Волоконно – оптическая связь

И 30.04

Тема: Глаз, как оптическая система. Дефекты зрения и способы их исправления. Оптические приборы.

Цель: познакомить с устройством, назначением и применением оптических приборов в жизни человека.

Задачи:

Рассмотреть применение законов геометрической оптики в линзах, очках, фотоаппарате, микроскопе, телескопе.

Создать условия для развития познавательного интереса, умения выделять главное, обобщать, логически излагать свои мысли, интегрировать и обобщать знания из различных областей знаний

Способствовать развитию функциональной грамотности в плане расширения кругозора учащихся, демонстрируя связь физики с жизнью. Формировать умение работать в коллективе, адекватно оценивать свои знания, возможности, развивать чувство уважения и самоуважения.

Оборудование: модель глаза человека, фотоаппарат, микроскоп, телескоп

ТСО: проектор, интерактивная доска, слайды

Формы организации учебной деятельности: фронтальная, индивидуальная, групповая

Технология: ИКТ

Тип урока: урок защиты проектов.

Методы обучения: наглядно - иллюстративный, частично-поисковый, групповой.

Темы сообщений, над которыми работали ученики:

1. Глаз как орган зрения и оптическая система;

2. Телескоп;

3. Фотоаппарат;

4. Микроскоп.

Ход урока

1. Организационный этап. (0,5 мин)

2. Мотивация. Ситуация вызова. (2 мин)

Сегодня, мы на уроке мы познакомимся с устройством, работой и назначением некоторых оптических приборов. Практически в каждой семье есть фотоаппарат или видеокамера, на уроках биологии вы работаете с микроскопом, мы все мечтаем посмотреть в телескоп и, конечно же, видим окружающий нас мир глазами.

У всех оптических приборов есть одна главная часть… Что это? Конечно, это линза.

Чаще всего ее изготавливают из стекла, пластмассы, полую линзу можно заполнить водой и даже выпилить изо льда, как поступили когда-то, герои книги Ж.Верна «Пятнадцатилетний капитан», чтобы добыть огонь.

Давайте повторим, что нам известно о линзах, ходе лучей в них, законах отражения и преломления света.

III. Проверка домашнего задания. 1)Вопросы.

1.Что такое линза, какие виды линз вы знаете?

2.Назовите основные свойства собирающей линзы и рассеивающей линзы. По какому признаку можно узнать собирающая эта линза или рассеивающая?

3.Перед вертикально поставленным плоским зеркалом на расстоянии 1 м от его плоскости стоит человек. Чему равно расстояние между изображением человека и зеркалом?

А.о,5м,Б. 1м, В.2 м

.

IV.Расчетные задачи: Имеются две линзы: собирающая с фокусным расстоянием F₁=50 см и рассеивающая с оптической силой D₂= -8,5дптр. Чему равна оптическая сила этой системы линз?

Решение:

D = 1/F F₁ = 50 см =0,5м D₁ =1/0,5 м =2 дптр

D_{системы}= D₁ + D₂ = -8,5+2 = -6,5 дптр

Ответ: - 6,5 дптр

1. Чему равна оптическая сила системы двух линз, одна из которых имеет фокусное расстояние F₁= -40 см, а другая – оптическую силу D₂=6 дптр?

Решение:

D = 1/F F₁ = -40 см =-0,4 м D₁ =1/-0,4м =-2,5 дптр

D_{системы} = D₁ + D₂ =-2,5 + 6= 3,5 дптр

Ответ: 3,5 дптр

 

1. Какова оптическая сила системы двух линз, если фокусное расстояние одной линзы F₁=5 см, а оптическая сила другой – D₂= -3дптр?

Решение:

D = 1/F F₁ = 5см = 0,05м D₁ =1/0,05м =20 дптр.

D_{системы} = D₁ + D₂ =20 - 3= 17 дптр

Ответ: 17 дптр

1. Оптическая сила одной из линз D₁= -25дптр, фокусное расстояние другой – F₂= 100 мм. Какова оптическая сила системы этих линз?

