Программа элективного курса "Оптика геометрическая и волновая". 11-й класс

Разделы: Физика

Класс: 11

Оптика играет в жизни современного человека очень важную роль. Уже невозможно представить себе жизнь без этой отрасти физической науки. И на земле, и в космическом пространстве работают приборы и устройства различного назначения, создание которых было бы невозможно без знания основ оптики. Эти устройства делают нашу жизнь удобнее и проще, позволяют исследовать окружающий мир и получать совершенно новую информацию, способствуют дальнейшему развитию науки и техники.

Методы исследования, применяемые в данной области физики, являются очень точными и уже довольно длительное время используются для изучения широкого круга явлений окружающего нас мира, благодаря чему оптика служит “локомотивом” для развития многих теорий. Так, толчком к развитию квантовой физики и теории относительности в значительной мере послужили именно оптические исследования.

Данный раздел физики достаточно хорошо освещается в школьном курсе, однако, многие вопросы, вызывающие интерес учащихся, такие как метод создания голограмм, оптических иллюзий, получение изображений в технике фризлайт и т.д., остаются “за страницами учебника”. Элективный курс “Оптика геометрическая и волновая” призван помочь учащимся расширить границы изучаемого материала, разобраться в сложных вопросах геометрической и волновой оптики, способствовать выработке навыков решения задач и выполнения лабораторных работ по теме “Оптика”. Кроме того, разбор олимпиадных заданий по “Оптике” существенно облегчит подготовку к решению задач блока “С” ЕГЭ по данной теме.

Данный элективный курс разработан для учащихся 11 класса физико-математического, физико- химического и подобных профилей, федеральный компонент базисного учебного плана которых включает 5 часов физики в неделю, и рассчитан на 17 учебных часов. Изучение данного курса предполагается во втором полугодии 11 класса после того, как учащиеся освоили материал темы “Оптика” в рамках основного курса физики.

Цель курса: научить использовать законы и принципы геометрической и волновой оптики на практике (при решении задач, выполнении лабораторных работ и практических заданий).

Планируемые образовательные результаты учащихся:

  • Воспроизводят основные понятия и законы геометрической и волновой оптики (законы отражения, преломления света, условия максимума и минимума интерференции, условие максимума для различных типов дифракционных решеток, закон Малюса).
  • Решают расчетные, комбинированные, и качественные задачи, а так же олимпиадные задачи на применение законов волновой и геометрической оптики.
  • Проводят экспериментальные исследования, анализируют, оценивают и объясняют полученные результаты.
  • Демонстрируют знание принципов работы оптических систем, формирующих изображение, световодов, способов получения голографических изображений и фотографий в технике Фризлайт. Описывают механизм возникновения оптических иллюзий.
  • Собирают модели перископа, калейдоскопа и объясняют принципы их работы.

Способы оценки планируемых результатов:

В качестве основной формы оценки результатов работы учащихся предлагаю ввести накопительную систему оценки их достижений. Общая аттестационная оценка - “зачтено”/ “не зачтено” выставляется учителем по результатам подсчета баллов, полученных учащимися за выполнение различных видов работ. Подробные рекомендации для оценивания деятельности учащихся с указанием баллов, выставляемых по каждому критерию в различных видах работы представлены в Приложении 1 к работе. В данном разделе в таблице 1, приведены выдержки из этих рекомендаций, дающие общее представление о методах оценки достижений учащихся.

Таблица 1. Рекомендации для оценивания деятельности учащихся

Вид работы Критерии оценки Баллы
Выступление с докладами, сообщениями по теоретическим вопросам курса.
  • Умение представлять информацию в логической последовательности;
  • Умение четко излагать мысли, иллюстрировать рассказ схемами, рисунками, привлекать внимание слушателей к материалу презентации
От 2 до 8 баллов
Выполнение лабораторных работ с помощью физ. приборов, с помощью компьютерных моделей
  • Умение формулировать цель исследования;
  • Умение планировать эксперимент и оценивать полученный результат, делать выводы
От 3 до 8 баллов за каждую работу
Сборка модели перископа, или калейдоскопа (на выбор)
  • Умение находить информацию о методах безопасной сборки модели;
  • Умение подобрать материалы для сборки модели и осуществление самой сборки;
  • Объяснение принципа действия модели для аудитории.
 От 5 до 23 баллов
Объяснение принципов работы технических устройств, методов создания голограмм Умение объяснять принципы работы оптических приборов и технологий, основанных на законах оптики От 3 до 8 баллов
Решение физических задач Критерии проверки взяты из материалов для проверки ЕГЭ.

