Vật lý là một môn khoa học cơ bản của ch¬ơng trình giáo dục phổ thông, trong hệ thống giáo dục phổ thông của n¬ớc ta. Học tập tốt bộ môn vật lý giúp con ng¬ời nói chung và học sinh nói riêng có kỹ năng t¬ duy sáng tạo, làm cho con ng¬ời linh hoạt hơn, năng động hơn trong cuộc sống cũng nh¬ trong công việc. Nhiệm vụ của giảng dạy bộ môn vật lý ở bậc trung học phổ thông là thực hiện đ¬ợc những mục tiêu giáo dục mà Bộ Giáo dục và Đào tạo đã đề ra: Làm cho học sinh đạt d¬ợc các yêu cầu sau: Nắm vững đ¬ợc kiến thức của bộ môn. Có những kỹ năng cơ bản để vận dụng kiến thức của bộ môn. Có hứng thú học tập bộ môn. Có cách học tập và rèn luyện kỹ năng hợp lý. đạt hiệu quả cao trong học tập bộ môn vật lý.
Trang 1SKKN Phương pháp hướng dẫn học sinh vẽ đường truyền ánh sáng - Vật lý 11
S Á N G K I Ế N K I N H N G H I Ệ M
***************************************
PHƠNG PHÁP HỚNG DẪN HỌC SINH
GIẢI BÀI TẬP PHẦN
VẼ ĐƯỜNG TRUYỀN
ÁNH SÁNG
&
TỔ: LÝ - CÔNG NGHỆ
TRỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG TIÊN LỮ.
HNG YÊN NĂM 2009
Phần I: MỞ ĐẦU
Trang 2Vật lý là một môn khoa học cơ bản của chơng trình giáo dục phổ thông, trong hệ thống giáo dục phổ thông của nớc ta Học tập tốt bộ môn vật
lý giúp con ngời nói chung và học sinh nói riêng có kỹ năng t duy sáng tạo, làm cho con ngời linh hoạt hơn, năng động hơn trong cuộc sống cũng nh trong công việc Nhiệm vụ của giảng dạy bộ môn vật lý ở bậc trung học phổ thông là thực hiện đợc những mục tiêu giáo dục mà Bộ Giáo dục và Đào tạo
đã đề ra: Làm cho học sinh đạt dợc các yêu cầu sau:
- Nắm vững đợc kiến thức của bộ môn
- Có những kỹ năng cơ bản để vận dụng kiến thức của bộ môn
- Có hứng thú học tập bộ môn
- Có cách học tập và rèn luyện kỹ năng hợp lý đạt hiệu quả cao trong học tập bộ môn vật lý
- Hình thành ở học sinh những kỹ năng t duy đặc trng của bộ môn
Trong nội dung môn Vật lý lớp 11, phần Quang hình học có tác dụng rất tốt, giúp học sinh phát triển t duy vật lý Trong phần này thể hiện rất rõ các thao tác cơ bản của t duy vật lý là từ trực quan sinh động đến t duy trừu tợng, từ t duy trừu tợng đến thực tiễn khách quan, nh:
- Phân tích hiện tợng và huy động các kiến thức có liên quan để đa ra kết quả của từng nội dung đợc đề cập
- Sử dụng kiến thức toán học có liên quan nh để thực hiện tính toán đơn giản hoặc suy luận tiếp trong các nội dung mà bài yêu cầu
- Sử dụng kiến thức thực tế để suy luận, để biện luận kết quả của bài toán (Xác nhận hay nêu điều kiện để bài toán có kết quả) Việc học tập phần này đợc tập trung vào việc vận dụng kiến thức để giải các bài tập về vẽ đờng truyền của ánh sáng
Vấn đề đặt ra là: Làm thế nào để học sinh có những kỹ năng giải các bài tập về vẽ đờng truyền của ánh sáng mạch điện xoay chiều một cách lôgíc, chặt chẽ, đặc biệt là làm thế nào để qua việc rèn luyện kỹ năng vẽ đờng truyền ánh sáng là một nội dung cụ thể có thể phát triển t duy Vật lý, và cung cấp cho học sinh cách t duy cũng nh cách học đặc trng của bộ môn Vật lý ở cấp trung học phổ thông
Trong những năm giảng dạy bộ môn Vật lý ở bậc trung học phổ thông, tôi nhận thấy: ở mỗi phần kiến thức đều có yêu cầu cao về vận dụng kiến thức đã học đợc vào giải bài tập Vật lý Vì vậy ỏ mỗi phần ngời giáo viên cũng cần đa ra đợc những phơng án hớng dẫn học sinh vận dụng kiến thức một cách tối u để học sinh có thể nhanh chóng tiếp thu và vận dụng dễ dàng vào giải các bài tập cụ thể:
