Šviesos lūžis pradiniame ugdyme: saulės lemputė iš butelio Teach article

Vertė Urtė Neniškytė. Daugiau nei prieš 10 metų labai protingas ir išradingas lūšnynų gyventojas atrado, kaip išgauti šviesą be elektros. Dabar saulės lemputės plinta visame pasaulyje.

Paveikslas publikuojamas
Africa Studio/shutterstock
leidimu

2002 m. brazilų mechanikas Alfredo Moseris sugalvojo, kaip dienos metu apšviesti savo namus be elektros. Vietoj elektros energijos Moseris panaudojo plastikinį butelį, pripildytą vandens. Šis išradimas, kuriame pritaikytas šviesos lūžio reiškinys, dabar plinta visame pasaulyje ir tikimasi, kad šiais metais taip bus apšviesta daugiau nei milijonas namų.

Daug pradinio ugdymo mokytojų vengia fizikos temų, tačiau dauguma mokinių yra matę, kad šiaudelis įmerktas į vandenį, atrodo perlenktas ties oro ir vandens riba, net jei jie ir nežino, kad taip yra dėl šviesos lūžio. Šiame straipsnyje pateikiami teoriniai šviesos lūžio pagrindai ir parodoma, kaip per pamoką galima panaudoti saulės lemputę šiam reiškiniui pademonstruoti.

Šviesos lūžis

1 paveikslas. Šviesos
spindulio palinkimas,
pereinant į aukštesnio
rodiklio terpę.

Paveikslas publikuojamas
Stephanie Ohlberger leidimu

Grįžkime prie šiaudelio vandens stiklinėje: įmerktas šiaudelis atrodo sulenktas ar perlaužtas. Taip nutinka todėl, kad vanduo yra optiškai tankesnis nei oras, taigi šviesa vandenyje keliauja lėčiau nei ore. Šis greičio pokytis sulenkia šviesą jai pereinant iš vienos terpės į kitą ir šis reiškinys vadinamas šviesos lūžiu. Šviesos lūžiui svarbūs du veiksniai: kampas, kuriuo šviesa krenta į dviejų medžiagų sandūrą, vadinamas kritimo kampu, ir abiejų dalyvaujančių medžiagų savita ypatybė – lūžio rodiklis. Apskritai, tankesnės medžiagos turi didesnį lūžio rodiklį, kadangi tankesnės medžiagos šviesą sulėtina labiau.

2 paveikslas. Šviesos
spindulio palinkimas,
pereinant į žemesnio rodiklio
terpę.

Paveikslas publikuojamas
Stephanie Ohlberger leidimu

Pagalvokite apie tai, kaip apie automobilį, kuris greitai važiuoja keliu, tačiau sulėtėja purvo lauke. Šviesos lūžio nebūna, jei šviesos spinduliai į dviejų skaidrių terpių sandūrą krenta statmenai. Taip, kaip ir tiesiai įvažiavus į purvo lauką, jūsų greitis sumažės, tačiau vis tiek važiuosite ta pačia kryptimi. Tačiau jei į lauką įvažiuosite kampu, ratų, kurie ant purvo pateks pirmi, sukimasis sulėtės ir automobilis pasisuks. Panašiai ir šviesos spinduliai, krentantys į paviršių kampu, pakeičia savo kryptį. Ši kryptis priklauso nuo abiejų dalyvaujančių terpių lūžio rodiklių (1 ir 2 paveikslai).

Šviesos lūžio reiškinį lengva pademonstruoti klasėje, panaudojant keletą įvadinių eksperimentų.

 

 Snello šviesos lūžio dėsnis

Fizikoje Snello dėsnis naudojamas aprašyti šviesos lūžį ir jo savybes. Snello dėsnis teigia, kad krintančios šviesos greitis, padalintas iš kritimo kampo sinuso, yra lygus lūžusios šviesos greičiui, padalintam iš lūžio kampo sinuso (v1/(sinθ1)) = (v2/sinθ2 ). Tai reiškia, kad šviesai pereinant iš mažesnio optinio tankio medžiagos į didesnio optinio tankio medžiagą, sumažinančią jos greitį, šviesos spindulys yra laužiamas link dviejų terpių ribos statmens. Taip nutinka, kai šviesos spindulys iš oro patenka į vandenį. Priešingu atveju, kai šviesos spindulys patenka į žemesnio lūžio rodiklio terpę, pavyzdžiui, pereidamas iš vandens į orą, jis links tolyn nuo statmens.

