Tríc mét thùc tr¹ng trong häc sinh khi häc ë THCS, viÖc häc bé m«n vËt lý vÉn cha ®îc coi träng (coi lµ m«n phô, ®Æc biÖt lµ tõ khi bá thi tãt nghiÖp THCS) nªn häc sinh khi bíc vµo cÊp T[r]
(1)S ¸ n g k i Õ n k i n h n g h i Ö m
***************************************
Phơng pháp hớng dẫn học sinh
giải tập phần
V ng truyn ánh sáng
Cđa: Vị Xu©n LËp
Tỉ: Lý - C«ng nghƯ
Trêng Trung häc phỉ thông Tiên Lữ.
Hng Yên Năm 2009
Phần I: Mở đầu
(2)cng nh công việc Nhiệm vụ giảng dạy môn vật lý bậc trung học phổ thông thực đợc mục tiêu giáo dục mà Bộ Giáo dục Đào tạo đề ra: Làm cho học sinh đạt dợc yêu cầu sau: - Nắm vững đợc kiến thức mơn
- Có kỹ để vận dụng kiến thức mơn - Có hứng thú học tập mơn
- Có cách học tập rèn luyện kỹ hợp lý đạt hiệu cao học tập mơn vật lý
- Hình thành học sinh kỹ t đặc trng môn
Trong nội dung môn Vật lý lớp 11, phần Quang hình học có tác dụng tốt, giúp học sinh phát triển t vật lý Trong phần thể rõ thao tác t vật lý từ trực quan sinh động đến t trừu tợng, từ t trừu tợng đến thực tiễn khách quan, nh: - Phân tích tợng huy động kiến thức có liên quan để đa kết nội dung đợc đề cập
- Sử dụng kiến thức toán học có liên quan nh để thực tính tốn đơn giản suy luận tiếp nội dung mà yêu cầu
- Sử dụng kiến thức thực tế để suy luận, để biện luận kết toán (Xác nhận hay nêu điều kiện để tốn có kết quả) Việc học tập phần đợc tập trung vào việc vận dụng kiến thức để giải tập vẽ đ-ờng truyền ánh sáng
Vấn đề đặt là: Làm để học sinh có kỹ giải tập vẽ đờng truyền ánh sáng mạch điện xoay chiều cách lơgíc, chặt chẽ, đặc biệt làm để qua việc rèn luyện kỹ vẽ đờng truyền ánh sáng nội dung cụ thể phát triển t Vật lý, cung cấp cho học sinh cách t nh cách học đặc tr-ng môn Vật lý cấp trutr-ng học phổ thôtr-ng
Trong năm giảng dạy môn Vật lý bậc trung học phổ thông, nhận thấy: phần kiến thức có yêu cầu cao vận dụng kiến thức học đợc vào giải tập Vật lý Vì ỏ phần ng-ời giáo viên cần đa đợc phơng án hớng dẫn học sinh vận dụng kiến thức cách tối u để học sinh nhanh chóng tiếp thu vận dụng dễ dàng vào giải tập cụ thể:
Theo nhận thức cá nhân tôi, việc hớng dẫn học sinh giải tập cần phải thực c mt s ni dung sau:
- Phân loại tập phần theo hớng dạng
- Hình thành cách thức tiến hành t duy, huy động kiến thức thứ tự thao tác cần tiến hành
- Hình thành cho học sinh cách trình bày giải đặc trng phần kiến thức
Sau tơi nêu suy nghĩ cá nhân việc hớng dẫn học sinh giải tập vẽ đờng truyền ánh sáng (Phần Quang hình học – Vật lý lớp 11) mà áp dụng năm qua để đ-ợc tham khảo, rút kinh nghiệm bổ xung
§èi tợng nghiên cứu
- Kiến thức: Phần Quang hình học - nhận xét truyền ánh sáng mặt phân cách hai môi trờng suốt, phơng pháp vận dụng kiến thức việc giải tập phần
- i vi hc sinh trung bình, yếu: Yêu cầu nắm vững kiến thức bản, phơng pháp giải giải tập đơn giản
(3)PhÇn II: Néi dung
A/ Kiến thức bản:
I/ Các khái niệm bản:
1/ Vật sáng:
- Ngun sỏng vật tự phát ánh sáng Ví dụ: Mặt Trời Các loại đèn
- Vật đợc chiếu sáng vật nhận đợc ánh sáng chiếu vào phát ánh sáng Ví dụ: Các vật mà mắt nhìn thấy có ánh sáng
- Nguồn sáng vật đợc chiếu sáng đợc gọi chung l vt sỏng
2/ Môi trờng truyền sáng (Môi trờng suốt) môi trờng cho hầu hết ánh s¸ng trun qua
3/ Mơi trờng chắn sáng môi trờng không cho ánh sáng truyền qua 4/ Tia sáng: đờng truyền ánh sáng
