VL11. Phương pháp giải bài tập định lượng phần thấu kính

PHƢƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP ĐỊNH LƢỢNG PHẦN THẤU KÍNH I/ MỞ ĐẦU Trong phần Quang học chƣơng trình vật lý lớp 11, học sinh đƣợc học chƣơng “Mắt dụng cụ quang” Chƣơng có học thấu kính sở để học sinh giải dụng cụ quang học Nếu học sinh không giải cách triệt để tốn thấu kính hầu nhƣ khơng giải đƣợc tập dụng cụ quang học bổ trợ cho mắt Khi học yêu cầu học sinh phải nắm vững kiến thức thấu kính, bao gồm đƣờng tia sáng qua thấu kính, cách dựng hình, cơng thức thấu kính, cách nhận biết loại thấu kính, tính chất vật ảnh cho loại thấu kính để giải tốn cách nhanh chóng Tuy nhiên qua thực tế giảng dạy, nhận thấy học sinh học thƣờng khó khăn, chậm nắm bắt đƣợc thơng tin, lúng túng giải tập, không xác định đƣợc hƣớng giải tốn Trong thời lƣợng cho chƣơng trình kể phần giải tập có hai tiết học Do làm để giảng dạy tốt giúp học sinh nắm bắt đƣợc kiến thức vấn đề khó, địi hỏi ngƣời thầy phải có kinh nghiệm tích cực học tập học sinh thời gian nhà giải đƣợc Vì để giúp học sinh học tốt thấu kính, nhƣ làm tập nhà, tơi xếp phân loại kiến thức nhƣ dạng tập để em hệ thống đƣợc kiến thức nắm kiến thức cần lĩnh hội Qua thực tế áp dụng lớp dạy, tơi thấy có hiệu rõ rệt Trong viết năm trƣớc đề cập đến dạng tập phần thấu kính tập định tính: vẽ hình, xác định loại thấu kính, tính chất vật ảnh , để hồn thiện viết mình, năm học tơi tiếp tục với phần tập định lƣợng Trƣớc giải tập định lƣợng, cần yêu cầu học sinh nắm thật kỹ số thuật ngữ dùng tập quy ƣớc dấu sử dụng: + Công thức Descartes: d/  d f , d f d d / f , d/  f 1   f d/ d f  d d / d  d/ + Cơng thức tìm số phóng đại ảnh: k  d/ d + Vật thật: vật sáng, đoạn thẳng AB  chùm sáng đến quang cụ chùm phân kỳ; d > + Ảnh thật  chùm sáng ló khỏi thấu kính chùm hội tụ, ảnh nằm khác phía thấu kính so với vật; d / > + Ảnh ảo  chùm sáng ló khỏi thấu kính chùm phân kỳ, ảnh nằm phía thấu kính so với vật; d / < + Thấu kính hội tụ f > 0, thấu kính phân kỳ f < + Vật ảnh chiều ( vật thật, ảnh ảo): k > NGUYỄN VĂN DŨNG – THPT BÙI THỊ XUÂN- Trang PHƢƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP ĐỊNH LƢỢNG PHẦN THẤU KÍNH + Vật ảnh ngƣợc chiều ( vật thật, ảnh thật): k < Để giải đƣợc tập định lƣợng, đòi hỏi học sinh phải nắm đƣợc tƣợng vật lý xảy ra; đồng thời cần phải có kỹ giải toán Do học sinh cần phải đƣợc rèn luyện thật kỹ kỹ giải toán nhƣ giải phƣơng trình, hệ phƣơng trình Một số cơng thức tốn học, phép biến đổi, cách giải cần phải đƣợc nắm vững Một vấn đề cốt lõi học sinh phải biết phân tích đề để xác định phƣơng pháp giải tốn Vì cần phải hƣớng dẫn em