Приведено полное правильное решение, включающее следующие элементы:

  • Учащийся правильно записал данные задачи, осуществил перевод единиц (если есть необходимость)
  • Учащийся представил не содержащий ошибок схематический рисунок, схему или график, отражающий условия задачи (если это необходимо);
  • Верно записал формулы, выражающие физические законы, применение которых необходимо для решения задачи;
  • Учащийся правильно провел необходимые математические преобразования и расчеты, приводящие к правильному ответу, и представил правильный ответ.
 От 1 до 3 баллов
Оценка “Зачтено” ставится при получении учащимся 20 баллов и выше.

Для оценки деятельности учащихся удобно использовать таблицу, в которую учитель вносит баллы, полученные учащимся за выполнение тех или иных видов деятельности. Баллы учитель выставляет за каждое занятие по результатам наблюдения за работой учащегося. Если учащийся несколько раз выполняет один и тот же вид деятельности (например, решает несколько задач), то баллы выставляются в соответствующую колонку таблицы за каждую задачу в отдельности, через запятую. Пример заполнения таблицы для оценки деятельности учащихся приведен ниже (Таблица 2.).

Таблица 2. Оценка деятельности учащихся.

ФИО
уч-ся		 Выступление с докладами, сообщениями Выполнение лабораторных работ Сборка модели Объяснение принципов работы тех. устройств, методов создания голограмм Решение задач Сумма баллов
1. Иванов Иван 8, 8 8,8 - - 3,3,3 41
2. Петров Петр 8 8,8 20 8 2,2 56

Основания для отбора содержания образования:

При отборе содержания образования курса учитывалось содержание материала по оптике, представленное в различных учебно-методических комплексах, содержащихся в Федеральном перечне учебников и рекомендованных к использованию учащимися, изучающими физику на профильном уровне. Отобранный таким образом материал сравнивался с содержанием примерных программ по физике для профильного уровня.

Представленный курс включает в себя введение и два раздела: “Геометрическая оптика” и “Волновая оптика”. В каждом разделе содержится теоретический материал и материал прикладного характера, а так же список возможных демонстраций и лабораторных работ. Некоторые темы, включенные в программу элективного курса, совпадают с темами, представленными в примерных программах по физике, однако содержание материала отличается от базового курса.

Для достижения цели курса предполагается использование различных форм организации занятий. Во время лекций излагается теоретический материал, при этом преимущественно используется информационно-иллюстративный метод, когда учащимся разными средствами сообщается готовая информация, а они ее воспринимают, осознают и фиксируют в памяти, и элементы метода проблемного обучения. При этом, прежде чем излагать материал, перед учащимися ставится проблема, формулируется познавательная задача, а затем, раскрывается система доказательств, сравнивая точки зрения, различные подходы, показывается способ решения поставленной задачи. В качестве содокладчиков могут выступать учащиеся. В этом случае они воспроизводят отдельные элементы содержания курса, демонстрируют понимание основных законов и принципов.

Во время практических занятий учащиеся выполняют лабораторные работы (как с помощью приборов, так и с помощью компьютерных моделей), решают задачи, обсуждают устройство и принципы действия различных оптических приборов, демонстрируют изготовленные самостоятельно физические приборы и модели, выступают с докладами и сообщениями по теме. Основные методы обучения в этом случае – исследовательский (метод, в котором после анализа материала, постановки проблем и задач и краткого инструктажа учащиеся самостоятельно изучают литературу, ведут наблюдения и измерения и выполняют другие действия поискового характера) и частично-поисковый (когда активный поиск решения познавательных задач организуется либо под руководством педагога, либо на основе эвристических программ и указаний). 

Большая роль отводится самостоятельной работе учащихся при решении задач, подготовке докладов и презентаций, выполнении лабораторных работ и создании моделей оптических приборов. В ходе самостоятельной работы ученики сами осознают характер выполняемой работы, сами определяют и находят способы преодоления возникающих трудностей, в целом сами организуют свою деятельность, что способствует достижению цели курса. Роль учителя во время практических занятий сводится только к консультированию учащихся.

