Лабораторный практикум с использованием современного оборудования инженерной лаборатории по разделу физики «Оптика»

197


Аннотация: в статье представлен опыт проведения лабораторного практикума с использованием современного оборудования инженерной лаборатории с целью повторения, обобщения, систематизации и расширения знаний и навыков учащихся по разделу физики «Оптика» в старшей школе. Целесообразность его применения диктуется возможностью самостоятельной экспериментальной работы учащихся на уроке, призванной реализовать практическую направленность обучения в условиях внедрения ФГОС.

Ключевые слова: эксперимент, оборудование, оптика, обобщение, изучение, свет, отражение, распространение, преломление, цвет, дисперсия, дифракция, поляризация, линзы.

Я слышу и забываю.
Я вижу и запоминаю.
Я делаю и постигаю.
(Китайская пословица)

В основном курсе физики учащиеся изучают элементы оптики блоком в 8-ом и в 9-ом классе, преимущественно на качественном уровне, в разделе под названием «Световые явления». Изучение геометрической оптики в основной школе начинается обычно с изучения законов распространения, отражения и преломления света. Расширение и углубление полученных по этому разделу базовых знаний происходит лишь по прошествии двух-трёх лет в 11-ом классе старшей школы. Возникает вопрос, как в оптимально короткие сроки вспомнить с ребятами основы раздела, чтобы перейти к изучению количественных зависимостей и поспособствовать расширению знаний, существенно не затронув отведённый на изучение нового материала лимит времени? Наиболее эффективным решением этого вопроса, на мой взгляд, является использование практико-ориентированного подхода к обучению. Тем более, что физика – наука, прежде всего, экспериментальная. Восприятие при выполнении эксперимента самими школьниками основывается на более разнообразном количестве чувственных впечатлений и является более полным по сравнению с восприятием при наблюдении демонстрационного эксперимента. Идея использования лабораторного практикума по геометрической и волновой оптике как наиболее оптимального средства повторения, обобщения и изучения раздела в старшей школе возникла при использовании в своей работе расширенного комплекта оборудования инженерной лаборатории «Оптика-1» и «Оптика-2».

Цель – вовлечь учащихся в активно-деятельностный процесс повторения и углубления знаний по разделу физики «Оптика» через практическую деятельность каждого учащегося с использованием современного расширенного набора по оптике инженерной лаборатории.

Задачи:
• обобщить, систематизировать и изучить тезаурус, основные законы и их следствия по разделу «Оптика» через практическую деятельность учащихся;
• формировать интеллектуальные и практические умения в области физического эксперимента;
• развивать интерес к изучению физики и проведению физического эксперимента;
• воспитывать умение работать в группе, вести дискуссию, отстаивать свою точку зрения.

Лабораторный практикум провожу в виде фронтальных работ, которые учащиеся выполняют группами, чередуя при этом урок решения аналитических задач с уроком выполнения экспериментальных заданий. К процессу повторения и изучения понятий и законов оптики подключаю активизацию мыслительной деятельности учащихся через создание проблемных и поисковых ситуаций. Ребята самостоятельно воспроизводят и наблюдают оптические явления или проводят измерения, пользуясь при этом специальным лабораторным оборудованием. Использую, таким образом, при проведении лабораторного практикума либо частично-поисковый метод, либо элементы исследовательского метода.
Важно правильно организовать самостоятельную деятельность при проведении работ лабораторного практикума. Накануне выполнения практической работы сообщаю тему работы и тот материал, который необходимо повторить для ее выполнения. Поставив перед учениками до выполнения работы проблемную ситуацию, обсуждаем с ними пути её решения и выбираем наиболее целесообразный подход к выполнению работы. Вся последующая работа выполняется учащимися полностью самостоятельно под моим контролем. В случае необходимости оказываю ребятам помощь, указываю на нарушение правил техники безопасности, провожу мониторинг качества и степени самостоятельности выполнения работы, обращаю их внимание на приёмы правильной работы с приборами. После окончания выполнения работы обсуждаем с учащимися полученный результат, его достоверность, оцениваем допустимые погрешности измерений.
Проводимый мной цикл уроков по оптике в 11 классе включает следующие виды экспериментальных работ, выполняя которые школьники учатся пользоваться простейшими физическими приборами, обрабатывать и анализировать полученные результаты, приобретают навыки практического характера.

