Тема 10. ІННОВАЦІЇ

матеріал 31

201. Фотоніка. Частина 1.

Матеріал

Для вчителя

Для учня

Завантажити матеріал (PDF)

Урок №201. Фотоніка. Частина 1.

Очікувані результати навчання:

планує, здійснює пошук, опрацьовує, порівнює, аналізує, оцінює самостійно або у співпраці з іншими надійність джерел і достовірність інформації для розв’язання життєвої/навчальної проблеми [12 ПРО 2.1.1]
визначає самостійно або у співпраці з іншими аргументи/твердження, теорії, що ґрунтуються на наукових фактах і доказах [12 ПРО 4.1.1]
застосовує самостійно або у співпраці з іншими наукове знання і власний досвід для розв’язання життєвої/ навчальної проблеми [12 ПРО 4.3.2]

Мета уроку:

Сформувати в учнів розуміння сутності фотоніки як науки про використання фотонів для передавання, зберігання й обробки інформації.
Ознайомитись із основними напрямами застосування фотонних технологій у різних сферах діяльності людини.
Розвивати критичне мислення та вміння працювати з інформаційними джерелами.

Цілі сталого розвитку:

Які цілі сталого розвитку опрацьовуємо на уроці:

ЦСР 7. Відновлювальна енергія;
ЦСР 9. Інновації та інфраструктура.

Ключові слова: фотоніка, фотон, світло, сонячні батареї, лазер, флуоресценція, біолюмінесценція, оптоволокно.

План уроку:

Асоціації зі словом “лазер”;
Фотоніка як наука про використання фотонів у сучасних технологіях;
Розв’язок завдань для кращого розуміння теми;
Використання фотонних технологій;
Рефлексія.

Очікувані результати для учнівства:

Я пояснюю принцип роботи пристроїв, що базуються на фотоніці;
Я аналізую переваги фотонних технологій порівняно з електронними;
Я наводжу приклади застосування фотоніки в медицині, телекомунікаціях, промисловості, обороні та побуті.

Дружня порада вчителю

Тримайтеся, це лише на 45 хвилин!
Очікувані результати для вчителя:
Такі самі, як в учнів!
Тривалість: до 2 хвилин

1. Мотивація

Дружня порада вчителю

Тривалість: до 2 хв.
Обговоріть з учнями: які асоціації викликає у них слово “лазер”?
Учні мають вибрати картинку або запропонуйте свій варіант.

Які асоціації викликає у вас слово “лазер”? Оберіть картинку або запропонуйте свій варіант.

Напишіть свій варіант:
___________________________________________________________________________________

2. Тобі може знадобитися:

Дружня порада вчителю

Тривалість: до 8 хв.
Подивіться відео: “What is photonics? And why should you care?”
Або продемонструйте учням презентацію, в якій коротко описується:

Що таке “фотоніка”?

Принцип роботи оптичного волокна та лазера.

Корисні ресурси для підготовки до уроку:

Фотоніка: історія розвитку, основи, застосування й перспективи

https://www.fizykaua.com

Подивіться відео: “What is photonics? And why should you care?”

Відео

Фотоніка — сучасна галузь науки і технологій, що вивчає генерування, контроль і виявлення світла (фотонів) та розробляє прилади на їх основі. Вона поєднує методи оптики та квантової фізики для застосування у зв’язку, медицині, енергетиці та багатьох інших сферах.

*Застосування фотоніки*. **Джерело**: www.ansys.com

Міждисциплінарні дослідження: сонячна енергія, оптичні системи, біомедична фотоніка, квантова оптика і спектроскопія. **Джерело:** urownteacher.com

Волоконна оптика – це технологія, яка використовує тонкі прозорі волокна зі скла або пластику для передачі світла з одного місця в інше. Вона широко застосовується в телекомунікаціях, медицині та інших галузях завдяки своїй здатності передавати великі обсяги даних на великі відстані з мінімальними втратами.

Волоконна оптика працює на основі принципу повного внутрішнього відбиття. Коли світло потрапляє в оптичне волокно під певним кутом, воно відбивається від внутрішніх стінок волокна і продовжує рухатися всередині нього без виходу назовні. Це відбувається завдяки різниці в показниках заломлення матеріалів серцевини і оболонки волокна. (Джерело: www.fizykaua.com.)

