(SKKN 2022) hướng dẫn học sinh khai thác bài tập giao thoa ánh sáng liên quan đến màn quan sát, nguồn sáng dao động điều hòa

MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1.1 Lí chọn đề tài Vật lí mơn khoa học thực nghiệm, khoa học tự nhiên tạo nhiều hứng thú cho học sinh học tập nghiên cứu Nhưng gây khơng khó khăn học sinh chưa hiểu kỹ sâu vấn đề Đặc biệt khối khối lớp 12, liên quan trực tiếp đến em thi học sinh giỏi cấp ôn thi đại học Mặt khác, thời điểm nay, hình thức thi TNKQ (thời gian làm rút ngắn 50 phút/40 câu) áp dụng cho kỳ thi tốt nghiệp THPT nên việc đưa phương pháp giải nhanh, tối ưu hóa bước tính tốn tốt thiết thực để em đạt kết cao kì thi Khi dạy chương “Sóng ánh sáng” tơi nhận thấy, trước đề thi tốt nghiệp THPT đề thi Đại học phần giao thoa ánh sáng xuất dạng toán liên quan đến dịch chuyển nguồn sáng(khe F), quan sát (E) Đây tốn bắt đầu địi hỏi có tư học sinh dạng tập học sinh nói chung làm tương đối tốt tất dạng tập em giáo viên cung cấp phương pháp, chí có cơng thức giải rõ ràng, học sinh tự tin gặp câu hỏi dạng đề thi Tuy nhiên, năm gần số đề thi thử tốt nghiệp THPT xuất loại tập giao thoa ánh sáng liên quan đến quan sát; nguồn sáng (khe F) dao động điều hịa Tơi nhận thấy, dạng tập khó, cần khả tư duy, trừu tượng cao thực tế gần hầu hết học sinh trường THPT DTNT Ngọc Lặc không làm được, không hiểu rõ tượng Thậm chí số giáo viên không ôn luyện thi tốt nghiệp THPT thường xuyên, không đứng lớp mũi nhọn cịn khơng biết có mặt loại tập tự tin cho rằng, giao thoa với ánh sáng liên tục dễ, khơng có phải nghĩ Dạng tập giao thoa ánh sáng liên quan đến nguồn sáng, quan sát dao động điều hòa gây đau đầu cho đa số học sinh chí giáo viên khai thác khả vận dụng, sử dụng linh hoạt kiến thức, chất vật lí học, khả tư học sinh phù hợp với cấu trúc đề thi Vì để giúp cho học sinh hiểu rõ chất dạng tập tìm mẫu chốt để giải dạng tập này, qua nhiều năm trực tiếp giảng dạy ôn thi cho học sinh lớp 12 đứng lớp mũi nhọn nhà trường tích lũy mạnh dạn chọn đề tài nghiên cứu “Hướng dẫn học sinh khai thác tập giao thoa ánh sáng liên quan đến quan sát, nguồn sáng dao động điều hịa’’ chương trình vật lí 12 làm đề tài SKKN để chia sẻ với đồng nghiệp học sinh 1.2 Mục đích nghiên cứu đề tài - Giúp học sinh hiểu chất toán giao thoa với ánh sáng liên quan đến nguồn sáng, quan sát dao động điều hịa qua giúp em học sinh có phương pháp giải tập dạng cách nhanh góp phần đạt kết cao kì thi học sinh giỏi tỉnh, tốt nghiệp THPT kì thi đánh giá lực trường đại học - Xây dựng hệ thống tập giao thoa ánh sáng liên quan đến quan sát, nguồn sáng dao động điều hịa chương sóng ánh sáng - Vật lí 12 - Vận dụng hệ thống tập xây dựng vào trình dạy học theo định hướng phát triển lực 1.3 Đối tượng nghiên cứu - Nội dung kiến thức, kỹ chương “Dao động học sóng ánh sáng Vật lí 12” - Xây dựng cách phát điểm mấu chốt vấn đề giao thoa với ánh sáng liên quan đến quan sát, nguồn sáng dao động điều hòa nhằm định hướng phát triển lực học sinh - Các tập giao thoa với ánh sáng liên quan đến quan sát, nguồn sáng dao động điều hịa - Nhóm 15 HS lớp 12A1, trường THPT DTNT Ngọc Lặc có lực học trở lên 1.4 Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lí thuyết đưa phương pháp giải - Tổ chức thực nghiệm dạy ôn thi tốt nghiệp THPT ĐH-CĐ nhóm 15 HS lớp 12A1, trường THPT DTNT Ngọc Lặc có lực học trở lên NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Cơ sở lí thuyết liên quan tới đề tài nghiên cứu - Phần dao động điều hịa chương trình Vật lí 12 nâng cao - Phần sóng ánh sáng chương trình Vật lí 12 nâng cao Nội dung kiến thức phần: Giao thoa ánh sáng với khe I-âng, trình bày tóm tắt sau 2.1.1 Vị trí vân giao thoa khoảng vân thí nghiệm I-âng + Khoảng cách hai khe I-âng F1F2 = a + Khoảng cách từ mặt phẳng khe đến quan sát OI = D + Vị trí điểm A quan sát, xác định tọa độ x = OA + Đặt F1A = d1; F2A = d2 + Hiệu đường nguồn: a.x d − d1 = D + Tại vị trí A có vân sáng λ.D a.x x = k d − d1 = a k.