Metodika pro učitele – Optika SŠ Základní charakteristika výukového programu: Popis: V šesti kapitolách se žáci seznámí se základními principy geometrické optiky, s optickými klamy a světelným spektrem. Celou aplikaci následně ukončuje kapitola Test, kde žáci řeší zadané úlohy. Délka: 5 vyučovacích hodin Věková kategorie: střední škola Počet žáků: max. 10–15 Místo: ve třídě Pomůcky: Pro učitele/pro třídu Lesklá kulová naběračka Lžíce Lupa Zrcadlo a duté zrcadlo Laserové ukazovátko CD a DVD Model oka
Bezdrátový spektrometr PASCO (PS-2600) Optický kabel ke spektrometru Pasco Notebook s programem Pasco Spectrometr, příp. iPad s aplikací Pasco Spectrometr Dálkový ovladač s IR diodou (případně samotná IR dioda s rezistorem cca 100 Ω plochá baterie 4,5 V) Doporučené – bezdrátový přenos obrazu z tabletu do projektoru - např. NETGEAR Push2TV HD PVT3000 nebo Asus Dongle Doporučené – UV zářivka a věci, které svítí pod UV – tonik, větvička jírovce, jízdenky MHD, zvýrazňovače,…
Do dvojice Tablet s aplikací Tabletárium: Optika https://play.google.com/store/apps/details?id=cz.scientica.kladno.optika Doporučená aplikace MyScript Calculator (zdarma ke stažení) https://play.google.com/store/apps/details?id=com.visionobjects.calculator Pracovní list (pro každého) Základní optická sada Papírový metr Návaznost na RVP: Fyzika. Aplikace je určena k zopakování a rozšíření znalostí z výuky. Vhodné k zopakování probrané látky k tématu Elektromagnetické jevy, světlo. Cíle programu: - Žáci ověří zákon odrazu a lomu světla.
V 2.0
1/8
-
Žáci určí vlastnosti obrazu dutého a vypuklého zrcadla. Žáci určí ohniskovou vzdálenost dutého zrcadla experimentálně a početně. Žáci určí ohniskovou vzdálenost spojky. Žáci zobrazují pomocí optických soustav. Žáci se prakticky seznámí s blízkým spektrem viditelného záření.
Charakteristika aplikace: Aplikace je rozdělena do šesti hlavních kapitol a testu: Úvod Zrcadla Čočky Optické soustavy Optické klamy V jiném světle Test Výuka je koncipována na 5 vyučovacích hodin. Z aplikace je také možné vybrat si jen určitou kapitolu a na tu se zaměřit – kapitoly jsou na sobě nezávislé.
Před výukou: Vyučující připraví tablety a pro každou dvojici pomůcky zmíněné výše. Hodí se mít diaprojektor a zařízení pro bezdrátový přenos obrazu z tabletu. Pro práci se sadou je praktické spojit dvě lavice k sobě, aby byla pracovní plocha dostatečně velká.
Průběh výuky: Jak s aplikací pracovat Žáci mohou s aplikací pracovat samostatně, ve dvojících, případně ji vyučující může použít pro frontální výuku. Hodí se také na počátku žákům navrhnout možnost, že sami můžou postupovat svým tempem, ale do konce výuky musí celou aplikaci projít. Poznámka: řada tříd tuto možnost dostala, avšak ji využilo jen velmi malé množství žáků.
V 2.0
2/8
Značení Práce s pomůckami Pasco Práce v aplikaci Optika
Průběh výuky Rozdělení do dvojic, pokud by byl lichý počet, tak se vytvoří trojice.
1. Úvod – různý pohled na světlo První kapitola ukazuje různý pohled na světlo. Nejvíce se budeme v aplikaci zabývat geometrickou optikou, ale žáci by měli mít moderní představu o světle – o jeho vlnových a kuličkových vlastnostech, případně i o roli světla jako zprostředkovatele interakcí v mikrosvětě. 2. Paprsková optika Základní principy paprskové optiky si žáci nejprve vyzkouší pomocí sady. Pro zobrazování budeme používat zdroj světla (viz foto) položený na ležato, který umožňuje nastavení jednoho, tří, nebo pěti rovnoběžných paprsků.
