документ - Центр развития дополнительного

Тема открытого урока установочной сессии «Первые шаги исследователя»:
Оптические приборы и применение их в естественнонаучных исследованиях.
Автор: педагог доп. образования Бакина М.П.
Тип урока: интегрированный (комбинированный) физика, биология
Природа одарила человека глазами – собственными оптическими приборами, с помощью
которых мы можем видеть окружающий мир и анализировать его. Кроме этого люди
придумали множество приборов, которые не только повторяют особенности глаза, но и во
много раз превосходят.
Цель урока:
Цель:Образовательная:Познакомить учащихся с видами, устройством и принципом
действия оптических приборов.
Развивающая: развивать познавательный интерес, умение выделять главное, обобщать,
логически излагать свои мысли.
Воспитательная: формировать умение работать в коллективе, адекватно оценивать свои
знания и возможности,воспитывать аккуратность в работе с оптическими приборами.
Задачи урока: Дать определение оптическим приборам.
Познакомить с разными видами оптических приборов.
Выявить сходства и различия в оптических приборах
План-конспект.
1.Определение понятия оптического прибора.
2.Что такое линза. Виды линз и их устройство.
3. Как устроен бинокуляр, микроскоп и телескоп.
4.Практическая работа.
5.Проверь себя!
6. Рефлексия работы на занятии.
Оборудование: мультимедиа, микроскоп, бинокуляр, лупа, бинокль, постоянные
препараты микроскопических организмов, гидробиологические пробы, пинцет -3 шт.,,
препоровальные (энтомологические) иглы, чашки Петри – 3 шт.
Ход занятия:
Владея опытом естественных наук
Изучим все, что есть в подлунном мире.
Тогда лишь станет ясным все вокруг.
И пониманье человеческое шире.
Определение:Оптическими приборами называются устройства, предназначенные для
получения на экранах, светочувствительных пластинках, фотопленках и в глазу
изображений
различных
(двумерное)
изображение
объектов.
Обычно
трехмерных
оптические
пространственных
приборы
дают
объектов.
плоское
Оптическими
приборами например являются: фотоаппарат и проекционный аппарат, глаз, очки, лупа и
микроскоп, зрительные трубы (включая телескопы).
В естественнонаучных исследованиях наиболее часто применяются оптические
приборы: лупа, бинокль, бинокуляр, микроскоп, телескоп.
В основе любого оптического прибора лежит линза.
Линза (нем. Linse, от лат.Lens – чечевица) – деталь из оптически прозрачного
однородного
материала,
ограниченная
двумя
полированными
преломляющими
поверхностями вращения, например, сферическими или плоской и сферической. В
настоящее время все чаще применяются и «асферические линзы», форма поверхности
которых отличается от сферы. В качестве материала линз обычно используются
оптические материалы, такие как стекло, оптическое стекло, оптически прозрачные
пластмассы и другие материалы.
История. Возраст самой древней линзы - более 3000 лет, так называемая линза Нимруда.
Линза была найдена при раскопках одной из древних столиц Ассирии в Нимруде Остином
Генри Лэйардом в 1853 году. Линза имеет форму близкую к овалу, грубо шлифована, одна
из сторон выпуклая, а другая плоская, имеет 3-х кратное увеличение. Линза Нимруда
представлена в Британском музее[1][2].
Первое упоминание о линзах можно найти в древнегреческой пьесе Аристофана
«Облака» (424 до н. э.), где с помощью выпуклого стекла и солнечного света добывали
огонь.
Из произведений Плиния Старшего (23 — 79) следует, что такой способ разжигания огня
был известен и в Римской империи — там также описан, возможно, первый случай
применения линз для коррекции зрения — известно, что Нерон смотрел гладиаторские
бои через вогнутый изумруд для исправления близорукости.
Сенека (3 до н. э. — 65) описал увеличительный эффект, который даёт стеклянный шар,
заполненный водой.