Snello dėsnis taip pat gali būti užrašytas naudojant lūžio rodiklius, nurodančius terpės optinį tankį. Terpės lūžio rodiklis, n, apibrėžiamas kaip šviesos greičio vakuume, c, ir šviesos greičio terpėje, v, santykis: n=c/v. Tai taip pat reiškia, kad Snello dėsnis gali būti užrašytas kaip sinθ1 n1= sinθ2 n2.

Kadangi šviesos greitis vakuume visuomet yra 3 x 108 ms-1, terpės lūžio rodiklį apskaičiuoti paprasta, jei tik žinote šviesos greitį toje terpėje. Praktiškai tariant, tankesių medžiagų lūžio rodikliai yra aukštesni, kadangi tankesnės medžiagos labiau sulėtina šviesą.

 

Batų dėžutė

Taip, kaip tai padarėme mes, šviesos lūžio temą galima pristatyti aptariant, kad žiūrint iš šono šiaudelis ar pieštukas stiklinėje atrodo perlaužtas. Tai yra geras pagrindas tolimesniems šios temos klausimams. Teorinius šviesos lūžio dėsnius galima pademonstruoti atliekant nesudėtingą eksperimentą su batų dėžute. Eksperimentas nėra paprastas, todėl geriausia, kad mokiniai jį atliktų grupelėmis po du ar tris. Priklausomai nuo mokinių amžiaus ir pamokai skirto laiko, mokytojas taip pat galėtų paruošti batų dėžutes iš anksto, kad sutrumpintų laiką, reikalingą rankų darbui.

Kaip paaiškinta detaliame aprašymew1, kurį galite parsisiųsti iš nuorodų skyrelio, jums prireiks žibintuvėlio, batų dėžutės, rankdarbių peiliuko ir stiklinės su vandeniu. Atsargiai įpjaukite du vertikalius plyšelius trumpajame batų dėžutės gale. Tarpas tarp plyšelių turėtų būti ne platesnis nei stiklinė. Šviesdami žibintuvėliu pro plyšelius, turėtumėte matyti dvi tiesias šviesos linijas. Dabar padėkite stiklinę su vandeniu į dėžutę taip, kad dvi šviesos juostos kristų į ją. Kai už plyšelių padedama stiklinė su vandeniu, šviesos juostos susikryžiuoja. Taip yra dėl to, kad šviesą sulėtina vanduo, kurio optinis tankis didesnis nei oro. Pagal šviesos lūžio dėsnius šviesa palenkiama į vidų ir todėl du šviesos spinduliai galiausiai susikryžiuoja.

 

Saulės lemputė

Pademonstravę, kaip lūžta šviesa, galite parodyti, kaip panaudojant šį reiškinį kambariai ir namai apšviečiami saulės lemputėmis, perduodančiomis tiek šviesos, kiek 50-60 vatų kaitrinė lemputė. Žmonės gali apšviesti savo kambarius ir trobeles vien su plastikiniu buteliu, pilnu vandens. Moserio pradinė idėja buvo toliau išvystyta labdaros organizacijų, siekiančių aprūpinti Afrikos, Filipinų, Indijos ir kitų pietryčių Azijos šalių bendruomenes tvariu ir prieinamu apšvietimu, nenaudojančiu elektrosw2. Pamokos metu užtruksite vos 10 minučių, kad sukurtumėte savąjį variantą.

