skkn Giải thích đường đi của ánh sáng trong môi trường có chiết suất biến đổi qua việc dạy học chương 6 lớp 11

Lên lớp 9, rồi lớp 11 chúng ta được học về ánh sáng và lại một lần nữa khẳng định ánh sáng truyền theo đường thẳng trong môi trường đồng tính và trong suốt và ánh sáng chỉ bị gẫy khúc kh

Mục lục Trang

1.1 Lí do chọn đề tài

1.2 Mục đích nghiên cứu.

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.5 Phương pháp nghiên cứu

1.6 Những điểm mới của SKKN

2.1 Cơ sở lý luận của vấn đề nghiên cứu

2.2 Thực trạng học sinh và trường THPT Triệu Sơn 5 3 2.2.1 Đặc điểm tình hình nhà trường

2.2.2 Thực trạng việc hướng dẫn học sinh học vật lý chương VI lớp 11

2.3.1 Cơ sở lý thuyết cơ bản của quang học

2.3.2 Vận dụng để giải quyết một số bài toán

3.1 Kết luận

3.2 Kiến nghị

I MỞ ĐẦU

1.1 Lý do chọn đề tài:

Vật lí là bộ môn nghiên cứu những sự vật, hiện tượng xảy ra hàng ngày, có tính

ứng dụng thực tiễn Tuy nhiên đa số học sinh còn thấy môn Vật lí là một môn học khó, một trong những vấn đề khó là việc vận dụng các kiến thức vào giải thích các hiện tượng trong thực tế Khi học bộ môn vật lí các em học sinh thường chán học nhất là ở vùng nông thôn đang còn khó khăn về nhiều mặt như trường tôi nên tôi cũng đã rất trăn trở với điều này, sau nhiếu năm công tác tôi cũng bị môn Vật lí thu hút hơn bằng các hiện tượng lý thú mà chỉ có Vật lí mới giải thích nổi nên khi day học tôi luôn hướng các em vào việc nắm vững bản chất vật lí và giải thích các hiện tượng có liên quan

Từ khi còn rất bé chúng ta đã được tiếp xúc ngay với ánh sáng và trong tiềm thức chúng ta mặc nhiên chấp nhận trong không khí chiếc đũa là thẳng song khi cho nó vào cốc nước thì dường như đũa đã bị gẫy ngay tại mặt nước Lên lớp 9, rồi lớp 11 chúng ta được học về ánh sáng và lại một lần nữa khẳng định ánh sáng truyền theo đường thẳng (trong môi trường đồng tính và trong suốt) và ánh sáng chỉ bị gẫy khúc khi truyền tới mặt phân cách của hai môi trường trong suốt trong các định luật của ánh sáng “ Định luật truyền thẳng ánh sáng, Định luật khúc xạ ánh sáng, Định luật phản xạ ánh sáng” và chính chiết suất, hằng số vật lí của từng môi trường

là yếu tố quyết định ánh sáng truyền theo đường nào

Trong thực tế, rất khó có môi trường trong suốt đồng chất và có chiết suất không đổi, hầu hết các môi trường và các tinh thể đều có chiết suất thay đổi theo từng vị trí, theo từng phương truyền khác nhau, chính vì vậy mà một số hiện tượng trong thực tế không tài nào giải thích nổi khi ta chỉ áp dụng tính truyền thẳng của ánh sáng trong môi trường đồng chất có chiết suất không đổi Trong phạm vi bài viết này tôi muốn trao đổi kinh nghiệm, mong được nhận xét và góp ý của quý lãnh đạo, đồng nghiệp để thâm sâu vào lĩnh vực quang vật lí có môi trường có chiết suất thay đổi nói riêng và phương pháp giảng dạy vật lý nói chung

1.2 Mục đích nghiên cứu:

Nhằm nâng cao hiệu quả trong công tác giảng dạy và giúp cho người học hiểu được vấn đề từ bản chất vật lý

