Геометрическая оптика. Закон прямолинейности световых лучей

Разработка межпредметной
интегративной технологии
обучения физике и
информатике с компьютерной
поддержкой
Автор работы:
Учитель физики
СОШ № 6
Золотых Д.Д.
Актуальность и проблематика темы
исследования.
Модернизация системы общего образования,
связанная с технологизацией, компьютеризацией
и гуманизацией, требует поиска новых средств
обучения
школьников, подготовки
их
дальнейшему профессиональному
обучению.
Успешность школьного обучения во многом
зависит не только от успехов в отдельных знаниях
и
предметных
дисциплинах, но и от их
междисциплинарного
синтеза,
интеграции
научных знаний.
Проблема исследования состоит, с
одной стороны, в недостаточной
разработанности процессов интеграции
предметов физика и информатика в
школьном образовании, с другой, в
необходимости разработки технологии
обучения информатике и физике,
выполняющей интеграционную роль в
дидактическом обеспечении процесса
обучения по данным дисциплинам.
Цель исследования:
теоретически обосновать, разработать и
апробировать технологию интеграции
курса «Физика и информатика» для
учащихся старших классов, уточнить
методические средства ее
обеспечения, разработать содержание
уроков по разделу «Геометрическая
оптика» с применением данной
технологии.
Теоретическая и практическая
значимость исследования
• разработана и теоретически обоснована технология интеграции
компонентов курса «Физика и информатика» в системе
старшего школьного образования;
• уточнены теоретические основы конструирования учебнометодического курса по физике и информатике на основе
технологии интеграции;
•
разработаны методики построения уроков инновационных
форм по физике и информатике для школьников старших
классов по разделу «Геометрическая оптика»,
• предложенна технология интеграции предметов «Физика и
информатика», которая может быть рекомендована к
использованию при конструировании курса «Физика и
информатика» и его компонентов для учащихся старших
классов.
Интегративно-педагогическая
деятельность (ИПД) - это
специфический вид педагогической
деятельности, в ходе которого
актуализируются те или иные
интегративные задачи в области
образовательно-воспитательной теории
и практики.
Р е з у л ь т а т ИПД - интегративно-целостный человек. В предельно
обобщенном виде его можно охарактеризовать как человека, способного
соединить опыт прошлого с настоящим и предвидеть последствия своих
действий и отношений к другому лицу, выяснить себе причинную связь
наблюдаемых им явлений и творчески предсказывать и проявляться.
(П.Ф.Лесгафт).
Интегративность педагогической цели
обусловливается ее двусторонним
характером: педагог не просто ставит
собственные цели, но стремится к тому,
чтобы эти цели были осознаны и
приняты учащимися .
Основные характеристики интегративного
урока: синтез содержания изучаемого материала,
теоретического и производственного обучения;
предметов общеобразовательного цикла между
собой; синтез деятельности двух или более
педагогов и др.
Педагогические возможности
интегративного урока:
формирование в единстве
знаний и умений их
применять,
коммуникативность умений,
повышение интереса к
учению, снятие
напряженности, страха,
неуверенности.
Оптика – раздел физики, изучающий свойства и физическую природу света, а также его
•
•
•
взаимодействие с веществом. Учение о свете принято делить на три части:
геометрическая или лучевая оптика, в основе которой лежит представление о
световых лучах;
волновая оптика, изучающая явления, в которых проявляются волновые свойства света;
квантовая оптика, изучающая взаимодействие света с веществом, при котором
проявляются корпускулярные свойства света.
В настоящей работе рассматривается первая часть оптики.
В геометрической оптике рассматриваются законы прямолинейности и независимости
световых лучей, законы отражения, виды отражения, плоское зеркало, понятие тени и
полутени, законы преломления света, линзы.
Такие понятия как тень и линза рассматриваются и применяются и в геометрической
оптике и в Corel Draw, но в зависимости от области применения смысл понятий различен.