Ký hiệu: Vẽ đờng truyền ánh sáng có mũi tên ch chiu truyn ỏnh sỏng
5/ Chùm sáng: tập hợp nhiều tia sáng Có loại chùm sáng:
- Chùm sáng phân kỳ: chùm sáng gồm tia sáng xuất phát từ điểm
- Chùm sáng song song: chùm sáng gồm tia sáng song song với
- Chựm sỏng hội tụ: chùm sáng gồm tia sáng đến đồng quy điểm
* Chó ý: Khi vẽ chùm sáng cần vẽ hai tia rìa
II/ Các định luật truyền ánh sáng
1/ Định luật truyền thẳng ánh sáng: Trong mơi trờng suốt đồng tính, ánh sáng truyền theo đờng thẳng
* Chú ý: Trong mơi trờng suốt đồng tính, tia sáng đờng thẳng
2/ Nguyên lý thuận nghịch chiều truyền ánh sáng: Nếu AB đ-ờng truyền ánh sáng, AB cho ánh sáng truyền từ A đến B từ B đến A
3/ Phản xạ ánh sáng:
a/ Hiện tợng phản xạ ánh sáng tợng tia sáng bị hắt trở lại môi tr-ờng cũ gặp bề mặt nhẵn bóng
- Bề mặt nhẵn bóng làm ánh sáng bị hắt trở lại gọi mặt phản xạ b/ Các khái niệm:
- Tia tới: Phần ánh sáng tới
- Điểm tới: Điểm tia tới gặp mặt phản xạ
- Tia phản xạ: Phần ánh sáng phản xạ - Pháp tuyến điểm tới: Đờng thẳng vuông góc với mặt phản xạ điểm tới
S R
I N
(4)- Mặt phẳng tới: Mặt phẳng chứa tia tới pháp tuyến điểm tới - Góc tới: Góc hợp tia tới pháp tuyến điểm tới
- Góc phản xạ: Góc hợp tia phản xạ pháp tuyến điểm tới c/ Định luật phản xạ ánh sáng:
- Tia phản xạ nằm mặt phẳng tới, tia tới tia phản xạ hai bên pháp tuyến điểm tới
- Góc phản xạ góc tới d/ Cách vẽ tia phản x¹:
- Vẽ pháp tuyễn điểm tới xác định mặt phẳng tới. - Xác định góc tới.
- Vẽ phía bên pháp tuyễn góc góc tới, ta đợc tia phản xạ.
4/ Khúc xạ ánh sáng:
a/ Hin tng khỳc xạ ánh sáng tợng tia sáng bị gãy khúc (đổi ph-ơng đột ngột) truyền qua mặt phân cách hai môi trờng truyền sáng (hay suốt)
b/ Các khái niệm:
- Tia tới: Phần ¸nh s¸ng tíi
- §iĨm tíi: §iĨm tia tíi gặp mặt phân cách hai môi trờng truyền sáng - Tia khúc xạ: Phần ánh sáng khúc xạ
- Pháp tuyến điểm tới: Đờng thẳng vuông góc với mặt phân cách điểm tới
- Mặt phẳng tới: Mặt phẳng chứa tia tới pháp tuyến điểm tới - Góc tới : Góc hợp tia tới pháp tuyến điểm tới
- Góc khúc xạ: Góc hợp tia khúc xạ pháp tuyến điểm tới c/ Định luật khúc xạ ánh sáng:
- Tia khúc xạ nằm mặt phẳng tới, tia tới tia khúc xạ hai bên pháp tuyến điểm tới
- i vi cặp mơi trờng suốt định tỉ số sini
sinr=h »ng sè
(i góc tới, r góc khúc xạ) * Chiết suất tỉ đối:
Đối với cặp môi trờng định, tỉ số sini
sinr=n21 có giá trị xác định đợc gọi chiết suất tỷ đối môi trờng (2) (chứa tia khúc xạ) môi trờng (1) chứa tia tới
n21 > i > r: Môi trờng (2) chiết quang môi trờng (1) S
I N
i
r
K
S
I N
i
r
(5)hay m«i trêng (1) chiÕt quang kÐm m«i trêng (2) n21 < i < r: M«i trêng (2) chiÕt quang kÐm m«i trêng (1)
hay môi trờng (1) chiết quang môi trờng (2) * Chiết suất tuyệt đối:
Chiết suất tuyệt đối môi trờng chiết suất mơi trờng chân khơng (n)
Môi trờng (1) có chiết suất n1
Môi trờng (2) có chiết suất n2
Chiết suất tỉ đối môi trờng (2) môi trờng (1) : n21=n2
n1 Chiết suất tỉ đối môi trờng (2) môi trờng (1) : n12=n1 n2
Nh vËy: M«i trêng cã chiÕt suất lớn chiết quang hơn.
Ngoi ra: Chiết suất môi trờng suốt tỉ lệ nghịch với tốc độ ánh sáng mơi trờng
v1 v2
=n2 n1
hayv=c
n (c: tốc độ ánh sáng chân không)
d/ C¸ch vÏ tia khóc:
- Vẽ pháp tuyến điểm tới xác định mặt phẳng tới. - Xác định góc tới.
- Tính góc khúc xạ vẽ phía bên pháp tuyến góc góc khúc xạ, ta đợc tia khúc xạ.