Nejprve necháme svítit jen jeden paprsek na lavici a uvidíme, že se šíří „rovně“. Následně provedeme měření úhlu dopadu a odrazu pomocí zrcátka a úhloměru ze sady.
V 2.0
3/8
Poté provedeme i měření lomu a určení indexu lomu materiálu (plastu).
3. Kapitola 1 Úvod – paprsková optika, úhel odrazu a dopadu, zákon lomu A co z předchozích experimentů můžeme usoudit? Světlo se šíří tak, aby se z jednoho místa na druhé dostalo za nejkratší dobu (Fermatův princip). Z tohoto principu následně vyplynou jak princip dopadu a odrazu, tak i zákon lomu. 4. Kapitola 1 Úvod – vlastnosti obrazu V aplikaci i v experimentech se budeme zabývat optickým zobrazením, hodí se proto definovat základní vlastnosti obrazu. Řada těchto experimentů se dá názorně ukázat pomocí naběračky (převrácený obraz), případně lupy (viz obr. níže –zmenšený obraz).
5. Kapitola Zrcadla – princip zrcadel, rovinné zrcadlo a duté zrcadlo U zrcadel je stěžejní fakt, že využívají odrazu světla od lesklých ploch, přičemž platí, že úhel odrazu se rovná úhlu dopadu. Tímto jednoduchým principem můžeme vytvářet nejrůznější obrazy pouhou změnou tvaru zrcadla.
V 2.0
4/8
U dutého zrcadla se dá tento princip využít u paprsků blízkých optické ose (v tzv. paraxiálním prostoru). Zavádíme 3 význačné paprsky – středový a dva ohniskové. Pro větší vzdálenosti od optické osy bude platit pouze středový paprsek. Význačné paprsky se navzájem již neprotnou v jednom bodě, a vznikne kulová vada. Hlavně je potřeba dát pozor na kulovou vadu při rýsování, kdy velikost předmětu je srovnatelná s ohniskovou vzdáleností. 6. Určování ohniskových vzdáleností Necháme-li na duté kulové zrcadlo dopadat rovnoběžné paprsky, měly by se protnout přibližně v ohnisku (přesně se neprotnou z důvodu kulové vady). Tím také můžeme určit ohniskovou vzdálenost dutého zrcadla. Vynásobíme-li tuto vzdálenost dvěma, určíme i poloměr křivosti zrcadla.
7. Zobrazením dutým zrcadlem Jsme-li schopni určit ohniskovou vzdálenost, můžeme se pustit do zobrazení dutým zrcadlem. Obraz budeme zobrazovat na poloprůhledné stínítko, které se nachází mezi zrcadlem a zdrojem světla, jelikož je obraz na stínítku dobře viditelný.
8. Zobrazením dutým zrcadlem Pokud žáci provádějí měření výše, mohou porovnat, o které zobrazení se jedná podle obrazu na stínítku. Nejsou-li ve třídě k dispozici tyto pomůcky, dá se koupit obyčejné duté zrcátko na líčení (případně obvykle někdo ve třídě má) a lze určovat, o kterou variantu zobrazení se jedná a jaké vlastnosti má zadaný obraz.
V 2.0
5/8
9. Určování ohniskové vzdálenosti zrcadla výpočtem Díky měřítku na optické lavici můžeme snadno odečíst hodnotu předmětové a obrazové vzdálenosti. Následně je možné pomocí aplikace MyScript Calculator vypočítat ohniskovou vzdálenost. Důvodem volby této aplikace je snadné zadávání výrazů typu 1 1 1 10 − 20
,
a jejich rychlý výpočet. Hlavně pro slabší žáky je tento nástroj skvělou pomůckou, jelikož se neztratí v matematických úpravách. Dále se dá pomocí velikosti předmětu a obrazu určit příčné zvětšení obrazu (a taktéž i pomocí předmětové a obrazové vzdálenosti). 10. Vypuklé zrcadlo U vypuklého zrcadla se zobrazení nedá dobře provést, jelikož vytváří neskutečný obraz, ale je možné se s žáky pobavit o praktickém použití u silnic, případně v obchodech. Hezkou ilustrací dutého a vypuklého zobrazení je naběračka, případně polévková lžíce. 11. Kreslení zobrazení dutého a vypuklého zrcadla Přestože jsou v aplikaci nakresleny druhy zobrazení dutým a vypuklým zrcadlem, je přesto vhodné, aby si žáci zobrazení dutým a vypuklým zrcadlem sami ručně zakreslili do pracovních listů. 12. Kapitola 3 – čočky Čočky rovněž využívají jednoduchého fyzikálního principu, a to zákona lomu. Opět podle tvaru se následně může lišit obraz, který uvidíme. 13. Určení ohniskových vzdáleností spojek a rozptylek ze sady Hezkou aktivitou je určení ohniskové vzdálenosti pomocí obrazu oken v místnosti (a okolní krajiny).