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

1 Ánh sáng truyền trong môi trường lưỡng chiết

2 Phạm vi nghiên cứu: Học sinh lớp 11 trường THPT Triệu Sơn 5.

1.4 Giả thuyết khoa học:

Kết thúc chương VI môn Vật lí lớp 11 để thực hiện việc dạy - học theo phương pháp đổi mới đạt hiệu quả cao thì đòi hỏi giáo viên phải nghiên cứu, tìm tòi để đưa

ra được những phương pháp giảng dạy có hiệu quả nhằm hướng dẫn học sinh biết phân loại, nắm vững phương pháp làm các bài tập liên quan đến chuyên đề Sóng ánh sáng xuất hiện trong các đề thi Trung Học Phổ Thông Quốc Gia gần đây Đồng thời cũng phải giúp học sinh hiểu và giải thích được hầu hết các hiện tượng

về ánh sáng mà chúng ta thường gặp trong thực tế: “ Phải chăng ánh sáng trong thực tế vẫn có thể truyền theo đường cong?”

1.5 Phương pháp nghiên cứu:

Trong quá trình nghiên cứu tôi đã sử dụng một số phương pháp sau :

- Phương pháp quan sát sư phạm

- Phương pháp thống kê, tổng hợp, so sánh

- Phương pháp mô tả

1.6 Những điểm mới của SKKN:

Nội dung nghiên cứu của sáng kiến đưa đến cách học mới và cách hiểu mới về

sự truyền ánh sáng trong môi trường lưỡng chiết nói riêng và kiến thức vật lý nói chung Cách dạy của người thầy và cách học của trò không phải là đọc chép, phụ thuộc sách giáo khoa như trước đây mà điểm mới của sáng kiến là thầy đưa ra các vấn đề và hiện tượng gặp trong thực tế có liên quan để học sinh chủ động tìm hiểu kiến thức nhằm giải thích hiện tượng có liên quan đó

II NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

2.1 Cơ sở lý luận của vấn đề nghiên cứu:

Quang học là một phần hết sức quan trọng đối với môn vật lí ở trường phổ thông, trong đó sự truyền ánh sáng là cơ sở đầu tiên của các quá trình, hiện tượng quang học diễn ra, tức là nếu có xác định đúng đắn đường truyền của tia sáng trong môi trường thì mới tính toán, đi đến đáp số chính xác Đồng thời, việc học môn Vật lý không chỉ dừng lại ở sự tìm cách vận dụng các công thức Vật lí để giải cho xong các phương trình và đi đến những đáp số, mà còn phải giải thích được các hiện tượng Vật lí đang xảy ra trong tự nhiên xung quanh ta, trong các đối tượng công nghệ, công nghệ cao mà ta đang sử dụng Trong quá trình giải quyết các vấn đề, tình huống cụ thể buộc học sinh phải vận dụng các thao tác tư duy như so sánh,

phân tích, tổng hợp, khái quát hoá để giải quyết vấn đề Từ đó sẽ giúp phát triển

tư duy, sáng tạo, trí óc tưởng tượng và suy luận độc lập nhằm giúp học sinh yêu thích và hiểu hơn bản chất Vật lí của các hiện tượng Vật lí nói chung và Quang học nói riêng

2.2 Thực trạng học sinh và trường THPT Triệu Sơn 5:

2.2.1 Đặc điểm tình hình nhà trường

Trường Triệu Sơn 5 có cơ sở vật chất còn thấp, nghèo nàn, dụng cụ thí nghiệm thì cũ kĩ, hỏng hóc nhiều, để chồng chất lên nhau vì chưa có phòng thí nghiệm nên cũng là một hạn chế để học sinh có thể nắm bắt những hiện tượng Vật lí

Trường Triệu Sơn 5 đóng trên địa bàn xã Đồng Lợi còn rất khó khăn và nghèo khó, trình độ dân trí thấp nên các em chưa đầu tư nhiều cho việc học và với môn Vật lí các em thường chán nản và học đối phó, không hiểu bản chất của các sự vật hiện tượng mà chỉ học thuộc, học vẹt, không có suy luận thực tiễn do vậy mà tiếp cận môn học, phần học còn rất nhiều khó khăn

