Sáng kiến kinh nghiệm vật lý

Đặt vấn đề.Để có một lời giải đúng, một hình vẽ chính xác thoả mãn yêu cầu đặt ra của một bài tập về thấu kính hội tụ hay thấu kính phân kỳ ở mỗi học sinh lớp 9 là mục tiêu cần đạt đợc s

A Đặt vấn đề.

Để có một lời giải đúng, một hình vẽ chính xác thoả mãn yêu cầu đặt ra của một bài tập về thấu kính hội tụ hay thấu kính phân kỳ ở mỗi học sinh lớp 9 là mục tiêu cần đạt đợc sau khi dạy và học xong phần “Thấu kính” của chơng trình vật lý bậc trung học cơ sở

Quả vậy chỉ với đờng truyền của 3 tia đặc biệt cùng với tính chất tạo ảnh của hai loại thấu kính và phần lý thuyết buộc các em phải công nhận đó là:

“Việc xác định ảnh A’B’ của vật sáng AB đặt vuông góc với ∆bằng cách chỉ cần tìm

ảnh B’ của B rồi hạ B’A’ vuông góc với ∆tại A’chứ không cần xác định ảnh của

điểm A

Còn vị trí của thấu kính ở đâu trên trục chính? Cách tìm hai tiêu điểm F và F’? lại còn những bài toán yêu cầu tìm độ cao của ảnh? tìm vị trí của ảnh? tìm khoảng cách từ vật đến ảnh? mà học sinh chỉ dựa vào kiến thức của bộ môn hình học …

Nghĩa là “Bài tập yêu cầu các em giải định lợng mà “Sách” thì khẳng định rõ trong mục tiêu” Các kiến thức trong ch… ơng III chỉ đợc trình bày ở mức độ định tính Không trình bày công thức về thấu kính.…

Với hy vọng từ chuyên đề này phần nào khắc phục đợc những khó khăn mà các em gặp phải và đạt đợc mục tiêu đặt ra khi học phần “Thấu kính”

B Giải quyết vấn đề.

I, Ph ơng pháp nghiên cứu:

1, Với thày:

B

ớc 1: Dành thời gian củng cố cho học sinh về hiện tợng khúc xạ ánh sáng;

cách vẽ ba tia đặc biệt, cách xác định ảnh của một vật tạo bởi thấu kính

Qua đó rèn cho học sinh kỹ năng vẽ hình thật chính xác (vẽ góc vuông vẽ hai đờng song song, cách lấy điểm đối xứng ).…

B

ớc 2: Phân dạng bài tập có cùng một yêu cầu với cùng một phơng pháp giải

để học sinh hình thành kỹ năng

B

ớc 3: Qua việc giải bài tập về thấu kính bằng phơng pháp hình học xây dựng

cho các em một số công thức về thấu kính để nâng cao kiến thức và mở ra cho học sinh một khả năng tiếp cận với dạng bài định lợng

2, Đối với trò:

Yêu cầu tối thiểu ở học sinh khi học “ Thấu kính” phải đầy đủ dụng cụ học tập (thớc kẻ, com pa)

Ôn lại kiến thức toán học (Hình học) có liên quan chặt chẽ đó là: Tam giác

đồng dạng, bài toán dựng hình, kỹ năng phân tích, chứng minh bài tập hình học… nghĩa là học sinh cần có những kiến thức toán học khá vững vàng

II, Những công việc cụ thể.

Với chuyên đề “HDHS lớp 9 giải bài tập về thấu kính” Tôi phân thành những chuyên đề nhỏ để phù hợp với hai đối tợng học sinh “Đại trà” và “Khá giỏi”

Chuyên đề 1: Dựng ảnh của vật tạo bởi thấu kính.

