Oko na optiku

Súpravy

• Súpravy, ktoré obsahujú materiály k aktivitám, nájdete na: https://laserclassroom.com/product/eyes-on-optics-kit-a-gelatin-optics-engineering-project/

úvod

• Pracovný list študentov 1: Graf KWL - ULOŽTE na opätovné použitie v aktivite 5
• Normálne, hyperopické a krátkozraké očné diagramy/rozdávanie
• Pár okuliarov

Aktivita 1

• Pracovný list študenta č. 2: Materiály a experimentálne usporiadanie
• Pripravené želatínové dosky (pozri recept nižšie)
• Sada Light Blox (https://laserclassroom.com/light-blox/) ALEBO Laser Blox (https://laserclassroom.com/laser-blox/)
• Sada kruhových vykrajovačiek na sušienky
• Plastový nôž

Aktivita 2

• Pracovný list č. 3: Sledovanie lúčov
• Pripravené želatínové tvary
  • Tvarované konvexné šošovky
  • Tvarované konkávne šošovky
  • Štvorec želatíny (~ 3 "x 3")
  • Kruh želatíny (priemer ~ 3 ")
• Sada Light Blox (https://laserclassroom.com/light-blox/) ALEBO Laser Blox (https://laserclassroom.com/laser-blox/)

Aktivita 3

• 1 pripravená želatínová doska na tím
• 1 sada kruhových vykrajovačov cookie na tím
• 1 plastový nôž na tím

Aktivita 4

• 1 pripravená želatínová doska na tím
• 1 sada kruhových vykrajovačov cookie na tím
• 1 plastový nôž na tím

Aktivita 5

• Pracovný list študenta č. 1
• 1 pripravená želatínová doska na tím
• 1 sada kruhových vykrajovačov cookie na tím
• 1 plastový nôž na tím

Aktivita 6

• 1 pripravená želatínová doska na tím
• 1 sada kruhových vykrajovačov cookie na tím
• 1 plastový nôž na tím
• Šablóna pre oči
• Referenčný graf KWL

Design Challenge

• Sada Light Blox
• Sada tvarovaných šošoviek - jedna konkávna a jedna konvexná
• Doska želatíny
• Plastový nôž
• Rezačky súborov cookie
• Šablóna pre oči
• Vyplnený graf KWL z pracovného hárka č. 1

Recept na želatínu:

• Nasledujúci recept dáva dostatok gélu na asi šesť veľkých diskov:
  • 4 šálky vody
  • 8 obálok originálnej želatíny Knox
  • 1 kontajner s rozmermi 9 palcov x 7 palcov x 2 palcov
  • Prevarte vodu. Zmiešajte 4 šálky vriacej vody s 8 obalmi (alebo s pomerom vody a želatíny 1: 2) originálnej želatíny Knox.
• Pre aktivitu č. 2 nalejte zmes do foriem na šošovky.
• Pri všetkých ostatných činnostiach nalejte zmes do nádoby tak, aby bola hĺbka kvapaliny najmenej 0.75 palca. Želatínu dajte na noc do chladničky stuhnúť.

materiály

• Rôzne čisté a suché recyklovateľné materiály (plasty, sklo, kovové / hliníkové plechovky a papier) vo veľkom recyklačnom koši alebo škatuli
• Dlhý stôl alebo niekoľko krátkych stolov umiestnených spolu

Proces

Umiestnite dizajn na dlhý stôl (alebo na niekoľko krátkych stolov umiestnených spolu), do návrhu pridajte recyklovateľné materiály a dokumentujte, ako dobre každý dizajn triedi recyklovateľné materiály do samostatných košov.

Design Challenge

Ste súčasťou tímu inžinierov, ktorí čelia výzve navrhnúť systém šošoviek na zlepšenie zraku pacienta. Dokončíte 6 aktivít, aby ste sa dozvedeli o optike šošoviek a ľudského oka.

Kritériá

• Navrhnite a nakreslite systém na zlepšenie zraku pacienta.

obmedzenia

• Používajte iba dodané materiály.

Lekcia vyžaduje šesť 45-60 minútových vyučovacích hodín

PREDSTAVUJEME VÝZVU

zhrnutie
Táto lekcia sa končí návrhovou výzvou, otvoreným projektom, ktorý nabáda študentov klásť otázky, preberať iniciatívu a kreatívne myslieť. Výzvy v oblasti inžinierstva a dizajnu poskytujú kontext a zmysel pre využitie vedeckého procesu, rozvoj technických znalostí a zručností a úspech v modernej spoločnosti.

Na predstavenie tejto výzvy pre študentov sa študentom predkladá cieľ navrhnúť systém šošoviek na zlepšenie zraku pacienta, študenti identifikujú, čo vedia a potrebujú o optike šošoviek a ľudského oka, aby splnili výzvu.

Zručnosti a znalosti na pozadí

• Cesta svetla od zdroja (alebo predmetu) k očiam (voliteľná aktivita: Učebňa jaskyňa)
• Cesta svetla do ľudského oka: Sietnica a ohnisko
• Voliteľná aktivita - Experimentujte so svojou vlastnou víziou

Nastaviť na aktivitu

Rozdeľte študentov do tímov po 2 alebo 3. Pripravte si miesto na brainstormingové stretnutie o štruktúre a funkcii šošoviek a ľudského oka.

Držte si okuliare.

Požiadajte študentov, aby vysvetlili, ako okuliare fungujú na zlepšenie videnia. Nechajte študentov načrtnúť svoje návrhy, ak im to pomôže vyjadriť sa úplnejšie.

Vysvetlite triede, že táto lekcia sa končí návrhovou výzvou. Vysvetlite, že tímy študentov navrhnú systém šošoviek na zlepšenie videnia pre pacienta. Vysvetlite, že dostanú model oka pacienta a budú mať za úlohu navrhnúť sadu šošoviek na zlepšenie videnia pacienta.

