Формирование и развитие основных понятий геометрической оптики в курсе физики

Т. к. площадь трапеции равна половине произведения суммы длин оснований на высоту, то искомая площадь изображения квадрата при соблюдении указанных выше предположений равна:

Этап V - подведение итогов урока. На данном уроке учащиеся повторили материал по геометрической оптике 8 класса, углубили знания по теме, рассмотрели практическое применение геометрической оптики, усовершенствовали навыки решения задач по данной теме.

В результате такого построения занятия каждый ученик опрошен не менее трех раз, а главное - работа дифференцирована.

 

§ 2.2 Учебно-методическая разработка урока межпредметного содержания на тему "Глаз как оптическая система".

 

План урока.

1) Объяснение нового материала.

а) Строение глаза с анатомо-физиологической точки зрения.

б) Глаз как оптическая система. Демонстрационные опыты: показ хода лучей в нормальном, близоруком, дальнозорком глазах.

2) Ученический фронтальный эксперимент.

а) Сборка модели нормального глаза, получение одновременно перевернутых изображений далекого и близкого предметов.

б) Сборка моделей близорукого и дальнозоркого глаза.

3) Исправление дефектов зрения с помощью очков.

4) Фронтальные опыты по подбору собирающей линзы для очков, исправляющих дальнозоркость, и по устранению близорукости рассеивающей линзой.

5) Оптическая сила линзы, единицы оптической силы.

6) Домашнее задание.

Цель урока: изучить строение глаза с анатомо-физиологической точки зрения, повторить строение глаза как оптического прибора, закрепить умение рассчитывать оптическую силу линзы.

Ход урока:

а) Глаз человека - зрительный анализатор, 95% информации об окружающем нас мире мы получаем через глаза. Современному человеку приходится целый день работать с близкорасположенными объектами: смотреть на экран компьютера, читать и т. д. Наш глаз испытывает огромную нагрузку, в результате чего многие люди страдают глазными болезнями, дефектами зрения. Каждый должен знать как устроен глаз, каковы его функции [13].

Глаз представляет собой шарообразное тело диаметром около 25 мм и массой 8 г. Стенки глазного яблока образованы тремя оболочками. Наружная - белочная оболочка состоит из плотной непрозрачной соединительной ткани. Она позволяет глазу сохранять свою форму. Следующая оболочка глаза - сосудистая, в ней располагаются все кровеносные сосуды, питающие ткани глаза. Сосудистая оболочка черная, т. к. ее клетки содержат черный пигмент, который поглощает световые лучи, препятствуя их рассеиванию вокруг глаза. Сосудистая оболочка переходит в радужную, которая определяет цвет глаз. Радужная оболочка - это кольцевая мышечная диафрагма с небольшим отверстием в центре - зрачком. Почему он воспринимается нами как черный? Известно, что то место, откуда не исходят световые лучи, воспринимается нами черным (рис. 2.2.1) Через зрачок световые лучи проникают внутрь глаза, но обратно не выходят, оказавшись как бы в ловушке. Зрачок регулирует поступление света в глаз, рефлекторно сужаясь или расширяясь. За зрачком располагается прозрачный хрусталик, имеющий форму двояковыпуклой линзы. Он эластичен, может менять свою кривизну с помощью ресничной мышцы. Поэтому обеспечивается точная фокусировка лучей света.

 

 

 

 

 

S - источник света.

Рис. 2.2.1. Абсолютно черное тело (лучи проникают внутрь тела, но обратно не выходят).

 

б) Теперь рассмотрим глаз, как оптическую систему. Она включает в себя роговицу, хрусталик, стекловидное тело. Главная роль в создании изображения принадлежит хрусталику. Он фокусирует лучи на сетчатке, благодаря чему возникает действительное уменьшенное перевернутое изображение предметов, которое мозг корректирует в прямое. (Далее на модели демонстрируется глаз с нормальным зрением. Опыт проводится в затемненном помещении. Нужно объяснить учащимся, что лучи фокусируются на сетчатке, на задней стенке глаза. Учителю необходимо обратить внимание на то, что в его распоряжении имеются только две выпуклые линзы - фокусными расстояниями 70 и 140 мм.

 

 

 

 

 

 

 

1 - Световой пучок от осветителя.

2 - Линза, изображающая хрусталик.

3 - Контур глазного яблока.

Рис. 2.2.2. Глаз с нормальным зрением.