Арабский математик Альхазен (965—1038) написал первый значительный трактат по
оптике, описывающий, как хрусталик глаза создаёт изображение на сетчатке.
В зависимости от форм различают собирающие (положительные) и рассеивающие
(отрицательные) линзы. К группе собирательных линз обычно относят линзы, у которых
середина толще их краёв, а к группе рассеивающих — линзы, края которых толще
середины. Следует отметить, что это верно, только если показатель преломления у
материала линзы больше, чем у окружающей среды. Если показатель преломления линзы
меньше, ситуация будет обратной. Например, пузырёк воздуха в воде — двояковыпуклая
рассеивающая линза.
Линзы характеризуются, как правило, своей оптической силой (измеряется в
диоптриях), и фокусным расстоянием.
Для построения оптических приборов с исправленной оптической аберрацией
(прежде всего — хроматической, обусловленной дисперсией света, — ахроматы и
апохроматы) важны и иные свойства линз и их материалов, например, показатель
преломления, коэффициент дисперсии, показатель поглощения и показатель рассеяния
материала в выбранном оптическом диапазоне.
Иногда линзы/линзовые оптические системы (рефракторы) специально рассчитываются
на использование в средах с относительно высоким показателем преломления (см.
иммерсионный микроскоп, иммерсионные жидкости).
Виды линз:
Собирающие:
1 — двояковыпуклая
2 — плоско-выпуклая
3 — вогнуто-выпуклая (положительный(выпуклый) мениск)
Рассеивающие:
4 — двояковогнутая
5 — плоско-вогнутая
6 — выпукло-вогнутая (отрицательный(вогнутый) мениск)
Выпукло-вогнутая линза называется мениском и может быть собирательной (утолщается к
середине), рассеивающей (утолщается к краям) или телескопической (фокусное
расстояние равно бесконечности). Так, например линзы очков для близоруких — как
правило, отрицательные мениски.
Отличительным свойством собирательной линзы является способность собирать
падающие на её поверхность лучи в одной точке, расположенной по другую сторону
линзы.
Основные элементы линзы: NN — оптическая ось — прямая линия, проходящая через
центры сферических поверхностей, ограничивающих линзу; O — оптический центр —
точка, которая у двояковыпуклых или двояковогнутых (с одинаковыми радиусами
поверхностей) линз находится на оптической оси внутри линзы (в её центре).
Примечание. Ход лучей показан, как в идеализированной (тонкой) линзе, без указания на
преломление на реальной границе раздела сред. Дополнительно показан несколько
утрированный образ двояковыпуклой линзы
Если на некотором расстоянии перед собирательной линзой поместить светящуюся точку
S, то луч света, направленный по оси, пройдёт через линзу, не преломившись, а лучи,
проходящие не через центр, будут преломляться в сторону оптической оси и пересекутся
на ней в некоторой точке F, которая и будет изображением точки S. Эта точка носит
название сопряжённого фокуса, или просто фокуса.
Основные элементы линзы: NN — оптическая ось — прямая линия, проходящая через
центры сферических поверхностей, ограничивающих линзу; O — оптический центр —
точка, которая у двояковыпуклых или двояковогнутых (с одинаковыми радиусами
поверхностей) линз находится на оптической оси внутри линзы (в её центре).
Точка пересечения лучей, вышедших из линзы, называется фокусом F’, а расстояние от
центра линзы до фокуса — фокусным расстоянием.
Величина фокусного расстояния положительна для собирающих линз, и отрицательна для
рассеивающих. Величина называется оптической силой линзы. Оптическая сила линзы
измеряется в диоптриях,единицами измерения которых являются м−1. Оптическая сила
также зависит от показателя преломления окружающей среды.
Некоторые оптические приборы.
Лу́па — оптическая система, состоящая из линзы или нескольких линз, предназначенная
для увеличения и наблюдения мелких предметов, расположенных на конечном
расстоянии. Используется во многих областях человеческой деятельности, в том числе в
биологии, медицине, археологии, банковском и ювелирном деле, криминалистике, при
ремонте часов и радиоэлектронной техники, а также в филателии, нумизматике и
бонистике.
