Ett öga på optik
Målet med den här lektionen är att ge eleverna en öppen möjlighet att utforska och arbeta med material, göra och dela observationer och bygga en grundläggande förståelse för förhållandet mellan gelatinformer och ljus.
Lär eleverna att:
- Svagt
- Objektiv
- Assisterande synteknologier
Åldersnivåer: 10-14
Kits
- Kit som innehåller aktivitetsmaterial finns på: https://laserclassroom.com/product/eyes-on-optics-kit-a-gelatin-optics-engineering-project/
Beskrivning
- Elevarbetsblad 1: KWL-diagram – SPARA för användning igen i aktivitet 5
- Normala, översynta och närsynta ögondiagram/dela ut
- Ett par glasögon
Aktivitet 1
- Elevarbetsblad #2: Material och experimentuppställning
- Förberedda gelatinskivor (se recept nedan)
- Set med ljusblox (https://laserclassroom.com/light-blox/) ELLER Laser Blox (https://laserclassroom.com/laser-blox/)
- Uppsättning av cirkulära kakformar
- Plastkniv
Aktivitet 2
- Elevarbetsblad #3: Strålspårning
- Förberedda gelatinformer
- Gjutna konvexa linser
- Gjutna konkava linser
- Fyrkant av gelatin (~ 3" X 3")
- Cirkel av gelatin (~3” diameter)
- Set med ljusblox (https://laserclassroom.com/light-blox/) ELLER Laser Blox (https://laserclassroom.com/laser-blox/)
Aktivitet 3
- 1 förberedd gelatinplatta per lag
- 1 uppsättning cirkulära kakformar per lag
- 1 plastkniv per lag
Aktivitet 4
- 1 förberedd gelatinplatta per lag
- 1 uppsättning cirkulära kakformar per lag
- 1 plastkniv per lag
Aktivitet 5
- Elevarbetsblad #1
- 1 förberedd gelatinplatta per lag
- 1 uppsättning cirkulära kakformar per lag
- 1 plastkniv per lag
Aktivitet 6
- 1 förberedd gelatinplatta per lag
- 1 uppsättning cirkulära kakformar per lag
- 1 plastkniv per lag
- Ögonmall
- KWL-diagram för referens
Design Challenge
- Uppsättning av Light Blox
- Set med gjutna linser – en konkav och en konvex
- Skiva gelatin
- Plastkniv
- Kakmått
- Ögonmall
- Färdigt KWL-diagram från arbetsblad #1
Gelatin recept:
- Följande recept ger tillräckligt med gel för ungefär sex stora skivor:
- 4 koppar vatten
- 8 kuvert med Knox Original Gelatin
- 1 behållare med måtten 9" x 7" x 2"
- Koka vatten. Blanda 4 koppar kokande vatten till 8 kuvert (eller ett förhållande av 1:2 vatten till gelatin) Knox Original Gelatin.
- För aktivitet #2, häll blandningen i linsformsbrickor.
- För alla andra aktiviteter, häll blandningen i behållaren så att vätskans djup är minst 0.75 tum. Ställ in gelatinet i kylen över natten för att stelna.
material
- Olika rena, torra återvinningsbara material (plast, glas, metall/aluminiumburkar och papper) i en stor papperskorg eller låda
- Långbord eller några korta bord placerade tillsammans
Bearbeta
Placera designen på ett långbord (eller några korta bord placerade tillsammans), lägg till återvinningsbart material i designen och dokumentera hur väl varje design sorterar återvinningsbara material i separata papperskorgar.
Design Challenge
Du är en del av ett team av ingenjörer som får utmaningen att designa ett linssystem för att förbättra synen på en patient. Du kommer att genomföra 6 aktiviteter för att lära dig om linsernas optik och det mänskliga ögat.
Kriterier
- Designa och skissa ett system för att förbättra synen på en patient.
begränsningar
- Använd endast det medföljande materialet.
Lektionen kräver sex lektioner på 45-60 minuter
INTRODUCERA UTMANINGEN
Sammanfattning
Den här lektionen avslutas med en designutmaning, ett öppet projekt som uppmuntrar eleverna att ställa frågor, ta initiativ och tänka kreativt. Ingenjörs- och designutmaningar ger sammanhang och mening för att använda den vetenskapliga processen, utveckla tekniska kunskaper och färdigheter och framgång i det moderna samhället.
För att introducera denna designutmaning presenteras eleverna med målet att designa ett linssystem för att förbättra synen på en patient, eleverna identifierar vad de vet och behöver om linsernas optik och det mänskliga ögat för att möta utmaningen.
Bakgrundsförmåga och kunskap
- Ljusets väg från källa (eller föremål) till ögon (valfri aktivitet: Klassrumsgrotta)
- Ljusets väg in i det mänskliga ögat: Näthinnan och brännpunkten
- Valfri aktivitet – Experimentera med din egen vision
Ställ in för aktivitet
Dela in eleverna i lag om 2 eller 3. Ställ in scenen för en brainstorming om strukturen och funktionen hos linser och det mänskliga ögat.