 

а) Затем учитель предлагает учащимся самим собрать модель глаза. На столах находятся приборы из комплекта "Оптика-8". Линза будет выполнять роль хрусталика, а экран - роль сетчатки. Ученикам нужно получить на экране четкое изображение окна. Дать характеристику этого изображения [13].

Теперь на расстоянии в 18-25 см от экрана учащиеся помещают любую линзу (№1, №2, №3 из набора для фронтальных лабораторных работ) и на экране-"сетчатке" получают четкое изображение оправы линзы, не смещая при этом экран. Окно - далекий предмет, а линза - близкий. Ученики на экране видят четкое изображение близкого предмета - оправы линзы, а изображение окна теперь неясное, расплывчатое. Затем вновь получают четкое изображение окна путем перемещения линзы-"хрусталика" и обращают внимание, что изображение оправы линзы теперь стало нечетким. Учитель задает вопрос: можно ли назвать точной собранную Вами модель глаза или требуется сделать какие-то оговорки? Учащиеся делают вывод, что собранную модель можно назвать моделью глаза условно, т. к. в глазе хрусталик не перемещается, когда мы переводим взгляд с далеких предметов на близкие и видим их все отчетливо.

б) В силу разных причин у некоторых людей изображение фокусируется не на сетчатке, а перед ней, а на сетчатке получается размытое, нечеткое изображение. Такой глаз - близорукий.

Учитель демонстрирует ход лучей в близоруком глазе, сдвигая линзу-"хрусталик" вперед.

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.2.3. Ход луча в близоруком глазе.

 

Близорукий глаз - лучи фокусируются до сетчатки (F=70 мм).

У других людей лучи фокусируются за сетчаткой, так что на сетчатке опять получается нерезкое изображение. Этот недостаток зрения называется дальнозоркий, а глаз - дальнозоркий.

Учитель демонстрирует ход лучей в дальнозорком глазе.

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.2.4. Ход лучей в дальнозорком глазе.

 

Дальнозоркий глаз - лучи фокусируются за сетчаткой (F=140 мм).

2) Далее учащиеся получают задание: Смоделировать близорукий и дальнозоркий глаза, т. е. нечеткие изображения удаленного предмета на экране-"сетчатке". Для этого нужно а) приблизить линзу к экрану (экран к линзе) для дальнозоркого глаза, б) удалить линзу от экрана (экран о линзы) - близорукий глаз [13].

3) Как известно, недостатки зрения исправляются ношением очков или контактных линз. Какими линзами исправляют дальнозоркость, а какими близорукость?

Учащиеся вспоминают, что дальнозоркость исправляют собирающими линзами, а близорукость - рассеивающими, после чего учитель демонстрирует опыты по исправлению недостатков зрения.

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.2.5. Исправление близорукости.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.2.6. Исправление дальнозоркости.

 

Хотя расположение линз не отвечает реальности, ясно, как очки (большая выпуклая линза, F=140 мм) помогают сфокусировать лучи именно на сетчатке [13].

4) Далее учитель предлагает учащимся самим моделировать дальнозоркий глаз и подобрать подходящие для него очки, пользуясь собирающими линзами №1 и №2 (Ребята располагают линзы из набора для фронтальных лабораторных работ перед линзой-хрусталиком из набора "L-микро" и убеждаются, что линза №2 позволяет на экране получить четкое изображение окна, а другие линзы - нет. Учитель сообщает, что врач-окулист подбирает очки подобным образом, вставляя в специальную оправу разные линзы, пока пациент не станет хорошо видеть. Затем ученики моделируют близорукий глаз и с помощью рассеивающей линзы №3 получают четкое изображение окна).

5) Линзы характеризуются фокусным расстоянием и оптической силой (величиной, обратной фокусного расстояния). Оптическая сила измеряется в диоптриях (Дптр)

;     

Чтобы выписать рецепт врачу-окулисту нужно знать оптическую силу линзы. Эту величину указывают при изготовлении линз на заводах. Если же эти данные утеряны, то можно определить оптическую силу опытным путем, по известному фокусному расстоянию [13].

Подводя итоги урока, учитель делает вывод о том, что глаз - это ценный, но хрупкий орган, который надо беречь. Чтобы укреплять глазные мышцы и останавливать развитие близорукости, необходимо делать гимнастику глаз, соблюдать элементарные правила гигиены; во время чтения, письма надо располагать предмет на расстоянии 25-30 см от глаз, т. к. это расстояние лучшего видения (зрения), т. е. состояния вашего зрения зависит от вас.

