Một cách giải bài tập Quang hình môn Vật lý 11

Hieän nay toâi coøn moät soá vaán ñeà quan taâm (trong cuøng khuoân khoå vôùi ñeà taøi naøy) : baøi toaùn hai baûn maët song song khoâng cuøng chieát suaát gheùp saùt; baøi toaùn hai th[r]

Phần I

HOÀN CẢNH NẢY SINH ÁP DỤNG SKKN

Nguyễn Như Mậu – Tổ Vật lý Tổ Vật lý - Kỹ thuật, Trường THPT Tơn Đức Thắng, tỉnh Ninh Thuận Email: info@123doc.org 1 Lý chọn đề tài

Kinh nghiệm học tập giảng dạy mang lại cho quan niệm cách giải toán quang hệ Tôi quan niệm quang hệ cho tương đương với quang hệ mà ta giải hoàn toàn ứng dụng kiến thức mặt song song thấu kính…

Khi xây dựng cơng thức cho mặt song song, thấu kính, lăng kính… người ta thường xét trường hợp môi trường chứa đồng

Trên thực tế, tập quang hệ nảy sinh nhiều tình huống, địi hỏi người giải phải có phương pháp thích hợp Đề tài đề cập đến toán quang hệ có mơi trường trước sau khơng đồng Một cách thông thường, ta dùng kiến thức sở định luật khúc xạ – phản xạ; công thức lưỡng chất phẳng – mặt cầu khúc xạ… áp dụng cho lần tạo ảnh Cách không áp dụng cơng thức thấu kính, mặt song song Lý do: có thấu kính, có mặt song song môi trường chứa chúng không đồng  công thức chúng không áp dụng

Từ nảy sinh quan niệm để giải toán dễ dàng (theo ý riêng): quan niệm quang hệ tương đương mà cơng thức lăng kính, thấu kính, mặt song song áp dụng

Trao đổi kinh nghiệm để học tập, để góp ý chop cách làm điều mà tơi mong muốn Tơi tin kinh nghiệm khái quát hóa giải thích đầy đủ trở thành tri thức, giúp có đủ tin tưởng vào lĩnh vực sâu khoa học vật lý phương pháp giảng dạy vật lý

Từ ý tưởng ban đầu đó, tơi phát triển thành đề tài sáng kiến kinh nghiệm

2 Mục đích báo caùo

Một là, trao đổi kinh nghiệm giải tập quang học

Hai là, giới thiệu cách làm việc giải toán quang hệ đặt mơi trường khơng đồng

3 Phương pháp báo cáo

 Trình bày tóm tắt nội dung “phương pháp” thay quang hệ tương đương  Giải toán minh họa

QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN CÁC GIẢI PHÁP 1 Nội dung “phương pháp” thay quang hệ tương đương

Phải gọi thủ thuật Bởi phương pháp – theo định nghĩa triết học – hình thức, cách thức vận động nội dung Các bài toán giải theo cách: chèn thêm lớp mỏng mơi trường thích hợp cho quang hệ có thấu kính mặt song song đặt trong môi trường đồng Đó cách thức Cịn nội dung vận động theo quy luật báo cáo chưa làm sáng tỏ được, dừng lại ở những toán minh họa mà Sau gọi “phương pháp” thủ thuật theo nghĩa nó.

* Nội dung thủ thuật bao gồm ý sau:

 Nếu quang hệ cho có thấu kính hay mặt song song đặt mơi trường khơng đồng nhất: mặt trước có chiết suất n, mặt sau có chiết suất n’ Thì ta tự thêm vào lớp mỏng môi trường n mặt sau (hoặc lớp mỏng môi trường n’

ở mặt trước) Bây ta có thấu kính hay mặt song song nằm mơi trường đồng có chiết suất n (hoặc n’)

 Giải toán với quang hệ tương đương, áp dụng cơng thức thấu kính mặt song song biết

 Nhớ lớp mỏng mơi trường ta chèn thêm vào có bề dày nhỏ, nên tính tốn ta phải coi bề dày khơng

 Mô hình:

2 Các tốn minh họa

Phương pháp quang hình học phương pháp gần dựa khái niệm tia sáng riêng rẽ, độc lập với nhau, tuân theo định luật cơ bản phản xạ khúc xa ánh sángï Vì công thức đưa với các dụng cụ quang học hệ định luật phản xạ khúc xạ mà thôi.

