ПРОЕКТНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ПРИ ИЗУЧЕНИИ СВЕТОВЫХ ВОЛН ПО КЛАССИЧЕСКОМУ ШКОЛЬНОМУ УЧЕБНИКУ ФИЗИКИ

Одной из основных целей изучения физики в школе является овладение основами научного метода познания. Наиболее слабое звено современной системы физического образования состоит в экспериментальном обосновании теоретических положений школьного учебника. Без экспериментального доказательства существования фундаментальных явлений и справедливости следствий теории невозможно овладение методом физической науки. На организацию продуктивной экспериментальной деятельности обучающихся на уроках и внеурочных занятиях нацеливает Федеральный государственный образовательный стандарт [14]. Однако обеспечение интересного и полезного содержания внеурочной деятельности по физике, тесно связанной с материалом школьных уроков, нередко остается сложной задачей для учителя физики.

Мы предлагаем систему индивидуальных  учебных проектов учащихся по теме «Световые волны». В первом и втором столбцах Табл.1 приведены номер и название параграфа школьного учебника физики [13]. Во втором столбце таблицы даны названия рекомендуемых учебных проектов и ссылка на основной источник информации.

   Таблица 1

Пример программы внеурочной проектной деятельности при изучении световых волн

Рассмотрим содержание представленных в Табл.1 учебных проектов.

1.       Измерение скорости распространения электромагнитного излучения. Для измерения скорости распространения звука часто используется метод стоячей волны. Проблема проекта заключается в ответе на вопрос: какой должна быть экспериментальная установка для измерения скорости распространения электромагнитного излучения методом стоячей волны? Для решения этой проблемы используют СВЧ-генератор, индикатор электромагнитного излучения с выходом на светодиод, металлическую пластину. Учащиеся измеряют длину электромагнитной волны, вычисляют скорость распространения волны по частоте электромагнитного излучения и сравнивают получившееся значение со скоростью света в вакууме.

2.      Распространение света в оптически неоднородной среде. Проблема проекта: как использование принципа Гюйгенса позволяет объяснить распространение света в оптически неоднородной среде? Оптически неоднородную среду создают в плоской кювете, наливая под слой воды насыщенный раствор поваренной соли. В переходный слой между двумя жидкостями пускают луч лазера и наблюдают, что он распространяется криволинейно, изгибаясь в сторону раствора соли. Объясняют явление, используя принцип Гюйгенса.

3.     Измерение показателя преломления воздуха. Абсолютный показатель преломления воздуха лишь в четвертом десятичном знаке отличается от единицы. Проблема: как измерить показатель преломления воздуха в доступном эксперименте? Выполняя учебный проект, школьники изготавливают полую призму, преломляющие грани которой сделаны из стекла. Они исследуют отклонение лазерного пучка, проходящего через призму при откачивании воздуха из нее. По величине этого отклонения учащиеся определяют показатель преломления газа, внутри которого находится призма.

4.    Оптические явления на границе несмешивающихся жидкостей. Проблема проекта состоит в поиске ответа на вопрос: какие явления происходят при прохождении света через границу двух несмешивающихся жидкостей? В плоский прозрачный сосуд с герметически завинчивающейся крышкой наливают воду и поверх нее –    керосин. В наблюдениях обнаруживают явление полного внутреннего отражения при прохождении света из керосина в воду. Измеряют предельный угол и вычисляют показатель преломления керосина.

5.    Исследование фокальной поверхности собирающей линзы. В учебнике [13] описан демонстрационный

опыт, показывающий существование фокальной плоскости собирающей линзы. Проблема: как на опыте убедиться, что падающие на линзу параллельные пучки собираются в точки, которые действительно лежат на плоскости? Пользуясь комплектом приборов по геометрической оптике, школьники строят фокальные поверхности имеющихся там линз и объясняют получаемые результаты. При этом они знакомятся с границами применимости теории идеальных линз и зеркал.

6.     Измерение фокусного расстояния рассеивающей линзы. Рассеивающая линза всегда дает мнимое изображение действительного предмета. Проблема: как измерить фокусное расстояние рассеивающей линзы? Учащиеся знакомятся с двумя методами: 1) визуальным наблюдением мнимого изображения предмета, лежащего в фокальной плоскости линзы; 2) получением с помощью рассеивающей линзы действительного изображения мнимого предмета.