Håll upp ett par glasögon.
Be eleverna förklara hur glasögon fungerar för att förbättra synen. Låt eleverna skissa sina mönster om det hjälper dem att uttrycka sig mer fullständigt.
Förklara för klassen att den här lektionen avslutas med en designutmaning. Förklara att team av studenter kommer att designa ett linssystem för att förbättra synen för en patient. Förklara att de kommer att få en modell av en patients öga och kommer att få i uppdrag att designa en uppsättning linser för att förbättra patientens syn.
Förklara att team kommer att behöva förklara sina designbeslut baserat på data de samlar in när de designar och testar linser.
Ha en klassdiskussion – fråga eleverna:
- Hur fungerar glasögon?
- Hur kombineras glasögon med ögat för att förbättra synen?
- Är deras olika typer av glasögon? Om så är fallet, hur skiljer de sig åt och varför?
- Hur tror du att läkarna räknar ut vilken typ av lins som förbättrar synen?
Underlätta lektionen
Projicera bilderna av ett normalt öga, ett översynt öga och ett närsynt öga på skärmen och/eller dela ut en utdelning till team med dessa bilder.
Undersök och diskutera skillnaderna mellan bilderna som en klass. Hjälp eleverna att förstå och notera följande:
- Identifiera och förstå grundläggande funktioner ögats strukturer som visas på ritningen
- Ögonlinsen är identisk genomgående
- Avståndet från linsen till näthinnan är olika från öga till öga
- Näthinnan ligger på samma plats för alla ögon
- Formen på varje öga som helhet är olika
Dela ut scenarioutmaningen och elevarbetsblad #1, KWL-diagram till eleverna. Som en klass, läs och granska scenariot. Låt eleverna slutföra KWL i par.
Sammanfattning och reflektion
Granska scenariot som en klass och be volontärer att dela med sig av sina grafiska organisatörer från KWL, och bedöm elevernas förståelse för Designutmaningen.
Ställ frågor till eleverna som:
- Hur skulle du med dina egna ord beskriva designutmaningen du har fått?
- Vad tror du att du behöver veta för att designa ett linssystem för att förbättra synen?
- Vad förstår du redan om det mänskliga ögat och synen som hjälper dig att möta denna utmaning?
- Vad förstår du redan om linsernas natur som hjälper dig att möta denna utmaning?
- Vad tror du att du behöver lära dig för att möta designutmaningen?
AKTIVITET 1: UTFORSKA MED LJUS OCH GELATIN (45-60 min)
Sammanfattning
Målet med denna aktivitet är att eleverna ska hitta och dokumentera det mest effektiva sättet att observera och registrera ljusets väg när den lämnar ljuskällan och passerar genom och sedan ut ur gelatinet.
Eleverna kommer att få en öppen möjlighet att utforska och arbeta med materialen, göra och dela observationer och bygga en grundläggande förståelse för förhållandet mellan gelatinformer och ljus. Denna öppna utforskning uppmuntrar kreativitet och problemlösning användbar för att möta den sista utmaningen att designa ett linssystem för att förbättra synen.
Lärandemål
Som ett resultat av denna aktivitet kommer eleverna att kunna:
- Orientera gelatin och ljus för att observera ljusets väg när det passerar från ljuskällan genom en bit gelatin
- Beskriv och dokumentera ljusets väg när det passerar genom gelatin
o Med gelatin lagt platt på bordet
o Med gelatinet INTE lagt platt på bordet
o 1 stråle med Light Blox på sin bredare sida
o 1 stråle med Light Blox på sin smalare sida
o 3 strålar samtidigt
Förkunskaper och färdigheter
Innan du påbörjar aktivitet 1:
- Eleverna bör ha en förståelse för designutmaningen i slutet av denna lektion. Se avsnittet "Introducera utmaningen" ovan.
- Introducera det övergripande målet för prospekteringsaktiviteten: Att hitta och dokumentera det mest effektiva sättet att observera och registrera ljusets väg när den lämnar ljuskällan och passerar genom och sedan ut ur gelatinet.
Demonstrera/modellera hur man mäter och registrerar följande:
- Visa eleverna en uppsättning material och demonstrera hur man använder kakformar och plastkniven för att skapa olika formade bitar av gelatin.
- Visa eleverna hur man manipulerar formerna så att de lyser genom varje yta.
- Visa eleverna de två olika sätten att rikta ljusen som passerar genom gelatinet.
Underlätta aktiviteten
Uppmuntra kreativitet, utforskning och dokumentation
- Modellutforska och experimentera med materialen
- Dela ut elevarbetsbladet #2 och modellera hur man registrerar observationer
- Demonstrera hur man dokumenterar:
- Storleken och formen på deras gelatinbit
- Orienteringen av gelatinet och ljuset/ljusen
- Hela vägen för ljusstrålen börjar när den lämnar ljusbloxen när den passerar genom och sedan ut ur gelatinet
- Skapa team och fördela resurser. Se till att varje lag har tillgång till en "gelatinskiva" för skärning, kakskärare, plastkniv, Light Blox (eller annan ljuskälla), ett pappersark och inspelningsmaterial.