Theo nhận thức của cá nhân tôi, trong việc hớng dẫn học sinh giải bài tập cần phải thực hiện đợc một số nội dung sau:
- Phân loại các bài tập của phần theo hớng ít dạng nhất
Trang 3SKKN Phương pháp hướng dẫn học sinh vẽ đường truyền ánh sáng - Vật lý 11
- Hình thành cách thức tiến hành t duy, huy động kiến thức và thứ tự các thao tác cần tiến hành
- Hình thành cho học sinh cách trình bày bài giải đặc trng của phần kiến thức đó
Sau đây tôi nêu những suy nghĩ của cá nhân tôi trong việc hớng dẫn học sinh giải bài tập về vẽ đờng truyền của ánh sáng (Phần Quang hình học – Vật lý lớp 11) mà tôi đã áp dụng trong những năm qua để đợc tham khảo, rút kinh nghiệm và bổ xung
ĐỐI TỢNG NGHIÊN CỨU
- Kiến thức: Phần Quang hình học - nhận xét sự truyền ánh sáng tại mặt phân cách giữa hai môi trờng trong suốt, và phơng pháp vận dụng kiến thức trong việc giải các bài tập của phần này
- Đối với học sinh trung bình, yếu: Yêu cầu nắm vững kiến thức cơ bản, ph-ơng pháp giải và giải các bài tập đơn giản
- Đối với học sinh khá, giỏi: Yêu cầu áp dụng phơng pháp giải vào bài tập khó, có tính chất nâng cao, vận dụng kiến thức một cách tổng hợp
Phần II: NỘI DUNG
A/ KIẾN THỨC CƠ BẢN:
I/ Các khái niệm cơ bản:
1/ Vật sáng:
- Nguồn sáng là những vật tự phát ra ánh sáng Ví dụ: Mặt Trời Các loại đèn
- Vật đợc chiếu sáng là những vật khi nhận đợc ánh sáng chiếu vào thì phát
ra ánh sáng Ví dụ: Các vật mà mắt nhìn thấy khi có ánh sáng
- Nguồn sáng và vật đợc chiếu sáng đợc gọi chung là vật sáng
2/ Môi trờng truyền sáng (Môi trờng trong suốt) là môi trờng cho hầu hết ánh sáng truyền qua
3/ Môi trờng chắn sáng là môi trờng không cho ánh sáng truyền qua
4/ Tia sáng: là đờng truyền của ánh sáng
Ký hiệu: Vẽ đờng truyền
của ánh sáng trên có mũi tên
chỉ chiều truyền ánh sáng
5/ Chùm sáng: là tập hợp nhiều tia sáng
Có 3 loại chùm sáng:
- Chùm sáng phân kỳ: là chùm sáng gồm các
tia sáng xuất phát từ một điểm
Trang 4- Chùm sáng song song: là chùm sáng gồm
các tia sáng đi song song với nhau
- Chùm sáng hội tụ: là chùm sáng gồm các
tia sáng đi đến đồng quy tại một điểm
* Chú ý: Khi vẽ chùm sáng chỉ cần vẽ hai tia rìa
II/ Các định luật về sự truyền của ánh sáng
1/ Định luật truyền thẳng ánh sáng: Trong một môi trờng trong suốt và đồng tính, ánh sáng truyền đi theo đờng thẳng
* Chú ý: Trong một môi trờng trong suốt và đồng tính, tia sáng là đờng thẳng
2/ Nguyên lý thuận nghịch của chiều truyền ánh sáng: Nếu AB là một đờng truyền ánh sáng, thì trên AB có thể cho ánh sáng truyền từ A đến B hoặc từ
B đến A
3/ Phản xạ ánh sáng:
a/ Hiện tợng phản xạ ánh sáng là hiện tợng tia sáng bị hắt trở lại môi trờng
cũ khi gặp bề mặt nhẵn bóng
- Bề mặt nhẵn bóng làm ánh sáng bị hắt trở lại gọi là mặt phản xạ
b/ Các khái niệm:
- Tia tới: Phần ánh sáng tới
- Điểm tới: Điểm tia tới gặp mặt phản xạ
- Tia phản xạ: Phần ánh sáng phản xạ
- Pháp tuyến tại điểm tới: Đờng thẳng
vuông góc với mặt phản xạ tại điểm
tới
- Mặt phẳng tới: Mặt phẳng chứa tia tới và pháp tuyến tại điểm tới
- Góc tới: Góc hợp bởi tia tới và pháp tuyến tại điểm tới
- Góc phản xạ: Góc hợp bởi tia phản xạ và pháp tuyến tại điểm tới
c/ Định luật phản xạ ánh sáng:
- Tia phản xạ nằm trong mặt phẳng tới, tia tới và tia phản xạ ở hai bên pháp tuyến tại điểm tới
- Góc phản xạ bằng góc tới
d/ Cách vẽ tia phản xạ:
- Vẽ pháp tuyễn tại điểm tới và xác định mặt phẳng tới.
