|
Родинский район Муниципальное образовательное учреждение «Покровская средняя общеобразовательная школа»
Слет специалистов по оптике по теме: “Загадки природы и человеческого глаза” (интегрированный урок (2 часа) 8 класс по физике, биологии, литературе)
Учителя: (учитель физики) (учитель биологии) (учитель литературы)
Покровка 2006 |
Тема этого слета «Загадки природы и человеческого глаза»
Нетрадиционные формы проведения уроков необходимы для развития интереса и повышения уровня знаний и умений учащихся. Данное двухчасовое мероприятие проводим в конце учебного года как завершение в VIII классе темы «Оптика».
Подготовка начинается за две недели: учащихся делим на группы, каждая получает задание и по возможности литературу или список литературы. Названия возможных групп: «Группа загадок природы», «Группа загадок человеческого глаза», «Группа экспериментаторов», «Группа литераторов», «Группа биологов». Первые две группы изучают свои темы. Так как каждая недостаточно знакома с выводами и методами исследования соседнего коллектива, задача – ознакомить присутствующих с теми вопросами, которые в данном коллективе разработаны наиболее подробно.
В конце слета проводится викторина: ее готовят литераторы и биологи: первые подбирают вопросы по литературным произведениям, вторые – вопросы по биологии. Все специалисты должны быть готовы ответить на вопросы гостей.
Чтобы оценить вклад каждого и групп в проведение слета, за оригинальные вопросы и ответы, интересные сообщения выдают жетоны. По количеству набранных жетонов и можно дать оценку работы.
Эпиграфом к слету мы взяли слова :
Мирозданье постигая,
Все познай, не отбирая:
Что – внутри, во внешнем сыщешь;
Что – вовне, внутри отыщешь.
Так примите ж без оглядки
Мира внятные загадки.
План слета
1. Сообщение специалистов «Группы загадок природы»:
Радуга.
Миражи.
Гало, глории, нимбы.
Голубое небо и красное солнце.
Сумерки.
2. Сообщение специалистов «Группы загадок человеческого глаза»:
Зрение двумя глазами.
Ночное и дневное зрение.
Инерция зрения.
Адаптация зрения.
Зрительные иллюзии.
3. Выступление экспериментаторов.
4. Викторина литераторов.
5. Викторина биологов.
6. Викторина – экспертиза знаний (всех участников слета).
7. Подведение итогов: подсчет числа заработанных баллов, общие результаты.
Краткое содержание докладов
Радуга
Радуга – это непрерывный спектр солнечного света, образованный разложением света в каплях дождя как в призмах. Из дождевых капель под разными углами преломления выходят разноцветные световые пучки.
Наблюдатель, находясь вне дождевой зоны, видит над горизонтом примерно на расстоянии 1-2 км радугу (в зоне дождя) в виде разноцветных дугообразных полос на фоне дождевых облаков, освещаемых Солнцем (рис.1). верхняя полоса радуги – красная – находится не выше 42° над горизонтом, нижняя полоса – фиолетовая, а между ними располагаются все остальные участки спектра. В это время Солнце находится невысоко над горизонтом за спиной наблюдателя, а центр радуги – под горизонтом.
|
Рис № 1
Чем выше Солнце над горизонтом, тем меньшую часть радуги мы видим. Если Солнце поднялось выше 43° над горизонтом, то радуга не видна; в летний полдень она тоже не видна. Но если подняться высоко над земной поверхностью, то можно увидеть все радужное кольцо.
При солнечном освещении радугу можно наблюдать иногда в брызгах водопада или фонтана, при работе поливочной машины. Удается видеть радугу на росе, покрывающей траву, - это так называемая росная радуга.
