SKKN Hướng dẫn giải toán quang hình học Vật lí 9

Nội dung cơ bản của sáng kiến: - Khó khăn của học sinh lớp 9 khi học phần quang hình học: Lí thuyết dài, hướngdẫn bài toán định lượng trong sách giáo viên không thống nhất… - Giải pháp

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

ĐỀ TÀI :

"HƯỚNG DẪN GIẢI TOÁN QUANG HÌNH HỌC VẬT LÍ 9"

Nội dung cơ bản của sáng kiến:

- Khó khăn của học sinh lớp 9 khi học phần quang hình học: Lí thuyết dài, hướngdẫn bài toán định lượng trong sách giáo viên không thống nhất…

- Giải pháp khắc phục khó khăn: Lập bảng kiến thức khi ôn tập lí thuyết, rèn luyệnnhiều việc vẽ ảnh bằng 2 tia sáng đặc biệt, dùng kĩ thuật 2 vuông khi giải bài toán địnhlượng

- Các ví dụ mẫu và bài tập vận dụng

Mục đích của sáng kiến:

- Bồi dưỡng cho học sinh lớp 9 về khả năng nghi nhớ lí thuyết quang hình, kĩ năng vẽhình, kĩ năng làm bài tập định lượng

- Hình thành phương pháp dạy học hiệu quả cho giáo viên

Ý nghĩa cơ bản của sáng kiến:

- Giúp học sinh lớp 9 có phương pháp học tập tốt đối với phần quang hình

- Phát triển kĩ năng giải bài tập định lượng

- Các thầy cô giáo có thể sử dụng sáng kiến này, đối chiếu với hướng dẫn trong sáchgiáo viên để tìm ra các phương pháp dạy học hiệu quả, phù hợp với đối tượng họcsinh

MÔ TẢ SÁNG KIẾN

1- MỞ ĐẦU.

1.1- Đặt vấn đề.

−Chương trình vật lí THCS hiện nay có nhiều sự đổi mới cả về nội dung lẫn hìnhthức so với chương trình vật lí cũ Đặc biệt phần quang học ở lớp 9 có hai nội dunghoàn toàn mới đó là khúc xạ ánh sáng (quang hình học) và tán sắc ánh sáng (quanglí) Hai nội dung này trước đây chỉ được đề cập đến ở chương trình vật lí THPT, nayđưa vào cấp THCS để học sinh mở rộng, tiếp cận dần với các vấn đề của vật lí Từ rấtnhiều năm trước đó, nội dung quang hình học cấp THCS (không chuyên) chỉ dừng lại

ở hiện tượng phản xạ ánh sáng Học sinh cần phải biết thêm về ánh sáng để hiểu hơncác hiện tượng thực tế Tuy nhiên, đưa thêm nội dung gì? Thể hiện các nội dung nhưthế nào cho phù hợp với học sinh THCS? Việc đưa vào chương trình phần quang họclớp 9 có thể nói là một quyết định mang tính đột phá và rất khó khăn của các tác giảviết sách giáo khoa

−Trong phần quang học lớp 9, nội dung quang lí chiếm tỉ lệ nhỏ và các vấn đề đưa rakhá đơn giản, chỉ dừng ở mức độ " nhận thức cảm tính" thông qua các hiện tượng gầngũi với học sinh Vấn đề tôi muốn đề cập ở đây là nội dung phần quang hình học Phầnnày có lượng kiến thức khá lớn, hầu hết các bài học đều hàm chứa kiến thức khó đối vớihọc sinh cấp 2 Bản thân nội dung quang hình học đã là vấn đề khó đối với học sinh phổthông, với học sinh THCS lại càng trở nên khó khăn hơn Quang hình học lớp 9 đã cómức độ yêu cầu định lượng, trong khi các em không được sử dụng các công thức quanghình học mà chỉ sử dụng những hiểu biết thô sơ về hình học phẳng Với hầu hết họcsinh cấp 2 thì việc sử dụng kiến thức về tam giác đồng dạng thường có nhiều khó khănhơn sử dụng kiến thức khác như tam giác bằng nhau, hay đường tròn Sử dụng tam giácđồng dạng để giải quyết bài toán vật lí thì mối liên hệ giữa " giả thiết" và "kết luận"hình học càng mờ mịt hơn so với bài toán hình học thuần túy!