(Chú ý: Vẽ trờng hợp góc tới lớn hay nhỏ hơn)
5/ Hiện tợng phản xạ toàn phần: Là tợng toàn tia sáng bị phản xạ truyền đến mặt phân cách hai môi trờng truyn sỏng (trong sut),
Góc giới hạn phản xạ toàn phần: igh sinigh=
n2 n1 iu kin có phản xạ tồn phần:
- Tia sáng truyền từ môi trờng chiết quang đến mặt phân cách với mơi tr-ờng chiết quang
- Gãc tíi lín góc giới hạn: i > igh
6/ Cỏc trờng hợp đờng tia sáng truyền đến mặt phân cách hai môi trờng suốt
* Tia sáng truyền từ môi trờng chiết quang đến mặt phân cách với môi trờng chiết quang Ln có tia khúc xạ góc khúc xạ nhỏ hơn góc tới.
* Tia sáng truyền từ môi trờng chiết quang đến mặt phân cách với môi trờng chiết quang kém:
- TÝnh gãc giíi hạn phản xạ toàn phần: igh sinigh=
n2 n1
- Góc tới nhỏ góc giíi h¹n (i igh) Cã tia khóc x¹ và
góc khúc xạ lớn góc tới.
- Góc tới lớn (i > igh) Phản xạ toàn phần, toàn tia sáng bị
phản xạ
* Góc lệch tia sáng gãc hỵp bëi híng cđa tia tíi víi híng cđa tia sáng cuối khỏi hệ thống quang häc ®ang xÐt
(6)* Tia sáng truyền từ mơi trờng có chiết suất nhỏ đến mặt phân cách với mơi trờng có chiết suất lớn Ln có tia khúc xạ góc khúc xạ nhỏ góc tới.
* Tia sáng truyền từ mơi trờng có chiết suất lớn đến mặt phân cách với mơi trờng có chiết suất nhỏ hơn:
- Tính góc giới hạn phản xạ toàn phần: igh sinigh=
n2 n1
- Gãc tíi nhá góc giới hạn (i igh) Có tia khúc xạ và
góc khúc xạ lớn h¬n gãc tíi.
- Gãc tíi lín h¬n (i > igh) Phản xạ toàn phần, toàn tia sáng bị
phản xạ.)
Mt k nng quan trọng mà học sinh cần nắm đợc nhận biết đợc truyền đến mặt phân cách hai môi trờng suốt có trờng hợp xảy Các để khẳng định đờng tia sáng Để giúp học sinh giải khó khăn này, tơi đa nhận xét nh làm sở xác định đờng tiếp tia sáng Sau làm tập cụ thể có liên quan để khắc sâu
7/ Một số kiến thức hình học phẳng có liên quan
II/ Phơng pháp giải tập Vật lý: bíc
Bớc 1: Tóm tắt đầu bài, đổi đơn vị, vẽ hình (nếu có) Bớc 2: Phân tích đầu tìm cách giải
Bớc 3: Thực giải Bớc 4: Biện luận đáp số
B/ Thùc áp dụng toán bản.
Ví dụ 1: Cho lăng kính phản xạ tồn phần có tiết diện thẳng tam giác vng cân ABC, có chiết suất n=√2 , đặt khơng khí có chiết suất Một tia sáng đơn sắc SI nằm mặt phẳng tiết diện thẳng từ không khí truyền đến mặt bên AB I gần B theo phơng song song với mặt huyền BC Hãy vẽ tiếp đờng tia sáng tính góc lệch qua lăng kính
Gi¶i
Nhiệm vụ toán vẽ tiếp đờng truyền tia sáng cụ thể Trong môi trờng đồng tính tia sáng thẳng, tia sáng đổi phơng gặp mặt vật mặt phân cách hai môi trờng truyền sáng Trớc hết ta cần phân tích xem phải vẽ hình nh cho thuận lợi
Vì tia khúc xạ, tia phản xạ, tia tới nằm mặt phẳng tới, nên vẽ cần phân tích cho thể đợc mặt phẳng tới mặt phẳng trang giấy thể đợc tia sáng đờng cần vẽ thuận lợi nhất.