7.       Исследование однолинзового микроскопа Левенгука. В первых микроскопах для получения увеличенных изображений мелких предметов использовали небольшой стеклянный шарик, действующий как короткофокусная лупа. Проблема: как из доступных материалов изготовить сферическую лупу с большим увеличением? Выполняя учебный проект, школьники методом плавления кусочка стекла в пламени спиртовки изготавливают лупу, собирают однолинзовый микроскоп и определяют увеличение этого прибора.

8.     Физическое моделирование зеленого луча. В ясную погоду при закате в последний момент перед заходом солнца за горизонт наблюдается зеленый луч. Проблема: как смоделировать это явление в учебной лаборатории? Для решения проблемы исследовательского проекта школьники создают оптически неоднородную среду, используя воду и насыщенный раствор мочевины, и изучают разложение в спектр белого пучка света, проходящего в оптически неоднородной жидкости.

9.    Интерференция изгибных волн в тонкой упругой пластинке. Если возбудить поперечные колебания в произвольной точке упругой пластинки, то по ней побежит круговая изгибная волна. Проблема: каким образом изгибные волны можно использовать для наблюдения интерференции? При выполнении проекта учащиеся изготавливают магнитострикционный излучатель на частоту 15-18 кГц и подключают его к генератору звуковой частоты. Используя этот источник звука, они возбуждают изгибную волну  в тонкой картонной пластинке, посыпанной чистым сухим речным песком. Далее они исследуют интерференцию волн, падающей и отраженной прямым краем этой пластинки.

10.     Интерференция света от двух точечных источников. Длина световой волны очень мала, поэтому для наблюдения интерференции света необходимо создание особых условий. Проблема: как пронаблюдать интерференцию от точечных источников света в домашних условиях? В алюминиевой фольге швейной иглой прокалывают два расположенных рядом небольших отверстия. Смотрят на нить лампочки карманного фонаря и помещают отверстия вплотную к глазу. При этом наблюдают интерференционную картину в белом свете. В пучок лазерной указки вводят фольгу с отверстиями и на белом экране наблюдают интерференцию в монохроматическом свете.

11.      Исследование поверхности стекла методом интерференции света. Проблема: как убедиться, что с помощью интерференции света можно исследовать качество полированной поверхности? Из оконного стекла стеклорезом вырезают квадрат со стороной в несколько сантиметров. Квадрат накладывают на чистую пластину оконного стекла и притирают его к поверхности. В отраженном рассеянном свете наблюдают интерференционную картину. Притирают стеклянный квадрат в другом месте пластины и наблюдают, что интерференционная картина изменилась. Так пробным куском стекла исследуют поверхность всей пластины.

12.    Дифракция звуковых волн на различных препятствиях. Звук представляет собой механическую волну. Проблема: каким должен быть опыт, демонстрирующий, что звуковые волны, подобно волнам на поверхности воды, огибают препятствия? Школьники изготавливают сканирующий индикатор звука и используют его для исследования звуковых полей от динамика за различными препятствиями. В опытах обнаруживается, что звук тем значительнее огибает препятствия, чем больше его длина волны.

13.     Наблюдение дифракции света на щели. Проблема: каким должен быть самый простой эксперимент, если на уроке нужно показать существование дифракции света? В пучок лазерного света, падающий на белый экран, вводят клиновидную щель, изготовленную из двух половинок лезвия безопасной бритвы. Перемещают щель в направлении, перпендикулярном пучку, и наблюдают, что с уменьшением ширины щели увеличивается получающаяся на экране дифракционная картина.

14.     Исследование дифракции света на слое ликоподия. Дифракционная решетка состоит из одинаковых щелей, расположенных на равных расстояниях параллельно друг  другу. Проблема: что собой представляет дифракционная картина от одинаковых предметов, расположенных в плоскости не упорядоченно, а беспорядочно? Школьники покрывают небольшую пластинку стекла слоем ликоподия. Перекрывая этой пластинкой пучок белого света, идущий от удаленного источника, они обнаруживают яркую дифракционную картину, состоящую из разноцветных концентрических колец.

