Διάθλαση του φωτός στην πρωτοβάθμια εκπαίδευση

 η ηλιακή λάμπα μπουκάλι

Υποβλήθηκε από laura.howes στις 2 Ιουνίου, 2014

Με Claas Wegner, Stephanie Ohlberger

Χορηγία εικόνας της Αφρικής Studio / shutterstock

Περισσότερα από 10 χρόνια πριν, ένας πολύ έξυπνος και εφευρετικός κάτοικο από μια φαβέλα ανακάλυψε ότι μπορούσε να παράγει φως χωρίς ηλεκτρικό ρεύμα. Τώρα οι ηλιακές λάμπες εξαπλώνεται σε όλο τον κόσμο. Πίσω στο 2002, της Βραζιλίας μηχανικός Alfredo Moser ήρθε με έναν τρόπο να φωτίσουν το σπίτι του κατά τη διάρκεια της ημέρας χωρίς ηλεκτρικό ρεύμα. Αντ 'αυτού, το διάλυμα Moser χρησιμοποίησε μόνο ένα πλαστικό μπουκάλι γεμάτο νερό. Η καινοτομία, η οποία χρησιμοποιεί το φαινόμενο της διάθλασης, έχει πλέον εξαπλωθεί σε ολόκληρο τον κόσμο και αναμένεται να ανάψει πάνω από 1 εκατομμύριο σπίτια του τρέχοντος έτους.

Πολλοί δάσκαλοι φοβούνται την εισαγωγή των σωματικών θέματα στα δημοτικά σχολεία, αλλά ενώ οι μαθητές μπορεί να μην είναι σε θέση να καλούν διάθλαση του φωτός, πολλοί θα έχετε δει πώς ένα καλαμάκι φαίνεται να κάμπτει καθώς πηγαίνει από τον αέρα στο νερό. Αυτό το άρθρο στοχεύει στην παροχή μιας θεωρητικό υπόβαθρο στο φως διάθλαση και δείχνει πώς η ηλιακή λάμπα μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην τάξη για να αποδείξει το φαινόμενο

Διάθλαση Ανακαλώντας στη μνήμη το καλαμάκι σε ένα ποτήρι νερό, το άχυρο φαίνεται να καμφθεί ή να σπάσει. Αυτό συμβαίνει επειδή το νερό είναι οπτικά πυκνότερο από τον αέρα και έτσι το φως ταξιδεύει πιο αργά στο νερό από τον αέρα. Η μεταβολή στην ταχύτητα κάμπτει το φως καθώς διέρχεται από μία ουσία στην άλλη, ένα φαινόμενο που ονομάζεται διάθλαση. Σε διάθλαση, δύο διαφορετικά πράγματα είναι σημαντικά, η γωνία που το φως χτυπά τη διεπαφή μεταξύ των δύο υλικών, που ονομάζεται η γωνία πρόσπτωσης, και μια ειδική ιδιότητα του καθενός από τα δύο υλικά που εμπλέκονται, ο δείκτης διάθλασης. Σε γενικές γραμμές, πυκνότερα υλικά έχουν υψηλότερους δείκτες διάθλασης επειδή πυκνότερα υλικά αργή φως κάτω από περισσότερο. Σκεφτείτε για το πώς ένα αυτοκίνητο ταξιδεύει γρήγορα στο δρόμο, αλλά επιβραδύνει κατά την οδήγηση σε ένα λασπώδες χωράφι. Διάθλαση δεν συμβαίνει όταν ακτίνες φωτός απεργία τη διεπαφή μεταξύ δύο διαφανή μέσα σε ορθή γωνία, σαν την οδήγηση σε ένα λασπωμένο

Σχήμα 1: Η κάμψη των ακτίνων φωτός κατά την εισαγωγή ενός υψηλού δείκτη μεσαίας Χορηγία εικόνας της Stephanie Ohlberger Σχήμα 2: Η κάμψη των ακτίνων φωτός κατά την εισαγωγή ενός χαμηλού δείκτη μεσαίας Χορηγία εικόνας από Stephanie Ohlberger

τομέα ευθεία θα σας επιβραδύνει, αλλά θα εξακολουθεί να οδηγεί στην ίδια κατεύθυνση. Ωστόσο, αν έρθει στο γήπεδο σε μια γωνία, οι τροχοί που έπληξε την λάσπη πρώτα θα επιβραδυνθεί και το αυτοκίνητο θα γυρίσει. Κατά παρόμοιο τρόπο, αν οι ακτίνες φωτός κτυπούν την επιφάνεια σε μία γωνία οι ακτίνες φωτός θα αλλάξει κατεύθυνση. Η κατεύθυνση που εξαρτάται από τις δείκτες διάθλασης των δύο μέσων που εμπλέκονται (σχήματα 1 και 2).