λ ⇒ D = + Tại vị trí A’ có vân tối (với k số nguyên) d − d1 = a.x D = 1  λ.D   x =  k + ÷  k + ÷.λ 2 ⇒ 2 a   (với k số nguyên) [1] + Khoảng vân i: Là khoảng cách hai vân sáng (hoặc hai vân tối) cạnh λ.D λ.D λ.D k ( k + 1) a a a ⇒ i = = [1] 2.1.2 Bài toán giao thoa ánh sáng thay đổi khoảng cách (D) từ hai khe tới E i= Khoảng vân: λD a => i tỉ lệ với D i' = λD' a *Khi khoảng cách từ mặt phẳng hai khe đến D’: ∆D = D′ − D > - Nếu dịch chuyển xa (ứng với i’ > i) ′ ∆D = D − D < - Nếu dịch chuyển lại gần (ứng với i’ < i) * Khi thay đổi khoảng cách hai khe đến (thay đổi D) điểm M lúc đầu vân sáng (tối) chuyển thành vân tối (sáng) có bậc cao thấp tùy thuộc D giảm hay tăng λD  xk '  x M = k a ⇒λ=?  λ D + ∆ D ( ) x = k ' xk  M a λD   x M = k a x ( m + 0,5 ) ⇒λ =?  λ D + ∆ D ( ) xk  x = ( m + 0,5 )  M a 2.1.3 Bài toán giao thoa ánh sáng dịch chuyển nguồn sáng(khe F) Hiệu quang trình (đường đi) hai sóng kết hợp M: ay ax δL = ( r2 + d ) − ( r1 + d1 ) + ( d − d1 ) = + d D Tại M vân sáng δL = kλ δL = ( m − 0,5 ) λ vân tối ay ax λD yD δL = + = kλ => x = k − d D a d Tại M vân sáng nếu: Vị trí vân sáng trung tâm (k = 0) ay ax Dy δL = + = 0.λ ⇒ x = − d D d δL = Tại M vân tối nếu: ay ax + = ( m − 0,5 ) λ d D i = x k +1 − x k = λD a Khoảng vân: (Không đổi) Từ kết ta rút kết luận: - Vân trung tâm với toàn hệ vân dịch chuyển ngược chiều với chiều dịch chuyển khe F, cho vân trung tâm nằm đường thẳng kéo dài SI OT D D = ⇒ OT = b b D d + Vị trí x = ± OT vân trung tâm: (F dịch lên T dịch xuống lấy dấu trừ, F dịch xuống T dịch lên lấy dấu cộng) x = x ± ki + Vị trí vân sáng bậc k: + Vị trí vân tối thứ m: x = x ± ( m − 0,5 ) i [2] 2.2 Thực trạng vấn đề Thực tiễn, sau ôn tập xong dạng tập “dịch chuyển nguồn sáng, dịch chuyển quan sát” đề kiểm tra 15 phút mở rộng kiến thức dành cho nhóm 15 HS lớp 12A1, có lực học trở lên Nội dung đề kiểm tra sau: Câu 1: Trong thí nghiệm giao thoa Y-âng với ánh sáng đơn sắc có bước sóng λ = 0,75 μm Khoảng cách hai khe mm, khoảng cách từ hai khe đến m Tại thời điểm t = 0, ta truyền cho vận tốc ban đầu hướng phía hai khe để dao động điều hịa với chu kì s biên độ 40 cm Thời gian từ lúc dao động đến điểm M cách vân trung tâm b = 19,8 mm cho vân sáng lần thứ 11 có giá trị gần với giá trị sau đây? [4] A 3,75 s B 3,25 s C 4,06 s D 3,95 s Câu 2: Trong thí nghiệm I−âng giao ánh sáng, quan sát điểm O đường thẳng vng góc với mặt phẳng chứa hai khe (gọi đường d), điểm M vị trí vân sáng Dịch chuyển dọc theo (d), xa mặt phẳng chứa hai khe đoạn nhỏ 1/7 m M xuất vân tối Nếu tiếp tục dịch chuyển xa thêm đoạn nhỏ 16/35 m M lại có vân tối Giả sử cho dao động quanh O dọc theo (d) với phương trình y = 30cos20πt (y tính cm, t tính s) Tính từ thời điểm t = 0, số lần xuất vân tối M giây là[2] A 60 lần B 80 lần C 100 lần D 40 lần Câu 3: (Chuyên SP Hà Nội 2019)Trong thí nghiệm Y-âng giao thoa ánh sáng, khoảng cách từ khe F đến mặt phẳng chứa hai khe F 1, F2 d = 0,5 m Khoảng cách từ mặt phẳng chứa hai khe F1, F2 đến quan sát D = m Đặt trước khe F nguồn sáng trắng, ta thấy vạch sáng trắng điểm Cho khe F dao động điều hòa trục Ox vng góc với trục đối xứng hệ quanh vị trí O cách hai khe F 1, F2 với phương trình π  x =  A cos  2πt +   ÷ 3  (mm) Tại thời điểm t = s, vạch sáng trắng cách điểm khoảng mm Biên độ dao động A bằng[3] A mm B mm C mm D 0,5 mm Kết làm bài: Chỉ có em làm câu 3, cịn lại chưa câu Từ kết làm nhóm 15 HS lớp 12A1 nói riêng HS tồn trường trường khu vực nói chung chưa tốt, theo số nguyên nhân sau: - Thứ phân phối chương trình theo chuẩn kiến thức kỹ có giới hạn nên dạy lớp giáo viên