Тема занятия: "Свет и цвет на железнодорожном транспорте"

Цель с точки зрения физики:

• интегрировать современные информационные технологии на факультативе “Физика на железнодорожном транспорте”;
• предоставить студентам возможность реализовать свои знания в другой ситуации;
• расширить и углубить знания по вопросам оптики;
• развитие самостоятельности при работе с материалом;

Цель с точки зрения информатики:

• уметь выполнять запуск программы Excel;
• выполнять операции мышью;
• создавать таблицы (т. е. заполнять ячейки таблицы данными и формулами);
• уметь выделять ячейки и блоки таблицы;
• выполнять построение диаграммы.

Эпиграф:

“Радость видеть и понимать самый прекрасный дар природы”.

А. Эйнштейн.

Оборудование и методическое обеспечение:

• оптические приборы: микроскоп, спектроскоп;
• персональные компьютеры, CD – диск;
• программы: “Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия 2003, ФИЗИКА”
• 1С-репетитор “ФИЗИКА”;
• магнитофон с записью (Музыка: К. Дебюсси “Лунный свет”,П. И. Чайковский “Иоланта”);
• лазерная указка,
• ведомость у каждого студента.

Жюри – экспертная комиссия “без халатов” (как “без галстуков”) в составе:

Команды:

1. Лунный свет (девиз: светить всегда, светить везде),
2. Сканнер (девиз: сканирую все, что вижу).

План занятия.

1. Орг. момент.
2. Разминка.
3. Тест, используя программу: “Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия 2003, ФИЗИКА”.
4. Работа с программой 1С-репетитор “ФИЗИКА”.
5. Чёрный ящик.
6. Построение диаграммы с помощью программы Excel.
7. Слово жюри.
8. Заключение.

Ход занятия

1. Орг. момент. Представление жюри и команд.
2. Презентация /анимации на фоне музыки: К. Дебюсси “Лунный свет”/

“На железной дороге стыкуются множество отраслей науки и техники” - это слова известного русского инженера – мостовика Е. О. Патона.

Для того, чтобы железные дороги отвечали современным требованиям, они должны постоянно совершенствоваться, вбирая все новые достижения современной науки и в частности, физики, один из разделов которого “Оптика”.

У нас сегодня необычное занятие.

Мы живём в век информационных технологий. Лазер прописался” во многие отрасли промышленности, транспорта, медицину, связь.

Вам жить в новом времени.

Цель занятия:

• познакомиться с применением света и цвета на железнодорожном транспорте,
• расширить и углубить знания по вопросам оптики,
• научиться работать с программами “1С”,
• Excel: создавать таблицы, выполнять построение диаграмм.

Представляем жюри – экспертная комиссия “без халатов” в составе:

Председатель:

Члены жюри:

Гости:

Надеемся, что гости обнаружат наши знания, а не их отсутствие.

Не волнуйтесь, сосредоточьтесь, мы учимся вместе с вами.

Представляем команды:

• Лунный свет (девиз: светить всегда, светить везде),
• Сканнер (девиз: сканирую все, что вижу).

Итак начинаем…

3. Презентация /анимации на фоне музыки: К. Дебюсси “Лунный свет”/

“Радость видеть и понимать самый прекрасный дар природы”.

А. Эйнштейн.

1. ведущий: /в руках лазер и оптический диск CD/

Цвет лазера и … ёмкость оптических дисков.

На первый взгляд никакой связи между этими фактами нет. Действительно, не всё ли равно, какой цвет имеет лазерный луч, пишущий информацию с оптического диска.

Однако неверно: чем меньше длина световой волны (т. е. чем “синее” луч лазера), тем плотнее можно записать информацию.

Следовательно, между оптикой и информатикой самая тесная связь. В этом нам ещё раз предстоит убедиться.

