Урок-практикум по теме Практическое применение геометрической оптики. Линзы

Науку все глубже постигнуть стремись,
Познанием вечного жаждой томись.
Лишь первых познаний блеснет тебе свет,
Узнаешь: предела для знания нет.
(Фирдоуси. Персидский и таджикский поэт, 940–1030
гг.)
(Слайды 1,2)

Цели урока:

  • обобщить знания учащихся о линзах и их
    физических свойствах;
  • осуществить межпредметные связи с астрономией,
    биологией, историей и литературой путём
    формирования практических умений применять
    знания о свойствах линз для сборки простейших
    оптических систем. (Слайд 3)

Задачи урока:

  • повторить материал о линзах
  • собрать модели микроскопа, трубы Кеплера и
    трубы Галилея
  • расширить кругозор в области практического
    применения комбинаций линз. (Слайд 4)

Ход урока

Презентация.

1. Вступительное слово учителя:

Тонкая линза-это простейшая оптическая
система. Простые тонкие линзы применяют главным
образом в виде стёкол для очков. Но ведь линзы
являются основной частью многих оптических
приборов и дают хорошее изображение при
условиях: можно ограничиться узким одноцветным
пучком, идущим от источника вдоль главной
оптической оси или под небольшим углом к ней. В
большинстве практических задач эти условия не
выполняются, поэтому прибегают к построению
более сложных оптических систем. (Слайд 5)

“Линза” — слово латинское и означает
чечевица. Чечевица – растение, плоды которого
похожи на горох, но горошины не круглые, а имеют
вид пузатых лепешек. Поэтому все круглые стекла,
имеющие такую форму, стали называть — линзами.

Сообщение ученика: (Слайд 6)

Первое упоминание
о линзах можно найти
в древнегреческих рукописях 424 до н.
э., которые рассказывают, как с помощью
выпуклого стекла и солнечного
света добывали огонь. Из
произведений
Плиния
Старшего (23 —
79) следует, что такой
способ разжигания огня был известен и в
Римской
империи; там также описан, возможно, первый
случай применения линз для
коррекции
зрения. Известно, что римский император
Нерон часто смотрел гладиаторские бои через
отшлифованный изумруд. Предполагается, что он
или использовал оптическую линзу из изумруда для
коррекции зрения, или же защищался с помощью
изумруда от солнечного света. Увеличение
букв шаровидным куском стекла описал 900 лет
тому назад арабский ученый Ибн аль-Хайсам
(Альгазен). Именно этого ученого следует считать
одним из первых предшественников создателей
очковой оптики. Впервые линзы для научных
целей применил францисканский монах Роджер
Бэкон (1214—1294). Он писал о свойствах стеклянного
шара и о возможности применения его для людей со
слабыми глазами. Бэкон использовал линзы во
многих своих опытах и даже поднес одну папе
Клименту IV, прося его попробовать применить ее.
(Слайд 7)

2. Краткое повторение изученного ранее:

Демонстрация
линз (Комплект у каждого ученика на парте). А
теперь давайте попробуем как можно быстрее
ответить на вопросы:

1. Что такое линза? (Слайд 8) – Линза – это
оптически прозрачное тело, ограниченное
сферическими поверхностями. Существует два вида
линз: а) выпуклые и б) вогнутые.

2. Какие линзы называются собирающими? Если
средняя часть линзы толще, чем ее края, то линза
будет выпуклая, она преобразует пучок
параллельных лучей в сходящийся и собирает его
после преломления в одну точку. Выпуклые линзы
являются собирающими.

3. А какие называются рассеивающими? А если
средняя часть линзы тоньше, чем ее края, то линза
будет – вогнута, она преобразует пучок
параллельных лучей в сходящийся и собирает его
после преломления в расходящийся. Линзы, которые
преобразуют пучок параллельных лучей после
преломления в расходящийся – называются
рассеивающими. (Слайд 9)

3. Проблемные задания: Учитель: вот у
меня линза, я о ней ничего не знаю, проведите,
пожалуйста экспертизу неизвестной линзы. Какую
информацию я получу?

Учащиеся составляют план ответа:

1. Вид линзы

2. Фокусное расстояние линзы

3. Оптическая сила линзы

4. Где можно применить такую линзу.

Учитель:

Что произойдёт с изображением
предмета, получаемого с помощью линзы, если часть
линзы разбилась и изображение получают с помощью
оставшейся её части? (Изображение получится на
том же месте, где оно получалось с помощью целой
линзы, но его освещённость будет меньше, т.к.
меньшая часть лучей, вышедших из предмета, дойдёт
до его изображения).