cách phân tích đề tốn Bản thân viết với mong muốn để trao đổi với đồng nghiệp, để góp ý cho việc giảng dạy ngày có chất lƣợng học sinh học tập ngày tốt NGUYỄN VĂN DŨNG – THPT BÙI THỊ XUÂN- Trang PHƢƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP ĐỊNH LƢỢNG PHẦN THẤU KÍNH II/ PHÂN LOẠI BÀI TẬP ĐỊNH LƯỢNG THEO DẠNG CỦA TỪNG NHĨM BÀI TẬP THẤU KÍNH: BÀI TOÁN THUẬN: Xác định ảnh vật sáng cho bới thấu kính  Xác định d / , k, chiều ảnh so với chiều vật + Dạng đề toán: Cho biết tiêu cự f thấu kính khoảng cách từ vật thật đến thấu kính d, xác định vị trí, tính chất ảnh số phóng đại ảnh k + Phân tích đề để xác định phương pháp giải toán: - Xác định vị trí ảnh, tính chất ảnh số phóng đại ảnh xác định d / , k Từ giá trị d / , k để suy tính chất ảnh chiều ảnh - Giải hệ hai phƣơng trình: d/  d f d f k  d/ d Bài tốn 1.1: Cho thấu kính hội tụ có tiêu cự 10cm Vật sáng AB đoạn thẳng đặt vng góc trục thấu kính, cách thấu kính 30cm Hãy xác định vị trí ảnh, tính chất ảnh số phóng đại ảnh Vẽ hình tỷ lệ Giải: Giải hệ hai phƣơng trình với d = 30cm, thấu kính hội tụ f >  f = 10cm: d/  d f d f d/ k  d ta có: d / = 15cm > : Ảnh thật k = ─ ½ < 0: Ảnh ngƣợc chiều vật, cao nửa vật Kết luận: Ảnh thu đƣợc ảnh thật, ngƣợc chiều vật, cao nửa vật nằm cách thấu kính 15cm Vẽ hình: B F A F /A / O B/ Bài tốn 1.2: Cho thấu kính phân kỳ có tiêu cự 10cm Vật sáng AB đoạn thẳng đặt vng góc trục thấu kính, cách thấu kính 20cm Hãy xác định vị trí ảnh, tính chất ảnh số phóng đại ảnh Giải hệ hai phƣơng trình với d = 20cm, Thấu kính phân kỳ f <  f = ─10cm: NGUYỄN VĂN DŨNG – THPT BÙI THỊ XUÂN- Trang PHƢƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP ĐỊNH LƢỢNG PHẦN THẤU KÍNH d/  d f d f k  ta có: d/ d d / = ─ (20/3) cm < : Ảnh ảo k = 1/3 > 0: Ảnh chiều vật, cao 1/3 vật Kết luận: Ảnh thu đƣợc ảnh ảo, chiều vật, cao phần ba vật nằm cách thấu kính 20/3 cm Kinh nghiệm: Khi giải loại tập dạng thông thƣờng học sinh mắc phải sai lầm thay số nhƣng không ý đến dấu đại lƣợng đại số nên kết thu đƣợc thƣờng sai Một sai lầm học sinh thay số trực tiếp vào biểu thức Descartes 1   làm cho phép tính rắc rối em f d/ d Do vậy, giảng dạy cần phải nhắc nhở em ý đến dấu f ứng với loại thấu kính biểu thức biến đổi để phép tính đơn giản Nếu tập dạng tự luận thiết phải có kết luận cuối giải BÀI TỐN NGƯỢC: Đối với tốn ngƣợc (là toán cho kết d /, k f, k , xác định d,f d, d / ) có nhiều dạng Và dạng tốn khó học sinh Cụ thể: 2.1 Dạng 1: Cho biết tiêu cự f thấu kính số phóng đại ảnh k, xác định khoảng cách từ vật thật đến thấu kính d, xác định vị trí ảnh, tính chất ảnh Bài tốn 2.1.a Một thấu kính hội tụ có tiêu cự 