光學(xué)2-循跡小車講義

小小發(fā)明家系列課講義光學(xué)模塊第二講：循跡小車一、課程目標(biāo)知識學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.重點了解光的反射定律：入射光角度和反射光角度相同。2.重點掌握循跡小車的工作原理紅外發(fā)射端發(fā)出的紅外線被反射后紅外接收端接收到紅外線信號，小車電機(jī)轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)前進(jìn)；3.一般了解鏡面反射和漫反射以及光反射的應(yīng)用。探究學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.通過游戲探索互動模式讓學(xué)生在玩中學(xué)；2.通過趣味故事及生活中的科學(xué)現(xiàn)象激發(fā)學(xué)生對身邊的科學(xué)產(chǎn)生興趣；3.通過鏡面反射實驗演示和互動參與，激發(fā)學(xué)生對反射定律等知識的主動思考和探索，體驗科學(xué)的樂趣，引導(dǎo)學(xué)生自主掌握知識學(xué)習(xí)目標(biāo)中的重點。火星盒子制作目標(biāo)：1.觀察和認(rèn)識循跡小車的組成部分和主要元器件；2.在教師指導(dǎo)下，動手組裝完成循跡小車；3.學(xué)會循跡小車的使用方法，并了解循跡小車在生活中的應(yīng)用二、課堂組織形式1.設(shè)計互動參與游戲2.組織開放式問題討論3.問答式課堂互動4.融入趣味故事講解5.設(shè)計互動探究實驗6.火星盒子制作演示和指導(dǎo)7.課后習(xí)題鞏固三、課堂準(zhǔn)備名稱內(nèi)容來源備注1PPT課件課程全流程演示文稿火星人課件2組裝制作說明視頻組裝制作循跡小車的說明視頻火星人備課視頻組裝流程視頻說明3互動游戲錯覺青蛙：錯覺青蛙教具火星教具/教師自行采購準(zhǔn)備（使用方法參考火星人備課視頻）可選如無此設(shè)備可自行采購選用類似其他設(shè)備代替。無線反射：無限反射教具4互動實驗教具反射定律實驗：平面鏡，三線平行激光器，量角板需教師自己準(zhǔn)備（詳細(xì)方法參考火星人備課視頻）球面鏡反射實驗：平面鏡，凸面鏡，凹面鏡，三線平行激光器，量角板鏡子分蛋糕實驗2個平面鏡1張白紙1支筆需教師自己準(zhǔn)備（詳細(xì)方法參考火星人備課視頻）平面鏡應(yīng)用實驗：潛望鏡火星教具/教師自行采購準(zhǔn)備可選如無此設(shè)備可自行采購選用類似其他設(shè)備代替。(:(5(()::6 ( )6+四、詳細(xì)上課流程本節(jié)課括課熱和6步具體：（首先通火星講解課的故景。（通過提及知譜講解式回節(jié)內(nèi)容。（第-4步為理論解，時控制需在5分鐘內(nèi)，通對奇光現(xiàn)的體研究，插趣事講解識，通過實演示動完成點知光反射理）授。（第5步為學(xué)生操作組完成小車，教師、維護(hù)序、安全，長控制在-0分鐘。（第6步為課程，時長為0分鐘（）第7步為作業(yè)布，把內(nèi)容延到生。（總時長為120分鐘，預(yù)留5-10分鐘休息時間）上課步驟主要內(nèi)容注意事項【課堂預(yù)熱】場景引入【對應(yīng)PPT】火星來信【時長】5min【講解小火星在信里說他最近看到了一個很酷的車都沒有司機(jī)，車還能很好的走在公路上，他也想要把自己的車改裝成這樣酷酷的車這樣他就可以在車上繼續(xù)睡覺了哈哈哈哈真是個愛偷懶的小火星！不要在課程開始時發(fā)給學(xué)生盒子器材，會分散學(xué)生注意力。【提問老師現(xiàn)在基本上所有的車都需要司機(jī)為什么車上需要司機(jī)呢？學(xué)生：得控制方向盤。老師對因為司機(jī)有眼睛可以看到路況及時作出行車操作。