Решение:

D = 1/F F₂ = 100мм = 0,1м D₂ =1/0,1м =10 дптр

D_{системы} = D₁ + D₂ = -25+10= -15 дптр

Ответ: -15 дптр

 

1. Новая тема. Приступаем к изучению нового материала.Запишите в ваших тетрадях тему урока: «Глаз, как оптическая система. Дефекты зрения и способы их исправления. Оптические приборы».

Мы смотрим не глазами, а мозгом”, – говорят физиологи. 90% всей информации люди получают через глаза. В древности глазам приписывали всевозможные мистические свойства. Глаза часто символизировали смысл и суть жизни, их считали амулетами и оберегами. Древние греки рисовали красивые вытянутые глаза на носу кораблей, а египтяне на пирамидах изображали всевидящее око бога Ра. Античный философ Гераклит Эфесский заметил, что «глаза – более точные свидетели, чем уши». Долгое время считалось, что глаза испускают особые лучи, и таким образом человек видит. Развеял этот миф знаменитый Абу Али ибн Сина. Великий врач первым пришел к выводу, что человеческий глаз всего лишь улавливает отраженные предметами лучи Солнца или осветительных приборов. А немецкий ученый Герман Гельмгольц установил, что глаз подобен фотоаппарату: изображение на сетчатке получится перевёрнутым и уменьшенным.

Давайте разберемся, как устроен живой оптический аппарат – глаз.

Мини - проект «Глаз - оптическая система. Дефекты зрения и способы их устранения», защищает группа №1

Приложение 1.

Вопрос: 1. Человек ночью вышел из освещенного помещения на улицу, в кромешную темноту, где ничего не было видно. Однако через некоторое время он стал различать очертания домов, деревьев и кустов, а потом увидел тропинку. Дайте объяснение этому явлению.

Ответ: В условиях хорошего освещения человек воспринимает световое изображение колбочками, в темноте цветное восприятие затухает, и действуют палочки – клетки “ночного” зрения, которые обладают высокой чувствительностью. Приспособление (адаптация) к темноте происходит не сразу, и необходимо время для восстановления зрительного пигмента (родопсина), так как при дневном зрении в палочках его нет.

Какой оптический прибор по своему устройству наиболее похож на глаз человека?

(Ответ: фотоаппарат)

«Устройство фотоаппарата».

Фотоаппарат

2) На предыдущем уроке мы уже говорили о фотоаппарате, о его создателях и принципе работы простейшего фотоаппарата. За 150 лет он сильно изменился и внешне мало похож на своих предков. Роль линзы, дающей изображение, выполняет объектив – система нескольких линз. (Демонстрация объектива). Дело в том, что хорошего изображения с помощью одной линзы не получить – оно получается размытым и нечетким, а в системе линзы исправляют недостатки друг друга и создают качественное изображение. Дальномер – это конструкция из подвижных зеркал. Когда мы смотрим в окуляр (видоискатель) аппарата, то в его центре видим кружок или квадрат, на котором изображение может раздваиваться. Вращая объектив, мы добиваемся слияния двух изображений – значит на резкость он наведен точно. В момент съемки зеркало поднимается, затем срабатывает затвор, и зеркало возвращается в исходное положение. Еще одна важная деталь в объективе: его отверстие может увеличиваться и уменьшаться с помощью подвижных лепестков – диафрагмы. Чем больше отверстие диафрагмы, тем больше света попадает в объектив.

Вопрос: Что напоминает вам диафрагма объектива? (радужная оболочка глаза, зрачок).

Фотоувеличитель

4) Существует много конструкций увеличителей, но в их основе лежит одна принципиальная схема. Увеличитель состоит из трех основных частей – осветителя, штанги, по которой он перемещается, и столика (экрана), куда кладется фотобумага.

При помощи увеличителя с негатива можно отпечатать его позитивное изображение любого размера. Степень увеличения зависит от расстояния между объектом и экраном.