khơng thể sâu vào phân tích cách chi tiết dạng tập giao thoa ánh sáng mức vận dụng cao nói chung tập giao thoa ánh sáng liên quan đến quan sát, nguồn sáng dao động điều hịa nói riêng Vì đa số học sinh khơng thể hệ thống hóa phương pháp tối ưu để giải dạng tài tập - Thứ hai nói tới tập giao thoa ánh sáng có nhiều tài liệu sách tham khảo lẫn tài liệu internet viết chủ yếu dạng quen thuộc mở rộng đến toán dịch chuyển nguồn sáng, dịch chuyển quan sát…còn khai thác tập giao thoa ánh sáng liên quan đến quan sát, nguồn sáng dao động điều hòa nên học sinh khơng có thêm nguồn tài liệu để tham khảo Vì đa số học sinh gặp khó khăn dạng tập khơng q khó 2.3 Các giải pháp giải vấn đề Xuất phát từ sở lí luận từ thực trạng dẫn đến hạn chế nêu trên, áp dụng số giải pháp để khắc phục hạn chế Cụ thể là: + Giải pháp thứ là: Qua củng cố kiến thức cho học sinh thấy tập giao thoa với ánh sáng liên quan đến quan sát, nguồn sáng dao động điều hòa chất mở rộng toán dịch chuyển nguồn sáng, dịch chuyển quan sát Đó kết hợp toán giao thoa ánh sáng với tốn dao động điều hịa + Giải pháp thứ hai là: Xây dựng hệ thống dạng tập sau: 2.3.1 Bài toán 1: Bài toán giao thoa ánh sáng cho quan sát dao động điều hòa PHƯƠNG PHÁP CHUNG: Cơ sở toán toán thay đổi khoảng cách từ hai khe tới quan sát * Khi chưa dao động: λD i= a Khoảng vân: => i tỉ lệ với D *Khi dao động điều hòa theo phương vng góc với mặt phẳng khe F1F2, chọn chiều dương hướng xa khe F 1F2 thì: D' = D + x = D + Acos ( ωt + ϕ ) - Khoảng vân: λD ' λ ( D + x ) λ  D + Acos ( ωt + ϕ )  i' = = = a a a - Bậc giao thoa điểm M màn: NÕu k nguyªn M vân sỏng b kM = Nếu k bán nguyên thỡ M vân tèi i' kM = b b.a = i' λ( D + x) => Nhận xét: kM kM + phụ thuộc x: x tăng giảm ngược lại hay giá trị x ứng với kM giá trị kM + Các toán thường liên quan đến M vân sáng ( nguyên), M vân tối kM ( bán nguyên) ứng với li độ x khác dao động điều hòa nên lúc quy toán giao thoa ánh sáng tốn dao động điều hịa Từ ta gặp tình huống: - Xác định khoảng thời gian để điểm vân sáng(tối) - Tính số lần xuất vân sáng(tối) M khoảng thời gian - Xác định quãng đường di chuyển - Xác định tốc độ dao động .vv BÀI TẬP VÍ DỤ: Ví dụ 1: Thí nghiệm giao thoa ánh sáng đơn sắc với hai khe F1, F2 hình vẽ Màn quan sát E gắn với lị xo dao động điều hịa với chu kì riêng T = 1,5 s Bỏ qua ma sát sức cản môi trường Ban đầu nằm cân khoảng cách từ hai khe đến D0 ta thu hệ vân giao thoa mà điểm M cách vân sáng trung ∆l = D0 tâm (mm) vân sáng bậc (3) Đưa đến vị trí lị xo nén thả nhẹ cho dao động Tại M ta thu vân sáng bậc (2) lần đầu sau thời gian[4] A s 16 B s C s 11 D s 16 Phân tích tốn: xS = ki = k λD a Sử dụng cơng thức xác định vị trí vân sáng: Bản chất toán thay đổi D => i thay đổi => vị trí E để M vân sáng bậc (3) bậc (2) tờ quy tốn tìm khoảng thời gian ngắn hai điểm dao động điều hòa Bài giải: Ban đầu khoảng cách từ khe đến quan sát D M cách vân trung λD λD xM = k = a a tâm mm vân sáng bậc nên ta có: (1) Vì lắc lò xo nằm ngang nên đưa quan sát đến vị trí lị xo bị D D ∆l = A= 2 nén bng nhẹ ta có Khi M vân sáng bậc gọi D khoảng cách từ khe đến quan sát ta λD λD xM = k = a a có: (2) λD λD 3 =2 ⇔ D = D0 a a Từ (1) (2) ta có: Khoảng thời gian từ thời điểm thả nhẹ cho dao động đến M trở thành vân sáng bậc lần đầu khoảng thời gian ngắn để dao động từ biên độ A đến điểm B tức dao động từ biên đến vị trí cách vị trí T 1,5 t= = = s A 8 16 cân khoảng nên ta có: =>Chọn D Ví dụ 2: Trong thí nghiệm giao thoa Y-âng với ánh sáng đơn sắc có bước sóng λ = 0,75 μm Khoảng cách hai khe mm, khoảng cách từ hai khe đến m Tại thời điểm t = 0, ta truyền cho vận tốc ban đầu hướng phía hai khe để dao động điều hịa với chu kì s biên độ 40 cm Thời gian từ lúc dao động đến điểm M cách vân trung tâm b = 19,8 mm cho vân sáng