Vysvetlite, že tímy budú musieť vysvetliť svoje rozhodnutia týkajúce sa dizajnu na základe údajov, ktoré zhromažďujú pri navrhovaní a testovaní šošoviek.

Diskutujte na hodine - opýtajte sa študentov:

• Ako okuliare fungujú?
• Ako sa skombinujú okuliare s okom, aby sa zlepšilo videnie?
• Sú ich rôzne druhy okuliarov? Ak áno, ako sa líšia a prečo?
• Ako podľa vás lekári zistili, aký typ šošoviek zlepší videnie?

Uľahčenie lekcie

Premietajte obrázky normálneho oka, hyperopického a myopického oka na obrazovku a/alebo distribuujte podklady tímom s týmito obrázkami.

Ako trieda skúmajte a diskutujte o rozdieloch medzi obrázkami. Pomôžte študentom porozumieť a zapamätať si nasledujúce skutočnosti:

• Identifikujte a porozumite základným funkciám štruktúr oka zobrazených na výkrese
• Objektív oka je v celom rozsahu rovnaký
• Vzdialenosť od šošovky k sietnici sa líši od oka k oku
• Sietnica sa nachádza na rovnakom mieste pre všetky oči
• Tvar každého oka ako celku je iný

Distribuujte študentom výzvu k scenáru a študentský pracovný list č. 1, graf KWL. Ako trieda si prečítajte a prečítajte si scenár. Umožnite študentom dokončiť KWL vo dvojiciach.

Zhrnutie a zamyslenie

Ako trieda si prečítajte scenár a požiadajte dobrovoľníkov, aby sa podelili s ich grafickými organizátormi KWL, a zhodnoťte, ako študenti chápu Design Challenge.

Položte študentom otázky ako:

• Ako by ste podľa vlastných slov opísali výzvu, ktorou ste boli poverení?
• Čo si myslíte, že potrebujete vedieť, aby ste navrhli systém šošoviek na zlepšenie videnia?
• Čo už rozumiete ľudskému oku a vízii, ktoré vám pomôžu zvládnuť túto výzvu?
• Čo už chápete o povahe šošoviek, ktoré vám pomôžu zvládnuť túto výzvu?
• Čo si myslíte, že sa musíte naučiť zvládnuť dizajnovú výzvu?

ČINNOSŤ 1: PRESKÚMAME SVETLO A GELATÍN (45-60 min.)

zhrnutie

Cieľom tejto aktivity je, aby študenti našli a zdokumentovali najefektívnejší spôsob pozorovania a zaznamenávania dráhy svetla, ktoré opúšťa svetelný zdroj a prechádza cez a potom von zo želatíny.

Študenti budú mať otvorenú príležitosť skúmať materiály a pracovať s nimi, robiť a zdieľať pozorovania a vybudovať si základné chápanie vzťahu medzi tvarmi želatíny a svetlom. Tento otvorený prieskum podporuje kreativitu a riešenie problémov, ktoré sú užitočné pri riešení poslednej výzvy pri navrhovaní systému šošoviek na zlepšenie videnia.

Výsledky vzdelávania

Vďaka tejto činnosti budú študenti schopní:

• Orientujte želatínu a svetlá tak, aby pozorovali cestu svetla, ako prechádza zo zdroja svetla cez kúsok želatíny
• Popíšte a zdokumentujte cestu svetla, ako prechádza cez želatínu

o Želatínu položenú na stole

o Želatína NIE je položená na stole

o 1 lúč s Light Blox sediacim na jeho širšej strane

o 1 lúč s Light Blox sediacim na užšej strane

o 3 lúče naraz

Predchádzajúce znalosti a zručnosti

Pred začiatkom aktivity 1:

• Na konci tejto lekcie by študenti mali porozumieť výzve na návrh. Pozrite si vyššie uvedenú časť „Predstavujeme výzvu“.
• Predstavte zastrešujúci cieľ prieskumnej činnosti: Nájsť a zdokumentovať najefektívnejší spôsob pozorovania a zaznamenávania dráhy svetla, ktoré opúšťa svetelný zdroj a prechádza cez a potom von zo želatíny.

Ukážka/model, ako zmerať a zaznamenať nasledujúce:

• Ukážte študentom sadu materiálov a ukážte, ako pomocou vykrajovátka a plastového noža vytvárať rôzne tvarované kusy želatíny.
• Ukážte študentom, ako manipulovať s tvarmi tak, aby presvecovali svetlá každým povrchom.
• Ukážte študentom dva rôzne spôsoby orientácie svetiel prechádzajúcich cez želatínu.

Uľahčenie aktivity

Podporujte kreativitu, skúmanie a dokumentáciu

• Model skúmajte a experimentujte s materiálmi
• Rozdajte študentský pracovný list č. 2 a modelujte, ako zaznamenávať pozorovania
• Ukážte, ako dokumentovať:
  • Veľkosť a tvar ich kusu želatíny
  • Orientácia želatíny a svetla (svetiel)
  • Celá dráha svetelného lúča sa začína, keď opúšťa svetelný blok, ako prechádza a potom von zo želatíny
  • Vytvorte tímy a distribuujte zdroje. Zaistite, aby mal každý tím prístup k „doštičke želatíny“ na rezanie, vykrajovátka, plastový nôž, Light Blox (alebo iný zdroj svetla), list papiera a záznamové materiály.
• Zhasnite svetlá, ak je to bezpečné a možné
• Cirkulujte po triede a sledujte tímy, ako sa študenti pripravujú a organizujú svoje vybavenie.
• Cirkulujte v miestnosti a sledujte, ako študenti pracujú. Ako tímy pracujú, sledujte ich snahy presvetliť Light Blox cez želatínu, pomôcť jednotlivcom alebo tímom, ktoré majú problém so správou a nastavením zariadenia.
• Podľa potreby zapojte študentov do diskusie o svojich aktivitách. Položte študentom otvorené otázky o ich úsilí usporiadať zariadenie, rezať tvary, orientovať svetlá, zaznamenávať, čo pozorujú, a ako dávajú svojim pozorovaniam zmysel.
• Ak je to vhodné, zastavte triedu a podeľte sa o prácu jedného alebo viacerých tímov s inými tímami. Využite tieto prerušenia na zvýraznenie pozitívnych príkladov prieskumu vrátane, ale nie výlučne, kreatívneho dizajnu, metód na zarovnanie svetiel, želatíny a obrazovky, vedenia záznamov a tímovej práce.