- Dimma ljuset om det är säkert och möjligt
- Cirkulera genom hela klassrummet för att observera team när eleverna förbereder och organiserar sin utrustning.
- Cirkulera genom hela rummet och observera medan eleverna arbetar. När team arbetar, observera deras ansträngningar att skina Light Blox genom gelatinet, hjälpa individer eller team som kämpar med utrustningshantering och installation.
- Vid behov, engagera eleverna i diskussioner om deras aktiviteter. Ställ öppna frågor till eleverna om deras ansträngningar att ordna utrustning, skära former, orientera ljus, spela in vad de observerar och hur de förstår sina observationer.
- Om det är lämpligt, stoppa lektionen för att dela ett eller flera teams arbete med andra team. Använd sådana avbrott för att lyfta fram positiva exempel på utforskning inklusive men inte begränsat till: kreativ design, metoder för att rikta in ljus, gelatin och skärm, journalföring och lagarbete.
Påminn eleverna under hela perioden om att föra detaljerade register över sitt arbete som de kommer att hänvisa till i den uppföljande diskussionen.
Sammanfatta och reflektera
Avsluta aktiviteten, uppmuntra team att dela sitt arbete och dra slutsatser om resultaten.
- Diskutera elevernas resultat i klassen
- Hur man bäst orienterar gelatin och ljus för att observera ljusets väg när det passerar genom gelatinet
- Hur formen på gelatinet påverkar ljusets väg när det passerar genom gelatinet
- Kom ihåg att du i framtiden kommer att designa ett linssystem för att förbättra människans syn. Vad har du gjort och lärt dig idag som gäller den här utmaningen?
- Kom överens som klass om en procedur för att spåra ljusets väg när det lämnar ljuskällan, passerar genom gelatinet och sedan ut ur gelatinet.
Vad pågår? Refraktionsdefinition och hänvisning till mer information. Valfritt: Kinestetisk refraktionsaktivitet http://laserclassroom.com/products/kinesthetic-model-refraction/
AKTIVITET 2: EXPERIMENTERA MED LINSFORMEN (45-60 min)
Sammanfattning
Studenter använder den vetenskapliga processen för att avslöja kvalitativ förhållandet mellan ljus och formen (konkav, konvex, kvadrat, cirkel) på en lins.
Lärandemål
Som ett resultat av denna aktivitet kommer eleverna att kunna registrera vägen för en enskild ljusstråle när den passerar från ljuskällan genom ena sidan av en lins till den andra sidan av en bit gelatin; och dra slutsatser om hur ljus färdas genom en bit gelatin med en
- Plan/rak yta
- Böjd yta
- Beskriv, demonstrera och registrera ljusets väg när den passerar genom både en konvex och konkav lins (med hjälp av 3 ljus)
- Identifiera och definiera: konkav lins, konvex linsinfallande stråle, refrakterad stråle
Förkunskaper och färdigheter
Genomgång i början av aktiviteten:
- Hur man orienterar gelatin och ljus (från tidigare aktivitet)
- Hur man registrerar ljusets väg när det passerar genom gelatin (från tidigare aktivitet)
Ställ in för aktiviteten
Ställ in 4 stationer
- 3 Light Blox och cirkel av gelatin
- 3 Ljus Blox och fyrkantig gelatin
- 3 lampor och en formgjuten konvex lins
- 3 lampor och en formgjuten konkav lins
Innan du påbörjar experimentet: Förklara den vetenskapliga processen
- Uppmuntra systematiska studier av ljus och linser. På varje station låter eleverna dokumentera sina observationer, med en ritning, inklusive lämpliga etiketter (infallande och brutna strålar, konkava eller konvexa linser)
- Skillnaden mellan oberoende och beroende variabler
- Vilka variabler är de oberoende och beroende variablerna vid varje station
- Den beroende variabeln är linsformen – konkav eller konvex
- Ytterligare steg i den vetenskapliga processen som du förväntar dig att eleverna ska följa från att ställa en hypotes till att dra slutsatser.
- VETENSKAPLIG PROCESS: https://nces.ed.gov/nceskids/help/user_guide/graph/variables.asp
Demonstrera/modellera hur man mäter och registrerar följande:
- Läget och avståndet från ljuskällorna till linsen
- Vad som händer med ljusets väg som den beroende variabeln, (linsens form), förändras.