(7)Đờng truyền tia sáng gặp mặt lăng kính mặt phân cách hai môi trờng truyền sáng Sử dụng nhận xét đờng tia sáng điểm tới để khẳng định điểm tới ta cần vẽ tia nào (Thơng thờng có tia khúc xạ ta vẽ tia khúc xạ, phản xạ tồn phần ta vẽ tia phản xạ) Khi biết điểm tới ta cần vẽ tia nào dùng cách vẽ tia sáng nh lý thuyết nêu Để vẽ đợc tia khúc xạ cần xác định môi trờng 1, môi trờng để sử dụng công thức định luật khúc xạ ánh sáng Một việc quan trọng cần xác định điểm tới, thuộc mặt phân cách nào, tính góc tới tiếp theo, trong việc cần sử dụng đến kiến thức hình học phẳng một cách linh hoạt
Lêi gi¶i thĨ nh sau:
Tia tới SI song song với mặt huyền BC nên tia sáng đến mặt AB I với góc tới i1=450
Tại I tia sáng truyền từ môi trờng có chiết suất nhỏ đến mặt phân cách với mơi trờng có chiết suất lớn Tại I có tia khúc xạ
Sini1 Sinr1
=nLK
nKK
→Sin 45
0
Sinr1
=√2→r1=300 (vÏ tia khóc x¹)
I gần B nên sau khúc xạ tia sáng đến mặt BC J với góc tới i2=750 (dùng hình học phẳng để tính i2)
Tại J tia sáng truyền từ môi trờng có chiết suất lớn đến mặt phân cách với mơi trờng có chiết suất nhỏ
Sinigh=
√2→igh=45
0
i2 > igh T¹i J tia sáng phản xạ toàn phần (vẽ tia phản xạ)
Sau phản xạ J tia sáng đến mặt AC K với góc tới i3 = 300
(Để xét đờng tiếp tia sáng K ta dùng hai cách sau) Cách 1: Tại K tia sáng truyền từ mơi trờng có chiết suất lớn đến mặt phân cách với mơi trờng có chiết suất nhỏ
I3 < igh T¹i K cã tia khóc x¹
Sini3 Sinr3
=nKK nLK
→Sin30
0
Sinr3
=
√2→ r3=45
(vẽ tia khúc xạ)
Cách 2: Tại I tồn tia sáng SIJ, theo nguyên lý thuận nghịch chiều truyền ánh sáng tồn tia sáng JIS, mà ta có i3 = i1 Nh vËy t¹i K
cã tia khóc x¹ góc khúc xạ r3=i1=450 (vẽ tia khúc xạ)
Ta thấy tia tới vat tia ló hớng nên góc lệch tia sáng (nói cách khác: tia sáng không bị đổi phơng qua lăng kính)
Ví dụ 2: Cho khối thuỷ tinh suốt có dạng khối lập phơng có chiết suất n đặt khơng khí có chiết suất Chiếu tia sáng đến tâm mặt khối lập phơng có góc tới i1 có mặt phẳng tới
song song víi bªn
S
I i1
A
B
C r1 i2 i2’ i3
r3
J
(8)a/ Với i1 = 450 n=√2 Hãy vẽ tip ng
đi tia sáng?
b/ Vi i1 cho Hãy tìm điều kiện n để
sau khúc xạ mặt trên, tia sáng phản xạ tồn phần mặt bên ló mặt đáy? Giải
Đờng truyền tia sáng gặp mặt của khối lập phơng mặt phân cách giữa hai môi trờng truyền sáng Sử dụng nhận xét về đờng tia sáng điểm tới để khẳng định điểm tới ta cần vẽ tia nào.
Tia tới pháp tuyến điểm tới đều nằm tiết diện thẳng lăng kính, nên mặt phẳng tiết diện thẳng mặt phẳng tới Vì tia khúc xạ tia phản xạ cũng nằm mặt phẳng Và tia sáng từ khơng khí truyền đến khối lập phơng, ta nờn v hỡnh nh sau:
Trong trinhg giải tập cần h-ớng dẫn cho học sinh cách sư dơng kiÕn
thức hình học phẳng cách linh hoạt để xác định điểm tới tiếp theo của tia sáng thuộc mặt phân cách nào, xác định tính góc tới tiếp theo của tia sáng.
Lêi gi¶i thĨ nh sau:
a/ Với i1 = 450 n=√2 Hãy vẽ tiếp đờng tia sáng
Tia sáng đến mặt khối lập phơng I với góc tới i1 = 450
Sini1
Sinr1
=nLK nKK
→Sin 45
0
Sinr1
=√2→r1=300 (vÏ tia khóc x¹)
(Để xác định sau khúc xạ vào khối lập phơng tia sáng đến mặt bên hay mặt đáy sử dụng hai cách sau:
Cách 1: So sánh góc khúc xạ r1 với góc NIC,
Nếu r1 > NIC tia sáng đến mặt bên BC
Nếu r1 < NIC tia sáng đến mặt đáy DC
Nếu r1 = NIC tia sáng đến C, vị trí giao hai mặt phân cách.