4. Это интересно:


Учитель:

найдите ошибку в литературном
произведении.

“Доктор Клаубони, спутник отважного капитана
Гаттераса из романа Жюля Верна, был
изобретательным человеком. Их арктическая
экспедиция однажды очутилась в трудном
положении: без спичек при сорокавосьмиградусном
морозе. Что было делать? Если бы у кого-либо из
экспедиции было с собой вогнутое зеркало, тогда
можно было бы им заменить спички. Но вогнутого
зеркала ни у кого не нашлось. Доктор Клаубони всё
же не растерялся: он вырубил топором кусок
прозрачного льда, обтесал его в форме чечевицы и
отполировал своими руками. Получилась ледяная
линза. Ледяной линзой поймали солнечные лучи и
направили их сходящимся пучком на трут. И трут
вскоре вспыхнул веселым огоньком”.

5. Задания исследовательского характера.

Учитель:

чтобы вооружить глаз,
человечество уже давно изобрело и активно
использует оптические приборы; по своему
назначению их можно разбить на 2 большие группы:

1. Приборы для рассматривания очень мелких
предметов(микроскоп)-эти приборы увеличивают
рассматриваемые предметы.

2. Приборы для рассматривания удалённых
объектов(зрительная труба, бинокль, телескоп).
Эти приборы как бы приближают рассматриваемые
объекты.

1. Сборка модели микроскопа.

Сообщение ученика:

В голландском городе Миддельбурге жил триста
пятьдесят лет назад очковый мастер. Было у него
двое детей — два мальчика. Они очень любили
забираться в мастерскую отца и играть его
инструментами и стеклами. И вот однажды, когда
отец куда-то отлучился, ребята пробрались по
обыкновению к его верстаку.

На столе лежали стекла, приготовленные для
очков, а в углу валялась короткая медная трубка.
Ребята втиснули в концы трубки по очковому
стеклу. Старший мальчик приставил к глазу трубку
и посмотрел на страницу развернутой книги,
которая лежала здесь же на столе. К его удивлению,
буквы стали огромными. В трубку посмотрел
младший и закричал, пораженный: он увидел
запятую, но какую запятую — она была похожа на
толстого червяка! Трубка оказалась прямо
волшебной: она сильно увеличивала все
предметы. О своем открытии ребята рассказали
отцу. Тот даже не стал бранить их: так был он
удивлен необычайным свойством трубки. Это и
был первый микроскоп. Его случайно изобрел в 1590
году очковый мастер Захария Янсен, — вернее
сказать, — его дети.

Почему микроскоп увеличивает? В
микроскопе Янсена имелись два собирательных
стекла, вставленных в трубку на некотором
расстоянии друг от друга. Первое стекло служило
микроскопу как бы хрусталиком: при приближении к
какому-либо предмету оно давало его увеличенное
изображение; второе стекло еще больше
увеличивало это изображение: оно служило
лупой. Стеклянный хрусталик и лупа — в этом
суть всякого микроскопа. (Приложение
1
), ссылка
http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/f1e18891-aacd-4966-99fc-dbe06568c5c6/09_150.swf

Учитель

: Давайте попробуем собрать модель
микроскопа из имеющихся приборов. (Ученики
работают с оборудованием из комплекта по оптике)

2. Сборка модели трубы Галилея.

В 1609 году итальянский ученый Галилей, вставив в
старую, никому не нужную органную трубу две
линзы, превратил ее тем самым в подзорную
трубу. Она приближала предметы всего только в
три раза. Но и такой слабенький прибор был для
того времени поразительным. Многие знатные
жители Падуи взбирались вместе с Галилеем на
высокую башню, чтобы посмотреть оттуда на
плывущие в море корабли: в трубу корабли были
видны за два часа до их прихода в
гавань. Галилей стал не только
первооткрывателем подзорной трубы, но и
смог продвинуться дальше, запустив её в
производство в 1624 году. Тубусы первых подзорных
труб были сделаны из бумаги и, конечно же, сроки
использования их были незначительные, поскольку
линзы часто попросту из них выпадали и
разбивались. Но, несмотря на все неудобства,
подзорные трубы сразу же завоевали популярность,
поскольку за достаточно короткое время Галилей
начал поставлять свои приборы во многие
европейские дворы.

Труба Галилея (Слайд 10)

(Приложение 2), ссылка

http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/715e6912-513b-4e42-9c8b-aa77eddc1505/9_151.swf

Учитель

: Давайте попробуем собрать модель
трубы Галилея сами.

7. Сборка модели трубы Кеплера.