Để dựng đợc ảnh của vật tạo bởi thấu kính tôi yêu cầu học sinh phải nắm chắc

về đờng truyền của ba tia đặc biệt và cách tìm ảnh của vật tạo bởi thấu kính

+ Tia song song với trục chính thì có tia ló đi qua tiêu điểm

+ Tia đi qua quang tâm thì truyền thẳng

+ Tia tới đi qua tiêu điểm của thấu kính thì tia ló song song với trục chính + ảnh thật là giao điểm của 2 trong 3 tia ló

+ ảnh ảo là giao của 2 trong 3 tia ló về phía kéo dài

+ Vật là một đoạn thẳng ⊥trục chính chỉ cần tìm ảnh của điểm đầu B là B’ rồi hạ B’A’ ⊥ ∆ta có ảnh A’B’ của AB

Ví dụ 1: (Bài 43.1 SBT VL9).

Đặt một điểm sáng S trớc TKHT và nằm trong tiêu cự Hãy dùng ảnh S’ của S qua thấu kính đã cho

S’ là ảnh thật hay ảnh ảo?

H

ớng dẫn:

Yêu cầu các em vẽ 2 trong 3 tia tới

đặc biệt và 2 tia ló của chúng

Vì vật trong tiêu cự (d < f )

Nếu S’ là ảnh ảo (chùm tia ló phân kì) nên ảnh là giao của 2 đờng kéo dài các tia ló

Vẽ SI song song với ∆, nối IF’ và kéo dài về phía I

Vẽ SO ⇒tia ló truyền thẳng, kéo dài SO về phía S

Điểm sáng S nằm ngoài tiêu cự bằng

cách vẽ đơn giản của hai tia đặc biệt

S’ là giao của hai tia đó

Bài giải:

Từ S dựng tia tới SI song song với ∆ nối IF’ và kéo dài

Dựng tia tới SO và kéo dài IF’ cắt SO tại S’

Ta có S’ là ảnh của S

Ví dụ 3: Dựng ảnh của vật AB trong các trờng hợp sau:

(với d là khoảng cách từ vật tới thấu kính, f là tiêu cự)

a, f < d < 2f b, d < f với mỗi loại thấu kính?

1, Với thấu kính hội tụ:

Từ điểm sáng B vẽ 2 tia tới đặc biệt, rồi tìm giao của 2 tia ló tạo bởi thấu kính ta tìm

Cho ảnh S’ của điểm sáng S

1, Thấu kính đã cho là TKHT hay TKPK?

2, Hãy xác định điểm sáng S

H ớng dẫn:

(dựa vào tính chất tạo ảnh của thấu kính)

1, S’ là giao của 2 tia ló vì thế S’ là ảnh thật mà chỉ có thấu kính hội tụ (TKHT) mới cho ảnh thật Vậy thấu kính đã cho là TKHT

2, Tia ló IS’ đi qua F’ ⇒tia tới SI song song với ∆

Tia ló KS’ song song với ∆ ⇒tia tới SK đi qua F

Vậy: SI ∩ SK tại S là điểm sáng phải tìm

Ví dụ 5: Cho hình vẽ: Trục chính ∆, quang tâm O, hai tiêu điểm F và F’ của một thấu kính.

Hai tia ló (1) và (2) của 2 tia tới xuất phát

Với bài tập này nên hớng học sinh chỉ việc kéo dài 2 tia ló Chúng cắt nhau tại S’

đồng thời tia ló (1) khi kéo dài đi qua F nên tia tới song song với ∆; tia ló (2) đi qua quang tâm nên tia tới là tia kéo dài Do đó dễ dàng tìm đợc S

Từ vị trí của S và S’ với thấu kính ⇒sẽ nhận ra thấu kính thuộc loại nào

Bài giải:

1, + Kéo dài tia ló (1) nó đi qua F

+ Kéo dài tia ló (2) về phía O

Vì là tia đi qua quang tâm nên (2)

chính là tia tới

Tia ló (1) kéo dài cắt tia ló (2) kéo

dài tại S’ (ảnh)