Характеристика ресурсов

Образовательные ресурсы:

Информационные:

  1. В.А. Касьянов. Физика 11 класс. Профильный уровень/ Касьянов В.А. - М.: Дрофа, 8-е изд., дораб. - М.: 2011 г. - 448 с.
  2. Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Физика. Оптика. Квантовая физика. Профильный уровень. 11 кл. Учебник./ Г.Я Мякишев, А.З. Синяков - М.: Дрофа. 2013 г. – 464 с. (желательно)
  3. С.М. Козел, В.А. Орлов, А.Ф. Кавтрев, В.И. Зинковский, Н.Н. Гомулина “Открытая физика” Версия 2.6, часть II: Электродинамика, Электромагнитные колебания и волны, Оптика, Основы специальной теории относительности, Квантовая физика, Физика атома и атомного ядра. / под редакцией профессора МФТИ С.М. Козела. - Компьютерная программа. - ООО “Физикон”, 2009.- 2 эл. опт. диска  (CD-ROM).
  4. Варламов С.Д., Зильберман А.Р., Зинковский В.И. Экспериментальные задачи на уроках физики и физических олимпиадах./ Варламов С.Д. - М.: МЦНМО, 2009. - 184 с.
  5. Горлова Л.А. Сборник комбинированных задач по физике: 10- 11 классы./ Горлова В.А. - М.: ВАКО. 2011. - 128 с.
  6. Гулиа Н.В. Удивительная физика./ Гулиа Н.В. (О чем умолчали учебники) - М.: ЭНАС, 2010 г. - 416 с.
  7. Кессельман В.С. Удивительная история физики./ Кессельман В.С. (О чем умолчали учебники). – М.: Энас-книга, 2013 г. - 376 с.
  8. Е.С. Объедков, О.А. Поваляев. Физическая микролаборатория/ Е.С. Объедков, О.А. Поваляев.- М.: Просвещение. 2010 г. - 121 с.
  9. Астрономия/ Авт.-сост. М.Я. Цофин.- Мн.: Харвест. 1998 –(Библиотека школьника).- 704 с
  10. ЕГЭ–2014. Физика: тематические и типовые экзаменационные варианты: 32 варианта / под ред. М.Ю. Демидовой. - М.: Издательство “Национальное образование”, 2014 (ЕГЭ–2014. ФИПИ – школе). - 272 с.

Интернет-ресурсы:

  • Если нет диска “Открытая физика” Версия 2.6, часть II / С.М. Козел, В.А. Орлов, А.Ф. Кавтрев, В.И. Зинковский, Н.Н. Гомулина . под ред. С.М. Козела, но есть выход в сеть Интернет, то режим доступа к программе: http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/content.html#.VCB3o3C0uIX (дата обращения 03.11.2014)
  • Пальченков Р., Долгополов А. Freezelight [Электронный ресурс]: официальный сайт арт-проекта Freezelight.ru .- Москва 2008-2014 – Режим доступа: http://www.freezelight.ru (дата обращения 03.11.2014)
  • Официальный сайт музея оптики г. Санкт-Петербурга. - Санкт-Петербург, 2009-2014.- Режим доступа: http://optimus.ifmo.ru/ru (дата обращения 03.11.2014)
  • К. Чайников. Музей оптики СПБУ ИТМО./ К. Чайников, видеоматериалы - Санкт-Петербург, 2009 г.- Режим доступа: http://www.youtube.com/watch?v=Q8m0vjba8qg (дата обращения 03.11.2014)
  • Экскурсия по прикладной голографии в музее Оптики. (Видеоматериалы). Режим доступа: http://www.youtube.com/watch?v=KUxYUjNArK0 (дата обращения 03.11.2014)

Материальные ресурсы:

  • Желателен доступ к сети Интернет.
  • Наличие комп. диска “Открытая физика” 2.6, Часть 2.
  • Наличие наборов лабораторного и демонстрационного оборудования серии “L- микро”: комплекты “Оптика” и комплекта “Оптика демонстрационная”

Организационные ресурсы:

  • Рекомендуется проводить занятия через час после окончания основных уроков у учащихся с целью обеспечения возможности отдыха для учащихся.
  • Занятия необходимо проводить в специализированном кабинете, где имеется возможность безопасного подключения электрических цепей к сети.
  • Желательно иметь возможность выхода в сеть Интернет. (Особенно во время заключительного занятия)

Тематическое планирование

Программа курса включает в себя следующие разделы:

1. Введение – (2 часа). История развития учения о свете с древнейших времен до наших дней. (Идеи Пифагора, Платона, И. Ньютона, Х. Гюйгенса, Р. Гука, Т. Юнга, Ж. Френеля, Дж. К. Максвелла, М. Планка). Методы определения скорости света.