Свет … Какое короткое и в то же время ёмкое слово. “В слове “Свет” заключена вся физика”… - говорил С. И. Вавилов. Задолго до выявления истинной природы света выдающиеся мыслители и ученые сознавали его фундаментальную роль в природе. Вот только некоторые из них: Декарт, Ньютон, Пифагор, Эвклид, Птолемей, Гюйгенс, Юнг, Френель, Вавилов.

Они придерживались разных точек зрения, но вместе с тем понимали, что свет…

Чудесный дар природы вечной,
Дар бесценный и святой.
В нём источник бесконечный
Наслажденья красотой.

Солнце, небо, звёзд сиянье,
Море в блеске голубом,
Всю природу и созданье
Мы лишь в свете познаём.

Вопрос: Кстати, кто из оперных героинь пропел этот вдохновенный гимн свету?

Ответ: П. И. Чайковский “Иоланта”/

2. Видимое излучение.

Спросим любого человека: каким образом используется свет на железнодорожном транспорте, и получите ответ – для освещения (вокзалов, станционных путей, в вагонах…) и передачи разнообразной информации, сигнальные огни светофоров). Круг явлений, связанных с оптикой и применяемых на железнодорожном транспорте, гораздо шире.

Под словом “свет” понимают видимое излучение, то есть электромагнитные волны в интервале частот, воспринимаемых человеческим глазом (7,5*10¹⁴ - 4*10¹⁴ Гц ), что соответствует длинам волн 400-700 нм (нанометров).

Под действием излучения в чувствительных элементах сетчатки глаза происходят обратимые химические реакции, сигналы о которых поступают в мозг человека. При изменении частоты излучения реакции происходят иначе. Мозг воспринимает такое превращение как изменение цвета. Наиболее активно они происходит в жёлто-зелёной части спектра (555 нм), другие цвета глазом воспринимаются хуже.

3. Законы отражения и преломления света.

При попадании света на границу раздела двух сред, если поверхность достаточно гладкая, наблюдается “зеркальное” отражение. По закону отражения: луч падающий, луч отражённый и перпендикуляр, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости; угол падения равен углу отражения.

Если поверхность препятствия шероховатая, то происходит диффузное отражение, т. е. во все стороны. Часть падающего света проходит во вторую среду. По закону преломления света: луч падающий, луч, преломлённый и перпендикуляр, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред.

В плоском зеркале изображение равное, но правое изображение “заменено” на левое. Зеркало используется на транспорте для бокового наблюдения.

Закон преломления света используется в линзах.

Линза – это прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями. В оптической системе прожектора используют зеркала и линзы. Свет прожектора освещает большие поверхности, как и сигнальные светофоры. Их видно издалека. Для увеличения длины прожектора используют оптические системы, состоящие из нескольких линз с малыми фокусными расстояниями , а также специальные ступенчатые линзы.

4. Лазеры.

В настоящее время созданы источники света, излучение которых имеет очень малую расходимость. Это – лазеры, оптические квантовые генераторы вынужденного излучения. На свойстве малой расходимости лучей лазеров основано их использование в проходческих работах в качестве нивелиров для выставления направления проходки. Лазерный нивелир использовали при строительстве железнодорожных путей под Ла-Маншем. Строительство тоннеля обычно ведётся с двух сторон и требуется строго выдерживать направление проходки, чтобы сошлись оба коридора. Раньше это давалось с большим трудом. Известный инженер Л. Фавр от волнения (“а вдруг не сойдутся”?!) умер в спроектированном им 15-ти километровом тоннеле. Как потом оказалось, пути действительно “не сошлись” - лишь на несколько сантиметров!

Источники света можно использовать для передачи информации. При помощи светового телеграфа (короткие и длинные вспышки: точки, тире) можно передавать текстовые сообщения. Надёжность такой информации невелика.