Одну из первых попыток объяснить радугу как естественное природное явление сделал в 1611 г. итальянец Антонио Доменико. Его объяснение противоречило библейскому, поэтому он был отлучен от церкви и приговорен к смертной казни, но в тюрьме умер, не дождавшись казни; его тело и рукописи были сожжены. Более полное объяснение дал французский ученый Рене Декарт в 1637 г.; он опирался на идеи Доменико и законы преломления и отражения света в капельках дождя, но раскрыть, почему радуга цветная, а не черно-белая ученый не смог. Через 30 лет теория Декарта была дополнена английским физиком И. Ньютоном знаниями об явлении дисперсии. Дисперсия и создавала многоцветные радуги, называемой иногда за свою красоту «райской дугой».
Мираж
Что такое мираж? Реальность он или плод воображения измученных зноем и жаждой людей? Можно ли мираж запечатлеть, например, сфотографировать или заснять на видеокассету?
Слово «мираж» французского происхождения и имеет два значения: «отражение» и «обманчивое видение». Оба значения хорошо отражают сущность явления. Мираж представляет собою мнимое отражение реального существующих на Земле отдаленных предметов, часто увеличенное и сильно искаженное. Мираж можно зарисовать, сфотографировать, заснять на видеокассету.
Различают несколько видов миражей: верхние, нижние, боковые и сложные. Наиболее часто наблюдают верхние и нижние. Возникают они при необычном распределении плотности атмосферы (и, следовательно, показателя ее преломления) по высоте: когда на некоторой высоте или у самой поверхности Земли образуется сравнительно тонкий слой очень теплого воздуха с малым показателем преломления, от которого лучи, идущие от наземных предметов, испытывают полное отражение. Это происходит при попадании лучей на этот слой под углом, больше предельного (угла полного отражения). Этот более теплый слой воздуха играет роль воздушного зеркала, отражающего попадающие в него световые лучи.
Верхние миражи возникают над сильно охлажденной поверхностью, например над холодной водной гладью; их наблюдают чаще всего в северных широтах. Изображение предмета М (мираж) находится над предметом П (рис. 2).
Рис. 2
Нижние миражи возникают над сильно нагретой поверхностью, преимущественно при очень быстром уменьшении плотности воздуха (и его температуры) с высотою. Изображение предмета М находится под предметом П (рис.3).
Рис.3
Благоприятные условия для возникновения нижних миражей – однородная, ровная, как бы «подстилающая», поверхность Земли (что имеет место в степях и пустынях; жаркая,
солнечная, безветренная погода; внизу у земли располагается сильно нагретый, и значит, более легкий воздух, а выше него – более холодный и тяжелый.
Гало, глории, нимбы.
Если Солнце или Луна просвечивает через тонкие перисто-слоистые облака, состоящие из ледяных кристалликов, на небе могут появиться световые явления, называемые гало (в летописях их называют голосами). Гало очень многообразны. Наиболее часто они имеют вид двух радужных кругов вокруг Солнца. Иногда через Солнце; могут возникнуть на небе светлые дуги, столбы, появиться радужные пятна – ложные Солнца и ложные Луны. Все формы гало – результат преломления солнечных и лунных лучей в ледяных кристалликах облака либо их отражения от боковых граней или оснований этих кристалликов, имеющих форму шестигранных столбиков.
Для возникновения гало необходимо, чтобы между Солнцем и наблюдателем была легкая пелена перистых облаков высокого яруса, состоящих из мельчайших ледяных кристалликов в форме шестигранных столбиков. Наблюдение гало – местный признак предстоящей теплой погоды: ведь гало всегда бывает в перисто-слоистых облаках, которые входят в систему облаков теплого фронта.
Поэтому появление гало говорит о приближении теплого воздушного фронта.
Глории – одно или несколько ярких радужных концентрических колец вокруг тени наблюдателя или предмета, например самолета, отбрасываемой на облако или слой тумана. Дословно «глория» означает «сияние», «ореол». Глории имеют дифракционное происхождение: солнечный или лунный свет испытывает дифракцию на кристалликах или капельках облаков. Глория может появиться и вокруг тени головы человека. Такие глории называют нимбами. Отражение этого факта: в христианской и буддийской иконописи нимбами окружены головы святых.
Синие небо и красное солнце.
