitatea anterioară)
• Cum să înregistrați calea luminii pe măsură ce trece prin gelatină (din activitatea anterioară)

Configurați pentru activitate

Configurați 4 stații

• 3 Light Blox și cerc de gelatină
• 3 Light Blox și pătrat de gelatină
• 3 lumini și o lentilă convexă turnată
• 3 lumini și o lentilă concavă turnată

Înainte de a începe experimentul: Explicați procesul științific

• Încurajează studiul sistematic al luminii și al lentilelor. La fiecare stație, cereți elevilor să-și documenteze observațiile, cu un desen, inclusiv etichetele corespunzătoare (raze incidente și refractate, lentile concave sau convexe)
• Diferența dintre variabile independente și dependente
• Care variabile sunt variabilele independente și dependente la fiecare stație
• Variabila dependentă este forma lentilei – concavă sau convexă
• Pași suplimentari în procesul științific pe care vă așteptați să îi urmeze elevii, de la formularea unei ipoteze până la tragerea de concluzii.
• PROCESUL ŞTIINŢIFIC: https://nces.ed.gov/nceskids/help/user_guide/graph/variables.asp

Demonstrați/modelați cum să măsurați și să înregistrați următoarele:

• Poziția și distanța de la sursele de lumină la obiectiv
• Ce se întâmplă cu calea luminii ca variabilă dependentă, (forma lentilei), se schimbă.
• Comportamentul luminii când trece printr-o lentilă
• Revedeți vocabularul pe măsură ce demonstrați
  • Rază incidentă
  • Raza refractată
  • Lentila concavă
  • Lentile convexe
  • Punct focal

Facilitati activitatea

• Distribuiți fișa de lucru pentru elev #3
• Explicați că în această activitate elevii vor folosi procesul științific pentru a face analize mai organizate și concrete ale efectului diferitelor tipuri de lentile asupra comportamentului luminii. Explicați elevilor că se vor roti prin patru stații.
• Explicați că la fiecare stație vor trece lumina printr-un tip de lentilă și vor înregistra comportamentul fasciculelor de lumină pe măsură ce trec prin lentile.
• Instruiți elevii să observe și să înregistreze, cu desene și etichete, observațiile lor la fiecare stație:
  • Sursă de lumină
  • Rază incidentă
  • Raza refracta
  • Lentila concavă
  • Lentile convexe
  • Punct focal (nu este nevoie să introduceți distanța focală în acest punct sau să discutați relația dintre punctul focal și viziune dacă nu apare)
  • Note, concluzii, alte observații
• Împărțiți elevii în perechi. Alocați perechi stațiilor.
• Stabiliți așteptările pentru timpul petrecut la fiecare stație și numărul de aranjamente ale luminilor și obiectivului pe care vă așteptați ca elevii să măsoare și să înregistreze la fiecare stație.
• Circulați prin încăpere în timp ce echipele lucrează pentru a le observa eforturile. Ajutați echipele să-și configureze echipamentele, să identifice variabilele dependente și independente și să măsoare, să înregistreze și să deseneze rezultatele acestora.
• După caz, discutați cu elevii configurația lor experimentală, metodele lor de măsurare a poziției luminii, unghiul fasciculului de lumină care intră și trece prin lentilă și ce variabile vor menține constante atunci când se deplasează la următoarea stație. și următorul obiectiv.
• Dacă apare ocazia de a evidenția eforturile elevilor, țineți o discuție în clasă despre unele dintre observațiile pe care le-ați făcut. Rugați-i pe elevi să explice colegilor lor configurația experimentală, metodele de măsurare și înregistrare a rezultatelor și planurile de a menține munca consecventă de la stație la stație.
• Fii cu ochii pe timp. Oferiți elevilor suficient timp pentru a-și rearanja și măsura luminile de cel puțin două sau trei ori înainte de a se muta la o altă stație.
• Dați un „preavertisment” cu aproximativ 5 minute înainte ca elevii să se rotească la următoarea stație. Spune-le să-și termine munca la stația actuală.
• Cu 1-2 minute rămase, cereți elevilor să curețe și să restabilească stația la modul în care era când au găsit-o (sau mai bine). Dacă timpul vă permite, treceți la o altă stație. Dacă nu, explicați că studenții vor relua de unde au lăsat perioada următoare.