Počas celého obdobia pripomínajte študentom, aby si viedli podrobnú evidenciu o svojej práci, na ktorú ju budú odkazovať v následnej diskusii.

Zhrňte a premýšľajte

Ukončite aktivitu, povzbudzujte tímy, aby sa podelili o svoju prácu, a vyvodzujte závery o výsledkoch.

• Ako trieda diskutujte o zisteniach študentov
  • Ako najlepšie orientovať želatínu a svetlá tak, aby pozorovali dráhu svetla pri jeho prechode želatínou
  • Ako tvar želatíny ovplyvňuje dráhu svetla pri jeho prechode želatinou
  • Pripomeňme, že v budúcnosti navrhnete systém šošoviek na zlepšenie ľudského videnia. Čo ste dnes urobili a naučili ste sa, čo platí pre túto výzvu?
  • Ako trieda sa dohodnite na postupe sledovania dráhy svetla pri jeho výstupe zo zdroja svetla, pri prechode cez želatínu a potom von zo želatíny.

Čo sa deje? Definícia lomu a odkaz na ďalšie informácie. Voliteľné: kinestetická refrakčná aktivita http://laserclassroom.com/products/kinesthetic-model-refraction/

ČINNOSŤ 2: EXPERIMENT S Tvarom šošovky (45-60 min.)

zhrnutie

Študenti používajú vedecký proces na odhalenie kvalitatívne vzťah medzi svetlom a tvarom (konkávny, konvexný, štvorec, kruh) šošovky.

Výsledky vzdelávania

Výsledkom tejto aktivity bude, že študenti budú schopní zaznamenať dráhu jedného svetelného lúča pri prechode zo zdroja svetla cez jednu stranu šošovky na druhú stranu kúska želatíny; a vyvodiť závery o tom, ako svetlo prechádza kusom želatíny s a

• Rovný/rovný povrch
• Zakrivený povrch
• Popíšte, ukážte a zaznamenajte dráhu svetla, ktoré prechádza konvexnou aj konkávnou šošovkou (pomocou troch svetiel)
• Identifikujte a definujte: konkávna šošovka, dopadajúci lúč konvexnej šošovky, lomený lúč

Predchádzajúce znalosti a zručnosti

Recenzia na začiatku aktivity:

• Ako orientovať želatínu a svetlá (z predchádzajúcej aktivity)
• Ako zaznamenať cestu svetla pri prechode želatínou (z predchádzajúcej aktivity)

Nastaviť na aktivitu

Nastavte 4 stanice

• 3 Svetlý Blox a kruh želatíny
• 3 Svetlý Blox a štvorec želatíny
• 3 svetlá a tvarovaná konvexná šošovka
• 3 svetlá a tvarovaná konkávna šošovka

Pred začiatkom experimentu: Vysvetlite vedecký postup

• Podporujte systematické štúdium svetla a šošoviek. Na každom stanovišti nechajú študenti zdokumentovať svoje postrehy kresbou vrátane príslušných štítkov (dopadajúce a lámané lúče, konkávna alebo konvexná šošovka)
• Rozdiel medzi nezávislými a závislými premennými
• Ktoré premenné sú nezávislé a závislé premenné na každej stanici
• Závislou premennou je tvar šošovky - konkávny alebo konvexný
• Ďalšie kroky vo vedeckom procese, od ktorých očakávate, že budú študenti postupovať, od vyslovenia hypotézy po vyvodenie záverov.
• VEDECKÝ PROCES: https://nces.ed.gov/nceskids/help/user_guide/graph/variables.asp

Ukážka/model, ako zmerať a zaznamenať nasledujúce:

• Poloha a vzdialenosť od svetelných zdrojov k šošovke
• Čo sa stane s dráhou svetla ako závislou premennou (tvar šošovky), sa zmení.
• Správanie sa svetla pri prechode šošovkou
• Pri predvádzaní si prečítajte slovnú zásobu
  • Dopadajúci lúč
  • Lámaný lúč
  • Konkávna šošovka
  • Vypuklá šošovka
  • Ohnisko

