Портфолио

Стробоскопические эффекты

В новом варианте базисного учебного плана старшего звена в рамках школьного компонента содержания обучения специально предусмотрена проектная и исследовательская деятельность школьников. Метод проектов предполагает целенаправленную деятельность учащихся при сотворчестве учителя, направленную на решение исследовательской проблемы и на получение конкретного результата в виде материального и (или) идеального продукта.

Учебное проектирование может гармонично дополнять традиционную классно-урочную систему как новая технология обучения, более тесно связанная с жизнью, практикой, стимулирующая учеников самостоятельно познавать окружающий мир, самоутверждаться и самореализовываться. В ходе проектной деятельности ученик должен научиться понимать не только, с чем (объект деятельности) он работает, но и что (как) он делает. Выполнение учебных проектов требует овладения новыми видами умений и навыков, способов деятельности, а возможность реализации задач проекта различными путями и средствами создаёт условия для формирования индивидуальной образовательной траектории.

Лабораторией физического образования ИСМО РАО была разработана и предложена для внедрения в практику тематика творческих конструкторских и исследовательских проектов с физическим содержанием [1]. Меня заинтересовали вопросы, связанные с автоматической записью зависимости пути от времени, измерением мгновенной скорости и ускорения тел. Я предложила 8-классникам попробовать сделать стробоскопические фотографии и с их помощью попробовать изучать движение тел.

Трое учеников – Алексей Чеботарь, Антон Вильдяев и Сергей Астахов (двое из них уже в 7-м классе участвовали в школьном конкурсе проектов) – откликнулись на моё предложение. Так во второй четверти 2008 г. началась наша совместная работа. Сначала она сводилась к изготовлению стробоскопических фотографий. При этом учащиеся познакомились с устройством плёночного фотоаппарата и техноло­гией изготовления стробоскопических снимков. Потом я предложила ребятам самим найти дополнительный материал про стробоскопы, тем более что в школьных учебниках по физике этого материала нет.

Название проекта и осознание его замысла появилось тогда, когда один из его участников, Антон, принёс найденный в Интернете материал о двух видах стробоскопов и стробоскопических эффектов [2–4]. Так появилось название проекта – «Стробоскопические эффекты», – а также прояснились и задачи проектной деятельности, а именно: в ходе работы над проектом ознакомиться с двумя видами стробоскопов, изучить, в чём заключаются стробоскопические эффекты первого и второго типов, проделать эксперименты с использованием двух видов стробоскопов, создать слайд-шоу, в котором представить всё самое интересное.

Работу между участниками проекта решили распределить таким образом: Алексей подробно изучает всё, что связано со стробоскопическим эффектом первого типа, Антон – с эффектом второго типа, Сергей отвечает за постановку опытов. Написали текст для слайдов, подобрали иллюстрации [5–9], сделали слайд-шоу.

Стало ясно, что намного интереснее оно будет с видеофрагментами. В зимние каникулы отсняли при стробоскопическом освещении на цифровой фотоаппарат вращение вентилятора, колёс игрушечного автомобиля, вытекание воды из крана, вращение волчков. Лучшие видеофрагменты включили в слайд-шоу. Потом решили сделать видеофильм, хотя такого опыта работы ни у кого не было. Начали осваивать программу WindowsMovieMaker. За 2–3 ч работы на компьютере монтировали всего 2–3 мин фильма, которые потом всё равно приходилось переделывать. Вставляли видео, записывали звук. Некоторые интересные видеофрагменты нашли в Интернете [2–5]. Чтобы включить их в создаваемый фильм, пришлось пользоваться программой перевода в другой формат, – обращались за помощью к старшеклассникам, в результате у ребят появлялись новые умения и навыки пользования компьютером.

За время работы над проектом учащиеся дважды побывали в Политехническом музее, где ознакомились с историческим материалом по выбранной теме, сделали фотоснимки, ознакомились с принципом действия экспонируемых там стробоскопов. Продолжали работать и над текстом проекта, продумывали будущую презентацию. Учащиеся прочитали много дополнительной литературы, благодаря чему познакомились со свойством инерции зрения, разобрались с причиной возникновения стробоскопических эффектов, нашли примеры их практического применения.