Демонстрации:

  • Компьютерная модель опыта Майкельсона по измерению скорости света (“Открытая физика”)

2. Геометрическая оптика – (7 часов) Отражение света. Сферическое зеркало и его применение. Построение изображений в сферическом зеркале.

Тонкая линза, ее фокусное расстояние, формула тонкой линзы, недостатки линз. Оптическая система двух линз. Оптические приборы, формирующие изображение: лупа, фотоаппарат, микроскоп, телескоп. Разрешающая способность оптических приборов. Немного из истории оптической астрономии.

Полное внутреннее отражение. Волоконные световоды и их применение.

Как мы смотрим на мир? (Оптическая система глаза человека, бинокулярное зрение, стереоскопическое зрение, дефекты зрения и их коррекция, оптические иллюзии).

Элементы фотометрии. Фризлайт -  искусство рисования светом, одно из направлений современной фотографии.

Демонстрации

  • Компьютерная модель “Сферическое зеркало”, “Микроскоп”, “Зрительная труба Кеплера”,  “Глаз как оптический инструмент”, “Система из двух линз”. (“Открытая физика”)
  • Полное внутреннее отражение, модель световода.
  • Зрительные иллюзии.
  • Видеоуроки создания фотографий в технике Фризлайт.

Лабораторные работы:

  • “Изучение рассеянного и зеркального отражений”.
  • “Определение оптической силы системы линз (собирающей и рассеивающей)”
  • “Определение спектральных границ чувствительности человеческого глаза”

Экспериментальное задание: изготовление калейдоскопа, модели перископа, изготовление простейшего фотоснимка в технике Фризлайт.

3. Волновая оптика –  (7 часов). Электромагнитная природа света. Интерференция света. Интерферометры и их применение. Просветление оптики и другие применения интерференции.

Дифракция света. Метод зон Френеля. Типы дифракционных решеток и их характеристики. Понятие о голографии и ее возможном применении.

Поляризация света и ее применение. Закон Малюса. Дисперсия света. Цвета тел.

Демонстрации

  • Компьютерные модели “Кольца Ньютона”, “Интерференционный опыт Юнга”,  “Зоны Френеля”, “Дифракционная решетка”, “Поляризация света”, “Закон Малюса”.(“Открытая физика”)
  • Интерференция в тонких пленках.
  • Кольца Ньютона.

Лабораторные работы

  • “Наблюдение интерференции и дифракции света”
  • “Определение разрешающей способности глаза”.

4. Обобщающее занятие – (1 час). Виртуальная экскурсия по музею оптики г. Санкт-Петербурга. Если нет возможности выхода в Интернет, то проводится обобщающее занятие по теме: корпускулярно-волновой дуализм свойств света. Границы применимости геометрической оптики.

Учебно-тематическое планирование

Тема Количество часов Формы контроля
Всего Аудиторных Внеаудиторных В т.ч. на практическую деятельность
Введение 2 2     Оценка выступления учащихся в баллах
Геометрическая оптика 7 3 4 4 Оценка выполнения лабораторных работ, решения задач, оценка за презентацию изготовленных моделей опт. приборов ( в баллах)
Волновая оптика 7 3 4 2 Оценка выполнения лабораторных работ, решения задач, выступлений с докладами и сообщениями (в баллах)
Обобщающее занятие 1   1   Оценка участия в дискуссии. Итоговый подсчет баллов.
Итого: 17 8 9 6  

