Заборовский Г.А. и др. Физика на компьютере: VIII класс, световые явления

Выбор методов и средств изучения раздела «Световые явления» обусловлен разнообразием экспериментального и графического материала, а также необходимостью активной работы с ним.

В данной статье рассматриваются педагогические программные средства двух типов: база знаний «Световые явления», функционирующая в составе описанных ранее комплексов «Активная физика» [1,2], и новый тип – конструктор учебных моделей «Оптическая скамья». Широкие графические и диалоговые возможности обоих программных средств позволяют организовать активную работу учащихся как при введении основных понятий геометрической оптики, так и при формировании навыков расчета и построения изображений в оптических системах и приборах.

База знаний «Световые явления»

Содержание и уровень отобранного учебного материала соответствует действующим программам и учебникам [3; 4]. База знаний содержит около 50 активных заданий-ситуаций разного уровня сложности (более 500 вариантов). Они органично вписываются в структуру различных занятий в виде небольших компьютерных фрагментов. В предыдущих статьях мы уже касались редактирования типовых и компоновки собственных обучающих сценариев из предлагаемых баз знаний, а также общих вопросов методики их применения [1; 2]. Здесь мы предлагаем три типовых сценария, рассчитанных на активную работу учащегося в течение 15–20 мин и содержащих до 15 заданий.

1. Распространение света

Цель: сформировать понятия «точечный источник света», «луч», «тень», «полутень»; сформировать навыки применения закона прямолинейного распространения света.

Задания. Изображение тени стержня и диска (точечный источник). Изображение полутени (протяженный источник) (рис 1). Расчет радиуса отверстия по размерам светового пятна. Расчет положения и перемещение экрана и ширмы с отверстием.

Рис. 1

2. Отражение света. Плоское зеркало

Цель: сформировать навыки применения законов отражения света.

Задания. Определение угла отражения от плоского зеркала на оптическом диске. Построение отраженного луча на оптическом диске и плоскости (рис. 2). Построение изображения светового зайчика. Построение изображения точки и отрезка в плоском зеркале. Определение расстояния до изображения точки в зеркале. Определение высоты изображения в плоском зеркале. Перемещение предмета и источника в требуемое положение.

Рис. 2

3. Преломление света. Линзы

Цель: сформировать понятия «собирающая и рассеивающая линза», «фокус», «оптическая сила линзы»; научиться определять параметры линз; сформировать навыки расчета и построения изображения в тонких линзах.

Задания. Определение фокусного расстояния и оптической силы линз. Построение преломленных лучей. Расчет и построение изображений.

Конструктор моделей «Оптическая скамья»

Программа предназначена для создания, редактирования, сохранения и считывания учебных моделей оптических приборов и систем, состоящих из элементарных объектов: источников света, плоских и сферических зеркал, собирающих и рассеивающих линз, ширм, индикаторов (фотоэлементов с лампочками).

Объекты являются моделями приборов, работают в соответствии с их функциональным назначением и обладают следующими свойствами:

• реагируют при попадании на них луча (зеркало отражает, линза преломляет, фотоэлемент «зажигает» лампочку);

• могут управляться с помощью клавиш управления курсором или манипулятора «мышь» (перемещаться поступательно и поворачиваться) и изменять параметры (например, размеры и фокусное расстояние линзы, изображение фокальных плоскостей, нормалей, продолжений лучей);

• могут группироваться (например, из двух линз собирается схема проекционного аппарата, которая перемещается по экрану как одно целое).

В основу математических моделей объектов положены общие законы отражения и преломления лучей на поверхностях, поэтому удается с высокой точностью рассчитывать и строить ход лучей в достаточно сложных системах, состоящих из нескольких объектов.

Оптические системы могут собираться преподавателем или учащимися в интерактивном режиме непосредственно в момент демонстрации либо готовиться заранее и храниться на диске. С помощью созданных моделей и встроенных инструментов (измеритель длины и угла, карандаш) можно продемонстрировать основные понятия и исследовать явления и законы геометрической оптики.

