Формування знань учнів з розділу "Оптика"

Міністерство освіти і науки України

Вінницький державний педагогічний університет

імені М. Коцюбинського

Інститут перспективних технологій, економіки і фундаментальних наук

Кафедра методики викладання фізики та інформатики

Реферат на тему

Формування знань учнів з розділу "Оптика"

Студент

спеціальності "математика і фізика"

групи 5АМФ

БРАЦЮК Юрій Олексійович

Перевірив:

кандидат фіз. - мат. наук, доцент

ЗАБОЛОТНИЙ В.Ф.

Вінниця-2007

Зміст

1. Структура курсу оптики і зв'язок його з іншими розділами фізики

2. Особливості викладання оптики
2.2 Проблемний підхід до вивчення оптичних явищ
2.2 Специфіка демонстраційного експерименту з оптики
2.3 Лабораторні роботи, фронтальний експеримент і роботи фізичного практикуму з оптики
2.4 Розв'язування задач з оптики, домашні досліди і спостереження
3. Методичні особливості вивчення геометричної оптики
3.1 Що вивчає променева оптика. Закони відбивання і заломлення світла
3.2 Відбивання гомоцентричних пучків світла від плоских і сферичних поверхонь. Дзеркала
3.3 Заломлення гомоцентричних пучків світла на плоских поверхнях. Повне відбивання світла
3.4 Заломлення гомоцентричних пучків світла на сферичних поверхнях. Лінзи. Аберація лінз. Об'єктиви

1. Структура курсу оптики і зв'язок його з іншими розділами фізики
Оптика (яка в середній школі включає також елементи атомної фізики) - передостанній розділ фізики. Вона ґрунтується значною мірою на матеріалі, який раніше вивчався в механіці і електриці, доповнює його й підносить на вищий якісний рівень. Явища та закономірності, що вивчаються в оптиці, складніші, ніж у попередніх розділах фізики, проте учні підходять до їх вивчення більш підготовленими, тому цей матеріал сприймається без особливих труднощів. І під час вивчення оптики слід іти від простого до складного, від відомого до невідомого, з тим щоб сприймання було глибшим і фундаментальнішим.

Отже, не випадково, в підручнику виклад починають з геометричної (або променевої) оптики, потім, вивчається хвильова оптика, а за нею квантова (чи корпускулярна). Такий розподіл матеріалу дає можливість розглянути основні властивості світла у порядку їх ускладнення - властивості прямолінійно поширюватися в однорідному просторі, хвильові й корпускулярні властивості.

Ці розділи оптики охоплюють питання, пов'язані з випусканням світла, його поширенням у просторі та взаємодією з речовиною. Послідовність вивчення оптики з установленням основних логічних зв'язків між частинами навчального матеріалу, а також технічні застосування оптики подано на схемах (мал.1 і 2).

Заключний розділ курсу електрики - електромагнітні хвилі - є безпосередньою ланкою у переході до вивчення оптики, що підтверджує нерозривний зв'язок електричних і оптичних явищ. У цьому розділі встановлюється електромагнітна природа світла, доказом чого є факт збігу числового значення швидкості світла і хвиль Герца. З електромагнітної природи світла безпосередньо випливають його хвильові властивості. Зробимо застереження щодо деяких термінів. Маючи на увазі природу світла, говоримо, що вона електромагнітна. Хвильові, корпускулярні особливості світла, особливість прямолінійного поширення називаємо його властивостями. Пізнавальну цінність тут має короткий історичний екскурс в історію розвитку хвильових уявлень про світло (X. Гюйгенс, М.В. Ломоносов, Л. Ейлер, Т. Юнг, О. Френель, Д.К. Максвелл, Г. Герц).

Послідовність викладання оптики здійснюється відповідно до трьох основних властивостей світла. Властивість світла прямолінійно поширюватися в однорідному середовищі лежить в основі променевої або геометричної оптики. У цьому розділі основними є поняття променя та пучків променів із спільним центром (гомоцентричні пучки променів). На самому початку вивчення променевої оптики подається поняття про енергетичні фотометричні величини. Розділ власне фотометрії, де вводиться поняття про світловий потік, найкраще дати в кінці курсу оптики. Променева оптика пояснює будову та дію основних оптичних приладів.

