Учебно-методическая разработка
занятия с одарёнными детьми по теме:
«Музей как лаборатория исследователя: эффект Тиндаля.»
Цель занятия:формирование у учащихся опыта физического творчества, расширение кругозора, развитие способностей к творческому сотрудничеству, наблюдение световых явлений и нахождение способов получения оптических эффектов в обычных условиях, ознакомление с эффектом Тиндаля и другими световыми явлениями.
Задачи:
Углубление и расширение знаний на примере музейных экспонатов; Изучение и систематизация материала по данной теме; Получение эффекта Тиндаля в условиях кабинета физики; Изучение свойств эффекта Тиндаля; Самостоятельная постановка опытов по оптике.Оборудование: экспонатышкольного музея, крахмал, вода, две прозрачные ёмкости (фужеры), источники света (фонарик фотоаппарата Nokia, лазерная указка),фонарик, красный целлофан, синий целлофан, желтый целлофан, лента, рулон алюминиевой фольги, ножницы фотоаппарат SONYDSC-W5 (5,1 MP).
План занятия
| Введение |
| Основная часть Теоретические сведения (мини экскурсия по музею) Описание экспонатов, их принцип действия, физические законы. Практическая часть. Наблюдение оптических явлений. Ознакомление с эффектом Тиндаля. Получение и изучение эффекта Тиндаля. Другие оптические явления. |
| Заключение |
Вводное слово учителя:
Тема нашего занятия: «Физика в музее: музей как лаборатория исследователя».
Актуальность данной темы очевидна, так как наука физика занимает всё больше и больше места в современном окружающем нас мире.
Когда мы говорим: «Я был в музее» - то, скорее всего, это означает, что мы заглянули на часок другой в музей, пробежали по залам, останавливаясь, чтобы сфотографироваться возле понравившегося экспоната, и все. Сегодняшней экскурсией по нашему музею мы постараемся убедиться, что такая сложная наука как физика, может быть увлекательной, понятной и интересной. В музее представлены занимательные экспонаты. Кажется, будто они действуют по волшебству, но, это не так, всем «магическим» экспонатам есть объяснение с точки зрения физики. Большинство экспонатов сделано из подручных материалов нашими учащимися в рамках образовательного погружения «Конструктор умного мира». Экспонаты можно трогать руками, рассматривать их и проверять принцип действия. Сегодня мы с вами не просто посетители музея, а участники и руководители физических процессов.
Основная часть
2.1. Теоретические сведения
2.1.1 Описание экспонатов, их принцип действия, физические законы.
Выступления группы учеников с небольшими сообщениями (мини экскурсия по музею).
Экспонат «Вертикальный бильярд».
Представленный Вашему вниманию экспонат предназначен для соревнования на меткость, позволяет проверить устойчивость рук. Содержит в себе несколько форматов игры как персональных так и парных. Правила игры: при помощи веревочек и специальной дощечки нужно загнать шарик в верхнюю лунку минуя все остальные препятствия. Предлагается учащимся самим посоревноваться.
Экспонат «Стул с гвоздями».Почему на одном гвозде сидеть нельзя, а на многих можно?
Вашему вниманию представлен стул с гвоздями, на котором можно удобно посидеть. Все объясняется распределением давления: чем больше площадь поверхности, тем более равномерно будет распределяться вес.
Экспонат «Сопротивление материалов».
Различные материалы по разному проводят электрический ток. Это свойство позволяет разделить все вещества на проводники и диэлектрики. Предлагается самим провести исследование по сопротивлению материалов и сделать выводы.
Экспонат оптической иллюзии «Спрячься в стене».
Этот экспонат еще называют «Отрубленная голова». На первый взгляд немного шокирует. Этот оптический эффект пустого пространства достигается за счет размещения в нем под определенным углом зеркал, которые отображают стены, размещенные напротив, создается иллюзия, что под крышкой стола ничего нет – иллюзия пустого места. Чтобы разгадать секрет опыта необходимо знать законы геометрической оптики, а точнее законы отражения и преломления света.