Rezumați și reflectați

Încheiați activitatea, încurajați echipele să-și împărtășească munca și trageți concluzii despre rezultate.

• Discutați și împărtășiți rezultatele și concluziile ca o clasă
  • Pătrat vs cerc
  • Lentilele concave produc un punct focal în fața lentilei
  • Lentilele convexe produc un punct focal în spatele lentilei
  • Distanța de la centrul lentilei la punctul focal se numește focală
  • lungime
  • Vocabularul adresat

ACTIVITATEA 3: CREAȚI-VĂ PROPRIILE LENTILE – DESIGN ȘI DOCUMENT (45-60 min)

Rezumat

Elevii se angajează în explorarea direcționată și folosesc ceea ce au învățat până acum, pentru a documenta un proces despre cum să creeze/proiecteze în mod fiabil lentile concave și convexe de diferite dimensiuni (lățimi).

Rezultatele învățării

În urma acestei activități, elevii vor fi capabili:

• Descrieți, demonstrați și înregistrați cum să tăiați atât o lentilă concavă, cât și una convexă din gelatină cu un tăietor circular pentru prăjituri.
• Trageți concluzii din dovezi despre modul în care se comportă calea luminii atunci când o variabilă dependentă (forma lentilei, dimensiunea, distanța de la sursa de lumină) se modifică.

Înainte de activitate, prezentați, discutați sau revizuiți

• Lentile concave și convexe
• Cum să documentezi un proces repetabil http://www.wikihow.com/Document-a-Process

Facilitați Activitatea

Vă sugerăm cu tărie să luați această perioadă de curs pentru a permite studenților o anumită perioadă de timp (15-20 de minute) să se lupte după ce le-ați arătat formele pe care trebuie să le creeze și le-ați dat materialele lor, în loc să le arătați în mod explicit elevilor cum să le creeze. creați formele. Odată ce și-au dat seama cum să creeze atât o lentilă concavă, cât și una convexă, vor documenta procesul pe care l-au folosit.

Această provocare pune bazele pentru înțelegerea a ceva de bază, dar nu intuitiv despre aceste tipuri de lentile – că sunt derivate din cercuri; iar înțelegerea mai avansată a matematicii care descrie proprietățile lentilelor se bazează pe această înțelegere. Această activitate practică simplă oferă studenților o experiență experiență intuitivă a relației dintre lentilele concave/convexe și cercuri.

• Introduceți provocarea de astăzi: documentați un proces despre cum să tăiați o lentilă convexă și o lentilă concavă
  • Concave: 2 -3 dimensiuni diferite
  • Convex: 2-3 dimensiuni diferite
• Oferiți fiecărei perechi de elevi un set de forme rotunde pentru prăjituri și o placă de gelatină de ~ 9" X 7".
• Acordați 15-20 de minute echipelor de studenți să experimenteze cu tăierea formelor lentilelor, concentrându-se pe documentarea unui proces repetabil și fiabil pentru utilizarea formelor rotunde pentru biscuiți pentru a proiecta lentile concave și convexe.
• Circulați prin încăpere în timp ce echipele lucrează pentru a le observa eforturile. Ajută echipele să-și instaleze echipamentul dacă este necesar.

Rezumați și reflectați

• Opriți elevii după 15-20 de minute pentru a ține o discuție în clasă despre munca elevilor. Rugați elevii să explice colegilor lor configurația experimentală și metodele de documentare a procesului.
• Ca o clasă, scrieți (documentați) procesul pe baza constatărilor și a contribuțiilor elevilor.

ACTIVITATEA 4: EXPERIMENTARE CU DIMENSIUNEA LENTILELOR (LĂȚIME) (45-60 min)

Rezumat

Folosind procesul documentat în ultima perioadă de curs, elevii se angajează în procesul științific de colectare și înregistrare a datelor și de a ajunge la o concluzie despre impactul variabilei dependente (lățimea lentilei) asupra distanței focale. Acest lucru este calitativ. Distanța focală devine mai lungă sau mai scurtă, de exemplu.