З другою властивістю світла - хвильовою - пов'язаний наступний розділ оптики - світлові хвилі. Одним з центральних тут є поняття про швидкість поширення світла. З вивченням цієї величини пов'язаний розвиток оптики, теорії відносності та інших розділів фізики. Швидкість світла входить до фундаментальних фізичних констант. Історичну цінність має астрономічний метод визначення швидкості світла, запропонований Ремером. Методично важливим є метод Фуко, бо він вперше довів, що в оптично густіших середовищах світло поширюється повільніше, ніж в оптично менш густих. Важливо також спинитися на сучасних методах визначення швидкості світла. При цьому треба підкреслити скінченність величини швидкості світла, її інваріантність, незалежність від руху джерела.

Вивчаючи інтерференцію світла, насамперед треба розглянути закон незалежності поширення світлових пучків, принцип суперпозиції, а потім - умови інтерференції: наявність когерентних хвиль і однакового напряму коливань електричного вектора. Варто відзначити, що когерентні хвилі можна дістати або за допомогою дзеркал, призм, коли схрещуються дві частини того самого пучка світла, або розщепленням пучка світла на дві частини тонкими прозорими плівками. В обох випадках пучки світла утворюються від одного й того самого джерела світла. До створення квантових генераторів було неможливо утворити стійку інтерференційну картину від двох незалежних джерел світла. Важливо спинитися також на питанні перерозподілу енергії в інтерференційному полі, і на тому, що при цьому виконується: закон збереження енергії.

Технічні застосування інтерференції свідчать, як часом в оптиці найпростішими засобами можна досягти дуже великої точності вимірювань (пробні скельця).

Важливий етап формування уявлення про світлову хвилю - визначення її довжини. Досліди з інтерференції світла, наприклад з біпризмою, дають таку можливість. Звідси легко перейти до визначення метра в довжинах світлових хвиль згідно з міжнародною системою одиниць СІ.

Для пояснення явища дифракції світла розглядають принцип Гюйгенса. Зазначають, що ним легко пояснюються закони відбивання й заломлення світла, а показник заломлення пов'язується з швидкостями поширення світла у відповідних середовищах. Принцип Гюйгенса дає змогу пояснити якісно картину дифракції, а доповнення до нього, зроблене Френелем, - описати її кількісно.

Важливим висновком з теорії дифракції є положення про роздільну здатність ока та оптичних приладів. Із застосувань дифракції заслуговує на увагу дифракційна решітка.

Вивчення явища поляризації світла дає змогу довести поперечність світлових коливань. Це положення має принципове значення для підтвердження електромагнітної природи світла, бо електромагнітні хвилі поперечні. Закінчується цей розділ розглядом прикладів застосування поляризації світла.

Наступний розділ оптики пов'язаний з взаємодією світла з речовиною, В ньому розглядаються види випромінювань, джерела світла та спектри випромінювання. Взаємодія світла з речовиною є суто квантовим явищем. Тому тут вводиться поняття про квант енергії світла, про елементарну частинку світла - фотон і прояв квантових властивостей світла у фотоефекті, фотохімії та люмінесценції. Розглядаються досліди П.М. Лебедєва з вимірювання тиску світла. Особлива увага приділяється вивченню процесів випускання та вбирання фотонів нагрітими газоподібними тілами.

Закінчується вивчення оптики розглядом фотометрії та світлотехнічних вимірювань.

2. Особливості викладання оптики
2.2 Проблемний підхід до вивчення оптичних явищ
Революція в природознавстві, технічний прогрес сприяють швидкому розвитку наук, у тому числі й оптики. Потік інформації стає все більшим, і навіть спеціалістам важко його осягнути. Певна частина цієї інформації потрапляє у навчальний матеріал школи. Щоб учні справилися із зростаючим навантаженням, процес навчання має бути творчим, з активним і, значною мірою, самостійним оволодінням знаннями. Вчитель повинен не лише давати суму конкретних знань, а й навчати робити самостійні висновки на їх основі, прищеплювати учням навички творчого мислення.

