114781 (Формування знань учнів з розділу "Оптика"), страница 2

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.

2.4 Розв'язування задач з оптики, домашні досліди і спостереження

Розв'язування задач з оптики сприяє формуванню фізичних понять, усвідомленню і закріпленню учнями матеріалу, зв'язків між фізичними величинами. Зокрема, розв'язуючи задачі з цього розділу, учні міцніше засвоюють основні закони геометричної оптики (прямолінійне поширення світла, незалежність світлових пучків, відбивання і заломлення світла), фундаментальні поняття хвильової оптики, зокрема світлової хвилі та її характеристик, монохроматичність та розкладання білого світла в спектр, когерентності, інтерференції, дифракції, поляризації, скінченності, інваріантності й граничності швидкості світла, а також фотонну оптику; фотон і його властивості, взаємодія світла з речовиною.

Задачі з оптики поділяються на текстові (розрахункові, якісні), експериментальні, графічні (розрахункові, якісні), їх можна використати як для постановки проблеми, повідомлення нових знань, розвитку творчих здібностей учнів, так і для формування практичних умінь і навичок, перевірки якості засвоєння матеріалу, повторення, закріплення та узагальнення матеріалу. Під час розв'язування задач з оптики велике значення має органічне їх поєднання з демонстраційним і фронтальним експериментом, використанням технічних засобів навчання

Л.І. Рєзников запропонував систему задач, які не потребують складних і громіздких обчислень (задач якісних, задач на виконання побудови ходу променів тощо), але вимагають глибокого аналізу фізичного змісту явищ, використання фізичних принципів, різноманітних методів вивчення явищ, а також експериментальних досліджень. Приклади таких задач можна знайти в статті Л.І. Рєзникова "Диференціація навчального матеріалу з фізики".

Важливе значення для формування в учнів практичних умінь і навичок, елементів дослідницької роботи мають домашні завдання. Під час вивчення оптики є багато можливостей для здійснення найпростішого експерименту в домашніх умовах. Майже на кожному уроці можна дати завдання на спостереження оптичних явищ у природі або виконання дослідів а оптики. Цьому сприяє те, що в учнів дома е матеріали і навіть оптичні прилади, які можна використати для проведення спостережень і дослідів, зокрема фотокамери, проектори різних типів, плоскі й сферичні дзеркала, лінзи (окулярне скло, лупа), обладнання для фоторобіт, а також деякі предмети побуту, які можна легко пристосувати для виконання оптичних дослідів (склянки, плоскі й тригранні флакони, смужки картону тощо). Крім того, переважна більшість дослідів з оптики не потребує складного обладнання або умов, які, з погляду додержання правил техніки безпеки, не можна проводити без учителя.

Ставлячи завдання з домашнього експерименту, чітко визнають його мету, дають рекомендації учнів, літературу, не забувають про техніку безпеки: обов'язково проводять з учнями відповідний інструктаж.

З оптики домашніх дослідів можна поставити багато. Так рекомендуємо виконати вдома досліди з прямолінійного поширення світла, на закони відбивання і заломлення світла, деякі досліди з дзеркалами і лінзами, розкладання світла в спектр та ін. Виконання таких дослідів цілком безпечне і не потребує спеціальних приладів.

Особливе значення мають спостереження учнів за явищами навколишнього світу, оскільки це один із шляхів для виховання допитливості, вміння мислити, розвитку творчих здібностей учнів, збудження інтересу до науки, до пізнання невідомого. Завдання із спостереження за фізичними явищами слід пов'язувати з вивченням окремих тем, уроків. Такі завдання бажано підібрати до кожної теми програми.

3. Методичні особливості вивчення геометричної оптики

3.1 Що вивчає променева оптика. Закони відбивання і заломлення світла

Серед основних властивостей світла найбільш наочною, підтвердженою широким життєвим досвідом є властивість прямолінійно поширюватися в однорідному ізотропному середовищі. Лінія, вздовж якої поширюється енергія світла, називається світловим променем. Отже, промінь - суто геометричний образ. Саме тому, що промінь відображає тільки одну властивість світла, це поняття можна використовувати лише в певних межах. Сказане добре ілюструється за допомогою "діркової камери" - камери-обскури. Здавалося б, що промінь можна утворити на досліді, якщо на шляху світла поставити діафрагму з невеликим отвором. Але насправді це не зовсім так. Якщо отвір діафрагми широкий, на екрані утворюється розмита пляма, за формою подібна до діафрагми. Зменшуючи отвір діафрагми, побачимо, що тіньове зображення отвору переходить у чітке зображення джерела світла. Чіткість зображення зростає із зменшенням отвору. Проте це відбувається лише до певної межі, після чого дальше зменшення отвору діафрагми призводить до розмивання зображення. Нарешті, коли отвір дуже малий, весь екран буде повністю освітлений.

Цей результат можна пояснити так. Від кожної точки джерела крізь отвір діафрагми проходить світловий пучок, який дає на екрані пляму, що відтворює форму отвору. Світло від усього джерела дає на екрані картину, утворену світловими плямами, що накладаються одна на одну. Оскільки при великому отворі діафрагми окремі плями на екрані більші за деталі джерела, то його зображення стає розмитим і наближається до тіньового зображення отвору діафрагми. Якщо ж отвір діафрагми невеликий, плями будуть менші за деталі джерела і утворюється чітке його зображення.

Пучок світла від джерела, що обмежується отвором діафрагми, можна вважати наближеною моделлю променя. Зменшуючи розмір отвору діафрагми, утворюємо все вужчий пучок. Проте ми не матимемо змоги створити нескінченно вузький світловий пучок - промінь. Справді, дослід показує, що дальше зменшення розміру діафрагми не тільки не приводить до зменшення перерізу пучка, а, навпаки, веде до його розширення. Тут уже проявляються хвильові властивості світла. Тому обмежимося виділенням вузьких світлових пучків і замінимо їх потім осьовими лініями, які й називатимемо променями світла.

Поняття про промінь світла дає змогу вивчити й осмислити цілий ряд оптичних явищ і законів, пояснити будову і призначення багатьох оптичних приладів. Розділ оптики, що ґрунтується на понятті про промінь, називається променевою або геометричною оптикою. Основне завдання променевої оптики - - вивчення будови та дії оптичних приладів.