sáng kiến kinh nghiệm vật lý thpt

MỤC LỤC I ĐIỀU KIỆN HOÀN CẢNH TẠO RA SÁNG KIẾN II MÔ TẢ GIẢI PHÁP II.1 Mô tả giải pháp trước tạo sáng kiến II.2 Mơ tả giải pháp sau có sáng kiến CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÍ THUYẾT Lý thuyết chung sóng ánh sáng Lý thuyết chung giao thoa ánh sáng Giao thoa không định xứ CHƯƠNG II: BÀI TẬP CƠ BẢN GIẢI CHI TIẾT 13 Giao thoa Young 13 Giao thoa Young với bản mỏng 15 Nguồn sáng dịch chuyển 17 Gương Lôi (Lloyd) 19 Gương Fresnel 21 Lưỡng lăng kính Fresnel 23 Thấu kính Biê (Billet) 25 CHƯƠNG III: BÀI TẬP NÂNG CAO GIẢI CHI TIẾT 28 Bài tập Young nâng cao 28 Các hệ tương đương Young 32 CHƯƠNG IV: BÀI TẬP LUYỆN TẬP 41 III HIỆU QUẢ DO SÁNG KIẾN ĐEM LẠI 46 IV Cam kết không chép vi phạm quyền 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 BÁO CÁO SÁNG KIẾN I ĐIỀU KIỆN HOÀN CẢNH TẠO RA SÁNG KIẾN Theo qui chế trường chun: Tở chun mơn phải tự biên soạn chương trình, tự tìm biên soạn tài liệu để giảng dạy Thế hệ sau kế thừa kinh nghiệm vốn tài liệu của hệ trước Chủ trương của lãnh đạo nhà trường đào tạo học sinh có bản có tảng vững chắc Dựa tảng đó, học sinh có thể tự học, tự nghiên cứu tài liệu chuyên sâu cách chủ động sáng tạo Các giáo trình viết thiên lí thuyết dàn trải, tập trộn lẫn mà chưa có phân hóa danh mục tập theo lí thuyết Bên cạnh đó tài liệu chưa nhấn mạnh vào tương tự giữa toán vật lý, khiến học sinh học nhiều tập mà chưa rút cách làm chung Học sinh sử dụng tương tự cần hiểu bản chất tập bản có thể làm tập phát triển, tập tương đương Chương trình thi học sinh giỏi lớp 11các trường chuyên khu vực Duyên Hải đồng Bắc bổ sung thêm phần Quang lí, đờng thời đề thi học sinh giỏi quốc gia thường xun có phần quang lí với nội dung chủ yếu giao thoa không định xứ Sau vài năm nghiên cứu, giảng dạy lớp 11 chuyên Vật lý đội tuyển học sinh giỏi Vật lý phần Quang học sóng, đúc kết số kinh nghiệm giảng dạy để xây dựng sáng kiến kinh nghiệm “Giao thoa ánh sáng khơng định xứ” II MƠ TẢ GIẢI PHÁP II.1 MÔ TẢ GIẢI PHÁP TRƯỚC KHI TẠO RA SÁNG KIẾN Với học sinh: Nếu kiến thức dạy sơ sài rời cho áp dụng làm tập học sinh chưa nắm hết kiến thức, chưa hiểu sâu chưa vận dụng thành thạo Các dạng tập của chuyên đề nhiều, khối lượng kiến thức lớn, làm tập học sinh cần hệ thống lại để sử dụng mà không cần chứng minh lại Trong dạng tập, học sinh gặp khó khăn sử dụng phương pháp tương tự để đưa toán phức tạp tập đơn giản Với giáo viên: Khi thầy chưa nghiên cứu sâu, kiến thức chưa hệ thống đầy đủ giảng dạy cho trị khơng cặn kẽ, dẫn đến việc cho tập tràn lan mà không theo mạch kiến thức, khiến trò học theo kiểu đọc nhớ, không phải hiểu vận dụng Bản thân giáo viên trẻ dạy chuyên từ sớm, cảm nhận rõ những kinh nghiệm Các viết trước hết phục vụ cho giáo viên học sinh chuyên trường THPT chuyên Lê Hồng Phong tham gia vào hội thảo trường THPT chuyên khu vực duyên hải đồng Bắc Bộ Các giáo viên trường THPT không chuyên có thể nghiên cứu để có thêm tài liệu tham khảo kiến thức chuyên sâu, có ý tưởng để vận dụng câu vận dung cao đề thi Tốt nghiệp THPT II.2 MÔ TẢ GIẢI PHÁP SAU KHI CĨ SÁNG KIẾN CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÍ THUYẾT LÝ THUYẾT CHUNG VỀ SÓNG ÁNH SÁNG 1.1 Phương trình sóng:   Ng̀n S phát ánh sáng có cường độ điện trường có phương trình: E = E0 cos 2 t  +  T  , Tại điểm M cách nguồn đoạn d, cường độ điện trường của ánh sáng có phương trình: 2 nd d  2    EM = E0 cos 2T (t − ) +   = E0 cos t− +   v  T  T c Trong đó v vận tốc truyền sáng môi trường chiết suất n, 𝑣 =  𝑐 𝑛 , với c = 3.108 m/s vận tốc truyền sáng chân không Gọi 𝜆0 = 𝑐 𝑇 bước sóng chân khơng, thay vào ta có phương trình sóng tại M là:  2  2nd t− +   EM = E0 cos 0 T  Đặt L = nd gọi quang trình của tia sáng đoạn d Vì quang trình giữa hai điểm A,B cách d môi trường chiết suất n đoạn đường ánh sáng truyền chân không khoảng thời gian t  2  2L t− +   0 T  Vậy phương trình sóng tại M có thể viết lại là: EM = E0 cos 1.2 Sự biến đổi pha ánh sáng phản xạ, ánh sáng truyền qua so với ánh sáng tới mặt phân cách hai môi trường suốt đồng tính * Giả sử ta khảo sát chùm sáng song song đơn sắc Phải nói là, thực tế không tồn tại những chùm sáng vậy Đây lý tưởng hoá: thay chùm sáng thực, phân kì yếu với độ không đơn sắc nhỏ chùm sáng phẳng đơn sắc (Tiêu chuẩn để khẳng định đắn của việc thay mức độ trùng hợp của tính toán thực nghiệm) Như vậy, xem chùm sáng lý tưởng đó sóng phẳng đơn sắc truyền, chẳng hạn như, theo phương của trục z  Giả sử vectơ cường độ điện trường E thuộc sóng có phương nằm trục x, đó phụ thuộc của hình chiếu E x vào toạ độ z thời gian t có dạng: 2   E x ( z , t ) = E x cos 2vt − z,    đó E x biên độ của điện trường; v tần số  bước sóng của ánh sáng Trước hết ta xác định xem mặt phẳng có pha không đổi, tức có nghĩa mặt sóng, có dạng Điều kiện không đổi của pha tại thời điểm t tuỳ ý viết dạng: 2vt − 2 z = A, (*)  với