XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Стробоскопический эффект. Разработка учебного квеста по физике

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Степанова Р.А. 1

---

1МБОУ Лесногородская СОШ

Немцова А.Ю. 1

---

1МБОУ Лесногородская СОШ

Работа в формате PDF

2.4 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность:

Многие люди, особенно школьники, сталкиваются с отсутствием интереса к предмету, который они вынуждены изучать. Например, это может быть незаинтересованность в чтении произведений литературы, изучении строения растений или математических вычислениях. Такая ситуация в большей степени возникает из-за недостатка знаний и умений в той или иной области.

Чтобы уменьшить влияние этой проблемы на людей, мы хотим разработать физический квест, который может заинтересовать учеников школы и помочь понять некоторый материал.

Цели:

1. Создание доступного для понимания материала, который можно использовать на уроках и во внеурочной деятельности в школах.

2. Разработка обучающего квеста "Изучение стробоскопического эффекта".

Задачи:

1. Изучение стробоскопического эффекта.

2. Популяризация физики среди школьников.

3. Разъяснение и объяснение стробоскопического эффекта на реальных опытах.

Теоретическая и практическая значимость:

Урок-лекция включает в себя полезную информацию, после ознакомления с которой принявшие участие в квесте ученики могут узнать что-то новое и заинтересоваться предметом изучения, а видеоролики помогут при желании повторить увиденные опыты.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1. Основная информация о стробоскопическом эффекте

1.1.1. В чем заключается стробоскопический эффект

С наблюдением стробоскопического эффекта приходилось сталкиваться каждому, например, во время просмотра определенного момента фильма можно заметить, что колеса автомобиля, имеющего большую скорость, или лопасти вертолёта не вращаются или вращаются очень медленно. Более простым примером этого эффекта является вентилятор, лопасти которого по-отдельности становятся неразличимы при включении.

Стробоскопический (греч.-возникающий при наблюдении за вращением) эффект - зрительная иллюзия, возникающая в случаях, когда наблюдение какого-либо предмета или картины осуществляется не непрерывно, а в течение отдельных периодически следующих один за другим интервалов времени.

Эта иллюзия возникает из-за инерции зрительного восприятия, то есть при высокой частоте мелькания глаз принимает свет, как постоянный.

Если мы будем освещать исследуемый объект (например, вращающийся диск) не все время, а периодически, через равные промежутки времени, то будем видеть следующую картину: когда период освещения точно совпадает с периодом обращения диска, при каждой вспышке мы будем видеть диск в одной и той же стадии вращения. И если время между вспышками не превышает времени сохранения зрительных ощущений, что составляет примерно 0,3 секунды, отдельные мгновенные изображения диска сольются в одно «непрерывное» изображение. Диск будет казаться неподвижным. Если же интервалы между двумя последовательными вспышками немного больше периода вращения диска, то во время каждой последующей вспышки мы будем видеть диск во все более поздних стадиях движения. Нам будет казаться, что диск медленно вращается в том же направлении, в каком это происходит в действительности. В случае если период освещения несколько меньше периода вращения, мы каждый раз будем видеть диск во все более ранних стадиях движения, и нам покажется, что диск медленно вращается в противоположном направлении. Это и есть стробоскопический эффект, а прибор, позволяющий его увидеть, называется стробоскоп.

Стробоскоп (от греч. στρόβος — «кружение», «беспорядочное движение» и σκοπέω — «смотрю»)— прибор для наблюдения быстрых периодических движений, действие которого основано на стробоскопическом эффекте.

1.1.2. История стробоскопического эффекта

Стробоскопический эффект был известен еще в древности, на что указывает поэма римского поэта и философа Лукреция Кара «О природе вещей» (1 век до н. э.):

«Видишь из этого ты, что имеет значенье, с какими
И в положеньи каком войдут в сочетание те же
Первоначала и как они двигаться будут взаимно;
И не считай, что телам изначальным и вечным присуще
То, что, мы видим, плывёт по поверхности всяких предметов,
Что возникает порой и опять исчезает внезапно.