Работа №1 – практическая работа.

Законы распространения и отражения света.
(В начале урока обсуждаем с учащимися вопросы, изученные ими в курсе ООО: почему тела отбрасывают тени? От чего зависит размер тени? Почему мы видим тела, не являющиеся источниками света? Предложите способ изменения направления световых лучей. Где это можно использовать на практике?)
Цель работы – повторение основных законов геометрической оптики: закона прямолинейного распространения света, законов отражения света, видов отражения; моделирование их практического применения.
Оборудование: (набор «Оптика 1») галогенная лампа, бленда с 1 и 2-мя прорезями, два плоских зеркала, прозрачный контейнер, оптический диск, лазер многолучевой, источник питания 12 В, соединительные провода.
Перечень выполняемых работ:
1. Проверка закона прямолинейного распространения света (получение расходящегося, параллельного и узкого пучка света (луча)).
2. Образование тени и полутени (исследование зависимости размера тени от расстояния до источника).
3. Отражение от плоского зеркала (отражение параллельного пучка света, светового луча – в пределах 0о до 90о).
4. Изменение направления луча с помощью зеркал (наблюдение принципа действия перископа – два зеркала располагаем параллельно друг другу, луч света направляем под углом 45о на одно из зеркал; изменение направления луча двумя перпендикулярными зеркалами).
5. Изображение в плоском зеркале (наблюдение изображения источника, выделение области его видения).
Отчёт о проделанной работе выполняется учащимися по форме: чертёж – вывод.

Работа №2 – практическая работа.

Наблюдение преломления и полного отражения света.
Цель работы – повторение основных законов геометрической оптики: законов преломления света; наблюдение хода лучей в призмах.
Оборудование: (набор «Оптика 1») галогенная лампа, бленда с 1 и 2-мя прорезями, акриловая призма с трапецией в основании, оптический диск градуированный, лазер многолучевой, стеклянный полуцилиндр, акриловая призма прямоугольная равнобедренная, источник питания 12 В, соединительные провода.
Перечень выполняемых работ:
1. Проверка закона преломления света (наблюдение изменения угла преломления при изменении угла падения).
2. Ход луча в плоскопараллельной пластине (наблюдение параллельного смещения луча при выходе из пластины).
3. Отклонение луча призмой (наблюдение отклонения луча призмой к её основанию, устанавливаем зависимость степени отклонения луча от преломляющего угла призмы).
Отчёт о проделанной работе выполняется учащимися по форме: чертёж – вывод.

Работа №3 – практическая работа.

Наблюдение полного отражения света.
(Перед выполнением работы формулирую проблемные вопросы: почему при выходе из плоскопараллельной пластинки луч остаётся параллельным и может ли луч совсем не выйти из неё? Перед выполнением второго и третьего заданий прошу предложить альтернативу зеркалам, позволившую с меньшими потерями световой энергии управлять световыми лучами).
Цель работы – изучение полного внутреннего отражения света, моделирование его практического применения.
Оборудование: (набор «Оптика 1») галогенная лампа, бленда с 1 и 2-мя прорезями, оптический диск градуированный, лазер многолучевой, стеклянный полуцилиндр, акриловая призма прямоугольная равнобедренная, источник питания 12 В, соединительные провода.
Перечень выполняемых работ:
1. Переход луча из стекла в воздух (наблюдаем соотношение углов падения и преломления, полное отражение при падении луча на стеклянный полуцилиндр, определяем предельный угол полного отражения).
2. Ход лучей в поворотной и оборотной призме (наблюдение поворота лучей на 90о и разворота на 180о).
3. Моделирование принципа действия перископа с использованием полного внутреннего отражения (две трёхгранные призмы располагаем параллельно основаниям, луч света направляем под углом 90о на одну из боковых граней призмы).
Отчёт о проделанной работе выполняется учащимися по форме: чертёж – вывод.