Синий цвет неба объясняется рассеянием света на мельчайших частицах – молекулах воздуха, размеры которых во много раз меньше длины световой волны. Сине-фиолетовые лучи рассеиваются в 16 раз сильнее, чем красные. Поэтому при равной интенсивности всех падающих лучей сине-фиолетовых в рассеянном свете будет в 16 раз больше. Все остальные цвета видимого света войдут в состав рассеянного света в количествах, обратно пропорциональных четвертой степени длины волны каждого из них. Если теперь все «цветные» рассеянные лучи смешать в таком соотношении, то цвет смеси рассеянных лучей будет голубым. Прямой солнечный свет теряет за счет рассеяния в основном синие и фиолетовые лучи; приобретает же слабый желтоватый оттенок, который усиливается при спускании к горизонту. На длинном пути прямого света от Солнца и Луны до поверхности Земли доходят преимущественно оранжевые, красные и желтые лучи. Поэтому Солнце кажется красно-оранжевым.
Сумерки.
После захода Солнца земная поверхность еще некоторое время освещается рассеянным светом, исходящим от той части небосвода, которая еще освещена солнечными лучами. По мере погружения Солнца под горизонт освещенная часть Земли сначала уменьшается быстро, потом все медленнее и медленнее, затем наступает полная темнота. Подобное явление мы наблюдаем; оно имеет место и при восходе Солнца. Переход ото дня к ночи и от ночи ко дню на Земле происходит не мгновенно, а растягивается на некоторый промежуток времени благодаря наличию атмосферы и ее способности рассеивать свет. Это состояние называют сумерки.
Зрение двумя глазами
У человека два глаза. Какое это имеет значение? Поставим такие опыты. Закроем один глаз и попытаемся попасть острием одного карандаша в острие другого карандаша – это едва ли удастся. Попробуем продеть нитку в ушко иголки, если будем смотреть одним глазом, - не получится. Зрение одним глазом не позволяет точно различить, какой предмет ближе к нам, а какой – дальше. Поэтому предметы кажутся нам расположенными в одной плоскости. Наша способность видеть все предметы объемно и воспринимать зрительно разность расстояний в глубине пространства называется стереоскопическим зрением. Этим зрением мы обладаем потому, что видим двумя глазами.
Ночное и дневное зрение
На воспринимающей свет сетчатке глаза имеются два вида светочувствительных элементов: утолщенные и короткие, называемые колбочками, а более тонкие и длинные – палочками. Колбочки располагаются в основном в центре сетчатки, их число быстро уменьшается к ее периферии. Палочки, наоборот, занимают главным образом периферию сетчатки. Колбочек имеется около 7 млн., палочек -130 млн. Колбочки восприимчивы только к достаточно яркому свету и поэтому «работают» днем. Палочки способны реагировать лишь на слабые световые потоки и «работают» в сумерки и ночью. В соответствии с двумя видами световоспринимающих элементов и особенностями их работы различают дневное зрение и ночное.
Инерция зрения
Зрительное впечатление вызывает световое раздражение сетчатки глаза. С прекращением раздражения зрительное впечатление исчезает не сразу; оно продолжается еще приблизительно 0,1 с. Поэтому световые раздражения с перерывами менее 0.1 с. дают сливающееся в единое целое впечатление. Проделаем опыт: возьмем рамку на ножке, в которую вставлен лист картона с нарисованной на одной стороне клеткой, а на другой стороне – птичкой; будем рамку вращать при помощи центробежной машины; при быстром вращении рамки мы увидим птичку, сидящую в клетке. Опыт подтверждает инерцию зрения. На этом свойстве глаза основано кино.
Адаптация
У зрения человека есть еще одна удивительная способность: приспосабливаться к восприятию окружающих предметов при изменении их яркости или освещенности в больших пределах; она называется адаптацией. При смене дня ночью протекает темновая адаптация, при переходе от ночи ко дню – световая. При изменении уровня освещенности меняется площадь отверстия зрачка, пропускающего световой поток в глаз. Если вы попали из темного помещения на яркий свет, то вы щуритесь, стараясь сократить площадь зрачка до минимума. Главный же фактор, обеспечивающий адаптацию зрения, - переключение с колбочкового механизма восприятия на палочковый (при темновой адаптации) и с палочкового на колбочковый (при световой). Процесс адаптации происходит не мгновенно, на него требуется время. Темновая адаптация идет медленнее, чем световая.