Даже и в наших стихах ведь имеет большое значенье
Расположение букв и взаимное их сочетанье:
Теми же буквами мы означаем ведь небо и землю,
Солнце, потоки, моря, деревья, плоды и животных;
Если не полностью все, то всё-таки большая часть их
Те же, и только один распорядок их дело меняет.
То же и в самых вещах: материи все измененья –
Встречи, движения, строй, положенье её и фигуры –
Необходимо влекут за собой и в вещах перемены.»

За более детальное изучение этого эффекта взялись только в первой половине ХІХ века.

В конце 1832 года бельгийский физик Жозеф Плато создает устройство фенакистоскоп(Рис.№1)(от греч. φεναξ — «обманщик» и σκοπέω — «смотрю» ) и формулирует принцип оптического обмана: «Если несколько предметов, постоянно меняющих форму и положение, будут последовательно возникать перед глазами через очень короткие промежутки времени и на маленьком расстоянии друг от друга, то изображения, которые они вызывают на сетчатке, сольются, не смешиваясь, и человеку покажется, что он видел предмет, постоянно меняющий форму и положение.»

Почти одновременно с Плато профессор геометрии Венского политехникума Симон фон Штампфер изобрел аппарат, очень похожий на фенакистископ; он назвал свой аппарат «стробоскопом» (от греч. στρόβος — «кружение», «беспорядочное движение» и σκοπέω — «смотрю»). Эти два исследователя не знали работ друг друга и пришли к созданию данной конструкции каждый своим путём.

Также в викторианские времена (1937-1901) была очень популярна игрушка – тауматроп (Рис.№2)(от др.-греч. θαῦμα — чудо и τροπή — вращение). Диск с изображением с двух сторон которого были прикреплены два куска бечевки.  Когда струны быстро прокручиваются между пальцами, кажется, что два изображения сливаются в одно.

Британский математик Чарльз Бэббидж вспоминал в 1864 году, что тауматроп был изобретен геологом Уильямом Генри Фиттоном. Бэббидж рассказал Фиттону, как астроном Джон Гершель попросил его показать обе стороны шиллинга сразу. Бэббидж держал монету перед зеркалом, но Гершель показал, что при вращении монеты по столу видны обе стороны. Несколько дней спустя Фиттон принес Бэббиджу новую иллюстрацию принципа, состоящую из круглого карточного диска, подвешенного между двумя кусками шелка для шитья. На этом диске с одной стороны был изображен попугай, а с другой - клетка. Бэббидж и Фиттон сделали несколько разных дизайнов и на короткое время позабавили ими нескольких друзей.

Сначала считалось, что это просто интересная оптическая иллюзия, но со временем стробоскопическому эффекту было найдено лучшее применение, как средству изучения быстрых периодических процессов, и стробоскоп стал активно использоваться в лабораториях до появления методов мгновенной фотосъемки.

Так, в ХІХ веке при помощи стробоскопа были осуществлены исследования в области акустики, механических колебаний, гидродинамики и даже физиологии и зоологии.

Первый электрический стробоскоп был изобретён и запатентован французским инженером и конструктором вертолетов Этьеном Омишеном в 1917 году.

Первые стробоскопы представляли собой источник света с помещённым перед ним обтюратором: двумя непрозрачными дисками — неподвижным и вращающимся — с узкими прорезями. Когда прорези совмещались, исследуемый с помощью стробоскопа объект освещался. В современных стробоскопах используются газоразрядные импульсные лампы, а также импульсные лазеры.

С появлением в последнее время ярких и сверхъярких светодиодов их также стали успешно применять в стробоскопах.

1.1.3. Применение стробоскопа

Стробоскоп, в современном понимании — это прибор, используемый дляпридания циклически движущемуся объекту медленного или неподвижного вида. Он состоит либо из вращающегося диска с прорезями или отверстиями, либо из лампы, такой как трубка-вспышка, которая производит кратковременные повторяющиеся вспышки света. Обычно частота стробоскопа настраивается на разные частоты. Когда стробоскоп наблюдает вращающийся или вибрирующий объект с частотой его вибрации (или кратной ей), он кажется неподвижным.