Работа №4 – лабораторная работа.

Измерение показателя преломления стекла.
(Провожу как типовую лабораторную работу, предусмотренную программой СОО)
Цель работы – научиться применять законы преломления света для определения показателя преломления стекла.
Оборудование: (набор «Оптика 1») лазер многолучевой, стеклянная плоскопараллельная пластина.
Отчёт о проделанной работе выполняется учащимися по форме: чертёж – вывод формулы – измерения – расчёт – вывод.

Работа №5 – лабораторная работа.

Определение оптической силы и фокусного расстояния линз разными способами.
(За основу первой части работы беру типовую лабораторную работу, предусмотренную программой СОО, к которой добавляю ещё два способа определения фокусного расстояния. Перед началом выполнения работы в форме дискуссии, опираясь на знания о ходе лучей в собирающей и рассеивающей линзах, устанавливаем с учащимися все возможные способы определения фокусного расстояния линз, выбираем те способы, которые можно использовать, располагая предложенным им оборудованием).
Цель работы – научиться практически получать и графически строить изображения в линзах, определять оптическую силу линз разными способами.
Оборудование: (наборы «Оптика 1», «Оптика 2») галогенная лампа, бленда с 1 и 2-мя прорезями, три собирающие линзы (50, 100, 300 мм), рассеивающая линза (-100 мм), белый экран, линейка, держатель для линз. Слайд с «L», источник питания 12В, соединительные провода, многофункциональный штатив.

Способы определения фокусного расстояния:
1 способ: по формуле тонкой линзы – получаем уменьшенное перевёрнутое изображение (только для собирающих линз).
2 способ: определение F по системе параллельных линий – получаем двукратное увеличение расстояния d между линиями (F=2d). Метод подходит как для собирающих линз, так и для рассеивающих!
3 способ: получение изображения окна на экране на расстоянии d от линзы, F=d. (только для собирающих линз).
Отчёт о проделанной работе выполняется учащимися по форме: чертёж – вывод формулы – измерения – расчёт – вывод.

Работа №6 – практическая работа.

Дисперсия и цвета тел.
(В начале урока обсуждаем вопросы, которые будем проверять экспериментально: каким является белый свет? Простым или сложным? Как можно объяснить удивительное многообразие красок в природе? Почему при смешивании красок не получается белый цвет? Ответы на многие из них получаем в ходе выполнения работы и по её окончании обсуждаем результаты).
Цель работы – повторить понятие, особенности и причины дисперсии света, изучить принципы цветообразования, моделировать получение цветовой гаммы в телевизоре и цветном принтере.
Оборудование: (наборы «Оптика 2», «Оптика 1») галогенная лампа, бленда с 1-ой и 2-мя прорезями, три диодные лампы с модулем питания, белый экран, линза (50 мм), стеклянная треугольная равносторонняя призма, столик для призмы, многофункциональный штатив, светофильтры, цветные карточки, источник питания 12 В, соединительные провода.
Перечень выполняемых работ:
1. Дисперсия света (наблюдение разложения белого света на его спектральные цвета при прохождении сквозь призму).
2. Аддитивное смешивание цветов (наблюдаем принцип смешивания цветов в телевидении – при сложении основных цветов света, идущего от источника, используем три диодные лампы основных цветов – красного, зелёного, синего; наблюдаем получение белого света на экране при сложении всех трёх цветов света от источников).
3. Субтрактивное смешивание цветов (наблюдаем принцип получения цветной печати – при механическом смешивании основных цветов краски: рассматриваем наложенные друг на друга светофильтры в проходящем белом свете от источника).
4. Цвета предметов (наблюдаем принцип цветообразования непрозрачных и прозрачных тел – в отражённом и проходящем свете соответственно: рассматриваем разноцветные карточки в белом и монохроматическом свете светодиодных ламп, пропускаем сквозь разноцветные светофильтры белый и монохроматический свет диодных ламп разной частоты).
Отчёт о проделанной работе выполняется учащимися по форме: чертёж – таблица цветов – вывод.