+ Từ I kẻ tia song song với ∆ tia này cắt tia ló (2) kéo dài tại S (vật)

1, + Vì ảnh S’ cùng phía với S so với trục chính nên ảnh S’ là ảnh ảo của S Vì S’ gần thấu kính hơn vật S nên thấu kính đã cho là TKPK

Ví dụ 6: Vật sáng AB có độ cao h đợc đặt vuông góc trớc TKHT có tiêu cự f

Điểm A trên trục chính cách thấu kính một khoảng d = 2f

1, Dựng ảnh A’B’ tạo bởi thấu kính

1, Từ B vẽ 2 tia tới đặc biệt.

Tia BI song song ∆ ⇒tia ló?

Tia BH đi qua F ⇒tia ló?

ảnh B’ của B là giao của 2 tia ló nào?

Tìm A’ là ảnh của A bằng cách nào?

2, áp dụng các cặp tam giác vuông bằng nhau →h’ = h và d’ = d = 2f

Bài giải:

1, Từ B kẻ tia tới BI song song ∆ ⇒tia ló đi qua F’

Từ B kẻ tia tới BH đi qua F ⇒tia ló song song với ∆

ảnh B’ là giao của 2 tia ló Từ B’ hạ B’A’ ⊥ ∆

→ A’B’ là ảnh của AB tạo bởi TKHT

2, Theo giả thiết: d = AO = 2f →AF = OF

3 điểm B, F, H thẳng hàng → ã BFA OFH = ã

⇒ vuông BAF = vuông HOF (g.c.g) ⇒BA = OH = h

Mặt khác HB’ song song với ∆ →OH = A’B’ ⇒ A’B’ = h (1)

Ta có BI song song với ∆ → OI = AB = h

Xét vuông IOF’ và vuông B’AF’ chúng có ả ả

1 2

F = F (đối đỉnh vì I, F’, B’ thẳng hàng) IO = A’B’ = h

⇒OF’ = F’A’ hay OA’ = 2f

Vậy: h’ = h; d’ = d = 2f

Ví dụ 7: Vật sáng AB có độ cao h đợc đặt vuông góc với trục chính của một

TKPK có tiêu cự f

Điểm A nằm trên trục chính và có vị trí

tại tiêu điểm F

1, Dựng ảnh A’B’ của AB tạo bởi TK

2, Bằng kiến thức hình học hãy tính độ cao h’ theo h và khoảng cách d’ từ ảnh đến thấu kính theo f.

(HS tự giải bài tập này)

H

ớng dẫn:

* Tơng tự nh những bài tập trớc về TKPK

B’ là giao của 2 tia ló sau khi kéo dài

(1 tia ló đi qua tiêu điểm và 1 tia đi qua quang tâm)

Chuyên đề 2: Xác định quang tâm, tìm tiêu điểm của một thấu kính.

Sau khi học sinh đã vững về đờng truyền của 3 tia đặc biệt kỹ năng vẽ ảnh của vật bằng 2 trong 3 tia ló khá thành thạo Tôi nâng kiến thức quang học cho các em qua chuyên đề 2 Xác định quang tâm hay nói cách khác là tìm vị trí của thấu kính khi biết vật và ảnh của nó để từ đó tìm F và F’ đối xứng nhau qua quang tâm O Và từ vị trí ảnh, vật, thấu kính cùng tính chất để nhận ra đó là thấu kính gì (TKHT hay TKPK)

Ví dụ 8:

Cho 3 hình vẽ (H8a, b, c) xx’ là trục chính của thấu

kính S’ là ảnh của điểm sáng S tạo bởi thấu kính

Hãy dùng cách vẽ để xác định vị trí của TK

và các tiêu điểm chính Cho biết thấu kính

thuộc loại gì? ảnh S’ là ảnh thật hay ảnh ảo?