ở ta có r1 > NIC tia sáng đến mặt bên BC
Cách 2: Gọi giao tia khúc xạ I với đờng thẳng BC, J. Tính BJ so sánh với BC
Nếu BJ < BC tia sáng đến mặt bên BC Nếu BJ > BC tia sáng đến mặt đáy DC
Nếu BJ = BC tia sáng đến C, vị trí giao hai mặt phân cách. Trong tốn tơi trình bày chi tiết cách 2)
Gäi c¹nh cđa hình lập phơng a
Gi J l giao tia khúc xạ I với đờng thẳng BC Ta có BJ= a
2 tanr1
= a
2 tan 300=
a√3 <a
BJ < BC nên sau khúc xạ tia sáng đến mặt BC J với góc tới
i2=600 (dùng hình học phẳng để tính i2)
Tại J tia sáng truyền từ mơi trờng có chiết suất lớn đến mặt phân cách với mơi trờng có chiết suất nhỏ
I
J
K i1
r1
i2 i2’ i3 r3
A B
C D
S
(9)Sinigh=
√2→igh=45
0
i2 > igh T¹i J tia sáng phản xạ toàn phần (vẽ tia phản xạ)
Sau phản xạ J tia sáng đến mặt DC K với góc tới i3 = 300
(Để xét đờng tiếp tia sáng K ta dùng hai cách sau) Cách 1: Tại K tia sáng truyền từ mơi trờng có chiết suất lớn đến mặt phân cách với mơi trờng có chiết suất nhỏ
I3 < igh T¹i K cã tia khóc x¹
Sini3 Sinr3
=nKK
nLK
→Sin300
Sinr3 =
√2→ r3=45
0 (vẽ tia khúc xạ)
Cách 2: Tại I tồn tia sáng SIJ, theo nguyên lý thuận nghịch chiều truyền ánh sáng tồn tia sáng JIS, mà ta có i3 = i1 Nh K
có tia khúc xạ góc khóc x¹ r3=i1=45
0 (vÏ tia khóc x¹)
Ta thÊy tia tíi vat tia lã cïng híng nên góc lệch tia sáng 900
b/ Với i1 cho Hãy tìm điều kiện n để sau khúc xạ mặt trên,
tia sáng phản xạ tồn phần mặt bên ló mặt đáy
(đối với câu b cần hớng dẫn học sinh phân tích để đờng truyền tia sáng đợc nh u cầu ta cần có điều kiện nào, điều kiện đợc thể nh Cụ thể: để tia sáng phản xạ tồn phần mặt bên thì tia sáng phải đến mặt bên BC mặt bên BC góc tới tia sáng phải lớn góc giới hạn Khi đến mặt đáy CD để tia sáng ló nên sử dụng nguyên lý tính thuận nghịch chiều truyến ánh sáng Khi tia sáng nh yêu cầu góc tới mặt đáy CD i3 ln góc khúc xạ
tại mặt r1 mặt đáy CD tia sáng ló ngồi Ngồi ra
chó ý c¸ch so s¸nh c¸c gãc: trực tiếp qua hàm nó)
Tia sáng đến mặt AB I với góc tới i1
T¹i I cã tia khóc x¹ nªn:
Sini1 Sinr1
=n→sinr1=sini1 n
(Cần phân tích chọn cách xác định điều kiện để tia sáng đến mặt bên BC, sau phân tích để sở dụng đợc điều kiện ta cần tính gì).
cosr1=√1−sin2r1=√n
−sin2i1
n →tanr1=
sinr1
cosr1
=sini1 √n2−sin2i
1 Gọi J giao tia khúc xạ I với đờng thẳng BC Ta có BJ=BI
tanr1
=a√n
2−sin2i
2sini1
Để tia sáng đến mặt bên BC BJ < BC →a√n
2−sin2i
2 sini1
<a → n<√5 sini1
Tia sáng đến mặt BC J với góc tới i2 có i2 + r1 = 900
Tại J tia sáng truyền từ mơi trờng có chiết suất lớn đến mặt phân cách với mơi trờng có chiết suất nhỏ
Ta cã Sinigh=
1
n
Để có phản xạ toàn phần: i2 > igh sini2 > sinigh
cosr1>sinigh→√n
−sin2i1 n >
1
n→n>√1+sin
2i
(10)Tại I tồn tia sáng SIJ, theo nguyên lý thuận nghịch chiều truyền ánh sáng tồn tia sáng JIS, mà ta có i3 = i1 Nh vËy t¹i K cã tia
khóc xạ góc khúc xạ r3=i1
Nh vy để sau khúc xạ mặt tia sáng phản xạ tồn phần mặt bên ló mặt đáy thì: √1+sin2i1<n<√5 sini1
Điều kiện để tốn có kết quả: √1+sin2i1≤√5 sini1→sini1≥1
2→i1≥30
Ví dụ 3: Cho hai khối chất rắn suốt đợc ghép nh hình vẽ Khối ADE lăng kính có tiết diện thẳng tam giác vng cân AD = AE = a, có chiết suất √3 Khối ABCD hình lập phơng cạnh a có chiết suất n, hệ thống đặt khơng khí có chiết suất Một tia sáng đơn sắc chiếu đến mặt DE theo phơng vuông góc với mặt I với IE < ID
a/ Với n = 1,5 Hãy vẽ tiếp đờng tia sáng?
b/ Cho IE=a√6
4 Để tia sáng ló trung điểm DC chiết suất n phải bao nhiêu?
Gi¶i
a/ Với n = 1,5 Hãy vẽ tiếp đờng tia sáng
Yêu cầu đầu vẽ tiếp đờng đi
của tia sáng SI Ta cần xét điểm tới, có tia khúc xạ hay tia phản xạ, vận dụng quy tắc vẽ tia tơng ứng để thực yêu cầu của Vận dụng kiến thức hình học để xác định tia sáng đến mặt phân cách tính góc tới mặt phẳng mà tia sáng đến Lu ý học sinh cách so sánh góc tới với góc giới hạn.