В марте в нашей школе проходил конкурс проектов. Среди проектов естественно-научного цикла наш оказался одним из лучших, поэтому было решено представить его и на районном смотре, где проект «Стробоскопические эффекты» был удостоен диплома I степени.

Целиком презентация и видеофильм даны в электронных приложениях, а ниже представляем текст, размещённый на слайдах, и наиболее эффектные примеры.

Фотография прыгающего шарика при стробоскопическом освещении [6] и стробоскопы первого типа [6, 9]

 

Презентация

Слайд 1. Стробоскопические эффекты [2]. Проект.

Слайд 2. Инерция зрения. Зрительное впечатление вызывается световым раздражением сетчатки глаза. С прекращением раздражения зрительное впечатление исчезает не сразу. Глаза сохраняют ощущение изображения приблизительно в течение 0,05 с. Эта способность глаза называется инерцией зрительного восприятия и создаёт так называемый стробоскопический эффект [7].

Слайд 3. Стробоскопический эффект первого типа – это восприятие быстрой смены изображений отдельных моментов движения тела как его непрерывного движения. Световые раздражения с перерывами не более 0,1 с дают сливающееся единое впечатление.

О стробоскопическом эффекте было известно уже в глубокой древности (I в. до н. э.). Учёные понимали, что, например, именно из-за этого эффекта молния нам кажется раскалённым огненным зигзагом.

Слайд 4. В XIX в. появляются многочисленные занимательные приспособления и игрушки, позволяющие создавать иллюзию движения на основе стробоскопического эффекта первого типа. Это же время можно считать началом развития кинематографа «оживших» фотографий [7].

Слайд 5. В 1868 г. англичанин Джон Бернс Линнет запатентовал кинеограф – приспособление для создания анимированного изображения из отдельных кадров, нанесённых на листы бумаги, которые сшиты в тетрадь. Зритель, быстро перелистывая тетрадь, наблюдает эффект анимации. В 1897 г. англичанин Генри Уильям Шорт наладил массовое производство кинеографов под патентованным названием филиоскоп, снабдив его металлическим футляром и рычагом, облегчающим перелистывание страниц. Кинеография является одной из форм мультипликации.

Слайд 6. (Рисунки, иллюстрирующие принцип кинеографии [2].)

Слайд 7. «Птичка в клетке».

Слайды 8–10. На свойстве глаза удерживать зрительное впечатление изображения последовательных изображений предмета и видеть движущееся изображение, основан простейший прибор – стробоскоп. Это невысокий цилиндр с прорезями. В цилиндр вставляется полоса с нарисованными на ней картинками. При вращении цилиндра наблюдается стробоскопический эффект первого типа [6].

Слайд 11. На стробоскопическом эффекте первого типа основано восприятие движения в кинематографе и телевидении. Нормально при киносъёмке или проецировании кадры следуют один за другим 24 раза в секунду.

Слайды 12–13. На киноэкране также часто возникают стробоскопические эффекты. Например, автомобиль мчится с головокружительной быстротой. Зритель же видит, что колёса едва вращаются, или не вращаются вовсе, или даже вращаются в противоположном направлении. Так как кинолента запечатлевает изображение колёс с перерывами, то возможны три случая.

Слайды 14–16. Если за время перерыва между кадрами колесо успевает сделать целое число оборотов, то кажется, что колесо не вращается.

Если спицы колеса похожи одна на другую, то для иллюзии неподвижности достаточно, чтобы за время перерыва между кадрами колесо повернулось на целое число промежутков между спицами.

Если колесо успевает за промежуток между кадрами сделать целое число оборотов и ещё часть оборота (например, на 45°), то кажется, что, несмотря на быстрое перемещение автомобиля, колёса вращаются медленно.

Если в течение промежутка между кадрами колесо делает неполный оборот, отличающийся от полного на небольшую долю (например, поворачивается на 315°), то кажущееся направление вращения будет противоположно его действительному вращению. Это обманчивое впечатление будет до тех пор, пока колесо не изменит скорость вращения [8].

Слайд 17. Различают несколько видов съёмок: замедленная (цейтраферная) – до 24 кадров в секунду; ускоренная – от 30 до 500 кадров в секунду; скоростная – от 500 до 1000 кадров в секунду; высокоскоростная – от 1000 до 100 000 кадров в секунду; сверхскоростная – свыше 100 000 кадров в секунду. Медленная и скоростная съёмки позволяют видеть на экране то, что в обычных условиях увидеть невозможно [5].