A số Vì v ,  t có giá trị cố định nên quỹ tích điểm có pha không đổi mô tả phương trình: A z = vt − = const 2 Do vậy, mặt sóng của sóng phẳng truyền dọc theo trục đó mặt phẳng vuông góc với trục đó Nếu sau khoảng thời t mặt sóng dịch chuyển khoảng z từ phương trình (*) ta suy ra: 2 2vt − z =  Điều có nghĩa vận tốc dịch chuyển của mặt sóng, tức vận tốc pha, bằng: V ph = z = v t Vận tốc pha của sóng luôn có hướng vuông góc với mặt sóng * Xét chùm sáng song song đơn sắc truyền từ môi trường có chiết suất n1 sang môi trường có chiết suất n2 Gọi cường độ điện trường của sóng tới, sóng phản xạ sóng truyền qua là: E 1, E1' E2 Theo chứng minh ta có vecto cường độ điện trường vuông góc với phương truyền sóng, đó chúng phương với nhau.Vecto ⃗⃗⃗⃗ 𝐸1 phương chiều với ⃗⃗⃗⃗ 𝐸2 ngược với vecto ⃗⃗⃗⃗ 𝐸1 ′ Gọi R, T hệ số phản xạ hệ số truyền qua Ta có R + T = Lại có: E1' = R.E1 E2 = T.E1 Suy ra: 𝐸1 ′ 𝐸1 + 𝐸2 𝐸1 = ↔ 𝐸1′ + 𝐸2 = 𝐸1 → 𝐸2 = 𝐸1 − 𝐸1 ′ (1) - Theo ĐLBT lượng: Năng lượng sóng tới = lượng sóng truyền qua + lượng sóng phản xạ Nên ta có: 𝑛1 𝐸12 = 𝑛1 𝐸1′2 + 𝑛2 𝐸22 (2) Thay (1) vào (2), ta có: 𝐸1 𝐸2 𝑛2 𝑛1 = (1 + - Lại có: Thay (3) vào (1) ta có: 𝐸1′ = ) (3) 𝐸1 (𝑛2 −𝑛1 ) 𝑛2 +𝑛1 (4) * Nhận xét: + Thấy tỉ số (3) lớn 0, nên E1 E2 pha Có nghĩa sóng tới sóng truyền qua ln pha với + Từ biểu thức (4) thấy: • Nếu 𝑛2 > 𝑛1 𝐸1 dấu với 𝐸1 ′ Có nghĩa ánh sáng truyền từ môi trường chiết quang sang môi trường chiết quang sóng tới sóng phản xạ pha • Nếu 𝑛2 < 𝑛1 𝐸1 ngược dấu với 𝐸1 ′ Có nghĩa ánh sáng truyền từ môi trường chiết quang sang môi trường chiết quang sóng tới sóng phản xạ ngược pha 1.3 Sự mất nửa bước sóng ánh sáng phản xạ bề mặt môi trường chiết quang mạnh  2  2L t− +   0 T  - Phương trình sóng tới: E1 = E0 cos  2  2L t− +     , sóng phản xạ ngược pha với 0 T  - Phương trình sóng phản xạ: E1 ' = E0 cos sóng tới mặt phân cách với môi trường chiết quang  2  2 0 t− ( + L) +   0 T  Biến đởi biểu thức sóng phản xạ ta có: E1 ' = E0 cos Như vậy hiệu quang trình của hai sóng tới sóng phản xạ là: ∆= 𝐿′ − 𝐿 = ± ′ Hay quang trình sóng phản xạ là: 𝐿 = 𝐿 ± 𝜆0 𝜆0 , gọi nửa bước sóng so với sóng tới LÝ THUYẾT CHUNG VỀ GIAO THOA ÁNH SÁNG 2.1 Điều kiện để có giao thoa: Hai nguồn sáng phải hai nguồn kết hợp gặp 2.2 Phân loại: Dựa vào điều kiện để quan sát tượng giao thoa, người ta phân thành hai loại: - Giao thoa không định xứ: tượng giao thoa gây nguồn sáng điểm khe hẹp, kết quả vân giao thoa quan