Конструкція оптичного волокна:

Серцевина: виготовлена зі скла або пластику з високим показником заломлення, через яку проходить світло.
Оболонка: шар матеріалу з нижчим показником заломлення, який оточує серцевину і забезпечує повне внутрішнє відбиття.
Захисне покриття: зовнішній шар, що захищає волокно від механічних пошкоджень та впливу навколишнього середовища.

Принцип роботи оптичних волокон:

Введення світла: світло від лазера або світлодіода вводиться в серцевину оптичного волокна під певним кутом.
Передача світла: завдяки повному внутрішньому відбиттю світло рухається всередині волокна на великі відстані з мінімальними втратами.
Вихід світла: на іншому кінці волокна світло виходить і передається до приймача, який може бути фотодетектором або іншим пристроєм.

*Оптоволокно в дії з лазерним джерелом.* **Джерело:** https://www.fizykaua.com

Лазер (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) – це пристрій, який генерує вузький і потужний пучок світла через процес стимульованої емісії. Лазер є одним із найважливіших винаходів XX століття, що знайшов застосування у різних галузях науки, медицини, техніки та промисловості.

Основні компоненти лазера включають:

Активне середовище: це матеріал, в якому відбувається збудження атомів або молекул. Воно може бути твердим, рідким або газоподібним.
Джерело енергії (помпа): постачає енергію для збудження атомів в активному середовищі. Це може бути електричний розряд, світло іншого лазера або хімічна реакція.
Резонатор: система дзеркал, яка забезпечує багаторазове проходження світла через активне середовище, збільшуючи інтенсивність світла. Одне з дзеркал є напівпрозорим, через яке виходить кінцевий лазерний промінь.

Як створюється лазерний промінь?

1-ша стадія –виключений лазер
Електрони всіх атомів (на малюнку – чорні точки на внутрішніх колах) займають основний енергетичний рівень.

2-га стадія –момент після включення
Під дією енергії з розрядної трубки електрони переміщуються на більш високі енергетичні орбіти (на малюнку – зовнішні кола).

3-я стадія – утворення променю
Електрони починають покидати високі енергетичні орбіталі та спускаються до основного рівня.
При цьому вони починають випромінювати світло і спонукають до цього решту електронів. Утворюється загальний результуючий пучок світла з однаковою довжиною хвилі у кожного джерела. Чим більше нових електронів повернеться до низьких орбіт, тим потужніше світло лазера.

Довжина світлової хвилі у лазерному пучку тільки одна, отже, і колір також один.
Це світло чітко фокусується лінзою майже повністю в одній точці.
Див. малюнок нижче (зліва – світло лазера, справа – природне світло).

4. Життєва ситуація:

Дружня порада вчителю

Тривалість: до 20 хв.
Допомагайте учням, консультуйте їх!

Завдання № 1 (А).

Розгляньте схему, представлену нижче, пригадайте будову сонячної батареї.

Підпишіть відповідними цифрами основні складові сонячної батареї:

– фронтальний контакт;
– гранична зона;
– електрон;
– “дірка” для електрону;
– кремній n-типу;
– тильний контакт;
– кремній р-типу;

Оберіть текст, який пояснює принцип роботи сонячної батареї.

А. Сонячна батарея працює на основі фотоефекту. Коли світло потрапляє на поверхню батареї, електрони вибивають фотони з атомів у напівпровідниковому матеріалі, найчастіше кремнії.
Це створює різницю потенціалів і спричиняє рух фотонів у замкненому колі, утворюючи електричний струм. Таким чином світлова енергія безпосередньо перетворюється на електричну.

Б. Сонячна батарея працює на основі фотоефекту. Коли світло потрапляє на поверхню батареї, фотони вибивають електрони з атомів у напівпровідниковому матеріалі, найчастіше кремнії.
Це створює різницю потенціалів і спричиняє рух електронів у замкненому колі, утворюючи електричний струм. Таким чином світлова енергія безпосередньо перетворюється на електричну.

