Типы лазера и использование - Урок - TeachEngineering

1. Резюме Через две демонстрации в классе студенты знакомятся с основными свойствами лазеров с помощью...
2. Цели обучения
3. Образовательные стандарты
4. NGSS: Стандарты науки следующего поколения - Наука
5. Pre-Req Knowledge
6. Введение / Мотивация
7. Основы урока и концепции для учителей
8. Сопутствующая деятельность
9. оценка
10. Рекомендации
11. Авторы
12. авторское право
13. Вспомогательная программа
14. Подтверждения

Резюме

Через две демонстрации в классе студенты знакомятся с основными свойствами лазеров с помощью различных средств. На демонстрации «Создание электрического рассола» учащиеся увидят, как клеточная ткань способна проводить электричество и как это связано с различными решениями для замачивания. На демонстрации «Красные / зеленые лазеры в разных средах» учащиеся видят свойства лазеров, особенно дифракцию, в различных средах. Студенты получат понимание того, как свет может поглощаться и передаваться различными средами. Материал для последующей лекции знакомит студентов с механизмами работы лазеров и связывает эти функции со свойствами света. В соответствующей деятельности студенческие команды исследуют конкретные типы лазеров и представляют свои выводы классу. Эта инженерная программа соответствует научным стандартам следующего поколения ( NGSS ).

Инженерное соединение

Биомедицинские инженеры используют лазеры в диагностике, включая оптическую визуализацию, которая позволяет раннее выявление патологий. Отраженные свойства света должны быть поняты для использования оптической когерентной томографии (ОКТ), чтобы создавать изображения поперечного сечения микроструктуры ткани при оптической биопсии. Сфокусированный лазерный луч попадает в ткань и измеряется задержка отраженного света от тканей. Информация об изображении получается, формируя изображение, которое показывает клеточные структуры в ткани. Подобно процессу OCT, задержка или отсутствие лазера на приемном датчике - это то, как срабатывает система сигнализации для мумифицированной системы безопасности троллей. В оценке после урока учащиеся применяют концепцию дифракции, изученную во второй демонстрации, и свойства лазеров, изученные в лекции, чтобы понять механизм срабатывания тревоги.

Цели обучения

После этого урока студенты должны быть в состоянии:

• Понять основные свойства лазеров.
• Понять, как свет передается через различные среды
• Разработайте свою собственную модель, чтобы проверить, как свет будет проходить через различные среды
• Изучение и исследование типов лазеров и их использование.

Этот урок также соответствует следующим стандартам содержания образовательных технологий Основы технологии Теннесси: 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0 и 8.0; увидеть https://www.teta.org/

Этот урок также соответствует следующим стандартам обучения Национальным стандартам научного образования (NSES): A, B, C, D, E, F; увидеть https://www.nap.edu/topic/

Образовательные стандарты

Каждый урок или деятельность TeachEngineering соотносится с одним или несколькими образовательными стандартами K-12 в области науки, техники, техники или математики (STEM).

Все более 100 000 стандартов K-12 STEM, охватываемых TeachEngineering , собираются, поддерживаются и упаковываются Сетью стандартов достижений (ASN) , проектом D2L (www.achievementstandards.org).

В ASN стандарты иерархически структурированы: сначала по источникам; например , государством; внутри источника по типу; например , наука или математика; в пределах типа по подтипу, затем по классу и т . д.

NGSS: Стандарты науки следующего поколения - Наука

Международная ассоциация инженеров-технологов - технология

• Достижения и инновации в медицинских технологиях используются для улучшения здравоохранения. (6-8 классы) Подробнее

  Посмотреть выровненный учебный план

  Вы согласны с этим раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

• Знания, полученные в других областях, оказывают непосредственное влияние на разработку технологических продуктов и систем. (6-8 классы) Подробнее

  Посмотреть выровненный учебный план

  Вы согласны с этим раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

Pre-Req Knowledge

Прежде чем приступить к изучению лазеров, убедитесь, что у студентов есть хорошее, базовое понимание принципов света, изложенных в уроке 2, Свойства Света обучения.

Введение / Мотивация

Когда вы думаете о лазере, какие характеристики приходят вам на ум? Как лазеры сравниваются с фонариками? Что вы знаете о цвете или радиусе лазерного луча? Какое использование легко приходит на ум, когда вы думаете о лазерах в современном обществе? Знаете ли вы, что первое применение лазера появилось в 1970-х годах в сканерах для продуктовых магазинов? Как насчет медицинских приложений сегодня - знаете ли вы что-нибудь?

Сегодня мы рассмотрим ответ на все эти вопросы. Кроме того, (в связанном задании) вы будете работать в компьютерной лаборатории в небольших группах, чтобы исследовать конкретные типы лазеров и создавать презентации, чтобы делиться нашими результатами с классом. По завершении презентаций вы должны точно знать, какой тип лазера лучше всего подходит для разработки вашей системы безопасности. Более того, вы будете точно знать, почему мы используем лазерную систему безопасности для невидимого обнаружения присутствия вора.

(Затем проведите две демонстрации класса, как описано в разделе «Предпосылки урока и концепции для учителя». Затем перейдите к следующему краткому материалу лекции.)

