STEM-проєкт «Сонячний зайчик: Створення пристрою для передачі світла на відстань»

 

Автор

Чорна Наталія Анатоліївна

natali.blek@gmail.com

Вікова категорія

7 клас

Предмети

Фізика, технології, математика

Актуальність проєкту

Світло та оптика є одними з найцікавіших розділів фізики, особливо для учнів 7-го класу, які тільки починають знайомство з цим предметом. Проєкт "Сонячний зайчик" пропонує захопливий спосіб дослідження властивостей світла на практиці, перетворюючи навчання на цікавий експеримент. Він дозволяє учням побачити, як теоретичні знання можуть бути застосовані в реальному житті, адже оптичні пристрої широко використовуються в різних сферах, від медицини до телекомунікацій. 

Актуальність проєкту полягає в тому, що він не лише зацікавлює учнів фізикою, але й розвиває їхню уяву, творчість та навички конструювання. Створення пристрою для передачі світла на відстань вимагає від учнів творчого підходу та вміння знаходити нестандартні рішення. Крім того, проєкт сприяє розвитку навичок роботи в команді, якщо він виконується групою учнів, адже спільна робота над проєктом вимагає вміння домовлятися, ділитися ідеями та підтримувати один одного. 

Проєкт "Сонячний зайчик" є чудовим способом поєднати вивчення фізики з трудовим навчанням, адже він передбачає не лише теоретичні дослідження, але й практичне конструювання пристрою. Такий інтегрований підхід до навчання сприяє кращому засвоєнню знань та розвитку різнобічних навичок учнів.

Стислий опис проєкту

Мета та завдання проєкту 

Основна мета проєкту "Сонячний зайчик" полягає у створенні функціонального пристрою, який буде здатний передавати світло на певну відстань, використовуючи основні принципи оптики. Цей пристрій має продемонструвати властивості світла та можливості його використання в практичних цілях. 

Для досягнення цієї мети необхідно виконати наступні завдання: 

• Детально дослідити властивості світла, такі як відбиття та заломлення, щоб зрозуміти, як їх можна використовувати для передачі світла. 

• Ознайомитися з різними оптичними елементами, зокрема дзеркалами та лінзами, та їхніми характеристиками, щоб вибрати найбільш підходящі для створення пристрою. 

• Сконструювати фізичний пристрій, який буде ефективно передавати світло на задану відстань, враховуючи всі теоретичні знання та практичні навички. 

• Продемонструвати роботу пристрою на практиці, показавши, як він передає світло та які чинники впливають на його ефективність. 

• Розвивати навички роботи в команді (у випадку групового проєкту), співпрацюючи з іншими учнями для досягнення спільної мети. 

Теоретичні основи: Властивості світла 

Для успішного створення пристрою для передачі світла необхідно розуміти основні властивості світла. Світло – це електромагнітна хвиля, яка характеризується певною довжиною хвилі та частотою. Саме довжина хвилі визначає колір світла, який ми бачимо.

Відбиття світла відбувається, коли світло потрапляє на поверхню і змінює свій напрямок. Закони відбиття стверджують, що кут падіння світла дорівнює куту відбиття, а падаючий промінь, відбитий промінь і нормаль до поверхні в точці падіння лежать в одній площині. Ці закони є основою для використання дзеркал у пристрої. 

Заломлення світла відбувається, коли світло переходить з одного середовища в інше, наприклад, з повітря у воду або скло. При цьому змінюється швидкість поширення світла, що призводить до зміни напрямку його руху. Закони заломлення описують залежність між кутами падіння та заломлення світла, а також показником заломлення середовища. Показник заломлення – це відношення швидкості світла у вакуумі до швидкості світла в даному середовищі. Лінзи використовують заломлення світла для фокусування або розсіювання світла. 

Повне внутрішнє відбиття – це явище, яке відбувається, коли світло переходить з середовища з більшим показником заломлення в середовище з меншим показником заломлення під кутом, більшим за критичний. У цьому випадку світло повністю відбивається від межі розділу середовищ і не виходить у друге середовище. Це явище використовується у волоконній оптиці, де світло передається по тонких скляних або пластикових волокнах на великі відстані без значних втрат. Хоча у проєкті не буде використовуватися волоконна оптика, розуміння цього явища допоможе учням краще зрозуміти принципи передачі світла. 

Очікувані результати проекту

1. Функціональний прототип пристрою:

o Створений, зібраний та протестований фізичний пристрій, здатний направлено передавати світловий промінь або закодоване повідомлення (наприклад, через блимання, використання азбуки Морзе або простих світлових сигналів) на мінімальну відстань 5-10 метрів у приміщенні.

o Пристрій має демонструвати ефективну передачу світла з мінімальними втратами яскравості або чіткості на цій відстані.