−Để giúp các em học sinh lớp 9 khắc phục những khó khăn trong việc học tập nội dungquang hình học, tôi xin viết một số kinh nghiệm cũng như sáng kiến của mình đã tíchlũy trong quá trình dạy học

1.2 -Thực trạng trước khi áp dụng kinh nghiệm

1.2.1 -Thuận lợi:

−Học sinh lớp 9 đã được trang bị tốt về kiến thức tự nhiên, về phương pháp học tậpnên đa số phát hiện được vấn đề cần xử lí

−Bộ thí nghiệm quang hình học tương đối đầy đủ cho các bài học

−Nội dung phần quang hình học đảm bảo tính phù hợp với tư duy của học sinh, đảmbảo học sinh chỉ cần sử dụng kiến thức THCS là giải quyết được vấn đề

_ Các bài toán về thấu kính khá đa dạng, học sinh sử dụng kiến thức tam giác đồng

dạng cũng chưa thật linh hoạt Mặt khác, sách giáo viên hướng dẫn cũng khôngthống nhất về phương pháp: khi xét tam giác vuông, khi xét tam giác thường, điềunày gây khó khăn cho hoạt động dạy - học của giáo viên và học sinh

1.2.3 - Biện pháp giải quyết:

- Vì kiến thức quang hình học dài và và dễ bị nhầm lẫn giữa hai loại thấu kính nên

học sinh cần có một cái nhìn tổng quát các đối tượng kiến thức, biết đối chiếu sosánh và phân tích các đối tượng Cách ghi nhớ tốt nhất là lập các bảng đơn vị kiếnthức để dễ nhớ, dễ phân biệt, so sánh

- Để giúp học sinh làm tốt bài toán định lượng, tôi đưa ra " kỹ thuật 2 vuông" nhằmgiúp học sinh xử lí tốt về các tam giác đồng dạng, biến đổi các tỉ lệ để đi đến kết quả.

Cả 2 biện pháp này được trình bày cụ thể trong phần nội dung của bài viết

2 - NỘI DUNG SÁNG KIẾN

2.1 - Hướng dẫn học sinh học tốt phần lí thuyết.

2.1.1-Nhận xét, hướng dẫnchung.

Để học tốt phần quang hình học thì yêu cầu đầu tiên là học sinh phải ghi nhớ được líthuyết quang hình Lí thuyết phần này khá nhiều, đòi hỏi học sinh phải có sự đầu tưthời gian và ý chí cao để ghi nhớ, tránh bị chồng chéo lẫn lộn các đối tượng với nhau;nhất là phải phân biệt rõ ràng về sự truyền ánh sáng, về đặc điểm của ảnh ở thấu kínhhội tụ và thấu kính phân kì

Kinh nghiệm cho thấy, học sinh nên ôn tập lại phần lí thuyết bằng cách lập bảng đểđối chiếu, so sánh và tổng hợp kiến thức một cách hoàn chỉnh Tôi thường cho họcsinh hoàn thành một nhóm kiến thức theo bảng, cách làm này sẽ giúp học sinh nắm bắtđược rõ hơn, ghi nhớ nhanh hơn các nội dung

2.1.2- Ví dụ mẫu.

Bài 1.1:

Nêu đường truyền của 3 tia sáng đặc biệt qua thấu kính hội tụ và thấu kính phân kì

Giải

Đường truyền của các tia sáng đặc biệt qua 2 loại thấu kính:

Thấu kính hội tụ Thấu kính phân kì

phương của tia tới phương của tia tới

2 Song song với trục

- TKHT có 3 tia đặc biệt, TKPK có 2 tia đặc biệt

- Các bài toán về dựng ảnh thường chỉ dùng 2 tia sáng là tia số 1 và số 2

Bài 1 2: Nêu các đặc điểm của ảnh tạo bởi thấu kính hội tụ và thấu kính phân kì? Giải

Các đặc điểm của ảnh:

Vị trí của vật Đặc điểm của ảnh

Tạo bởi TKHT Tạo bởi TKPK

1 d > 2f - Ảnh thật, ngược chiều

nỏ hơn vật

- Ảnh luôn nằm trongkhoảng tiêu cự và nằmgần thấu kính hơn vật

- Như vậy bài toán quang hình học có đa dạng đến mấy cũng chỉ rơi vào 1 trong 5trường hợp tạo ảnh như bảng trên, kể cả bài toán về mắt hay máy ảnh…Học sinh ghinhớ tốt 5 trường hợp này sẽ không bị lúng túng khi khảo sát về ảnh.