Înțelegerea modului în care dimensiunea (lățimea) lentilei și distanța de la sursa de lumină la obiectiv afectează distanța focală îi va ajuta pe elevi să proiecteze un sistem de lentile pentru a îmbunătăți vederea atunci când se angajează în provocarea finală.

• Elevii vor:
  • Design:
    • Concav: 2 -3 lățimi diferite
    • Convex: 2-3 lățimi diferite
  • Înregistrare: calea fasciculului ȘI distanța focală aproximativă
    • Lentile concave: 2 -3 lățimi diferite
    • Lentile convexe: 2-3 lățimi diferite
  • Încheiați relația calitativă dintre lățimea unui obiectiv și distanța focală
  • Terminologie și concepte:
    • Sursă de lumină
    • Lungimea focală – cum afectează modificarea lățimii lentilei distanța focală?

Înainte de activitate, prezentați, discutați sau revizuiți

• Diferența dintre variabile independente și dependente
• Care variabile sunt variabilele independente și dependente în activitatea de astăzi -
  • Lățimea lentilei ȘI distanța sursei de lumină de la lentilă sunt variabilele dependente care influențează rezultatul: distanța focală
• Definiția distanta focala și scurt, relația sa cu viziunea.
  • Sursa de lumină = obiectul (lumina care sare din obiect în ochi)
  • Lumina care intră în ochi trebuie să se concentreze direct pe retină pentru a se forma o imagine clară.
• Dacă preferați să introduceți mai multă matematică sau să treceți la distanța focală mai detaliat, Khan Academy vă oferă o imagine de ansamblu excelentă pentru referință:
  • Convex: https://www.khanacademy.org/science/physics/geometricoptics/lenses/v/convex-lenses
  • Concav: https://www.khanacademy.org/science/physics/geometricoptics/lenses/v/concave-lenses

Demonstrați/modelați modul de observare, măsurare și înregistrare

• Cum se determină distanța focală aproximativă atât a unei lentile concave, cât și a unei lentile convexe
• Ce se întâmplă cu comportamentul (calea) luminii ca variabilă dependentă, (lățimea lentilei), se schimbă.
• Revedeți sau introduceți vocabularul pe măsură ce demonstrați
  • Rază incidentă
  • Raza refractată
  • Lentila concavă
  • Lentile convexe
  • Distanta Focala

Facilitati activitatea:

Încurajează experimentarea sistematică cu lumină și lentile

• Prezentați scopul activității de astăzi:
  • Colectați date și trageți concluzii despre impactul dimensiunii (lățimii) lentilei asupra distanței focale
  • Colectați date și trageți concluzii despre impactul distanței de la sursa de lumină la lentilă asupra distanței focale
• Oferiți fiecărei perechi de elevi un set de materiale:
  • Set de forme rotunde pentru biscuiti
  • Placă de gelatină de 9” X 13”.
  • Set de trei Light Blox
• Dă-le elevilor instrucțiuni
  • Proiectați 3 lentile convexe cu lățimi diferite
  • Măsurați și înregistrați lățimea fiecărui obiectiv și distanța focală corespunzătoare
• Dă-le elevilor instrucțiuni
  • Proiectați 3 lentile concave cu lățimi diferite
  • Măsurați și înregistrați lățimea fiecărui obiectiv și distanța focală corespunzătoare
• Dă-le elevilor instrucțiuni
  • Măsurați și înregistrați modul în care se modifică distanța focală pe măsură ce se schimbă distanța dintre sursa de lumină și lentilă.
• Odată ce echipele și-au înregistrat măsurătorile și observațiile, activitatea se încheie.
• Oferiți-le elevilor timp pentru a-și finaliza munca, completând tabele de date și desene după cum este necesar.
• Pune timp deoparte pentru curățare.

Rezumat și Reflecție

Cereți echipelor să-și împărtășească rezultatele. Țineți o discuție la clasă în care echipele/indivizii explică ce au făcut, ce au observat și ce sens au rezultatelor. În funcție de abordarea dvs., este posibil să doriți să utilizați una dintre mai multe strategii active de învățare sau să invitați voluntari să deseneze sau să-și demonstreze munca în fața clasei.