Το νόμο του Snell της διάθλασης

Στη φυσική, ο νόμος του Snell χρησιμοποιείται για να περιγράψει διάθλασης και των ιδιοτήτων του. Νόμο του Snell αναφέρει ότι η ταχύτητα του προσπίπτοντος φωτός διαιρείται με το ημίτονο της γωνίας πρόσπτωσης είναι ίση με την ταχύτητα του διαθλασμένου φωτός διαιρείται με το ημίτονο της γωνίας του διαθλασμένου φωτός, ( ν ₁ / (sin θ ₁ )) = ( v ₂ / sin θ ₂ ). Αυτό σημαίνει ότι όταν το φως περνά από μία ουσία χαμηλότερη οπτική πυκνότητα σε μια ουσία υψηλότερης οπτικής πυκνότητας, η επιβράδυνση, η ακτίνα φωτός κάμπτεται προς την κανονική του ορίου μεταξύ των δύο μέσων. Αυτό είναι τι συμβαίνει όταν μια ακτίνα φωτός στον αέρα εισέρχεται στο νερό. Στην αντίθετη περίπτωση, όταν μια ακτίνα φωτός εισέρχεται σε ένα μέσο ενός χαμηλότερου δείκτη, για παράδειγμα, πηγαίνοντας από το νερό στον αέρα, τότε θα λυγίσει μακριά από την κανονική.

Το νόμο του Snell μπορεί επίσης να γραφτεί από την άποψη του δείκτη διάθλασης, ή πώς οπτικά πυκνό είναι το μέσο είναι. Δείκτη διάθλασης ενός μέσου, το η, ορίζεται ως ο λόγος της ταχύτητας του φωτός στο κενό, c, με την ταχύτητα του φωτός v στο μέσο, ​​N = C / V. Αυτό σημαίνει, επίσης, ότι ο νόμος του Snell μπορεί να γραφτεί ως αμαρτία θ ₁ n ₁ = sin θ ₂ n ₂ .

Καθώς η ταχύτητα του φωτός στο κενό είναι πάντα 3 Χ 10 ⁸ ms ^-1 , είναι εύκολο να υπολογιστεί ο δείκτης διάθλασης ενός μέσου για όσο καιρό γνωρίζουμε την ταχύτητα του φωτός στο συγκεκριμένο μέσο. Πρακτικά μιλώντας, πυκνότερα υλικά έχουν υψηλότερους δείκτες διάθλασης, όπως πυκνότερα υλικά αργή φως κάτω από περισσότερο

Το κουτί παπουτσιών

Ακριβώς όπως έχουμε κάνει, το θέμα της διάθλασης του φωτός μπορεί να εισαχθεί με τη συζήτηση πώς ένα καλαμάκι ή μολύβι σε ένα ποτήρι φαίνεται να έχει σπάσει όταν παρατηρείται από την πλευρά της, η οποία είναι μια καλή βάση για την εξέλιξη ερωτήσεις σχετικά με αυτό το θέμα. Οι θεωρητικές νόμοι της διάθλασης μπορεί στη συνέχεια να αποδειχθεί με τη δημιουργία ενός απλού πειράματος με κουτί παπουτσιών. Το πείραμα θα πρέπει να γίνει σε ομάδες των δύο ή τριών, δεδομένου ότι είναι λίγο δύσκολο. Ανάλογα με την ηλικία των μαθητών και για πόσο χρόνο το μάθημα προσφέρει, ο δάσκαλος θα μπορούσε επίσης να προετοιμάσει τις shoeboxes των προτέρων, προκειμένου να μειωθεί ο χρόνος που αφιερώνεται σε χειρωνακτικές εργασίες στην τάξη.

