Формирование и развитие основных понятий геометрической оптики в курсе физики

Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления этой среды. Он равен отношению синуса угла падения к синусу угла преломления при переходе в данную среду [17].

2) Объяснение нового материала

Ход лучей в треугольной призме.

Закон преломления позволяет рассчитать ход лучей в различных оптических устройствах, например, в треугольной призме, изготовленной из стекла или других прозрачных материалов. На рис. 2.3.1 изображено сечение стеклянной призмы плоскостью, перпендикулярной ее боковым ребрам. Луч в призме отклоняется к основанию, преломляясь на границе ОА и ОВ. Угол j между этими гранями называют преломляющим углом падения призмы. Угол q отклонения луча зависит от преломляющего угла призмы j, показатель преломления n материала призмы и угла падения a. Он может быть вычислен с помощью закона преломления (2.1)

Рис. 2.3.1 Ход луча в призме.

 

3) Контроль знаний учащихся в виде письменных заданий (по вариантам) [18].

I вариант. Постройте ход светового луча, падающего на треугольную призму, если показатель преломления вещества призмы меньше показателя преломления окружающей среды.

Ответ

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.3.2

 

II вариант: 2/3 угла между падающим и отраженным углами составляет 80°. Чему равен угол падения?

Ответ 2/3®80°; 1-х

4) Работа с компьютером

На данном этапе урока, учащиеся знакомятся с компьютерной программой "Преломление лучей в призме". С помощью этой программы на экране дисплея будет изображаться ход луча, преломляющегося на границах раздела (если они под углом друг к другу, то это - призма, если параллельны - плоскопараллельная пластина). Работая с этой программой учащиеся исследуют ход лучей в различных ситуациях, задавая различные начальные условия [19].

Программа "Преломление лучей в призме" состоит из следующих блоков:

а) Ввод начальных условий

б) Построение призмы (при помощи трех прямых линий)

в) Расчет предельного угла А по формуле:

г) Рассчет значений хр, ур.

д) Рассчет значения у по формуле:

у=у1+tg(AL)(x-x1), при х=0,

где AL - угол луча с горизонталью, х1, у1  - точки выхода

е) Построение прямой, если .

ж) Построение хода луча в зависимости от присваемого значения угла падения.

 

 

 

 

Общая схема программы:

 

 

Начало

 

 

 

 

Задание

нач. условий

 

 

 

Построение

призмы

 

 

 

Изменение

параметров

луча

 

 

 

Условия

окончания

цикла

 

 

      да

 

 

Конец

 

 

 

Итогом работы учащихся с данной программой является анализ правильности изображаемого компьютером хода луча, при изменении параметров луча и формы призмы.

5) Домашнее задание:

а) §42, учебника "Физика-11", Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б.,

б) упр. 5 (13,14).

 

Глава 3. Развитие и углубление понятий геометрической оптики в формах внеклассной работы с учащимися

 

 

§3.1 Методическая разработка факультативного занятия на тему "Оптические иллюзии".

 

Темы под названием "Оптические иллюзии" в традиционном школьном курсе физики нет. Но материал об оптических иллюзиях эмоционально привлекателен для учащихся и доступен.

Лучше всего организовать по этой теме факультативный спецкурс. Предлагаю рассмотреть материал для одного занятия такого факультатива.

Тема занятия: "Понятие оптической иллюзии".

Это занятие можно разделить на две части. Первую посвятить введению понятия "оптическая иллюзия" и выяснению вопроса: кому и зачем нужно знать об оптических иллюзиях? При этом для успешного восприятия материала желательно сопровождать рассказ учителя репродукциями и фотографиями известных иллюзий разной природы [20].

Что такое оптическая иллюзия? Оптической иллюзией называется несоответствующее действительности представление видимости явления или предмета вследствие особенностей строения нашего зрительного аппарата.

Кому нужно знать об оптических иллюзиях? Представителям различных профессий: художникам, скульпторам, архитекторам, военным, модельерам, и многим другим.