Штативная лупа-состоит из окуляра, предметного столика, винтов, и зеркала
Основными параметрами лупы являются диаметр лупы и фокусное расстояние. Обычно
применяются лупы с фокусным расстоянием ~2—20 см. Иногда вместо фокусного
расстояния используется оптическая сила, выраженная в диоптриях.
Способы использования Традиционный (прямой)
Прямой способ наблюдения в лупу на расстоянии. Наблюдаемый предмет помещают от
лупы на расстоянии, немного меньшем её фокусного расстояния. В этих условиях лупа
даст прямое увеличенное и мнимое изображение предмета. Лучи от изображения
попадают в глаз под углом, большим, чем лучи от самого предмета этим и объясняется
увеличивающее действие лупы.
Прямой способ наблюдения в лупу вблизи.Для увеличения поля зрения рекомендуется
держать глаз не на расстоянии, а непосредственно вблизи лупы (разумеется, не
загораживая освещение). Вопреки распространённому мнению, коэффициент увеличения
лупы при этом не меняется (и даже увеличивается за счёт более полного использования
напряжения хрусталика) — психофизиологический эффект кажущегося бо́льшим
увеличения при наблюдения с расстояния возникает из-зазрительного контраста между
неувеличенной (наблюдаемой за границами лупы) и увеличенной лупой частями объекта.
Большее увеличение (правда, за счёт существенного сокращения поля зрения) можно
получить, рассматривая не мнимое, а действительное изображение, формируемое перед
глазом на расстоянии наилучшего зрения лупой, удерживаемой в вытянутой руке. При
этом изображение видно перевёрнутым, а ход лучей напоминает таковой в микроскопе с
аккомодированым хрусталиком глаза в роли окуляра. Следует отметить, что для такого
способа использования лупа должна обладать хорошим оптическим качеством, иначе
изображение будет иметь сильные искажения
Классификация. Существует Межгосударственный стандарт СССР «ГОСТ 25706-83.
Лупы. Типы, основные параметры. Общие технические требования» (1983)[4], который
был принят в 1984 году и продолжает действовать на территории России. Согласно этому
ГОСТу, различают в зависимости от значения основных параметров лупы:
малого,среднего и большого увеличения;
в зависимости от назначения:
просмотровую,
измерительную,
зерновую,
часовую,
текстильную,
лупу для просмотра кадра,
лупу сквозной наводки сопряженного визира киносъемочного аппарата.
Лупа широко применяется филателистами. Для разглядывания мелких деталей рисунка
достаточно 3—4-кратной лупы. Для определения способов печати, форм растра
необходима 10—12-кратная лупа (текстильная). В основном, филателисты предпочитают
складные лупы. Некоторые пользуются бинокулярными хирургическими лупами, которые
вмонтированы в закрепляемый на голове козырёк, что освобождает руки коллекционера.[5
Схема просмотра в лупу:
Микроскоп.
Микроскопом называется прибор, позволяющий получать значительные угловые
увеличения
близко
расположенных
мелких
предметов.
Он
представляет
собой
комбинацию двух короткофокусных линз - объектива и окуляра.
Ход лучей в микроскопе приведен на рис. Предмет располагается за фокусом объектива.
Действительное, перевернутое, увеличенное изображение получается за объективом,
перед фокусом окуляра.
Бинокль.
В начале прошлого столетия стали входить в практику наземных наблюдений бинокли из
двух соединенных коротких труб Кеплера. Оборачивающий системой в каждой трубе
служили две прямоугольные стеклянные поворотные призмы, установленные между
объективом и окуляром и расположенные одна против другой с некоторым сдвигом.