В. Сонячна батарея працює на основі фотоефекту. Коли світло потрапляє на поверхню батареї, фотони разом з електронами рухаються у напівпровідниковому матеріалі, найчастіше кремнії. Сумісний рух електронів і фотонів утворює потужну енергію. Таким чином сонячні батареї генерують одночасно світлову та електричну енергії.

Відповідь: Принцип роботи сонячних батарей: Б.

Завдання № 1 (Б).

Розгляньте графіки. На ньому представлені дані з Енергетичного центру Ньюкасла, де встановлені сонячні батареї. Кожен рядок показує різні погодні умови: розсіяна хмарність, сильна хмарність, сонячно з розсіяною хмарністю або сонячно та ясно.
Синім кольором позначено дані про сонячну радіацію
(міру того, скільки сонячної енергії досягає Землі),
Жовтим – відповідним температурні профілі,
Зеленим – виробництво електричної енергії.

Дайте відповіді на наступні запитання:

1. В яких країнах вигідно розташовувати сонячні батареї?
Яким чином клімат країни може впливати на ефективність сонячних батарей?

Відповідь: Найвигідніше розташовувати сонячні панелі в сонячних пустелях, середземноморських країнах та регіонах з високою вартістю електроенергії, особливо там, де є державна підтримка.

У північних країнах взимку дні дуже короткі → мало виробництва.
У приекваторіальних країнах день приблизно однаковий цілий рік → стабільність генерації.
У пустелях сонця багато, але пилові бурі покривають панелі, знижуючи їх ефективність.
У містах з забрудненим повітрям (смог) аналогічна проблема.
Здається, що жаркі країни – ідеальні, але надмірна спека знижує ККД панелей (кремнієві елементи працюють гірше при перегріві).
Висока вологість: знижує прозорість атмосфери та ефективність панелей.

2. Чим пояснюється “зубчастий” графік виробництва електроенергії у хмарну погоду?

Відповідь: Хмари розсіюють сонячне світло, через це виробництво електроенергії сонячними батареями знижується. Оскільки хмари рухаються, протягом дня спостерігається нерівномірне виробництво електроенергії.

3. Що на графіках підтверджує те, що сонячні батареї генерують електричну енергію за рахунок світла?

Відповідь: Як видно з графіків, виробництво електроенергії сонячними батареями залежить не від температурних показників, а саме від сонячної радіації. Графіки сонячної радіації та виробництва електроенергії майже ідентичні.

Завдання № 2.

Волоконна оптика — розділ прикладної науки і машинобудування, що описує такі волокна. Оптоволокна використовуються в оптоволоконному зв’язку, який дозволяє передавати цифрову інформацію на великі відстані і з вищою швидкістю передачі даних, ніж в електронних засобах зв’язку. У ряді випадків вони також використовуються при створенні датчиків, сенсорів.

Подивіться відео: “Як працюють оптоволоконні кабелі?” (5 хв).

Відео

Після перегляду відео дайте відповіді на наступні запитання:

1. Яка речовина використовувалась у досліді, що описував принцип дії оптоволоконного кабелю? Чому саме ця речовина?

2. Що відбувається, коли промінь світла падає на світловідбивну поверхню під кутом більшим за критичний?

3. Які речовини використовуються для серцевини та оболонки в оптичному волокні?
Яка між ними різниця?

4. Опишіть процес виготовлення оптичного волокна.

5. Опишіть суть передачі інформації по оптичному волокні.

Завдання № 3.

Флуоресценція — короткотривале випромінювання світла речовиною після її освітлення.
Атоми або молекули речовини поглинають світло (зазвичай ультрафіолетове), переходять на короткий час (йдеться про наносекунди) у збуджений стан, а повертаючись у основний стан, випромінюють світло з іншою довжиною хвилі.

Явище флуоресценції активно використовують у медицині.
Так, наприклад, флуоресцеїн у кобальтово-синьому світлі світиться зеленим.
Це допомагає виявити різні дефекти та пошкодження ока.