lần thứ 11 có giá trị gần với giá trị sau đây? [4] A 3,75 s B 3,25 s C 4,06 s D 3,95 s Phân tích tốn: - Màn dao động điều hòa với: i= - Khoảng vân: π  x = A cos  ωt + ÷ 2  λ ( D + x ) 0,75 ( + x ) = a kM = - Bậc giao thoa M: thuộc x(vị trí màn) - Cần tìm x để lần 11 b 19,8 = i i kM ∈ Z phụ (M vân sáng) - Sử dụng tốn thời gian dao động điều hịa để tìm thời điểm cho vân sáng lần thứ 11 Bài giải: Màn dao động điều hòa với: 2π 2π π ω= = = T + Tần số góc: (rad/s) A = 40 cm = 0, m + Biên độ: + Biễu diễn phụ thuộc khoảng vân (i) bậc giao thoa( x −0,4 Li độ: (m) i= Khoảng vân: λ ( D + x ) 0,75 ( + x ) = a 1,2 kM ) 0,4 1,5 1,8 (mm) kM = b 19,8 = i i Bậc M: =>Khi hình chạy từ O đến A có ba giá k M [ 11; 12; 13] trị từ -A đến O có [ 14;15;16] giá trị ; ứng với k = 11 vị trí +A 19,8 = 16,5 1,2 13,2 11 Từ HV vị trí vân sáng lần 11 ứng với k = 13 hay D = 2,03 m => x = cm Khoảng thời gian từ O đến -A đến A vị trí x = cm là: 3π   + arccos  ÷ ∆ϕ  40  = 3,952s t= T = 2π 2π =>Chọn D Ví dụ 3: Trong thí nghiệm giao thoa ánh sáng với hai khe I-âng, ta tiến hành với bước sóng λ = 0,6 µm, khoảng cách hai khe a = mm, E vật dao động điều hịa quanh vị trí cân O với chu kì T, biên độ A = m theo phương vng góc với mặt phẳng chứa hai khe cách mặt phẳng chứa hai đoạn D = m Ban đầu vị trí xa hai khe nhất, số lần điểm M cách vân T ∆t = trung tâm 1,8 mm chuyển thành vân sáng sau khoảng thời gian A B C D Phân tích tốn: - Màn dao động điều hòa với: x = A cos ( ωt ) i= - Khoảng vân: λ ( D + x ) 0,6 ( + x ) = a kM = - Bậc giao thoa M: - Số giá kM ∈ Z b 19,8 = i i phụ thuộc x(vị trí màn) ∆t = dao đông sau khoảng thời gian T số vân sáng Bài giải: 10 kM + Biễu diễn phụ thuộc khoảng vân (i) bậc giao thoa( ) x −1 Li độ: (m) λ ( D + x ) 0,6 ( + x ) i= = 0,6 1,2 1,8 a Khoảng vân: (mm) b 1,8 kM = = 1,5 i i Bậc M: => Ban đầu M vân sáng bậc T ∆t = Sau khoảng thời gian gần hai khe M vân sáng bậc => có lần M chuyển thành vân sáng => Chọn B Ví dụ 4: Trong thí nghiệm I−âng giao ánh sáng, quan sát điểm O đường thẳng vng góc với mặt phẳng chứa hai khe (gọi đường d), điểm M vị trí vân sáng Dịch chuyển dọc theo (d), xa mặt phẳng chứa hai khe đoạn nhỏ 1/7 m M xuất vân tối Nếu tiếp tục dịch chuyển xa thêm đoạn nhỏ 16/35 m M lại có vân tối Giả sử cho dao động quanh O dọc theo (d) với phương trình y = 30cos20πt (y tính cm, t tính s) Tính từ thời điểm t = 0, số lần xuất vân tối M giây là[2] A 60 lần B 80 lần C 100 lần D 40 lần Phân tích toán: - Dựa vào đk M vân tối trường hợp => xác định vân sáng bậc kM lúc đầu -Tiếp tục liên hệ với dao động điều hòa, xác định số vân tối chu kì dao động Bài giải: xM = k λD a * Lúc đầu M vân sáng bậc k: * Dịch lần M vân tối lần hai M vân tối:  1  λD + ÷  1 1 7  x M = ( k − 0,5 )  k =  k− D= ⇒ 7 14 ⇒  a   0,6k − 1,5D = 0,9 D = λ ( D + 0,6 )  x M = ( k − 1.4 ) a  =>Lúc đầu M vân sáng bậc 11 * Biên độ dao động A = 0,3 m Vì 1/7 m < A < 0,6 m ⇒ Một phần tử chu kì đầu có lần M cho vân tối với “bậc” là: 3,5 λ.1 λ.0,7 x M = = k' ⇒ k ' = 5,7 ⇒ a a *Khi D’ = D − 0,3 Một phần tử chu kì có lần M cho vân tối với “bâc” là: 4,5; 5, ⇒ Nửa chu kì có lần M cho vân tối ⇒ Một chu kì có lần M cho vân tối ⇒ ⇒ Trong s có 10 chu kỳ nên có 60 lần Chọn A Y Ví dụ 5: Trong thí nghiệm -âng giao thoa ánh sáng, khoảng cách hai khe 0,6 mm, khoảng cách từ mặt phẳng chứa hai khe đến quan sát m Nguồn sáng đơn sắc có bước sóng 0,6 µm Truyền cho quan sát vận tốc ban đầu v0 = 20π cm/s hướng xa mặt phẳng hai khe cho dao động điều hịa với chu kì s theo phương vng góc với mặt phẳng hai khe Quãng M đường di chuyển kể từ lúc truyền vận tốc điểm cách vân trung tâm 26,4 mm cho vân sáng lần thứ 12 gần với giá trị sau đây? A 100 cm B 125 cm C 165 cm D 185 cm Phân tích tốn: π  x = A cos  ωt − ÷ 2  - Màn dao động điều hòa với: λ ( D + x ) 0,6 ( + x ) i= = a 0,6 - Khoảng vân: b 26,4 kM = = i i - Bậc giao thoa M: phụ thuộc x(vị trí màn) kM ∈ Z - Cần tìm x để lần 12 (M vân sáng) Bài giải: Màn dao động điều hòa với: 2π 2π ω= = =π T + Tần số góc: (rad/s) v 20π A = max = = 20 cm = 0,2 m ω π + Biên độ: 12 kM + Biễu diễn phụ thuộc khoảng vân (i) bậc giao thoa( ) x −0,2 Li độ: (m) λ ( D + x ) 0,6 ( + x ) i= = 1,8 a 0,6 Khoảng vân: (mm) b 26,4 26,4 kM = = ≈ 14,7 13,2 1,8 i i Bậc M: 0,2 2,2 12 chu kì qua lần nên lần thứ 12 đến biên dương s = 2.4A + A = 9A = 9.20 = 180 (cm) =>Chọn D Ví dụ 6: Trong thí nghiệm Y-âng giao thoa với ánh sáng, khoảng cách khe mm, khoảng cách từ mặt phẳng hai khe đến quan sát lúc đầu m Nguồn sáng đơn sắc có bước sóng 0,75 µm Truyền cho vận tốc ban đầu hướng xa mặt phẳng hai khe để dao động điều hòa theo phương vng góc với mặt phẳng hai khe với biên độ 40 cm chu kì 4,5 s Tốc độ dao động điểm M cách vân trung tâm 19,8 mm cho vân sáng lần thứ gần với giá trị sau đây? [4] A 55 cm/s B 28 cm/s C 56 cm/s D 48 cm/s Phân tích tốn: π  x = A cos  ωt − ÷ 2  - Màn dao động điều hòa với: λ ( D + x ) 0,75 ( + x ) i= = a - Khoảng vân: b 26,4 kM = = i i - Bậc giao thoa M: phụ thuộc x(vị trí màn) kM ∈ Z - Cần tìm x để lần (M vân sáng) => Tốc độ dao động Bài giải: Màn dao động điều hòa với: 13 ω= 2π 2π = =π T + Tần số góc: (rad/s) A = 40 cm = 0, m + Biên độ: + Biễu diễn phụ thuộc khoảng vân (i) bậc giao thoa( x −0,4 Li độ: (m) λ ( D + x ) 0,75 ( + x ) i= = 1,2 a Khoảng vân: (mm) b 19,8 kM = = 16,5 i i Bậc M: kM ) 0,4 1,5 1,8 13,2 11 + Khi từ VTCB → Biên dương k giảm từ 13 đến 11 nên k = 13; 12; 11 => có lần chuyển thành vân sáng + Sau lại sang biên âm (bên trái), để k M = 12 thành vân sáng sáng thứ tư => A x = 0,2 m = + Tốc độ dao động đó: A v = ω A −  ÷ ≈ 48,4 cm/s 2 =>Chọn D 2.3.2 Bài toán 2: Giao thoa ánh sáng liên quan đến nguồn sáng (khe) dao động điều hòa PHƯƠNG PHÁP CHUNG: Xuất phát từ sở lí thuyết tốn dịch chuyển nguồn sáng: Nếu cho nguồn S dao động điều hòa theo phương song song với mặt phẳng hai khe F1F2 với phương trình y = A 0cos ( ωt ) vân trung tâm (hệ vân giao thoa) dao động ngược chiều dọc theo trục Ox với phương trình: D D x = y = A cos ( ωt ) = A cos ( ωt ) d d + Hệ vân giao thoa dịch chuyển bề rộng: L = 2A 14 => Trong thời gian T/2, số vân sáng quan sát được: => số vân sáng dịch chuyển qua O + sau khoảng thời gian T/2 là: nS + sau khoảng thời gian T là: 2nS + sau khoảng thời gian (s) là: f.2ns + sau khoảng thời gian t (s) là: t.f.2ns A ns =   + i BÀI TẬP VÍ DỤ: Ví dụ 1: Trong thí nghiệm lâng giao thoa ánh sáng đơn sắc cho vân giao thoa E với khoảng vân đo 1,5 mm Biết khe S cách mặt phẳng hai khe F1F2 khoảng d mặt phẳng hai khe F 1F2 cách E khoảng D = 3d Nếu cho nguồn S dao động điều hòa theo quy luật u = l,5cos3πt (mm) (t đo giây) theo phương song song với trục Ox Khi đặt mắt O số vân sáng dịch chuyển qua giây [2] A 21 B 28 C 25 D 14 Phân tích tốn: - Từ phương trình dao động nguồn => phương trình dao động dao động vân trung tâm - Tính số vân sáng quan sát thời gian T/2 => số vân sáng dịch chuyển qua giây Bài giải: f= ω = 1,5 Hz 2π x=u D = 4,5cos 2πt ( mm ) d A ns =   + = i Số vân sáng màn: Số vân sáng dịch chuyển qua giây là: t.f.2ns = 21 =>Chọn A Ví dụ 2: (Chuyên SP Hà Nội 2019)Trong thí nghiệm Y-âng giao thoa ánh sáng, khoảng cách từ khe F đến mặt phẳng chứa hai khe F 1, F2 d = 0,5 m Khoảng cách từ mặt phẳng chứa hai khe F1, F2 đến quan sát D = m Đặt trước khe F nguồn sáng trắng, ta thấy vạch sáng trắng điểm Cho khe F dao động điều hịa trục Ox vng góc với trục đối xứng hệ quanh vị trí O cách hai khe F 1, F2 với phương trình 15 π  x =  A cos  2πt +   ÷ 3  (mm) Tại thời điểm t = s, vạch sáng trắng cách điểm khoảng mm Biên độ dao động A bằng[3] A mm B mm C mm D 0,5 