- Xác định góc tới.
- Vẽ về phía bên kia pháp tuyễn một góc bằng góc tới, ta đợc tia phản xạ.
4/ Khúc xạ ánh sáng:
I N
i i'
Trang 5SKKN Phương pháp hướng dẫn học sinh vẽ đường truyền ánh sáng - Vật lý 11
a/ Hiện tợng khúc xạ ánh sáng là hiện tợng tia sáng bị gãy khúc (đổi phơng đột ngột) khi truyền qua mặt phân cách giữa hai môi trờng truyền sáng (hay trong suốt)
b/ Các khái niệm:
- Tia tới: Phần ánh sáng tới
- Điểm tới: Điểm tia tới gặp mặt phân cách giữa hai môi trờng truyền sáng
- Tia khúc xạ: Phần ánh sáng khúc xạ
- Pháp tuyến tại điểm tới: Đờng thẳng vuông góc với mặt phân cách tại điểm tới
- Mặt phẳng tới: Mặt phẳng chứa tia tới và pháp tuyến tại điểm tới
- Góc tới : Góc hợp bởi tia tới và pháp tuyến tại điểm tới
- Góc khúc xạ: Góc hợp bởi tia khúc xạ và pháp tuyến tại điểm tới
c/ Định luật khúc xạ ánh sáng:
- Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới, tia tới và tia khúc xạ ở hai bên pháp tuyến tại điểm tới
- Đối với một cặp môi trờng trong suốt nhất định thì tỉ số sinsinri =h»ngsè (i
là góc tới, r là góc khúc xạ)
* Chiết suất tỉ đối:
Đối với một cặp môi trờng nhất định, tỉ số n21
r sin
i sin
= có giá trị xác định đợc
gọi là chiết suất tỷ đối của môi trờng (2) (chứa tia khúc xạ) đối với môi trờng (1) chứa tia tới
n21 > 1 đ i > r: Môi trờng (2) chiết quang hơn môi trờng (1)
hay môi trờng (1) chiết quang kém môi trờng (2)
n21 < 1 đ i < r: Môi trờng (2) chiết quang kém môi trờng (1)
hay môi trờng (1) chiết quang hơn môi trờng (2)
S
I
N
i
r K
S
I
N
i
r
K
Trang 6* Chiết suất tuyệt đối:
Chiết suất tuyệt đối của một môi trờng là chiết suất của môi trờng đó đối với chân không (n)
Môi trờng (1) có chiết suất là n1
Môi trờng (2) có chiết suất là n2
Chiết suất tỉ đối của môi trờng (2) đối với môi trờng (1) :
1
2 21
n
n
n =
Chiết suất tỉ đối của môi trờng (2) đối với môi trờng (1) :
2
1 12
n
n
n =
Nh vậy: Môi trờng có chiết suất lớn hơn thì chiết quang hơn.