Как работают лазеры (материал лекции)

Лазеры играют много ролей в нашей повседневной жизни, от оптического накопителя (CD и DVD) до резки металла, татуировки и удаления волос. Не все знают, что лазер на самом деле является аббревиатурой. (Примите догадки студентов.) Лазер означает усиление света за счет стимулированного излучения . Возвращаясь к теории света частиц, которая привела нас к современной квантовой физике, мы знаем, что атомы, пораженные световыми волнами (электромагнитным излучением), начинают вибрировать, заставляя их электроны прыгать на более высокие энергетические уровни, пока атомы не достигнут возбужденного состояния. Когда атомы начинают расслабляться, их энергия высвобождается в форме фотонов, которые являются просто карманами световой энергии. Лазер - это устройство, которое контролирует этот выброс фотонов (карманов световой энергии).

Фотонная эмиссия. Фотоны - это карманы световой энергии.

Авторское право © Dake, Wikimedia Commons. http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Sem_X_photon.svg

Характеристики лазерного света

Лазерный свет описывается как когерентный, монохроматический и коллимированный.

• Свойство когерентности отличается от лазеров; это означает, что лазерные световые волны находятся в фазе и фотоны движутся в такт друг с другом. Это свойство объясняет, почему лазерные лучи очень узкие и имеют небольшое расхождение.
• Во-вторых, лазерный свет является монохроматическим, что означает, что световые волны последовательно имеют одну длину волны. Это объясняется тем, что выпущенные фотоны происходят только на одном наборе уровней атомной энергии.
• Наконец, лазерный свет описывается как коллимированный, что означает, что лазерные волны проходят параллельно друг другу и перпендикулярно зеркалам на каждом конце лазерного резонатора. Это помогает предотвратить расхождение и поддерживать усиление по сравнению, например, с фонариком.

Лазерное использование

Лазеры нашли свое первое применение в 1970-х годах в местных продуктовых магазинах, в сканере продуктов. Следующим крупным достижением для лазерных технологий стал проигрыватель компакт-дисков. В настоящее время используется от больниц до полей сражений, от электроники до заводов. Вот некоторые примеры:

• В медицине: хирургическое лечение, лечение зрения, лечение камней в почках, стоматология, удаление волос, лечение кожи, удаление татуировок и т. Д.
• В армии: наведение ракет, замена радаров, наведение целей и т. Д.
• В электронике: компакт-диски, DVD-диски, лазерные принтеры, голограммы, сканеры штрих-кода и т. Д.
• Заводы: резка, сварка, отопительные материалы и др.

Короче говоря, инженеры и ученые определили способ стимулирования высокоэнергетического выброса и направления его выхода к выполнению продуктивных и полезных задач.

(Затем попросите студентов провести соответствующую работу, Изучение типов и использования лазеров , в котором они исследуют назначенные типы лазера и представляют свои результаты классу. Каждый участник класса отвечает за ведение заметок на презентациях с использованием раздаточного материала.)

Основы урока и концепции для учителей

Legacy Cycle Information

На этом уроке учащиеся продолжают этап исследования и пересмотра устаревшего цикла. Они применяют свои знания о преломлении и передаче света для понимания лазеров и их поведения в различных средах. Эти новые знания помогают студентам разрабатывать свои системы безопасности на основе лазеров.

Две демонстрации в классе под руководством учителя иллюстрируют поведение света в различных средах, одна из которых представляет собой клеточную ткань (ткань некогда живого огурца), а вторая - водный раствор со взвешенными коллоидами. После демонстраций проведите соответствующее мероприятие, в ходе которого учитель назначает студенческим командам конкретные типы лазеров для исследования. Затем команды представляют свои результаты классу, в то время как класс делает записи о различных типах лазеров. Выполнение этого шага помогает учащимся решить сложную задачу и спроектировать свою систему безопасности для защиты мумифицированного тролля.

Демонстрация 1: Изготовление электрического рассола

Эта демонстрация показывает студентам, как электрические поля могут быть созданы в различных средах, один из которых является клеточной тканью соленого огурца. Соленые огурцы, пропитанные различными растворами, подсвечиваются разными цветами. Эта демонстрация работает лучше всего в комнате, которая может быть затемнена.

Демо 1 Список материалов

• удлинитель (который будет обрезан для демонстрации)
• сверхмощные ножницы
• 2 больших (16 копейки) гвоздя
• 1 (или более) крупный кошерный маринованный укроп, замоченный в растворах соли / уксуса на 1-2 недели
• контейнеры (для хранения солений и растворов)
• вода, соли (см. таблицу 1) и уксус

Перед началом демонстрации погрузите огурец в один из многих возможных солевых растворов, каждый из которых генерирует разные цвета в демонстрационной версии (см. Таблицу 1). Смешать с уксусом и выдержать 1-2 недели. Забавно приготовить более одного маринада, используя разные солевые растворы.

Таблица 1. Различные соли и полученные цвета пламени, которые они производят в Демо 1.

Copyright © 2008 Терри Картер. Используется с разрешения.