Lêi giải cụ thể nh sau:
Tia sỏng SI đến mặt DE theo phơng vng góc với mặt nên tia sáng thẳng
Ta có IE < ID nên tia sáng đến mặt AE J với góc tới i1 = 450
Tại J tia sáng truyền từ mơi trờng có chiết suất lớn đến mặt phân cách với mơi trờng có chiết suất nhỏ
sinighJ=
√3<
√2=sini1
Nh i1 > igh Tại J tia sáng phản xạ
toàn phần (vẽ tia phản xạ) Nên i1’ = i1 = 450
Ta thấy tia phản xạ // DE nên tia sáng đến mặt AD K với góc tới i2 = 450
Tại K tia sáng truyền từ mơi trờng có chiết suất lớn đến mặt phân cách với mơi trờng có chiết suất nhỏ
D
E
A
B C
I S
D
E
A I
S
J K
M
(11)sinighK= n
√3= 1,5
√3=
√3
2 →ighK=60
i2 < ighK t¹i K cã tia khóc x¹
Sini2 Sinr2
= n
√3=
√3
2 →sinr2=√
2
√3 (vÏ tia khóc x¹) cosr2=√1−sin2r2=
√3
r2 > 450 Tia sáng đến mặt DC M với góc tới i3 có i3 + r2 = 900
Tại M tia sáng truyền từ môi trờng có chiết suất lớn đến mặt phân cách với mơi trờng có chiết suất nhỏ
sinighM=
1
n=
1
√2>
√3=cosr2=sini3
Nh i3 < ighM nên J có tia khóc x¹
Sini3 Sinr3
=1
n=
1
1,5→sinr3=
3 sini3
2 =
√3
2 → r3=60
0 (vÏ tia khúc xạ) b/ Cho IE=a6
4 Để tia sáng ló trung điểm DC chiết suất n phải bao nhiêu?
Yờu cu đầu tìm điều kiện chiết suất n để tia sáng ló tại trung điểm DC Trớc hết xét vị trí điểm I trờng hợp nào. Ta có: DE=a√2 a√6
4 <
a√2
2 Nh vËy ta vÉn cã IE < ID nªn trong
khối ADE tia sáng nh câu a đến mặt AD K.
Hớng dẫn học sinh xác định để tia sáng ló trung điểm M DC thì cần điều kiện nào, điều kiện thể nh nào.
Dễ thấy để tia sáng ló trung điểm M DC K tia sáng phải khúc xạ, đến mặt DC M M tia sáng phải khúc xạ
Cần hớng dẫn học sinh tìm cách để thực điều kiện Tìm điều kiện
để có khúc xạ chiết suất môi trờng cha biết việc phức tạp, nên hớng dẫn học sinh cho đợc điều đó, tìm giá trị n thử lại phù hợp giá trị n đợc nhận kết bài, dẫn đến trờng hợp vơ lý giá trị n nhận kết quả bài.
Ta cã DE=AD√2=a√2 vµ a√6 <
a√2
2 nªn IE < ID
Nh tia sáng theo đờng SIJK đến mặt AD với góc tới i2 =450
Giả sử chiết suất n thoả mãn để tia sáng ló trung điểm M DC Khi K có tia khúc xạ
JE=IE√2=a√6√2 =
a√3 JK // DE →DK=JE=a√3
2 KM=√DK2+DM2=√(a√3 )
2 +(a
2)
2 =a Sinr2=DK
KM=√
2 r2 = 60
0.
Tại K có khúc xạ ánh sáng áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng ta có:
(12)sini2
sinr2
= n
√3→
√2
√3=
n
√3→ n=√2
Với n=√2 Tại K tia sáng truyền từ mơi trờng có chiết suất lớn đến mặt phân cách với môi trờng có chiết suất nhỏ
SinighK=√2
√3>
√2
2 =sini2→ i2<ighK T¹i K cã tia khúc xạ r2 > i2 = 450
Nh tia sáng đến mặt DC M với góc tới i3 với i3 + r2 = 900 i3 = 300 Tại M tia sáng truyền từ mơi trờng có chiết suất lớn đến mặt phân cách với môi trờng có chiết suất nhỏ
SinighM=1
n=
1
√2→ ighM=45
0
i3 < ighM Tại M có tia sáng ló
Nh với n=2 thoả mÃn điều kiện đầu nên n=2 kết toán
Ví dụ 4: (Đề thi Đại học Quốc gia Hà Nội năm 1996)
Cho mt thu tinh hỡnh bỏn cầu suốt có tâm O, bán kính R, có chiết suất n=√2 đặt khơng khí có chiết suất Chiếu chùm sáng song song rộng vào tồn mặt phẳng bán cầu theo phơng vng góc với mặt phẳng
a/ Tính góc giới hạn phản xạ toàn phần tia sáng từ thuỷ tinh khơng khí?
b/ Vẽ đờng tia sáng (1) cách tia sáng qua tâm O khoảng
R2 vµ tÝnh gãc lƯch tia khỏi khối thuỷ tinh
c/ Vẽ đờng tia sáng (2) cách tia sáng qua tâm O khoảng
R√3
d/ Xác định vùng mặt cầu có tia sáng ló ra?
e/ Chøng minh r»ng: kho¶ng cách từ O tới giao điểm G tia sáng không qua tâm O ló với tia sáng qua tâm O phụ thuộc vào góc tới i tia sáng mặt cầu
Giải
Đây toán vẽ tiếp đờng truyền tia sáng truyền tới mặt phân cách hai môi trờng truyền sáng Giáo viên hớng dẫn học sinh giải nh ví dụ Tuy nhiên cần củng cố thêm cho học sinh vài kiến thức có liên quan.