Bài 1 3: Nêu những điểm giống và khác nhau của ảnh ảo tạo bởi TKHT và TKPK? Giải:

So sánh ảnh ảo tạo bởi 2 loại thấu kính:

Luôn nằm trong tiêu cự

Giống nhau Không hứng được trên màn chắn, cùng chiều với vật

Bài 1.4: Nêu đặc điểm của mắt cận, mắt lão và nêu cách khắc phục Giải thích tác

Nhìn rõ các vật ở xa, khôngnhìn rõ các vật ở gần

Điểm cực viễn ở gần hơn sovới mắt thường

Điểm cực cận ở xa hơn sovới mắt thường

- Khi không đeo kính, vậtnằm trong khoảng Cc mắtkhông nhìn rõ.

- Kính cận tạo ra ảnh ảonằm gần mắt hơn điểm Cvnên mắt nhìn thấy ảnh củavật

- Kính lão tạo ra ảnh ảonằm xa mắt hơn điểm Ccnên mắt nhìn thấy ảnh đó

Bài 1.5: Hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng có điểm gì giống và khác nhau? Giải

Góc tới bằng góc phảnxạ

Góc tới và góc khúc xạkhông bằng nhau

Giống nhau

- Ánh sang bị đổi phương tại điểm tới

- Các tia sáng cùng nằm trong mặt phẳng tới

- Khi góc tới tăng (giảm) thì góc phản xạ và góckhúc xạ cũng tăng (giảm) theo

- Góc tới bằng 00 thì góc tới và góc phản xạ cũngbằng 00

Bài 1.6: Nêu các ứng dụng thực tế của thấu kính hội tụ và thấu kính phân kì trong

chương trình đã học Nêu đặc điểm của ảnh trong mỗi trường hợp đó

Ảnh thậtNhỏ hơnvật

Ảnh ảoNhỏ hơnvật

Ảnh ảoLớn hơnvật

Ảnh ảoLớn hơnvật

Trên đây là nội dung lí thuyết cô đọng của phần quang hình học Học sinh lập đượccác bảng thống kê này chắc chắn sẽ ghi nhớ tốt phần lí thuyết

2.2- Hướng dẫn học sinh vẽ sơ đồ tạo ảnh.

2.2.1-Nhận xét chung.

- Dựng hình là vấn đề quan trọng của quang hình học Bài toán dựng hình đòi hỏi họcsinh không những nhớ lí thuyết mà còn phải biết vận dụng lí thuyết một cách linh hoạt.Hình vẽ trong quang hình học chính là sự thể hiện rõ ràng về sự nắm bắt lí thuyết quanghình của học sinh Học sinh nhớ được lí thuyết chưa chắc đã dựng được hình theo yêu cầu,học sinh dựng được hình theo yêu cầu nghĩa là đã nhớ, đã hiểu lí thuyết Như vậy, dựnghình là một cấp độ nhận thức cao hơn so với việc ghi nhớ Đây là yêu cầu quan trọng màhọc sinh nào cũng phải đạt được

- Dạng toán dựng hình phổ biến là vẽ sơ đồ tạo ảnh Đây là yêu cầu hay gặp nhất củachương trình vật lí 9 và chúng ta chủ yếu hướng dẫn cho học sinh dạng bài này (Một số

bài dựng hình khác được giới thiệu trong bài viết chỉ mang tính giới thiệu để học sinhluyện tập thêm) Nhìn chung đa số học sinh biết cách vẽ sơ đồ tạo ảnh Tuy nhiên cũng có

số đông học sinh còn lúng túng, nhầm lẫn khi áp dụng về sự truyền ánh sáng vào việc vẽ

sơ đồ tạo ảnh

2.2.2 -Hướng dẫn.

- Để vẽ được sơ đồ tạo ảnh theo yêu cầu học sinh cần chú ý:

+ Các tia sáng đặc biệt ở hai loại thấu kính (Xem Bài 1.1-II.1b)

+ 4 trường hợp tạo ảnh ở TKHT và 1 trường hợp của TKPK (Xem Bài 1.2-II.1b).

Như vậy học sinh phải nhớ rằng tất cả chỉ có 5 trường hợp tạo ảnh và phải nhận ra bài toánđang xét rơi vào trường hợp nào!

- Về mặt kĩ năng, ngoài việc tuân thủ về các quy ước vẽ đường truyền ánh sáng qua thấukính, học sinh cần chú ý rằng có 2 kiểu bài vẽ sơ đồ tạo ảnh:

+ Bài toán thuận: Cho vật và thấu kính, vẽ ảnh.

Khi vẽ hình, học sinh phải làm theo trình tự: vẽ thấu kính và vật sáng theo đúng tỉ lệ đầubài, vẽ đường truyền của ánh sáng và vẽ ảnh

+ Bài toán ngược: Cho vật và ảnh, vẽ thấu kính.