Uľahčite aktivitu

• Rozdajte pracovný list študenta č. 3
• Vysvetlite, že v tejto aktivite študenti použijú vedecký postup na organizovanejšie a konkrétnejšie analýzy účinku rôznych typov šošoviek na správanie svetla. Vysvetlite študentom, že budú rotovať cez štyri stanovištia.
• Vysvetlite, že na každej stanici budú prechádzať svetlom cez jeden typ šošoviek a zaznamenávať správanie sa svetelných lúčov pri ich prechode šošovkami.
• Naučte študentov, aby pozorovali a zaznamenávali kresby a štítky a svoje postrehy na každom stanovišti:
  • Zdroj svetla
  • Incident Ray
  • Zlomený lúč
  • Konkávna šošovka
  • Vypuklá šošovka
  • Ohniskový bod (v tomto mieste nie je potrebné uvádzať ohniskovú vzdialenosť ani diskutovať o vzťahu medzi ohniskovým bodom a víziou, pokiaľ nenastane)
  • Poznámky, závery, ďalšie pozorovania
• Rozdeľte študentov do dvojíc. Priraďte dvojice k staniciam.
• Nastavte očakávania pre čas strávený na každej stanici a počet usporiadaní svetiel a objektívu, ktorý študenti odmerajú a zaznamenajú na každej stanici.
• Cirkulujte v miestnosti, keď tímy sledujú ich úsilie. Pomáha tímom nastaviť svoje zariadenie, identifikovať závislé a nezávislé premenné a merať, zaznamenávať a kresliť ich výsledky.
• Podľa potreby prediskutujte so študentmi ich experimentálne usporiadanie, metódy merania polohy svetla, uhla lúča svetla vstupujúceho a prechádzajúceho cez šošovku a aké premenné budú udržiavať konštantné, keď sa presunú na ďalšiu stanicu. a ďalší objektív.
• Ak sa vyskytne príležitosť na zvýraznenie úsilia študentov, zorganizujte v triede diskusiu o niektorých postrehoch, ktoré ste urobili. Nechajte študentov, aby svojim rovesníkom vysvetlili svoje experimentálne usporiadanie, metódy merania a zaznamenávania výsledkov a plány, ako udržať svoju prácu konzistentnú zo stanice na stanicu.
• Sledujte čas. Dajte študentom dostatok času na prestavbu a zmeranie ich osvetlenia najmenej dvakrát alebo trikrát, než sa presunú na inú stanicu.
• Poskytnite „predbežné varovanie“ asi 5 minút predtým, ako sa študenti otočia na ďalšiu stanicu. Povedzte im, aby dokončili svoju prácu na súčasnej stanici.
• Keď zostanú 1 až 2 minúty, nechajte študentov vyčistiť a obnoviť stanicu tak, ako bola, keď ju našli (alebo lepšiu). Ak to čas dovolí, otočte na inú stanicu. Ak nie, vysvetlite, študenti pokračujú tam, kde prestali v nasledujúcom období.

Zhrňte a premýšľajte

Ukončite aktivitu, povzbudzujte tímy, aby sa podelili o svoju prácu, a vyvodzujte závery o výsledkoch.

• Diskutujte a zdieľajte výsledky a závery ako trieda
  • Štvorec vs. kruh
  • Konkávne šošovky vytvárajú ohniskový bod pred šošovkou
  • Konvexné šošovky vytvárajú ohnisko v zadnej časti šošovky
  • Vzdialenosť od stredu šošovky k ohnisku sa nazýva ohnisková vzdialenosť
  • dĺžka
  • Adresný slovník

ČINNOSŤ 3: VYTVORTE SI VLASTNÉ šošovky - NÁVRH A DOKUMENT (45-60 min.)

zhrnutie

Študenti sa zaoberajú cieleným prieskumom a používajú to, čo sa doteraz naučili, na dokumentovanie postupu, ako spoľahlivo vytvárať/navrhovať konkávne a konvexné šošovky rôznych veľkostí (šírok).

Výsledky vzdelávania

Vďaka tejto činnosti budú študenti schopní:

• Popíšte, demonštrujte a zaznamenajte, ako pomocou kruhového vykrajovača vystrihnúť z želatíny konkávnu aj konvexnú šošovku.
• Vyvodzujte závery z dôkazov o tom, ako sa dráha svetla správa, keď sa mení závislá premenná (tvar šošovky, veľkosť, vzdialenosť od zdroja svetla).

Pred aktivitou sa predstavte, diskutujte alebo skontrolujte

• Konkávne a konvexné šošovky
• Ako dokumentovať opakovateľný proces http://www.wikihow.com/Document-a-Process

Uľahčite aktivitu

Dôrazne odporúčame, aby ste počas tejto vyučovacej hodiny nechali študentov určitý čas (15-20 minút) na boj potom, čo ste im ukázali tvary, ktoré majú vytvoriť a dali im svoje materiály, než aby ste študentom výslovne ukázali, ako vytvárať tvary. Akonáhle prídu na to, ako vytvoriť konkávnu aj konvexnú šošovku, zdokumentujú postup, ktorý použili.

Táto výzva položila základ pre pochopenie niečoho základného, ​​ale nie intuitívneho o týchto druhoch šošoviek - že sú odvodené z kruhov; a pokročilejšie chápanie matematiky, ktorá popisuje vlastnosti šošoviek, závisí od tohto porozumenia. Táto jednoduchá praktická aktivita dáva študentom zážitkový a intuitívny zážitok zo vzťahu medzi konkávnymi/konvexnými šošovkami a kruhmi.

• Predstavte výzvu pre dnešok: Zdokumentujte postup, ako rezať konvexnú a konkávnu šošovku
  • Konkávne: 2 -3 rôzne veľkosti
  • Konvexné: 2-3 rôzne veľkosti
• Dajte každému páru študentov sadu okrúhlych vykrajovačiek na pečenie a dosku asi 9 x 7 palcov želatíny.
• Nechajte tímy študentov 15-20 minút experimentovať s vyrezávaním tvarov šošoviek so zameraním na dokumentovanie opakovateľného a spoľahlivého postupu na používanie okrúhlych vykrajovačiek na navrhovanie konkávnych a konvexných šošoviek.
• Cirkulujte v miestnosti, keď tímy sledujú ich úsilie. V prípade potreby pomôžte tímom s nastavením zariadenia.

Zhrňte a premýšľajte

• Po 15-20 minútach zastavte študentov, aby v triede diskutovali o práci študentov. Nechajte študentov, aby svojim rovesníkom vysvetlili svoje experimentálne usporiadanie a metódy dokumentovania postupu.
• Ako trieda napíšte (dokumentujte) postup na základe zistení a vstupov študentov.