Для расширения дидактических возможностей программы предусмотрены два режима работы: «Конструктор» и «Задачник». В режиме «Конструктор» возможна модификация моделей (в том числе готовых) путем изменения положения и параметров всех объектов и систем. В режиме «Задачник» осуществляется только воспроизведение созданных ранее моделей (задач), при этом разрешаются лишь определенные, заданные при их создании действия. Это позволяет реализовывать проблемные и игровые ситуации и оригинальные способы проверки решения экспериментальных задач.

Программа может быть использована как на уроках физики, так и во внеурочное время в качестве:

• демонстрационного эксперимента при объяснении нового материала;

• экспериментальной исследовательской задачи;

• проблемной задачи с элементами игры;

• компьютерной лабораторной работы.

С программой предлагается библиотека демонстраций и экспериментальных задач, которая может составить основу для конструирования собственных моделей. Ее содержание несколько шире базового уровня изучения раздела.

Плоское зеркало. Исследование зависимости угла отражения от угла падения луча. Сохранение параллельности лучей после отражения. Построение изображения. Система зеркал.

Сферическое зеркало. Демонстрация понятия параксиальных лучей. Построение отраженного луча. Построение изображения.

Тонкая линза (собирающая и рассеивающая). Демонстрация понятий «фокус», «фокальная плоскость». Построение преломленного луча. Построение изображений. Исследование параметров линзы и изображения. Экспериментальные задачи на определение параметров изображений.

Система линз и зеркал. Построение преломленного луча. Построение изображения.

Проблемные экспериментальные задачи с игровыми элементами.

Создание и применение моделей

Рассмотрим примеры создания и применения моделей простейших оптических систем при решении различных дидактических задач. Для лучшего представления о всех этапах и действиях при создании и использовании модели будем рассматривать вариант ее непосредственного конструирования в момент применения. На практике, конечно, удобнее использовать готовые или созданные заранее модели.

1. Исследование: зависимость угла отражения от угла падения луча

Этап конструирования начинается с выбора в меню «Объекты» плоского зеркала и установки его с помощью клавиш управления курсором или манипулятора «мышь» в нужное место экрана (в данном случае примерно на середину). Вызовом меню «Установка параметров» задается желаемый размер зеркала. Затем с помощью меню «Объекты» или «горячих клавиш» выбирается луч и направляется на зеркало. Положение источника, угол падения и цвет луча подбираются для получения наибольшей наглядности. На этом этап конструирования модели оптической системы закончен. Она может быть сохранена на диске и считываться при необходимости.

Исследование начинается с действий над объектами и выбора необходимых измерительных инструментов. В данном примере вызывается измеритель угла и производятся измерения углов падения и отражения (рис. 3).

Рис. 3

Измерения повторяются при различных углах падения луча, а также положениях зеркала. Формулируется закон отражения.

2. Демонстрация: сохранение параллельности отраженных лучей

Плоское зеркало устанавливается на середину экрана. На него направляются 3-4 параллельных луча. При любом поступательном перемещении источников и зеркала, а также вращении зеркала отраженные лучи сохраняют параллельность. Следует обратить внимание на подбор углов падения и цвета лучей для повышения эффектности демонстрации.

3. Лабораторная работа: построение изображения точки и отрезка в плоском зеркале

На плоское зеркало направляются два луча, выходящие из одной точки А под разными углами. Вызовом меню «Установка параметров» включается показ продолжений отраженных лучей и демонстрируется точка их пересечения А'.

Исследование начинается с измерения расстояний от источника А и изображения А' до зеркала (рис. 4). Затем измерения повторяются с другой парой лучей, выходящих из точки В. Выполняется построение отрезков АВ и А'В'.

Рис. 4

Углы падения лучей изменяются, и измерения повторяются. Делается вывод о размерах, положении и зеркальной симметрии предметов и изображений.

В качестве дополнительных заданий можно исследовать влияние положения точек, зеркал, расстояний и углов падения лучей на наглядность и погрешности исследований.

4. Изучение линзы

На собирающую линзу направляются три-четыре горизонтальных луча, параллельных главной оптической оси. Лучи и линза перемещаются поступательно. При этом обращается внимание на неизменность положения точки пересечения лучей по отношению к линзе. Таким образом вводится понятие «фокус». Далее путем изменения параметров линзы демонстрируется ее преломляющая способность и вводится понятие оптической силы.