Одним із засобів реалізації цього положення е проблемний підхід до вивчення основ наук. Найважливіша особливість проблемного навчання, що відрізняє його від пояснювально-ілюстративного, полягає в тому, що знання подаються учням не в готовому вигляді, а як проблеми для самостійного розв'язання. Здійснюючи пошук, учні самі здобувають знання. А здобуті зусиллям власної думки знання свідоміше засвоюються та міцніше закріплюються. Саме навчання стає для учнів цікавішим, прива6ливішим.

Звичайно, проблемний підхід до вивчення навчального матеріалу не варто протиставляти іншим видам навчання. Як і завжди, більша частина знань, передбачених програмою, подається у готовому вигляді за допомогою ілюстративного та репродукційного методів і лише частину знань учні можуть здобути в результаті самостійного пошуку. В цьому проявляється єдність відтворюючої і творчої діяльності учнів. Творча пізнавальна діяльність їх не можлива без відтворення раніше засвоєних репродуктивним методом знань. Відтворення і творчість - дві сторони єдиного цілісного процесу пізнання.

Початком будь-якого методу проблемного навчання є проблемна ситуація. Тому треба вміти створити її або вдало скористатися нею, коли вона виникне.

Перелічимо проблемні ситуації в курсі оптики. Одні з них хоч і не можна розв'язати на основі попередніх відомостей, але з доповненнями вони стають зрозумілими ще в межах цього розділу оптики, а інколи навіть на поточному уроці. Інші можна розв'язати, лише перейшовши до нового, якісно відмінного розділу оптики: наприклад, проблему, що виникла в променевій оптиці, можна розв'язати тільки під час вивчення хвильової або фотонної і т.д.

Розглянемо останній вид проблемних ситуацій. У променевій оптиці виникає кілька ситуацій, які є проявом однієї і тієї самої проблеми. Це:

1) наявність граничного кута зору для ока;

2) залежність роздільної здатності телескопа від величини його діаметра;

3) наявність граничного корисного збільшення для мікроскопа.

Всі ці три проблемні ситуації розв'язуються в наступному розділі оптики під час вивчення явища дифракції світла. Справді, в хвильовій оптиці при вивченні дифракції розповідається, що зображення світної точки не є точка, а невеличкий світний кружечок. Перекривання кружечків для окремих точок призводить до обмеження роздільної здатності ока, зорової труби, мікроскопа.

Сам перехід від променевої оптики до хвильової можна побудувати так. Ще раз підкреслюємо, що хоч у променевій оптиці ми скористалися лише однією властивістю світла - прямолінійно поширюватись, і висновком з неї - променем, ми змогли пояснити будову цілого ряду оптичних приладів. Проте світлові процеси складні і не дивно, що ряд питань, наприклад, пов'язаних з роздільною здатністю, тут пояснити ми не можемо. Так, з геометричних міркувань променевої оптики зовсім незрозуміло, чому не можна розглядати все дрібніші деталі на предметі, поставивши один мікроскоп на другий. На всі ці питання знайдемо відповідь у хвильовій оптиці, в якій, крім властивості світла поширюватися прямолінійно, скористаємося ще й хвильовими його властивостями.

У хвильовій оптиці такою проблемною ситуацією є наявність різних видів спектрів, що ми їх демонструємо, вивчаючи явища дисперсії. Існування за одних обставин лінійчастих спектрограм, а за інших - суцільних можна пояснити лише в межах наступного розділу - фотонної оптики. Про це варто ще раз нагадати учням, переходячи від хвильової до корпускулярної (квантової або фотонної) оптики.

У фотонній оптиці такою проблемною ситуацією є неможливість пояснити походження гамма-випромінювання в межах відомостей про будову атома. Тільки перехід до нового розділу - ядерної фізики - допоможе відповісти на це питання.