- Pháp tuyến mặt phân cách mặt cầu điểm trùng với bán kính điểm đó.
- Các cách chứng minh đại lợng phụ thuộc vào đại lợng khác đây ta sử dụng cách tìm biểu thức đại lợng y theo đại lợng x, trong biểu thức có đại lợng x khẳng định đợc y phụ thuộc vào x, trong biểu thức đại lợng x khẳng định đợc y khơng phụ thuộc vào x,
- Mét sè kiÕn thøc hình học có liên quan.
Lời giải cụ thể cđa bµi nh sau:
a/ Tính góc giới hạn phản xạ toàn phần tia sáng từ thuỷ tinh khơng khí
(13)sinigh=1
n=
1
√2→ igh=45
0
b/ Vẽ đờng tia sáng (1) cách tia sáng qua tâm O khoảng
R2 vµ tính góc lệch tia khỏi khối thuỷ tinh
Tại mặt phẳng bán cầu tia sáng (1) có góc tới nên thẳng tới mặt cầu I với góc tới i
sini=1
2→i=30
0
Tại I tia sáng (1) truyền từ mơi trờng có chiết suất lớn đến mặt phân cách với mơi trờng có chiết suất nhỏ hn
Có i < igh nên I có tia khóc
x¹
sini
sinr=
1
n→
sin 300 sinr =
1
√2→ r=45
0 (vÏ tia khóc x¹) Gãc lƯch cđa tia s¸ng: = r – i = 450.
c/ Vẽ đờng tia sáng (2) cách tia sáng qua tâm O khoảng
R3
Tại mặt phẳng bán cầu, tia sáng (2) có góc tới nên tia sáng (2) thẳng tới mặt phẳng bán cầu I1 với
gãc tíi i1 Cã sini1=√
3
2 i1=60
Tại I1 tia sáng (2) truyền tõ m«i trêng
có chiết suất lớn đến mặt phân cách với mơi trờng có chiết suất nhỏ Mà i1 > igh I1 tia sáng phản xạ
toàn phần đến mặt cầu I2 với
góc tới i2 = 600 I2 giao ca ng
thẳng qua O với mặt cầu Tại I2 tia sáng
(2) truyn t mụi trng có chiết suất lớn đến mặt phân cách với mơi trờng có chiết suất nhỏ
Mà i2 > igh I2 tia sáng phản xạ toàn phần đến mặt cầu I3 với
gãc tíi i3= 600
Tại I3 tia sáng (2) truyền từ mơi trờng có chiết suất lớn đến mặt phân
cách với môi trờng có chiết suất nhỏ
Mà i3 > igh I2 tia sáng phản xạ toàn phần đến mặt phẳng bán cầu
tại theo pgơng vuông góc với mặt nên mặt phảng bán cầu tia sáng (2) thẳng ngoµi
d/ Xác định vùng mặt cầu có tia sáng ló ra?
Các tia sáng đến mặt phẳng bán cầu theo phơng vng góc với mặt nên thẳng tới mặt cầu Tại mặt cầu tia sáng truyền từ mơi trờng có chiết suất lớn đến mặt phân cách với mơi trờng có chiết suất nhỏ hơn, tia có góc tới nhỏ igh có tia khúc xạ ló
O 2I
(14)ngoài, tia sáng có góc tới lớn góc giói hạn mặt cầu phản xạ tồn phần, khơng ló đợc Nh vùng mặt cầu chỏm cầu nhận đờng thẳng qua tâm O làm trục đối xứng có góc tâm 900.
e/ Chứng minh rằng: khoảng cách từ O tới giao điểm G tia sáng không qua tâm O ló với tia sáng qua tâm O phụ thuộc vào góc tới i tia sáng mặt cầu
Tia sáng ló
áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng: sini sinr=
1
n=
1
√2→sinr=√2 sini cosr=√1−sin2r=√1−2sin2i
XÐt OIG cã
Gãc IOG = i, gãc OIG = 1800 – r nªn sin(OIG) = sinr =
√2sini
vµ gãc IGO = r – i
sin IGO=sin(r −i)=sinrcosi −cosrsini=√2 sinicosi −sini√1−2 sin2i OG
sin(OIG)= OI
sin(IGO) →OG=
R(√2sinicosi−sini√1−2sin2i)
√2sini →OG=R(√2cosi−√1−2 sin
2
i) √2
Nh vËy OG phơ thc vµo gãc tíi i cđa tia sáng mặt cầu
Phần III: Kết luận
1/Kết thực đề tài:
I
O
I
G