Trước giải tốn, tơi xin lưu ý cơng thức mặt song song, lưỡng chất phẳng, thấu kính mặt cầu khúc xạ quy ước dấu Tơi khơng chứng minh lại q rõ Đề tài phát huy theo hướng vận dụng

Độ dịch chuyển ảnh so với vật qua mặt song song (BMSS)



2

n = e.(1 - )

n (m)

e: bề dày mặt song song

n1: chiết suất môi trường chứa mặt song song n2: chiết suất tuyệt đối mặt song song

Vị trí ảnh qua lưỡng chất phẳng (LCP)

2

n d' = d

n (m)

d: khoảng cách từ vật đến LCP n1: chiết suất mơi trường chứa vật

D ụn g cụ qu an g họ c nn’

S S 1

S 2 e

LCP (n2 – n3) LCP (n1 – n2)

n2: chiết suất môi trường quan sát

Công thức thấu kính

'

1

1 1 1

D = = (n - 1)( + ) = +

f R R d d (dp)

n: chiết suất tỷ đối chất làm thấu kính với mơi trường chứa

Công thức mặt cầu khúc xạ (lưỡng chất cầu) (MCKX)

1 2

n + = n n - n

d d' R

n1: chiết suất môi trường chứa tia tới n2: chiết suất mơi trường chứa tia khúc xạ R: bán kính mặt cầu

Một số quy ước dấu

 Độ dài đoạn thẳng dương có chiều trùng với chiều truyền ánh sáng, ngược lại âm

 Bán kính khúc mặt cầu coi dương tâm khúc phía bên so với tia tới, ngược lại âm

 Độ dày thấu kính khoảng cách hai mặt khúc xạ ln dương

 Góc tia sáng quang trục hay pháp tuyến mặt khúc xạ xem dương ta quay trục hay pháp tuyến đến gặp tia sáng theo chiều kim đồng hồ, ngược lại âm

 Một cách hình thức tốn học, coi phản xạ ánh sáng khúc xạ ta thay đổi dấu chiết suất n thành –n

BÀI TỐN 1

Một mặt song song có bề dày e, chiết suất n2 Mặt tiếp giáp với khơng khí Vật sáng S mặt chìm chất lỏng chiết suất n1 S cách mặt đoạn d = SH Tìm khoảng cách từ S đến ảnh cuối qua quang hệ?

 Giải theo cách thông thường

(Không giải chi tiết; cách áp dụng công thức mặt song song ta có nó)

- Tạo ảnh hai lần qua LCP Sơ đồ tạo ảnh sau:

SHKed

(n 1) (n 2) (n 3 =

d1 d1’ d2 d2’ d3 d3’

(thủy tinh - không khí) (không khí - thủy tinh)

MCKX (-R1)

S S

1 S2

Gương cầu (R2) MCKX (R1)

S 3

- Kết cuối cùng:

1

1

SS = d(1 - ) + e(1 - )

n n (m)

 Giải theo quan niệm mới (của đề tài này)

Ta giả sử mặt mặt song song có lớp chất lỏng mỏng chiết suất n1 giống mặt Khi ta có mặt song song đặt môi trường đồng chiết suất n1 Vậy tạo ảnh hai lần: qua mặt song song (tự tạo) qua LCP (n1 – n3) (mới):

- p dụng cơng thức BMSS ta có:

 1

2

n = SS = e.(1 - )

n

- Aùp dụng công thức LCP cho lần tạo ảnh thứ hai với lưu ý rằng, vì lớp chất lỏng phía mỏng nên khoảng cách d’ từ ảnh S2 tới LCP (n1 – n3) khoảng cách

từ ảnh S2 tới BMSS:

           

2 1

1 1 2

n 1 n d e

d' = S K = d = S K = (SK - SS ) = d + e - e - = +

n n n n n n n

- Kết

2

1 2

d e 1

SS = SK - S K = (d + e) - ( + ) = d(1 - ) + e(1 - )

n n n n (m)

hoàn toàn phù hợp với kết cách giải thứ

BÀI TỐN 2

Thấu kính mỏng làm thủy tinh chiết suất n, hai mặt lồi có bán kính cong R1, R2 Mặt có bán kính R2 mạ bạc Đặt thấu kính khơng khí Một điểm sáng S nằm trục chính, cách thấu kính đoạn d1 Xác định vị trí ảnh cuối qua quang hệ?