Что дает возможность для разработки интегративных уроков физики по разделу
«Геометрическая оптика» и информатике (Corel Draw)
. Синтез содержания изучаемого материала дает возможность повысить интерес к учению,
снять напряженность, неуверенность.
Работа представляет собой методическое
пособие, предназначенное для
применения на занятиях дисциплин
«Физика – 11 класс» и (или)
«Компьютерная графика». (Возможно
применение курса в 9-м классе.)
Основным содержанием работы является
разработка учебно-методических
материалов, включающих учебное
пособие, практикум и самостоятельные,
контрольные работы.
Раздел 2.5 состоит из трех блоков.
В блоках 1.1, 2.1, 3.1 представлены
теоретические основы уроков-лекций по
основам геометрической оптике и работы в
Corel Draw.
В блоках 1.2, 2.2, 3.2 представлены
практические задания по пройденному
материалу. В задания входят качественные и
количественные задачи, тестовые задачи,
словарь новых терминов, кроссворд.
В блоке 3.3 представлены самостоятельные,
проверочная и контрольная работа по теме
«Геометрическая оптика».
В первых разделах блоков рассматриваются
теоретические основы геометрической оптики
и Corel Draw. Целью этапа урока является
ознакомление учащихся с новым материалом.
Задачи этапа – сообщение новых,
расширение и углубление имеющихся знаний.
Вторые разделы содержит практические
задания по оптике и Corel Draw. Целью этапа
урока является усвоение знаний и умение
пользоваться знаниями, осознание
практической значимости изучаемого
материала в науке и жизни.
Третий раздел – самостоятельные,
проверочная и контрольная работа,
выполненные в виде тестов, качественных и
количественных задач. Основная функция –
контрольно-проверочная. Сами блоки
разбиты на уроки.
Приложение состоит из двух разделов:
«Программное обеспечение для работы в
Corel Draw» в котором рассматриваются
некоторые интерактивные инструменты,
такие как, тень, выдавливание, прозрачность,
линзы и даются практические рекомендации
работы с ними а также методические основы
изучения Corel Draw.
2.5. Планы уроков с компьютерной
поддержкой.
2.5.1. Блок 1.1. Урок 1 Закон прямолинейности
световых лучей. Тень в Corel Draw»
Тема урока: «Геометрическая оптика. Закон прямолинейности
световых лучей. Тень и полутень. Тень в Corel Draw»
Цели урока:
• ознакомить учащихся с основными понятиями геометрической оптики;
• ознакомить учащихся с понятиями тени в геометрической оптике и в
Corel Draw;
• ознакомит учащихся с процедурой построения эффекта тени.
План урока:
• Понятия – оптика, геометрическая оптика, световой луч, законы
лежащие в основе геометрической оптики, формулировка закона
прямолинейности световых лучей.
• Тень – доказательство закона прямолинейности световых лучей.
Точечный и протяженный источники света. Понятие тени в Corel Draw.
• Освоение создания эффекта тени.
1.
1.
2.
3.
4.
Теоретическая основа урока
Оптика – это раздел физики, в котором рассматриваются процессы
излучения и распространения электромагнитных волн оптического
диапазона ( ν = 400—800 Гц ), а так же явления, возникающие при
взаимодействии света с веществом.
Раздел оптики, в котором не рассматривается вопрос о природе света, а
используется представление о световых лучах, называют
геометрической или лучевой оптикой.
Световой луч – линия, вдоль которой распространяется энергия
переносимая световой волной.
В основе геометрической оптики лежат четыре неразрывно связанных
друг с другом закона, определяющих ход световых лучей в различных
условиях их распространения :
Закон прямолинейности световых лучей;
Закон независимости световых лучей;
Закон отражения;
Закон преломления.
Закон прямолинейности световых лучей: Свет в однородной
среде распространяется прямолинейно и равномерно. Данный закон
базируется на принципе Ферма: свет всегда распространяется по пути,
требующему наименьшего времени его прохождения.