Экспонаты «Оптические иллюзии».
Предлагается прочесть текст не обращая внимания на цвет шрифта.
При рассмотрении картинки и небольшом движении головы наблюдается оптическая иллюзия движения фигур.
При рассмотрении этой фотографии можно увидеть несколько лиц.
С явлениями, связанными с распространением света мы встречаемся каждый день. Утром и вечером мы наблюдаем красивый красный рассвет и закат. Днем можно любоваться синевой неба. Что же окрашивает небо в различные цвета? Почему после дождя появляется радуга? Почему море синее? Ответ на эти вопросы лежит в структуре света и того пространства, в котором он распространяется. Если в воздухе имеются мельчайшие капли воды, то образуется радуга. Только вот догнать ее не получится, она наблюдается только в определенном положении относительно Солнца. Искусственную радугу вы можете наблюдать около фонтанов, если брызги от фонтана будут находиться между вами и Солнцем.
Оптические явления часто сопряжены с наноразмерами. Оно неудивительно, если вспомнить, что цвет это электромагнитные излучения с длиной волны в интервале от 400 до 750 нм.
Оптические эффекты. Эффект Тиндаля. Эффект Тиндаля был открыт в результате исследования ученым взаимодействия световых лучей с различными средами. Он выяснил, что при прохождении лучей света через среду, содержащую взвесь мельчайших твердых частиц — например, пыльный или задымленный воздух, коллоидные растворы, мутное стекло — эффект рассеяния уменьшается по мере изменения спектральной окраски луча от фиолетово-синей к желто-красной части спектра. Если же пропустить через мутную среду белый, например солнечный, свет, который содержит полный цветовой спектр, то свет в синей части спектра частично рассеется, в то время как интенсивность зелено-желто красной части света останется практически прежней. Поэтому, если смотреть на рассеянный свет после прохождения им замутненной среды в стороне от источника света, он покажется нам синее, чем исходный свет. Если же смотреть на источник света вдоль линии рассеяния, то есть через замутненную среду, источник покажется нам краснее, чем он есть на самом деле. Эффект Тиндаля возникает при рассеянии на взвешенных частицах, размеры которых превышают размеры атомов в десятки раз. При укрупнении частиц взвеси до размеров порядка 1/20 длины световых волн (примерно от 25 нм и выше), рассеяние становится полихромным, то есть свет начинает рассеиваться равномерно во всём видимом диапазоне цветов от фиолетового до красного. В результате эффект Тиндаля пропадает. Вот почему густой туман или кучевые облака кажутся нам белыми — они состоят из плотной взвеси водяной пыли с диаметром частиц от микронов до миллиметров, что значительно выше порога рассеяния по Тиндалю.
Можно подумать, что небо кажется нам сине-голубым благодаря эффекту Тиндаля, но это не так. В отсутствие облачности или задымления небо окрашивается в сине-голубой цвет благодаря рассеянию «дневного света» на молекулах воздуха. Такой тип рассеяния называется рассеянием Рэлея (в честь сэра Рэлея; см. Критерий Рэлея). При рассеянии Рэлея синий и голубой свет рассеивается даже сильнее, чем при эффекте Тиндаля: например, синий свет с длиной волны 400 нм рассеивается в чистом воздухе в девять раз сильнее красного света с длиной волны 700 нм. Вот почему небо кажется нам синим — солнечный свет рассеивается во всем спектральном диапазоне, но в синей части спектра почти на порядок сильнее, чем в красной. Еще сильнее рассеиваются ультрафиолетовые лучи, обусловливающие солнечный загар. Именно поэтому загар распределяется по телу достаточно равномерно, охватывая даже те участки кожи, на которые не попадают прямые солнечные лучи.
Практическая часть. Наблюдение оптических явлений. Ознакомление с эффектом Тиндаля.
2.2.1. Получение и изучение эффекта Тиндаля.
.