Όπως εξηγείται στο λεπτομερές έγγραφο ^w1 μπορείτε να κατεβάσετε από το τμήμα αναφοράς, θα χρειαστείτε ένα φακό, ένα κουτί παπουτσιών, ένα κοπίδι και ένα ποτήρι νερό. Προσεκτικά κόψτε δύο κάθετες σχισμές στο σύντομο τέλος του κουτί παπουτσιών. Ο χώρος μεταξύ των σχισμών δεν πρέπει να είναι ευρύτερο από το γυαλί. Όταν ο φακός έχει έλαμψε μέσα από τις δύο σχισμές θα πρέπει να δείτε δύο ευθείες γραμμές του φωτός. Τώρα, τοποθετήστε το ποτήρι του νερού στο κουτί, έτσι ώστε οι δύο λωρίδες του φωτός χτυπήσει το γυαλί. Όταν το ποτήρι νερό τοποθετείται πίσω από τις σχισμές, ωστόσο, διασχίζουν ο ένας τον άλλο. Αυτό είναι το αποτέλεσμα του φωτός επιβραδύνεται από το νερό, δεδομένου ότι έχει μια υψηλότερη οπτική πυκνότητα από τον αέρα. Σύμφωνα με το νόμο της διάθλασης, το φως κάμπτεται προς τα μέσα και έτσι οι δύο ακτίνες φωτός τελικά σταυρό.

Η ηλιακή λάμπα

Έχοντας αποδείξει διάθλαση, μπορείτε να δείξει πώς η ηλιακή λάμπα εκμεταλλεύεται στο φως δωμάτια και σπίτια με περίπου όσο γίνεται περισσότερο φως σε 50-60 Watt λαμπτήρα πυρακτώσεως. Με μόνο ένα πλαστικό μπουκάλι γεμάτο από ανθρώπους νερού μπορεί να ανάψει τα δωμάτια και τις καλύβες τους. Αρχική έννοια Moser έχει αναπτυχθεί περαιτέρω από τις φιλανθρωπικές οργανώσεις να φέρει βιώσιμη και προσιτή φωτισμού για τις κοινότητες στην Αφρική, τις Φιλιππίνες, την Ινδία και άλλες χώρες της Νοτιοανατολικής Ασίας, χωρίς τη χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας ^w2 . Στην τάξη, θα πρέπει να λαμβάνει μόνο περίπου 10 λεπτά για να δημιουργήσετε τη δική σας εκδοχή.

Υλικά Χαρτόνι Ψαλίδι Στένσιλ Circle Μεγάλο πλαστικό μπουκάλι (1-2λ) Νερό Μεγάλο κουτί από χαρτόνι Δάδα

Διαδικασία 1. Κόψτε μια τρύπα στην οροφή του κουτιού: θα πρέπει να είναι αρκετά μεγάλη, ώστε η φιάλη να μπορεί να περάσει μέσα από αυτό. Στη συνέχεια, κόψτε ένα παράθυρο που μοιάζει με άνοιγμα στο πλάι, ώστε να μπορείτε να δείτε στην πλώρη.

Χορηγία εικόνας από Stephanie Ohlberger

2. Κόψτε ένα τετράγωνο 15x15cm έξω από το χαρτόνι

Χορηγία εικόνας από Stephanie Ohlberger

3. Ισοπαλία δύο ομόκεντρους κύκλους στη μέση της πλατείας με μια μεμβράνη.

Χορηγία εικόνας από Stephanie Ohlberger

4. Κόψτε τον εσωτερικό κύκλο.

Χορηγία εικόνας από Stephanie Ohlberger

5. Κόψτε σε διαστήματα από το εσωτερικό προς το εξωτερικό κύκλο και να λυγίσει αυτά τα κομμάτια προς τα πάνω.

Χορηγία εικόνας από Stephanie Ohlberger

6. Βάλτε την τρύπα από χαρτόνι πάνω από το εμπόδιο και γεμίστε το μπουκάλι με νερό.

Χορηγία εικόνας από Stephanie Ohlberger

7. Βάλτε Solar Bottle Bulb σας στην τρύπα στην οροφή της καλύβας του δείγματος και να λάμψει ένα φακό στο σημείο συμφόρησης.

Χορηγία εικόνας από Stephanie Ohlberger

8. Παρατηρήστε την ηλιακή λάμπα διαμέσου του πλευρικού ανοίγματος.