mm Phân tích tốn: - Từ phương trình dao động nguồn => x theo A y= x.D d - Khi tồn hệ vân giao thoa dịch ngược chiều đoạn theo A - Sử dụng kiện vạch sáng trắng cách điểm khoảng mm => A Bài giải: x= Tại t =1 s, nguồn dịch lên đoạn A y= x.D = 2A d Khi tồn hệ vân giao thoa dịch xuống đoạn Vạch sáng trắng bị dịch xuống đoạn 2A = => A = (mm) =>Chọn C Ví dụ 3: Thực giao thoa ánh sáng với khe I–âng Nguồn sáng đơn sắc có bước sóng 500 nm, khoảng cách hai khe a =1 mm, khoảng cách từ mặt phẳng chứa hai khe đến quan sát D = m, khoảng cách từ khe F đến mặt phẳng chứa hai khe d =1 m Cho khe F dao động điều hòa trục Ox vng góc với trục đối xứng hệ quanh vị trí O cách hai khe F 1, F2 với phương trình π  x = cos  2πt − ÷ mm 2  Trên màn, xét điểm M cách vân trung tâm khoảng mm Tính thời điểm t = 0, điểm M trùng với vân sáng lần thứ 2018 vào thời điểm A 252 s B 504 + 1/2 s C 252 + 1/6 s D 252 + 1/12 s Phân tích toán: - Khi dịch chuyển nguồn theo phương song song với hai khe hệ vân (vân trung tâm) dịch chuyển theo chiều ngược lại => phương trình dao động; chu kì dao động vân trung tâm 16 - Từ điều kiện điểm M vân sáng thỏa mãn: x M = ki => tọa độ vân sáng trung tâm ứng với vị trí M vân sáng - Sử dụng toán thời gian dao động điều hòa Bài giải: Vân trung tâm dao động với phương trình: D π  x = y = 2cos  2πt − ÷ d 2  chu kì là: T = s i= Khoảng vân : λD = mm a Điểm M cách vị trí trung tâm mm, ban đầu t = M vân sáng thỏa mãn: xM = ki Vân trung tâm dao động với biên độ cm, => M vân sáng vân trung tâm vị trí có tọa độ x = 0, 1, 2, – 1, –2 cm Biễu diễn đường trịn lượng giác: Mỗi chu kì có lần M vân sáng => Khi M vân sáng lần thứ 2018 = 8.252 + lần thời gian là: t = 252T + ∆t ∆t = 1 T ⇒ t = 252T + T = 252 + (s) 12 12 12 =>Chọn D Ví dụ 4: Thực thí nghiệm Y-âng giao thoa ánh sáng, nguồn sáng điểm S phát ánh sáng đơn sắc có bước sóng 500 nm Khoảng cách hai khe F F2 mm, khoảng cách từ mặt phẳng chứa hai khe đến quan sát m Ban đầu, S đặt điểm O nằm đường trung trực F 1F2 cách mặt phẳng chứa hai khe 50 cm Xét trục Ou song song với vuông góc với mặt phẳng trung trực hai khe F1F2 hình vẽ, O gốc tọa độ Giữ nguyên điều kiện khác, cho S dao động điều hòa trục Ou với π  u = cos  2πt + ÷ 2  phương trình (mm), t tính s Tính từ thời điểm 17 ban đầu t = 0, thời điểm vị trí quan sát có nháy sáng lần thứ 2021 [4] A 216,75 s B 224,75 s D 112,25 s C 126,25 s Phân tích tốn: - Điểm có nháy sáng vân sáng i= - Khoảng vân: λD a - Dịch chuyển đoạn x theo phương thẳng đứng, vân sáng trung tâm Dx y = d dịch chuyển đoạn: T= - Chu kì dao động: 2π ω - Sử dụng toán thời gian dao động điều hòa Bài giải: Khoảng vân giao thoa là: λD 500.10−9.2 i= = = 1.10−3 ( m ) = ( mm ) −3 a 1.10 Điểm I có nháy sáng có vân sáng Độ dịch chuyển cực đại vân trung tâm là: y max D.x max 2.1.10−3 = = = 4.10 −3 ( m ) = ( mm ) = 4i d 0,5 → 1/4 chu kì điểm sáng S dịch chuyển từ vị trí cân đến biên, điểm I có lần tạo vân sáng → chu kì, điểm I có vân sáng 16 lần Chu kì dao động điểm sáng S 18 T= π 2π = = ( s) ω 2π Thời điểm ban đầu điểm sáng S vị trí cân điểm I có nháy sáng lần Điểm I có nháy sáng lần thứ 2021 điểm sáng S thực số chu kì là: n= 2021 − = 126,25 => t = nT = 126,25 ( s ) 16 =>Chọn C 2.3.3 Bài tập rèn luyện (Dùng làm kiểm tra khảo sát đánh giá HS) Câu 1:Trong thí nghiệm Y-âng giao thoa ánh sáng, khoảng cách hai khe mm, khoảng cách từ mặt phẳng chứa hai khe đến quan sát lúc đầu m Nguồn sáng đơn sắc có bước sóng 750 nm Truyền cho vận tốc ban đầu hướng lại gần mặt phẳng hai khe để dao động điều hịa theo phương vng góc với mặt phẳng hai khe với biên độ 40 cm chu kì s Thời gian kể từ lúc dao động đến điểm M cách vân trung tâm 19,8 mm cho vân sáng lần thứ A 3,5 s B s C s D 3,375 s Câu 2: Thí nghiệm giao thoa I–âng với ánh sáng đơn sắc