Применение стробоскопов очень обширно.

1. Развлечение.

На дискотеках и в ночных клубах для создания различных световых эффектов.

Для создания оптических иллюзий, например, как фильме В «Иллюзии обмана 2», где герой фильма убеждает зрителей в том, что ему подвластно невозможное — в его руках дождевые капли застывают на месте, а затем и вовсе устремляются вверх. Восторженная публика ликует, глядя на эту магию, но фокусник сразу выкладывает все карты на стол — всего лишь ловкость рук и… немного стробоскопов! Дело в том, что мерцающий стробоскоп подсвечивает струю воды с такой частотой, что человеческий глаз, способный улавливать только 24 кадра в секунду, видит лишь одну каплю, колышущуюся в воздухе.

2. Для самообороны.

Эффект стробоскопа присутствует в фонариках как один из режимов работы. Применяется как средство ослепления и дезориентации нападающего. Тактическими фонарями пользуются спецслужбы и приобретаются гражданами для самозащиты.

3. В промышленности.

Стробоскопическое освещение широко применяется в тех областях промышленности, где оператор должен наблюдать за процессом производства, но наблюдение затруднено из-за эффекта смазывания. Настройки стробоскопа и получаемый результат будут зависеть от области промышленности, процесса, продукта и внешнего освещения.

Существует два основных типа процессов, для наблюдения которых используется стробоскоп: вращательные и линейные:

• При наблюдении за такими вращательными элементами, как двигатели, валы, зубчатые колёса, лопасти и т. п. наблюдаемый объект вращается в определённом пространстве и может быть зафиксирован для проверки на наличие дефектов, вибрации, рассогласованности, бокового зазора и т. д.

• При наблюдении за линейными процессами, такими как производство стали, текстиля, пластмассы, печать и переработка происходит проверка на наличие двух типов дефектов – повторяющихся и случайных. Повторяющийся дефект воспроизводится через фиксированные интервалы. Это может быть отметка вальца на стали или царапина на печатной форме. Случайный дефект появляется на наблюдаемых поверхностях один раз или несколько раз через разные интервалы. Поскольку стробоскопический эффект обеспечивает передачу нескольких изображений на сетчатку глаза, одиночный дефект проявляется несколько раз, когда он проходит под стробоскопом, что облегчает его обнаружение оператором. Как упоминалось ранее, если глаз видит изображение несколько раз, оно запоминается. Таким образом, оператор сможет выявить и повторяющиеся, и случайные дефекты и принять соответствующие меры.

4. В медицине.

Основной задачей стробоскопии в медицине является исследование функциональности голосовых связок. Суть процедуры кроется в том, что специальное устройство посылает световые пучки на связки. Сам посыл проходит прерывисто. Образуются так называемые вспышки. Вот они и определяют, где именно находятся связки, когда на них попадают звуковые волны. Эндоскоп фиксирует все фоновые изменения и записывает их на видео. Уже по этим результатам специалист ставит диагноз. Данный световой пучок должен пульсировать таким образом, как и вибрирует связочный аппарат. Чтобы этого добиться, врачи регулируют устройство под каждого пациента. Благодаря стробоскопии можно своевременно заметить даже малейшие отклонения в функционировании связочного аппарата, в то время как другие методики этого сделать не могут.

1.1.4. Опасность стробоскопического эффекта

Стробоскопический эффект может представлять серьезную опасность. Особенно, если речь идет о производственных комплексах, заводах, фабриках, то рабочие могут иметь дело с быстро движущимися деталями в конвейерах, сверлильных, шлифовальных и других станках.

Если лампы в таком помещении давно не меняли или они попросту некачественные, то движущиеся на самом деле части машин могут казаться неподвижными, а сам механизм выключенным. В шумном цехе можно не услышать гула отдельного работающего станка и, ориентируясь только по зрению, решить, что он сломался. Если работник посчитает станок неисправным, он может быть менее осторожен рядом с ним. Если человек положит руку на ту часть станка, которая кажется неподвижной, но на самом деле работает, он может получить серьезную травму. Такая же ситуация может произойти с ребенком в школьной учебной мастерской. Поэтому важно своевременно менять состарившиеся лампы.