На рисунке показано, как свет от предмета, проходящий сквозь объектив (Об), прежде чем
достичь окуляра (Ок), проходит сквозь обе призмы, причем испытывает в каждой призме
два раза внутреннее отражение. После выхода из окуляра образуется прямое, увеличенное
изображение наблюдаемого предмета. Итак, вместо одной зрительной длинной трубы для
одного глаза в бинокле используют сразу две короткие грубы для обоих глаз. Благодаря
сдвигу призм объективы бинокля раздвинуты на расстояние большее, чем расстояние
между глазами наблюдателя, поэтому изображение, например пейзажа, воспринимается
более рельефно, чем одним глазом в зрительную трубу. Призменный бинокль портативен
и удобен.
Труба Галилея. Театральный бинокль.
Зрительная труба Галилея, изготовленная им в 1609 г., является телескопом-рефрактором
с малым полем зрения и с небольшим увеличением в пределах примерно от 2 до 30 раз.
Однако Галилей, первый применивший телескоп к астрономическим наблюдениям, при
помощи своей трубы достиг многого в течение одного года: увидел горы и кратеры на
Луне, обнаружил четыре спутника Юпитера, заметил пятна на Солнце и спроецировал их
на экран, наблюдал Венеру в виде серпа и ее фазы. Объектив оптической системы трубы
Галилея представляет собой двояковыпуклую (собирающую) линза с фокусным
расстоянием примерно равным 20-24 см. Окуляром служит рассеивающая линза с
отрицательным фокусным расстоянием, примерно -2, -3 см. Рассматриваемый в эту трубу
предмет (АВ) всегда расположен перед объективом (Об) на расстоянии значительно
большем 2F. В этом случае, как известно, изображение бывает действительным,
уменьшенным и перевернутым между Fоб и 2Fоб, вблизи Fоб. Но это изображение в
трубе Галилея не получается, потому что на пути пучка сходящихся лучей ставят
рассеивающую линзу (Ок). и сходящийся пучок, пройдя сквозь нее, становится
расходящимся. Он и входит в глаз. Наблюдателю будет казаться, что лучи исходят из
точек удаленного предмета, в частности из точки А1. Ему представится предмет в
увеличенном и прямом виде (А1А2).
Длина трубы Галилея равна
L= Fоб+(-Fоr). В нашем примере L=22 см. Труба Галилея
весьма удобна для наблюдения предметов на земной поверхности на небольших
расстояниях, поскольку она дает прямое изображение предметов.
Две трубы Галилея, соединенные параллельно, составляют бинокль, называемый обычно
театральным. Благодаря Галилею линзы и оптические приборы стали мощным орудием
научных исследований. Зрительная труба Галилея была несовершенной. С увеличением
размеров объектива и окуляра искажения в зрительной трубе Галилея увеличивались. Это
обстоятельство побудило Ньютона отказаться от изготовления таких труб и перейти к
устройству
телескопа,
основной
частью
которого
было
вогнутое
зеркало
(параболическое).
Телескоп – рефрактор. Огромное количество сведений о
светилах в космическом пространстве получают при помощи астрономических
зрительных труб-телескопов, т. е. приборов, предназначенных для рассматривания глазом
весьма удаленных предметов. Главные и основные части телескопа - это объектив и
окуляр. Объектив обращен к наблюдаемому объекту (планете, звезде, туманности), а
окуляр - к глазу наблюдателя или к специальному устройству, чтобы запечатлеть объект,
например на фотопластинке.
На протяжении последних нескольких столетий созданы два вида телескопов: рефракторы
и рефлекторы. Современные рефракторы строят по системе (знаменитого астрономатеоретика и замечательного практика-наблюдателя) Кеплера, предложенной им в 1611 г., а
именно: объектив - это длиннофокусная собирающая линза, а окуляр - коротко-фокусная
линза, играющая роль лупы. Есть и иной вид проецирования непрозрачных предметов на
экран без сохранения их цветности - это теневое проецирование. Его можно достаточно
просто осуществлять, например, при помощи осветителя с лампой 6В. В теневом
изображении становятся хорошо видимыми многие явления, например испарение эфира,
конвекция в жидкости, начало кипенияводы, движение малых частей анкерного
механизма часов. Призменный бинокль.