那如果車上沒有司機(jī)誰來看路況呀？學(xué)生：可以做一個機(jī)器人……老師：我們可不可以給這種車制作一種專門的車道呢？讓它遵循著我們設(shè)定的道路軌跡前行，也就是一款循跡小車。簡單來說這種車就是按照我們設(shè)定的線路走的車?！俱暯釉捫g(shù)】我們知道車輛一般在白天是不用開車燈的，因為有太陽光我們可以清楚的看到東西到了晚上為了看清楚路面我們需要打開車燈說明光對于開車的朋友來說很重要既然這么重要我們回顧一下上節(jié)課關(guān)于光的知識。【第1步】神奇的光現(xiàn)象【對應(yīng)PPT“神奇的現(xiàn)象”部分【時長】7-10n【銜接話術(shù)最近老師養(yǎng)了一只青蛙今天我把它帶來了請問有沒有哪位同學(xué)想要摸一下它的？【實驗/游戲【錯覺青蛙】準(zhǔn)備：錯覺青蛙注意：（1）詳細(xì)實驗材料形狀及實驗流游戲過程：1、老師事先把青蛙放好擺在上課桌上保證在做的學(xué)生在側(cè)面都可以看到這個青蛙的像就可以了。2、讓學(xué)生去觸摸這個青蛙，結(jié)果是觸摸不到。3、在所有同學(xué)都很迷惑的時候把這個裝置的孔對準(zhǔn)學(xué)生讓學(xué)生看到其實真正的青蛙在裝置的里面，引導(dǎo)學(xué)生觀察到這個裝置中有鏡子。程參考視頻（2）實驗材料教師自己準(zhǔn)備。（3學(xué)生進(jìn)行操作時老師把控好時間和秩序?！咎釂枴科鋵嵨覀円婚_始看到的青蛙是假的，這是怎么做到的呢？【總結(jié)】假青蛙是鏡子照射形成的?！局v解】相信大家都照過鏡子對吧，在鏡子里我們可以看到自己，看到自己衣服的顏色，看到背后物體的顏色，正好，老師也準(zhǔn)備了鏡子，我們一起來看一下。【第2步】光的反射【對應(yīng)PPT“光的射”部【銜接話術(shù)】為了讓大家看清楚，老師還準(zhǔn)備了平行激光器，平行激光器是可以發(fā)出3條平行激光的。量角尺，就是量角度的尺子分【時長】30-5min1.平面鏡的反射特點（反射定律）【實驗/游戲【反射定律實驗】準(zhǔn)備：平面鏡，三線平行激光器，量角板實驗過程：1.打開三線平行激光器，讓學(xué)生看到激光在空氣中是走直線的，為了與下面的實驗形成對比。2.將量角板放在桌子上，正面朝上，把平面鏡垂直（可以適當(dāng)改變角度，達(dá)到最好的反射效果即可）放在量角板的一邊，打開激光筆，將激光投射在鏡子上，觀察激光光線的位置變化，以及兩束光線與鏡面之間的角度是否一樣，讓學(xué)生記錄好入射光的角度和反射光的角度。以便之后總結(jié)反射定律。3.上面的操作至少進(jìn)行3次，實驗總結(jié)：從剛剛的實驗中我們看到激光碰到平面鏡會被反射（反彈。注意：（1）提醒學(xué)生激光不能照射眼睛，會傷害眼睛，建議可以使用護(hù)目鏡。（2）老師可以做了演示后，讓學(xué)生自己實驗。（3）詳細(xì)實驗材料形狀及實驗流程參考視頻（4）實驗材料教師自己準(zhǔn)備。（5）換學(xué)生進(jìn)行操作時，老師把控好時間和秩序。（6）進(jìn)行實驗的時候，老師先不要說出“入射光“反射光”的專業(yè)詞匯。在實驗時候，可以用手指著光束，也可以說左邊的光線等等，在總結(jié)時候再提到專業(yè)詞匯?！局v解】因為鏡面比較光滑，所以當(dāng)光照到鏡子上后會被反射的這種現(xiàn)象叫做鏡面反射。而且反射的時候是有一個很明顯的特點。在研究特點前，我們先用垂直的一條線把鏡子分成兩個部分。進(jìn)入到鏡子里的光，我們把它叫做入射光，被鏡子反射后的光叫做反射光。入射光和垂直的線之間的角我們稱之為入射角，同樣的反射光與垂直線的角叫做反射角?！俱暯釉捫g(shù)】從剛剛的實驗中我們觀察到，它們倆是一樣大的。這就是光反射最大的一個特點?！究偨Y(jié)】入射角和反射角相等，這就是反射定律。