Đội ngũ giảng dạy môn Vật lí ở trường tuy luôn học hỏi trao dồi chuyên môn với nhau nhưng còn trẻ tuổi nghề, chưa có nhiều kinh nghiệm trong cuộc sống thực tiễn cũng như trong giảng dạy

2.2.2 Thực trạng của việc hướng dẫn học sinh học Vật lí chương VI ở lớp 11

Trong chương VI: Ánh sáng là một khái niệm khá quen thuộc đối với học sinh, tuy nhiên tính chất của ánh sáng thì các em lại khá mơ hồ, song bằng việc cho các

em quan sát những thí nghiệm mô phỏng trên máy tính và những thí nghiệm cơ bản và đơn giản thì các em dần dần đã hình dung được các tính chất Sóng của ánh sáng

Về kỹ năng học sinh: Do chỉ có vài tiết học lí thuyết và bài tập về khúc xạ, phản

xạ ánh sáng mà các hiện tượng về ánh sáng trong thực tế thì lại là vô số kể và biến đổi khôn lường đây là một trở ngại lớn cho học sinh Trước thực trạng đó tôi nhận thấy phải hướng dẫn các em trước hết phải nắm vững kiến thức căn bản trong sách giáo khoa cung cấp, sau đó liên hệ hiện tượng thực tế để các em tự thảo luận nhóm, làm quen và giải thích

2.3 Những biện pháp giải quyết vấn đề

2.3.1 Cơ sở lí thuyết cơ bản của Quang học:

a Định luật truyền thẳng của ánh sáng:

Trong một môi trường trong suốt, đồng tính và đẳng hướng, các tia sáng truyền theo đường thẳng

b Định luật phản xạ ánh sáng:

+Tia phản xạ nằm trong mặt phẳng tới và ở phía bên kia pháp tuyến so với tia tới + Góc phản xạ bằng góc tới i’ = i

c Định luật khúc xạ ánh sang :

+Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới và ở phía bên kia pháp tuyến so với tia tới + Với hai môi trường trong suốt nhất định tỷ số giữa sin góc tới và sin góc khúc xạ luôn luôn không đổi

d Chiết suất n: của một vật liệu là tỷ số giữa tốc độ ánh sáng trong chân không và

tốc độ pha của bức xạ điện từ trong vật liệu đó

e Lưỡng chiết: được định nghĩa chính thức là sự khúc xạ kép trong một chất trong

suốt, phân tử có trật tự, biểu hiện bởi sự tồn tại của sự chênh lệch chiết suất phụ thuộc vào định hướng

f Nguyên lí Huyghen:

Mỗi điểm của môi trường có mặt đầu sóng đạt đến có thể xem như những tâm phát sóng bán cầu thứ cấp và bao hình của các sóng bán cầu này là mặt đầu sóng mới Nguyên lí Huyghen là công cụ giải thích các định luật về quang hình học “định luật phản xạ, định luật khúc xạ ánh sáng” với giả thuyết đơn giản mặt đầu sóng kế tiếp chính là mặt bao của các cầu sóng thứ cấp

Dựa vào nguyên lí Huyghen chúng ta có thể hình dung được ánh sáng truyền trong môi trường có chiết suất thay đổi tương đương với một sóng cơ truyền từ môi trường có vận tốc truyền sóng thay đổi, vì nếu xem ánh sáng là một sóng,

Cụ thể ở gần bờ biển, nước càng cạn thì tốc độ truyền sóng mặt nước càng nhỏ tương ứng với chiết suất càng lớn và ở đây mặt đầu sóng gần song song với đường

bờ biển tức là đường truyền sóng gần trùng với pháp tuyến tại bờ biển

g Nguyên lí Fermat: Vào giữa thế kỷ 17 (1679) Fermat đã tiếp tục công trình

nghiên cứu ánh sáng truyền trong môi trường có chiết suất thay đổi liên tục từ điểm này sang điểm khác và ông đã đưa ra nguyên lí Fermat với nội dung cụ thể như sau: “Ánh sáng truyền từ điểm A sang điểm B theo con đường đòi hỏi thời gian ngắn nhất”