Также чрезмерное воздействие стробоскопов может быть вредным для мозга. Сообщалось о случаях эпилептических припадков у некоторых людей, чувствительных к стробоскопическому свету, а длительное воздействие яркого мигающего света может вызвать напряжение глаз, головную боль и другие симптомы. Поэтому крайне важно использовать стробоскопы в умеренных количествах и избегать их, если вы подвержены судорогам или другим неврологическим заболеваниям.

1.2. План квеста

Бесплатная урок-лекция для внеурочной деятельности или школьных уроков будет включать:

1. Прослушивание теории, которая включает в себя определение, историю, применение и опасность стробоскопического эффекта.

2. Проведение опытов или просмотр видеороликов на темы: "Измерение ускорения поступательно движущегося тела с помощью стробоскопа", и "Измерение частоты вращения диска".

3. Наблюдение струи воды при стробоскопическом освещении.

4. Вопросы, задания и квест-кроссворд по теме лекции, после решения которых, участники, набравшие большее количество баллов, получат награду.

ГЛАВА 2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Изучение целевой аудитории

2.1.1. Социологический опрос и анализ его результатов

Для того, чтобы лучше понять актуальность темы и изучить целевую аудиторию мы провели социологический опрос, в котором приняли участие 21 человек.

По результатам опроса видно, что понимание физики не вызывает затруднение лишь у 19% опрошенных, хотя математическими и естественными науками в сумме интересуется примерно 40% школьников. При общей усвояемости школьного материала в 50%, физика усваивается гораздо хуже. Но, несмотря на это, большинство принявших участие в опросе любят учиться и готовы интересоваться физикой. Материал лучше понимается на практических примерах и видео и практически все готовы посетить урок-лекцию по теме.

Также из опроса видно, что раздел физики оптика представляет определенный интерес, так как большинство опрашиваемых знают, что такое оптические иллюзии. Таким образом, мы можем сделать вывод, что тема физического квеста будет пользоваться актуальностью.

Ссылка на социологический опрос:

https://docs.google.com/forms/d/e/1FAIpQLSepcbkQYVXvJm8Sei_iHjY1smrnb4R9fxAXJZTVjJtTFoRFaQ/viewform?usp=sf_link

Результаты некоторых пунктов опроса представлены на Рис.№3-№9.

2.1.2 Реклама

Для продвижения квеста возможно проведение рекламы в социальных сетях и личное посещение школ с целью ознакомления учеников с возможностью посетить такое мероприятие. Для информирования учителей, школьников и их родителей была разработана реклама в виде раздаточной листовки, включающей в себя содержание квеста и заготовки для принятия участия в нем. Лицевая и обратная стороны листовки представлены на Рис.№11 и Рис.№12.

2.2 Подготовка к проведению опытов

Квест включает в себя 2 видеоролика/опыта: "Измерение ускорения поступательно движущегося тела с помощью стробоскопа" и "Измерение частоты вращения диска", а также наблюдение капель воды при стробоскопическом освещении.

В условиях классного помещения их проведение будет осуществляться при наличии возможности уменьшить освещённость и после прослушивания техники безопасности, в ином случае будет проходить просмотр видеороликов.

Материалы и приборы, используемые в видео:

1 опыт: фотоаппарат с большой выдержкой, стробоскоп (или приложение на телефоне), наклонная плоскость с разметкой (деревянная доска), резиновый шарик

2 опыт: моторчик с бумажным диском, стробоскоп (или приложение на телефоне), маркер.

При наблюдении капель воды, используется темный фон (бумага или ткань) и стробоскоп.

2.3 Проведение опытов

2.3.1. Создание фотографии при стробоскопическом освещении

Стробоскопический эффект используется и в работе фотографов. Созданные при помощью стробоскопа снимки позволяют зафиксировать быстрое действие в определённые промежутки времени, в такой технике особенно красиво выглядят капли воды.