Trình tự: Vẽ vật và ảnh đúng tỉ lệ, vẽ đường truyền của ánh sáng và yếu tố của thấukính…

Cần chú ý với học sinh cố gắng rèn luyện vẽ sơ đồ tạo ảnh theo bài toán ngược (vẽ ảnhtrước, vẽ thấu kính sau ); việc thành thạo kỹ năng này rất có lợi vì tạo ra một sơ đồ tạo ảnhđẹp, kích thước hợp lí Nếu bài toán cho tỉ lệ của vật và ảnh mà học sinh vẽ thấu kínhtrước thì sẽ rất khó tạo ra ảnh có tỉ lệ đúng yêu cầu, nhất định học sinh phải vẽ ảnh đúng tỉ

lệ trước mới đảm bảo được một sơ đồ tạo ảnh đúng

2.2.3 - Ví dụ mẫu.

Bài 2.1: Vật sáng AB đặt trên trục chính của thấu kính cho ảnh A'B' như hình vẽ (

Hình 1.a và Hình 1.b ) Trong mỗi trường hợp hãy:

a) Học sinh cần xem kĩ đặc điểm của ảnh trong Bài 1.2

- Ảnh A'B' ngược chiều với AB nên là ảnh thật

- Thấu kính tạo ra ảnh thật nên thấu kính đã cho là thấu kính hội tụ

b) Với sơ đồ tạo ảnh học sinh đặc biệt chú ý đến 2 tia sáng đặc biệt qua thấu kính: tiasáng qua quang tâm và tia sáng song song với trục chính Đây là 2 tia sáng được sử

dụng chủ yếu để vẽ sơ đồ tạo ảnh trong phần quang hình học ( Xem Bài 1.1 ) Bài

toán dựng ảnh thuận hay ngược đều dùng 2 tia sáng này Chú ý rằng:

- Tia sáng qua quang tâm sẽ truyền qua B và B'

- Tia sáng từ B song song với trục chính sẽ có tia ló qua B' và tia ló sẽ qua tiêu điểm

Từ đó ta có các bước dựng hình trong trường hợp Hình 1.a:

Bước 1:

Vẽ quang tâm và thấu kính.

- Vẽ tia sáng từ B qua B' cắt trụcchính tại O thì O là quang tâm củathấu kính

- Qua O vẽ thấu kính hội tụ vuônggóc với trục chính

Bước 2:

Vẽ các tiêu điểm của thấu kính.

- Từ B vẽ tia tới song song với trụcchính , cắt thấu kính tại I

- Tia ló tại I qua B', cắt thấu kính tạiF' thì F' là một tiêu điểm của thấukính

- Lấy F đối xứng với F' qua O tađược tiêu điểm thứ hai

- Tương tự, trường hợp Hình 1.b:

Hướng dẫn

a) Ảnh S' và vật sáng S ở hai phía so với trục chính nên S' là ảnh thật Thấu kính tạo

ra ảnh thật nên thấu kính đã cho là thấu kính hội tụ

b) Tương tự bài 2.1 trên, dùng 2 tia sáng đặc biệt ta có sơ đồ tạo ảnh:

Chú ý:

- Trường hợp vật và ảnh là các điểm sáng ta không có khái niệm cùng chiều, ngượcchiều, lớn hơn hay nhỏ hơn Tính chất của ảnh khi đó xác định chủ yếu qua vị trítương đối với trục chính

- Với điểm sáng ta cũng có 3 trường hợp tạo ảnh thật, hình vẽ các trường hợp đều cócác bước dựng hình tương tự

Bài 2.3: Vật sáng AB đặt trước một thấu kính cho ảnh A'B' như hình vẽ.

Trường hợp hình 2a làTKHT:

Bước 1:

Vẽ quang tâm và thấu kính.

- Từ B vẽ tia sáng có phươngqua B', tia sáng này cắt trụcchính tại O là quang tâm củathấu kính

- Qua O vẽ thấu kính hội tụvuông góc với trục chính

Bước 2:Vẽ các tiêu điểm.

- Từ B vẽ tia sáng song songvới trục và chính cắt thấukính tại I

- Tia ló tại I có phương quaB' và cắt trục chính tại F'

- lấy F đối xứng với F' qua O

ta được 2 tiêu điểm F và F'

Trường hợp hình 2b là thấu kính phân kì, dùng 2 tia sáng đặc biệt ta có sơ đồ ảnh:

Tương tự ta có bài toán dựng hình với ảnh ảo là điểm sáng.