Зрительные иллюзии
Мы доверяем своему зрению. Но наше суждение о виденном оказывается порой обманчивым, ложным. Посмотрим на рис.4; кажется: вертикальный отрезок слева длиннее, чем горизонтальный, а длины «линий» на правом рисунке – одинаковы. На самом деле это не так: отрезки на левом рисунке равны, а на правом – горизонтальный длиннее. Эти зрительные иллюзии обоснованы тем, что нам легче поворачивать глаза в горизонтальном направлении, чем в вертикальном.
|
Рис.4
Посмотрим на отрезки АВ и ВС на рис.5. Трудно поверить, что точка В делит АС пополам. Иллюзии подобного рода вызывает следующая причина: когда мы смотрим на «линию», нам кажется, что мы видим оба отрезка прямой одновременно.
Однако на самом деле мы их видим не сразу, а незаметно для себя переводим взгляд, например от точки В к точке С вдоль отрезка ВС. Если бы на конце С не было «развилки», то наш взгляд чуточку задержался бы на конце отрезка. Но так как отрезок ВС разветвляется в точку С, то мы невольно переводим взгляд на эту «развилку» и слегка поворачиваем глаза, в на это затрачивается время. Что касается отрезка ВА, то мы переводим взгляд из точки В в точку А вдоль ВА и задерживаем его в точке А, потому что здесь «развилка» своими концами обращена навстречу движения глаз. Следовательно, время обозрения отрезка ВА меньше времени обозрения отрезка ВС.
|
А В СРис.5
Викторина литераторов,
обращенная к специалистам
по загадочным природным явлениям
1. В 1085 г. – знамение в граде Ярославле. С утренних часов стоял круг до полуночи с тремя солнцами, на другой день к полудню явился второй круг, в нем крест с короною, и солнце мрачное, и под большим кругом явилась радуга.
«Слово о полку Игореве»: «Дремлет в поле Олегово храброе Гнездо. Далеко залетело! Не было оно в обиду порождено ни соколу, ни кречету, ни тебе, черный ворон, поганый половец! Гзак бежит серым волком, Кончак ему след указывает к Дону Великому. На другой день спозаранку кровавые зори свет предвещают, черные туги с моря идут, хотят прикрыть четыре солнца, а в них плещут синие молнии. Быть грому великому, идти дождю стрелами с Дону Великого!»
Вопросы. Какие явления описаны в этих отрывках? Чем они могут быть объяснены?
О т в е т. Это описания гало – светового явления, связанного с преломлением и отражением света в ледяных кристалликах, находящихся в воздухе.
2. Пасечник Рудый Панько из произведения «Вечера на хуторе близ Диканьки» рассказывал: «За Киевом показалось неслыханное чудо. Все паны и гетьманы собирались дивиться сему чуду: вдруг стало видимо далеко во все концы света. Вдали
засинел Лиман, за Лиманом разливалось Черное море. Бывалые люди узнали и Крым, горою подымавшийся из моря, и болотный Сиваш. По левую руку видна была земля Галичская».
Вопросы. Что это такое?
О т в е т. Это – мираж.
3. У писателя в произведении «На затмении» есть такие строки: «День начинает заметно бледнеть. Лица людей принимают странный оттенок, тени человеческих фигур лежат на земле бледные, неясные… Однако пока остается тонкий серповидный ободок солнца, все еще царит впечатление сильного побледневшего дня… Но вот эта искра исчезла… Круглое, темное, враждебное тело, точно паук, впилось в яркое солнце… И какая-то старушка набегает на меня, торопливо спускаясь с холма.
- Куда ты, тетка?
- Домой, родимый, домой, помирать, видно, всем помирать, с детками малыми…».