2. Доказательством закона прямолинейности
световых лучей является образование резкой
тени и полутени позади непрозрачных
предметов. Другим доказательством может
служить известный опыт по прохождению
света далекого источника сквозь небольшое
отверстие, в результате чего образуется
узкий световой пучок. Этот опыт приводит к
представлению о световом луче как о
геометрической линии, вдоль которой
распространяется свет. Следует отметить, что
закон прямолинейного распространения света
нарушается и понятие светового луча
утрачивает смысл, если свет проходит через
малые отверстия, размеры которых сравнимы
с длиной волны. Следовательно, луч света не
может быть бесконечно тонким.
Обратимся к опыту. Если расположить между точечным источником света
(например, маленькой лампочкой от карманного фонарика) непрозрачный
предмет, например металлический шар. На экране поятся тень в виде темного
круга. Точечным источником называют источник света, представляющий
собой светящуюся точку. Понятно, что таких источников не существует, это
абстрактный источник света. Реальный источник света можно считать
точечным, если его размерами можно пренебречь в условиях данной задачи.
Если размеры источников света необходимо учитывать, то такой источник
называют протяженным. Если вместо точечного источника использовать
протяженный источник (большую лампу), то вместо резкой тени на
освещенном фоне мы увидим тень и полутень. Тень – это место, куда не
попадает свет от источника.
В грандиозных масштабах тень и полутень
образуются при солнечном и лунном затмениях.
Солнечное затмение возникает тогда, когда Луна
при своем движении вокруг Земли полностью или
частично закрывает Солнце. (Рис 2) Когда же Луна
попадает в конус тени, отбрасываемой земным
шаром, то наблюдается лунное затмение.
В CorelDRAW тенью называется монохромное
пиксельное изображение, автоматически
формирующееся в составе соединенного
объекта класса «падающая тень ». В качестве
управляющего в таком соединенном объекте
выступает объект (или группа объектов),
отбрасывающий тень. Поэтому все
изменения, вносимые в управляющий объект,
влияют на форму тени. Например,
увеличение размеров управляющего объекта
автоматически приводит к увеличению
размеров отбрасываемой им тени.
3. На процесс построения тени влияют
несколько режимов и управляющих
параметров. Их значения можно
менять, перетаскивая мышью элементы
управляющей схемы тени, или с
помощью элементов управления панели
атрибутов, соответствующей
инструменту Interactive Drop Shadow
(Интерактивная тень)
Чтобы построить составной объект,
создающий эффект тени, требуется
выполнить описанную ниже
процедуру.
1. Выберите на панели интерактивных
инструментов инструмент Interactive
Drop
Shadow (Интерактивная тень).
2. Выберите тип перспективы для
построения тени. Для этого установите
указатель инструмента на следующую
точку объекта:
• если требуется тип перспективы Flat
(Плоская)— в середину рамки выделения
(рис.3,а);
• если требуется тип перспективы Bottom
(Снизу)— на нижний средний маркер рамки
выделения (рис.3,б);
• если требуется тип перспективы Тор
(Сверху)— на верхний средний маркер рамки
выделения (рис.3,в);
• если требуется тип перспективы Left
(Слева)— на левый средний маркер рамки
выделения (рис.3,г);
• если требуется тип перспективы Right
(Справа)— на правый средний маркер рамки
выделения (рис.3,д).
Рис 3 Типы перспективы при построении тени
Рис 4. Объект с тенью, управляющая схема эффекта тени, панель
интерактивных инструментов с выбранным инструментом Interactive Drop
Shadow и соответствующие ему указатель и панель атрибутов
3. Нажав кнопку мыши, перетащите ее указатель в направлении
распространения
воображаемых световых лучей, формирующих тень,
отбрасываемую объектом.
После того как тень построена или после выделения
управляющего объекта инструментом Interactive Drop Shadow
(Интерактивная тень)становится видна управляющая схема
эффекта (см.рис.4).Центр эффекта обозначается белым
квадратом. Его перетаскивание позволяет менять тип
перспективы тени. На противоположном от центра конце оси
управляющей схемы расположен квадрат с цветной заливкой.