Почему возникаю оптические иллюзии? Зрительный аппарат человека - сложно устроенная система со вполне определенным пределом функциональных возможностей. В нее входит: глаза, нервные клетки, по которым сигнал передается от глаза к мозгу, и часть мозга, отвечающая за зрительное восприятие. В связи с этим выделяют три основные иллюзии:

1) глаза так воспринимают идущий от предмета свет, что в мозг приходит ошибочная информация;

2) при нарушении передачи информационных сигналов нервам происходит сбои, что приводит к ошибочному восприятию;

3) мозг не всегда правильно реагирует на сигналы, приходящие от глаз. (Вниманию учащихся можно предложить серию иллюзорных картинок, взятых из книг Я. И. Перельмана).

По происхождению оптические иллюзии делятся на три вида:

- естественные, или созданные природой (например, мираж);

- искусственные, или придуманные человеком;

- смешанные, т. е. естественные иллюзии, воссозданные человеком (иллюзионные картинки).

Нужно отметить, что оптические иллюзии рождаются не обязательно в результате игры света и тени, в их основе лежит хитроумная механическая конструкция [20].

Вторая часть занятия может быть посвящена заслушиванию докладов учащихся на темы:

1) Примеры естественных оптических иллюзий.

2) Примеры искусственных оптических иллюзий.

3) Великие иллюзионисты прошлого.

4) Оптические иллюзии в технике и промышленности.

5) Оптические иллюзии в искусстве.

Далее занятие можно построить в виде занимательных демонстраций, в постановке которых принимают участие все желающие. Объяснение иллюзий не обязательно давать сразу после демонстрации. "Разоблачение" можно оставить на конец занятия, либо на начало следующего, чтобы у школьников было время на обдумывание.

Рассмотрим две демонстрации. Демонстрация №1 - Возникновение цветового восприятия от мелькающего черно-белого раздражителя (диска Бенхэма). Так, на вращающемся диске с черно-белым рисунком при хорошем освещении и подходящей скорости вращения появляются цветные кольца. Для демонстрации "окрашивания" целому классу лучше показать теневую проекцию вращающегося диска с прорезями, соответствующими светлым участкам на диске с рисунком. Диск приводится  во вращение микромотором, питаемого через реостат от источника 4-12 В.

Демонстрация №2 - "Прозрачная книга". Ее можно показать в 8-м классе после изучения закона отражения света в качества убедительного доказательства того, что плоское зеркало способно изменять направление световых лучей.

Для демонстрации изготавливается равносторонний стеклянный ящик, в который по диагонали вставляется тонкое стекло. Установив сзади и сбоку ящика два одинаковых диапроектора, можно демонстрировать "просвечивание" диапроектора сквозь опускаемый в ящик предмет (например, книгу). "Прозрачность" предмета явление кажущееся и связано со впадением положения изображения бокового проектора, возникающего в диагональном стекле, с положением заднего.

При размерах ящика 50х50 см и толщине стекла 1-2 мм оно не видно уже с расстояния 1,5 м, т. е. фактически с первой парты, что дает возможность преподнести демонстрацию как фокус [20].

Ознакомившись на данном факультативном занятии с явлением оптической иллюзии, учащиеся постараются глубже понять его суть. Таким образом, факультатив углубляет и расширяет знания учащихся, не отвлекая их внимание от основного содержания учебной программы.

 

 

§3.2 Конкурсный вечер на тему "Тайны световых лучей".

 

В основу конкурсного вечера положен метод соревнования между коллективами учащихся. Цель такого вечера - активизация познавательной деятельности школьника.

Оптика в средней школе - один из разделов с большим научным и воспитательным значением. Этому способствует разнообразие оптических явлений, их большое значение в жизни людей.

Рассмотрим программу конкурсного вечера по оптике "Тайны световых луче".

Для данного вечера по оптике "тайны" света учитель будет искать там, где, используя программный материал, можно расширить знания учащихся. При этом можно опираться на наблюдения оптических явлений в природе [21].

Во время проведения конкурсов соревнующиеся команды будут задавать друг другу вопросы, ответы на которые позволяют раскрыть "тайны" многих световых явлений.