ČINNOSŤ 4: EXPERIMENT S VEĽKOSŤOU ŠOŠOVKY (ŠÍRKA) (45-60 min.)

zhrnutie

Pomocou postupu dokumentovaného v poslednom školskom období sa študenti zapoja do vedeckého procesu zhromažďovania a zaznamenávania údajov a dospejú k záveru o vplyve závislej premennej (šírky šošovky) na ohniskovú vzdialenosť. Toto je kvalitatívne. Ohnisková vzdialenosť sa napríklad predĺži alebo skráti.

Pochopenie toho, ako veľkosť (šírka) šošovky a vzdialenosť od svetelného zdroja k šošovke ovplyvňuje ohniskovú vzdialenosť, pomôže študentom navrhnúť systém šošoviek na zlepšenie videnia, keď sa zapoja do poslednej výzvy.

• Študenti:
  • Dizajn:
    • Konkávne: 2 -3 rôzne šírky
    • Konvexné: 2-3 rôzne šírky
  • Záznam: Dráha lúča A približná ohnisková vzdialenosť
    • Konkávne šošovky: 2 -3 rôzne šírky
    • Konvexné šošovky: 2-3 rôzne šírky
  • Uveďte kvalitatívny vzťah medzi šírkou šošovky a ohniskovou vzdialenosťou
  • Terminológia a pojmy:
    • Zdroj svetla
    • Ohnisková vzdialenosť - ako zmena šírky objektívu ovplyvní ohniskovú vzdialenosť?

Pred aktivitou sa predstavte, diskutujte alebo skontrolujte

• Rozdiel medzi nezávislými a závislými premennými
• Ktoré premenné sú nezávislé a závislé premenné v dnešnej činnosti -
  • Šírka šošovky A vzdialenosť svetelného zdroja od šošovky sú závislé premenné, ktoré ovplyvňujú výsledok: ohnisková vzdialenosť
• Vymedzenie pojmu ohnisková vzdialenosť a krátko, jeho vzťah k vízii.
  • Svetelný zdroj = predmet (svetlo odrážajúce sa od predmetu do oka)
  • Svetlo, ktoré vstupuje do oka, sa musí zamerať priamo na sietnicu, aby sa vytvoril jasný obraz.
• Ak dávate prednosť zavedeniu väčšej matematiky alebo podrobnejšej ohniskovej vzdialenosti, Khan Academy ponúka vynikajúci prehľad pre vašu referenciu:
  • Konvexné: https://www.khanacademy.org/science/physics/geometricoptics/lenses/v/convex-lenses
  • konkávne: https://www.khanacademy.org/science/physics/geometricoptics/lenses/v/concave-lenses

Ukážte/modelujte, ako pozorovať, merať a zaznamenávať

• Ako určiť približnú ohniskovú vzdialenosť konkávnej a konvexnej šošovky
• Čo sa stane so správaním (dráhou) svetla ako závislej premennej (šírka šošovky), sa zmení.
• Prezentujte alebo si predstavte slovnú zásobu
  • Dopadajúci lúč
  • Lámaný lúč
  • Konkávna šošovka
  • Vypuklá šošovka
  • Ohnisková vzdialenosť

Uľahčiť aktivitu:

Podporujte systematické experimentovanie so svetlom a šošovkami

• Predstavte cieľ aktivity na dnešný deň:
  • Zhromažďujte údaje a vyvodzujte závery o vplyve veľkosti (šírky) šošovky na ohniskovú vzdialenosť
  • Zhromažďujte údaje a vyvodzujte závery o vplyve vzdialenosti od zdroja svetla k šošovke na ohniskovú vzdialenosť
• Dajte každému páru študentov sadu materiálov:
  • Sada okrúhlych vykrajovačiek
  • Doska želatíny s rozmermi 9 x 13 palcov
  • Sada troch svetlých bloxov
• Dajte študentom pokyny
  • Navrhnite 3 konvexné šošovky s rôznou šírkou
  • Zmerajte a zaznamenajte šírku každého objektívu a jeho zodpovedajúcu ohniskovú vzdialenosť
• Dajte študentom pokyny
  • Navrhnite 3 konkávne šošovky s rôznou šírkou
  • Zmerajte a zaznamenajte šírku každého objektívu a jeho zodpovedajúcu ohniskovú vzdialenosť
• Dajte študentom pokyny
  • Zmerajte a zaznamenajte, ako sa mení ohnisková vzdialenosť so zmenou vzdialenosti medzi zdrojom svetla a šošovkou.
• Keď tímy zaznamenajú svoje merania a pozorovania, aktivita sa skončí.
• Poskytnite študentom čas na dokončenie práce a dokončenie tabuliek s údajmi a výkresov podľa potreby.
• Na upratovanie si vyhraďte čas.

Zhrnutie a zamyslenie

Požiadajte tímy, aby sa podelili o svoje výsledky. Uskutočnite diskusiu v triede, v ktorej tímy/jednotlivci vysvetlia, čo urobili, čo pozorovali a aký majú zmysel pre výsledky. V závislosti od vášho prístupu možno budete chcieť použiť jednu z niekoľkých aktívnych vzdelávacích stratégií alebo pozvať dobrovoľníkov, aby nakreslili alebo predviedli svoju prácu pred triedou.