Перетаскивая на этот квадрат образцы цвета с экранной
палитры, можно менять цвет тени. Перетаскивая сам квадрат,
можно менять положение наиболее удаленной от центра точки
тени (рис.5).Для всех типов перспективы тени, кроме Flat
(Плоская),того же эффекта можно добиться, меняя значение
счетчика Drop Shadow Angle (Угол поворота) на панели
атрибутов. Для типа перспективы Flat (Плоская)положение
квадрата управляющей схемы с заливкой определяется
значениями пары счетчиков смещения тени.
Рис 5 Влияние перемещения квадрата управляющей схемы с заливкой на вид тени.
Положение ползунка на линии управляющей схемы определяет плотность тени.
Эта характеристика измеряется в процентах и по умолчанию равна 50 %.Дело в
том, что фактический цвет тени не совпадает с тем цветом, образец которого
перетаскивается на квадрат управляющей схемы с заливкой — в общем случае
берется его оттенок. Чем дальше ползунок от центра эффекта, тем выше
насыщенность оттенка и тем плотнее тень. Ниже представлены четыре варианта
тени для различных оттенков черного цвета:25 %(рис.6,а),50 %(рис.6,6),75
%(рис.6,в) и 100 %(рис.6,г).[24]
Рис 6 Управляющие схемы теней для оттенков.
Блок 1.1. Урок 2. Законы независимости световых
лучей, отражения.
1.
Закон независимости световых лучей: если
световые лучи пересекаются, то они не возмущают
друг друга, то есть не мешают друг другу
распространяться в прежнем направлении. Данный
световой закон справедлив при не очень большой
световой энергии переносимой лучами.
Отражением света называют изменение
направления световой волны при падении ее на
границу раздела сред, в результате чего волна
распространяется обратно в первую среду. Благодаря
отражению света, тела, не являющиеся источником
света становятся видимыми.
Виды отражений.
Поверхность, размеры неровностей, которой
меньше длины падающей на нее световой
волны называют зеркальной. Лучи света
падающие на такую поверхность
параллельным пучком после отражения
остаются параллельными, такое
направленное отражение называют
зеркальным.
Поверхность, размеры неровностей, которой
больше длины падающей на нее световой
волны отражает лучи света по всевозможным
направлениям, что называют рассеянным или
диффузным отражением.
Закон отражения света: падающий и
отраженный лучи, а также
перпендикуляр к границе раздела двух
сред, восстановленный в точке падения
луча, лежат в одной плоскости
(плоскость падения). Угол отражения γ
равен углу падения α. (Рис 7) Данный
световой закон справедлив если
отражающая поверхность зеркальная,
источник света неподвижен
относительно поверхности.
Рис 7. Закон отражения
Из законов отражения следует, что если луч
падает перпендикулярно отражающей
поверхности, то его угол падения равен
нулю. Но тогда и угол отражения тоже будет
равен нулю, поэтому отраженный луч
совпадет с падающим, распространяясь ему
навстречу.
Угол между перпендикуляром к
отражающей поверхности в точке
падения луча и падающим лучом
называется углом падения луча, а угол
между этим перпендикуляром и отраженным
лучом называется углом отражения луча.
Плоским зеркалом называют гладкую и плоскую поверхность,
отражающую световые лучи.
Изображение предмета, даваемое плоским зеркалом, формируется за счет
лучей, отраженных от зеркальной поверхности. Это изображение
является мнимым, так как оно образуется пересечением не самих
отраженных лучей, а их продолжений в «зазеркалье» (рис 8).
Изображение даваемое плоским зеркалом является мнимым, прямым,
равным по размеру предмету, находится на таком же расстоянии за
зеркалом, на каком предмет расположен перед зеркалом.
.
Рис 8. Ход лучей при отражении от плоского зеркала. Точка S' является мнимым
изображением точки S.
Однако не бывает правил без исключения. Если на плоское зеркало
падает пучок сходящихся лучей, то после отражения они не
рассеяться, а наоборот пересекутся, и точка их пересечения будет
действительным изображением источника света.