В трубе Кеплера изображение рассматриваемого предмета перевернутое, однако для
астрономических наблюдений это и не так существенно, но для наземных наблюдений это
явно неудобно. Поэтому, если труба Кеплера используется для наземных наблюдений, ее
снабжают оборачивающей системой (дополнительной линзой или системой призм),
которое делает изображение прямым.
В начале прошлого столетия стали входить в практику наземных наблюдений бинокли из
двух соединенных коротких труб Кеплера. Оборачивающий системой в каждой трубе
служили две прямоугольные стеклянные поворотные призмы, установленные между
объективом и окуляром и расположенные одна против другой с некоторым сдвигом.
На рисунке показано, как свет от предмета, проходящий сквозь объектив (Об), прежде чем
достичь окуляра (Ок), проходит сквозь обе призмы, причем испытывает в каждой призме
два раза внутреннее отражение. После выхода из окуляра образуется прямое, увеличенное
изображение наблюдаемого предмета. Итак, вместо одной зрительной длинной трубы для
одного глаза в бинокле используют сразу две короткие грубы для обоих глаз. Благодаря
сдвигу призм объективы бинокля раздвинуты на расстояние большее, чем расстояние
между глазами наблюдателя, поэтому изображение, например пейзажа, воспринимается
более рельефно, чем одним глазом в зрительную трубу.
Телескоп.Огромное количество сведений о светилах в космическом пространстве
получают при помощи астрономических зрительных труб-телескопов, т. е. приборов,
предназначенных для рассматривания глазом весьма удаленных предметов. Главные и
основные части телескопа - это объектив и окуляр. Объектив обращен к наблюдаемому
объекту (планете, звезде, туманности), а окуляр - к глазу наблюдателя или к специальному
устройству, чтобы запечатлеть объект, например на фотопластинке.
В трубе Кеплера фокус объектива (Fоб) совпадает с фокусом окуляра (Fок),
следовательно, длина l трубы Кеплера равна сумме фокусных расстояний объектива и
окуляра: l = Fоб + Fок. Во время наблюдения в телескоп удаленных светящихся тел глаз и
телескоп становятся единой оптической системой.
Длиннофокусный и большого диаметра объектив телескопа (Об) собирает много света от
далекого светила и формирует почти в фокусе действительное, уменьшенное и отчетливое
световое изображение. Эту световую картину объектив направляет узким пучком сквозь
окуляр в глаз на сетчатку, и мы отчетливо видим без напряжения глаза яркое,
перевернутое изображение небесного объекта. Для правильного действия телескопа
требуется правильно подобранный окуляр к объективу в зависимости от размеров
наблюдаемых объектов.
Фотоаппарат.
Фотоаппарат
служит
для
получения
действительного
уменьшенного
(иногда
увеличенного) изображения предмета, находящегося в большинстве случаев за двойным
фокусным расстоянием от объектива. Объектив - это система линз или, в простейшем
случае одна собирающая линза. Объектив вставляется в переднюю стенку камеры. У
задней стенки камеры помещается фотопластинка или фотопленка, покрытые тонким
слоем чувствительной к свету фотоэмульсии (светочувствительный слой). На них
возникает изображение A1B1 предмета AB. Световые потоки, падающие от различных
точек предмета на фотоэмульсию, вызывают разное разложение бромистого серебра,
покрывающего
фотопластинку,
в
разных
местах.
Полученный
снимок
далее
обрабатывается (проявляется, фиксируется и промывается водой) специальными
реактивами для получения видимого изображения с различным почернением.
Световой поток, падающий на светочувствительный слой, регулируется фотографическим
затвором, который открывает свету доступ на время, называемое временем экспозиции t.