Priemonės

  • Kartonas
  • Žirklės
  • Apskritimų trafaretas
  • Didelis plastikinis butelis (1 ar 2l)
  • Vanduo
  • Didelė kartoninė dėžė
  • Žibintuvėlis

Darbo eiga

  1. Išpjaukite skylę dėžės viršuje: ji turėtų būti pakankamai didelė, kad į ją tilptų butelis. Tuomet išpjaukite langelį dėžės šone, kad galėtumėte pažiūrėti į vidų.
    Paveikslas publikuojamas Stephanie Ohlberger leidimu

  2. Iš kartono išpjaukite 15×15 cm dydžio kvadratą.
    Paveikslas publikuojamas Stephanie Ohlberger leidimu

  3. Naudodami trafaretą, kvadrato viduryje nubrėžkite du koncentrinius apskritimus.
    Paveikslas publikuojamas Stephanie Ohlberger leidimu

  4. Iškirpkite vidinį apskritimą.
    Paveikslas publikuojamas Stephanie Ohlberger leidimu

  5. Tolygiais tarpeliais įkirpkite nuo vidinio iki išorinio apskritimo ir užlenkite dantelius į viršų.
    Paveikslas publikuojamas Stephanie Ohlberger leidimu

  6. Užmaukite kartonėlį ant butelio ir užpildykite butelį vandeniu.
    Paveikslas publikuojamas Stephanie Ohlberger leidimu

  7. Įstatykite savo saulės lemputę iš butelio į trobelės modelio stogo skylę ir pašvieskite žibintuvėliu į butelio kaklelį.
    Paveikslas publikuojamas Stephanie Ohlberger leidimu

  8. Stebėkite saulės lemputę pro šoninį langelį.
    Paveikslas publikuojamas Stephanie Ohlberger leidimu

Kaip tai veikia

Saulės lemputė iš butelio pritaiko šviesos lūžio dėsnius. Kadangi žibintuvėlio šviesa pereina iš žemesnio lūžio rodiklio terpės (oro) į aukštesnio lūžio rodiklio terpę (vandenį), šviesos spinduliai vandenyje užlinksta ir, kai šviesa išeina iš lemputės, ji pasklinda visame kambaryje. Lemputė veikia, kai butelio kakliukas iškišamas per stogą, o palenktus šviesos spindulius paskleidžia pagrindinė butelio dalis, kuri kabo lubose (3 paveikslas) kaip tikra lemputė. Didelis tokio apšvietimo privalumas yra jo tvarumas ir sauga. Tokio tipo „lempa“ nesukelia gaisro pavojaus, jas lengva pagaminti ir įtaisyti. Naudojant šias lemputes, į vandenį paprastai pridedama chloro junginių, kad jis liktų skaidrus ir nepriaugtų dumblių ar mikrobų, o lubose lemputės įtaisomos sandariai, kad būtų atsparios blogoms oro sąlygomsw3. Internete gausu video įrašų, kaip tai padaryti naudojant tinkamus statybinius reikmenis.w4

 

3 paveikslas. Šviesos
spindulių lūžis butelyje,
įtaisytame į trobelės modelį.

Paveikslas publikuojamas
Stephanie Ohlberger leidimu

Tolimesni klausimai

Priklausomai nuo mokinių amžiaus, saulės lemputės eksperimentas galėtų būti didesnio tarpdalykinio projekto, lyginančio besivystančių šalių problemas su pačių mokinių patirtimi, dalis. Pamatę, kaip veikia lemputė, mokiniai turėtų suprasti, kad ši saulės lemputė iš butelio yra didelė pažanga žmonėms, neturintiems užtikrintų elektros šaltinių. Kad palygintų mūsų elektrinius prietaisus su tokiu apšvietimo būdu, mokiniai gali išmatuoti skirtingus šviesos lygius. Taip pat būtų galima atkreipti dėmesį į skurdo paveiktų žmonių socialinę situaciją ir tai panaudoti kaip pradžią mokyklos projektui, kurio metu būtų renkami pinigai, padėsiantys išplatinti saulės lemputes iš butelio neturtinguose regionuose.