• Folosind rezultatele elevilor, inclusiv desene și tabele de date, comparați diferența dintre trecerea unei lumini prin fiecare tip de lentilă.
• În clasă, discutați întrebări precum:
  • Ce se întâmplă cu distanța focală pe măsură ce lățimea lentilei crește sau scade?
  • Este același lucru pentru concav ca și pentru convex?
  • Rezultatele diferă în funcție de distanța de la lumină la lentilă?
  • Ce ai învățat despre lentilele convexe și concave care te vor ajuta cu provocarea finală?
• În clasă, discutați rezultatele experimentului. Întrebările de adresat includ, dar nu se limitează la:
  • Cum se schimbă punctul focal pe măsură ce obiectivul devine mai mic/mai mare?
  • Ce dovezi susțin aceste concluzii?
  • Cum diferă rezultatele între lentilele concave și cele convexe?
  • Cum ajută înțelegerea relației dintre forma și dimensiunea lentilelor și punctul focal la provocarea finală de a proiecta un sistem de lentile pentru a îmbunătăți vederea?
  • Dacă elevii au făcut o predicție despre punctul focal și dimensiunea lentilei, cum s-a comparat predicția lor cu rezultatele? Au fost rezultate surprinzătoare?
  • În activitatea finală vei fi provocat să creezi un sistem de lentile concepute pentru a îmbunătăți vederea. Ce ați învățat despre lentile și punctul focal care vă vor ajuta să faceți față provocării?
  • Amintiți-vă imaginile ochiului (normal, de aproape și de departe). Pe ce parte a diagramei ați dori ca lumina să se concentreze?

ACTIVITATEA 5: EXPERIMENTARE CU 2 SISTEME DE LENTILE (45-60 min)

Rezumat

Ca activitate finală în pregătirea pentru Provocarea de proiectare, elevii explorează comportamentul luminii pe măsură ce trece prin diferite combinații de perechi de lentile. În provocarea finală, elevii primesc o diagramă a ochiului unui pacient. O lentilă din sistem va reprezenta lentila găsită în ochi. Elevii vor trebui să proiecteze una sau mai multe lentile de gelatină pentru a corecta sau a îmbunătăți vederea pacientului lor. Combinația de lentile și alinierea lor trebuie să focalizeze lumina pe retină în diagrama ochiului pacientului.

Completați mai întâi ultima parte a diagramei KWL.

Rezultatele învățării

Ca rezultat al acestei lecții, elevii vor fi capabili să:

• Descrieți, demonstrați și înregistrați impactul unui sistem de două lentile asupra traseului luminii și distanței focale
  • 2 lentile convexe
  • 2 lentile concave
  • 1 lentilă concavă și 1 convexă
• Descrieți rolul lentilelor în diferite instrumente utilizate pentru a îmbunătăți vederea sau a focaliza imaginile
  • Camera
  • Telescop
  • Microscop
  • Lupă
• Descrieți rolul lentilelor în vederea umană
  • Ochiul uman conține o lentilă convexă
  • Vederea clară a omului se bazează pe capacitatea de a focaliza lumina în mod specific pe retină
  • Miopia și hipermetropia ca probleme comune de vedere
• Preziceți modul în care diverse lentile ar putea îmbunătăți vederea umană atunci când sunt prezente miopie sau hipermetropie.

Matematică opțională

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

Stabiliți scena pentru experimentarea cu mai multe lentile.

Ca o clasă, faceți o listă cu diverse instrumente care folosesc două sau mai multe lentile. Dacă elevii sugerează că ochiul combinat cu ochelarii de vedere este un sistem de lentile, explicați că în lecția finală vor aborda în mod specific această combinație. Deocamdată concentrați-vă pe instrumente precum telescoape, microscoape și binocluri.

Cereți elevilor să explice cum cred ei că funcționează diferitele instrumente și relațiile dintre lentile și lentile și lumină.

Explicați că în această activitate elevii vor explora combinații de lentile privind comportamentul luminii. Explicați-le că vor trece un fascicul de lumină prin două lentile pentru a observa și a înregistra rezultatele.