• Pomocou výsledkov študentov, vrátane kresieb a tabuliek s údajmi, porovnajte rozdiel medzi prechodom svetla každým typom šošovky.
• Ako trieda diskutujte o nasledujúcich otázkach:
  • Čo sa stane s ohniskovou vzdialenosťou so zväčšením alebo zmenšením šírky šošovky?
  • Je to rovnaké pre konkávne ako pre konvexné?
  • Líšia sa výsledky so vzdialenosťou svetla od šošovky?
  • Čo ste sa dozvedeli o konvexných a konkávnych šošovkách, ktoré vám pomôžu pri poslednej výzve?
• Ako trieda diskutujte o výsledkoch experimentu. Otázky, ktoré je potrebné zodpovedať, zahŕňajú, ale nie sú obmedzené na:
  • Ako sa zmení ohniskový bod, keď sa objektív zmenší/zväčší?
  • Aké dôkazy podporujú tieto závery?
  • Ako sa líšia výsledky medzi konkávnymi a konvexnými šošovkami?
  • Ako pomôže porozumenie vzťahu medzi tvarom a veľkosťou šošovky a ohniskovým bodom pri konečnej výzve navrhnúť systém šošoviek na zlepšenie videnia?
  • Ak študenti predpovedali ohniskový bod a veľkosť šošovky, ako sa ich predpoveď porovnala s výsledkami? Boli nejaké výsledky prekvapujúce?
  • V záverečnej aktivite budete vyzvaní, aby ste vytvorili systém šošoviek určených na zlepšenie videnia. Čo ste sa dozvedeli o šošovkách a ohnisku, ktoré vám pomôžu zvládnuť túto výzvu?
  • Pripomeňte si obrazy oka (normálne, blízke a ďalekozraké). Na ktorú časť diagramu chcete, aby svetlo zaostrovalo?

AKTIVITA 5: EXPERIMENT S 2 SYSTÉMMI ŠOŠOVKY (45-60 min.)

zhrnutie

Ako svoju poslednú aktivitu v rámci prípravy na výzvu Design Challenge študenti skúmajú správanie sa svetla pri prechode rôznymi kombináciami párov šošoviek. V záverečnej výzve študenti dostanú diagram oka pacienta. Jedna šošovka v systéme bude predstavovať šošovku nachádzajúcu sa v oku. Študenti budú musieť navrhnúť jednu alebo viac želatínových šošoviek na korekciu alebo zlepšenie videnia svojho pacienta. Kombinácia šošoviek a ich zarovnanie musí zamerať svetlo na sietnicu v diagrame pacienta.

PRVÉ vyplňte poslednú časť grafu KWL.

Výsledky vzdelávania

Vďaka tejto lekcii budú študenti schopní:

• Popíšte, demonštrujte a zaznamenajte vplyv systému dvoch šošoviek na dráhu svetla a ohniskovú vzdialenosť
  • 2 konvexné šošovky
  • 2 konkávne šošovky
  • 1 konkávna a 1 konvexná šošovka
• Popíšte úlohu šošoviek v rôznych nástrojoch používaných na zlepšenie videnia alebo zaostrenia obrazu
  • fotoaparát
  • Ďalekohľad
  • Mikroskop
  • Zväčšovacie sklo
• Popíšte úlohu šošoviek v ľudskom zraku
  • Ľudské oko obsahuje konvexnú šošovku
  • Jasné ľudské videnie sa spolieha na schopnosť zamerať svetlo konkrétne na sietnicu
  • Krátkozrakosť a ďalekozrakosť ako bežné problémy so zrakom
• Predpovedajte, ako môžu rôzne šošovky zlepšiť ľudský zrak, ak sú prítomné krátkozrakosť alebo ďalekozrakosť.

Voliteľná matematika

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

Pripravte si pôdu na experimentovanie s viacerými šošovkami.

Ako trieda si vytvorte zoznam rôznych nástrojov, ktoré používajú dva alebo viac objektívov. Ak študenti navrhnú, aby oko kombinované s okuliarmi bolo systémom šošoviek, vysvetlite, že v záverečnej lekcii sa budú konkrétne venovať tejto kombinácii. Teraz sa zamerajte na prístroje, ako sú teleskopy, mikroskopy a ďalekohľady.

Požiadajte študentov, aby vysvetlili, ako si myslia, že rôzne nástroje fungujú, a vzťahy medzi šošovkami a šošovkami a svetlom.

Vysvetlite, že v tejto aktivite študenti preskúmajú kombinácie šošoviek o správaní svetla. Vysvetlite, že prejdú lúčom svetla cez dve šošovky, aby pozorovali a zaznamenali výsledky.

Ako trieda diskutujte o mnohých premenných v experimente, ktoré treba zmeniť a ktoré ponechať rovnaké. Niektoré premenné, ktoré by študenti mali rozpoznať, zahŕňajú:

• Vzdialenosť medzi šošovkami
• Kombinácia typov šošoviek na vytvorenie párov šošoviek
• Poloha a vzdialenosť svetelného zdroja od šošoviek

Uľahčite aktivitu

Vysvetlite, že pri tejto aktivite si študenti musia viesť starostlivé záznamy o svojej práci. V závislosti od času, ktorý máte k dispozícii, nechajte všetky tímy pracovať so všetkými kombináciami šošoviek alebo rozdeľte triedu do „expertných skupín“ a zverte im zodpovednosť za podávanie správ triede o systéme, ktorý skúmali.

Tímy by mali experimentovať so všetkými alebo niektorými z nasledujúcich kombinácií šošoviek:

• Konvexné + konvexné
• Konkávne + konkávne
• Konvexné + konkávne
• PRVÉ vyplňte poslednú časť grafu KWL
• Nechajte študentov naplánovať svoj experiment, nakresliť ich nastavenie a vytvoriť údajovú tabuľku, do ktorej sa budú zaznamenávať výsledky. Prípadne nakreslite zostavu zariadenia na tabuľu a distribuujte tabuľku údajov každému tímu.
• Hneď ako tímy predvedú vhodný plán svojich experimentov, poskytnite im želatínu a nástroje.
• Uistite sa, že študenti preskúmajú vplyv kombinácií šošoviek A vplyv zmeny vzdialenosti medzi šošovkami.
• Upozornite na vplyvy rôznych kombinácií šošoviek na správanie sa svetla.
• Upozornite na vplyvy zmeny vzdialenosti medzi šošovkami na správanie svetla.
• Cirkulujte v miestnosti a sledujte študentov. Podľa potreby zapojte tímy do diskusie o svojich experimentálnych postupoch, meraniach, pozorovaniach a výsledkoch. Pomôžte im prepojiť ich metódy s ich výsledkami.
• (Voliteľné) Nechajte študentov vytvoriť „lúčové diagramy“ pre šošovky, ako sú tie, ktoré sú tu zobrazené.