Giải theo cách thông thường (Không giải chi tiết)

Tạo ảnh lần theo sơ đồ sau:

S S

1 S2

 0

LCP (n1 – n3) BMSS (n2)

Aùp dụng số cho toán 1: Dữ kiện: d = SH = 10 cm

n1 = 4/3 (nước) n2 = 1,5 (thủy tinh) e = (cm)

Tìm được: SS1 = (cm) S2K = 13,5 (cm) SS2 = 5,5 (cm) Vẽ hình:

(1) – không khí (4/3)

chèn thêm

(1,5) – thủy tinh

(4/3) - nước

S2

S1

Khi giải ta ý coi O1  O2 thấu kính mỏng Dùng cơng thức MCKX cho lần tạo ảnh thứ thứ ba Lưu ý lần thứ ba ánh sáng đổi chiều truyền, R1 < Dùng công thức gương cầu cho lần tạo ảnh thứ hai Cách khơng dùng cơng thức thấu kính ta có thấu kính mỏng

Kết cuối cùng:

1

2 1 1

R R d d ' =

2(n - 1)R d + 2nR d - R R (m)

Giải theo quan niệm mới

Ta giả sử chèn vào lớp khơng khí mỏng lớp bạc mặt cầu O2 Khi ta có thấu kính đặt mơi trường đồng khơng khí Sơ đồ tạo ảnh:

- Aùp dụng công thức thấu kính cho lần tạo ảnh thứ ta thu được:

1

1 1

R R d d ' =

(n - 1)(R + R )d - R R

- Aùp dụng công thức gương cầu cho lần tạo ảnh thứ hai với lưu ý: vì khoảng cách giữa thấu kính gương cầu coi nên d1’ + d2 = 0; fG = R2/2 Ta thu được:

1 2

1 1

R R d d ' =

(n + 1)R d + (n - 1)R d - R R

- p dụng cơng thức thấu kính cho lần tạo ảnh thứ ba, d2’ + d3 = 0, ta thu kết cuối cùng:

1

2 1 1

R R d d ' =

2(n - 1)R d + 2nR d - R R (m)

Bằng thủ thuật ta thu kết cách làm thơng thường BÀI TỐN 3 (dành cho người đọc)

Mặt mặt song song mạ bạc Điểm sáng A phía Mắt đặt A nhìn theo phương AH thấy hai ảnh A Tìm khoảng cách từ A tới ảnh rõ nét nhất? Cho mặt song song làm thủy tinh chiết suất n, bề dày e, hệ thống đặt khơng khí, đặt AH = d

O2 O1

(n) S

(1)

 0  0

d1 d1’ d2 d2’ d3 d3’

Thấu kính

S S

1

S 2 Gương cầu (R2)

Thấu kính

S 3

A

H

 Đáp án

3 e

AA = 2(d + ) n (m)

Phaàn III

ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA SKKN

Giá trị báo cáo, theo tơi, thể chỗ tìm cách thức việc giải vấn đề quang hệ đặt môi trường không đồng Qua đó, người đọc lấy nhiều tập tương tự giảng dạy học tập

Thực chất tốn tơi đề cập đến loại toán quang hệ đồng trục ghép sát Chủ đề nhiều người nghiên cứu mặt phương pháp Báo cáo theo hướng làm đơn giản hóa việc giải tốn cách thức tơi trình bày, cơng thức gần gũi phổ biến hơn, tránh công thức hay nhầm lẫn dấu (nhất công thức mặt cầu khúc xạ)

Phần IV

KẾT LUẬN VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ GỢI MỞ

e (n)

Đi tìm cách thức khơng phải đơn giản Ban đầu suy nghĩ nảy sinh mâu thuẫn: có thấu kính mà khơng áp dụng cơng thức thấu kính? có mặt song song mà không áp dụng công thức mặt song song? Tôi giải mâu thuẫn bạn đọc thấy: đưa thêm vào quang hệ cho lớp mỏng mơi trường thích hợp Nhưng để có thủ thuật tơi phải thất bại nhiều cách khác Cuối biện pháp đắn (theo tôi, thời điểm hiện tại) tìm Đây kinh nghiệm đáng nhớ hoạt động học tập, giảng dạy Tôi cịn tiếp tục vốn kiến thức cơng tác thường nhật

Hiện tơi cịn số vấn đề quan tâm (trong khuôn khổ với đề tài này): tốn hai mặt song song khơng chiết suất ghép sát; tốn hai thấu kính khơng chiết suất ghép sát; tốn coi phản xạ khúc xạ mơi trường chứa tia phản xạ có chiết suất –n (so với môi trường chứa tia tới n); quy ước dấu thống cho tốn lưỡng chất cầu…Tơi hiểu rằng, nhiệm vụ giáo viên vật lý tương lai phải sáng tạo người sáng tạo Vậy nên vấn đề “đơn giản”

Ninh Thuaän, tháng năm 2008

Người viết

Nguyễn Như Mậu