Ngoài ra: Chiết suất của môi trờng trong suốt tỉ lệ nghịch với tốc độ ánh sáng trong môi trờng đó
n
c v hay
n
n
v
v
1
2
2
1 = = (c: tốc độ ánh sáng trong chân không)
d/ Cách vẽ tia khúc:
- Vẽ pháp tuyến tại điểm tới và xác định mặt phẳng tới.
- Xác định góc tới.
- Tính góc khúc xạ rồi vẽ về phía bên kia pháp tuyến một góc bằng góc khúc xạ, ta đợc tia khúc xạ.
(Chú ý: Vẽ đúng trờng hợp góc tới lớn hơn hay nhỏ hơn)
5/ Hiện tợng phản xạ toàn phần: Là hiện tợng toàn bộ tia sáng bị phản xạ khi truyền đến mặt phân cách giữa hai môi trờng truyền sáng (trong suốt),
Góc giới hạn phản xạ toàn phần: igh
1
2 gh
n
n i
sin = Điều kiện để có phản xạ toàn phần:
- Tia sáng truyền từ môi trờng chiết quang đến mặt phân cách với môi trờng chiết quang kém
- Góc tới lớn hơn góc giới hạn: i > igh
6/ Các trờng hợp đờng đi của tia sáng khi truyền đến mặt phân cách giữa hai môi trờng trong suốt
* Tia sáng truyền từ môi trờng chiết quang kém đến mặt phân cách với môi trờng chiết quang hơn đ Luôn có tia khúc xạ và góc khúc xạ nhỏ hơn góc tới.
* Tia sáng truyền từ môi trờng chiết quang đến mặt phân cách với môi tr-ờng chiết quang kém:
- Tính góc giới hạn phản xạ toàn phần: i gh
1
2 gh
n
n i
sin =
- Góc tới nhỏ hơn hoặc bằng góc giới hạn (i Ê i gh ) đ Có tia khúc xạ và góc khúc xạ lớn hơn góc tới.
Trang 7SKKN Phương pháp hướng dẫn học sinh vẽ đường truyền ánh sáng - Vật lý 11
- Góc tới lớn hơn (i > i gh ) đ Phản xạ toàn phần, toàn bộ tia sáng bị phản
xạ
* Góc lệch của tia sáng là góc hợp bởi hớng của tia tới với hớng của tia sáng cuối cùng đi ra khỏi hệ thống quang học đang xét
(Hoặc:
* Tia sáng truyền từ môi trờng có chiết suất nhỏ đến mặt phân cách với môi trờng có chiết suất lớn hơn đ Luôn có tia khúc xạ và góc khúc xạ nhỏ hơn góc tới.
* Tia sáng truyền từ môi trờng có chiết suất lớn đến mặt phân cách với môi trờng có chiết suất nhỏ hơn:
- Tính góc giới hạn phản xạ toàn phần: i gh
1
2 gh
n
n i
sin =
- Góc tới nhỏ hơn hoặc bằng góc giới hạn (i Ê i gh ) đ Có tia khúc xạ và góc khúc xạ lớn hơn góc tới.
- Góc tới lớn hơn (i > i gh ) đ Phản xạ toàn phần, toàn bộ tia sáng bị phản xạ.)
Một kỹ năng quan trọng mà học sinh cần nắm đợc là nhận biết đợc khi truyền đến mặt phân cách giữa hai môi trờng trong suốt thì có bao nhiêu tr-ờng hợp có thể xảy ra Các căn cứ để khẳng định đtr-ờng đi tiếp theo của tia sáng Để giúp học sinh giải quyết khó khăn này, tôi đã đa ra nhận xét nh trên làm cơ sở khi xác định đờng đi tiếp của tia sáng Sau đó làm bài tập cụ thể có liên quan để khắc sâu
7/ Một số kiến thức hình học phẳng có liên quan
II/ Phơng pháp giải bài tập Vật lý: 4 bớc
Bớc 1: Tóm tắt đầu bài, đổi đơn vị, vẽ hình (nếu có)
Bớc 2: Phân tích đầu bài tìm cách giải
Bớc 3: Thực hiện giải
Bớc 4: Biện luận và đáp số
B/ THỰC HIỆN ÁP DỤNG TRONG CÁC BÀI TOÁN CƠ BẢN.