Для создания стробоскопической фотографии нужен только фотоаппарат и стробоскоп, в нашем случае функции стробоскопа выполняет специальное приложение на телефоне, в котором есть возможность регулировать частоту вспышек. Разместим фотоаппарат или камеру и стробоскоп напротив крана, с одной стороны от него, далее приглушим свет.

Таким образом, мы можем наблюдать как монолитная струя воды разбивается на отдельные капли, а при определенной частоте могут и вовсе застыть в воздухе. Сейчас также большой популярностью пользуются увлажнители воздуха, в которых капли воды падают с постоянной частотой (чего сложно добиться с обычным домашним краном). Частота вспышек светодиодов в таком увлажнителе немного больше, чем частота падения капель, из-за чего создаётся эффект того, то капли поднимаются вверх. Фотография, которая получилась у нас, представлена на Рис.№4.

2.3.2. Измерение ускорения движущегося тела

Если нам необходимо узнать ускорение движущегося вдоль прямой тела, но мы не имеем возможность измерять его скорости, мы можем использовать стробоскопический метод.

В темном помещении разместим резиновый шарик в начале наклонной плоскости с разметкой. Перед этой конструкцией разместим фотоаппарат с большой выдержкой и стробоскоп. Отпустим шарик с небольшой начальной скоростью и сделаем фото.

На готовой фотографии (Рис.№4) мы можем видеть изображения нескольких шариков, расстояния между которыми пройдены самим мячиком за равные промежутки времени и равны модулю его перемещения за это время. Обозначив два из них S₁ и S₂, а скорости шарика в моменты, показанные на рисунке, за , и , мы можем найти ускорение шарика по формуле , где a – модуль ускорения, t - время, за которое было совершено каждое из перемещений и равное величине, обратной частоте вспышек(ν).

Вывод формулы:

При наличии начальной скорости у мячика мы сможем найти ускорение с помощью косвенных измерений. Для этого выведем нужную формулу. (все векторные величины записаны в проекциях на ось x) (Рис.№13).

По определению средней скорости на исследуемых участках она будет равна и ,также среднюю скорость можно найти, воспользовавшись формулой для нее при равноускоренного движения: , .

Если попарно найти разность этих форм можно будет выразить изменение скорости, используемое в определении ускорение, с помощью известных величин: , следовательно . По определению ускорения .

Подставим результаты измерений и найдем ускорение.

В нашем случае измеренные величины имеют следующие значения: S₁=7см, S₂=9см, ν=3 Гц, а ускорение – 0,18 м/c.

Этот способ имеет большую погрешность, но позволяет найти ускорение, не используя прямое изменение скорости.

2.3.3. Измерение частоты вращения диска

На моторчик, вращающийся с некоторой частотой, прикрепим бумажный диск, на котором от края до центра окружности маркером нарисована метка. Напротив моторчика разместим стробоскоп. Включим оба устройства и будем менять частоту вспышек стробоскопа. Когда метка остановится, запишем полученное значение. Остановка метки значит, что частота вспышек стала равна частоте вращения метки.

В нашем случае при частоте мигания стробоскопа 5 Гц метка вращалась в ту же сторону (свет мигает немного реже вращения метки), что и моторчик, а при 7 Гц в обратную (свет мигает немного чаще вращения метки). При частоте 5,75 Гц метка остановилась. При увеличении частоты вспышек в 2 раза мы начинаем видеть две метки, образующие диаметр круга, а при увеличении в 3 раза – три метки. Зная частоту вращения метки, мы также при желании можем найти и ее угловую скорость: w=2πν.

2.3. Итоги опытов

2.3.1. Результаты проведенных опытов

Для создания учебного квеста по теме «Стробоскопический эффект» мы сняли два обучающих видеоролика и провели один опыт, результатами которых стали:

1. Фотография капель воды при стробоскопическом освещении, представленная на Рис.№10.

2. Измерение ускорения движущегося по наклонной плоскости шарика, которое в нашем случае составило 0,18 м/c.

3. Измерение частоты вращения метки на диске, которая составила 5,75 Гц.