În clasă, discutați multele variabile din experiment, pe care să le schimbați și pe care să le păstrați aceleași. Unele variabile pe care elevii ar trebui să le recunoască includ:

• Distanța dintre lentile
• Combinație de tipuri de lentile pentru a crea perechi de lentile
• Poziția și distanța sursei de lumină până la lentile

Facilitați Activitatea

Explicați că în această activitate elevii trebuie să țină o evidență atentă a muncii lor. În funcție de timpul disponibil, puneți toate echipele să lucreze cu toate combinațiile de lentile sau împărțiți clasa în „grupuri de experți” și atribuiți-le responsabilitatea de a raporta clasei despre sistemul pe care l-au explorat.

Echipele ar trebui să experimenteze toate sau unele dintre următoarele combinații de lentile:

• Convex + Convex
• Concav + Concav
• Convex + Concav
• Completați mai întâi ultima parte a diagramei KWL
• Rugați elevii să-și planifice experimentul, să-și deseneze configurația și să facă un tabel de date în care să înregistreze rezultatele. Alternativ, desenați echipamentul pe tablă și distribuiți un tabel de date fiecărei echipe.
• Odată ce echipele demonstrează un plan adecvat pentru experimentele lor, oferiți-le gelatină și instrumente.
• Asigurați-vă că elevii explorează efectul combinațiilor de lentile ȘI efectul modificării distanței dintre lentile.
• Atrageți atenția asupra efectelor diferitelor combinații de lentile asupra comportamentului luminii.
• Atrageți atenția asupra efectelor modificării distanței dintre lentile asupra comportamentului luminii.
• Circulați prin încăpere pentru a observa elevii. După caz, implicați echipele într-o discuție despre procedurile lor experimentale, măsurători, observații și rezultate. Ajutați-i să-și conecteze metodele cu rezultatele lor.
• (Opțional) Rugați elevii să creeze „diagrame cu raze” pentru lentile, cum ar fi cea prezentată aici.

Rezumat și Reflecție

Încheiați experimentele efectuate de elevi. Ca clasă, revizuiți comportamentul luminii pe măsură ce trece prin diferite perechi de lentile și efectul modificării distanței dintre perechile de lentile.

• Dacă este necesar, acordați timp elevilor să revizuiască și să finalizeze lucrarea de la pasul anterior din lecție înainte de prezentare.
• Puneți echipelor să își împărtășească rezultatele. Încurajați elevii să facă referire la desene și date pentru a-și explica observațiile și concluziile.
• În clasă, discutați întrebări precum:
  • Ce se întâmplă cu punctul focal pe măsură ce mutați un obiectiv mai aproape sau mai departe de celălalt? Depinde de ce combinație de lentile folosiți?
  • Ce se întâmplă cu punctul focal al două lentile convexe
  • Ce se întâmplă cu punctul focal al două lentile concave?
  • Ce se întâmplă cu diferite combinații de lentile diferite?
  • Cum se aplică lucrul cu două (sau mai multe) lentile la provocarea finală de a proiecta un sistem de lentile pentru a îmbunătăți vederea unui pacient?
  • Ce combinații de lentile crezi că vor îmbunătăți vederea pentru un pacient miop?
  • Ce combinație de lentile crezi că va îmbunătăți vederea pentru un pacient cu hipermetropie?

OPTIONAL

• Experimentați cu combinații suplimentare de lentile.
• Cercetați modele ale diferitelor instrumente care folosesc lentile, cum ar fi telescoape, lasere, microscoape și binocluri.

Provocarea: Proiectați un sistem cu 2 lentile pentru a corecta o problemă de vedere (45-60 min)

Rezumat

Această activitate este axată pe conducerea elevilor printr-un proces de creare a unui sistem de lentile care corectează o problemă de vedere. Scopul lecției de activitate nu este de a proiecta lentila perfectă, ci de a înțelege ce înseamnă rezolvarea unei probleme cu procesul de inginerie. Acordați mult timp și niște limite structurate pentru a permite descoperirii să motiveze explorarea!