Световые сигналы сейчас передают с помощью волоконной оптики, в которой используется явление полного отражения света. Оптические каналы провода очень тонкие, по ним проводятся сигналы со скоростью света. Оптоволоконные системы способны осуществлять многоканальную телефонную связь (В г. Тынде осуществляется такая связь), передавать оптическое изображение, сигналы управления и обработки информации. Такие линии уже используются на транспорте. В Лондоне, например, с помощью волконно-оптических кабелей проложена телефонная линия между несколькими железнодорожными станциями. На железной дороге “Юнион Пасифик” (С. Ш. А) оптический кабель протянут между мониторами поста управления сортировочной станцией и передающей сортировочной станцией, что позволяет без помех наблюдать за сортировкой вагонов.

5. Световая сигнализация

Световая сигнализация на транспорте имеет давнюю историю. В России началом её можно считать введение самолично ещё Николаем I сигнальных зелёных огней на паровозах. Его высочайшее повеление вышло после того, как однажды ночью на единственной тогда в России Царскосельской железной дороге поезд задавил часового.

В наше время передача световой сигнализации на железной дороге осуществляется при помощи различных сигнальных огней, светофоров, информационных табло, телевизионных экранов, мониторов и т. д.

Разные цвета наш глаз воспринимает неодинаково хорошо. Так зелёный цвет не сразу распознаёт, что он зелёный (это особенности нашей психики). А вот красный цвет распознаёт быстро и при этом действует на нас возбуждающе. Жёлтый и оранжевый вызывают концентрацию внимания. , а светло-зелёный действуют успокаивающе. Цвет вызывает даже ощущение температуры: говорят, что красно-жёлтые цвета – тёплые, а голубовато-синие – холодные. Глаз по-разному реагирует на сочетание цветов: лучше всего различает красное и зелёное, жёлтое и чёрное. Вот почему для сигнализации на транспорте используют цвета: красный (опасность), жёлтый (предупреждение), а зелёный (безопасность). Не случайно выбран и оранжевый цвет спецодежды рабочих на дороге – он сразу “бросается в глаза”. Ещё пример: установлено, что именно оранжево-красные контрастные полосы на лобовой части локомотивов имеют наибольшую дальность видимости. Часто их наносят флюоресцирующими красками, люминесцирующими под действием дневного света, что увеличивает дальность видимости в 1,5 – 2 раза.

Для выделения цвета и уменьшения его интенсивности используют светофильтры. (для затемнения слишком яркого света).

Белая краска отражает всё видимое глазом излучение, чёрная – наоборот, поглощает всё это облучение. Именно поэтому на южных дорогах нашей страны крыши вагонов окрашены в светлые тона, а на севере – наоборот, желательны тёмные тона, а значит в вагоне будет теплее.

6. Поляризация света.

Бороться с ослепляющим действием прожекторных огней встречных можно с помощью поляризаторов. Поляризаторы – это например плёнки, пластинки веществ, которые пропускают свет только в одном направлении. Так проходя через два поляроида, расположенных под углом 90⁰, интенсивность равна нулю. Такое свойство поляроидов можно использовать на практике, если например первый поляризатор установит в выходном отверстии локомотива, второй, повёрнутый на 90⁰, - на лобовом стекле кабины машиниста локомотива: прямой свет прожектора встречного поезда в кабине машиниста будет сильно ослаблен.

Мы рассмотрели применением света и цвета на железнодорожном транспорте, а теперь приступим к выполнению практических заданий. Команды Лунный свет, Призма и Сканнер занимают место у компьютеров.

Задание №1 (поисковое): с помощью программы “1-С” ответить на вопросы.

Работа с программой - 1С – репетитор “ФИЗИКА”. За правильные ответы -2 балла – каждому студенту, после чего, отвечаем на вопросы “Дисперсия света”, что каждому члену команды тоже – 2 балла.

Как неожиданно и ярко
На влажной неба синеве
Воздушная воздвиглась арка
В своём минутном торжестве!
Один конец в леса вонзила,
Другим за облако ушла –
Она полнеба обхватила
И в высоте изнемогла.