sát tại điểm trường giao thoa gọi vân không định xứ Các hệ tạo hệ vân không định xứ là: Khe I-âng; lưỡng lăng kính Fre-nen; lưỡng thấu kính Bi-ê; lưỡng gương phẳng Fre-nen… - Giao thoa định xứ: + Được tạo nguồn sáng rộng, đó vân giao thoa quan sát tại điểm xác định nên gọi vân định xứ + Giao thoa định xứ xảy bản mỏng có độ dày không đởi thay đởi, màng xà phịng… GIAO THOA KHÔNG ĐỊNH XỨ 3.1 Giao thoa ánh sáng đơn sắc qua khe Young Dùng đèn Đ chiếu sáng khe hẹp S, nằm M Ánh sáng của đèn qua kính lọc sắc F (kính đỏ chẳng hạn) Chùm sáng đơn sắc sau qua khe S chiếu đồng thời vào hai khe S1 S2 nằm sát nhau, song song với với khe S Hai khe khoét M12 Hình ảnh giao thoa hứng ảnh E đặt cách M12 khoảng 1m, khoảng cách a giữa hai khe S1 S2 vào cỡ phần mười milimet Hiện tượng quan sát vạchsáng (màu đỏ) vạch tối xen kẽ cách đặn Hiện tượng quan sát gọi tượng giao thoa ánh sáng Hiện tượng giao thoa ánh sáng có thể giải thích thừa nhận ánh sáng có tính chất sóng Sóng ánh sáng đơn sắc từ đèn truyền đến khe S làm cho khe trở thành nguồn sáng thứ cấp, sau đó qua khe S1 S2 hai khe lại trở thành nguồn sóng thứ cấp khác Hai nguồn hai nguồn kết hợp nên sóng từ chúng giao thoa với Những vạch sáng những chỗ hai sóng tăng cường lẫn gọi những vân sáng Những vạch tối những chỗ hai sóng triệt tiêu lẫn gọi những vân tối * Các công thức bản: + Hiệu quang trình:  = d − d1 = S1M − S M  + Khoảng cách giữa hai khe: a = S1S2 + Khoảng cách từ hai khe đến màn: D = IO k D + Vị trí vân sáng: xs = a D + Vị trí vân tối: xt = (k + ) a ax D i= D a + Khoảng vân: 3.2 Giao thoa với nguồn S phát ánh trắng + Ánh sáng trắng tập hợp vô số ánh sáng đơn sắc, có màu biến thiên liên tục từ tím đến đỏ có bước sóng biến thiên liên tục từ 0,38 m  λ  0,75 m + Mỗi ánh sáng đơn sắc chùm ánh sáng trắng cho hệ vân giao thoa có khoảng vân tỉ lệ với bước sóng của ánh sáng đó Các hệ vân nằm chồng chất quan sát E + Tại điểm có x = 0, vân sáng trung tâm của tất cả hệ vân trùng với nhau, cho ta vân sáng trắng Đó vân trắng trung tâm (kí hiệu số hình vẽ) + Ở hai bên vân trắng trung tâm, vân sáng của hệ vân không trùng nữa, khoảng vân của chúng khác nhau: iđỏ  ida cam  i vàng  ilục  ilam  ichàm  itím + Vị trí vân sáng bậc k của ánh sáng đỏ, , tím là: Giao thoa với ánh sáng trắng Vân trung tâm có màu trắng, hai bên có dải quang phổ liên tục viền tím trong, đỏ ngồi Miền tím quang phổ bậc phủ lên miền đỏ quang phổ bậc λd D , a λD xt = k t a