2無反射【銜接話術(shù)】大家想想，鏡子可以把光反射出去，那被反射出來的光還可以被其他鏡子反射嗎？【實驗/游戲【鏡子分蛋糕】準(zhǔn)備：2個平面鏡，1張白紙，1支筆實驗過程：1、在紙上寫一個字（漢子、拼音、數(shù)字都可以。2、將其中一面鏡子放在字的一邊，讓學(xué)生觀察，此時可以看到鏡子中有一個相同的圖案。3、將另一面鏡子放在剛剛那個鏡子的旁邊，鏡子注意：（1）實驗過程詳細(xì)步驟查看下一頁PPT視頻“鏡子分蛋糕。（2）“鏡子分蛋糕”實驗可以選做。如果選擇做實驗，那么請把視頻頁隱藏；如果不做實驗，可以播放此視頻代替。（3）詳細(xì)實驗材料形狀及實驗流面對鏡子，觀察兩個鏡子中的變化。4、適當(dāng)移動鏡子，讓鏡子中出現(xiàn)更多的字。實驗總結(jié)：被鏡子反射后的光可以再被反射好多次。程參考視頻（4）實驗材料教師自己準(zhǔn)備。（5）換學(xué)生進(jìn)行操作時，老師把控好時間和秩序?！俱暯釉捫g(shù)】那么接下來，老師要考考你們了。剛剛老師用的兩面鏡子有一邊是靠在一起的，如果把兩面鏡子面對面放置，也就是平行放置，會出現(xiàn)什么情況呢？【實驗/游戲【無限反射】準(zhǔn)備：無限反射教具游戲過程：1、讓學(xué)生檢查此教具的厚度，達(dá)到的目的是讓學(xué)生知道它并不是很厚，并不是一個無限厚的裝置。2、插上電源，讓學(xué)生觀察，學(xué)生會觀察到一個像光隧道一樣的景象。游戲總結(jié)：其實這里面有兩個鏡子，這兩個鏡子是平行的，在鏡子中有一圈燈帶，當(dāng)燈帶點亮后，會注意：（1）詳細(xì)實驗材料形狀及實驗流程參考視頻（2）實驗材料教師自己準(zhǔn)備，此實驗可以選做。（3）換學(xué)生進(jìn)行操作時，老師把控好時間和秩序。照射到兩個鏡子上，由于兩面鏡子是面對面平行放置的，座椅兩面鏡子會互相反射對方鏡子里面的圖形，不斷的反射就形成了一個像隧道一樣的裝置?！俱暯釉捫g(shù)】像這樣的大型裝置一般在一些錯覺體驗館中，可以是深不見底的無底洞。3、漫反射【提問】生活中除了像鏡子這樣表面光滑的物體可以反射光以外，水也是可以的，但是水的表面有時候會變得凹凸不平，這時候我們也可以看見光，為什么呢？【講解】其實光也可以在不平滑的面上進(jìn)行反射，只是反射出來的光不會那么整齊，會向四面八方傳播。所以這是另一種反射方式，叫做漫反射。鏡面反射發(fā)生在表面平滑的物體上，漫反射發(fā)生在表面粗糙的物體上。為什么要叫漫反射，是因為“漫”的意思是水向四面八方流淌，這的反射光就是向四面八方傳播。所以叫漫反射?！俱暯釉捫g(shù)】生活中我們看到東西都是因為有漫反注意：漫反射的光路圖，老師除射，比如我們可以看到書本上的字，黑板上的字，衣服的顏色等等，這些東西表面不是那么平滑的。所以當(dāng)用同樣的光照射到表面粗糙的物體上時候，反射出來的光，就是像四面八方照射的。不過每一條光線在反射的時候還是會遵循反射定律的。【提問】大家還記得反射定律是什么嗎？【講解】反射定律就是入射角和反射角一樣大。我們把漫反射中的一組入射光和反射光放大，大家可以看到，其實粗糙的表面在放大之后也是一個非常平滑的面，所以同樣是一個比較小的鏡面反射，當(dāng)然還是遵循反射定律的，也就是入射角與反射角一樣大?！俱暯釉捫g(shù)】那么接下來老師給大家介紹兩種好玩的鏡子。我相信所有的同學(xué)都見過這樣一種鏡子，會把人變小、變胖、變大或者變瘦的鏡子。對，其實就是哈哈鏡。我們一起來研究下它們是怎么把人的身形改變的。了讓學(xué)生看PPT演示外，最好在黑板上親自帶領(lǐng)學(xué)生畫一下，讓學(xué)生感受整個過程?！緦嶒?游戲【球面鏡實驗】注意：準(zhǔn)備：平面鏡，凸面鏡，凹面鏡，三線激光發(fā)射器實驗過程：1.將平面鏡垂直豎立在桌面上，打開三線激光器的三條激光，將激光投射在鏡子上，觀察激光光線的位置變化。為了與球面鏡做對比。2.