Cunoștințe și abilități anterioare

• Lumina se deplasează în linie dreaptă până când lovește un obiect sau călătorește de la un mediu la altul
• Tot ceea ce vedem este rezultatul luminii care intră în ochii noștri; cea mai mare parte a acestei lumini este reflectată
• Când lumina trece de la un mediu la altul (adică printr-o lentilă), lumina este îndoită sau refractă
• Forma și materialul lentilei influențează modul în care lumina se îndoaie
• Ochiul conține o lentilă care concentrează lumina pe retină. Vederea clară depinde de capacitatea cristalinului ochiului de a curba lumina care pătrunde în ochi, astfel încât imaginea să se formeze în mod specific pe retină.

Facilitati activitatea:

• Examinați și consultați diagrama KWL a studenților
• Distribuiți câte un set de Light Blox cu capacele cu fante PORNITE și două lentile din gelatină turnate (una convexă și una concavă) fiecărui grup de 3 elevi.
• Arată-le elevilor cum să aprindă luminile și acordă-le 3-5 minute pentru a explora modul în care lumina se mișcă prin lentile.
• Distribuie șablonul unui ochi cu vedere „normală”. Cereți elevilor să plaseze lentila convexă turnată „în” ochi pentru a vedea că lumina ajunge la un punct focal PE retină. Vederea depinde în mod clar de punctul focal care aterizează într-un anumit loc al ochiului, numit retină.
• Apoi, cereți elevilor să plaseze lentila convexă turnată pe șablonul unui ochi hipermetrope care necesită o corecție a vederii, deoarece lumina aterizează în locul greșit. Observați unde este punctul focal. Acest lucru nu creează o viziune bună!
• Cereți-le să definească problema și să speculeze o soluție... Ce ar putea „muta” punctul focal într-o altă locație. În acest moment, lăsați studenților ceva timp împreună cu lentilele concave și convexe, astfel încât să poată descoperi că lentila concavă mișcă punctul focal.
• Apoi, dați fiecărui grup câte un pătrat (~ 4” X 8”) de gelatină simplă preparată, cu rezistență dublă și 3 forme rotunde pentru prăjituri de diferite diametre.
• Explicați că cu această gelatină vor crea o A DOUA lentilă, pentru a corecta problema vederii. Materialele și instrumentele de care dispun sunt gelatina, cuțitul și formele de biscuiți!
• Rugați-i mai întâi elevilor să exerseze crearea de lentile concave și convexe cu ajutorul formelor de prăjituri și al gelatinei.
• Apoi, cereți elevilor să construiască lentile folosind tăieturi de prăjituri, cuțitul de plastic și gelatină, care vor corecta problemele de vedere demonstrate pe șabloane.
• Pe măsură ce studenții își creează, testează și își îmbunătățesc designul lentilelor, ei se implică în elementele esențiale ale procesului de inginerie folosind lentile și lumină.

Scopul este de a le permite elevilor să înțeleagă că lumina poate fi manipulată cu lentile - și că, făcând acest lucru, pot rezolva problemele. Va fi dificil să obțineți obiectivul potrivit. Pentru studenții mai avansați, puteți introduce distanța focală, raza de curbură și indicele de refracție ca metode matematice de creare a soluțiilor, mai degrabă decât abordarea „încercare și eroare” pe care o folosesc.

Lecția poate fi făcută în cel puțin o perioadă de clasă pentru elevii mai mari. Cu toate acestea, pentru a ajuta elevii să se simtă grăbiți și pentru a asigura succesul elevilor (în special pentru elevii mai tineri), împărțiți lecția în două perioade, oferindu-le elevilor mai mult timp pentru a face brainstorming, pentru a testa ideile și pentru a finaliza proiectarea lor. Efectuați testarea și descrierea în următoarea perioadă de curs.

Diagramele ochilor

Conexiuni la Internet

• https://www.bbc.co.uk

Activitate de scriere

Ce alte aplicații au lentilele în lumea noastră?

Alinierea la cadrele curriculare

Notă: Toate planurile de lecții din această serie sunt aliniate la standardele de informatică K-12 ale Asociației profesorilor de informatică, standardele de stat de bază comune ale SUA pentru matematică și, dacă este cazul, și cu principiile și standardele Consiliului național al profesorilor de matematică pentru matematică școlară, Standardele Asociației Internaționale de Educație Tehnologică pentru Alfabetizare Tehnologică și Standardele Naționale de Educație Științifică din SUA, care au fost produse de Consiliul Național de Cercetare.