В 1611 году И.
Кеплер предложил несколько иную схему подзорной
трубы, которая состояла из двух линз. Первая
линза служила для передачи действительного
изображения объекта наблюдения, вторая же
непосредственно его увеличивала. Но получаемое
изображение было обратным, т.е. верх был низом, а
правая сторона — левой. Из-за этих особенностей,
применение подзорных труб данной конструкции
было неудобно в использовании для наземного
наблюдения. Больше всего она подходила для
изучения неба и небесных светил, до сих пор
современные астрономические подзорные трубы
строятся по схеме И. Кеплера.

Труба Кеплера (Слайд11)

После того, как учащиеся сделают выводы к
работам, можно задать вопрос: что общего у
собранных Вами оптических систем? (объектив,
окуляр)

Учитель:

При выполнении заданий Вы
догадались, что в рассматриваемых оптических
приборов учёные, так же как и Вы, использовали
комбинацию линз, которая и позволила расширить
границы применимости геометрической оптики.

А теперь давайте посмотрим опыты, которые
проводил дома Селин Влад.

Занимательные опыты с линзами.

1. Самодельная сферическая линза перестанет
увеличивать, если ее окружить тем же веществом,
из которого она изготовлена. Возьмите стакан с
водой и посмотрите сквозь него на пуговицу,
приставленную к другой стороне стакана. Пуговица
получится увеличенной и приплюснутой сверху
вниз. Вернее, пуговица не то чтобы приплюснута
сверху вниз, она скорее растянута вправо и влево.
Ведь увеличение произошло только в
горизонтальном направлении, вот она и вытянута
по горизонтали. Теперь опустите пуговицу в таз с
водой, положите ее на дно. Погрузите в воду стакан
и, держа его горизонтально, посмотрите, как
выглядит пуговица. Хотя стакан и наполнен водой,
но увеличивать он перестал: вы увидите пуговицу
не увеличенной и не приплюснутой, как это было в
начале опыта. Просто на дне таза лежит пуговица
нормального размера. Это значит, что наша
цилиндрическая линза перестала действовать.
Теперь закройте рукой отверстие стакана, чтобы
вода из него не выливалась, и немного
приподнимите его из воды. Линза сразу же опять
начнет увеличивать.

2. Этот опыт можно проделать в уменьшенном
варианте, используя ту маленькую цилиндрическую
линзу, которую вы изготовили для прошлого опыта.
Возьмите большую чашку или миску, в которую можно
погрузить маленькую цилиндрическую линзу.
Объектом для наблюдений будет канцелярская
кнопка, положенная на дно чашки с водой.

3. А вот рассеивающая линза, если ее тоже
опустить в воду, не только не перестанет
уменьшать рассматриваемый предмет, а
превратится в две рассеивающие линзы, обращенные
вогнутыми сторонами друг к другу. Их будет
разделять только пузырек воздуха. При проведении
этого опыта пузырек воздуха должен быть
небольшим и по возможности круглым.

Учитель:

А теперь рассмотрим некоторые
применения системы линз:

1. В астрономии. (Слайд 12) Сообщение
ученика “Применение рефракторов в
Астрономии”

Телескоп Галилея Первый телескоп-рефрактор
был сконструирован в
1609 году Галилеем.
Галилей, основываясь на слухах об изобретении
голландцами зрительной трубы, разгадал её
устройство и изготовил образец, который впервые
использовал для астрономических наблюдений.
Первый телескоп Галилея имел
апертуру 4
сантиметра,
фокусное
расстояние около 50
сантиметров и
степень увеличения 3x. фокусное расстояние 125
сантиметр. Все телескопы Галилея были весьма
несовершенны, но несмотря на это, в течение двух
первых лет наблюдений ему удалось обнаружить
четыре спутника планеты
Юпитер,
фазы
Венеры, пятна на Солнце, горы
на поверхности Луны ,
наличие у диска
Сатурна придатков
в двух противоположных точках (природу этого
явления Галилей разгадать не смог). Телескоп
Галилея имел в качестве объектива одну
собирающую линзу, а окуляром служила
рассеивающая линза. Такая оптическая схема даёт
неперевернутое (земное) изображение. Главными
недостатками галилеевского телескопа являются
очень малое поле зрения и сильная
хроматическая
аберрация. Такая система все ещё используется
в
театральных
биноклях, и иногда в самодельных любительских
телескопах.

Телескоп Кеплера. Иоганн
Кеплер в 1611 г.
усовершенствовал телескоп, заменив
рассеивающую
линзу в окуляре собирающей.
Это позволило увеличить
поле
зренияи
вынос
зрачка, однако система Кеплера даёт
перевёрнутое изображение. Преимуществом трубы
Кеплера является также и то, что в ней имеется
действительное промежуточное изображение, в
плоскость которого можно поместить
измерительную шкалу. По сути, все последующие
телескопы-рефракторы являются трубами Кеплера.