20cm Vật sáng AB đoạn thẳng đặt vng góc trục thấu kính cho ảnh cao gấp hai lần vật Xác định vị trí vật ảnh + Phân tích đề để xác định phương pháp giải tốn: Với giả thiết ảnh cao gấp hai lần vật, ta phải lƣu ý cho học sinh ảnh thật ảnh ảo vật thật cho thấu kính hội tụ cao vật Do giá trị số phóng đại k trƣờng hợp giá trị tuyệt đối k =  k =  + Giải hệ hai phƣơng trình: d/  d f d f k  d/ =  d NGUYỄN VĂN DŨNG – THPT BÙI THỊ XUÂN- Trang PHƢƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP ĐỊNH LƢỢNG PHẦN THẤU KÍNH Cũng tốn nhƣ nhƣng có thêm giả thiết ảnh ngƣợc chiều vật xác định ảnh thật : k = ─ 2, cịn ảnh chiều vật ảnh ảo k = +2 Bài tốn 2.1.b Một thấu kính hội tụ có tiêu cự 20cm Vật sáng AB đoạn thẳng đặt vng góc trục thấu kính cho ảnh cao nửa vật Xác định vị trí vật ảnh + Phân tích đề để xác định phương pháp giải toán: Với giả thiết ảnh ảnh cao nửa vật thật, thấu kính hội tụ phải ảnh thật, ngƣợc chiều với vật Nghĩa k <  k = ─ ½ + Giải hệ phƣơng trình: d /  d f d f k  d/ =─½ d Bài tốn 2.1.c Một thấu kính hội tụ có tiêu cự 20cm Vật sáng AB đoạn thẳng đặt vng góc trục thấu kính cho ảnh cao vật Xác định vị trí vật ảnh + Phân tích đề để xác định phương pháp giải toán: Với giả thiết ảnh ảnh cao vật thật, thấu kính hội tụ phải ảnh thật, ngƣợc chiều với vật Nghĩa k <  k = ─ + Giải hệ phƣơng trình: d /  d f d f k  d/ =─1 d Bài tốn 2.1.d Một thấu kính phân kỳ có tiêu cự 20cm Vật sáng AB đoạn thẳng đặt vuông góc trục thấu kính cho ảnh cao nửa vật Xác định vị trí vật ảnh + Phân tích đề để xác định phương pháp giải tốn: Đối với thấu kính phân kỳ, vật thật ln ln cho ảnh thật chiều nhỏ vật k>0k= ½ + Giải hệ phƣơng trình: d /  d f d f k  d/ =+½ d NGUYỄN VĂN DŨNG – THPT BÙI THỊ XUÂN- Trang PHƢƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP ĐỊNH LƢỢNG PHẦN THẤU KÍNH 2.2 Dạng 2: Cho biết tiêu cự f thấu kính khoảng cách vật ảnh l, xác định khoảng cách từ vật thật đến thấu kính d, xác định vị trí ảnh, tính chất ảnh Các trƣờng hợp xảy vật sáng: a Thấu kính hội tụ, vật sáng cho ảnh thật d > 0, / d > 0: l = d + d/ B F A F /A / O d/ B/ d b Thấu kính hội tụ, vật sáng cho ảnh ảo, d > 0, d d < 0: / B/ l = ─ (d / + d ) A/ B A d/ O c Thấu kính phân kỳ, vật sáng cho ảnh ảo, d > 0, d > 0: / A/ A O F/ B/ l = d/ +d Tổng quát cho trƣờng hợp, khoảng cách vật ảnh d /’ B d l = d / + d  Tùy trƣờng hợp giả thiết toán để lựa chọn cơng thức phù hợp Bài tốn 2.2.a Một thấu kính hội tụ có tiêu cự 6cm Vật sáng AB đoạn thẳng đặt vng góc trục thấu kính cho ảnh cách vật 25cm Xác định vị trí vật ảnh + Phân tích đề để xác định phương pháp giải toán: Đây toán tổng quát, ảnh vật sáng ảnh thật d / > ảnh ảo d / < Do có hai khả xảy ra: - ảnh thật d / >  Giải hệ phƣơng trình: d/  d f d f l = d + d/ NGUYỄN VĂN DŨNG – THPT BÙI THỊ XUÂN- Trang PHƢƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP ĐỊNH LƢỢNG PHẦN THẤU KÍNH - ảnh ảo d / <  Giải hệ phƣơng trình: d/  d f d f l = ─ (d + d /) Bài toán 2.2.b Một thấu kính hội tụ có tiêu cự 6cm Vật sáng AB đoạn thẳng đặt vng góc trục thấu kính cho ảnh cách vật 25cm Xác định vị trí vật ảnh + Phân tích đề để xác định phương pháp giải tốn: Ảnh vật ảnh thật d / > Giải hệ phƣơng trình: d/  d f d f l = d + d/ Bài tốn có cách giải tƣơng tự có giả thiết:Vật sáng cho ảnh ngƣợc chiều ảnh nhỏ vật ảnh thật Bài toán 2.2.c Một thấu kính hội tụ có tiêu cự 6cm Vật sáng AB đoạn thẳng đặt vng góc trục thấu kính cho ảnh chiều vật cách vật 25cm Xác định vị trí vật ảnh + Phân tích đề để xác định phương pháp giải toán: Ảnh vật sáng chiều với vật, ảnh ảo d trình: d/  / < Giải hệ phƣơng d f d f l = ─(d + d /) Bài toán 2.2.d Một thấu kính phân kỳ có tiêu cự 30cm Vật sáng AB đoạn thẳng đặt vng góc trục thấu kính cho ảnh vật 25cm Xác định vị trí vật ảnh + Phân tích đề để xác định phương pháp giải toán: Ảnh vật sáng cho thấu kính phân kỳ ln ln ảnh ảo d / < Giải hệ phƣơng trình: d/  d f d f l = d + d/ NGUYỄN VĂN DŨNG – THPT BÙI THỊ XUÂN- Trang PHƢƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP ĐỊNH LƢỢNG PHẦN THẤU KÍNH 2.3 Dạng 3: Cho khoảng cách vật ảnh L, xác định mối liên hệ L f để có vị trí đặt thấu kính hội tụ cho ảnh rõ nét Bài toán 2.3: Một ảnh đặt song song với vật sáng AB cách AB đoạn L Một thấu kính hội tụ có tiêu cự f đặt khoảng vật cho AB vng góc với trục thấu kính.Tìm mối liên hệ L & f để a có vị trí TK cho ảnh rõ nét b có vị trí TK cho ảnh rõ nét a khơng có vị trí TK cho ảnh rõ nét + Phân tích đề để xác định phương pháp giải toán: Vật thật cho ảnh thất nên d & d / có giá trị dƣơng Vì ta có phƣơng trình thứ nhất: d + d / = L Kết hợp với công thức: d /  d f d f Ta có phƣơng trình bậc hai: d + Ld + Lf = Sau có phƣơng trình cần phải yêu cầu học sinh nhắc lại điều kiện để phƣơng trình bậc hai có nghiệm mà em học lớp dƣới Điều chắn có nhiều học sinh quên lên lớp giải phƣơng trình bậc máy tính + Lập biệt số:  = b ─ 4ac = L ─ 4Lf a Để có hai vị trí thấu kính cho ảnh rõ nét phƣơng trình bậc phải có nghiệm phân biệt d1 & d2, đó:  >  L > 4f b Để có vị trí thấu kính cho ảnh rõ nét phƣơng trình bậc phải có nghiệm kép,  =  L = 4f c Để không vị trí thấu kính cho ảnh rõ nét phƣơng trình bậc phải vơ nghiệm,  <  L < 4f 2.4 Dạng 4: Cho khoảng cách vật ảnh L, cho biết khoảng cách hai vị trí đặt thấu kính hội tụ cho ảnh rõ nét