Χορηγία εικόνας από Stephanie Ohlberger

Εξήγηση

Η ηλιακή λάμπα μπουκάλι βασίζεται στην αρχή της διάθλασης. Επειδή το φως από το φακό διέρχεται από ένα μέσο χαμηλότερου δείκτη (αέρα) σε ένα μέσο υψηλότερης δείκτη (νερό) η κάμψη ακτίνες φωτός μέσα στο νερό, στη συνέχεια, όταν το φως βγαίνει αυτό είναι απλωμένα γύρω από το δωμάτιο. Για να συμβεί αυτό το σημείο συμφόρησης πρέπει να κολλήσει έξω από την οροφή, ενώ η εξάπλωση της λυγισμένο ακτίνες φωτός γίνεται από το κύριο μέρος της φιάλης που κρέμεται από την οροφή (σχήμα 3), όπως και μια σωστή λαμπτήρα.Το μεγάλο πλεονέκτημα αυτού του φωτός προσφοράς είναι η αειφορία και η ασφάλεια του. Δεν υπάρχουν κίνδυνοι των κινδύνων πυρκαγιάς με αυτό το είδος της "φανός" και είναι ανέξοδο να κάνει και ταιριάζει. Στην πράξη, το χλώριο προστίθεται στο νερό για να κρατήσει το νερό καθαρό και απαλλαγμένο από τα φύκια και τα μικρόβια, και οι βολβοί σφραγίζονται στις στέγες για να κάνει μια σφραγίδα που ο καιρός. ^W3 Υπάρχουν πολλά βίντεο στο διαδίκτυο για να δείξει πώς είναι γίνεται με κατάλληλο σπίτι οικοδομικά υλικά. ^w4

Συνέχεια στην ερώτηση Ανάλογα με την ηλικία των μαθητών, η ηλιακή λάμπα πείραμα θα μπορούσε να είναι μέρος ενός μεγαλύτερου διεπιστημονικού προγράμματος σχετικά με τα προβλήματα για τις αναπτυσσόμενες χώρες σε σχέση με τις εμπειρίες του μαθητή. Μετά βλέπουμε τη λάμπα σε δράση, οι μαθητές θα πρέπει να συνειδητοποιήσουν πόσο μεγάλη είναι η βελτίωση, η ηλιακή λάμπα μπουκάλι είναι για τους ανθρώπους χωρίς μια ασφαλή πηγή ηλεκτρικής ενέργειας. Για να συγκρίνουμε ηλεκτρικό εξοπλισμό μας με αυτό το μέσο παραγωγής φωτός, οι μαθητές μπορούν να μετρήσουν τα διαφορετικά επίπεδα φωτός. Η κοινωνική κατάσταση των ατόμων που προσβάλλονται θα μπορούσε επίσης να γίνει το επίκεντρο της προσοχής και θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως σημείο εκκίνησης για ένα έργο το σχολείο για να συγκεντρώσει τα χρήματα για να βοηθήσει την εξάπλωση της ηλιακής λαμπτήρες μπουκάλι σε υποβαθμισμένες περιοχές.

Σχήμα 3: Διάθλαση των φωτεινών ακτίνων μέσα στη φιάλη στο εσωτερικό του δείγματος καλύβα Χορηγία εικόνας της Stephanie Ohlberger

Συμπέρασμα

Η ηλιακή λάμπα είναι μια καινοτόμος λύση για το πρόβλημα των σπιτιών φωτισμού και παρέχει μια απλή επίδειξη της φυσικής που θα βοηθήσει παρακινήσει τους μαθητές να ασχοληθούν με το θέμα. Παρέχει επίσης μια εξαιρετική ευκαιρία για διεπιστημονική εργασία. Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων, τα παιδιά ασκούν την ομαδική εργασία και την κατανομή των αρμοδιοτήτων, ενισχύοντας έτσι τις κοινωνικές τους δεξιότητες. Εκτός από την εστίαση του περιεχομένου, η έμφαση του μαθήματος θα μπορούσε επίσης να τοποθετηθεί σχετικά με την επιστημονική μέθοδο με την καθιέρωση πρωτοκόλλων δοκιμής, η οποία θα είναι επωφελής για τις μελλοντικές εργασίες και σε άλλες φυσικές επιστήμες-θέματα. Η προσέγγιση της συμπερίληψης του ηλιακού λαμπτήρα μπουκάλι στη διδασκαλία έχει ήδη εφαρμοστεί σε πολλά σχολεία, ως μέρος των σχεδίων για το φως ή εναλλακτικών πηγών ενέργειας, έτσι ώστε οι μαθητές σας θα πρέπει να έχουν την ευκαιρία να βιώσουν διάθλαση του φωτός από πρακτική άποψη, καθώς και.

Αναφορές στο διαδίκτυο

w1 - Κατεβάστε τη λεπτομερή διαδικασία για να εκτελέσετε το πείραμα σε κουτί παπουτσιών του Word ή Pdf

w2 - Η ιστοσελίδα αυτή από το Ίδρυμα Myshelter δίνει μια καλή επισκόπηση της χρήσης των ηλιακών λαμπτήρων σε όλο τον κόσμο.

w3 - Για έναν οδηγό βήμα-βήμα για το πώς να κάνει ένα ηλιακό λαμπτήρα, βλέπε: http://bit.ly/1xT4xoM .

w4 - Για να παρακολουθήσετε ένα σύντομο βίντεο για το πώς να κάνει ένα ηλιακό λαμπτήρα, βλέπε: http://bit.ly/1oWt6wQ .