Литература

  1. В.А. Алешкевич. Н.С. Пурышева. Программа элективного курса “Оптика” // Программы элективных курсов. Физика. 9-11 классы. Профильное обучение / сост. В.А. Коровин. - М.: Дрофа. 2009, 127 с (элективные курсы).
  2. Астрономия/ Авт.-сост. М.Я. Цофин.- Мн.: Харвест. 1998 –(Библиотека школьника).- 704 с.
  3. Варламов С.Д., Зильберман А.Р., Зинковский В.И. Экспериментальные задачи на уроках физики и физических олимпиадах./ Варламов С.Д.- М.: МЦНМО, 2009. - 184 с.
  4. Горлова Л.А. Сборник комбинированных задач по физике: 10- 11 классы./ Горлова В.А. - М.: ВАКО. 2011. - 128 с.
  5. Гулиа Н.В. Удивительная физика./ Гулиа Н.В. (О чем умолчали учебники) - М.: ЭНАС, 2010 г. - 416 с.
  6. В. С. Данюшенков, О.В. Коршунова. Программа по физике для 10-11 классов общеобразовательных учреждений (Базовый и профильный уровни)// Программы общеобразовательных учреждений. Физика 10-11 классы/ Саенко П.Г., Данюшенков В.С., Коршунова О.В. - М.: Просвещение, 2010 г. - 160 с.
  7. ЕГЭ – 2014. Физика: тематические и типовые экзаменационные варианты: 32 варианта / под ред. М.Ю. Демидовой.- М.: Издательство “Национальное образование”, 2014 (ЕГЭ – 2014. ФИПИ – школе). - 272 с.
  8. В.А. Касьянов. Физика 11 класс. Профильный уровень/ Касьянов В.А - М.: Дрофа, 8-е изд., дораб. - М.: 2011 г. - 448 с.
  9. Кессельман В.С. Удивительная история физики./ Кессельман В.С. (О чем умолчали учебники). - М.: Энас-книга, 2013 г. - 376 с.
  10. С.М. Козел, В.А. Орлов, А.Ф. Кавтрев, В.И. Зинковский, Н.Н. Гомулина “Открытая физика” Версия 2.6, часть II: Электродинамика, Электромагнитные колебания и волны, Оптика, Основы специальной теории относительности, Квантовая физика, Физика атома и атомного ядра. / под редакцией профессора МФТИ С.М. Козела.- Компьютерная программа.- ООО “Физикон”, 2009.- 2 эл. опт. диска  (CD- ROM).
  11. С.М. Козел, В.А. Орлов, А.Ф. Кавтрев, В.И. Зинковский, Н.Н. Гомулина “Открытая физика” Версия 2.6, часть II: Электродинамика, Электромагнитные колебания и волны, Оптика, Основы специальной теории относительности, Квантовая физика, Физика атома и атомного ядра. / под редакцией профессора МФТИ С.М. Козела. - Компьютерная программа.- ООО “Физикон”, 2009. – 2014 г. - Режим доступа: http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/content.html#.VCB3o3C0uIX (дата обращения 03.11.2014)
  12. Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Физика. Оптика. Квантовая физика. Профильный уровень. 11 кл. Учебник./ Г.Я Мякишев, А.З. Синяков. - М.: Дрофа. 2013 г. - 464 с.
  13. Е.С. Объедков, О.А. Поваляев. Физическая микролаборатория/ Е.С. Объедков, О.А. Поваляев. - М.: Просвещение. 2010 г. - 121 с.
  14. Официальный сайт музея оптики г. Санкт-Петербурга. [Электронный ресурс] - Санкт-Петербург, 2009-2014. - Режим доступа: http://optimus.ifmo.ru/ru (дата обращения 03.11.2014)
  15. Пальченков Р., Долгополоа А. Freezelight [Электронный ресурс]: официальный сайт арт-проекта Freezelight.ru .- Москва 2008-2014 – Режим доступа: http://www.freezelight.ru (дата обращения 03.11.2014)
  16. Тарасов Л.В. Физика в природе: Кн для учащихся./ Тарасов Л.В. - М.: Просвещение. 1988 г. - 352 с.
  17. К. Чайников. Музей оптики СПБУ ИТМО./ К. Чайников, видеоматериалы - Санкт-Петербург, 2009 г. - Режим доступа: http://www.youtube.com/watch?v=Q8m0vjba8qg (дата обращения 03.11.2014)
  18. Экскурсия по прикладной голографии в музее Оптики. (Видеоматериалы). Режим доступа: http://www.youtube.com/watch?v=KUxYUjNArK0 (дата обращения 03.11.2014)

Приложение 1