Ví dụ 1: Cho một lăng kính phản xạ toàn phần có tiết diện thẳng là tam giác
vuông cân ABC, có chiết suất n = 2, đặt trong không khí có chiết suất là 1 Một tia sáng đơn sắc SI nằm trong mặt phẳng tiết diện thẳng từ không khí truyền đến mặt bên AB tại I ở gần B theo phơng song song với mặt huyền
BC Hãy vẽ tiếp đờng đi của tia sáng và tính góc lệch của nó khi qua lăng kính
Giải
Trang 8Nhiệm vụ của bài toán là vẽ tiếp đờng truyền của một tia sáng cụ thể Trong một môi trờng đồng tính tia sáng sẽ đi thẳng, tia sáng sẽ đổi phơng khi gặp mặt của vật hoặc mặt phân cách giữa hai môi trờng truyền sáng
Tr-ớc hết ta cần phân tích xem phải vẽ hình nh thế nào cho thuận lợi
Vì tia khúc xạ, tia phản xạ, tia tới đều nằm trong mặt phẳng tới, nên khi vẽ cần phân tích sao cho thể hiện đợc mặt phẳng tới là mặt phẳng trang giấy thì thể hiện đợc các tia sáng và các đờng cần vẽ thuận lợi nhất.
Tia tới và pháp tuyến tại điểm tới đều nằm trong tiết diện thẳng của lăng kính, nên mặt phẳng tiết diện thẳng là mặt phẳng tới Vì vậy tia khúc xạ hoặc tia phản xạ cũng nằm trong mặt phẳng này Và tia sáng từ không khí truyền đến lăng kính, ta nên vẽ hình nh sau:
Đờng truyền của tia sáng sẽ gặp mặt của lăng kính là mặt phân cách giữa hai môi trờng truyền sáng Sử dụng nhận xét về đờng đi của tia sáng trên tại từng điểm tới để khẳng định tại các điểm tới ta cần vẽ tia nào (Thông thờng nếu có tia khúc xạ thì ta vẽ tia khúc xạ, nếu phản xạ toàn phần thì ta vẽ tia phản xạ) Khi đã biết tại điểm tới đó ta cần vẽ tia nào thì dùng cách vẽ tia sáng đó nh lý thuyết đã nêu Để vẽ đợc tia khúc xạ cần xác định đúng môi trờng 1, môi trờng 2 để sử dụng trong công thức của định luật khúc xạ ánh sáng Một việc quan trọng là cần xác định điểm tới, tiếp theo thuộc mặt phân cách nào, tính góc tới tiếp theo, trong việc này cần sử dụng đến những kiến thức hình học phẳng một cách linh hoạt
Lời giải cụ thể nh sau:
Tia tới SI song song với mặt huyền BC nên tia sáng đến mặt AB tại I với góc tới 0
i =
Tại I tia sáng truyền từ môi trờng có chiết suất nhỏ đến mặt phân cách với môi trờng có chiết suất lớn hơn đ Tại I có tia khúc xạ
S
I
i1
A
B r1 C
i2 i2’ i
3
r3 J
K
Trang 9SKKN Phương pháp hướng dẫn học sinh vẽ đường truyền ánh sáng - Vật lý 11
0 1
1
0
KK
LK
1
Sinr
45 Sin n
n
Sinr
Sini
=
→
=
→
I gần B nên sau khi khúc xạ tia sáng đến mặt BC tại J với góc tới 0
i =
(dùng hình học phẳng để tính i2)
Tại J tia sáng truyền từ môi trờng có chiết suất lớn đến mặt phân cách với môi trờng có chiết suất nhỏ
0 gh
2
1
Sini = → =
i2 > igh đ Tại J tia sáng phản xạ toàn phần (vẽ tia phản xạ)
Sau khi phản xạ tại J tia sáng đến mặt AC tại K với góc tới i3 = 300
(Để xét đờng đi tiếp của tia sáng tại K ta dùng một trong hai cách sau)
Cách 1: Tại K tia sáng truyền từ môi trờng có chiết suất lớn đến mặt phân cách với môi trờng có chiết suất nhỏ hơn
I3 < igh đ Tại K có tia khúc xạ
0 3
3
0
LK
KK
3
2
1 Sinr
30 Sin n
n
Sinr
Sini
=
→
=
→
Cách 2: Tại I tồn tại tia sáng SIJ, theo nguyên lý thuận nghịch của chiều truyền ánh sáng thì sẽ tồn tại tia sáng JIS, mà ta có i3 = i1 Nh vậy tại K có tia khúc xạ và góc khúc xạ 0
1
r = = (vẽ tia khúc xạ)
Ta thấy tia tới vat tia ló cùng hớng nên góc lệch của tia sáng bằng 0 (nói cách khác: tia sáng không bị đổi phơng khi qua lăng kính)
Ví dụ 2: Cho một khối thuỷ tinh trong suốt có dạng khối lập phơng có chiết
suất n đặt trong không khí có chiết suất là 1 Chiếu một tia sáng đến tâm mặt trên của khối lập phơng trên có góc tới là i1 có mặt phẳng tới song song với bên
a/ Với i1 = 450 và n = 2 Hãy vẽ
tiếp đờng đi của tia sáng?
