Refracţia luminii pentru învăţământul primar: bec solar dintr-o sticlă de plastic Teach article

Tradus de Gabriela Cîrstea. În urmă cu peste zece ani, un om foarte inteligent şi inventiv, locuitor al unei favele, a descoperit că putea produce lumină fără curent electric. Invenţia lui, becul solar, se răspândeşte acum în toată lumea.

Pentru imagine, mulţumim
Africa Studio/shutterstock

În anul 2002, brazilianul Alfredo Moser, de profesie mecanic, a descoperit un mod de a-şi ilumina locuința în timpul zilei, fără a folosi curent electric. Soluţia lui Moser folosea doar o sticlă de plastic plină cu apă. Inovaţia, bazată pe fenomenul refracţiei, s-a răspândit între timp în întreaga lume şi este de aşteptat că va folosi la iluminatul a peste un milion de locuinţe în acest an.

Mulţi profesori ezită să introducă subiecte de fizică în învăţământul primar. Chiar dacă nu ştiu că este vorba de refracţia luminii, este posibil ca mulţi elevi să fi observat că un pai introdus într-un pahar cu apă pare frânt la suprafaţa de separare dintre aer şi apă. În acest articol ne propunem să oferim o prezentare teoretică a refracţiei luminii şi să arătăm cum poate fi folosit becul solar în sala de clasă pentru a face o demonstraţie a acestui fenomen.

Refracţia

Figura 1: Schimbarea direcţiei
de propagare a luminii la
pătrunderea într-un mediu
cu indice de refracţie mai
mare

Pentru imagine, mulţumim lui
Stephanie Ohlberger

Revenind la exemplul paiului cufundat într-un pahar cu apă, acesta pare îndoit sau frânt. Acest lucru se datorează faptului că apa este optic mai densă decât aerul, lumina deplasându-se mai încet în apă decât în aer. Schimbarea vitezei explică modificarea direcţiei de propagare a luminii atunci când trece dintr-o substanţă în alta, fenomen numit refracţie. Două lucruri diferite sunt importante în refracţie, şi anume unghiul sub care cade lumina pe suprafaţa de separare dintre cele două materiale, numit unghi de incidenţă, şi o proprietate specifică fiecăruia dintre cele două materiale, numită indice de refracţie. În general, materialele mai dense au indici de refracţie mai mari, deoarece materialele mai dense încetinesc mai mult lumina.

Figura 2: Schimbarea direcţiei
de propagare a luminii la
pătrunderea într-un mediu
cu indice de refracţie mai mic

Pentru imagine, mulţumim lui
Stephanie Ohlberger

Să ne gândim la un automobil care se deplasează rapid pe şosea, dar încetineşte când ajunge pe un teren noroios. Atunci când lumina cade perpendicular pe suprafaţa de separare dintre două medii transparente, nu are loc refracţie. Similar, când automobilul pătrunde în linie dreaptă pe un teren noroios, veţi observa că încetineşte, dar direcţia de mers va rămâne neschimbată. Dar dacă el intră pe acel teren sub un anumit unghi, roţile care ating suprafaţa noroioasă primele vor fi frânate, iar automobilul va derapa. Similar, dacă razele de lumină cad pe suprafaţa de separare dintre cele două medii sub un anumit unghi cu verticala la acea suprafaţă, direcţia lor de propagare se va schimba în funcție de indicii de refracție ai celor două medii (figurile 1 şi 2).

Fenomenul refracţiei luminii poate fi demonstrat uşor în clasă cu ajutorul câtorva experimente introductive.