- Ljusets beteende när det passerar genom en lins
- Gå igenom ordförrådet när du demonstrerar
- Incident stråle
- Bryt stråle
- Konkav lins
- Konvex lins
- Brännpunkt
Underlätta aktiviteten
- Dela ut elevarbetsblad #3
- Förklara att eleverna i denna aktivitet kommer att använda den vetenskapliga processen för att göra mer organiserade och konkreta analyser av olika typer av linsers effekt på ljusets beteende. Förklara för eleverna att de kommer att rotera genom fyra stationer.
- Förklara att de vid varje station kommer att passera ljus genom en typ av lins och registrera beteendet hos ljusstrålarna när de passerar genom linserna.
- Instruera eleverna att observera och spela in med ritningar och etiketter, deras observationer vid varje station:
- Ljuskälla
- Incident Ray
- Bryt stråle
- Konkav lins
- Konvex lins
- Brännpunkt (du behöver inte införa brännvidd vid denna tidpunkt, eller diskutera förhållandet mellan brännpunkt och syn om det inte kommer upp)
- Anteckningar, slutsatser, andra observationer
- Dela upp eleverna i par. Tilldela par till stationer.
- Ställ in förväntningar på tiden som spenderas på varje station och antalet arrangemang av lamporna och linsen som du förväntar dig att eleverna ska mäta och spela in vid varje station.
- Cirkulera genom hela rummet medan team arbetar för att observera deras ansträngningar. Hjälp team att ställa in sin utrustning, identifiera de beroende och oberoende variablerna och att mäta, registrera och rita deras resultat.
- Diskutera vid behov med eleverna deras experimentupplägg, deras metoder för att mäta ljusets position, vinkeln på ljusstrålen som kommer in och passerar genom linsen och vilka variabler de kommer att hålla konstanta när de flyttar till nästa station och nästa objektiv.
- Om det uppstår tillfälle att lyfta fram elevernas insatser, håll en klassdiskussion om några av de observationer du har gjort. Låt eleverna förklara för sina kamrater deras experimentella upplägg, metoder för att mäta och registrera resultat och planer på att hålla sitt arbete konsekvent från station till station.
- Håll koll på tiden. Ge eleverna tillräckligt med tid att ordna om och mäta sina lampor minst två eller tre gånger innan de flyttar till en annan station.
- Ge en "förvarning" cirka 5 minuter innan eleverna ska rotera till nästa station. Be dem att slutföra sitt arbete på den aktuella stationen.
- Med 1-2 minuter kvar, låt eleverna städa upp och återställa stationen till hur den var när de hittade den (eller bättre). Om tiden tillåter, rotera till en annan station. Om inte, förklara att eleverna kommer att fortsätta där de slutade nästa period.
Sammanfatta och reflektera
Avsluta aktiviteten, uppmuntra team att dela sitt arbete och dra slutsatser om resultaten.
- Diskutera och dela resultat och slutsatser som en klass
- Fyrkant vs cirkel
- Konkava linser skapar en brännpunkt framför linsen
- Konvexa linser skapar en brännpunkt på baksidan av linsen
- Avståndet från linsens centrum till brännpunkten kallas brännpunkten
- längd
- Adressordförråd
AKTIVITET 3: SKAPA DINA EGNA LINS – DESIGN OCH DOKUMENT (45-60 min)
Sammanfattning
Eleverna ägnar sig åt riktad utforskning och använder det de har lärt sig hittills, för att dokumentera en process för hur man på ett tillförlitligt sätt skapar/designar konkava och konvexa linser av olika storlekar (bredder).
Lärandemål
Som ett resultat av denna aktivitet kommer eleverna att kunna:
- Beskriv, demonstrera och spela in hur man skär både en konkav och en konvex lins ur gelatin med en cirkelkakor.
- Dra slutsatser från bevis om hur ljusets väg beter sig när en beroende variabel (linsens form, storlek, avstånd från ljuskällan) ändras.
Inför, diskutera eller granska före aktiviteten
- Konkava och konvexa linser
- Hur man dokumenterar en repeterbar process http://www.wikihow.com/Document-a-Process
Underlätta aktiviteten
Vi rekommenderar starkt att du tar den här lektionsperioden för att ge eleverna en viss tid (15-20 minuter) att kämpa efter att du har visat dem formerna de ska skapa och gett dem sitt material, snarare än att tydligt visa eleverna hur de ska göra skapa formerna. När de har kommit på hur man skapar både en konkav och en konvex lins kommer de att dokumentera processen de använde.
Denna utmaning lägger grunden för att förstå något grundläggande, men inte intuitivt, med den här typen av linser – att de härrör från cirklar; och den mer avancerade förståelsen av matematiken som beskriver linsernas egenskaper bygger på den förståelsen. Denna enkla praktiska aktivitet ger eleverna en upplevelserik, intuitiv upplevelse av förhållandet mellan konkava/konvexa linser och cirklar.
- Introducera utmaningen för idag: Dokumentera en process för hur man skär en konvex och en konkav lins
- Konkav: 2 -3 olika storlekar
- Konvex: 2-3 olika storlekar
- Ge varje elevpar en uppsättning runda kakformar och en ~9" X 7" platta gelatin.