Работа в группах, заполнение исследовательской таблицы №1
Приборы и материалы: | крахмал, вода, две прозрачные ёмкости (фужеры), источники света (фонарик фотоаппарата Nokia, лазерная указка). |
Ход работы:
Способ получения: для приготовления данной жидкости смешиваем крахмал с водой в пропорции 1 ложка на стакан воды. Интенсивно размешиваем полученную смесь до однородной консистенции.
|
Опыт № 1Поставьте стакан напротив источника света и пронаблюдайте за цветом раствора.
Результат:окрашивание раствора в голубоватый оттенок.
Опыт № 2Направьте луч лазера через раствор.
Результат:при прохождении луча света через раствор наблюдается рассеяние света в растворе.
Опыт № 3Наблюдение эффекта Тиндаля в готовомрастворе крахмала в кипящей воде (бесцветный кисель). Готовим коллоидный раствор. Для этого чайную ложку крахмала засыпаем при интенсивном помешивании в кипящую воду объёмом 200 мл. Поскольку крахмал предварительно не размешан в небольшом объёме холодной воды, то большая его часть слипается в комки разного размера. Даём раствору остыть, и переливаем, освобождаясь от комков, процеживая через чайное сито, в фужер.
Результат: Полученный раствор не прозрачен, луч лазера почти сразу рассеивается в нём.
Вывод и подведение итогов проводится совместно с учителем, вывод записывается в таблицуисследования.
Вывод:Проведённые опыты дают основание полагать, что эффект Тиндаля проявляется только в прозрачных коллоидных растворах, но не проявляется в непрозрачных. Однако, если толщина непрозрачного коллоидного слоя небольшая, как при выходе луча лазера, то и в нём можно наблюдать эффект Тиндаля. Проходя границу раздела участков коллоидного раствора, луч лазера уширяется. Это можно объяснить большей концентрацией коллоидных частиц в нижнем слое раствора. Можно предположить, что наблюдаемое на фотографиях расщепление луча лазера — проявление явления интерференции света.
Что касается эффекта Тиндаля, то главным выводом является то, что данный эффект наглядно проявляется только при использовании источника света по своим характеристикам близкого к солнечному свету. Эффект легко фальсифицировать, используя светодиодные фонарики, дающие свет, сдвинутый по спектру в сторону синего цвета. Кроме того, эффект Тиндаля по-разному проявляется в разных коллоидных растворах. Используемый нами коллоидный раствор (бесцветный кисель) позволяет наблюдать данный эффект нагляднее, чем в предложенном растворе крахмала в холодной воде.
| Наблюдение некоторых оптическихявлений. |
Работа в группах, заполнение исследовательской таблицы №2 и №3.
Опыт № 1 . Составные цвета.
Приборы и материалы: | Фонарик, красный целлофан, синий целлофан, желтый целлофан, лента |
Теория. Существует 7 цветов, определяющие длины волн видимого света. Эти цвета: красный, желтый, зеленый, синий, оранжевый, голубой и фиолетовый. Этот «видимый свет» соответствует в диапазоне волн 400 – 700 нанометров.
Ход работы:
Найдите белую стену. Стенай должна быть сплошь белая, но не цветная. Покройте верхнюю часть фонарика красным целлофаном. Теперь покройте красный целлофан желтым целлофаном. Какой цвет вы видите на стене? Запишите результаты в тетради. Снимите желтый целлофан. Теперь покройте красный целлофан синим целлофаном. Какой цвет Вы сейчас видите? Запишите результаты. Снимите оба целлофана с фонарика. Теперь у Вас есть обычный, непокрытый целлофаном фонарик. Покройте верхнюю часть фонарика синим целлофаном, а его покройте желтым целлофаном. Какой цвет Вы видите? Запишите результаты в тетрадь. Какие еще можно создать цвета с помощью фонарика и целлофана? Попробуйте различные комбинации и узнаете!Примечание: Если целлофан не самоклеющийся, Вы должны будите использовать скотч, чтобы прикрепить целлофан к фонарику.
Наблюдения: Какие цвета Вы создали с фонариком и целлофаном? Вы расширили опыт «Составные цвета», создали свои собственные вторичные цвета? Что будет если использовать черный целлофан? Попробуйте и узнаете.