Πόροι

Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με την ηλιακή λαμπτήρες, δείτε:. Ξύλο, Α. (2012) Η Solar Bottle Bulb Επανάσταση .

Για κάποιες βασικές πληροφορίες σχετικά με την οπτική και τη φυσική του φωτός, βλέπε:

Hecht, Ε. (2002). Optics (4th ed.). Σαν Φρανσίσκο: Addison-Wesley.

. Waldman, Γ. (2002) Εισαγωγή στο φως: Η Φυσική του Φωτός, το όραμα και το χρώμα. Νέα Υόρκη: Δημοσιεύσεις του Ντόβερ.

Για καλή γενική υπόβαθρο πηγή πληροφοριών σχετικά με την επιστήμη εν γένει, βλέπε:

Taylor, C. (2000). The Kingfisher Science εγκυκλοπαίδεια . Λονδίνο: Kingfisher.

Αν βρήκατε αυτό το άρθρο ενδιαφέρον, μπορείτε να περιηγηθείτε τις άλλεςεκπαιδευτικές δραστηριότητες που δημοσιεύθηκε στο Science in School .

---

Ο Δρ Claas Wegner είναι ένας ανώτερος εκπαιδευτικός για την Βιολογία θέματα και PE σε ένα σχολείο δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης και λέκτορας στο Πανεπιστήμιο του Bielefeld στο Τμήμα Διδακτικής της Βιολογίας.

Stephanie Ohlberger είναι ένα Master of Εκπαίδευση φοιτητών για την Βιολογία θέματα και αγγλική γλώσσα σε σχολεία της δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης. Είναι ένας επιστημονικός συνεργάτης στο Τμήμα Διδακτικής της Βιολογίας στο Πανεπιστήμιο του Bielefeld.

Κριτική

Το άρθρο αυτό επικεντρώνεται στο σημαντικό θέμα της διάθλασης. Τα παιδιά μπορεί να γνωρίζουν ότι ένα καλαμάκι φαίνεται να λυγίζει όταν εισέρχεται σε ένα ποτήρι νερό, αλλά είναι δύσκολο για αυτούς να φανταστεί κανείς ότι είναι το φως που είναι πραγματικά κάμψη και όχι το άχυρο. Το πείραμα κουτί παπουτσιών θα πρέπει να είναι πολύ χρήσιμο να τους βοηθήσει να απεικονίσει την κάμψη των ακτίνων φωτός.

Η ιδέα ενός ηλιακού λαμπτήρα πρέπει ίντριγκα μικρά παιδιά. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως βάση για μια συζήτηση σχετικά με τις πιθανές εφαρμογές κάθε μέρα της. Στα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε αίθουσες ή χώρους στο σπίτι, όπως λαμπτήρες; Οι μαθητές μπορούν να προσλαμβάνονται για να συζητήσει τόσο τα πλεονεκτήματα όσο και τα μειονεκτήματα της χρήσης ενός τέτοιου συστήματος στο σπίτι. Κάποιος μπορεί να συζητήσουν τη χρήση του ηλιακού λαμπτήρα στο πλαίσιο της ανάπτυξης πράσινων κτιρίων, μειώνοντας την εξάρτησή μας από την ηλεκτρική ενέργεια, καθώς και την οικονομική αξία του.

Οι εκπαιδευτικοί μπορούν πολύ εύκολα να προσαρμόσει την ιδέα για ένα έργο το σχολείο, στο οποίο οι μαθητές διερευνήσει τη σκοπιμότητα και την αξία της εισαγωγής ενός τέτοιου συστήματος στο σπίτι ή στην ευρύτερη κοινότητα. Παρά το γεγονός ότι το άρθρο απευθύνεται κυρίως της πρωτοβάθμιας εκπαίδευσης, τόσο η επιστήμη όσο και οι καθηγητές φυσικής σε σχολεία της δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης θα πρέπει να βρείτε χρήσιμες κατά την εισαγωγή της έννοιας της διάθλασης.

Paul Xuereb, Μάλτα

---

Συστάσεις κριτικού: Φυσική Ηλικίες 8-11