Задание №2.

Критерий оценок: За “19 - 20” из “20” правильный ответа – 3 балла, за “16 – 18” правильный ответа – 2 балла, за “14 – 15” правильный ответа – 1 балл, а за меньшее количество - 0 баллов.

Тест

Провели небольшую разминку, а теперь - тестирование, используя программу: “Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия. У каждого из вас инструкция по выполнению задания и ведомость учёта выполнения задания, куда вы вносите в присутствии преподавателя число правильных ответов ( например, из 20 -18).

/ используя программу: “Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия 2003, ФИЗИКА”/

1. Щёлкните на словах Кирилл и Мефодий.
2. Выберите преподавателя.
3. Введите фамилию, зарегистрируйтесь.
4. Нажмите “ОК”.
5. Выберите тему теста “Оптика”
6. Ответив на вопросы, пригласите члена жюри и в его присутствии в отчётном листе зафиксируйте результат ( например “из 20-15”)

Члена жюри фиксируют результат.

Задание №3

Кроссворд.

Записать по вертикали ключевое слово, ответив на вопросы:

/Пояснение: в ведомости студента записывается только слово – оценка 1 балл/

1. Точка, в которой собираются лучи после преломления.
2. Единица измерения оптической силы линзы.
3. Прозрачное тело, ограниченное с двух сторон сферическими поверхностями.
4. Явление огибания волнами препятствий.

Задание №4

Чёрный ящик.

Тема “Оптические явления”

За правильно угаданное слово – 3 балла – команде.

В чёрном ящике - предмет, название которого состоит из двух слов, которые с греческого переводятся, как “красивый” и “вид”. Можно сказать, что это – волшебное орудие. Изобретено оно в Англии в 1817 г. Д. Брюстером и через год-полтора проникло уже в Россию, где было встречено с восхищением. Баснописец А. Измайлов в журнале “Благонамеренный” (июль1818 г. ) писал об этом предмете так:

Смотрю – и что ж в моих глазах?
В фигурах разных и звездах
Сапфиры, яхонты, топазы
И изумруды, и алмазы,
И аметист, и жемчуг,
И перламутр – всё вижу вдруг!
Лишь сделаю рукой движенье –
И новое в руках явленье!

Ход беседы.

Задание №5

Построение диаграммы

Критерий оценок: За правильное построение диаграммы – 5 баллов каждому.

Работа с Excel -1/1команда/

Дважды щёлкните левой мышью по значку Excel на рабочем столе.

1. В ячейку А1 введите текст: цвет
2. В ячейку А2 введите текст: красный
3. В ячейку А3 введите текст: оранжевый
4. В ячейку А4 введите текст: жёлтый
5. В ячейку А5 введите текст: зелёный
6. В ячейку А6 введите текст: голубой
7. В ячейку А7 введите текст: синий
8. В ячейку А8 введите текст: фиолетовый
9. В ячейку В1 введите текст: Длина волны (нм)
10. В ячейку В2 введите число: 778
11. В ячейку В3 введите число: 668
12. В ячейку В4 введите число: 588
13. В ячейку В5 введите число: 502
14. В ячейку В6 введите число: 492
15. В ячейку В7 введите число: 471
16. В ячейку В8 введите число: 447
17. Выделите блок A1 : B1, сделайте заливку бирюзовым цветом.
18. Выделите блок A2 : В8
19. Щёлкните по кнопке Мастер диаграмм на панели инструментов Стандартная.
20. В окне Мастера диаграмм выбрать тип диаграммы Гистограмма, нажать Далее, затем ещё раз кнопку Далее, выбрать вкладку Заголовки, в поле Название диаграммы набрать длина волны (нм), выбрать вкладку Подписи данных, пометить опцию Значения нажать кнопку Далее, затем - Готово и на экране готовая диаграмма.