6). Домашнее задание.

а) § 55, 57 учебника "Биология-8", под редакцией Захарова В. Б.

б) Задача.

Расстояние от оптического центра глаза до сетчатки 18,3 мм. Человек пользуется очками  с оптической силой +2 дптр для чтения газеты на расстоянии 25 см. На каком расстоянии от глаз он вынужден держать газету для чтения без очков? Оптическая сила нормального глаза 58,5 дптр [14].

 

Решение: f1=18,3мм=1,83×10-2м D0=58,5дптр D1=+2дптр d1=25 см=2,5×10-1м

Расстояние d2 до предмета связано с расстоянием f2 до изображения и фокусным расстоянием F2 или оптической силой D2 формулой линзы: Т. к. изображение в обоих случаях должно быть на сетчатке глаза, выполняется равенство f2=f1=1,83×10-2м. Оптическая сила глаза с очками равна оптической силе нормального глаза D0 и равна сумме оптической силы D2 глаза без очков и D1 линзы очков: D0=D1+D2ÞD2=D0-D1; D2=58,5дптр-2дптр=56,5дптр. Расстояние до газеты: d2= 5,4×10-1м=54см. Ответ: d2=54см

d2-?

 

Таким образом, на интегрированном уроке "физика-биология" в 8 классе было изучено строение устройства глаза, как оптического прибора, закреплены навыки расчета оптической силы линзы.

 

§2.3 Методика применения средств компьютерной графики в построении урока по физике в 11 классе средней школы

В условиях компьютеризации обучения решение задач на ЭВМ позволяет обеспечить необходимую учащимися индивидуальную помощь, кроме того, повысить эффективность решения задач можно за счет активизации зрительного представления выполняемых действий.

Предлагаемая задача для рассмотрения в 11 классе на уроке "физика-инфороматика" снабжена решением на языке Бэйсик. На экране графического дисплея можно моделировать ход луча в оптической системе, где луч претерпевает различные отражения и преломления при переходе из одной среды в другую. Для решения таких задач надо каждый раз задавать уравнение границы раздела между средами и уравнение луча. Решая уравнения совместно, можно получить точку пересечения, найти угол падения; пользуясь законом отражения или преломления, найти угол, под которым из точки пересечения луч пойдет дальше, вычертить на экране все эти линии.

На данном уроке учащимся дается готовая программа и предоставляется возможность исследовать ход лучей в различных ситуациях, задавая различные начальные условия: положение границы раздела, начальную точку, угол наклона луча к горизонтали, показатель преломления [15].

С использованием компьютера больше индивидуализируется обучение на уроках физики, упрощается процесс подготовки учителя к уроку. Используя обучающие программы, учитель может нагляднее представить изучаемый материал, показать модели физических экспериментов, недоступных в реальных условиях. Для организации учебного процесса с применением компьютера можно использовать:

- готовые программы (обучающие и демонстрационные) с целью демонстрации, обучения, тестирования;

- готовые компьютерные лабораторные комплексы для проведения экспериментов, демонстраций, лабораторных работ (например, компьютерная карта "ФизЛаб" с функциями осциллографа, генератора сигналов переменного тока и самописца, лабораторный многоцелевой измерительный комплекс "L-микро" и др.)

- материалы Интернета.

Кроме того, можно проводить самостоятельные исследования с использованием аналого-цифровых преобразователей и компьютера [16].

 

 

Содержание урока.

1) Повторение пройденного материала.

а) наблюдение преломления света.

На границе двух сред свет меняет направление своего распространения. Часть световой энергии возвращается в первую среду, т. е. происходит отражение света. Если вторая среда прозрачна, то свет частично может пройти через границу сред также меняя при этом направление распространения. Это явление - преломление света.

Вследствие преломления наблюдается кажущееся изменение формы предметов, их расположения и размеров, т. е. направления лучей на границе двух сред изменяются.

б) Закон преломления света:

- падающий луч, луч преломленный и перпендикуляр, восстановленный в точке падения, лежат в одной плоскости;

- отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух сред;

     (2.1)

где n - постоянная величина, не зависящая от угла падения.

в) Показатель преломления

Постоянная величина, входящая в закон преломления света, называется относительным показателем преломления или показателем преломления второй среды относительно первой. Он равен отношению скоростей света в средах, на границе между которыми проходит преломление:

      (2.2)