З огляду на вищеописані властивості флуоресцеїну, запропонуйте ще кілька варіантів його використання:

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Можливі відповіді:
У морі для сигналізації аварійного місця (наприклад, при аварії судна – флуоресцеїн додають у воду, і вона світиться яскраво-зеленим).
У тестуванні герметичності систем (трубопроводів, теплообмінників).
Відстеження руху води (у річках, ґрунтових водах, каналізаційних системах).
Флуоресцентне маркування у мікробіології та молекулярній біології (виявлення клітин, білків).
За допомогою флуоресцеїну можна пофарбувати певні судини чи тканини органів, тоді хірургу буде легше провести операцію.

Завдання № 4.

Користуючись допомогою онлайн-джерел, порівняйте характеристики фотонних і електронних технологій. Заповніть таблицю.

Критерій	Фотонні технології	Електронні технології
Яка елементарна частинка використовується?
Маса частинки
Заряд частинки
Природа частинки
Перенесення сигналу (у якому вигляді?)
Швидкість передавання інформації
Втрати енергії
Вартість обладнання

5. Попрактикуймо самостійно:

Дружня порада вчителю

Тривалість: до 15 хв.
Допомагайте учням, консультуйте їх.
Слідкуйте, щоб учні не використовували ШІ:
цей вид діяльності спрямований на розвиток навичок пошуку та аналізу інформації.

Використання фотонних технологій

Користуючись онлайн-джерелами, дослідіть використання фотонних технологій у: медицині, військовій сфері, побуті та промисловості. До кожної сфери людської діяльності наведіть щонайменше два приклади з описами відповідних процесів/технологій.
Обов’язково вкажіть ресурси (сайти), де Ви знайшли потрібну інформацію.

Сфера людської діяльності	Опис процесу/технології	Де Ви знайшли цю інформацію? (посилання)
Медицина
Військова сфера
Побут
Промисловість

Рефлексія:

Дружня порада вчителю

Тривалість: до 2 хв.
Обговоріть з учнями проведене заняття.

Виконайте рефлексію змісту вивченого матеріалу за допомогою вправи «Плюс – мінус – цікаво». Для цього дайте письмово відповіді на 3 запитання:

Плюс. Що Вам сподобалося на уроці чи було корисним?

Мінус. Що Вам не сподобалося на уроці чи було важким або незрозумілим?

Цікаво. Що Вам було цікавим та про, про що варто дізнатися більше?

У вільний від відпочинку час:

Вчені зробили неймовірне відкриття: «очі» на павичевих пір’ях — це не лише витвір краси, а ще й природні оптичні резонатори, здатні випромінювати справжнє лазерне світло.

Прочитайте відповідну статтю:
“Spectral fingerprint of laser emission from rhodamine 6g infused male Indian Peafowl tail feathers”

Спектральний відбиток лазерного випромінювання з хвостового пір’я самця індійського павича, в яке влили 6 г родаміну. **Джерело:** www.nature.com

Завантажити матеріал (PDF)

Урок №201. Фотоніка. Частина 1.

Очікувані результати навчання:

Мета уроку:

Сформувати в учнів розуміння сутності фотоніки як науки про використання фотонів для передавання, зберігання й обробки інформації.
Ознайомитись із основними напрямами застосування фотонних технологій у різних сферах діяльності людини.
Розвивати критичне мислення та вміння працювати з інформаційними джерелами.

Цілі сталого розвитку:

Які цілі сталого розвитку опрацьовуємо на уроці:

ЦСР 7. Відновлювальна енергія;
ЦСР 9. Інновації та інфраструктура.

План уроку:

Асоціації зі словом “лазер”;
Фотоніка як наука про використання фотонів у сучасних технологіях;
Розв’язок завдань для кращого розуміння теми;
Використання фотонних технологій;
Рефлексія.

Очікувані результати для учнівства:

Я пояснюю принцип роботи пристроїв, що базуються на фотоніці;
Я аналізую переваги фотонних технологій порівняно з електронними;
Я наводжу приклади застосування фотоніки в медицині, телекомунікаціях, промисловості, обороні та побуті.

1. Мотивація

Які асоціації викликає у вас слово “лазер”? Оберіть картинку або запропонуйте свій варіант.

Напишіть свій варіант:
___________________________________________________________________________________

2. Тобі може знадобитися:

Подивіться відео: “What is photonics? And why should you care?”