xd = k Như vậy, sát hai bên vân trắng trung tâm hai khoảng tối Tiếp tục vân sáng bậc của hệ vân, nằm sát cách liên tục, tạo thành dải màu cầu vồng liên tục, từ tím đến đỏ; tím trong, đỏ ngồi Dải màu gọi quang phở bậc (kí hiệu số 1), bề rộng của quang phổ bậc x1 = x d1 − x t1 = id − i t = ( d −  t ) D a + Sau quang phổ bậc quang phổ bậc Quang phổ bậc rộng gấp lần quang phổ bậc Giữa đầu tím của quang phổ bậc đầu đỏ của quang phổ bậc có khoảng tối hẹp x d1  x t hay id  2i t + Sau quang phổ bậc quang phổ bậc 3,bậc 4, Các quang phổ gấp lần, lần, quang phổ bậc Đầu đỏ của quang phổ bậc đè chút lên đầu tím của quang phở bậc x t3  x d2 + Các quang phổ bậc cao đè lên nhiều Tại điểm xa vân trắng trung tâm có nhiều cực đại của màu khác nằm trùng lên nhau, nên có màu trắng nhờ nhờ gọi vân trắng bậc cao a Bề rộng của quang phổ bậc k là: x (k) = x d(k) − x t(k) = k(id − i t ) = k  b Phần chồng lên giữa quang phổ bậc k bậc k+1 là: c Tìm số xạ cho vân sáng tại vị trí Tại M những xạ cho vân sáng khi: x M = k  Vì  t     d   t  k ( d −  t ) D a = x d(k ) − x t (k +1) a.x M D  = a kD a.x M a.x M a.x M  d  k (với k kD  d D  t D ) (1) (*) + Có giá trị của k thỏa mãn (*) có nhiêu xạ đơn sắc cho vân sáng tại M Thay giá trị của k vào (1) để xác định bước sóng của xạ tương ứng d Tìm số xạ cho vân tối tại vị trí D a.x M (2)  = a (k + 0,5)D a.x M a.x M a.x M − k − Vì  t     d   t  (với k ) (**)  d   d D  t D (k + 0,5)D Tại M những xạ cho vân sáng khi: x M = (k + 0,5)  + Có giá trị của k thỏa mãn (**) có nhiêu xạ đơn sắc cho vân tối tại M Thay giá trị của k vào (2) để xác định bước sóng của xạ tương ứng 3.3 Các trường hợp làm thay đổi hệ vân: a Đưa toàn thí nghiệm vào chất lỏng chiết suất n: Hệ vân bị co hẹp lại bước sóng của ánh sáng chất lỏng đó bị giảm n lần nên khoảng vân bị giảm n lần Vì hệ co hẹp lại 𝜆 𝑖 𝜆′ = → 𝑖′ = 𝑛 𝑛 b Dịch chuyển hứng theo hướng vng góc với đường trung trực hai khe D Theo cơng thức tính khoảng vân: i = , Ta thấy: a - Nếu dịch lại gần hai khe (D giảm): hệ vân bị co hẹp lại, vân xít lại gần - Nếu dịch xa hai khe (D tăng): Hệ vân mở rộng, vân giãn xa c Quay hứng quanh O góc α: * Kết quả: hệ vân giao thoa không đối xứng qua vân trung tâm O nữa Trên nửa phía gần hai khe, xa vân sít lại gần hơn, nửa lại, xa vân dãn xa * Chứng minh: - Xét điểm M bất kì, cách O đoạn x, phía gần hai khe (như HV) Vì hai khe cách ng̀n sáng S nên sóng thứ cấp phát từ hai khe pha - Hiệu quang