Вопросы и задания для выполнения в процессе занятия и их стоимость в баллах:

1. Представим, что у нас есть диск из бумаги, на краю которого нарисована картинка. При его вращении изображение размажется. Как разглядеть картинку, не останавливая диск? (5 баллов)

2. Можно ли сфотографировать летящую пулю? (1 балл)

3. Как можно увидеть две стороны монеты одновременно, не используя зеркало? (2 балла)

4. Какие значения принимает частота вращения колес автомобиля, если на экране мы видим их движение в обратную сторону, по отношению к частоте съёмки камеры? (10 баллов)

5. Как вы думаете, как называется визуально-оптическая станция, применяемая для дезориентация противника, которой оснащены фрегаты северного флота «Адмирал Касатонов» и «Адмирал Горшков»? (Подсказка: название птицы) (5 баллов)

6. Решите уравнение, чтобы узнать год, когда впервые были использованы одновременно несколько стробоскопов на сцене: (10 баллов)

7. Квест-кроссворд (представлен на Рис.№12). Решением будет расшифровка высказывания о физике. (30 баллов)

Ссылки на снятые видео:

1. https://disk.yandex.ru/i/-JC5vCYefw8ciQ

2. https://disk.yandex.ru/i/jRGLMnA-9LQAsQ

2.3.2 Издержки

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При работе над проектом «Стробоскопический эффект. Разработка учебного квеста по физике.» были решены и выполнены все поставленные задачи и цели:

• Мы создали доступный для понимания материал в виде презентации и видеороликов, который можно использовать на уроках и во внеурочной деятельности в школах.

• Мы разработали обучающий квест "Изучение стробоскопического эффекта", который включает в себя презентацию, видеоролики и кроссворд.

• Мы изучили стробоскопический эффект.

• После посещения нашего квеста школьники могут заинтересоваться предметом исследования и начать самостоятельно изучать другие темы, то есть мы добились популяризация физики среди учеников.

• Мы объяснили стробоскопический эффект на реальных опытах.

Во время нашего квеста ученики школ и их родители могут узнать много нового и интересного, принять участие в решении кроссворда, а также при желании повторить увиденное на мероприятии в домашних условиях.

При создании проекта мы собрали информацию о истории, применении, опасности стробоскопического эффекта, провели социологический опрос, разработали рекламу, сняли два видеоролика и рассчитали издержки.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Журнал Квант. Гаврилов С., «Что такое стробоскоп.» (N1,1983)

2. Журнал Квант. Григорьев Г., «Телевизор-стробоскоп.» (N5,1981)

3. Стробоскопия: что это, где сделать и как проводится. https://foodandhealth.ru/meduslugi/stroboskopiya/

4. Для чего нужен стробоскоп? https://www.yuman.ru/stati-i-obzory/dlya-chego-nuzhen-stroboskop/

5. Что нужно знать о стробоскопах https://dzen.ru/a/YzaJnd9dRks3NJZm

6. Пульсация света и ее опасность https://3a.energy/company/news/pulsatsiya_sveta_i_ee_opasnost/

7. Наука, лежащая в основе стробоскопов и их влияние на мозг https://www.dhgate.com/ru/blog/the-science-behind-strobe-lights-and-their-impact-on-the-brain-c/

ПРИЛОЖЕНИЕ

Рис.№1 Фенакистаскоп

Рис.№2 Тауматроп

Рис.№3 Результаты социологического опроса 1

Рис.№4 Результаты социологического опроса 2

Рис.№5 Результаты социологического опроса 3

Рис.№6 Результаты социологического опроса 4

Рис.№7 Результаты социологического опроса 5

Рис.№8 Результаты социологического опроса 6

Рис.№9 Результаты социологического опроса 7

Рис.№10 Фотография струи воды при стробоскопическом освещении

Рис.№11 Процесс создания фотографии мячика

Рис.№12 Фотография мячика при стробоскопическом освещении, сделанная с помощью фотоаппарата с большой выдержкой

Рис.№13

Рис.№14 Измерение частоты вращения диска

Рис.№15 Лицевая сторона раздаточной листовки

Рис.№16 Обратная сторона раздаточной листовки

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!