Відео

Конструкція оптичного волокна:

Серцевина: виготовлена зі скла або пластику з високим показником заломлення, через яку проходить світло.
Оболонка: шар матеріалу з нижчим показником заломлення, який оточує серцевину і забезпечує повне внутрішнє відбиття.
Захисне покриття: зовнішній шар, що захищає волокно від механічних пошкоджень та впливу навколишнього середовища.

Принцип роботи оптичних волокон:

Введення світла: світло від лазера або світлодіода вводиться в серцевину оптичного волокна під певним кутом.
Передача світла: завдяки повному внутрішньому відбиттю світло рухається всередині волокна на великі відстані з мінімальними втратами.
Вихід світла: на іншому кінці волокна світло виходить і передається до приймача, який може бути фотодетектором або іншим пристроєм.

Основні компоненти лазера включають:

Активне середовище: це матеріал, в якому відбувається збудження атомів або молекул. Воно може бути твердим, рідким або газоподібним.
Джерело енергії (помпа): постачає енергію для збудження атомів в активному середовищі. Це може бути електричний розряд, світло іншого лазера або хімічна реакція.
Резонатор: система дзеркал, яка забезпечує багаторазове проходження світла через активне середовище, збільшуючи інтенсивність світла. Одне з дзеркал є напівпрозорим, через яке виходить кінцевий лазерний промінь.

Як створюється лазерний промінь?

4. Життєва ситуація:

Завдання № 1 (А).

Розгляньте схему, представлену нижче, пригадайте будову сонячної батареї.

Підпишіть відповідними цифрами основні складові сонячної батареї:

– фронтальний контакт;
– гранична зона;
– електрон;
– “дірка” для електрону;
– кремній n-типу;
– тильний контакт;
– кремній р-типу;

Оберіть текст, який пояснює принцип роботи сонячної батареї:

Завдання № 1 (Б).

Розгляньте графіки. На ньому представлені дані з Енергетичного центру Ньюкасла, де встановлені сонячні батареї. Кожен рядок показує різні погодні умови: розсіяна хмарність, сильна хмарність, сонячно з розсіяною хмарністю або сонячно та ясно.
Синім кольором позначено дані про сонячну радіацію
(міру того, скільки сонячної енергії досягає Землі),
Жовтим – відповідним температурні профілі,
Зеленим – виробництво електричної енергії.

Дайте відповіді на наступні запитання:

2. Чим пояснюється “зубчастий” графік виробництва електроенергії у хмарну погоду?

3. Що на графіках підтверджує те, що сонячні батареї генерують електричну енергію за рахунок світла?

Завдання № 2.

Подивіться відео: “Як працюють оптоволоконні кабелі?” (5 хв).

Відео

Після перегляду відео дайте відповіді на наступні запитання:

2. Що відбувається, коли промінь світла падає на світловідбивну поверхню під кутом більшим за критичний?

3. Які речовини використовуються для серцевини та оболонки в оптичному волокні?
Яка між ними різниця?

4. Опишіть процес виготовлення оптичного волокна.

5. Опишіть суть передачі інформації по оптичному волокні.

Завдання № 3.

З огляду на вищеописані властивості флуоресцеїну, запропонуйте ще кілька варіантів його використання:

Завдання № 4.

Критерій	Фотонні технології	Електронні технології
Яка елементарна частинка використовується?
Маса частинки
Заряд частинки
Природа частинки
Перенесення сигналу (у якому вигляді?)
Швидкість передавання інформації
Втрати енергії
Вартість обладнання

5. Попрактикуймо самостійно:

Використання фотонних технологій

Сфера людської діяльності	Опис процесу/технології	Де Ви знайшли цю інформацію? (посилання)
Медицина
Військова сфера
Побут
Промисловість

Рефлексія:

Плюс. Що Вам сподобалося на уроці чи було корисним?

Мінус. Що Вам не сподобалося на уроці чи було важким або незрозумілим?

Цікаво. Що Вам було цікавим та про, про що варто дізнатися більше?

У вільний від відпочинку час:

Прочитайте відповідну статтю:
“Spectral fingerprint of laser emission from rhodamine 6g infused male Indian Peafowl tail feathers”

Завантажити матеріал (PDF)

Ділись та обговорюй важливе