Демонстрация 1 Инструкции

1. Отрежьте конец розетки от удлинителя в том месте, где вы бы подключили его к устройству (а не конец, который вы подключаете к стене).
2. Отделите провода и отогните немного пластмассы - около полутора дюймов (1,3 см).
3. Оберните концы двух проводов вокруг двух отдельных больших (16 копеек) гвоздей.
4. Вставьте кончики гвоздей в противоположные концы маринада, убедившись, что концы двух гвоздей не трогайте .
5. Поместите рассол на непроводящую поверхность, например на лабораторный стол.
6. Выключите все огни.
7. Подключите удлинитель, чтобы не было дольше 15 секунд. Тогда ОТКЛЮЧИТЕ это.
8. Соленье должно загореться на одном конце в течение 15 секунд.
9. Повторите шаги 4-8 с соленьями, смоченными в различных средах (см. Таблицу 1).

Примечание по безопасности: после эксперимента ногти горячие, поэтому будьте осторожны при их снятии.

Демонстрация 2: красные / зеленые лазеры в разных средах

Затем начните демонстрацию красных / зеленых лазеров в различных средах, чтобы познакомить учащихся с лазерами и их свойствами, выраженными в различных средах. Это демо лучше всего работает в комнате, которая может быть затемнена.

Демо 2 Список материалов

• 1 красный лазер
• 1 зеленый лазер
• 2 средних или больших стакана
• порошкообразный сливочник кофе
• красный и зеленый пищевой краситель (дополнительные цвета не обязательны)

  Copyright © 2004 Microsoft Corporation, One Microsoft Way, Редмонд, Вашингтон 98052-6399 США. Все права защищены.

Демонстрация 2 Инструкции

1. Заполните один стакан водой и просвечивайте каждый лазер. (Укажите студентам, что они не могут видеть лазерные лучи в воде.)
2. Постепенно посыпьте сливки для кофе сверху водой в одном стакане и дайте сливочнику диффундировать в воду. (Студенты должны видеть, что лучи начинают появляться в воде). Совет: не насыщайте воду!
3. Добавьте красный пищевой краситель в стакан и позвольте студентам предположить, какой цветной лазерный луч лучше пройдет через раствор, прежде чем просвечивать каждый через кремово-красный раствор.
4. Повторите шаги 1-3 во втором стакане, используя зеленый пищевой краситель вместо красного.
5. Если позволяет время, повторите шаги 1-3 с разными цветами, такими как оранжевый, синий, желтый и т. Д., И отметьте влияние каждого цвета на лазерные лучи.

Сопутствующая деятельность

• Лазеры, давайте найдем их! - Студенческие команды исследуют различные типы лазеров и их применение в технике сегодня. Они представляют свои выводы классу через презентации PowerPoint, видео или брошюры.

Словарь / Определения

последовательный: Из или относящихся к волнам, которые поддерживают фиксированное фазовое соотношение.

визировать: Чтобы привести в соответствие или сделать параллель.

лазер: Устройство, которое излучает когерентный свет через определенный механизм.

световой датчик: Устройство, которое обнаруживает присутствие источника света.

монохромные: Свет одного цвета, или излучение одной длины волны или узкого диапазона длин волн.

фотон: Квант электромагнитной энергии, рассматриваемый как дискретная частица, имеющая нулевую массу, отсутствие электрического заряда и бесконечно большое время жизни.

оценка

Оценка перед уроком

Вопрос для обсуждения: задайте несколько вопросов для обсуждения, чтобы студенты подумали о предстоящем уроке. После получения ответов объясните, что на эти вопросы будут даны ответы в течение урока.

• Что вы знаете о лазерах?
• Лазеры такие же, как фонарики?
• Что вы знаете о цвете или радиусе лазерного луча?
• Как мы используем лазеры?
• Какие существуют разные среды?
• Будет ли молоко или вода лучше пропускать свет и где поглощается свет?
• Как свет влияет на различные среды?

Оценка после урока

Журналирование: попросите студентов составить ответы в своих журналах на следующие вопросы:

1. Какова роль лазеров в дизайне вашей системы безопасности?
2. Какие свойства лазерной волны важны для вашего лазерного выбора?
3. Какую среду проходит ваш лазер?
4. Как может измениться ваш дизайн, если среда изменилась?
5. Какие свойства света важны для обнаружения вора?
6. Как вы узнаете, была ли нарушена безопасность тролля?

Рекомендации

Dictionary.com. Лексико Издательская группа, ООО. По состоянию на 7 августа 2008 г. (Источник словарных определений с некоторой адаптацией)

Авторы

Терри Картер; Меган Мерфи

авторское право

© 2013, регенты Университета Колорадо; оригинал © 2008 Университет Вандербильта

Вспомогательная программа

Программа VU Bioengineering RET, инженерная школа, Университет Вандербильта

Подтверждения

Содержание этого учебного плана цифровой библиотеки было разработано в рамках гранта NET Национального научного фонда. 0338092 и 0742871. Однако это содержание не обязательно отражает политику NSF, и вы не должны принимать одобрение со стороны федерального правительства.

Последнее изменение: 2 ноября 2018 г.

Похожие

Комментарии