Розглянемо проблемні ситуації, які розв'язуються в межах окремих розділів оптики. Вони, як правило, виникають (або їх треба створювати) під час переходу від одних понять до інших. Так, у променевій оптиці відбивання гомоцентричних пучків променів світла від плоских поверхонь змінює лише їх напрям і не створює дійсного зображення. Як же його в такому разі утворити? Відповідь на це проблемне питання знаходимо у. застосуванні вгнутих сферичних дзеркал. Проста лінза не дає якісного зображення через наявність аберацій. Що ж треба зробити, щоб утворити таке зображення? Ця проблемна ситуація розв'язується застосуванням комбінації лінз - об'єктивів. Фотоапарат це всі точки просторового предмета відтворює чітко на фотопластинці - застосовуємо діафрагму. Одного лише джерела світла та об'єктива не досить, щоб утворити на екрані проекцію діапозитива потрібної якості. Вихід - застосування додаткової лінзи (або системи лінз) - конденсатора. Ввівши додатковий об'єктив при створенні спектрографа, зможемо скористатися призмою таким чином, щоб вона не впливала на якість зображення.

Цікава проблемна ситуація виникає при розгляданні оком предмета, коли він розміщений ближче від ближньої точки - в цьому разі застосовують допоміжну короткофокусну лінзу - лупу. Проблему збільшення кута зору на предмет, до якого немає змоги наблизитись, розв'язують наближенням до ока дійсного зображення цього предмета, утвореного об'єктивом, а збільшити кут зору на дуже малий предмет можна аналогічно, утворивши за допомогою мікрооб'єктива збільшене дійсне зображення предмета, яке розглядають через лупу.

У хвильовій оптиці до таких проблемних ситуацій можна; віднести виникнення кольорових смуг під час освітлення тонких плівок, подвійне променезаломлення в анізотропних кристалах, розмивання зображення в камері-обскурі при значному зменшенні розміру діафрагми та ін.

У фотонній оптиці проблемні ситуації виникають, коли спостерігають відмінності лінійчастих спектрограм, що належать різним хімічним елементам; при спробі пояснити виникнення характеристичних рентгенівських спектрів; під час пояснення далекого інфрачервоного випромінювання тощо.

Наведені приклади свідчать про широкі можливості застосування проблемного навчання в курсі оптики.

2.2 Специфіка демонстраційного експерименту з оптики
Особливістю оптичних дослідів є те, що більшість з них слід проводити в повністю або частково затемненій аудиторії; демонстрування окремих явищ потребує штучних прийомів для того, щоб зробити світлові лучки видимими всьому класу, а для цього потрібні пояснення; в окремих випадках в утворенні зображень бере участь око спостерігача, отже, для всіх учнів класу повинні бути однакові умови для дослідів і спостережень.

Ці особливості оптичного експерименту вимагають від учителя виконання всього комплексу фізичного експерименту: демонстраційних дослідів, лабораторних робіт і фронтального експерименту, практикуму, самостійних домашніх дослідів. Самостійні досліди і спостереження з оптики мають велике значення, тому методику виконання цього виду експерименту докладно розглянемо пізніше.

Промисловість випускає достатню кількість оптичних приладів, які в сукупності з деякими побутовими приладами забезпечують можливість викладання оптики на експериментальній основі.

У шкільній практиці часто використовуються оптичні прилади, в яких за допомогою вузьких щілин, діафрагм, ребристих поверхонь, дзеркал штучно поділяють світлові пучки на окремі частими (наприклад, оптична шайба). Такі прилади лише відтворюють у динаміці креслення на дошці. Методисти, зокрема Л.І. Рєзников, не відкидаючи цінності таких приладів, рекомендують ставити досліди з усім світловим потоком, що падає на плоскі й сферичні поверхні та лінзи, поєднуючи їх з утворенням зображень освітлених або самосвітних предметів. Досліди з приладами типу оптичної шайби - проміжні між малюнком і демонстрацією самого явища.

Оптичні вимірювання умовно поділяють на дві групи: вимірювання властивостей речовини і характеристик оптичних приладів (показник заломлення, фокусна відстань, збільшення тощо) і вимірювання самого випромінювання (світловий потік, сила світла, довжина світлової хвилі тощо).