b/ Với i1 đã cho Hãy tìm điều kiện
của n để sau khi khúc xạ ở mặt trên,
tia sáng phản xạ toàn phần ở mặt
bên và ló ra ở mặt đáy?
Giải
Đờng truyền của tia sáng sẽ
gặp mặt của khối lập phơng là mặt
phân cách giữa hai môi trờng
truyền sáng Sử dụng nhận xét về
đ-I
J
K
i1
r1
i2
i2’
i3
r3
C D
S
N
Trang 10ờng đi của tia sáng trên tại từng điểm tới để khẳng định tại các điểm tới ta cần vẽ tia nào.
Tia tới và pháp tuyến tại điểm tới đều nằm trong tiết diện thẳng của lăng kính, nên mặt phẳng tiết diện thẳng là mặt phẳng tới Vì vậy tia khúc xạ hoặc tia phản xạ cũng nằm trong mặt phẳng này Và tia sáng từ không khí truyền đến khối lập phơng, ta nên vẽ hình nh sau:
Trong quá trinhg giải bài tập cần hớng dẫn cho học sinh cách sử dụng kiến thức hình học phẳng một cách linh hoạt để xác định điểm tới tiếp theo của tia sáng thuộc mặt phân cách nào, xác định và tính góc tới tiếp theo của tia sáng.
Lời giải cụ thể nh sau:
a/ Với i1 = 450 và n = 2 Hãy vẽ tiếp đờng đi của tia sáng
Tia sáng đến mặt trên của khối lập phơng tại I với góc tới i1 = 450
0 1
1
0
KK
LK
1
Sinr
45 Sin n
n
Sinr
Sini
=
→
=
→
(Để xác định sau khi khúc xạ vào khối lập phơng tia sáng đến mặt bên hay mặt đáy có thể sử dụng một trong hai cách sau:
Cách 1: So sánh góc khúc xạ r 1 với góc NIC,
Nếu r 1 > NIC đ tia sáng đến mặt bên BC
Nếu r 1 < NIC đ tia sáng đến mặt đáy DC
Nếu r 1 = NIC đ tia sáng đến C, vị trí giao của hai mặt phân cách.
ở bài này ta có r 1 > NIC đ tia sáng đến mặt bên BC
Cách 2: Gọi giao của tia khúc xạ tại I với đờng thẳng BC, là J.
Tính BJ rồi so sánh với BC
Nếu BJ < BC đ tia sáng đến mặt bên BC
Nếu BJ > BC đ tia sáng đến mặt đáy DC
Nếu BJ = BC đ tia sáng đến C, vị trí giao của hai mặt phân cách.
Trong bài toán này tôi trình bày chi tiết cách 2)
Gọi cạnh của hình lập phơng là a
Gọi J là giao của tia khúc xạ tại I với đờng thẳng BC
2
3 a 30 tan 2
a r
tan 2
a
BJ 0
1
<
=
=
=
BJ < BC nên sau khi khúc xạ tia sáng đến mặt BC tại J với góc tới 0
i =
(dùng hình học phẳng để tính i 2 )
Tại J tia sáng truyền từ môi trờng có chiết suất lớn đến mặt phân cách với môi trờng có chiết suất nhỏ
0 gh
2
1
Sini = → =
i2 > igh đ Tại J tia sáng phản xạ toàn phần (vẽ tia phản xạ)