2. Поглиблене розуміння наукових та інженерних принципів:

o Наукові (S): Учні демонструють розуміння основних принципів оптики (відбиття, заломлення, поглинання, розсіювання світла), властивостей світла (прямолінійне поширення, інтенсивність) та їх застосування в реальних технологіях. Це проявляється в звітах та обговореннях.

o Технологічні (T): Учні розуміють, як сучасні цифрові інструменти можуть бути використані для проектування, аналізу та представлення результатів.

o Інженерні (E): Учні здатні застосувати повний цикл інженерного проектування: від ідентифікації проблеми та мозкового штурму, до конструювання, тестування, аналізу результатів та вдосконалення прототипу.

3. Звітно-аналітична документація проєкту:

o Детальний письмовий звіт, що містить: 

    - Чітке формулювання проблеми та мети проєкту.

    - Огляд наукових принципів та існуючих технологій.

    - Опис процесу проектування, включаючи креслення, схеми або 3D-моделі пристрою.

    - Обґрунтування вибору матеріалів та компонентів.

    - Опис методики проведення експериментів та збору даних.

    - Аналіз зібраних даних (включаючи графіки, таблиці, розрахунки) та інтерпретація результатів.

    - Виявлені проблеми та шляхи їх вирішення (усунення несправностей).

    - Висновки щодо ефективності пристрою та пропозиції щодо його подальшого вдосконалення.

    - Список використаних джерел (література, веб-ресурси).

o Візуальна презентація (наприклад, слайди, постер, відео), що лаконічно та привабливо демонструє ключові етапи проєкту, основні результати та функціональність пристрою.

4. Розвиток ключових компетентностей:

o Проєктна діяльність: Уміння планувати, організовувати та виконувати послідовні етапи проєкту.

o Командна робота: Ефективна співпраця в групі, розподіл ролей, спільне вирішення проблем та досягнення мети.

o Критичне мислення та вирішення проблем: Здатність аналізувати ситуацію, ідентифікувати проблеми, генерувати рішення, оцінювати їх ефективність та коригувати дії.

o Аналітичні навички: Здатність збирати, обробляти, аналізувати та інтерпретувати дані для прийняття обґрунтованих рішень.

o Комунікативні навички: Чітке та ефективне усне та письмове спілкування, здатність презентувати складні ідеї широкій аудиторії.

o Творчість та інноваційність: Здатність генерувати нові ідеї та знаходити оригінальні рішення.

5. Досвід застосування STEM-підходу:

o Учні розуміють взаємозв'язок між наукою, технологією, інженерією та математикою, а також їх застосуванням у реальному світі, включаючи елементи читання/письма та мистецтва.

o Демонструють готовність до самостійного навчання та дослідження.

Складові STEM-проекту, зміст діяльності учнів

S (науки)	Дослідження та презентація історії оптики та передачі світла.     Проведення експериментів для спостереження та вимірювання відбиття та заломлення за допомогою дзеркал, лінз та призм.     Дослідження різних типів джерел світла та їх характеристик.     Вивчення впливу факторів навколишнього середовища (наприклад, туману, пилу) на передачу світла.     Аналіз наукових принципів, що лежать в основі оптоволокна або інших існуючих технологій передачі світла.
T (технології)	Використання програмного забезпечення для 3D-моделювання (наприклад, SketchUp, Tinkercad) для проектування компонентів пристрою передачі світла.     Дослідження та вибір відповідних технологій для генерації світла (наприклад, світлодіод, лазер) та прийому (наприклад, фотоелемент).     За потреби написання простого коду для керування джерелом світла або датчиком.     Використання електронних таблиць або іншого програмного забезпечення для організації та аналізу експериментальних даних.     Створення цифрового портфоліо або веб-сайту для документування ходу проекту та його результатів.
R (читання+письмо)	Читання наукових статей та книг про світло та комунікаційні технології.     Написання проектної пропозиції, що окреслює проблему, запропоноване рішення та методологію.     Ведення детального лабораторного журналу з документуванням експериментів, спостережень та даних.     Підготовка та проведення усних презентацій для пояснення свого дизайну та результатів.           Написання вичерпного підсумкового звіту з детальним описом дизайну, конструкції, випробувань та оцінки свого пристрою
E (інжиніринг)	Визначення конкретної проблеми, яку вони намагаються вирішити (наприклад, передати повідомлення на певну відстань за допомогою світла).     Мозковий штурм різних дизайнерських рішень для передачі світла (наприклад, використання дзеркал, лінз, оптоволокна, лазера).     Розробка детальних креслень або схем свого пристрою.     Створення прототипу пристрою передачі світла.     Тестування продуктивності прототипу в різних умовах та збір даних. Виявлення недоліків у конструкції та доопрацювання для покращення.
A (мистецтво)	Розгляд візуального дизайну та естетики свого пристрою для передачі світла.     Створення візуально привабливих діаграм, схем та ілюстрацій для пояснення свого дизайну.     Розробка візуально привабливого плаката або стенду для свого проекту.     Дослідження художніх аспектів світла та тіні у своїй роботі. Розробка креативної назви або брендингу для свого пристрою "сонячний зайчик".
M (математика)	Розрахунок кутів відбиття та заломлення для різних поверхонь.     Вимірювання інтенсивності переданого світла на різних відстанях.     Побудова графіків даних для відображення взаємозв'язку між відстанню та інтенсивністю світла.     Розрахунок ефективності своєї системи передачі світла.     Використання геометричних принципів для оптимізації вирівнювання дзеркал або лінз для максимальної передачі світла.