Оптимальное
t
зависит
от
освещенности
фотопластинки
(фотопленки)
и
ее
чувствительности. Освещенность зависит от светового потока, поступающего через
объектив диаметром d. При
фотопластинка
находится
достаточной
вблизи
удаленности
фокальной
плоскости
предмета от
объектива
объектива
(плоскости,
проведенной через фокус линзы перпендикулярно главной оптической оси) и удалена от
него на расстояние f. Освещенность фотопластинки пропорциональна величине
d2f2называемой светосилой объектива. Качество объектива оценивается по величине
относительного отверстия d/f. На оправах объективов обозначаются их фокусные
расстояния f и относительные отверсия в виде 1 : f/d.
Проекционный аппарат.
Проекционные аппараты предназначены для получения на экране увеличенных
изображений объектов. На рисунке показана схема устройства проекционного фонаря для
диапроекций. Объектив Об - система линз, действующих как одна собирающая линза, дает на экране MN увеличенное
изображение диапозитива D, располагающего вблизи фокальной плоскости Об.
Короткофокусная система линз - конденсатор K служит для того, чтобы направлять в
объектив
весь
свет,
поступающий
от
источника
к
диапозитиву.
Конденсатор
устанавливается так, чтобы он давал изображение источника света S на объективе.
Проецирование
прозрачных
объектов
(диафильмов,
диапозитивов)
называется
диапроекцией, непрозрачных объектов (рисунков, фотографий) - эпипроекцией. Для
эпипроекций проецируемый предмет сильно освящается сбоку при помощи лампы и
зеркал и проецируется объективом на экран. Проекционные аппараты, в которых
скомбинировано устройство для диа- и эпипроекций, называется эпидиаскопами.
Есть и иной вид проецирования непрозрачных предметов на экран без сохранения их
цветности - это теневое проецирование. Его можно достаточно просто осуществлять,
например, при помощи осветителя с лампой 6В. В теневом изображении становятся
хорошо видимыми многие явления, например испарение эфира, конвекция в жидкости,
начало кипенияводы, движение малых частей анкерного механизма часов. Призменный
бинокль.
На этапе получения первичных знаний дается презентация, в которой наглядно
представляются различные оптические приборы: лупа, микроскоп, бинокуляр, бинокль.
Представляется информация о разных приборах, описание строения прибора, их
сходствах и различиях, где применяются, а так же история создания прибора.
Проверь себя!
1. Какие увеличительные приборы ты знаешь?
2. Что представляет собой лупа и какое увеличение она дает?
3. Как устроен микроскоп?
4. Как узнать, какое увеличение дает микроскоп?
5. Назовите главные части микроскопа?
6. В чем сходство и различия микроскопа и бинокуляра?
Практическая работа на закрепление материала: учащиеся делятся на 3 группы, каждой
из которых дается задание: Из представленных гидробиологических проб выбрать объект:
водоросль, представителей зоопланктона, бентоса и определить на каком приборе
необходимо рассматривать этот объект. Установить правильно оптический прибор и
поставить на просмотр заданный объект, с учетом правил работы с оптикой
Анкетирование.
1. На занятии я работал
Активно / пассивно
2. Своей работой на занятии я
Доволен / не доволен
3. Мое настроение стало
Лучше / хуже
4. Материалы занятия мне были
Полезны / бесполезны
Список источников, используемых для урока:

Лабораторный практикум. Биология 6-11 класс (учебное электронное издание),
Республиканский мультимедиа центр, 2004
 Пугал Н.А., Евстигнеев В.Е. Биологические исследования. Методические
рекомендации по использованию биологической микролаборатории. – М.: ЦЕНТР
МНТП, 2007
 Рымкевич А.П. Задачник по физике 9-11 класс – М.: Дрофа, 1998.
 Тихомирова С.Я.,. Яворский Б.М Физика 11 класс – М.:«Мнемозина», 2008
 Якиманская И.С. Личностно-ориентированное обучение в современной школе –
 М.: «Сентябрь», 1996
 Материалы интернет-сайтов:
http://www.omc-sinergi.ru/
http://www.astronomynow.com/
http://www.astrolab.ru/
http://festival.1september.ru
http://class-fizika.narod.ru/