có bước sóng λ = 0,75 μm, khoảng cách hai khe a = mm, khoảng cách hai khe đến D = m Tại thời điểm t = 0, truyền cho vận tốc ban đầu hướng phía hai khe để dao động điều hịa với chu kì s với biên độ 40 cm Thời gian từ lúc dao động đến điểm M cách vân trung tâm b = 19,8 mm cho vân sáng lần thứ là[4] A 1,75 s B 0,31 s C 1,06 s D 1,50 s Câu 3: (Chuyên ĐH Vinh) Thí nghiệm giao thoa Iâng với ánh sáng đơn sắc có bước sóng 0,6 m, μkhoảng cách hai khe S1, S2 mm Màn quan sát E gắn với lị xo dao động điều hòa dọc theo trục đối xứng hệ Ban đầu E vị trí cân vị trí mà lị xo khơng biến dạng, lúc khoảng cách từ mặt phẳng chứa hai khe đến quan sát E D = m Truyền cho E vận tốc ban đầu hướng xa mặt phẳng chứa hai khe để dao động điều hòa theo phương ngang với biên độ A = 40 cm chu kì T = 2,4 s Thời gian ngắn kể từ lúc E dao động đến điểm M cách vân trung tâm 5,4 mm cho vân sáng lần thứ ba là[3] A 1,2 s B 1,4 s C 1,6 s D 1,8 s Câu 4: (Sở Vinh phúc 2021) Thực thí nghiệm Y-âng giao thoa với ánh sáng có bước sóng λ Trên quan sát, điểm M có vân sáng Nếu cố định điều kiện khác, dịch chuyển dần quan sát dọc theo đường thẳng vng 19 góc với mặt phẳng chứa hai khe xa đoạn nhỏ 14 m M chuyển thành vân tối Nếu tiếp tục dịch xa thêm đoạn nhỏ m M lại vân tối Cho dao động điều hoà đường thẳng Oy đường trung trực đoạn thẳng nối hai khe I-âng quanh vị trí cân O vị trí ban y = 0,5cos ( 4πt ) đầu theo phương trình số lần M cho vân sáng [3] 1s A 18 B 16 C D Y Câu 5: Trong thí nghiệm -âng giao thoa ánh sáng, khoảng cách hai khe 0,6 mm, khoảng cách từ mặt phẳng chứa hai khe đến quan sát m Nguồn sáng đơn sắc có bước sóng 0,6 µm Truyền cho quan sát vận tốc ban đầu v0 = 20π cm/s hướng xa mặt phẳng hai khe cho dao động điều hịa với chu kì s theo phương vng góc với mặt phẳng hai khe Tốc độ dao M động điểm cách vân trung tâm 26,4 mm cho vân sáng lần thứ gần với giá trị sau đây? A 50 cm/s B 60 cm C cm/s D 30 cm/s Câu 6: Trong thí nghiệm Y-âng giao thoa với ánh sáng, khoảng cách khe mm, khoảng cách từ mặt phẳng hai khe đến quan sát lúc đầu m Nguồn sáng đơn sắc có bước sóng 0,75 µm Truyền cho vận tốc ban đầu hướng xa mặt phẳng hai khe để dao động điều hòa theo phương vng góc với mặt phẳng hai khe với biên độ 40 cm chu kì 4,5 s Quãng đường dịch dịch chuyển điểm M cách vân trung tâm 19,8 mm cho vân sáng lần thứ gần với giá trị sau đây? A 55 cm B 42 cm C 36 cm D 48 cm Câu 7: Trong thí nghiệm Y-âng giao thoa ánh sáng đơn sắc cho vân giao thoa E với khoảng vân đo 1,2(mm) Biết khe S cách mặt phẳng hai khe S2S2 khoảng d mặt phẳng hai khe S 2S2 cách E khoảng D = 2d Nếu cho nguồn S dao động điều hòa theo quy luật u = 2,4cos2πt(mm) (t đo giây) theo phương song song với trục Ox Khi đặt mắt O số vân sáng dịch chuyển qua giây là[2] A 10 B 18 C 25 D 24 Câu 8: Trong thí nghiệm I−âng giao thoa ánh sáng đơn sắc có bước sóng 0,5 μm, khe S có bề rộng vơ hẹp, hai khe S1 S2 cách a = 0,5 mm khoảng cách từ mặt phẳng chứa hai khe S 1S2 đến quan sát E D = m Biết khe S cách mặt phẳng hai khe S1S2 khoảng d = 0,8 m Nếu cho nguồn S dao động điều hòa theo quy luật u = 10cos2πt (mm) (t đo giây) theo phương song song với trục Ox Khi đặt mắt O thấy số vân sáng chu kì dịch chuyển qua O là[2] A 11 B 52 C 50 D 24 20 Câu 9: Trong thí nghiệm Y-âng giao thoa ánh sáng với ánh sáng đơn sắc có bước sóng λ = 0,5 µm Biết khoảng cách hai khe hẹp a = 0,75 mm khoảng cách từ mặt phẳng chứa hai khe hẹp đến quan sát D = 1,5 m Khe S nằm trục đối xứng hệ cách mặt phẳng chứa hai khe m Cho khe S bắt đầu dao động điều hịa theo phương vng góc trục đối xứng hệ với π  x = 3cos  πt − ÷ 2  phương trình (mm) Tính từ lúc t = 0, vị trí vân sáng trung tâm ban đầu chuyển thành vân tối lần thứ thời điểm [4] A 0,81s B 0,96s C 1,15s D 1,50s Câu 10: Thực giao thoa ánh sáng