Осветительная часть устроена так: в нижней части корпуса крепится объектив, он может перемещаться для наводки на резкость. В схеме увеличителя есть важная оптическая система – конденсор. Конденсор представляет собой систему из двух или трех линз и концентрирует лучи от лампы внутри объектива. Под конденсором помещается рамка с негативом.

Так как получается увеличенное изображение с негатива, то пленка должна располагаться между фокусом и двойным фокусом конденсора.

Микроскоп

“Хоть острым взором нас природа одарила,
Но близок оного конец имеет сила.
Но в нынешних веках нам микроскоп открыл,
Что Бог в невидимых животных сотворил”.

Настоящими “отцами” микроскопии как методики наблюдения и исследования не различимых невооруженным глазом предметов считаются английский исследователь Р. Гук и голландец А. Левенгук. В 1673 году Левенгук первый наблюдал и зарисовал капиллярные сосуды в хвосте головастика, красные кровяные тельца и сотни других удивительных вещей, о которых никто и не подозревал. Именно он обнаружил неведомых ранее живых существ – микробов – в капле воды, положив начало новой науке – микробиологии.

Микроскоп – это прибор, увеличивающий изображение предмета в несколько сот и даже тысяч раз. Главная часть светового микроскопа – линзы, вставленные в тубус (трубку). В верхнем конце тубуса находится окуляр, состоящий из оправы и двух линз. На нижнем конце тубуса помещается объектив, состоящий из оправы и нескольких линз. Название “объектив” происходит от латинского слова, означающего “предмет”.

Формирование изображения объекта АВ в системе двух собирающих линз показано на. Объектив создает действительное увеличенное изображение объекта – А'В', которое затем рассматривается окуляром. Окончательное изображение А"В" является мнимым.

Сейчас в науке применяются мощные средства для исследований: акустические, рентгеновские, электронные, лазерные микроскопы. Растровый туннельный микроскоп (1981г) позволяет увеличивать в 10⁸ раз и различать детали размером до 0,01 диаметра атома (3·10^-10м).

Телескоп

“Во зрительных трубах Стекло являет нам
Колико дал творец пространство небесам.
Толь много солнцев в них пылающих сияет,
Подвижных сколько звезд нам ясна ночь являет”.

Телескоп был изобретен в начале XVII века. Существует несколько видов телескопов. Телескоп с объективом называется рефрактором

 Телескоп- рефлектор изобрел И. Ньютон. Свет в таком телескопе собирается не выпуклой линзой, а вогнутым зеркалом. В рефлекторе зеркало помещают в нижнем конце телескопа, оно отражает лучи и собирает их у верхнего конца трубы, где и находится наблюдатель. Рефлектор имеет недостаток: в него отчетливо виден лишь небольшой участок неба.

В годы Великой Отечественной войны советский конструктор телескопов Д. Д. Максутов разрешил задачу, над которой долго думали изобретатели многих стран: он сконструировал телескоп, который соединяет в себе достоинства рефрактора и рефлектора и в то же время не имеет их недостатков. На верхнем конце трубы перед вогнутым зеркалом находится выпукло-вогнутое тонкое стекло, называемое мениском, а телескоп называется менисковым

Бинокль имеет тот же принцип действия, что и телескоп, только сделан для обоих глаз.

Ночезрительная труба

6) “Две области – сияния и тьмы –

Исследовать равно стремимся мы.” (Е. Баратынский)

Рисунок ночезрительной трубы выполнен самим М. В. Ломоносовым, который ее и создал. Ломоносов впервые в истории оптики поставил перед собой задачу: сделать “ночезрительную трубу”, посредством которой можно было бы явственно рассматривать в светлую ночь или сумерки не ясные небесные светила, а предметы на земле и на море, едва различимые глазом. Его “ночезрительная труба” была двухлинзовым устройством. Она состояла из “одной линзы малой и другой большой, собиравшей лучи”. Принцип действия был основан на том, что глаз человека в сумерках и в темноте действует не так, как днем, его чувствительность становится значительно выше. Не зная этой закономерности, Ломоносов гениально предугадал ее.