按照2的做法，把平面鏡依次變成凸面鏡、凹面鏡來完成。實驗總結(jié)：從剛剛的實驗中我們看到激光不論碰到平面鏡還是另外兩種鏡子都會被反射（反彈。而且在反射的時候有不同的現(xiàn)象，平面鏡反射的光是與進(jìn)入的光角度一樣，這在之前的實驗中我們已經(jīng)知道了。另外兩面鏡子中，有一面鏡子的反射光是發(fā)散的，有一面鏡子則是匯聚的。發(fā)生發(fā)散的鏡子呢我們叫它凸面鏡，匯聚的鏡子呢，我們叫它凹面鏡。當(dāng)然它們倆還有一個共同的名字就是球面鏡。（1）詳細(xì)實驗材料形狀及實驗流程參考視頻（2）實驗材料教師自己準(zhǔn)備。（3）學(xué)生進(jìn)行操作時，老師把控好時間和秩序。（4）實驗中要保證三線激光器的光線是垂直射入鏡子的，不要有任何角度?！究偨Y(jié)】因此三種面鏡中只有平面鏡沒有把反射光發(fā)散或者匯聚，保持原來的角度，所以反射的光不會影響真實物體的樣子和大小，而球面鏡反射的光會改變真實物體的樣子和大小。【隨堂小測試】接下來考考大家，下面哪一個是正確的平面鏡反射？【銜接話術(shù)】先恭喜答對的同學(xué)，成功選中了B。很容易知道手電筒用的是凹面鏡，路口轉(zhuǎn)彎鏡用的是凸面鏡，中間的“無底洞”才是兩面平面鏡制造出來的錯覺。手電筒如果比較難的話，老師可以提醒學(xué)生，比如讓大家注意手電筒燈罩位置的形狀是什么樣子的？凹的還是凸的?！镜?步】光反射的應(yīng)用【對應(yīng)PPT“光反射應(yīng)用”部分【時長】10-5min【銜接話術(shù)】除了上面提到的幾種情況外，生活中還有很多關(guān)于光反射的應(yīng)用?！局v解】在水下航行的潛艇為了觀察海面上的情況，會使用一個叫做潛望鏡的裝置。【實驗/游戲【潛望鏡實驗】準(zhǔn)備：潛望鏡游戲過程：讓學(xué)生使用潛望鏡觀察。游戲總結(jié)：潛望鏡就是用了兩個平面鏡來反射光線的，是一種注意：（1）詳細(xì)實驗材料形狀及實驗流程參考視頻（2）實驗材料教師自己準(zhǔn)備。（3學(xué)生進(jìn)行操作時老師把控好時間和秩序。（4潛望鏡實驗可以選做根據(jù)上課時間而定。鏡面反射?！俱暯釉捫g(shù)】愛看電影的同學(xué)們，有沒有注意電影是怎么播放出來的？【講解】在電影播放廳的后面有一個電影放映機(jī)，它在放映電影的時候，把光發(fā)射到播放廳前面的大幕布上。之后電影前面的大屏幕把電影的視頻內(nèi)容反射到我們的眼睛中。因為幕布表面比較粗糙，我們坐下電影院的任何位置都可以看到畫面，和鏡子是不一樣的，所以這是一種漫反射?！局v解對于漫反射中比較特殊的兩種情況凸面鏡和凹面鏡生活中除了手電筒路口轉(zhuǎn)彎鏡以外車輛的后視鏡使用了凸面鏡為了增大視野的范圍。用來燒水做飯的太陽灶同樣用到了凹面鏡，為了利用凹面鏡把光聚集起來的?！咎釂枴壳懊娴那闆r都是光可以被反射出來，那有沒有什么情況下光是不會被反射的呢？【講解】其實生活中我們看到的黑色東西并不是反射出來的黑光，而是因為沒有一種光被反射出來，我們看不到任何一種光，所以認(rèn)為它是黑色的。關(guān)于看不到黑光的問題，上課學(xué)生只要掌握住“黑光不反射光”的簡單知識就可以了。真正的原因是與灰度值有關(guān)的，也就是黑色其實也會反射部分的光線，但量太少了。【銜接話術(shù)前兩天老師去一家餐廳吃飯這個餐廳有點特殊他們的服務(wù)員全部都是機(jī)器人。機(jī)器人上菜，它們是怎么知道桌子位置的呢？觀看視頻。播放視頻?！咎釂枴看蠹铱匆娏藛幔窟@些機(jī)器人的路是一條窄窄的黑線。這是怎么做到的呢？【講解】原因就在于機(jī)器人下面發(fā)出的藍(lán)光。藍(lán)光碰到黑色部分全部被吸收，碰到棕色的地面會有很小的一部分光被吸收，更多的光被地面反射回去。