Khái niệm quang trình được đưa vào để giải thích đường truyền của tia sáng Quang trình của tia sáng AB trong môi trường đồng tính là tích số của đoạn đường hình học d với chiết suất n của môi trường truyền ánh sáng:

Tức là Quang trình

L = ct = cd/v = nd

B

D A d1 d2 B

A n1 n2 d3, n3

Nếu môi trường truyền ánh sáng là không đồng tính thì cách đơn giản là ta chia quãng đường truyền của tia sáng thành những đoạn ngắn để chiết suất của môi trường trong mỗi đoạn được coi là không đổi Như vậy quang trình AB có thể được biểu diễn dưới dạng:

L = n1d1 + n2d2+ n3d3+… =

Còn nếu ánh sáng truyền trong môi trường có chiết suất thay đổi liên tục thì ta chia đoạn đường thành những đoạn vô cùng nhỏ ds , trên mỗi đoạn nhỏ đó ta coi chiết suất là không đổi thì quang trình giữa hai điểm A, B là

A ds

B

Gọi dt là thời gian để ánh sáng truyền được đoạn ds ta có :

Với v là vận tốc ánh sáng truyền trong môi trường có chiết suất n

Thời gian cần thiết để ánh sáng truyền từ điểm A tới điểm B là:

2.3.2 Vận dụng để giải quyết một số bài toán:

Bài toán 1 Giải thích hiện tượng khi ánh sáng mặt trời chiếu qua khe hở cửa vào

trong nhà, người ta nhận thấy vết sáng trên nền không giống như hình dáng của khe hở

Giải thích:

Nếu học sinh hiểu bản chất của sự truyền ánh sáng là sự truyền sóng và tốc độ sự truyền sóng này thay đổi phụ thuộc vào các lớp chiết suất trong môi trường Nhưng có lúc ánh sáng lại truyền sai lệch so với sự truyền thẳng khi gặp vật cản Ánh sáng gặp khe cửa là vật cản nên đã bị lệch phương truyền nên vết sáng trên nền không giống như hình dáng khe cửa, mà nó bị loe rộng ra thêm một chút Đây

là hiện tượng nhiễu xạ trong vật lí

Vậy nên học sinh sẻ rất hứng thú khi hiểu thêm bản chất và các hiện tượng về sự truyền của ánh sáng

Bài toán 2 Giải thích hiện tượng khi nhin xuống mặt nước ta có cảm giác các vật

ở dưới đáy gần mặt nước hơn so với thực tế

Giải thích:

Trong đời sống ta thường gập trường hợp nhìn ảnh của một vật do khúc xạ ánh sáng mà có

Khi đó ánh sáng đã khúc xạ qua hai mặt phẳng phân cách hai môi trường trong suốt Hệ hai môi trường này tạo thành một lưỡng chất phảng

Ta gọi S1, S2 là các điểm của tia tới và tia khúc xạ kéo dài cắt đường pháp tuyến; H

và I là điểm trên đường phân giác và tia tới tại mặt phân cách

Ta có :

HI = HS2 tan r = HS2 sin r

= HS1 tan i = HS1 sin I

Do đó :HS 2 n 1 = HS 1 n 2

Nếu nhìn từ không khí vào nước thì:

n 1 = 1 , n 2 = 4/3 Do đó HS2 = ¾ HS2

Nên ảnh của một vật “nâng” lên gần mặt nước hơn so với vật

Và giáo viên cũng có thể khuyến cáo các em rằng; khi lội xuống sông hoặc ao hồ, đứng trên bờ tưởng là cạn nhưng thực tế lại sẽ là sâu hơn

Bài toán 3 Tại sao lại xuất hiện cầu vồng sau cơn mưa? Tại sao các bong bóng xà

phòng lại có nhiều màu sắc sặc sỡ như thế?