- Tillåt 15-20 minuter för team av elever att experimentera med att skära ut linsformer, med fokus på att dokumentera en repeterbar och pålitlig process för att använda runda kakskärare för att designa konkava och konvexa linser.
- Cirkulera genom hela rummet medan team arbetar för att observera deras ansträngningar. Hjälp team att ställa in sin utrustning om det behövs.
Sammanfatta och reflektera
- Stoppa eleverna efter 15-20 minuter för att hålla en klassdiskussion om elevernas arbete. Låt eleverna förklara för sina kamrater deras experimentupplägg och metoder för att dokumentera processen.
- Skriv som klass upp (dokumentera) processen utifrån elevernas resultat och input.
AKTIVITET 4: EXPERIMENTERA MED LINSSTORLEK (BREDD) (45-60 min)
Sammanfattning
Med hjälp av den process som dokumenterades under den senaste lektionsperioden, engagerar eleverna sig i den vetenskapliga processen för att samla in och registrera data och nå en slutsats om påverkan av den beroende variabeln (linsens bredd) på brännvidden. Detta är kvalitativt. Brännvidden blir till exempel längre eller kortare.
Att förstå hur storleken (bredden) på linsen och avståndet från ljuskällan till linsen påverkar brännvidden kommer att hjälpa eleverna att designa ett linssystem för att förbättra synen när de engagerar sig i den sista utmaningen.
- Studenter kommer att:
- Design:
- Konkav: 2 -3 olika bredder
- Konvex: 2-3 olika bredder
- Spela in: Strålbana OCH ungefärlig brännvidd
- Konkava linser: 2 -3 olika bredder
- Konvexa linser: 2-3 olika bredder
- Avsluta det kvalitativa förhållandet mellan en lins bredd och brännvidden
- Terminologi och begrepp:
- Ljuskälla
- Brännvidd – hur påverkar en ändring av objektivets bredd brännvidden?
- Design:
Inför, diskutera eller granska före aktiviteten
- Skillnaden mellan oberoende och beroende variabler
- Vilka variabler är de oberoende och beroende variablerna i dagens verksamhet –
- Linsens bredd OCH ljuskällans avstånd från linsen är de beroende variablerna som påverkar resultatet: brännvidd
- Definitionen av brännvidd och i korthet, dess förhållande till vision.
- Ljuskällan = objektet (ljus som studsar från objektet in i ögat)
- Ljuset som kommer in i ögat behöver fokusera direkt på näthinnan för att en tydlig bild ska bildas.
- Om du föredrar att introducera mer matematik eller gå in på brännvidden mer i detalj, erbjuder Khan Academy utmärkt översikt för din referens:
Demonstrera/modellera hur man observerar, mäter och registrerar
- Hur man bestämmer den ungefärliga brännvidden för både en konkav och en konvex lins
- Vad som händer med ljusets beteende (banan) som den beroende variabeln (linsens bredd), förändras.
- Gå igenom eller introducera ordförråd när du demonstrerar
- Incident stråle
- Bryt stråle
- Konkav lins
- Konvex lins
- BRÄNNVIDD
Underlätta aktiviteten:
Uppmuntra systematiska experiment med ljus och linser
- Introducera målet för dagens aktivitet:
- Samla in data och dra slutsatser om hur objektivets storlek (bredd) påverkar brännvidden
- Samla in data och dra slutsatser om inverkan av avståndet från ljuskällan till linsen på brännvidden
- Ge varje elevpar en uppsättning material:
- Uppsättning av runda kakformar
- 9" X 13" platta av gelatin
- Set med tre Light Blox
- Ge eleverna instruktioner till
- Designa 3 konvexa linser med varierande bredd
- Mät och registrera bredden på varje objektiv och dess motsvarande brännvidd
- Ge eleverna instruktioner till
- Designa 3 konkava linser med varierande bredd
- Mät och registrera bredden på varje objektiv och dess motsvarande brännvidd
- Ge eleverna instruktioner till
- Mät och registrera hur brännvidden ändras när avståndet mellan ljuskällan och linsen ändras.
- När teamen har registrerat sina mätningar och observationer avslutas aktiviteten.
- Ge eleverna tid att avsluta sitt arbete, komplettera datatabeller och ritningar efter behov.
- Avsätt tid för att städa.
Sammanfattning och reflektion
Be teamen att dela sina resultat. Håll en klassdiskussion där team/individer förklarar vad de gjorde, vad de observerade och vilken mening de tycker om resultaten. Beroende på ditt tillvägagångssätt kanske du vill använda en av flera aktiva inlärningsstrategier eller bjuda in volontärer att rita eller demonstrera sitt arbete längst fram i klassen.
- Med hjälp av elevresultat, inklusive ritningar och datatabeller, jämför skillnaden mellan att passera ett ljus genom varje typ av lins.