Zhrnutie a zamyslenie

Ukončiť experimenty, ktoré študenti vykonali. Ako trieda si prečítajte správanie svetla pri prechode rôznymi pármi šošoviek a vplyv zmeny vzdialenosti medzi pármi šošoviek.

• Ak je to potrebné, dajte študentom čas, aby si pred prezentáciou mohli prečítať a dokončiť prácu z predchádzajúceho kroku v lekcii.
• Nechajte tímy zdieľať svoje výsledky. Povzbudzujte študentov, aby sa odvolávali na výkresy a údaje a vysvetlili im svoje postrehy a závery.
• Ako trieda diskutujte o nasledujúcich otázkach:
  • Čo sa stane s ohniskom, keď posuniete jeden objektív bližšie alebo ďalej od druhého? Záleží na tom, akú kombináciu šošoviek používate?
  • Čo sa stane s ohniskom dvoch konvexných šošoviek
  • Čo sa stane s ohniskom dvoch konkávnych šošoviek?
  • Čo sa stane s rôznymi kombináciami rôznych šošoviek?
  • Ako sa práca s dvoma (alebo viacerými) šošovkami vzťahuje na konečnú výzvu navrhnúť systém šošoviek na zlepšenie zraku pacienta?
  • Ktoré kombinácie šošoviek podľa vás zlepšia videnie krátkozrakého pacienta?
  • Ktorá kombinácia šošoviek podľa vás zlepší zrak ďalekozrakého pacienta?

VOLITEĽNÉ

• Experimentujte s ďalšími kombináciami šošoviek.
• Výskum návrhov rôznych nástrojov, ktoré používajú šošovky, ako sú teleskopy, lasery, mikroskopy a ďalekohľady.

Úloha: Navrhnúť systém s 2 šošovkami na opravu problému so zrakom (45-60 min)

zhrnutie

Táto aktivita je zameraná na prevedenie študentov procesom vytvorenia systému šošoviek, ktorý opravuje problém so zrakom. Cieľom hodiny aktivity nie je navrhnúť perfektný objektív, ale porozumieť tomu, čo je súčasťou riešenia problému s inžinierskym procesom. Nechajte dostatok času a niektoré štruktúrované hranice, aby objav mohol motivovať prieskum!

Predchádzajúce znalosti a zručnosti

• Svetlo sa pohybuje v priamke, kým nenarazí na predmet alebo neprechádza z jedného média do druhého
• Všetko, čo vidíme, je výsledkom svetla, ktoré vstupuje do našich očí; väčšina toho svetla sa odráža
• Keď svetlo prechádza z jedného média do druhého (tj. Cez šošovku), svetlo sa ohne alebo láme
• Tvar a materiál šošovky ovplyvňujú to, ako sa svetlo ohýba
• Oko obsahuje šošovku, ktorá sústreďuje svetlo na sietnicu. Jasné videnie závisí od schopnosti očnej šošovky ohýbať svetlo vstupujúce do oka tak, aby sa obraz tvoril špecificky na sietnici

Uľahčiť aktivitu:

• Prezrite si tabuľku KWL študentov a pozrite sa na ňu
• Každej skupine 3 študentov rozdajte jednu sadu Light Blox so zapnutými štrbinovými krytkami a dve tvarované želatínové šošovky (jedna konvexná a jedna konkávna).
• Ukážte študentom, ako zapnúť svetlo, a dajte im 3-5 minút na to, aby preskúmali, ako sa svetlo pohybuje cez šošovky.
• Rozdajte šablónu oka s „normálnym“ videním. Nechajte študentov vložiť tvarovanú konvexnú šošovku „do“ oka, aby videli, že svetlo prichádza do ohniska na sietnici. Zrak jasne závisí od toho, ako ohnisko pristane na konkrétnom mieste oka, ktoré sa nazýva sietnica.
• Ďalej nechajte študentov položiť tvarovanú konvexnú šošovku na šablónu hyperopického oka, ktoré potrebuje korekciu videnia, pretože svetlo dopadá na nesprávne miesto. Všimnite si, kde je ústredný bod. To nevytvára dobrú víziu!
• Požiadajte ich, aby definovali problém a špekulovali riešenie ... Čo by mohlo „presunúť“ ústredné miesto na iné miesto. V tomto okamihu nechajte študentom nejaký čas spoločne s konkávnymi aj konvexnými šošovkami, aby mohli zistiť, že konkávna šošovka pohybuje v ohniskovom bode.
• Potom dajte každej skupine štvorec (~ 4 x 8 palcov) pripravenej hladkej želatíny s dvojitou pevnosťou a 3 okrúhle vykrajovače na koláče rôznych priemerov.
• Vysvetlite, že s touto želatínou vytvoria DRUHÚ šošovku na opravu problému so zrakom. Materiály a nástroje, ktoré majú k dispozícii, sú krájače želatíny, nožov a sušienok!
• Požiadajte študentov, aby si najskôr precvičili vytváranie konkávnych a konvexných šošoviek pomocou vykrajovačiek a želatíny.
• Ďalej požiadajte študentov, aby zostrojili šošovky pomocou vykrajovačiek na cookies, plastového noža a želatíny, ktoré napravia problémy so zrakom demonštrované na šablónach.
• Ako študenti vytvárajú, testujú a zdokonaľujú svoj dizajn šošoviek, zapájajú sa do základov technického procesu s použitím šošoviek a svetla.