Вопросы. Какое затмение здесь описано? Почему происходит солнечные затмения? Почему тени во время затмения стали «бледные, неясные»?
4. В произведении «Копи царя Соломона» читаем: «С каждой минутой… тьма неумолимо и величественно наплывала на лунные кратеры. Казалось, что огромный бледный шар приблизился к земле и стал еще больше. Луна приобрела медный оттенок, а затем та часть ее поверхности, которая не была еще охвачена мраком, стала пепельно-серой… Кольцо тени все больше и больше закрывало луну – оно теперь уже заволокло более половины ее кроваво - красного диска… а багровая мгла сгущалась все больше и больше». Спустя некоторое время «луна скрылась окончательно».
Вопросы. Какое явление вы узнаете в этом отрывке? Почему Луна приобрела медный оттенок?
О т в е т. Лунное затмение. Лучи света достигают поверхности Земли, пройдя сквозь земную атмосферу, при этом они «окрашиваются» в оранжево-красные цвета, так как голубые лучи рассеиваются на молекулах воздуха.
5. Читаем отрывок из стихотворения «Как неожиданно и ярко…»
Как неожиданно и ярко.
На влажной неба синеве
Воздушная воздвиглась арка
В своем минутном торжестве!
Один конец в леса вонзила,
Другим за облака ушла –
Она полнеба обхватила
И в высоте изнемогла.
Вопросы. Какое явление описано в этих поэтических строках? Чем оно объясняется?
6. Один парижский аббат в своем сочинении (1781 г.) сообщает, что ему удалось наблюдать радугу, находясь в Париже, у одного ее конца, в то время как другой ее конец упирался в предместье города.
Вопрос. Возможно ли такое?
О т в е т. Видеть радугу, стоя, у одного ее конца, нельзя. Глаз наблюдателя всегда находится на прямой линии, соединяющей центр радуги с центром солнечного диска. По этой причине два разных наблюдателя никогда не видят одну и ту же радугу.
Викторина биологов
для специалистов по глазу
1. Немецкому естествоиспытателю Г. Л.Ф. Гельмгольцу, известному своими работами в области физиологии слуха и зрения, принадлежат также слова: «Если бы оптик принес мне столь несовершенный инструмент, как человеческий глаз, я бы тотчас выбросил его за дверь».
Вопрос. Какие недостатки глаза он мог иметь в виду?
2. Почему говорят, что в темноте все кошки серы, а лошади вороные?
О т в е т. Светочувствительные клетки в сетчатке глаза – колбочки и палочки – не одинаково воспринимают свет. Колбочки – это аппарат дневного и цветового зрения, они обладают способностью различать цвета и очень мелкие предметы, но только лишь при хорошем освещении, в особенности при солнечном. Палочки – это аппарат сумеречного зрения; они имеют значительно более высокую светочувствительность, но не обеспечивают различия цветности. Поэтому в сумерках, когда включаются в работу палочки, мы плохо различаем цвета.
3. Кинофильм состоит из отдельных кадров. Почему же мы видим не их, а цельные движущиеся изображения? Какое свойство глаз это обеспечивает?
О т в е т. Инерция зрения.
4. Мог бы «человек-невидимка» видеть окружающие его предметы?
О т в е т. У человека, который невидим, все ткани должны быть прозрачными, и их оптическая плотность равна оптической плотности воздуха, но при этих условиях хрусталик глаза уже не сможет выполнять своей роли – преломлять световые лучи. Поэтому «человек-невидимка» видеть окружающие предметы не может.
5. Видят ли глубоководные рыбы?
О т в е т. Эти рыбы живут в вечной темноте. Зрение у них чаще всего отсутствует, так как отпадает главная функция глаза: воспринимать световые ощущения, которых нет в том мире, где царит мрак.
Выступления экспериментаторов.
О п ы т 1 – палочка- невидимка. (Стеклянную палочку опускают в глицерин. Она не видна, так как показатели преломления стекла и глицерина почти равны.) Почему палочка становиться невидимкой?