 

 A doua lege a refracţiei (legea lui Snell)

În fizică, a doua lege a refracţiei este folosită pentru a descrie refracţia şi proprietăţile acesteia. Conform acestei legi, raportul dintre viteza luminii incidente şi sinusul unghiului de incidenţă este egal cu raportul dintre viteza luminii refractate şi sinusul unghiului de refracţie, (v1/(sinθ1)) = (v2/sinθ2 ). Aceasta înseamnă că atunci când lumina trece dintr-o substanţă cu densitate optică mai mică într-o substanţă cu densitate optică mai mare, raza de lumină se apropie de normala la suprafaţa de separare dintre cele două medii. Aşa se întâmplă când raza de lumină trece din aer în apă. În cazul contrar, când o rază de lumină intră într-un mediu cu indice de refracţie mai mic, de exemplu când trece din apă în aer, aceasta se va îndepărta de normală.

A doua lege a refracţiei poate fi de asemenea scrisă cu ajutorul indicilor de refracţie, care exprimă cât este de dens optic un mediu. Indicele de refracţie al unui mediu, n, se defineşte ca raport dintre viteza de propagare a luminii în vid, c, şi viteza de propagare a luminii în mediul respectiv, v, prin formula n=c/v. Folosind această relaţie, a doua lege a refracţiei se poate scrie sub forma sinθ1 n1 = sinθ2 n2.

Deoarece viteza de propagare a luminii în vid este totdeauna 3 x 108 ms-1, este ușor să calculăm indicele de refracţie al unui mediu dacă ştim viteza de propagare a luminii în acel mediu. Practic, materialele mai dense au indici de refracţie mai mari, deoarece ele încetinesc mai mult lumina.

 

Cutia de pantofi

La fel cum am procedat la începutul acestui articol, subiectul refracţiei luminii poate fi introdus printr-o discuţie despre imaginea frântă a unui pai sau a unui creion într-un pahar, atunci când privim din lateral. Este un punct bun de pornire pentru genera întrebări despre acest subiect. Legile teoretice ale refracţiei pot fi apoi demonstrate prin realizarea unui experiment simplu cu o cutie de pantofi. Fiind un experiment mai delicat, se recomandă realizarea lui în grupe de doi sau trei elevi. În funcţie de vârsta elevilor şi de timpul disponibil, profesorul poate pregăti cutia de pantofi înainte de susţinerea lecţiei, pentru a economisi timpul necesar lucrărilor.

După cum se explică în documentulw1 pe care-l puteţi descărca din secţiunea referințe, veţi avea nevoie de o lanternă, o cutie de pantofi, un cutter şi un pahar cu apă. Tăiaţi cu grijă două fante verticale pe faţa cu arie mai mică a cutiei de pantofi. Spaţiul dintre fante nu trebuie să fie mai mare decât paharul. În mod normal, când luminaţi cu lanterna cele două fante, veţi vedea două fascicule drepte de lumină. Aşezaţi apoi paharul cu apă în cutie, astfel ca cele două fascicule de lumină să cadă pe pahar. Când paharul este aşezat în spatele fantelor, cele două fascicule se intersectează. Conform legii refracţiei, direcţia de propagare a razelor de lumină se schimbă şi acestea ajung să se intersecteze.

 

Becul solar

După ce faceţi demonstraţia refracţiei, puteţi arăta cum este folosit acest fenomen de becurile solare pentru a lumina încăperi şi locuințe la fel de intens ca un bec cu incandescenţă, de 50 – 60 W. Folosind doar o sticlă de plastic plină cu apă oamenii îşi pot ilumina încăperile şi cabanele. Proiectul conceput inițial de Moser a fost preluat şi dezvoltat de organizaţii de caritate pentru a furniza un iluminat mai sustenabil şi mai accesibil comunităţilor din Africa, Filipine, India  şi din alte ţări din sud-estul Asiei, fără a utiliza curent electricw2. În mod normal, pentru a pregăti în clasă propria Dvs. versiune de bec solar, veți avea nevoie de cel mult 10 minute.