H

ớng dẫn:

Theo các bớc nh sau: + Bớc 1: Tia tới qua quang tâm (không bị gãy khúc) truyền thẳng mà ảnh của vật nằm trên tia ló

Do đó vị trí quang tâm (O) chính là giao điểm của SS’với trục chính xx’.

+ Bớc 2:Từ (O) dựng đờng vuông góc với trục chính xx’ đó là vị trí của thấu kính.+ Bớc 3: Dựa vào vị trí ảnh S’ và vật S với thấu kính, hoặc với trục chính để nhận định S’ là ảnh thật hay ảnh ảo của S

+ Bớc 4: Dựa vào 1 trong 2 tia đặc biệt còn lại để tìm F hoặc F’

+ Lấy F đối xứng với F’ qua O trên xx’

+ Vì ảnh S’ và vật S nằm ở hai phía của trục chính xx’ do đó S’ là ảnh thật của điểm sáng S

+ Thấu kính tìm đợc chính là thấu kính hội tụ

8b, + Nối SS’ cắt xx’ ≡O

Dựng thấu kính ⊥xx’ tại O

+ Vẽ tia tới SI song song xx’

+ Nối IS’ kéo dài cắt xx’ tại F

+ Lấy F’ đối xứng với F qua O trên xx’

+ Vì S’ và S cùng phía với trục chính xx’ nên S’ là ảnh ảo mặt khác S’ xa thấu kính hơn vật S nên thấu kính tìm đợc là thấu kính hội tụ

8c, + Nối SS’ cắt xx’ tại O là quang tâm

Dựng thấu kính ⊥xx’ tại O

+ Vẽ tia sáng SI song song xx’

Nối IS’ cắt xx’ tại F

+ Lấy F’ đối xứng với F qua O trên xx’

+ Ta thấy S và S’ cùng phía với xx’ nên S’ là ảnh ảo của S Và S’ gần thấu kính hơn

S nên thấu kính đã cho phải là thấu kính phân kì

Ví dụ 9:

Cho hình vẽ (H9a, b)

Cho biết AB là vật sáng, A’B’ là ảnh

Của AB qua các thấu kính L1 và L2; ∆1và ∆2 là trục chính của các thấu kính Hãy xác định vị trí của các thấu kính và các tiêu điểm tơng ứng? Xác định loại thấu kính ?

+ Từ A kẻ tia tới AI song song với ∆1

+ Nối A’I và kéo dài cắt ∆1tại F’

+ Lấy F đối xứng với F’ qua O trên ∆1

Vì A’B’ cùng chiều và lớn hơn AB nên thấu kính tìm đợc là thấu kính hội tụ

+ Vẽ tia tới AI song song ∆2

Nối IA’ và kéo dài cắt ∆2tại F’ Lấy F đối xứng với F’ qua O trên ∆2

Để nâng cao hơn nữa với chuyên đề nhắm giúp các em thêm công cụ giải bài tập định lợng và cũng là tìm vị trí của thấu kính khi biết khoảng cách giữa ảnh và vật cùng giá trị tiêu cự f Tôi đã chọn những bài tập mà ở đó học sinh dùng kiến thức hình học sẵn có để chứng minh công thức của thấu kính rồi áp dụng nó để giải bài tập.

Chuyên đề 3: xây dựng công thức thấu kính và áp dụng công thức để giải bài tập về thấu kính.