Обладнання, необхідне для реалізації проєкту

Для успішного створення пристрою для передачі світла на відстань необхідно підготувати певний набір матеріалів та інструментів. Ось орієнтовний список: 

• Дзеркала: Невеликі плоскі дзеркала (2-3 штуки) для відбивання світла. Можна використовувати звичайні дзеркала або дзеркальну плівку. 

• Лінзи: Збиральні лінзи (1-2 штуки) для фокусування світла. Можна використовувати лінзи від старих окулярів або луп. 

• Трубки/короби: Для створення корпусу пристрою та направлення світла. Можна використовувати картонні трубки, пластикові короби або інші підходящі матеріали. 

• Клей: Для фіксації дзеркал, лінз та інших елементів конструкції. Рекомендується використовувати клей, який не пошкоджує дзеркала та лінзи. 

• Фольга: Для створення відбиваючих поверхонь всередині корпусу пристрою. Фольга допоможе збільшити інтенсивність світла, що передається. 

• Інші матеріали: Картон, папір, скотч, фарба (за бажанням) для оформлення пристрою. 

Необхідні інструменти: 

• Ножиці: Для різання картону, паперу та інших матеріалів. 

• Лінійка: Для вимірювання та розмітки матеріалів. 

• Олівець: Для нанесення розмітки на матеріали. 

• Скотч: Для тимчасової фіксації елементів конструкції. 

Важливо: При роботі з інструментами необхідно дотримуватися правил безпеки. Ножиці слід використовувати обережно, щоб не поранитися. Клей слід використовувати в добре провітрюваному приміщенні. Не допускається використання електроприладів без нагляду дорослих. 

Діяльність після виконання проєкту

Пристрій для передачі світла на відстань, створений у рамках проєкту "Сонячний зайчик", може здатися простою іграшкою, але насправді він демонструє принципи, які використовуються в багатьох важливих технологіях. Одним з найяскравіших прикладів є волоконна оптика. Волоконно-оптичні кабелі використовуються для передачі інформації на великі відстані з надзвичайно високою швидкістю. Вони знайшли широке застосування в телекомунікаціях, забезпечуючи швидкий інтернет та телефонний зв'язок.

Волоконна оптика також використовується в медицині. Тонкі волоконно-оптичні зонди вводяться в тіло пацієнта для діагностики та лікування різних захворювань. Вони дозволяють лікарям побачити внутрішні органи без необхідності проведення хірургічної операції. В промисловості волоконна оптика використовується для освітлення важкодоступних місць, таких як внутрішня частина машин або трубопроводів. Вона також використовується для контролю якості продукції, виявлення дефектів та тріщин.

Можливо, в майбутньому подібні пристрої будуть використовуватися для освітлення важкодоступних місць, наприклад, у підземних шахтах або печерах. Вони також можуть бути використані для передачі сонячного світла в приміщення, де немає вікон. Це може допомогти заощадити електроенергію та створити більш комфортні умови для життя та роботи. Зв'язок з уроками природознавства очевидний: світло відіграє важливу роль у житті рослин і тварин. Рослини використовують світло для фотосинтезу, а тварини – для орієнтації в просторі та пошуку їжі.

Використані ресурси

    Бар'яхтар В.Г., Довгий С.О., Божинова Ф.Я. та ін. Фізика: підручник для 7 класу закладів загальної середньої освіти. – Київ: Видавничий дім "Освіта", 2024.