О п ы т 2 – неподвижная падающая капля. (На падающую каплю смотрят через стробоскоп. Она кажется неподвижной.) Чем вызван этот эффект?
О п ы т 3 – блестящая закопченная ложка. (Ложку, покрытую сажей, опускают в воду. Из черной она превращается в блестящую.) почему блестит в воде закопченная ложка?
О п ы т 4 – роль светофильтров. ( На белом листе бумаги начертано слово «аккорд», причем буквы написаны краской разных цветов. Слово освещают, но смотрят на него через разные светофильтры.) почему мы по-разному видим это слово?
О п ы т 5 – смешивание цветов. (Берут картонный круг с цветными секторами разного углового размера: красный - 51°, оранжевый -33°, желтый - 55°, зеленый - 67°, голубой - 68°, синий - 10°, фиолетовый - 76°; вставляют его проходящую через центр ось-ножку в центробежную машину. Приводят круг в быстрое вращение. Цвета как бы смешиваются, а на самом деле вследствие инерции зрения «сливаются» почти в белый цвет.) Почему происходит наблюдаемое явление?
О п ы т 6 – демонстрация диафильма на экран через перископ. Что такое перископ и на каком физическом явлении основано его действие?
Викторина – экспертиза знаний
1. Какой объект не увеличивает увеличительное стекло? (Угол.)
2. Можно ли видеть хорошее чистое зеркало? (Оно невидимо, видны отраженные в тем предметы.)
3. Какими будет негатив в фотоаппарате, если верхнюю половину объектива прикрыть черной бумагой? (Изображение будет полным, но менее ярким.)
4. Если в висящем вертикально на стене зеркале вы видите свою фигуру только до колен, то что нужно сделать, чтобы увидеть всю фигуру? (Отойти подальше.)
5. Продолжите афоризм известного вымышленного сатирика середины XIX в. Козьмы Пруткова: «Если у тебя спрошено будет: «Что полезнее, солнце или месяц? – ответствуй:…». Кто скрывался за этим псевдонимом? (Месяц. Ибо солнце светит днем, когда и без того светло, а месяц - ночью. Козьма Прутков - это поэты и три брата Жемчужниковы – А. М., В. М. и А. М.)
6. В каких сложных словах, имеющих отношение к оптике, содержится часть «скоп», происходящая от греческого skopeo – смотрю? Что означает каждое из этих слов? (Стробоскоп, фильмоскоп, спектроскоп, кодоскоп, эпидиаскоп, микроскоп, телескоп, перископ.)
7. Какой кажется красная бумага при синем свете? (Черной, так как красная бумага поглощает весь свет, падающий на нее.)
8. Почему сухой песок светлый, а влажный кажется темным?
9. Как в полной темноте написать слово, которое могли бы видеть присутствующие при этом? (Надо взять лучину с тлеющим концом и, быстро перемещая ее, «писать» ею в воздухе; глаз наблюдателя будет видеть целиком написанное слово, благодаря инерции зрения.)
10. Почему днем окна домов кажутся темными? (стекла хорошо пропускают свет, но плохо отражают его.)
11. Сможет ли космонавт видеть на Луне голубое небо? (Нет, так как на Луне нет атмосферы.)
12. Ты за ней – она от тебя, ты от нее, она за тобой. Что это такое? Почему она образуется? (Тень.)
13. Почему прозрачна промасленная сливочным маслом бумага, хотя сливочное масло и сама бумага непрозрачны? (Бумага состоит из тончайших волокон, между которыми находятся тоже тончайшие промежутки, заполненные воздухом. Когда бумага промаслена, масло заполняет промежутки между волокнами; слой масла тонок и поэтому прозрачен. Луч света проходит через эту среду.)
14. Почему растения надо поливать водой рано утром или вечером? (Если полив осуществлять днем, капли воды, которые останутся на листьях, как маленькие линзы сфокусируют солнечные лучи, и листья могут получить ожоги.)
15. Что в сундук не спрячешь? (Луч.)
16. При каком условии непрозрачный предмет дает тень без полутени? (Когда источник света точечный.)