2. Контактные линзы. ( Сообщение ученицы ) (Слайд
13).

Впервые идею использовать контактную
коррекцию высказал Леонардо
да Винчи в
1508 году. В
архиве его работ находится рисунок глаза с
заполненной водой ванночкой — прообразом
современных контактных линз.

В 1888 году Адольф
Фик описал первую стеклянную линзу,
обладающую оптической силой.

Изготовил же первую линзу и внедрил во
врачебную практику немецкий изобретатель Август
Мюллер. До 1960-х годов контактные линзы
изготавливали только из
органического
стекла. (Слайд 14)

Жесткие линзы были некомфортны при ношении,
вызывали ощущение инородного тела в глазу и не
пропускали к роговице глаза необходимый для ее
нормального функционирования кислород. В 1960 г.
чешский ученый Отто
Вихтерле синтезировал новый полимер и
изготовил из него первую мягкую контактную
линзу. Существуют различные классификации
контактных линз: по материалу, из которого они
изготовлены, по частоте замены (срока, после
которого линзы заменяются на новые), режиму
ношения (дневной, гибкий, пролонгированный,
непрерывный), дизайну (сферические, торические,
мультифокальные), степени прозрачности
(прозрачные, цветные, декоративные). Контактные
линзы подразделяют на две большие группы: мягкие
контактные линзы и жесткие контактные линзы
.
Мягкие
контактные линзы носят около 90 % пользователей
контактными линзами в мире. Мягкие контактные
линзы, в свою очередь, подразделяются на 2 класса:
гидрогелевые линзы и силикон-гидрогелевые линзы.
Жесткие контактные линзы применяются, в
основном, для коррекции зрения в сложных случаях.
Жесткие линзы позволяют добиться увеличения
остроты зрения благодаря тому, что они сохраняют
свою форму. Такие линзы изготавливают из
полимеров,
обеспечивающих высокую степень пропускания
кислорода к
роговице глаза, поэтому их называют жесткими
газопроницаемыми контактными линзами. По
статистике, линзами пользуется до 10% населения
Земли и число приверженцев этого средства
коррекции зрения растет. Основное ноу хау при
ношении линз – точное следование инструкциям
(например, сон в линзах, не предназначенных для
этого, может привести к врастанию сосудов в
роговицу) и регулярное посещение врача.
Бывает так, что хрусталик в глазу заболевает,
и хирургу не остается ничего другого, как его
вырезать. Без хрусталика человек не может видеть.
И вот, оказывается, что вместо настоящего
хрусталика можно сделать искусственный. Перед
глазом укрепляется очень сильная собирательная
линза, и такой стеклянный “хрусталик”
возвращает человеку, хотя бы отчасти, зрение.

Учитель: В качестве релаксации предлагаю
Вам небольшой ролик “Глаза и взгляды”. Вы
увидите, как с помощью контактных линз меняются
глаза человека и его взгляд. (Приложение
3)
.
А теперь предлагаю Вам такое домашнее
задание (выдаётся ученикам на отдельных листах).

Проблемное домашнее задание: МИКРОСКОП ИЗ
КАПЛИ ВОДЫ.

  1. Из капли воды можно сделать маленький
    микроскоп.
  2. Для этого нужно взять плотную бумагу,
    проколоть в ней толстой иглой дырочку и на нее
    аккуратно посадить каплю воды.
  3. Микроскоп готов!
  4. Поднесите эту капельку к газете –
    буквы увеличились.
  5. Чем меньше капля,
    тем больше увеличение.
  6. В первом микроскопе, изобретенном Левенгуком,
    все было сделано именно так, только капелька
    была стеклянная.

Учитель:

(Слайд 15). Спасибо за работу на
уроке.

Источники информации

Литература:

  1. А.В.Пёрышкин. Курс физики. Учебник для средней
    школы. Часть третья. М., “Просвещение”, 1999г.
  2. Ю.А.Сауров. Модели уроков. Книга для учителя. М.,
    “Просвещение”, 2009г.
  3. Я.И.Перельман. Занимательная физика.
    Екатеринбург, “Тезис”, 1994г.
  4. Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев Учебник физики для 11
    класса общеобразовательных учреждений. М.,
    “Просвещение”. 2010г.

Интернет-сайты:

  1. “Википедия” http://ru.wikipedia.org/wiki/
  2. “Классная физика” http://class-fizika.narod.ru/

Следующий: