Hiện nay tôi còn một số vấn đề quan tâm trong cùng khuôn khổ với đề tài này: bài toán hai bản mặt song song không cùng chiết suất ghép sát; bài toán hai thấu kính không cùng chiết suất g[r]
(1)Thay quang hệ tương đương… Phaàn I HOAØN CẢNH NẢY SINH ÁP DỤNG SKKN Nguyễn Như Mậu – Tổ Vật lý Tổ Vật lý - Kỹ thuật, Trường THPT Tôn Đức Thắng, tỉnh Ninh Thuận Email: maunguyennhu78@yahoo.com.vn Lý chọn đề tài Kinh nghiệm học tập và giảng dạy đã mang lại cho tôi quan niệm cách giải các bài toán quang hệ Tôi quan niệm quang hệ đã cho tương đương với quang hệ mà ta giải hoàn toàn ứng dụng các kiến thức mặt song song vaø thaáu kính… Khi xây dựng công thức cho mặt song song, thấu kính, lăng kính… người ta thường xét trường hợp môi trường chứa nó là đồng Trên thực tế, các bài tập quang hệ nảy sinh nhiều tình huống, đòi hỏi người giải phải có phương pháp thích hợp Đề tài này đề cập đến bài toán quang hệ có môi trường trước và sau không đồng Một cách thông thường, ta dùng các 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 này không áp dụng các công thức thaáu kính, baûn maët song song Lyù do: coù thaáu kính, coù baûn maët song song nhöng moâi trường chứa chúng không đồng công thức chúng không áp dụng Từ đây tôi nảy sinh quan niệm trên để giải bài toán dễ dàng (theo ý riêng): quan niệm quang hệ tương đương mà đó công thức lăng kính, thấu kính, mặt song song áp dụng Trao đổi kinh nghiệm để cùng học tập, để góp ý chop cách làm mình là điều mà tôi mong muốn Tôi tin kinh nghiệm đã khái quát hóa và giải thích đầy đủ thì nó trở thành tri thức, giúp chúng ta có đủ tin tưởng vào các lĩnh vực sâu khoa học vật lý và phương pháp giảng dạy vật lý Từ ý tưởng ban đầu đó, tôi đã phát triển thành đề tài sáng kiến kinh nghieäm Muïc ñích baùo caùo Một là, trao đổi kinh nghiệm giải bài tập quang học Hai là, giới thiệu cách làm việc giải bài toán quang hệ đặt môi trường không đồng Phöông phaùp baùo caùo Trình baøy toùm taét noäi dung cuûa “phöông phaùp” thay theá quang heä töông ñöông Giải các bài toán minh họa Trang Lop11.com (2) Thay quang hệ tương đương… Phaàn II QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN CÁC GIẢI PHÁP Nội dung “phương pháp” thay quang hệ tương đương Phải gọi đây là thủ thuật thì đúng Bởi vì phương pháp – theo định nghĩa triết học – là hình thức, cách thức vận động nội dung Các bài toán đây giải theo cách: chèn thêm lớp mỏng môi trường thích hợp cho quang hệ có thấu kính mặt song song đặt môi trường đồng Đó là cách thức Còn nội dung vận động theo quy luật nào thì báo cáo này chưa làm sáng tỏ được, dừng lại bài toán minh họa mà thôi Sau đây tôi gọi “phương pháp” đó là thủ thuật theo đúng nghĩa nó * Noäi dung cuûa thuû thuaät naøy bao goàm caùc yù cô baûn sau: Nếu quang hệ đã cho có thấu kính hay mặt song song đặt môi trường không 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’ mặt trước) Bây ta đã có thấu kính hay mặt song song nằm môi trường đồng có chiết suất n (hoặc n’) Giải bài toán với quang hệ tương đương, đó áp dụng các công thức thấu kính và mặt song song đã biết Nhớ lớp mỏng môi trường ta chèn thêm vào có bề dày nhỏ, nên tính toán ta phải coi bề dày đó là không Moâ hình: n’ n Quang hệ tương đương Duïng cuï quang hoïc Các bài toán minh họa Phương pháp quang hình học là phương pháp gần đúng dựa trên khái niệm các tia sáng riêng rẽ, độc lập với nhau, tuân theo các định luật là phản xạ và khúc xa ánh sángï Vì các công thức đưa với các duïng cuï quang hoïc chæ laø heä quaû cuûa caùc ñònh luaät phaûn xaï vaø khuùc xaï maø thoâi Trước giải toán, tôi xin lưu ý các công thức mặt song song, lưỡng chất phẳng, thấu kính và mặt cầu khúc xạ cùng các quy ước dấu Tôi không chứng minh lại vì đã quá rõ Đề tài này phát huy theo hướng vận dụng là chính Độ dịch chuyển ảnh so với vật qua mặt song song (BMSS) n = e.(1 - ) (m) n2 e: beà daøy baûn maët song song n1: chiết suất môi trường chứa mặt song song Trang Lop11.com (3) Thay quang hệ tương đương… n2: chiết suất tuyệt đối mặt song song Vị trí ảnh qua lưỡng chất phẳng (LCP) n d' = d (m) n1 d: khoảng cách từ vật đến LCP n1: chiết suất môi trường chứa vật n2: chiết suất môi trường quan sát Công thức thấu kính 1 1 D = = (n - 1)( + ) = + ' (dp) f R1 R d d n: chiết suất tỷ đối chất làm thấu kính với môi trường chứa nó Công thức mặt cầu khúc xạ (lưỡng chất cầu) (MCKX) n1 n n - n1 + = d d' R n1: chiết suất môi trường chứa tia tới n2: chiết suất môi trường chứa tia khúc xạ R: baùn kính maët caàu Một số quy ước dấu Độ dài các đoạn thẳng là dương có chiều trùng với chiều truyền ánh sáng, ngược lại là âm Bán kính chính khúc mặt cầu coi là dương tâm chính khúc phía bên so với tia tới, ngược lại là âm Độ dày thấu kính và khoảng cách hai mặt khúc xạ luôn dương Góc tia sáng và quang trục chính hay pháp tuyến mặt khúc xạ xem là dương ta quay trục hay pháp tuyến đến gặp tia sáng theo chiều kim đồng hồ, ngược lại là âm Một cách hình thức toán học, có thể coi phản xạ ánh sáng khúc xạ ta thay đổi dấu chiết suất n thành –n BAØI TOÁN Moät baûn maët song song coù beà daøy laø e, chieát suaát n2 Maët treân cuûa nó tiếp giáp với không khí Vật sáng S và mặt chìm chất lỏng chiết suất n1 S cách mặt đoạn d = SH Tìm khoảng cách từ S đến ảnh cuối cùng qua quang hệ? Trang Lop11.com (4) Thay quang hệ tương đương… (n3 = 1) K (n2) e H (n1) d S Giải theo cách thông thường (Không giải chi tiết; cách này không thể áp dụng công thức mặt song song maëc duø ta ñang coù noù) - Tạo ảnh hai lần qua LCP Sơ đồ tạo ảnh sau: e S LCP (n1 – n2) S1 LCP (n2 – n3) S2 - Keát quaû cuoái cuøng: SS = d(1 - 1 ) + e(1 ) (m) n1 n2 Giải theo quan niệm (của đề tài này) Ta giả sử mặt trên mặt song song có lớp chất lỏng mỏng chiết suất n1 giống mặt Khi đó ta có mặt song song đặt môi trường đồng chiết suất n1 Vậy tạo ảnh hai lần: qua mặt song song (tự tạo) và qua LCP (n1 – n3) (mới): 0 S BMSS (n2) S1 LCP (n1 – n3) - Aùp dụng công thức BMSS ta có: = SS1 = e.(1 - S2 n1 ) n2 - Aùp dụng công thức LCP cho lần tạo ảnh thứ hai với lưu ý rằng, vì lớp chất lỏng phía trên mỏng nên khoảng cách d’ từ ảnh S2 tới LCP (n1 – n3) khoảng cách từ ảnh S2 tới BMSS: n n1 1 d e d' = S 2K = d = S1K = (SK - SS1 ) = + d + e - e 1 = n1 n1 n1 n1 n2 n1 n2 - Keát quaû SS = SK - S 2K = (d + e) - ( d e 1 + ) = d(1 ) + e(1 ) (m) hoàn n1 n2 n1 n2 toàn phù hợp với kết cách giải thứ Aùp dụng số cho bài toán 1: Dữ kiện: d = SH = 10 cm n1 = 4/3 (nước) n2 = 1,5 (thuûy tinh) e = (cm) (1) – khoâng khí Trang Lop11.com (5) Thay quang hệ tương đương… (4/3) cheøn theâm (1,5) – thuûy tinh S2 (4/3) - nước S1 S BAØI TOÁN Thaáu kính moûng laøm baèng thuûy bán kính cong là R1, R2 Ñaët thaáu kính khoâng khí chính, cách thấu kính đoạn qua quang heä? tinh chieát suaát n, hai maët loài coù Mặt có bán kính R2 mạ bạc Moät ñieåm saùng S naèm treân truïc d1 Xaùc ñònh vò trí aûnh cuoái cuøng Giải theo cách thông thường (Khoâng giaûi chi tieát) Tạo ảnh lần theo sơ đồ sau: MCKX (R1) S (khoâng khí - thuûy tinh) d1 Göông caàu (R2) S1 MCKX (-R1) S2 S3 (thuûy tinh - khoâng khí) d1’ d2 d2’ (1) d3 d3’ (n) O1 S O2 Khi giải ta chú ý coi O1 O2 vì thấu kính mỏng Dùng công thức MCKX cho lần tạo ảnh thứ và thứ ba Lưu ý lần thứ ba ánh sáng đổi chiều truyền, đó R1 < Dùng công thức gương cầu cho lần tạo ảnh thứ hai Cách này không dùng công thức thấu kính mặc dù ta có thấu kính mỏng Keát quaû cuoái cuøng: R1R 2d1 (m) d3' = 2(n - 1)R 2d1 + 2nR1d1 - R1R Giải theo quan niệm Ta giả sử chèn vào lớp không khí mỏng lớp bạc và mặt cầu O2 Khi đó ta có thấu kính đặt môi trường đồng là không khí Sơ đồ tạo ảnh: S 0 Thaáu kính d1 S1 d1’ Göông caàu (R2) d2 Trang Lop11.com d2’ 0 S2 Thaáu kính d3 S3 d3’ (6) Thay quang hệ tương đương… - Aùp dụng công thức thấu kính cho lần tạo ảnh thứ ta thu được: R1R 2d1 d1' = (n - 1)(R1 + R )d1 - R1R - Aùp dụng công thức gương cầu cho lần tạo ảnh thứ hai với lưu ý: vì khoảng cách thấu kính và gương cầu coi nên d1’ + d2 = 0; fG = R2/2 Ta thu được: R1R 2d1 d2' = (n + 1)R1d1 + (n - 1)R 2d1 - R1R - Aùp dụng công thức thấu kính cho lần tạo ảnh thứ ba, đó d2’ + d3 = 0, ta thu kết cuối cùng: R1R 2d1 (m) d3' = 2(n - 1)R 2d1 + 2nR1d1 - R1R Bằng thủ thuật này ta thu kết cách làm thông thường BAØI TOÁN (dành cho người đọc) Mặt mặt song song mạ bạc Điểm sáng A phía treân Maét ñaët treân A nhìn theo phöông AH thaáy hai aûnh cuûa A Tìm khoảng cách từ A tới ảnh rõ nét nhất? Cho mặt song song làm baèng thuûy tinh chieát suaát n, beà daøy e, heä thoáng ñaët khoâng khí, ñaët AH = d A d (1) H e (n) (1) Đáp án AA = 2(d + Trang Lop11.com e ) (m) n (7) Thay quang hệ tương đương… Phaàn III ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA SKKN Giá trị báo cáo, theo tôi, thể chỗ đã tìm cách thức việc giải vấn đề quang hệ đặt môi trường không đồng Qua đó, người đọc có thể lấy nhiều bài tập tương tự giảng dạy và học tập Thực chất các bài toán tôi đề cập đến là loại bài toán quang hệ đồng trục ghép sát Chủ đề này đã nhiều người nghiên cứu mặt phương pháp Báo cáo tôi theo hướng làm đơn giản hóa việc giải toán cách thức tôi đã trình bày, các công thức gần gũi và phổ biến hơn, tránh công thức hay nhầm lẫn dấu (nhất là công thức mặt cầu khúc xạ) Phaàn IV KẾT LUẬN VAØ NHỮNG VẤN ĐỀ GỢI MỞ Đi tìm cách thức không phải là đơn giản Ban đầu suy nghĩ tôi nảy sinh mâu thuẫn: có thấu kính mà không áp dụng công thức thấu kính? có mặt song song mà không áp dụng công thức mặt song song? Tôi đã giải mâu thuẫn này bạn đọc đã thấy: đưa thêm vào quang hệ đã cho lớp mỏng môi trường thích hợp Nhưng để có thủ thuật này tôi đã phải thất bại nhiều cách khác Cuối cùng thì biện pháp đúng đắn (theo tôi, thời điểm tại) đã tìm Đây là kinh nghiệm đáng nhớ các hoạt động học tập, giảng dạy tôi Tôi còn tiếp tục vốn kiến thức đó công tác thường nhật Hiện tôi còn số vấn đề quan tâm (trong cùng khuôn khổ với đề tài này): bài toán hai mặt song song không cùng chiết suất ghép sát; bài toán hai thấu kính không cùng chiết suất ghép sát; bài toán coi phản xạ khúc xạ đó môi trường chứa tia phản xạ có chiết suất là –n (so với môi trường chứa tia tới là n); quy ước dấu thống cho bài toán lưỡng chất cầu…Tôi hiểu rằng, nhiệm vụ giáo viên vật lý tương lai là phải sáng tạo người sáng tạo Vậy chúng ta nên vấn đề “đơn giản” Ninh Thuaän, thaùng naêm 2008 Người viết Trang Lop11.com Nguyễn Như Mậu (8) Thay quang hệ tương đương… Trang 10 Lop11.com (9)