Работа №7 – лабораторная работа.

Измерение длины световой волны с помощью дифракционной решётки.
(Провожу как типовую лабораторную работу, предусмотренную программой СОО).
Цель работы – научиться получать дифракционный спектр и определять длину волны света.
Оборудование: (наборы «Оптика 1», «Оптика 2») галогенная лампа, собирающая линза (50 мм), экран со щелью, белый экран, круглая диафрагма в держателе, дифракционная решётка из набора лабораторного L-микро «Оптика», линейка, держатель для линз. источник питания 12 В, соединительные провода, многофункциональный штатив.
Отчёт о проделанной работе выполняется учащимися по форме: чертёж – вывод формулы – измерения – расчёт – вывод.

Работа №8 – фронтальный эксперимент.

Поляризация света.
(Работу проводится как элемент урока в форме фронтального эксперимента. После изучения понятий естественный и плоскополяризованный свет и поляроиды ставлю учащимся вопрос: свет – поперечная волна?
Предлагаю проверить это экспериментально, используя предложенное оборудование).
Цель работы – изучить понятие поляризации света, убедиться в поперечности световых волн.
Оборудование: (наборы «Оптика 2», «Оптика 1») галогенная лампа, белый экран, две линзы (+50, +100 мм), два поляроида, круглая диафрагма в держателе, многофункциональный штатив, источник питания 12 В, соединительные провода.
Установка: лампа – линза +50 – поляроид (поляризатор) (10 см) – линза +100 (20 см) – поляроид (анализатор) (20 см) – экран (10см).
1 опыт: доказываем, что световая волна, идущая от источника света, полностью симметрична относительно направления распространения (наблюдаем, что при вращении поляризатора вокруг луча интенсивность не меняется).
2 опыт: доказываем, что волна, вышедшая из поляроида, не обладает осевой симметрией (наблюдаем изменение интенсивность прошедшего через анализатор света в зависимости от его поворота относительно луча).
3 опыт: наблюдаем полное гашение света вторым поляроидом (располагаем оси поляроидов перпендикулярно друг другу).
Отчёт о проделанной работе выполняется учащимися по форме: чертёж – вывод.

Самостоятельная экспериментальная работа учащихся на уроке обеспечивает практическую направленность обучения в условиях внедрения ФГОС. В результате использования лабораторного практикума для обобщения и изучения оптики процесс обучения превратился из репродуктивной передачи знаний в захватывающее исследование. Ребята получили возможность непосредственно соприкоснуться с изучаемыми явлениями раздела, «потрогать всё своими руками». Они наблюдали, моделировали, сами делали выводы – формулировали уже забытые понятия раздела. Бонусом к перечисленным преимуществам стало повышение качества знаний учащихся в этой области физики, формирование готовности к самостоятельной работе и к работе в коллективе. Выполнение таких работ способствовало формированию у учеников важнейших практических умений и навыков, критического мышления, необходимых для успешного повторения, изучения, обобщения и систематизации знаний по такому обширному разделу физики, как оптика.

Список литературы:
1. Бутиков Е.И., Кондратьев А.С. Физика. Кн. 2. Электродинамика. Оптика. – М.: Физматлит, 2000. — 336 с.
2. Рыжиков С. Б. Классический опыт Галилея в век цифровой техники: численное моделирование и лабораторный эксперимент. Учебное пособие. — М.: МЦНМО, 2008 — 64 с.: ил.
3. Шутов В.П., Сухов В.Г., Подлесный Д.В. Эксперимент в физике. Физический практикум. – М.:Физматлит, 2005. – 184 с.

Стогова Жанна Валентиновна,
учитель физики
ГБОУ г. Москвы «Школа №1195»
zhannasto@yandex.ru

Мнение редакции может не совпадать с мнением авторов.