Программа вечера:

1) Разминка "Зрительные ощущения".

2) Конкурс художников.

3) Конкурс "Зеркала и наши профессии".

4) Песенно-литературный конкурс.

5) Конкурс капитанов. "Кто как смотрит и кто что видит".

1) Разминка "Зрительные ощущения". Учащимся предлагается отразить двойственность в оценке зрительного восприятия, которая заключается в том, что с одной стороны, мы полностью доверяем своему зрению, с другой стороны, нередко обнаруживаем, что суждение об увиденном оказалось ложным.

Сначала соперникам предлагают обсудить вопрос, посвященный тому, чего нет в действительности, хотя мы это видим. В физике этот оптический обман называют мнимым изображением. Затем соревнующимся командам предлагаю вопросы на сообразительность, сопровождая их набором похожих картинок, например: какие различия вы видите здесь? Можно обсудить получение мнимых изображений в оконных стеклах, зеркальной глади воды и т. д. Художники для этого конкурса готовят рисунки, на которых изображают предметы и их мнимые изображения, полученные в результате отражения и преломления лучей [22].

2) Конкурс художников. На основе представлений о луче и о светящейся точке, используя законы геометрической оптики, можно построить ход лучей и найти изображение в различных оптических приборах. Эти умения дают возможность человеку рассчитывать различные оптические приборы и помогают управлять световыми потоками с помощью линз и зеркал.

Данный конкурс носит такое название потому, что построение, требует от исполнителей не только физических знаний, но и определенного художественного мастерства.

Шести художникам (по три от каждой команды) надо найти изображение от светящейся точки А0 в оптической системе, состоящей из плосковогнутой линзы и плоского зеркала. Для этого на двух классных досках надо нарисовать чертежи (рис. 3.2.1)

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.2.1

 

Работа учеников оценивается баллами.

3) Конкурс "Зеркала и наши профессии". Участникам этого конкурса надо рассказать о роли зеркал врача-окулиста, врач-стоматолога и водителя автобуса. Этот конкурс должен предварительно готовиться дома.

4) Песенно-литературный конкурс. Свет в нашей жизни играет большую роль. Известно немало стихов, песен, загадок, посвященных свету и его источникам.

Участникам этого конкурса предлагается исполнить куплет из такой песни, прочитать стихотворение, загадать загадку, т. е. надо показать, как в поэзии и народной мудрости отражены световые явления.

5) Конкурс капитанов. "Кто как смотрит и кто что видит". Ведущий задает капитанам команд вопросы:

1. Почему люди утверждают, что заяц косой?

2. Как видят глубоководные рыбы, живущие в вечной темноте?

Ответы к конкурсу капитанов:

1. Заяц видит предметы, находящиеся от него с каждой стороны, только одним глазом, он не имеет слепой зоны. При неподвижной голове и естественном направлении взгляда обоих глаз поле зрения, общее для обоих глаз, небольшое: впереди - 10°, позади - 9°. Между ними по дуге - поле зрения, видимое одним, соответствующим глазом (рис. 3.2.2).

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.2.2 Поле зрения глаза зайца

2. У глубоководных рыб глаза или отсутствуют, или очень малы. Это связано с условиями их существования. Отпадает главная функция глаза, т. к. нет возможности что-либо вокруг рассматривать, т. к. живут они в полной темноте; поэтому световые ощущения воспринимаются окончанием зрительного нерва, выходящего наружу тела [22].

Таким образом, данный конкурсный вечер является одновременно развлекательным и тематическим и имеет большую познавательную ценность. Такое мероприятие разнообразит внеклассную работу, сделает ее более целенаправленной и увлекательной для учащихся, даст возможность удовлетворить интересы школьников.

 

Заключение.

 

Усовершенствование методики преподавания геометрической оптики в средней школе способствует решению ряда задач, среди которых главными являются: расширение знаний учащихся по геометрической оптике, развитие представлений о роли оптики в системе знаний о природе электромагнитного излучения, формирование творческого подхода к изучению геометрической оптики.