Materiale

  • Carton
  • Foarfecă
  • Şabloane circulare
  • Sticlă mare de plastic (1 sau 2l)
  • Apă
  • Cutie mare de carton
  • Lanternă

Instrucţiuni

  1. Decupaţi o formă de cerc în capacul cutiei: aceasta va trebui să fie suficient de mare, pentru ca sticla să poată trece prin ea. Apoi decupaţi pe faţa laterală o deschidere de forma unei ferestre, prin care să puteţi privi în cutie.
    Pentru imagine, mulţumim lui Stephanie Ohlberger

  2. Decupaţi din foaia de carton un pătrat cu latura de 15 cm.
    Pentru imagine, mulţumim lui Stephanie Ohlberger

  3. Cu ajutorul unui şablon, desenaţi două cercuri concentrice în centrul pătratului.
    Pentru imagine, mulţumim lui Stephanie Ohlberger

  4. Decupaţi cercul interior.
    Pentru imagine, mulţumim lui Stephanie Ohlberger

  5. Decupaţi la intervale egale porţiunea de carton dintre cercul interior şi cercul exterior şi îndoiţi în sus fiecare din aceste bucăţi.
    Pentru imagine, mulţumim lui Stephanie Ohlberger

  6. Introduceţi sticla în gaura decupată în carton şi umpleţi – o cu apă.
    Pentru imagine, mulţumim lui Stephanie Ohlberger

  7. Aşezaţi becul solar astfel obţinut în orificiul cutiei folosite ca model de casă şi luminaţi gâtul sticlei cu o lanternă.
    Pentru imagine, mulţumim lui Stephanie Ohlberger

  8. Observaţi becul solar prin fereastra practicată lateral în cutie.
    Pentru imagine, mulţumim lui Stephanie Ohlberger

Să înţelegem ce se întâmplă

Funcţionarea becului solar se bazează pe fenomenul refracţiei. Deoarece lumina emisă de lanternă trece dintr-un mediu cu indice de refacţie mai mic (aer) într-un mediu cu indice de refracţie mai mare (apă), direcţia razelor de lumină se modifică la trecerea prin apă, iar când lumina iese din nou în aer, ea se împrăştie în cameră. Pentru ca acest lucru să se întâmple, gâtul sticlei trebuie să fie deasupra acoperişului, iar corpul propriu-zis al sticlei, atârnat de tavan ca un bec, va împrăştia lumina refractată (Figura 3). Acest tip de iluminat are marele avantaj că este durabil şi sigur. Nu există riscul unui incendiu cu aceste “corpuri de iluminat”, iar confecţionarea şi montarea lor nu costă mult. În aplicaţiile practice ale acestui corp de iluminat, în apă se adaugă clor, pentru a menţine apa curată şi a împiedica proliferarea algelor şi microbilor. Montajul becurilor în acoperiş este etanşat, pentru a le proteja împotriva intemperiilorw3.Pe internet se găsesc multe înregistrări video care arată cum se poate face acest lucru folosind materiale de construcţie adecvatew4.

 

Figura 3: Refracţia luminii
într-o sticlă din interiorul
unei case în miniatură

Pentru imagine, mulţumim lui
Stephanie Ohlberger

Întrebări de aprofundare

În funcţie de vârsta elevilor, experimentul cu becul solar poate fi integrat într-un proiect interdisciplinar mai amplu, centrat pe problemele ţărilor în curs de dezvoltare, tratate comparativ cu experienţele elevilor. Văzând cum funcţionează un astfel de bec solar, elevii îşi vor putea da seama că el reprezintă un progres important în viaţa oamenilor care nu au o sursă sigură de alimentare cu energie electrică. Pentru a compara echipamentele noastre electrice cu acest tip de iluminat, elevii pot măsura diferite niveluri de iluminat. Un posibil subiect de discuţie este situaţia socială a oamenilor afectaţi de lipsa alimentării cu energie electrică, acesta putând fi un punct de plecare pentru un proiect școlar având ca obiectiv colectarea unor fonduri pentru a ajuta la răspândirea utilizării becurilor solare în zonele defavorizate.