15.        Применение поляризации света в жидкокристаллических мониторах. Известно, что работу жидкокристаллических мониторов компьютеров и сотовых телефонов обеспечивает линейно поляризованный свет. Проблема: как определить направление поляризации светового пучка, идущего от монитора компьютера? На пластинке оргстекла скотчем закрепляют кусок черной бумаги или ткани. Пластинку располагают перед экраном монитора так, чтобы на ее открытую поверхность падал свет от экрана под углом падения примерно 57º. Смотрят на поверхность пластинки так, чтобы видеть отраженный в ней экран, и поворачивают пластинку до тех пор, пока отражение не пропадет. Тогда направление поляризации совпадает с перпендикуляром к пластинке.

16.    Поляризация электромагнитного излучения. Проблема: как доказать что электромагнитная волна СВЧ- генератора линейно поляризована? Для решения этой проблемы используют СВЧ-генератор, индикатор электромагнитного излучения с выходом на светодиод, и алюминиевый провод. Из провода школьники делают решетку с периодом примерно 20 мм. Решетку располагают перед рупорной антенной генератора и поворачивают вокруг оси пучка электромагнитной волны. Индикатор показывает, что при этом интенсивность прошедшей волны изменяется от максимума до нуля. Анализируют результат выполненного эксперимента.

Работа поддержана Министерством образования и науки РФ, НИР № 3027 в рамках базовой части государственного задания в сфере научной деятельности по Заданию № 2014/331 за 2015 год.

Список литературы

1.      Вараксина, Е.И. Проблемная ситуация в практикуме по дидактике физики [Текст] / Е.И.Вараксина, Н.А. Шелехова // Проблемы учебного физического эксперимента: сб. науч. трудов. Вып. 25. – М. : ИСМО РАО, 2015. – C.68-69.

2.      Майер, В.В. Быстрая оценка фокусного расстояния рассеивающей линзы [Текст] / В.В.Майер // Учебная физика. – 1999. – № 2. – С. 5-6.

3.      Майер, В.В. Свет в оптически неоднородной среде: учебные исследования [Текст] / В.В. Майер. – М. : Физматлит, 2007. – 232 с.

4.      Майер, В.В. Физические свойства электромагнитных волн [Текст] / В.В.Майер // Физика-ПС. – 2009. –№ 18. – С. 43-47.

5.      Майер, В.В. Энергия и скорость электромагнитной волны [Текст] / В.В.Майер // Физика-ПС. – 2009. –№ 6. – С. 22-25.

6.      Майер, В.В. Дифракция и интерференция света в знаменитых опытах Томаса Юнга [Текст] / В.В.Майер, Е.И. Вараксина // Потенциал. – 2012. – № 9. – С. 67-75.

7.      Майер, В.В. Звук и ультразвук в учебных исследованиях [Текст] : учеб. пособие / В.В.Майер, Е.И. Вараксина. – Долгопрудный : Издательский Дом «Интеллект», 2011. – 336 с.

8.      Майер, В.В. Измерение показателя преломления воздуха [Текст] / В.В.Майер, Е.И.  Вараксина // Потенциал. – 2008. – № 7. – C. 71-76.

9.      Майер, В.В. Интерференция звуковых волн и сканирующий индикатор звука [Текст] / В.В.Майер, Е.И. Вараксина // Потенциал. – 2014. – № 5. – С. 72-80.

10.   Майер, В.В. Микроскоп Левенгука и персональный компьютер [Текст] / В.В.Майер, Е.И. Вараксина // Потенциал. – 2012. – № 6. – С. 69-77.

11.   Майер, В.В. Прибор для учебного исследования полного внутреннего отражения света [Текст] / В.В.Майер, Е.И. Вараксина // Физика в школе. – 2009. – № 1. – C. 48-50.

12.   Майер, В.В. Эриометр Юнга и дифракция электронов [Текст] / В.В. Майер, Е.И. Вараксина // Потенциал. – 2012. – № 10. – С. 69-77.

13.   Мякишев, Г.Я. Физика [Текст]: учеб. для 11 кл. общеобразоват. организаций с прил. на электрон. носителе: базовый и профил. уровни / Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, В.М. Чаругин; под ред. Н.А.Парфентьевой. – М.: Просвещение, 2014. – 399 с.

14.   Федеральный государственный образовательный стандарт среднего общего образования [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://минобрнауки.рф/документы/2365.