(15)Trớc thực trạng học sinh học THCS, việc học môn vật lý cha đợc coi trọng (coi môn phụ, đặc biệt từ bỏ thi tót nghiệp THCS) nên học sinh bớc vào cấp THPT, tỷ lệ học sinh biết cách học tập môn vật lý thấp, Việc vận dụng kiến thức tốn học vào học tập mơn vật lý nói chung giải tập vật lý nói riêng gặp nhiều khó khăn, Kỹ thực thao tác t đặc trng học tập vật lý Tôi suy nghĩ giúp cho học sinh có kỹ học tập môn, phất triển đợc t vật lý, làm học sinh say mê với môn vật lý mơn khoa học có giá trị cho thân học sinh sau t duy, suy luận vấn đề sống cách khoa học, logíc, giúp ngời thực nhiệm vụ thân với say mê, có đợc sáng tạo có lợi đạt đợc suất, chất lợng cao Từng phần, chơng suy nghĩ đa nhứng giải pháp giúp học sinh thực nhiệm vụ học tập cách thuận lợi, tránh cho học sinh có cảm giác sợ mơn vật lý Trên sở tạo cho học sinh say mê học tập học tập tốt môn vật lý Sau nhiều năm thực đề tài lớp học sinh trờng THPT Tiên Lữ Tôi nhận thấy việc học tập môn Vật lý sơi học sinh có khả vận dụng kiến thức Vật lý nói chung việc giải toán vẽ đờng truyền ánh sáng thục T vật lý học sinh đợc nâng cao bớc, việc kết hợp kiến thức tốn học vào giải tập vật lý khơng cịn khó khăn cho học sinh Các thao tác t đặc trng học tập môn vật lý nói chung đợc học sinh tiến hành thuận lợi linh hoạt Vì kết học tập học sinh lớp 11 trờng đạt cao:
Thống kê kết triển khai đề tài qua nm hc:
Năm học: 2004 2005
Ni dung thống kê Lớp chọn Lớp đại trà Tỷ lệ HS biết cách nhận xét đờng tiếp tia
sáng tới mặt phân cách môi trờng 100% 100% Tỷ lệ HS biết cách vẽ vẽ đợc đờng
tia s¸ng trờng hợp chơng 100% 85% Tỷ lệ HS vận dụng cách giải vào toán
nâng cao 85% 60%
T l học sinh vận dụng đợc cách giải
phát triển t Vật lý 50% 20%
Năm häc: 2005 – 2006
Nội dung thống kê Lớp chọn Lớp đại trà Tỷ lệ HS biết cách nhận xét đờng tiếp tia
sáng tới mặt phân cách môi trờng 100% 100% Tỷ lệ HS biết cách vẽ vẽ đợc đờng i ca cỏc
tia sáng trờng hợp chơng 100% 80% Tỷ lệ HS vận dụng cách giải vào toán
nâng cao 80% 62%
Tỷ lệ học sinh vận dụng đợc cách giải
ph¸t triĨn t Vật lý 45% 22%
Năm học: 2006 2007
(16)Tỷ lệ HS biết cách nhận xét đờng tiếp tia
sáng tới mặt phân cách môi trờng 100% 100% Tỷ lệ HS biết cách vẽ vẽ đợc đờng i ca cỏc
tia sáng trờng hợp chơng 100% 87% Tỷ lệ HS vận dụng cách giải vào toán
nâng cao 88% 62%
Tỷ lệ học sinh vận dụng đợc cách giải
ph¸t triĨn t Vật lý 55% 24%
Năm học: 2008 2009
Nội dung thống kê Lớp chọn Lớp đại trà Tỷ lệ HS biết cách nhận xét đờng tiếp tia
sáng tới mặt phân cách môi trờng 100% 100% Tỷ lệ HS biết cách vẽ vẽ đợc đờng
tia sáng trờng hợp chơng 100% 88% Tỷ lệ HS vận dụng cách giải vào toán
nâng cao 86% 65%
Tỷ lệ học sinh vận dụng đợc cách giải
ph¸t triĨn t VËt lý 60% 30%
2/ Lêi b×nh:
Qua năm vận dụng phơng pháp hớng dẫn học sinh giải tập rèn luyện kỹ vẽ đờng truyền ánh sáng chiều nh trên, nhận thấy với giáo viên có tâm huyết với giáo dục nói chung, với giáo viên Vật lý nói riêng cần phải tìm tịi, suy nghĩ nghiệp vụ s phạm, sáng tạo đợc nhiều cơng việc thân Việc đóng góp nhiều cho nghiệp giáo dục tỉnh nhà đất nớc Muốn đạt đợc cần phải có u nghề, tâm huyết với môn chọn Đặc biệt cần phải có lao động bền bỉ, say sa để làm nảy sinh sáng tạo đáng kể cho thân có giá trị cho nghiệp giáo dục đào tạo hệ tơng lai đát nớc
3/ Hớng phát triển đề tài:
+ Đề tài tạo định hớng cho nhận biết trờng hợp truyền ánh sáng đến mặt phân cách hai môi trờng truyền sáng cung cấp cho ngời học thao tác việc suy nghĩ, t công việc cụ thể để giải nhiệm vụ dạng toán Trong thời gian tới tiếp tục nghiên cứu để vận dụng cách hớng dẫn học sinh nh vào loại toán nâng cao, chuyên sâu, yêu cầu vận dụng kiến thức phức tạp
+ Trên suy nghĩ cá nhân vấn đề cụ thể, nhiều mang tính chủ quan khơng thể tránh khỏi sai sót Rất mong đợc đánh giá, góp ý đồng nghip
Tiên Lữ, ngày 15 tháng 05 năm 2009 Ngời viết