Pokud je spojka přesně v ohniskové vzdálenosti od zdi místnosti, můžeme vidět ostrý převrácený obraz. Tento princip nebude fungovat u rozptylky, jelikož nevytváří skutečný obraz (ale můžeme jej vidět okem pro malé křivosti). Hodnoty ohniskových vzdáleností je možné ověřit na držácích čoček. 14. Spojka – tři význačné paprsky Stejně jako u zrcadel budeme mít i u spojky a rozptylky tři význačné paprsky. Opět se můžeme podívat na různé druhy zobrazení, které vzniknou pro různou polohu předmětu.
V 2.0
6/8
15. Zobrazení spojkou Obdobně jako u dutého zrcadla můžeme nyní provést zobrazení spojkou. Opět můžeme určit ohniskovou vzdálenost, ale i zvětšení pomocí velikosti obrazu a předmětu a taktéž pomocí předmětové a obrazové vzdálenosti.
Zajímavá aktivita je také nastavit vzdálenost předmětu a obrazu na 1 m a následně požadovat, aby žáci našli ostrý obraz. Zajímavé pro žáky je, že jsou dvě místa s ostrým obrazem (řešení vede na kvadratickou rovnici s dvěma kořeny). 16. Oko a optické soustavy Základní vlastnosti obrazu můžeme zkoumat pomocí Modelu oka – vznik převráceného obrazu, akomodaci čočky (pomocí injekční stříkačky a příslušného modelu – viz obrázky níže), případně i vady oka pomocí příslušných spojek a rozptylek. Jako základ ale žákům stačí, že v oku vzniká převrácený obraz, který si následně mozek „otočí“ normálně.
V 2.0
7/8
Pak si žáci pomocí spojek a rozptylek v sadě mohou vyrobit dalekohled a mikroskop a určit jeho úhlové zvětšení. Během výroby dalekohledů je vhodné vypnout zdroj světla, aby vychladl a mohl se po skončení výuky rovnou sbalit.
17. Kapitola 4 – optické soustavy Oko a model oka – kromě běžně známých faktů o oku je zajímavá poloha žluté skvrny, která leží blízko optické osy oka. Dalekohled a mikroskop – v rámci základních optických soustav jsme se zaměřili na dalekohled a mikroskop. Pro úhlové zvětšení mikroskopu je důležitá konvenční zraková vzdálenost, která je pro zdravé lidské oko přibližně 25 centimetrů. Krátce jsou zmíněny i vady oka. 18. Kapitola 5 - Optické klamy Tato kapitola je pro žáky spíše oddychovou záležitostí a poskytuje vyučujícímu čas připravit si experimenty pro kapitolu V jiném světle. 19. Kapitola 6 - V jiném světle Spektrum – v rámci spektra je zmíněno pouze záření blízké viditelné oblasti. Pro zkoumání IR záření je možné spustit kameru tabletu, jejíž CCD čip vidí i blízké IR záření – např. svítící IR diodu dálkového ovladače. Na druhé straně viditelného spektra se zase můžeme setkat s UV zářením. Pro ukázku jsou v aplikaci vybrané ukázky věcí, které svítí pod UV zářením, mnohem názornější je ale žákům přímo tyto věci ukázat naživo. 20. Úklid pomůcek a zpětná vazba Žáci uklidí pomůcky do krabice, zavřou všechny spuštěné aplikace na tabletu a odevzdají tablet vyučujícímu. Na závěr se osvědčilo udělat s žáky „teploměr“, jak se jim výuka líbila – podle výšky zvednutí ruky hodnotí výuku. Když žáci odejdou, je potřeba počítat s úklidem pomůcek, které se používaly v hodině na demonstrování fyzikálních dějů – cca 30 min.
V 2.0
8/8