- Diskutera frågor som t.ex.
- Vad händer med brännvidden när linsens bredd ökar eller minskar?
- Är det samma för konkav som för konvex?
- Skiljer sig resultaten med avståndet från ljuset till linsen?
- Vad lärde du dig om konvexa och konkava linser som hjälper dig med den sista utmaningen?
- Diskutera resultatet av experimentet som en klass. Frågor att ställa inkluderar men är inte begränsade till:
- Hur ändras brännpunkten när objektivet blir mindre/större?
- Vilka bevis stöder dessa slutsatser?
- Hur skiljer sig resultaten mellan konkava och konvexa linser?
- Hur hjälper förståelsen av förhållandet mellan linsens form och storlek och brännpunkt med den sista utmaningen att designa ett linssystem för att förbättra synen?
- Om eleverna gjorde en förutsägelse om brännpunkt och linsstorlek, hur var deras förutsägelse jämfört med resultaten? Var några resultat överraskande?
- I den sista aktiviteten kommer du att utmanas att skapa ett linssystem som är designat för att förbättra synen. Vad lärde du dig om linser och brännpunkt som hjälper dig att möta utmaningen?
- Återkalla bilderna av ögat (normalt, närsynt och långsynt). På vilken del av diagrammet vill du att ljuset ska fokusera?
AKTIVITET 5: EXPERIMENTERA MED 2 LINSSYSTEM (45-60 min)
Sammanfattning
Som sin sista aktivitet som förberedelse för Design Challenge, utforskar eleverna beteendet hos ljus när det passerar genom olika kombinationer av linspar. I den sista utmaningen får eleverna ett diagram över en patients öga. En lins i systemet kommer att representera linsen som finns i ögat. Eleverna kommer att behöva designa en eller flera gelatinlinser för att korrigera eller förbättra synen hos sin patient. Kombinationen av linser och deras inriktning måste fokusera ljuset på näthinnan i diagrammet över patientens öga.
Fyll i den sista delen av KWL-diagrammet FÖRST.
Lärandemål
Som ett resultat av den här lektionen kommer eleverna att kunna:
- Beskriv, demonstrera och registrera effekten av ett system med två linser på ljusets väg och brännvidd
- 2 konvexa linser
- 2 konkava linser
- 1 konkav och 1 konvex lins
- Beskriv linsernas roll i olika instrument som används för att förbättra synen eller fokusera bilder
- Kamera
- Telescope
- Mikroskop
- Förstoringsglas
- Beskriv linsernas roll i människans syn
- Det mänskliga ögat innehåller en konvex lins
- Klart mänskligt syn förlitar sig på förmågan att fokusera ljus specifikt på näthinnan
- Närsynthet och översynthet som vanliga synproblem
- Förutsäg hur olika linser kan förbättra människans syn när närsynthet eller översynthet är närvarande.
Valfri matematik
https://www.khanacademy.org/science/physics/geometric-optics/lenses/v/multiple-lenssystems
Skapa scenen för att experimentera med flera linser.
Gör som en klass en lista över olika instrument som använder två eller flera linser. Om eleverna föreslår att ögat i kombination med glasögon är ett linssystem, förklara att de i den sista lektionen specifikt kommer att ta upp denna kombination. Fokusera nu på instrument som teleskop, mikroskop och kikare.
Be eleverna förklara hur de tror att de olika instrumenten fungerar och förhållandet mellan linserna och linserna och ljuset.
Förklara att i den här aktiviteten kommer eleverna att utforska kombinationer av linser på ljusets beteende. Förklara att de kommer att passera en ljusstråle genom två linser för att observera och registrera resultaten.
Diskutera som en klass de många variablerna i experimentet, vilka som ska ändras och vilka som ska behållas oförändrade. Några variabler som eleverna bör känna igen inkluderar:
- Avstånd mellan linser
- Kombination av linstyper för att skapa par av linser
- Placering och avstånd mellan ljuskällan och linserna
Underlätta aktiviteten
Förklara att eleverna i den här aktiviteten måste föra noggranna register över sitt arbete. Beroende på tillgänglig tid, låt alla team arbeta med alla kombinationer av linser eller dela upp klassen i "expertgrupper" och tilldela dem ansvaret att rapportera tillbaka till klassen om systemet de utforskade.
Lag bör experimentera med alla eller några av följande linskombinationer:
- Konvex + Konvex
- Konkav + Konkav
- Konvex + Konkav
- Fyll i den sista delen av KWL-diagrammet FÖRST
- Låt eleverna planera sitt experiment, rita sin uppställning och göra en datatabell där de kan registrera resultat. Alternativt rita upp utrustningsuppsättningen på tavlan och distribuera en datatabell till varje lag.
- När teamen har visat en lämplig plan för sina experiment, förse dem med gelatin och verktyg.
- Se till att eleverna utforskar effekten av linskombinationer OCH effekten av att ändra avståndet mellan linserna.