l Tìm tiêu cự f Đây phƣơng pháp đo tiêu cự thấu kính hội tụ ( phƣơng pháp Bessel) đƣợc áp dụng cho thực hành Vì giáo viên cần phân tích kỹ tƣợng vật lý để giúp cho học sinh hình dung đƣợc cách giải tốn Đơng thời kết hợp với tốn 2.3 để nắm đƣợc điều kiện có hai ảnh Bài tốn 2.4 Một ảnh đặt song song với vật sáng AB cách AB đoạn L = 72cm Một thấu kính hội tụ có tiêu cự f đặt khoảng vật cho AB vng góc với trục thấu kính, ngƣời ta tìm đƣợc hai vị trí TKcho ảnh rõ nét Hai vị trí cách l = 48cm Tính tiêu cự thấu kính + Phân tích đề để xác định phương pháp giải toán: f AB   A/ B / Vị trí 1: d1 = d , d 1/ = d / NGUYỄN VĂN DŨNG – THPT BÙI THỊ XUÂN- Trang PHƢƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP ĐỊNH LƢỢNG PHẦN THẤU KÍNH Vị trí 2: d2 , d 2/ - Vì lý đối xứng nên vật ảnh đổi chổ cho đƣợc, nên: d2 = d 1/ = d / d 2/ = d1 = d Do đó, ta có: d + d/ = L d/ = d + l Giải hệ phƣơng trình ta có: d = ½ ( L – l), d / = ½ ( L + l) Thay d & d / vào cơng thức tính tiêu cự f  d d / L2  l , ta đƣợc : = 10cm f  d  d/ 4L Trong phạm vi có hạn viết, chúng tơi lựa chọn dạng toán đơn giản mà học sinh thƣờng hay gặp mà khơng phân tích tốn phức tạp khó học sinh NGUYỄN VĂN DŨNG – THPT BÙI THỊ XUÂN- Trang PHƢƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP ĐỊNH LƢỢNG PHẦN THẤU KÍNH III/ PHẦN KẾT: Trên đúc kết rút từ thực tiễn giảng dạy cá nhân Khi cho đối tƣợng học sinh có học lực khác giải ví dụ tất học sinh từ trung bình trở lên vận dụng đƣợc cách nhanh chóng Bên cạnh cịn khơng học sinh lƣời học, quen thói nhìn thầy viết vẽ bảng mà chép nguyên xi vào Do vậy, đối tƣợng cần phải buộc em làm thất nhiều ví dụ, tập mong khắc sâu đƣợc phƣơng pháp giải tập thấu kính cho học sinh Mặc dù có thử nghiệm nhƣng khơng thể tránh khỏi thiếu sót, nên chúng tơi mong đƣợc đóng góp ý kiến để sửa sai ngày hồn thiện chun mơn tay nghề Ngƣời viết Nguyễn Văn Dũng NGUYỄN VĂN DŨNG – THPT BÙI THỊ XUÂN- Trang 10 ... PHƢƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP ĐỊNH LƢỢNG PHẦN THẤU KÍNH II/ PHÂN LOẠI BÀI TẬP ĐỊNH LƯỢNG THEO DẠNG CỦA TỪNG NHĨM BÀI TẬP THẤU KÍNH: BÀI TOÁN THUẬN: Xác định ảnh vật sáng cho bới thấu kính  Xác định. .. PHƢƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP ĐỊNH LƢỢNG PHẦN THẤU KÍNH Cũng tốn nhƣ nhƣng có thêm giả thiết ảnh ngƣợc chiều vật xác định ảnh thật : k = ─ 2, cịn ảnh chiều vật ảnh ảo k = +2 Bài tốn 2.1.b Một thấu kính. .. phóng đại ảnh Giải hệ hai phƣơng trình với d = 20cm, Thấu kính phân kỳ f <  f = ─10cm: NGUYỄN VĂN DŨNG – THPT BÙI THỊ XUÂN- Trang PHƢƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP ĐỊNH LƢỢNG PHẦN THẤU KÍNH d/  d f