Сейчас широко используются приборы ночного видения в военной и гражданской технике, в науке.

Волоконно – оптическая связь

8) Прежде чем разобрать этот вид связи, рассмотрим эффект полного внутреннего отражения.

Определение: Исчезновение преломленного луча при переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную называется полным отражением.

Это можно увидеть на опыте: светить лазером через банку с водой, добиться полного отражения, изменяя угол падения луча на поверхность воды изнутри.

Одно из самых значительных применений этого эффекта – волоконно-оптическая связь, ставшая возможной только благодаря тому, что свет распространяется по тончайшим прозрачным волокнам, не выходя за их пределы. Строение световода приведено на рисунке 10.

Использование волоконных световодов: в технике связи (телевидение, телефон, видеотелефон ит.д.), в летательных аппаратах, на судах и других мобильных устройствах, в радиоэлектронной аппаратуре, вычислительных и измерительных комплексах, автоматизированных системах управления.

Преимущества волоконно-оптической связи перед другими видами связи:

1. Большой носитель информации

2. Высокая защищенность от помех. Это позволяет плотно располагать волоконные световоды внутри ЭВМ, зданий и телефонных коллекторов

3. Легкость (27 г на 1 км)

4. Малогабаритность.

5. Прочность. На световоде диаметром 125мкм можно подвесить 7-килограммовую гирю. Это объясняется высокой однородностью стекла и практически отсутствием дефектов структуры.

6. Невоспламеняемость. Полное отсутствие искрения позволяет применять оптические кабели в самых пожароопасных производствах, например, в цехах по производству взрывчатых веществ.

7. Диэлектрическая природа световодов позволяет прокладывать волоконно-оптические кабели вблизи электрических линий передач, обеспечивает устойчивость к ударам молнии.

8. Отсутствие токов утечки обеспечивает высокую степень секретности передачи информации.

Проведем несколько экспериментов, позволяющих понять, как работает оптическое волокно. Возьмем обыкновенный изогнутый кусок оргстекла (линейку), лазер. (Можно взять прозрачную пластмассовую кружку, коробку и т.д.). Над ширмой виден только один конец изогнутой линейки, остальная ее часть за ширмой и ученикам не видна. Нужно посветить лазером в торец линейки, спрятанной за ширмой, а ученики увидят мигающий свет, исходящий из верхнего конца линейки.

- Представьте, что я живу на 4 этаже, а вы на 2 этаже. Мне нужно вам что-то сообщить или просто позвать в гости. Я начинаю вам сигналить.

В завершение надо сказать, что волоконная оптика используется не только в таких глобальных масштабах, как связь, но и для красоты и уюта наших квартир. Например, светильник – световод

 

Приложение 2.

Вопрос: 2 .Что такое аккомодация?

Основная особенность глаза как оптического инструмента состоит в способности рефлекторно изменять оптическую силу глазной оптики в зависимости от положения предмета. Такое приспособление глаза к изменению положения наблюдаемого предмета называется аккомодацией.

Долгое время люди полагались только на свое зрение. Но как далеко мы видим? Говорят, что первый телескоп изобрел Г.Галилей, но известно, что еще древние люди употребляли увеличительные стекла. Дошла до нас легенда о том, что якобы Юлий Цезарь во время набега на Британию с берегов Галлии рассматривал в подзорную трубу туманную британскую землю.

Телескоп – основной источник информации для астрономов, с его устройством и принципом действия нас познакомит 3 группа с мини- проектом «Модель телескопа».

Приложение3.

Вопрос 3. Полученное изображение в телескопе мнимое или действительное?

Ответ. Действительное.

С помощью телескопа человек смог заглянуть в просторы Вселенной, а помощью микроскопа мы заглянули в микромир.

Подробнее об этом замечательном приборе расскажет 4 группа с мини-проектом «Модель микроскопа»

Приложение 4.