với khe I–âng Nguồn sáng đơn sắc có bước sóng 500 nm, khoảng cách hai khe a =1 mm, khoảng cách từ mặt phẳng chứa hai khe đến quan sát D = m, khoảng cách từ khe F đến mặt phẳng chứa hai khe d =1 m Cho khe F dao động điều hịa trục Ox vng góc với trục đối xứng hệ quanh vị trí O cách hai khe F 1, F2 với phương trình π  x = cos  2πt − ÷ mm 2  Trên màn, xét điểm M cách vân trung tâm khoảng mm Tính thời điểm t = 0, điểm M trùng với vân sáng lần thứ 2022 vào thời điểm A 252,08 s B 504,08 s C 505,58 s D 252,58 s Nhận xét, đánh giá: Sau HS làm kiểm tra khảo sát 15 HS lớp 12A1 có lực học trở lên: - Tâm lí học sinh thay đổi hẳn, hào hứng làm khơng cịn thấy lo ngại gặp toán giao thoa với ánh sáng liên quan đến quan sát, nguồn sáng dao động điều hòa - Kết cụ thể: em đạt điểm em đạt đến điểm em đạt đến điểm em đạt đến điểm 2.4 Hiệu sáng kiến kinh nghiệm Với đề tài nghiên cứu đem giảng dạy lớp ôn thi tốt nghiệp THPT với 15 HS lớp 12A1 có lực học trở lên theo dõi trình học tập, qua kiểm tra khảo sát đánh giá đa số học sinh lớp dạy nắm vững phương pháp, kỹ giải tập Đồng thời có nhiều học sinh cịn tự nghiên cứu sâu tập hay khó tập giao thoa ánh sáng Khi giải toán ngược lại giúp học sinh hiểu hơn, nắm dạng tập khác phần giao thoa ánh sáng tập dao động 21 học mà học Các em chủ động tìm thêm tập loại trang mạng để luyện tập, dấu hiệu đáng mừng điều cho thấy em tự tin hơn, chủ động hoạt động học tập Sáng kiến kinh nghiệm giúp đồng nghiệp nhà trường có thêm sở, tài liệu để ôn luyện thêm cho sinh tạo tiền đề tốt cho em bước kì thi tốt nghiệp THPT đạt kết cao KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 3.1 Kết luận Từ việc vận dụng sáng kiến kinh nghiệm giúp cho học sinh hiểu rõ chất tập “giao thoa với ánh sáng liên quan đến quan sát, nguồn sáng dao động điều hịa”, nắm vững phương pháp, có kỹ giải nhanh Từ phát huy khả tự giác, tích cực học sinh, giúp em bồi dưỡng khả tự học sáng tạo phương pháp giải nhanh tư mở rộng sang dạng tập khác chương trình vật lí 3.2 Kiến nghị 3.2.1 Đối với nhà trường + Với thực tế kết đạt đề tài tơi đề xuất áp dụng đề tài làm chuyên đề việc giảng dạy nhà trường, đặc biệt việc ôn thi tốt nghiệp THPT từ góp phần nâng cao chất lượng giáo dục nhà trường tốt + Nhà trường trang bị thêm sách tài liệu cho thư viện để giáo viên học sinh tham khảo + Tổ chức buổi trao đổi, thảo luận phương pháp dạy học, xây dựng chủ đề dạy học 3.2.2 Đối với Sở Giáo Dục + Công bố đề tài SKKN có kết tốt để giáo viên trường học hỏi, vận dụng trình giảng dạy + Tổ chức chuyên đề, hội thảo để giáo viên có điều kiện trao đổi học tập chuyên môn - nghiệp vụ Tuy sáng kiến kinh nghiệm bước đầu đạt kết tích cực khơng tránh thiếu sót Rất mong nhận đóng góp ý kiến thầy cô giáo để đề tài tơi hồn thiện Tơi xin chân thành cảm ơn! 22 XÁC NHẬN CỦA THỦ TRƯỞNG ĐƠN VỊ Thanh Hóa, ngày 15 tháng năm 2022 Tơi xin cam đoan SKKN viết, khơng chép nội dung người khác Hà Như Hiền TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Sách giáo khoa Vật Lí 12 (cơ bản; nâng cao) – Nhà xuất giáo dục 23 [2] Kinh nghiệm luyện thi Vật lí 12 Tác giả: Chu Văn Biên [3] Đề thi thử tốt nghiệp THPT trường nước [4] Mạng internet 24 ... đề giao thoa với ánh sáng liên quan đến quan sát, nguồn sáng dao động điều hòa nhằm định hướng phát triển lực học sinh - Các tập giao thoa với ánh sáng liên quan đến quan sát, nguồn sáng dao động. .. sát…cịn khai thác tập giao thoa ánh sáng liên quan đến quan sát, nguồn sáng dao động điều hòa nên học sinh khơng có thêm nguồn tài liệu để tham khảo Vì đa số học sinh gặp khó khăn dạng tập khơng... loại tập tự tin cho rằng, giao thoa với ánh sáng liên tục dễ, khơng có phải nghĩ Dạng tập giao thoa ánh sáng liên quan đến nguồn sáng, quan sát dao động điều hòa gây đau đầu cho đa số học sinh