Стробоскоп второго типа и стробоскопические фотографии падающих капель и выпущенного из пистолета шарика

Слайд 18. Стробоскопический эффект второго типа – это восприятие в условиях прерывистого наблюдения быстро движущегося предмета неподвижным. Приборы, в которых используется этот стробоскопический эффект, содержат импульсные источники света с регулируемой частотой вспышек и называются стробоскопами (назовём их стробоскопами второго типа). Концертный стробоскоп перекрывает частотный диапазон 2–10 Гц [3].

Слайд 19. Интересны некоторые явления, демонстрирующиеся в стробоскопическом освещении, например, свободное падение капель воды. Капли будут казаться неподвижными, если период световых вспышек равен времени роста и отрыва капель. При небольшом несовпадении этих интервалов времени можно добиться эффекта кажущегося движения капель вверх, а не вниз.

Слайды 20–21. Вращение вентилятора при стробоскопическом освещении также кажется удивительным. Лопасти могут выглядеть вращающимися как в одну, так и в другую сторону или вовсе неподвижными. Как и в случае вращающихся колёс машины при кинематографической съемке то, что увидит наблюдатель, зависит от соотношения частоты вспышек стробоскопа и частоты вращения вентилятора.

Слайды 22–23. Освещение стробоскопом часто используют на танцевальных дискотеках. За счёт стробоскопического эффекта движения танцоров раскладываются на отдельные фазы. Впечатление зависит от ритма танца и частоты вспышек стробоскопа [9].

Слайд 24. С помощью стробоскопа можно производить фотосъёмку быстрых процессов. Для этого нужно в затемнённом помещении при открытом затворе плёночного фотоаппарата освещать движущийся объект интенсивными периодическими вспышками в течение некоторого промежутка времени. На фотоплёнке зафиксируются последовательные положения тела при его движении. Отпечатанные стробоскопические фотографии можно использовать на уроках физики [4].

Слайд 25. Полёт шарика при выстреле из пружинного пистолета под углом к горизонту (соединив плавной линией последовательные положения шарика, можно легко представить его траекторию).

Слайд 26. Движение шарика по наклонному жёлобу.

Слайды 27–28. На стробоскопической фотографии вращающейся детской игрушки можно видеть кажущееся увеличение числа шариков, застывающих неподвижно на равных друг от друга угловых расстояниях по ходу их вращения.

Слайд 29. Стробоскопический эффект используется во многих отраслях промышленности. Например, освещая стробоскопической лампой деталь, можно производить регулировку зажигания двигателя машины.

Алексей Чеботарь, Антон Вильдяев и Мамонтов Дмитрий (вместо заболевшего Сергея Астахова), 8-й класс

 

Литература

1. Профильное обучение: типовые профили / Под ред. А.А. Кузнецова. М.: СпортАкадемПресс, 2005. 212 с.
2. Стробоскоп / Википедия. [Электронный ресурс] URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/
3. Стробоскопические приборы / БСЭ. [Электронный ресурс] URL: http://bse.sci-lib.com
4. Кикоин А. Стробоскопический эффект и измерение ускорения / Квант, 1085, № 9. [Электронный ресурс] URL: http://kvant.mirror1.mccme.ru
5. Стробоскопический эффект /Rutube. [Электронный ресурс] URL: http://rutube.ru
6. Пёрышкин А.В., Чемакин В.П. Факультативный курс физики. 7 класс. М.: Просвещение, 1980.
7. Гальперштейн Л. Забавная физика. М.: Детская литература, 1993.
8. Перельман Я.И. Занимательная физика: кн. 2. Уфа: Слово, 1993.
9. Юфанова И.Л. Занимательные вечера по физике в средней школе: кн. для учителя. М.: Просвещение, 1990.

Любовь Владимировна Залипаева – учитель физики высшей квалификационной категории. Окончила МГПИ им. В.И. Ленина в 1983 г., педагогический стаж 26 лет. Нравится заниматься творческим развитием учащихся, участвовать вместе с ребятами в научных конференциях, конкурсах, олимпиадах. Имеет троих взрослых детей и внука. Хобби – путешествия, цветоводство.