Concluzie

Becul solar este o soluţie ingenioasă la problema iluminatului locuinţelor. Funcţionarea lui oferă o demonstraţie simplă a unei lecţii de fizică, care va stimula motivaţia elevilor pentru studiul acestei ştiinţe. De asemenea, tema oferă un prilej excelent pentru efectuarea unor activități interdisciplinare. Fiind angrenaţi în realizarea experimentelor, elevii vor lucra în echipă şi vor avea responsabilitatea sarcinilor alocate, ceea ce va contribui la îmbunătăţirea aptitudinilor lor sociale. Pe lângă conţinutul ştiinţific propriu-zis, lecţia poate pune accent pe metoda ştiinţifică, prin prezentarea introductivă a protocoalelor experimentale, concept util în activitatea viitoare a elevilor în studiul altor subiecte de ştiinţe ale naturii. Această abordare, cu includerea prezentării becului solar în activitatea de predare, a fost deja folosită în multe şcoli ca parte a unor proiecte legate de lumină sau energie alternativă, deci aţi putea să le oferiţi şi elevilor Dvs. şansa de a experimenta fenomenul refracţiei luminii și dintr-o perspectivă practică.

Download

Download this article as a PDF

Web References

  • w1 – Descărcaţi instrucţiunile detaliate, în Word sau Pdf, pentru a realiza experimentul cu cutia de pantofi.
  • w2 – Site-ul web al Fundaţiei Myshelter oferă o bună vedere de ansamblu a utilizării becurilor solare în lume.
  • w3 – Accesaţi aceste instrucţiuni pas cu pas pentru a confecţiona un bec solar.
  • w4 – Priviţi un scurt film despre confecţionarea unui bec solar.

Resources

  • Pentru mai multe informaţii despre becurile solare, puteţi consulta:
  • Pentru o tratare teoretică a opticii şi fizicii luminii, puteţi consulta:
    • 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.
  • Pentru o bună prezentare generală despre ştiinţe, puteţi consulta:
    • Taylor, C. (2000). The Kingfisher Science Encyclopedia. London: Kingfisher.

Author(s)

Dr. Claas Wegner este profesor senior la catedra de biologie şi educaţie fizică a unui liceu şi este lector la Universitatea Bielefeld, în Departamentul pentru didactica biologiei.

Stephanie Ohlberger este masterand în ştiinţele educaţiei pentru biologie şi engleză pentru învăţământul secundar. Ea este asistent universitar în Departamentul pentru didactica biologiei al Universităţii Bielefeld.


Review

Acest articol tratează subiectul important al refracţiei. Este posibil ca elevii să fi observat deja că un pai introdus într-un pahar cu apă pare să fie frânt la suprafaţa de separare dintre aer şi apă, dar este dificil pentru ei să-şi imagineze că, de fapt, lumina este cea care îşi schimbă direcţia de propagare, forma paiului rămânând neschimbată. Experimentul cu cutia de pantofi poate fi foarte util pentru a-i ajuta să vizualizeze curbarea razelor de lumină.

Ideea unui bec solar ar putea fi incitantă pentru elevii mai mici. Ea poate fi folosită ca punct de pornire pentru o discuţie despre aplicaţiile posibile în viaţa de zi cu zi. În ce încăperi sau zone din locuinţă ar putea fi folosite astfel de becuri? Elevii pot fi antrenaţi într-o discuţie despre avantajele şi dezavantajele utilizării acestui sistem acasă. Se poate discuta folosirea becului solar în contextul proiectării clădirilor verzi, al reducerii dependenţei noastre de energia electrică, prezentându-se valoarea sa economică.

Profesorii pot adapta foarte uşor conceptul pentru un proiect şcolar în care elevii să analizeze fezabilitatea şi valoarea introducerii unui astfel de sistem acasă sau în comunitatea locală. Deşi acest articol se adresează în principal cadrelor didactice din învăţământul primar, profesorii care predau ştiinţe şi fizică în învăţământul secundar l-ar putea considera util pentru o lecţie de introducere a refracţiei.


Paul Xuereb, Malta




License

CC-BY-NC-SA