Результат:основные цвета для субтрактивного раскрашивания в искусстве состоят из красного, желтого и синего. При комбинации этих цветов, вместе взятых, они образуют вторичные цвета, такие как зеленый, оранжевый или фиолетовый. Когда Вы размещаете на фонарике разные комбинации из целлофана, Вы создаете вторичные цвета.
Опыт № 2. Отсутствия отражения.
Приборы и материалы: | Рулон алюминиевой фольги, ножницы. |
Теория. Зеркала являются наиболее распространенным средством отражения света. Зеркала, как правило, изготовлены из гладкой поверхности стекла, которая находится на передней части металлического покрытия. Отражение усиливается в металлическом покрытии путем подавления распространения волн. Когда свет попадает на грубую или гранулированную поверхность, лучи отражаются во всех направлениях. Это связано с микроскопическими аномалиями поверхности, в результате чего отражение не образуется. Такое явление известно как диффузное отражение, где энергия сохраняется, но отражение не появляется. Когда свет попадает на черный предмет и не может пройти сквозь него, он поглощается и превращается в тепловую энергию. Если свет попадает на белый объект и не может пройти сквозь него, то он отображает его. Это явление Вы можете почувствовать в летнее время. Если Вы носите черную одежду при горячем солнце, Вы будете чувствовать себя более горячим, чем если бы Вы были одеты в светлые или белые тона.
Ход работы:
Отрежьте 30 см фольги от рулона. Отрезайте аккуратно, чтобы поверхность фольги оставалась гладкой. Положите фольгу на плоскую поверхность. Посмотрите на свое отражение на блестящей стороне фольги. Пока Вы его видите. Сомните фольгу так, чтобы ее поверхность не была гладкой. Поместите фольгу на гладкую поверхность. Посмотрите на свое отражение снова. Как по волшебству, Ваше отражение исчезло.Примечание: Убедитесь, что при отрезании фольги от рулона ее поверхность гладкая
.
Наблюдение: Опыт «Отсутствие отражения» также можно пронаблюдать на потрескавшейся поверхности зеркала. Когда поверхность гладкая, можно увидеть четкое отражение. Как только поверхность зеркала получает трещины, отображение искажается либо пропадает совсем.
Результат:Свет отражается от поверхности зеркала по прямой линии. Когда поверхность гладкая, лучи света отражаются на Вас. Когда поверхность зеркала потрескавшаяся, свет отражается во всех направлениях, и Ваше отражение, кажется, исчезло.
Вывод и подведение итогов проводится совместно с учителем, вывод записывается в таблицуисследования.
Вывод:проведя ряд опытов, мы исследовали некоторые оптические явления: рассеяние света и его отражение.
Таблица 1
Тема исследовательского занятия: «Наблюдение оптических явлений. Ознакомление с эффектом Тиндаля.»Таблица исследования
Исследование 1. | Получение и изучение эффекта Тиндаля | |
Приборы и материалы: | крахмал, вода, две прозрачные ёмкости (фужеры), источники света (фонарик фотоаппарата Nokia, лазерная указка). | |
Способ получения: для приготовления данной жидкости смешиваем крахмал с водой. Интенсивно размешиваем полученную смесь до однородной консистенции. | ||
№ опыта | Описание опыта | Результат |
Опыт № 1 | ||
Опыт № 2 | ||
Опыт № 3 | ||
Вывод: | ||
Исследование 2 | Составные цвета. | |
Приборы и материалы: | Фонарик, красный целлофан, синий целлофан, желтый целлофан, лента | |
№ опыта | Описание опыта | Результат |
Опыт № 1 | ||
Вывод: |
Исследование 3 | Отсутствия отражения. | |
Приборы и материалы: | Рулон алюминиевой фольги, ножницы. | |
№ опыта | Описание опыта | Результат |
Опыт № 1 | ||
Вывод: |
Итог исследования:
Литература:
НАНОТЕХНОЛОГИИ. Азбука для всех / Под ред. . – М.:ФИЗМАТЛИТ, 2009. – 2-е изд.