- Uppmärksamma effekterna av olika linskombinationer på ljusets beteende.
- Uppmärksamma effekterna av att ändra avståndet mellan linserna på ljusets beteende.
- Cirkulera genom hela rummet för att observera eleverna. Vid behov engagera teamen i en diskussion om deras experimentella procedurer, mätningar, observationer och resultat. Hjälp dem att koppla sina metoder till sina resultat.
- (Valfritt) Låt eleverna skapa "stråldiagram" för linser som det som visas här.
Sammanfattning och reflektion
Avsluta experimenten som eleverna utförde. Som en klass, granska ljusets beteende när det passerar genom olika par linser och effekten av att ändra avståndet mellan paren av linser.
- Om det behövs, ge eleverna tid att granska och slutföra arbetet från föregående steg i lektionen innan de presenterar.
- Låt teamen dela sina resultat. Uppmuntra eleverna att hänvisa till ritningar och data för att förklara sina observationer och slutsatser.
- Diskutera frågor som t.ex.
- Vad händer med brännpunkten när du flyttar en lins närmare eller längre från den andra? Beror det på vilken kombination av linser du använder?
- Vad händer med brännpunkten för två konvexa linser
- Vad händer med brännpunkten för två konkava linser?
- Vad händer med olika kombinationer av olika linser?
- Hur fungerar arbetet med två (eller flera) linser för den sista utmaningen att designa ett linssystem för att förbättra en patients syn?
- Vilka kombinationer av linser tror du kommer att förbättra synen för en närsynt patient?
- Vilken kombination av linser tror du kommer att förbättra synen för en långsynt patient?
VALFRI
- Experimentera med ytterligare kombinationer av linser.
- Undersök design av olika instrument som använder linser som teleskop, lasrar, mikroskop och kikare.
Utmaningen: Designa ett 2-linssystem för att korrigera ett synproblem (45-60 min)
Sammanfattning
Denna aktivitet är inriktad på att ta eleverna genom en process för att skapa ett linssystem som korrigerar ett synproblem. Målet med aktivitetslektionen är inte att designa den perfekta linsen, utan att förstå vad som krävs för att lösa ett problem med ingenjörsprocessen. Tillåt gott om tid och några strukturerade gränser för att tillåta upptäckter att motivera utforskning!
Förkunskaper och färdigheter
- Ljus färdas i en rak linje tills det träffar ett föremål eller färdas från ett medium till ett annat
- Allt vi ser är resultatet av ljus som kommer in i våra ögon; det mesta av det ljuset reflekteras
- När ljus passerar från ett medium till ett annat (dvs: genom en lins) böjs eller bryts ljuset
- Linsens form och material påverkar hur ljuset böjs
- Ögat innehåller en lins som fokuserar ljuset på näthinnan. Klar syn beror på förmågan hos ögats lins att böja ljuset som kommer in i ögat så att bilden bildas specifikt på näthinnan
Underlätta aktiviteten:
- Granska och hänvisa till elevernas KWL-diagram
- Dela ut en uppsättning Light Blox med slitslocken PÅ, och två gjutna gelatinlinser (en konvex och en konkav) till varje grupp om 3 elever.
- Visa eleverna hur de tänder lamporna och ge dem 3-5 minuter för att utforska hur ljuset rör sig genom linserna.
- Dela ut mallen för ett öga med "normal" syn. Låt eleverna placera den gjutna konvexa linsen "i" ögat för att se att ljuset kommer till en brännpunkt PÅ näthinnan. Att se tydligt beror på att brännpunkten landar på en specifik plats i ögat, som kallas näthinnan.
- Låt sedan eleverna placera den gjutna konvexa linsen på mallen för ett översynt öga som behöver synkorrigering eftersom ljuset landar på fel plats. Lägg märke till var fokuspunkten är. Detta skapar ingen bra vision!
- Be dem definiera problemet och spekulera i en lösning... Vad kan "flytta" fokuspunkten till en annan plats. Tillåt nu eleverna lite tid med både de konkava och de konvexa linserna tillsammans så att de kan upptäcka att den konkava linsen flyttar brännpunkten.
- Ge sedan varje grupp en fyrkant (~ 4” X 8”) förberedd, dubbelstyrka vanligt gelatin och 3 runda kakformar med olika diametrar.
- Förklara att med detta gelatin kommer de att skapa en ANDRA lins för att rätta till synproblemet. Materialen och verktygen som är tillgängliga för dem är gelatin-, kniv- och kakskärare!
- Be eleverna först öva på att skapa konkava och konvexa linser med sina kakformar och gelatin.
- Be sedan eleverna konstruera linser med hjälp av kakskärare, plastkniven och gelatin, som kommer att korrigera synproblemen som visas på mallarna.
- När eleverna skapar, testar och förbättrar sin linsdesign, engagerar de sig i det väsentliga i ingenjörsprocessen med hjälp av linser och ljus.