Сначала построить гистограмму, затем круговую диаграмму.

Получите результат.

Работа с Excel 2 –/ 2 команда/

Дважды щёлкните левой мышью по значку Excel на рабочем столе.

1. В ячейку А1 введите текст: цвет
2. В ячейку А2 введите текст: красный
3. В ячейку А3 введите текст: оранжевый
4. В ячейку А4 введите текст: жёлтый
5. В ячейку А5 введите текст: зелёный
6. В ячейку А6 введите текст: голубой
7. В ячейку А7 введите текст: синий
8. В ячейку А8 введите текст: фиолетовый
9. В ячейку В1 введите текст: частота излучения ( ТГц)/ терагерц/
10. В ячейку В2 введите число: 395
11. В ячейку В3 введите число: 449
12. В ячейку В4 введите число: 540
13. В ячейку В5 введите число: 600
14. В ячейку В6 введите число: 620
15. В ячейку В7 введите число: 637
16. В ячейку В8 введите число: 670
17. Выделите блок A1 : B1, сделайте заливку бирюзовым цветом.
18. Выделите блок A2 : В8
19. Щёлкните по кнопке Мастер диаграмм на панели инструментов Стандартная.
20. В окне Мастера диаграмм выбрать тип диаграммы Гистограмма, нажать Далее, затем ещё раз кнопку Далее, выбрать вкладку Заголовки, в поле Название диаграммы набрать частота излучения ( ТГц)/ выбрать вкладку Подписи данных, пометить опцию Значения нажать кнопку Далее, затем - Готово и на экране готовая диаграмма.

Сначала построить гистограмму, затем круговую диаграмму.

Получите результат,

Работа с Excel -3 - / 3 команда/

Щёлкните левой мышью по значку Excel на рабочем столе.

1. В ячейке А1 введите текст: Электромагнитные волны.
2. В ячейке А2 введите текст: Длинные.
3. В ячейке А3 введите текст: Средние.
4. В ячейке А4 введите текст: Короткие.
5. В ячейке А5 введите текст: Ультракороткие.
6. В ячейке В1 введите текст: Скорость света.
7. В ячейке В2: число 300000000
8. Скопировать это значение в ячейки: В3, В4, В5
9. В ячейку С1 введите текст: Длина волны.
10. В ячейку D1 введите текст: Частота.
11. В ячейку С2 введите число: 10000
12. В ячейку С3 введите число: 1000
13. В ячейку С4 введите число: 100
14. В ячейку С5 введите число: 10
15. В ячейку D2 введите: формулу =В2/С2 и нажмите на Enter
16. Наведите указатель мыши на правый угол ячейки D2 так, чтобы указатель мыши превратился в маркер (чёрный крестик)
17. Удерживая левую клавишу мыши проведите маркером до ячейки D5 и отпустите
18. Выделите блок A2 : A5, и удерживая клавишу Ctrl выделите блок С2:D5
19. Щёлкните по значку Мастер диаграмм на панели инструментов Стандартная.

В окне Мастера диаграмм выбрать вкладку Нестандартные. —>тип диаграммы График (2 оси), нажать на командную кнопку Далее, в диалоговом окне выбрать вкладку Заголовки, в поле для заголовка ввести Длина волны и частота, щелкнуть вкладку Подписи данных и пометить опцию Значения, нажать кнопку Далее, затем кнопку Готово.

Будет получена диаграмма:

Сделать вывод: почему мы видим заходящие и восходящие лучи красными?

Ко мне в окошко луч стучится
Играя, весело резвится,
И отражается в оконце
Лилово-утреннее солнце. /Студентка/.

Свет – это маленькое окно в огромный мир – очень узкая полоска на шкале электромагнитных колебаний.

7. Слово жюри. Итоги.

8. Заключение. (под музыку …)

/на листочке/

Ведомость студента

Гр

Название команды, эмблема, девиз.