Лінзи навколо нас

Іван Погорілко, учитель фізики
Носелівської загальноосвітньої середньої школи І–ІІІ ст.
Борзнянського району Чернігівської області

Цільова група:

• учні 11 класу

Тривалість:

• 45 хв.

Мета:

• поглибити знання учнів з геометричної оптики;
• показати учням досконалість природи, серед якої є те, що створює людина;
• розвивати вміння ставити запитання, висловлюватися, встановлювати зв’язки між окремими явищами природи;
• орієнтувати діяльність учнів на використання знань на практиці, що сприятиме формуванню в них підприємницької компетентності;
• виховувати шанобливе ставлення до довколишнього світу;
• виховувати відчуття краси природи.

Операційні цілі (завдання):

Після закінчення уроку учень

 знає

• формули тонкої лінзи;

розуміє

• механізми утворення зображень предметів випуклими лінзами;
• явища природи, зокрема процес утворення крапель-лінз та пов’язаних із цим фізичних явищ;

вміє

• розв’язувати комплексні задачі з використанням формули лінзи;
• застосовувати пошуковий метод пізнання навколишнього світу;
• у звичайному бачити незвичайне;

може

• ставити проблему й аналізувати проблемну ситуацію;
• знаходити розв’язання нестандартних задач, які виникають у повсякденній практиці людини.

Методи і техніки:

• демонстрування перед учнями фотознімків про моменти дії сил поверхневого натягу рідини при утворенні крапель води, проходження світла крізь прозоре середовище та його заломлення в краплі, що дає змогу сприймати її як лінзу;
• метод проблемних ситуацій.

Обладнання:

• персональний комп’ютер;
• мультимедійний проектор;
• екран;
• лазерна указка.

Друковані матеріали (для вчителя):

Давиденко А. А. Науково-технічна творчість учнів: навчально-методичний посібник для загальноосвітніх навчальних закладів. - Ніжин: ТОВ «Видавництво “Аспект Поліграф”», 2010. - 176 с.

Давиденко А. А. Фотозадачі на уроках фізики // Фізика та астрономія в сучасній школі. - 2012. - № 1. - С. 41,42 та кольорові вставки (2 стор.).

Давиденко А. А., Коршак Є. В. Фотографічний метод дослідження фізичних явищ // Фізика та астрономія в школі. - 2008. - № 3 - C. 12-13, 57.

Допоміжні матеріали:

Додаток. Набір фотознімків.

Хід уроку

1. Вступна частина

1.1. Привітайтеся з учнями. Перевірте готовність учнів до уроку.

1.2. Запропонуйте учням дати визначення тонкої лінзи та записати на дошці основні формули.

Учні записують формулу лінзи, виражену через її конструктивні особливості:

та формулу лінзи, виражену через параметри зображення:

Оптична сила лінзи:

Збільшення лінзи:

Учитель повідомляє, що ці формули можуть бути використані для розв’язування відповідних задач, які будуть виникати впродовж уроку.

2. Основна частина

2.1. Для створення проблемної ситуації спроектуйте на екран зображення краплини води, що утворилася на гілці дерева (Додаток, фото 1).

Сформулюйте завдання:

«Опишіть те, що ви бачите на цій фотографії (обернені зображення дерев, якоїсь будівлі справа та, далеко в глибині, шкільної кочегарки)».

Після цього поставте таке запитання: «Які фізичні явища можна дослідити з допомогою зображеної на фотографії краплини?»

Серед багатьох відповідей виокремлюємо дві:

1) оптичні властивості краплини як лінзи;

2) поверхневий натяг води.

2.2. Запропонуйте учням проаналізувати утворене зображення в краплині: (обернене і зменшене).

Для подальшого аналізу повідомте учням, що гілка дерева (Додаток, фото 1) має діаметр 0,4 см. Виходячи з цього, легко (використовуючи фотографію й масштаб) визначити діаметр краплини (а значить, і її радіус). На цьому малюнку це приблизно d = 0,6 см, або R = 0,3 см.

2.3. На основі приведених вище даних розв’яжіть з учнями задачу. Використайте відому формулу:

де F - фокусна віддаль лінзи, n - показник заломлення (для води він становить 1,33), R1 і R 2 - кривизна поверхонь лінзи, знайдемо фокусну віддаль краплини. R1 = R2 = R, оскільки краплина має правильну форму і радіус її кривизни з усіх сторін однаковий.

Тоді

звідки

Зробивши перетворення, одержіть

Підставте числові значення й одержіть:

2.4. Запропонуйте учням перевірити виконані розрахунки за допомогою відповідних вимірювань зображення схожої краплини (Додаток, фото 2). Безпосередні вимірювання дали результат: F = 3,5 (см).

2.5. Поясніть, що різниця в результатах пояснюється відмінністю між краплинами і (що найголовніше) - краплина не є тонкою лінзою, формулою якої ми користувалися.

Відносна похибка знаходиться в межах 20-22%.

Вимірявши віддаль від гілки груші (саме на ній сфотографована розглядувана краплина) до шкільної кочегарки, можна (використовуючи формулу:

знайти приблизно віддаль від краплини до зображення.

Зосередьте увагу учнів на тому, що краплина - це природна лінза. Спонукайте їх до самостійного формулювання цього та подальших висновків.

2.6. Ознайомте учнів з описом мандрів відомого дослідника Барсенєва. Він описує таку ситуацію.

Взимку (коли сонце досить низько над горизонтом) мандрівник встановив у кімнаті нову шафу. Але через якийсь час зауважив нижче середини шафи тонку чорну смужку. Придивившись пильніше, він виявив, що ця смужка - пропалений слід.