+ Để giải đợc bài tập này yêu cầu học sinh phải vẽ hình với thấu kính hội tụ và chọn

f < d < 2f ⇒ S’ là ảnh thật của S (dùng 2 tia tới là tia qua quang tâm và tia song song với trục chính)

+ Dùng kiến thức về tam giác đồng dạng để chứng minh các công thức (1) và (2)

Bài giải:

Vẽ ảnh S’ của S bằng cách vẽ tia

tới SI song song với ∆có tia ló đi qua F

Vẽ tia tới SO và kéo dài cắt tia ló IF tai S’

Hay h ' d '

h = d (®iÒu ph¶i chøng minh)

b, Ta cã vu«ng FOI vu«ng FH’S’ H S ' ' FH '

d f d

f = + d d ⇒ = d f

−

Ta cã ph¬ng tr×nh: d2 – Ld + Lf = 0

Thay sè: L = 90 cm; f = 20 cm ta cã ph¬ng tr×nh:

= = − + NÕu k > 0 ¶nh cïng chiÒu víi vËt; ¶nh ¶o + NÕu k < 0 ¶nh ngîc chiÒu víi vËt; ¶nh thËt.

VÝ dô 13:

Một ngời ngắm một chữ cái dán trên tờng cách mắt một khoảng 0,5 m qua một thấu kính hội tụ, thì nhìn thấy chữ to ra gấp đôi và có chiều nh khi nhìn trực tiếp.

1, Hỏi đó là loại ảnh gì? vẽ đờng đi của tia sáng để tạo ảnh?

2, Hãy xác định tiêu điểm của thấu kính và tiêu cự của nó?

Phân tích:

Giúp học sinh khai thác các dữ kiện:

“To gấp đôi”

→A’B’ = 2 AB

“ Chiều ảnh và vật nh khi nhìn trực tiếp vật” ⇒ảnh cùng chiều với vật

Thấu kính hội tụ cho ảnh cùng chiều ⇒ảnh là ảnh gì?

Từ đó vật AB nằm ở vị trí nào? (trong tiêu cự, d < f)

+ Vẽ vật sáng AB sao cho AB⊥ ∆tại B cách O một khoảng OB = 0,5 m

+ Trên ∆về phía B xác định B’sao cho )B’ = 2OB, dựng B’x song song với thấu kính (B’x⊥ ∆)

+ Nối O với A và kéo dài cắt B’x tại A’

+ Từ A kẻ Ay song song với ∆, Ay cắt thấu kính tại I

+ Nối A’I và kéo dài cắt ∆tại F

Vậy F là tiêu điểm của thấu kính; lấy F’ đối xứng với F qua O trên ∆

Hay OB’ = OF =f mà OB’ = 2OB = 1 (m)

Vậy TKHT đã cho có tiêu cự f = 1 m

(để tìm f = OF học sinh còn có thể sử dụng tính chất của đờng trung bình trong tam giác)

20 10 ' 20

1 20

d f

d f

d k

d f d

Song bài tập này về thấu kính còn rất nhiều, rất phong phú và đa dạng với nội dung phức tạp yêu cầu học sinh cần có kiến thức tổng hợp với gơng phẳng, gơng cầu hay

hệ thấu kính hay bài tập về việc di chuyển vật và thấu kính với cùng vận tốc… …

Kết quả đạt đ ợc

Với chuyên đề “Hớng dẫn học sinh lớp 9 giải bài tập về thấu kính” tôi đã sử dụng để giảng dạy cho học sinh giỏi 2 cấp trờng và huyện ở những năm học trớc (khối 9) và hiện đang dùng để nâng cao cho học sinh khối 9 năm 2006 Sau khi dạy chơng III (Chơng quang học)

+ Học sinh đại trà đã đợc rèn kuyện kỹ càng cách dựng ảnh của vật tạo bởi 2 loại thấu kính Khả năng nhận biết đặc điểm của ảnh hay tính chất tạo ảnh của vật từ khoảng cách d và tiêu cự f Qua đó kỹ năng vẽ hình của học sinh đợc nâng lên một cách rõ nét

+ Học sinh khá, giỏi thành thạo hơn nhiều về việc phân tích, chứng minh công thức

và ham muốn đợc giải bài tập định lợng về thấu kính

+ Đặc biệt hơn qua chuyên đề này học sinh đợc củng cố rất nhiều kiến thức về toán học (hình học cũng nh đại số) từ đó thấy vai trò của môn Toán vô cùng quan trọng

đối với môn Vật lý

* Kết quả khảo sát các đối tợng học sinh trớc và sau khi triển khai kinh nghiệm

(Tuỳ thuộc vào chất lợng của mỗi loại đối tợng)

Vị trí quang tậm (O) hay vị trí thấu kính cần tìm trên trục chính là giao của ờng nối vật sáng và ảnh của nó với trục chính (SS’ cắt ∆ ≡O).