Idei de bază disciplinare 

∙ PS4.B: Radiație electromagnetică

o Calea luminii poate fi urmărită ca linii drepte, cu excepția suprafețelor dintre diferite materiale transparente (de exemplu, aer și apă, aer și sticlă) unde calea luminii se îndoaie între medii. (MS-PS4-2)

∙ ETS1.A: Definirea și delimitarea problemelor de inginerie

o Cu cât criteriile și constrângerile unei sarcini de proiectare pot fi definite mai precis, cu atât este mai probabil ca soluția proiectată să aibă succes. Specificarea constrângerilor include luarea în considerare a principiilor științifice și a altor cunoștințe relevante care ar putea limita soluțiile posibile (MS-ETS1-1)

∙ ETS1.B: Dezvoltarea de soluții posibile

o O soluție trebuie testată și apoi modificată pe baza rezultatelor testului pentru a o îmbunătăți. MS-ETS-4)

Practici de știință și inginerie 

∙ Definiți o problemă de proiectare care poate fi rezolvată prin dezvoltarea unui obiect, unealtă, proces sau sistem și include mai multe criterii și constrângeri, inclusiv cunoștințe științifice care pot limita soluțiile posibile. (MS-ETS1-1)

∙ Dezvoltați și utilizați un model pentru a descrie fenomene (MS-PS4-2)

∙ Analizați și interpretați datele pentru a determina asemănările și diferențele dintre constatări. (MS ETS1-3)

Concepte transversale

∙ Structură și Funcție

o Structurile pot fi proiectate pentru a îndeplini anumite funcții, luând în considerare proprietățile diferitelor materiale și modul în care materialele pot fi modelate și utilizate (MS PSR-2)

o Structurile pot fi proiectate pentru a servi anumite funcții

Fișa de lucru pentru elev #1: Diagrama KWL

Nume student Data

Asistentele, medicii și inginerii lucrează împreună pentru a proiecta și construi ochelari de vedere și alte instrumente care îmbunătățesc vederea. În această provocare veți proiecta un sistem de lentile pentru a îmbunătăți vederea unui pacient.

Ce trebuie să știți despre ochiul uman și lentilele pentru a ajuta la îmbunătățirea vederii cuiva?

Utilizați organizatorul grafic KWL de mai jos pentru a enumera ceea ce știți, doriți să știți și ați învățat să proiectați ochelari de vedere pentru a îmbunătăți vederea cuiva

Fișa de lucru 2 pentru elev: Materiale și configurație experimentală

Nume student Data

Pentru a finaliza provocarea de proiectare de la sfârșitul acestei unități, va trebui să nu știți cum să orientați gelatina și luminile pentru a observa calea luminii pe măsură ce trece de la sursa de lumină printr-o bucată de gelatină.

Folosind cuvinte și/sau desene, descrieți și documentați calea luminii pe măsură ce trece prin gelatină: o Cu gelatina așezată pe masă o Cu gelatina NU este așezată plat pe masă

• 1 fascicul cu Light Blox așezat pe partea sa mai largă
• 1 fascicul cu Light Blox așezat pe partea sa mai îngustă
• 3 grinzi deodată

Fișa de lucru 3 pentru elev: Ray Tracing

Folosind cuvinte și desene, înregistrați traseul unui singur fascicul de lumină pe măsură ce trece de la sursa de lumină printr-o parte a lentilei în cealaltă parte a unei bucăți de gelatină; și trageți concluzii despre modul în care lumina călătorește printr-o bucată de gelatină cu a

• Suprafață plană/dreaptă
• Suprafata curbata
• Descrieți, demonstrați și înregistrați calea luminii pe măsură ce trece prin lentile convexe și concave (folosind 3 lumini)
• Identificați și definiți: lentila concavă, raza incidentă a lentilei convexe, raza refractată

  Fișa de lucru 4 pentru elev: Șablon de ochi