Išvados

Saulės lemputė yra naujoviškas namų apšvietimo problemos sprendimas ir gali būti panaudota paprastai pademonstruoti fizikos dėsnius, taip motyvuojant mokinius domėtis šia tema. Ji taip pat suteikia puikią galimybę tarpdalykinėms užduotims. Atlikdami eksperimentus, vaikai mokosi dirbti grupėje ir pasiskirstyti atsakomybėmis, taip pagerinami jų socialiniai įgūdžiai. Be šiame straipsnyje pateikiamo turinio, pamokoje galėtų būti pabrėžiamas mokslinis metodas, supažindinant su bandymų taisyklėmis, kurios bus naudingos ateityje atliekant darbus kitomis gamtos mokslų temomis. Saulės lemputės iš butelio jau įtrauktos į ugdymo programas daugelyje mokyklų kaip šviesos ir alternatyvios energijos projektų dalis, todėl jūsų mokiniai taip pat turėtų gauti galimybę susipažinti su praktiniu šviesos lūžio taikymu.

Download

Download this article as a PDF

Web References

  • w1 – Parsisiųskite detalų aprašymą, kaip atlikti batų dėžutės eksperimentą, Word arba Pdf formatu.
  • w2 – Myshelter Foundation svetainėje pateikiama gera saulės lempučių naudojimo pasaulyje apžvalga.
  • w3 – Nuosekli instrukcija, kaip pasidaryti saulės lemputę.
  • w4 – Trumpas video įrašas, kaip pasidaryti saulės lemputę.

Resources

  • Daugiau informacijos apie saulės lemputes:
  • Optikos ir šviesos fizikos pagrindai:
    • Hecht, E. (2002). Optics (4th ed.). San Francisco: Addison-Wesley.
    • Waldman, G. (2002). Introduction to Light: The Physics of Light, Vision and Color. New York: Dover Publications.
  • Gera bendra informacija apie gamtos mokslus:
    • Taylor, C. (2000). The Kingfisher Science Encyclopedia. London: Kingfisher.

Author(s)

Dr. Claasas Wegneris yra vyresnysis mokytojas, dėstantis biologiją ir fizinį lavinimą vidurinėje mokykloje, ir Bielefeldo universiteto Biologijos dėstymo fakulteto lektorius.

Stephanie Ohlberger yra edukologijos magistrantė, studijuojanti biologijos ir anglų kalbos dėstymą vidurinėje mokykloje. Ji yra akademinė asistentė Bielefeldo universiteto Biologijos dėstymo fakultete.


Review

Šio straipsnio dėmesio centre – svarbi šviesos lūžio tema. Vaikai gali žinoti, kad į stiklinę vandens įmerktas šiaudelis atrodo sulinkęs, tačiau jiems sudėtinga įsivaizduoti, kad iš tikrųjų užlinksta ne šiaudelis, bet šviesa. Batų dėžutės eksperimentas turėtų būti labai naudingas padedant jiems pamatyti, kaip linksta šviesos spinduliai.

Saulės lemputės idėja turėtų sudominti jaunesnius vaikus. Ji gali būti naudojama kaip pagrindas diskusijai apie galimą kasdienį jos pritaikymą. Kuriuose kambariuose ar namų zonose tokios lemputės galėtų būti naudojamos? Mokiniai galėtų įsitraukti į diskusiją apie tokių sistemų naudojimo namuose privalumus ir trūkumus. Galima aptarti saulės lempučių naudojimą ekologiškos statybos, mūsų priklausomybės nuo elektros mažinimo bei jų ekonominės naudos kontekste.

Mokytojai gali labai lengvai pritaikyti šią idėją mokyklos projektui, kuriame mokiniai tyrinėtų tokios sistemos pritaikymo namuose ar platesnėje bendruomenėje galimybę ir naudą. Nors straipsnis daugiausia skirtas pradinių klasių mokytojams, jis galėtų būti naudingas ir vidurinės mokyklos gamtos mokslų ir fizikos mokytojams, pristatantiems šviesos lūžio dėsnius.


Paul Xuereb, Malta




License

CC-BY-NC-SA