Giải thích :

Trước và sau cơn mưa không khí chứa rất nhiều những giọt nước nhỏ hình cầu Ánh sáng từ mặt trời khúc xạ vào bên trong mỗi giọt nước, phản xạ ở mặt cầu phân cách nước với không khí rồi khúc xạ trở ra

Qua hai lần khúc xạ vào và ra khỏi giọt nước, các chùm ánh sáng màu bị tách rời nhau Đứng ở vị trí thích hợp, mắt ta nhận được các chùm sáng màu này theo một hình vòng cung Đó là cầu vồng

Hiện tượng bong bóng xà phòng có nhiều màu sắc sặc sỡ như thể cúng là do hiện tượng khúc xạ và phản xạ nhiều lần của ánh sáng mặt trời

Bài toán 4 Khi chiếu đèn pin vào nước, ta vẫn có cảm giác bị chói mắt do có các

tia sáng phản xạ lại mắt ta vì sao?

Giải thích:

Bản thân môi trường nước không có chung một chiết suất (chưa xét đến trường hợp nước có lẫn tạp chất) mà chia thành nhiều lớp mỏng có chiết suất khác nhau,

do có nhiệt độ và các yếu tố ảnh hưởng khác nhau Một tia sáng đơn sắc khi truyền

từ không khí vào nước, khi đi qua lớp nước đầu tiên sẽ vừa có tia phản xạ và tia khúc xạ (nếu góc tới càng lớn thì lượng tia phản xạ càng nhiều) Tia khúc xạ lại tiếp tục đi tới lớp nước (2), (3)…vì chiết suất các lớp nước khác nhau nên lượng tia phản xạ và khúc xạ khác nhau Thông thường lượng tia phản xạ ít hơn tia khúc xạ

Bài toán 5 Khi chúng ta đi trên sa mạc, trời đã về chiều, ta nhìn thấy đằng xa có

một vũng nước lấp lánh, trên đó in bóng những cây cọ xanh mát Nhưng khi lại gần chỉ là cát và cỏ khô?

Đi trên đường nhựa lúc trời nắng, nhìn thấy ở phía trước trên đường có nước là vì sao?

Giải thích:

- Gần giống với hiện tượng trên ở sự phân chia chiết suất môi trường, đây lại là

hiện tượng gãy khúc của đường truyền sáng Trong sa mạc vào một cuối ngày im gió, lớp không khí càng ở gần mặt cát có nhiệt độ càng cao, vì nhận được nhiệt tỏa

ra từ mặt cát nóng Nhiệt độ càng cao thì chiết suất lớp khí càng nhỏ Do đó càng lên cao chiết suất lớp không khí càng tăng Ta chia lớp không khí trên sa mạc thành nhiều lớp mỏng Xét một tia sáng đi xiên từ điểm A, từ lớp khí (1) xuống lớp khí (2), góc khúc xạ sẽ lớn hơn góc tới Cứ như vậy tia sáng bị gãy khúc liên tiếp khi đi từ lớp khí trên xuống lớp khí dưới Khi tia sáng xuống thấp tới lớp khí dưới

có góc tới I > igh, tia sáng sẽ bị phản xạ toàn phần, hắt lên Do đó, ta được đường gãy khúc từ A tới mắt, giả sử là điểm O Khi bề dày các lớp không khí vô cùng nhỏ thì đường gãy khúc trên trở thành một đường cong đều đặn từ A đi lên tới mắt O Nên tia sáng gần như xuất phát từ điểm A’ đối xứng với A qua mặt đất

Vậy thứ mà chúng ta nhìn thấy trên sa mạc chỉ là ảnh của ngọn cây mà thôi

- Khi trời nắng, không khí gần mặt đường bị đốt nóng, càng gần mặt đường nhiệt

độ không khí càng lớn, chiết suất càng bé, nghĩa là chiết suất không khí giảm theo

độ cao Ánh sáng mặt trời xuyên qua đám mây chứa hơi nước sẽ tới mặt đường và

sẽ phản xạ toàn phần tại lớp không khí sát mặt đường theo như chứng minh trên Lúc này lớp không khí có xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần giống hư một gương phẳng cho ta ảnh ảo của đám mây Mắt ta hứng được chùm phản xạ toàn phần sẽ thấy ảnh này, vậy ta sẽ thấy hình như trên đường phía trước có nước