Бажано урізноманітнювати досліди з оптики на ту саму тему. Це збуджуватиме в учнів інтерес до вивчення фізики, сприятиме розвитку їх фізичного мислення, привчатиме знаходити спільне в різних дослідах і пояснювати суть явища. Для світлових вимірювань доцільно широко використовувати термопари, фотоелементи та інші датчики, навіть до того, як учні вивчатимуть їх. Досить тільки сказати дещо про принцип дії цих датчиків.

Ефективність демонстраційних дослідів з оптики неабиякою мірою визначається потужністю джерела і спектральним складом його світла. Широко використовуються потужні лампи розжарення та ртутно-кварцеві лампи (наприклад, ПРК-4). Останні мають ще й ту перевагу, що дають ультрафіолетове випромінювання, потрібне для проведення дослідів з фотоефекту, люмінесценції та ін. Останнім часом у школі почали використовувати також лазер

Під час проведення демонстрацій з оптики слід додержувати правил техніки безпеки, особливо під час проведення дослідів з потужними джерелами ультрафіолетового світла. Тривале і інтенсивне опромінювання ультрафіолетовим світлом шкідливе для людини, може викликати сильні опіки. Під дією ультрафіолетового світла, а також потужного лазерного променя може виникнути опік ока, що іноді призводить до тимчасової втрати зору. Тому в дослідах з ртутно-кварцовими лампами насамперед слід захищати очі від прямої дії променів на око.

Щоб створити оптимальні умови для спостереження оптичних явищ, бажано обладнати фізкабінет екранами різних видів: проекційним, пристінним поворотним, переносним, матовим (напівпрозорим); а для демонстрування явищ, що відбуваються в горизонтальній площині, та для зміни ходу світлових променів зручно мати велике плоске дзеркало (40X60 см).

2.3 Лабораторні роботи, фронтальний експеримент і роботи фізичного практикуму з оптики
Програма з фізики передбачає набуття учнями умінь і навичок дослідним шляхом (з виконанням необхідних розрахунків) визначати показник заломлення речовини, довжину світлової хвилі, користуватися оптичними приладами і визначати їхні основні характеристики (оптичну силу, фокусну відстань лінзи або системи лінз), користуватися спектроскопом, фотоапаратом, фотоелементами, фотореле. Це можна здійснити лише за допомогою системи фронтального експерименту (фронтальні досліди і спостереження) та фізичного практикуму.

На факультативних заняттях, у позаурочний час або й безпосередньо на уроках можна додатково провести ряд лабораторних робіт, зокрема спостереження оптичних зображень за допомогою невеликого отвору в непрозорому екрані, визначення видимого збільшення лупи, зорової труби, мікроскопа, показника заломлення за допомогою рефрактометра, визначення роздільної здатності ока, визначення спектральних границь чутливості ока, визначення радіуса кривизни лінзи за допомогою кілець Ньютона.

Неабияке значення для вироблення в учнів практичних умінь і навичок має систематичне проведення фронтальних дослідів, які є органічною складиною частиною уроку і можуть мати як самостійну мету, так і виконуватися під час підготовки до лабораторної робити. Наведемо деякі з можливих фронтальних дослідів: спостереження ходу променів і одержання зображень у плоских і сферичних дзеркалах, лінзах, плоскопаралельній скляній пластинці і тригранній призмі, порівняння сили світла за допомогою фотометра (можна саморобного), спостереження світлових спектрів за допомогою лінзи і дифракційної решітки, спектрограм випускання і вбирання, дія вакуумного (напівпровідникового) фотоелемента, визначення залежності опору напівпровідникового фоторезистора від освітленості, будова і дія фотореле тощо. Цей перелік можна продовжити. Якщо фізичний кабінет добре обладнаний, можна порадити ввести до фізичного практикуму виконання робіт, рекомендованих факультативним курсом фізики: залежність потужності випромінювання чорного тіла від температури, визначення ефективного перерізу взаємодії фотона з молекулою флуоресцину, визначення сталої Планка, вивчення спектра водню, якісний спектральний аналіз. Великий пізнавальний ефект дасть і робота фізичного практикуму з використанням лазера, наприклад, вивчення явища інтерференції світла - дослід Юнга з двома отворами.

Страницы: 1, 2

В соцсетях