Optyka i światłowody Creative Commons, Attribution alone (BY)
Verified
Authors: Bartek Maksiak
Physics
This content is provided in languages:

Lekcja o propagacji światła oraz światłowodach. Dzięki wynalezieniu światłowód, możliwe jest znaczące zwiększenie prędkości i przepustowości w transmisji danych. Zastąpienie klasycznych kabli transmisyjnych gdzie sygnał przenoszony jest za pomocą impulsów elektrycznych, włóknami światłowodowymi pozwolił na to że obecnie szeroko pasmowy internet dostępny jest również dla indywidualnych użytkowników. Odpowiednie dobranie materiałów z których wykonane są światłowody oraz dobranie do nich właściwej długości fali którą przesyłany jest sygnał umożliwia tworzenie wielokilometrowych odcinków sieci transmisyjnych bez żadnych urządzeń elektronicznych niezbędnych do wzmacniania sygnału. Światłowody są również znakomitymi czujnikami takich wielkości jak temperatura oraz naprężenia. Dzięki temu że zbudowane są całkowicie z materiałów dielektrycznych są całkowicie odporne na wszelkie zakłócenia elektromagnetyczne. Światłowody jako elementy czujnikowe znajdują zastosowanie w najbardziej wymagających aplikacjach takich jak przemysł lotniczy, przemysł wydobywczy czy np: w technologii monitorowania łopat turbin wiatrowych. Wykorzystanie światłowodów ma duże możliwości interdyscyplinarne, m.in. w telekomunikacji (jako podstawowy składnik sieci telekomunikacyjnej), sensoryce (wykorzystanie światłowodów jako super dokładnych elementów pomiarowych odpornych na zakłócenia elektromagnetyczne), medycynie ( wykorzystanie w endoskopii, chirurgii, okulistyce, przy badaniu płynów biologicznych) czy też chemii (jako czujniki np. stężenia różnych roztworów).
Knowledge acquisition gain
  Wiedza o podstawach fizyki propagacji światła oraz jej zastosowaniach w światłowodach

Workforce in Physics

In the EU, around 540,000 students are enrolled in physics, astronomy, chemistry, and earth science courses. Jobs for physicists, other scientists and engineers grew by 7% in the past five years. Jobs for technicians in the field grew by 2%. Overall, they account for 7% of all jobs in the EU. As of 2016, around 15 million European science and engineering workers are employed. They work in a variety of sectors directly related to physics, including aerospace and defence, energy, engineering, manufacturing, oil and gas, science and telecommunications. Others work in sectors such as IT and consultancy, financial services, legal, transport and utilities. In the next years, jobs for engineers and researchers will increase by 13%, and jobs for science and engineering technicians will increase by 2%.

Liczne pytania do uczniów

Learning by hands-on experience + learning by experimentation + inquiry-based learning

Każdy z tych eksperymentów powinien być wykonany przez uczniów lub z udziałem uczniów z niewielką pomocą nauczyciela?

Wytłumaczenie, że pojęcie współczynnika załamania oraz całkowitego wewnętrznego odbicia było podstawą zaproponowania koncepcji światłowodu, czyli medium, którym możemy „transportować” wiązkę światła. Pytanie do uczniów: Gdzie optyka ma zastosowanie w ich życiu? Gdzie w codziennym życiu można zaobserwować efekty wynikające ze współczynnika załamania światła?

Możliwość transmisji sygnału świetlnego na duże odległości z minimalnymi stratami jest podstawą funkcjonowania sieci telekomunikacyjnych. To, że obecnie mamy dostęp do szybkiego internetu (poczta, facebook, youtube) jest zasługa tego, że większość infrastruktury telekomunikacyjnej oparta jest o światłowody.

Zaangażowanie obu płci w możliwość rozwoju nowoczesnych technik telekomunikacyjnych jest podobne. W świecie nauki nie ma ograniczeń ze względu na płeć. Nauczyciel może zaproponować, żeby liderem grupy była jednak z dziewczynek, lub utworzenie grupy lekcyjnej, która będzie wykonywała eksperyment złożonej tylko z dziewczynek.

Wykonanie eksperymentów pozwalających zobrazowanie współczynnika załamania nie wymaga drogiego oprzyrządowania. Wystarczy najtańszy wskaźnik laserowy (który może mieć również zastosowanie w innych lekcjach) oraz kilka elementów ogólnie dostępnych (lusterko, płytka szklana, szklanka, butelka PET). Wszystkie elementy niezbędne do wykonania eksperymentu są ogólnie dostępne, co pozwala wykonać eksperyment w każdej szkole..

Tu nauczyciel powinien zaproponować wykonanie prostych prezentacji- kilka propozycji: dla uczniów interesujących się biologią- stworzenie prezentacji i pokazu obrazującego polowanie na ryby za pomocą włóczni w strumieniu; dla uczniów interesujących się sztuką- stworzenie prezentacji okazujących np. malarstwo impresjonistyczne.

Podział uczniów na dwie grup. Wskazanie każdej z grup wykonanie prostego eksperymentu (np. Odbicie światła od płytki szklanej I pomiar kątów oraz wyliczenie kątów; pokazanie prowadzenia światła za pomocą strumienia wody wypływającego z otworu butelki.

Nie każdy eksperyment lub pomysł odnosi sukces przy pierwszej próbie, czasem trzeba powtórnie przemyśleć założenia. Zaproponować uczniom eksperyment ze szklanką wody, za którą umieszczona jest kartka z narysowaną szklanką (eksperyment omawiany już wcześniej i pokazany w prezentacji). Eksperyment wychodzi poprawnie, jeśli mamy szklankę w formie walca, w momencie, kiedy szklanka jest fragmentem stożka lub innej bryły to eksperyment nie daje pożądanego wyniku. Zaprezentować eksperyment z wadami, omówić błędy I na końcu zaprezentować poprawny eksperyment.