trình từ M đến hai khe: ∆= d2 − d1 - Ta có: 𝑑12 = (𝐷 − 𝑂𝑀 𝑠𝑖𝑛𝛼 )2 − (𝑂𝑀 𝑐𝑜𝑠𝛼 − 𝑎/2)2 𝑑22 = (𝐷 − 𝑂𝑀 𝑠𝑖𝑛𝛼 )2 − (𝑂𝑀 𝑐𝑜𝑠𝛼 + 𝑎/2)2 (2) Từ (1) (2), suy 𝑑22 − 𝑑12 = 𝑎 𝑂𝑀 𝑐𝑜𝑠𝛼 (1) Vì D≫a, nên coi 𝑑1 + 𝑑2 ≈ 2(𝐷 − 𝑂𝑀 𝑠𝑖𝑛𝛼) Do vậy, ta có hiệu quang trình của điểm M là: ∆= d2 − d1 = a.x.cosα D−x.sinα - Giả sử M cực đại (vân sáng), đó hiệu quang trình thỏa mãn điều kiện: ∆= kλ, với k số nguyên a x cosα ↔ = kλ D − x sinα 𝑘𝜆𝐷 Vậy vân sáng thứ k, có tọa độ: 𝑥𝑠(𝑘) = 𝑎.𝑐𝑜𝑠𝛼+𝑘𝜆𝑠𝑖𝑛𝛼 - Ta có: Khoảng cách vân sáng bậc so với vân trung tâm: ∆𝑥10 = 𝜆𝐷 𝑎.𝑐𝑜𝑠𝛼+𝜆𝑠𝑖𝑛𝛼 2.𝑐𝑜𝑠𝛼.𝜆𝐷 Khoảng cách vân sáng bậc so với vân bậc 1: ∆𝑥21 = (𝑎.𝑐𝑜𝑠𝛼+𝜆𝑠𝑖𝑛𝛼)(𝑎.𝑐𝑜𝑠𝛼+2𝜆𝑠𝑖𝑛𝛼) Nhận thấy: ∆𝑥21 < ∆𝑥10 Tương tự có: ∆𝑥32 < ∆𝑥21 - Kết luận: Ở nửa gần hai khe xa vân trung tâm O, khoảng cách giữa hai vân sáng kề giảm dần, vân xít vào - Chứng minh tương tự cho ta thấy nửa lại, xa O, vân cách xa d Dịch chuyển nguồn sáng S Giả sử dịch chuyển nguồn sáng S theo hướng song song với đường thẳng chứa hai khe đoạn b nhỏ, đến vị trí S' (như HV) Gọi khoảng cách từ S đến trung điểm I của hai khe d; khoảng cách từ hai khe đến D; khoảng cách từ nguồn S' đến hai khe d1' d2'; khoảng cách từ hai nguồn đến M d1 d2 * Khảo sát hệ vân giao thoa màn: Xét điểm M màn, cách vân trung tâm O cũ đoạn x Theo CM ta có: 𝑑2 − 𝑑1 ≈ 𝑎𝑥 𝐷 = d [2(n – 1).A – (n’ – 1).2A] = 2d.(n – n’) Khoảng vân là: 𝜆(𝑑+𝑑′) 𝑛−1 i’ = = i 2𝑑(𝑛−𝑛′) 𝑛−𝑛′ Ta thấy i’ không phụ thuộc vào α, tức T không thiết phải song song với AA’ 2) Để quan sát vân, cần có điều kiện: 𝑛−1 i’ = i > OO’ = 0,1mm 𝑛−𝑛′ Do đó thay vào ta được: n – n’ < 0,1963 → n’ > 1,3037 3) Thay n’ = 1,42 vào biểu thức của i’ ta tìm được: i’ ≈ 0,25mm Góc trơng i’ qua kính lúp là: tanα ≈ α = i’/f =0,00613rad ≈ 20’ BÀI (QG11) Học sinh muốn làm thí nghiệm giao thoa ánh sáng có: lưỡng lăng kính AIA’ thủy tinh chiết suất n = 1,50, hai góc chiết quang A A’ 5o; khe F có độ rộng h = 0,02 mm; kính lúp có tiêu cự f = cm đèn natri Đ phát ánh sáng đơn sắc có bước sóng  = 589 nm Đầu tiên học sinh đó đặt đèn Đ cho ánh sáng rọi qua khe F tới lưỡng lăng kính Khe F cách A A’ khoảng d = 20 cm Đặt kính lúp cách A A’một khoảng d’ = 1,04 m để quan sát vân giao thoa Hãy giải thích tại quan sát qua kính lúp học sinh đó không trông thấy vân giao thoa ( F hoàn toàn song song với cạnh I của lưỡng lăng kính) Theo gợi ý của thầy, học sinh đó đặt thủy tinh T có hai mặt song song để làm với lưỡng lăng kính thành chậu, rồi đổ chất lỏng chiết suất n’