Демонстрационные эксперименты могут выполняться учителем (для этого достаточно одного компьютера на его столе). Более эффективен вариант, когда эксперименты проводятся самими учащимися (пусть даже по двое-трое за одним компьютером) под руководством учителя или по заранее подготовленной инструкции, которая должна иметь очень простую форму, например: «Установите линзу. Направьте на нее три-четыре луча. Перемещайте линзу и падающие лучи и наблюдайте за преломленными. Сделайте вывод».

Не менее наглядно можно ввести понятие фокальной плоскости, направив на линзу параллельные между собой лучи под углом к главной оптической оси и перемещая затем линзу и источники.

Несложно продемонстрировать ход лучей, падающих под различными углами, построить изображения точек, находящихся на разных расстояниях от линзы, определить увеличение. При этом можно использовать числовые значения как задаваемых, так и измеряемых параметров.

Аналогичные исследования можно провести и для рассеивающей линзы.

5. Изучение системы линз

Две собирающие линзы с одинаковыми фокусными расстояниями устанавливаются соосно. На систему направляются 3-4 параллельных луча. Демонстрируется ход горизонтальных лучей в системе при перемещении линз.

Центры линз совмещаются. Демонстрируется ход лучей, определяются фокусные расстояния и оптические силы системы при поочередном удалении каждой из линз и замене на рассеивающую с тем же фокусным расстоянием. Вводится формула суммирования оптических сил.

Аналогичным способом собираются и демонстрируются модели оптических приборов.

6. Игровая задача

Собирается система, состоящая из двух расположенных под углом в верхней части экрана плоских зеркал и нескольких непрозрачных стенок, напоминающая дом с зеркальной крышей (рис. 5). Через окно в дом направляется луч света. Внутри дома устанавливается маленькое плоское зеркало и фотоэлемент с лампочкой, которая зажигается при попадании на него луча света. Затем на пути луча помещается непрозрачная перегородка. При этом лампочка гаснет.

Рис. 5

После сборки системы в исходном состоянии изменяется статус некоторых объектов, например, запрещается управление всеми использованными при строительстве дома объектами (источником света, зеркалами крыши, стенками дома, перегородкой, фотоэлементом), за исключением небольшого зеркала в доме.

На этом этап создания задачи с эвристическими и игровыми элементами завершен. Осталось сформулировать задание: «С помощью маленького зеркала зажгите лампочку в доме с зеркальной крышей», написать при необходимости подсказки и сохранить задачу на диске.

При вызове данной модели в режиме «Задачник» будет разрешено перемещать и поворачивать только маленькое зеркало. Успешное и быстрое решение задачи основано на знании законов распространения и отражения света и требует поиска и догадок.

7. Проблемная задача

На экране устанавливаются две непрозрачные вертикальные стенки с несоосными отверстиями. Перед левым отверстием находится источник света, за правым – фотоэлемент и лампочка, а между стенками – собирающая линза (рис. 6). Управление всеми объектами за исключением линзы запрещено. Требуется с помощью линзы зажечь лампочку. Положения и параметры объектов при конструировании задачи подбираются так, чтобы при любых перемещениях линзы сделать это было невозможно.

Рис. 6

После некоторых поисков учащиеся убеждаются, что преломленный луч никак не удается «повернуть» до отверстия с фотоэлементом – «не хватает» оптической силы линзы. Успешно решить задачу можно, лишь догадавшись уменьшить фокусное расстояние линзы и тем самым увеличить ее оптическую силу.

Использование игровых и проблемных задач вносит разнообразие и оживляет урок, повышает мотивацию и интерес к физике. Возможна организация конкурсов по созданию и решению подобных задач.

В заключение отметим, что применение обоих программных средств позволяет существенно активизировать работу учащихся и способствует лучшему усвоению материала.

1. Заборовский Г.А., Казовский М.Г. Физика на компьютере: 7 класс // Фiзiка: праблемы выкладання. – 1996, вып. 3. – С. 48.

2. Заборовский Г.А., Казовский М.Г. Физика на компьютере: 8 класс. Электрические явления // Фiзiка: праблемы выкладання. – 1996, вып. 4.

3. Перышкин А.В., Родина Н.А. Физика-8. – М.: Просвещение, 1989.

4. Лукашик В.И. Сборник задач по физике для 7-8 классов. – 6-е изд. – М.: Просвещение, 1994.