機(jī)器人的下面還有一個專門接收光的設(shè)備，這個接受光的設(shè)備可以接收到返回來的光，如果光沒有被反射回來，那么它就接不到這時候就認(rèn)為是走在了黑線上如果接收到光就說明沒走到黑線上，因此機(jī)器人服務(wù)員就可以根據(jù)黑線的位置準(zhǔn)確找到餐桌，為顧客送上飯菜了。【提問】老師：棕色的地板可以變成白色嗎？學(xué)生：可以。老師：這個機(jī)器人下面發(fā)出的是藍(lán)色的光？我們可不可以用其他的光呢？學(xué)生：紅燈、黃燈等等老師大家說的呢都是一些我們可以用眼睛看到的光有沒有什么光是不能看到的？學(xué)生：紫外線、紅外線老師：我們今天就用一種我們看不見的光——紅外線來做一個可以按照黑線走的小車?！镜?步】循跡小車的工作原理【銜接話術(shù)生活中很多地方都有紅外線比如空調(diào)遙控器電機(jī)遙控器發(fā)射出的就是紅外線，在按鍵的時候大家看到過紅外線嗎？【對應(yīng)PPT“循跡車工作原理”部分【時長】5-10n【實驗/游戲】實驗準(zhǔn)備：空調(diào)遙控器或者電視機(jī)遙控機(jī)，平面鏡，黑卡紙實驗過程：1.老師按下遙控器按鍵，學(xué)生觀察是否有紅外線。2.老師用遙控器打開空調(diào)或者電視機(jī)。3.老師拿一面鏡子面對空調(diào)或者電視機(jī)遙控器對準(zhǔn)這個鏡子按下關(guān)閉按鍵，這時候空調(diào)或者電視機(jī)被關(guān)閉。4.把鏡子換成黑卡紙再用遙控器控制觀察遙控器是否可以把空調(diào)或者電視打開，結(jié)果肯定是不可以的。實驗總結(jié)紅外線我們看不到但是紅外線和其他光一樣可以被反射?！咎釂枴咳绻t外線在遇到黑色呢？會怎么樣？【講解】當(dāng)紅外線遇到黑色會被吸收，遇到白色會被反射。注意：（1）詳細(xì)實驗材料形狀及實驗流程參考視頻（2）實驗材料教師自己準(zhǔn)備。（3學(xué)生進(jìn)行操作時老師把控好時間和秩序。【銜接話術(shù)】雖然我們眼睛看不見紅外線，但是有一個裝置是比我們厲害的，它既有可以發(fā)射紅外線，還可以接收紅外線?！局v解當(dāng)紅外線發(fā)射器發(fā)射出去紅外線之后紅外線遇到地面外線就會被反射回來，紅外線接收器接收到紅外線；如果紅外線遇到黑色部分就會被吸收那么紅外線接收不到紅外線因此根據(jù)是否接收到反射回來的紅外線，判斷黑色部分和地面部分，就可以沿著黑色線行走?！局v解像我們?nèi)艘粯尤绻谲嚿涎b兩只眼睛也就是裝兩個紅外循跡模塊的話，車子就可以看到左右兩邊的線路，可以更穩(wěn)當(dāng)?shù)那靶小！局v解如果車子向右偏離了軌道沒關(guān)系當(dāng)左邊循跡模塊檢測到黑色，就會啟動右輪子轉(zhuǎn)，左輪子不轉(zhuǎn)，實現(xiàn)左轉(zhuǎn)彎?！局v解相反如果車子向左偏離了軌道就會啟動左輪子轉(zhuǎn)右輪子不轉(zhuǎn)，實現(xiàn)右轉(zhuǎn)彎?！镜?步】動手制作循跡小車【對應(yīng)PPT“開始手制作啦”部分【視頻輔導(dǎo)】此時可以播放/暫停6分鐘的組裝說明視頻作為指導(dǎo)。①指導(dǎo)學(xué)生打開包裝盒，將零件分類擺放整齊在自己前方桌面上。（1）物品擺放不要太靠近自己的身體，否則容易掉在地上.（2）螺絲釘長短不一，要分開放置為避免散亂和掉落也可把螺絲和墊片一直放在袋子內(nèi)。②講解各元器件的形狀和功能，主要的元器件如下：講解主要元器件時講解循跡小車的工作過程:紅外發(fā)射端發(fā)出的【時長】45-5ina.紅外循跡模塊：發(fā)射和接收紅外線。紅外線被反射后紅外接收端接收到紅外線信號小車電機(jī)轉(zhuǎn)動實現(xiàn)前進(jìn)；1.減速電機(jī)：因為一般的130電機(jī)速度快但是力量小所以與減速電路板連接將速度減小達(dá)到增大力氣的作用。3.注意講請電路連接的邏輯關(guān)系b