Målet är att låta eleverna förstå att ljus kan manipuleras med linser - och att de genom att göra detta kan lösa problem. Det kommer att bli utmanande att få objektivet helt rätt. För mer avancerade elever kan du introducera brännvidd, krökningsradie och brytningsindex som matematiska metoder för att skapa lösningar snarare än "trial and error"-metoden som de använder.
Tidsändring
Lektionen kan göras på så lite som 1 klassperiod för äldre elever. För att hjälpa eleverna från att känna sig förhastade och för att säkerställa elevernas framgångar (särskilt för yngre studenter), dela upp lektionen i två perioder och ge eleverna mer tid att brainstorma, testa idéer och slutföra sin design. Utför testningen och debriefen under nästa klassperiod.
Ögondiagram
Internetanslutningar
Skrivverksamhet
Vilka andra applikationer har linser i vår värld?
Anpassning till läroplaner
Notera: Alla lektionsplaner i den här serien är anpassade till Computer Science Teachers Association K-12 Computer Science Standards, US Common Core State Standards for Mathematics, och om tillämpligt även till National Council of Teachers of Mathematics' Principles and Standards for School Mathematics, International Technology Education Association's Standards for Technological Literacy och US National Science Education Standards som tagits fram av National Research Council.
Disciplinära kärnidéer
∙ PS4.B: Elektromagnetisk strålning
o Ljusets väg kan spåras som raka linjer, förutom vid ytor mellan olika transparenta material (t.ex. luft och vatten, luft och glas) där ljusbanan böjer sig mellan media. (MS-PS4-2)
∙ ETS1.A: Definiera och avgränsa tekniska problem
o Ju mer exakt en designuppgifts kriterier och begränsningar kan definieras, desto mer sannolikt är det att den designade lösningen kommer att bli framgångsrik. Specifikation av begränsningar inkluderar övervägande av vetenskapliga principer och annan relevant kunskap som sannolikt begränsar möjliga lösningar (MS-ETS1-1)
∙ ETS1.B: Utveckla möjliga lösningar
o En lösning måste testas och sedan modifieras utifrån testresultaten för att förbättra den. MS-ETS-4)
Vetenskap och ingenjörspraktik
∙ Definiera ett designproblem som kan lösas genom utveckling av ett objekt, verktyg, process eller system och inkluderar flera kriterier och begränsningar, inklusive vetenskaplig kunskap som kan begränsa möjliga lösningar. (MS-ETS1-1)
∙ Utveckla och använda en modell för att beskriva fenomen (MS-PS4-2)
∙ Analysera och tolka data för att fastställa likheter och skillnader i resultat. (MS ETS1-3)
Övergripande begrepp
∙ Struktur och funktion
o Strukturer kan utformas för att fylla särskilda funktioner genom att ta hänsyn till egenskaper hos olika material och hur material kan formas och användas (MS PSR-2)
o Strukturer kan utformas för att fylla särskilda funktioner
Elevarbetsblad #1:KWL-diagram
Studentnamn Datum
Sjuksköterskor, läkare och ingenjörer arbetar tillsammans för att designa och bygga glasögon och andra verktyg som förbättrar synen. I denna utmaning kommer du att designa ett linssystem för att förbättra en patients syn.
Vad behöver du veta om det mänskliga ögat och linser för att förbättra någons syn?
Använd KWL grafiska arrangören nedan för att lista vad du vet, vill veta och lärt dig att designa glasögon för att förbättra någons syn
Vad jag Vet om ögon och linser | Vad jag Vilja att veta om ögon och
Objektiv |
Vad jag Lärt mig om Ögon och
Objektiv |
||
|
|
|||
|
||||
|
||||
|
Elevarbetsblad 2: Material och experimentuppställning
Studentnamn Datum
För att slutföra designutmaningen i slutet av denna enhet behöver du inte veta hur du orienterar gelatin och ljus för att observera ljusets väg när den passerar från ljuskällan genom en bit gelatin
Använd ord och/eller ritningar för att beskriva och dokumentera ljusets väg när det passerar genom gelatinet: o Med gelatin lagt platt på bordet o Med gelatinet läggs INTE platt på bordet
- 1 stråle med Light Blox på sin bredare sida
- 1 stråle med Light Blox sittande på den smalare sidan
- 3 strålar på en gång
Elevarbetsblad 3: Strålspårning
Använd ord och ritningar och registrera vägen för en enda ljusstråle när den passerar från ljuskällan genom ena sidan av en lins till den andra sidan av en bit gelatin; och dra slutsatser om hur ljus färdas genom en bit gelatin med en
- Plan/rak yta
- Böjd yta
- Beskriv, demonstrera och registrera ljusets väg när den passerar genom både en konvex och konkav lins (med hjälp av 3 ljus)
- Identifiera och definiera: konkav lins, konvex linsinfallande stråle, refrakterad stråle
Elevarbetsblad 4: Ögonmall
Översättning av lektionsplan