Bài 2.4: Điểm sáng S đặt trước một thấu kính cho ảnh S' như hình vẽ.

a) Xác định loại ảnh và thấu kính

b) Vẽ hình xác định quang tâm và các tiêu điểm của thấu kính

Trên đây là các trường hợp vẽ hình với bài toán đảo Đây là dạng bài tập hay gặptrong việc vẽ sơ đồ tạo ảnh Trường hợp vẽ hình khi biết vật và thấu kính dễ hơn, họcsinh chỉ cần chú ý các tỉ lệ của đầu bài và sử dụng đúng 2 tia sáng đặc biệt là dựngđược ảnh Tiếp theo ta xét một số bài toán dựng ảnh đặc biệt để áp dụng tốt hơn về cáctia sáng đặc biệt đã học

I

Bài 2.5: Vật sáng AB đặt trước một thấu kính cho ảnh A'B' song song và ngược chiều

Bước 1:

- Vẽ tia sáng từ B truyền qua B', vẽ

tia sáng từ A truyền qua A'; hai tiasáng vừa vẽ cắt nhau tại O là quangtâm của thấu kính

- Vật và ảnh song song nên thấu kính

phải song song với vật sáng AB Do

đó, qua O ta vẽ thấu kính hội tụ songsong với AB

Tiếp theo ta xác định các tiêu điểm Các tiêu điểm nằm trên trục chính nên trước hếtphải có trục chính của thấu kính Vật và ảnh song song với nhau chỉ khi vật vuông gócvới trục chính Ta có bước dựng hình tiếp theo:

Bài 2.6: Vật sáng AB đặt trước thấu kính phân kì, vật song song với trục chính của

thấu kính và có vị trí như hình vẽ Vẽ sơ đồ tạo ảnh A'B' qua thấu kính

Hướng dẫn

Điểm gốc và ngọn của vật đều không nằm trên trục chính nên ta dùng các tia sáng đặcbiệt để vẽ ảnh của cả gốc và ngọn, từ đó ta có toàn bộ ảnh

- Từ B vẽ 2 tia sáng đặc biệt, giao của 2 tia ló ta có ảnh B'

- Từ A vẽ hai tia sáng đặc biệt, giao của 2 tia ló ta có ảnh A'

- Nối A' với B' bằng nét đứt ta có ảnh A'B' cần dựng

Nhận xét: - Vì AB song song với trục chính nên 2 tia sáng song song với trục chính kẻ

từ A và B trùng nhau

- Ảnh A'B' thu được là ảnh ảo, kết quả này phù hợp với lí thuyết về thấu kính phân kì

Bài 2.7: Vật sáng AB đặt trước thấu kính hội tụ, vật song song với trục chính của thấu

kính và có vị trí như hình vẽ Vẽ sơ đồ tạo ảnh A'B' qua thấu kính

Hướng dẫn

Tương tự bài 2.6 trên, ta vẽ các tia sáng đặc biệt từ A và B để có ảnh A'B'.

Nhận xét: Vì vật sáng AB có một phần nằm trong khoảng tiêu cự nên ảnh A'B' có mộtphần là ảnh ảo ( đoạn IB' ), một phần là ảnh thật ( đoạn A' I)

Bài 2.8: Cho vật sáng AB dạng mũi tên đặt trước một thấu kính hội tụ, điểm A nằm

trên trục chính của thấu kính và AB tạo với trục chính một góc nhọn như hình vẽ

Vẽ sơ đồ tạo ảnh A'B' Cho thấu kính có kích thước đủ lớn để tạo ảnh.

Hướng dẫn

Theo bài toán cơ bản, ta luôn dựng ảnh điểm "ngọn" trước sau đó "hạ vuông góc vớitrục chính" để có ảnh của điểm "gốc"

Như vậy, đầu tiên ta dùng hai tia sáng đặc biệt để dựng ảnh của điểm B

Tiếp theo ta cần xác định ảnh của điểm A Lúc này vật và ảnh không song song nên takhông thể "hạ vuông góc" để có A' Ảnh A' nằm trên trục chính nên các tia sáng đặcbiệt từ A đến A' trùng với trục chính!

Như vậy, ta cần xác định một tia sáng đặc biệt khác truyền từ A đến A' Ta chú ý rằngtia sáng từ vật sẽ có tia ló qua ảnh của vật đó Như vậy , tia sáng có phương AB sẽ cótia ló qua A'B'

Ta có bước dựng hình tiếp theo:

- Từ B vẽ tia tới có phương AB, tia

ló qua B' cắt trục chính tại A'