+ Chùm hội tụ ⇒cho ảnh thật

Riêng chùm tia ló tạo bởi thấu kính phân kỳ luôn luôn là chùm phân kỳ

Chuyên đề “ Hớng dẫn học sinh lớp 9 giải bài tập về thấu kính” với 3 chuyên

đề nhỏ Song đối tợng áp dụng đợc cụ thể nh sau:

1, Học sinh đại trà: Đợc học và áp dụng với chuyên đề 1 và phần đầu của chuyên đề2

2, Học sinh khá, giỏi ở trờng đợc học và áp dụng với 2 chuyên đề (CĐ1 và CĐ2)

3, Với học sinh là đội tuyển môn Vật Lý đợc học và áp dụng ở cả 3 chuyên đề

Đặc biệt với học sinh khá , giỏi sau mỗi chuyên đề nhỏ và sau khi học cả 3 chuyên đề yêu cầu các em tự rút ra 4 bài học kinh nghiệm nhằm khắc sâu kiến thức

để đi đến các phơng pháp cơ bản “Giải bài toán quang hình” từ đó học sinh tạo cơ sở tiểp cận kiến thức quang hình ở bậc THPT

V, Những vấn đề bỏ ngỏ.

Đi sâu nghiên cứu về thấu kính tôi càng thấy kiến thức là vô tận Sau kiến thức

về sự tạo ảnh của 2 loại thấu kính là phần ứng dụng của nó trong đời sống sinh hoạt hàng ngày cũng nh trong lao động sản xuất và khoa học kĩ thuật Khuôn khổ của

chuyên đề cha thể đề cập tới Vì vậy tôi đa ra bài toán với 2 thấu kính sau đây để có thể là phần tiếp theo của chuyên đề này!

Ví dụ 15:

Tại hai đầu của một ống nhựa T dài L = 24 cm có lắp 2 thấu kính mỏng O1 và O2

không rõ loại chúng đợc bố trí sao cho trục chính trùng với trục của ống (H15) Khi rọi chùm sáng 1-1 song song với trục

của ống thì ở đầu kia ló ra chùm 2-2 song

song với trục của ống Độ rộng của chùm 1-1

là D1 = 2cm; của chùm D2 = 3cm Hãy xác định xem mỗi thấu kính thuộc loại gì? và tính tiêu cự của mỗi thấu kính?

Phân tích (HD)

Xuất phát từ yêu cầu của bài toán: xác định loại thấu kính? Mà chùm sáng 2-2 là chùm song song do đó ta có thể khẳng định O2 là thấu kính hội tụ Vì thế chỉ còn việc xác định O1 là loại thấu kính gì? vì vậy ta phải đa ra cả hai giả thiết là:

1- O1 và O2 đều là TKHT

2- O1 là TKPK và O2 là TKHT

Thật vậy: áp dụng tính chất về đờng truyền của 2 tia sáng trong 3 tia đặc biệt ta đa

ra 2 khả năng trên để giải bài toán

Bài giải

1, Tr ờng hợp 1:

(H15.1) O1 và O2 đều là TKHT

Vì (1-1) là chùm song song với ∆tới O1

⇒chùm tia ló hội tụ tại F1

Trở thành chùm tia tới của TK O2

Để khi ra khỏi O2 chùm tia ló lại song song với

trục chính ∆nên chùm tia tới phải đi qua tiêu

điểm F2 của TK O2

Vậy là F1 = F2