Cieľom je umožniť študentom pochopiť, že so šošovkami je možné manipulovať so svetlom - a že týmto spôsobom môžu riešiť problémy. Bude náročné dostať šošovku na správnu mieru. Pre pokročilejších študentov môžete zaviesť ohniskovú vzdialenosť, polomer zakrivenia a index lomu ako matematické metódy vytvárania riešení, a nie ako prístup „pokus - omyl“, ktorý používajú.

Hodinu je možné vykonať už za 1 hodinu pre starších študentov. S cieľom pomôcť študentom v náhlení a zabezpečiť úspech študentov (najmä u mladších študentov) však rozdeľte hodinu na dve obdobia, aby mali študenti viac času na brainstorming, testovanie nápadov a dokončenie svojho návrhu. Vykonajte testovanie a vysvetlenie v nasledujúcom seminárnom období.

Očné diagramy

Internetové pripojenia

• https://www.bbc.co.uk

Písanie

Aké ďalšie aplikácie majú šošovky v našom svete?

Zosúladenie s rámcovými osnovami

Poznámka: Všetky plány vyučovacích hodín v tejto sérii sú v súlade s normami K-12 Association of Teachers Association Association of Computer Science, americkými spoločnými základnými štátnymi normami pre matematiku a v prípade potreby aj s Národnou radou pre zásady a štandardy pre učiteľov matematiky a štandardy pre školskú matematiku, štandardy Medzinárodnej technologickej vzdelávacej asociácie pre technologickú gramotnosť a americké národné štandardy pre vedecké vzdelávanie, ktoré vypracovala Národná rada pre výskum.

Základné disciplinárne nápady 

4. PSXNUMX.B: Elektromagnetické žiarenie

o Dráhu svetla je možné sledovať ako rovné čiary, s výnimkou povrchov medzi rôznymi priehľadnými materiálmi (napr. vzduch a voda, vzduch a sklo), kde sa svetelná dráha ohýba medzi médiom. (MS-PS4-2)

∙ ETS1.A: Definovanie a vymedzenie technických problémov

o Čím presnejšie je možné definovať kritériá a obmedzenia úlohy návrhu, tým je väčšia pravdepodobnosť, že navrhnuté riešenie bude úspešné. Špecifikácia obmedzení zahŕňa zváženie vedeckých zásad a ďalších relevantných znalostí, ktoré pravdepodobne obmedzia možné riešenia (MS-ETS1-1)

∙ ETS1.B: Vývoj možných riešení

o Riešenie je potrebné otestovať a potom upraviť na základe výsledkov testov, aby sa zlepšilo. MS-ETS-4)

Vedné a inžinierske postupy 

∙ Definujte problém návrhu, ktorý je možné vyriešiť vývojom objektu, nástroja, postupu alebo systému a zahŕňa viacero kritérií a obmedzení vrátane vedeckých znalostí, ktoré môžu obmedziť možné riešenia. (MS-ETS1-1)

∙ Vyvinúť a použiť model na opis javov (MS-PS4-2)

∙ Analyzujte a interpretujte údaje, aby ste určili podobnosti a rozdiely v zisteniach. (MS ETS1-3)

Prierezy konceptov

Cture Štruktúra a funkcia

o Štruktúry môžu byť navrhnuté tak, aby slúžili konkrétnym funkciám s prihliadnutím na vlastnosti rôznych materiálov a na to, ako je možné materiály tvarovať a používať (MS PSR-2)

o Štruktúry môžu byť navrhnuté tak, aby slúžili konkrétnym funkciám

Pracovný list č. 1: Graf KWL

Meno študenta Dátum

Sestry, lekári a inžinieri spolupracujú na návrhu a výrobe okuliarov a ďalších nástrojov, ktoré zlepšujú zrak. V tejto výzve navrhnete systém šošoviek na zlepšenie zraku pacienta.

Čo potrebujete vedieť o ľudskom oku a šošovkách, aby ste niekomu zlepšili zrak?

Pomocou grafického organizéra KWL nižšie uveďte, čo viete, čo by ste chceli vedieť a naučili ste sa navrhovať okuliare na zlepšenie zraku.

Pracovný list študentov 2: Materiály a experimentálne usporiadanie

Meno študenta Dátum

Na dokončenie výzvy týkajúcej sa dizajnu na konci tejto jednotky budete potrebovať vedieť, ako orientovať želatínu a svetlá, aby ste sledovali dráhu svetla, ktoré prechádza zo zdroja svetla kusom želatíny

Slovami a/alebo kresbami popíšte a zdokumentujte cestu svetla, ktoré prechádza cez želatínu: o Želatína je položená naplocho na stole o Želatína NIE JE položená na stole

• 1 lúč s Light Blox sediacim na širšej strane
• 1 lúč s Light Blox sediacim na užšej strane
• 3 lúče naraz

Pracovný list 3: Ray Tracing

Slovami a kresbami zaznamenajte dráhu jedného svetelného lúča, ako prechádza zo zdroja svetla cez jednu stranu šošovky na druhú stranu kusu želatíny; a vyvodiť závery o tom, ako svetlo prechádza kusom želatíny s a

• Rovný/rovný povrch
• Zakrivený povrch
• Popíšte, ukážte a zaznamenajte dráhu svetla, ktoré prechádza konvexnou aj konkávnou šošovkou (pomocou troch svetiel)
• Identifikujte a definujte: konkávna šošovka, dopadajúci lúč konvexnej šošovky, lomený lúč

  Pracovný list 4: Šablóna pre oči