Проаналізуйте разом з учнями цю ситуацію та поставте запитання: «Як ви думаєте, хто пропалив смужку на стінках шафи?»

З цієї ж причини після сильного дощу на листках рослин виникають темні цятки. Підказкою може послужити зображення (Додаток, фото 3). Там видно, як невелика, наповнена водою колба фокусує сонячні промені на листку паперу.

2.7. Далі повідомте зміст замітки, яка була надрукована в одній з районних газет.

«В обійсті пенсіонерів виникла пожежа. Почалася вона рівно опівдні ясного сонячного дня (ніхто підкрастися непомітно і підпалити не міг). Почалася з веранди, оббитої руберойдом. Пожежники встановили потім причину пожежі...».

Запропонуйте учням проаналізувати ситуацію й виступити в ролі наукових експертів, до яких іноді звертаються слідчі органи.

2.8. Для підказки уважно розгляньте фотознімок (Додаток, фото 4). Згадайте, що найчастіше люди зберігають рідини в скляних банках. Спрямуйте міркування учнів у такому руслі, щоб вони самостійно зробили висновок: «Причиною виникнення пожежі могло бути фокусування посудиною з водою (циліндричною лінзою) яскравого сонячного світла на легкозаймисту поверхню руберойду».

Запропонуйте учням провести додаткові дослідження вдома. Акцентуйте їхню увагу на дотриманні правил пожежної безпеки (щоб уникнути ситуації, яка описана в газеті).

2.9. Далі запропонуйте учням використати знання про поверхневий натяг рідини, що дає змогу продовжити розв’язання задачі. Дійдіть разом з учнями висновку стосовно тісного зв’язку між фізичними явищами. Такий висновок дає змогу показати учням причиннонаслідкові зв’язки, що існують не лише в природі, а й в соціальному середовищі: виробництві, економіці, культурі та ін.

Цей етап розв’язання можна умовно назвати «Краплина: поверхневий натяг рідини та світло».

Знайдіть приблизний об’єм краплини:

На краплину діють сили: сила тяжіння F_Т = mg (спрямована вниз) і сила поверхневого натягу F_п = 2πR • σ (скерована вгору). За третім законом Ньютона ці сили рівні.

Сила тяжіння m = ρV, тоді F_Т = ρVg; F_Т = 103 • 0,12 • 10^-6 • 10 = 12 • 10^-4 (Н)

Сила поверхневого натягу: F_п = 2 • 3,14 • 0,3 • 10^-2 • 75 • 10^-3 = 14 • 10^-4 (Н)

Відносна похибка становить близько 12%.

2.10. Поясніть, що наші вимірювання на фотознімку мали досить приблизний характер, тому й результати мають помітну похибку. Але результати - одного порядку. Це свідчить про правильність методів наших досліджень. Зверніть увагу учнів на те, що сила поверхневого натягу рідини й світло іноді створюють красиві речі, якими милується людське око (рис. 5 та 6).

2.11. Розгляньте (без надмірної деталізації) процес утворення веселки. Зверніть увагу учнів на швидкоплинність цього явища, на те, що вигляд веселки залежить від місця розташування спостерігача, що слід враховувати під час її фотографування. При цьому поставте перед ними такі запитання:
За яких погодних умов з’являється веселка?
В яку пору доби краще спостерігати веселку: вранці, в обід чи ввечері? Чи залежатимуть кольори веселки від місця положення Сонця?
Чи можна одержати веселку за допомогою іншого джерела світла (не сонячного)?

3. Підсумкова частина

3.1. Зробіть висновок про багатство та красу довколишнього світу. Акцентуйте увагу на тому, що людина своїм розумом пізнає закономірності цього світу, а також що своїми знаннями вона може цей світ змінювати. Проте ці зміни можуть бути і позитивними, і негативними. Значна кількість катаклізмів викликана діяльністю людей. Природа немовби захищається та попереджує людину про її небезпечну діяльність. Отже, вся діяльність людини повинна бути орієнтована на поліпшення екологічного стану планети, на відновлення її ресурсів. Цій ідеї й підпорядковується одне з домашніх завдань (Завдання 3).

3.2. Зверніть увагу учнів на необхідність колективного розв’язання проблем, які виникають перед людством. Проте будь який колектив має очолювати людина, здатна вести за собою, - лідер. Для цього необхідні відповідні особисті якості, здібності вести за собою і, звичайно ж, обізнаність у справі.

3.3. Оголосіть домашнє завдання:

1. Розв’язати задачу. Як би змінився світ краплин, коли б сила тяжіння планети зменшилася в n раз (зокрема якого б вигляду набрали моменти явищ, представлені на фото 5 і 6 Додатку)?

2. Зробіть підбірку (портфоліо) фотознімків, які б демонстрували зв’язок фізичних явищ між собою. Зробіть відповідні нотатки.

Більш цінними, звичайно, будуть власні знімки, проте для виконання завдання можна скористатись і відповідними електронними ресурсами.

3.4. Індивідуальне завдання для учнів, які мають здібності до винахідницької діяльності. Запропонуйте пристрій (його схематичне зображення), який би давав змогу нагрівати великий об’єм води, наприклад, 1 куб. м., за допомогою багатократного фокусування сонячного світла. Обчисліть, яку кількість електроенергії ми б при цьому зекономили. Переведіть цю економію в фінансову площину.

Додаток

Фото 1. Зображення краплини воли на гілці дерева	Фото 4. Збирання променів світла банкою з водою
Фото 2. Фокусування краплиною води світла на листок паперу	Фото 5. Фрагмент зображення веселки
Фото 3. Колба з водою як лінза	Фото 6. Зображення краплини води на ягоді калини