Phương pháp giải bài toán về sóng ánh sáng trong bồi dưỡng học sinh giỏi ở bậc THPT

PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN VỀ SÓNG ÁNH SÁNG TRONG BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI Ở BẬC THPT Mở đầu - Lí chọn đề tài Đối với đa số học sinh, môn Vật lí môn học thú vị, hấp dẫn, môn học khó Sóng ánh sáng phần hay khó học sinh, chủ đề quan trọng chương trình thi tốt nghiệp, tuyển sinh đại học trước đây, kì thi THPT Quốc gia, thi HSG cấp Cũng số toán khác Vật lí 12, phần tập sóng ánh sáng, việc hệ thống, phân loại giúp học sinh có phương pháp giải ngắn gọn, dễ hiểu vấn đề người giáo viên Vật lí trăn trở, quan tâm Để giải vấn đề trên, giáo viên cần đưa phương pháp phù hợp, dễ hiểu để học sinh nắm vận dụng, đồng thời đối tượng học sinh giỏi vận dụng để làm tập nâng cao Chính vậy, việc phân loại, lựa chọn phương pháp giải phần sóng ánh sáng yêu cầu cấp thiết HS lớp 12 Học sinh thường nắm áp dụng công thức có sẵn sách giáo khoa Khi nghiên cứu SGK, nhận thấy số lượng tập để rèn luyện kĩ phần sách giáo khoa Các tài liệu đọc chưa viết sâu, chi tiết, đầy đủ vấn đề Nhận thức tầm quan trọng phần kiến thức này, qua trình giảng dạy, luyện thi đại học, bồi dưỡng đội tuyển học sinh giỏi môn Vật lí trường THPT Hậu Lộc 4, đúc kết vài kinh nghiệm Tôi mạnh dạn đề xuất “Phương pháp giải toán sóng ánh sáng bồi dưỡng học sinh giỏi bậc THPT” Với phương pháp giúp em giải nhanh gọn, thành thạo tập sóng ánh sáng, tài liệu, chủ đề bồi dưỡng bổ ích cho học sinh giỏi - Mục đích nghiên cứu Phần sóng ánh sáng có mặt đề thi THPT Quốc gia, HSG cấp tỉnh Với mục đích giúp em HS đội tuyển ôn thi HSG tỉnh, HS chuẩn bị bước vào kì thi THPT Quốc gia hiểu sâu sắc giải tốt tập sóng ánh sáng, mạnh dạn chọn đề tài - Đối tượng nghiên cứu Trong phạm vi sáng kiến kinh nghiệm, đề tài hệ thống, phân loại giúp HS có phương pháp giải tập giao thoa ánh sáng - Phương pháp nghiên cứu + Phương pháp nghiên cứu xây dựng sở lý thuyết + Phương pháp điều tra khảo sát thực tế, thu thập thông tin + Phương pháp thống kê, xử lý số liệu + Phương pháp so sánh Giáo viên: Phạm Văn Lượng – Trường THPT Hậu Lộc Nội dung sáng kiến kinh nghiệm 2.1 Cơ sở lí luận sáng kiến kinh nghiệm - Giao thoa ánh sáng: tổng hợp hai sóng ánh sáng kết hợp Những vị trí mà hai sóng ánh sáng tăng cường lẫn tạo nên vân sáng, vị trí mà hai sóng ánh sáng triệt tiêu lẫn tạo nên vân tối - Ánh sáng đơn sắc ánh sáng không bị tán sắc mà bị lệch qua lăng kính, có màu định (tần số xác định) - Ánh sáng trắng hỗn hợp nhiều ánh sáng đơn sắc có màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím - Thí nghiệm Y-âng giao thoa ánh sáng: Nguồn sáng S chiếu sáng hai khe S1, S2 cách S + Khi nguồn S nguồn sáng đơn sắc E có vạch sáng màu tối xen kẽ + Khi nguồn S nguồn sáng trắng E có hệ vân nhiều màu - Các công thức giải tập giao thoa ánh sáng: + Hiệu đường hai sóng ánh sáng: ∆d = d − d1 = ax D + Vị trí vân sáng: d2 – d1 = kλ (với k ∈Z) xs = k λD a (với k ∈Z) (k = vân sáng trung tâm; k = ± vân sáng bậc 1; k = ± vân sáng bậc 2; …) + Vị trí vân tối: d2 – d1 = (k+ )λ (với k ∈Z) xt = (k + λD ) a (với k ∈Z) (k = k = -1: vân tối thứ nhất; k = k = -2 vân tối thứ 2; …) + Khoảng vân: khoảng cách hai vân sáng hai vân tối liên tiếp: i = x k +1 − x k = λD a - Ý nghĩa thí nghiệm Y-âng: Là sở thực nghiệm quan trọng để khẳng định ánh sáng có chất sóng phương pháp thực nghiệm hiệu để đo bước sóng ánh sáng Giáo viên: Phạm Văn Lượng – Trường THPT Hậu Lộc 2.2 Thực trạng vấn đề trước áp dụng sáng kiến kinh nghiệm Từ thực tế giảng dạy học sinh lớp, qua số năm bồi dưỡng đội tuyển HSG cấp tỉnh trường THPT Hậu Lộc 4, nhận thấy đa số học sinh coi tập sóng ánh sáng tập khó, vận dụng lúng túng Có thực trạng theo số nguyên nhân sau: - Do phân phối chương trình phần lí thuyết tập ôn tập có giới hạn nên dạy lớp giáo viên sâu vào phân tích cách chi tiết Trong đề thi TSĐH, THPT Quốc gia, HSG tỉnh Thanh Hóa năm gần có nhiều dạng tập phong phú mức độ yêu cầu khó - Các tài liệu tham khảo sóng ánh sáng chưa có nhiều tài liệu trình bày cách có hệ thống, phương pháp chuẩn mực Vì đa số học sinh tự phân tích, tổng hợp để hình thành phương pháp chủ đạo giải toán sóng ánh sáng 2.3 Các giải pháp sử dụng để giải vấn đề Bài tập sóng ánh sáng có phần: Tán sắc ánh sáng giao thoa ánh sáng Trong khuôn khổ sáng kiến kinh nghiệm số trang có hạn, xin phép đề cập phần giao thoa ánh sáng, chia dạng sau: Dạng 1: Giao thoa với ánh sáng đơn sắc Dạng 1.1: Vị trí vân sáng- vị trí vân tối: Phương pháp: + Lập tỉ số: xM =n i + Nếu n ∈ Z, M có vân sáng bậc n + Nếu n = k+0,5 với k ∈ Z Cách 1: Tại M vân tối thứ [ n ]+1 (với [x] phần nguyên x) Cách 2: Nếu k > M vân tối thứ k +1, k < M vân tối thứ k Ví dụ: Trong thí nghiệm giao thoa ánh sáng, đo khoảng cách vân sáng liên tiếp 0,4 mm Khoảng cách hai khe mm, cách hai khe m a) Tính bước sóng ánh sáng b) Ở hai vị trí M, N có tọa độ 1,2 mm -1,4 mm có vân gì? Giải: λD a) i = 0,4 mm; i = a → λ = 0,4.10− (m) λ = 0,4 µm b) xM = (số nguyên) ⇒ Tại M có vân sáng bậc i xN = 3,5 -3,5(số bán nguyên) ⇒ Tại N vân tối thứ i Giáo viên: Phạm Văn Lượng – Trường THPT Hậu Lộc Dạng 1.2: Khoảng cách vân Phương pháp: - Khoảng cách n vân sáng (hoặc n vân tối) liên tiếp: d = (n - 1)i - Khoảng cách vị trí vân m, n bất kì: ∆x = |xm – xn| (m, n bên xm, xn dấu; m, n khác bên xm, xn trái dấu) Ví dụ: Trong thí nghiệm Y-âng giao thoa ánh sáng, khoảng cách khe sáng a = 1,2 mm, quan sát cách mặt phẳng chứa khe khoảng D = 1,8 m, ánh sáng có bước sóng λ = 0,6 µm a) Tính khoảng cách 10 vân sáng liên tiếp b) Xác định khoảng cách từ vân sáng bậc đến vân tối thứ khác phía vân sáng trung tâm c) Xác định khoảng cách từ vân sáng bậc đến vân sáng bậc phía vân sáng trung tâm Giải: λD = 0,9 mm; d = (10-1)i = 8,1 mm a b) ∆x = (3 + 4,5)i = 7,5i = 6,75 mm c) ∆x = (6 − 2)i = 4i = 3,6 mm a i = Dạng 1.3: Xác định số vân trường giao thoa: Phương pháp: Cách 1: L + Số vân sáng: Ns =   +1  2i  + Số vân tối:   NT =  + 0,5 L  2i  - Số vân sáng, vân tối đoạn MN, với điểm M, N thuộc trường giao thoa nằm bên vân sáng trung tâm:  OM   ON  + Số vân sáng: Ns =  + +1  i   i      + 0,5 +  + 0,5 + Số vân tối: NT =  i i     OM ON Cách 2: xM x ≤k≤ N i i xM xN