Xây dựng hệ thống bài tập tán sắc và giao thoa ánh sáng

Mục tiêu nghiên cứu của sáng kiến kinh nghiệm là chứng minh làm rõ một số vấn đề lí thuyết về giao thoa với bản mỏng và nêm không khí (vấn đề SGK chưa đề cập đến nhưng các bài tập nâng cao thì phải sử dụng đến phần lí thuyết này); Biên soạn hệ thống bài tập về tán sắc và giao thoa ánh sáng một cách khoa học, đầy đủ, bao chùm được tất cả các kiến thức và có hình vẽ minh họa cho mỗi bài.

Sở giáo dục đào tạo NINH BìNH Trờng THPT CHUYÊN LƯƠNG VĂN TụY - S¸NG KIÕN XÂY DỰNG HỆ THỐNG BÀI TẬP TÁN SẮC VÀ GIAO THOA ÁNH SÁNG (DÙNG CHO HỌC SINH CHUYÊN LÝ VÀ BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI) TÁC GIẢ: Th.S NGUYỄN THỊ PHƯƠNG DUNG TỔ VẬT LÍ – TRƯỜNG THPT CHUYấN LNG VN TY Ninh Bình, tháng năm 2017 CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc ĐƠN YÊU CẦU CƠNG NHẬN SÁNG KIẾN Kính gửi: HỘI ĐỒNG SÁNG KIẾN CẤP TỈNH Tôi ghi tên đây: TT Họ tên Ngày Nơi công tác Chức tháng năm vụ sinh THPTchuyên Nguyễn Thị Phương Dung 16/1/1983 Lương Văn Tổ phó Tụy I Tên sáng kiến, lĩnh vực áp dụng: Trình độ chun mơn Tỷ lệ (%) đóng góp vào việc tạo sáng kiến Thạc sĩ 100% XÂY DỰNG HỆ THỐNG BÀI TẬP TÁN SẮC VÀ GIAO THOA ÁNH SÁNG (DÙNG CHO HỌC SINH CHUYÊN LÝ VÀ BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI) Lĩnh vực áp dụng: Dạy học môn Vật lý (dùng cho học sinh chuyên Lý bồi dưỡng học sinh giỏi) II Nội dung sáng kiến Giải pháp cũ thường làm a) Mô tả giải pháp cũ Hiện tượng tán sắc ánh sáng bắt đầu đưa vào từ chương trình vật lý lớp 9, học sinh học sâu với kiến thức giao thoa ánh sáng chương Sóng ánh sáng Vật lí lớp 12 • Trong sách giáo khoa, chí tài liệu giáo khoa chuyên Lý sách tập Vật lí, lý thuyết tập tán sắc giao thoa ánh sáng chưa nhiểu, chưa sâu, dừng lại mức độ giới thiệu phục vụ ôn luyện thi đại học (chỉ giao thoa với khe Y-âng), kiến thức vận dụng Trong nội dung có đề thi HSG cấp tỉnh, cấp Quốc gia đề thi khu vực quốc tế Trong tài liệu tham khảo môn vật lý THPT nay, tập nâng cao tán sắc giao thoa ánh sáng rời rạc, vụn vặt, chưa có tài liệu xây dựng hệ thống tập cách đầy đủ • Bài tập vật lý liên quan tới tán sắc giao thoa ánh sáng đề thi học sinh giỏi cấp tỉnh, cấp khu vực, cấp Quốc gia thường đa dạng khó Để có tài liệu dạy đội tuyển, giáo viên thường phải dày cơng tìm tịi từ nhiều nguồn tư liệu • Nhiều tập tán sắc giao thoa ánh sáng sách giáo khoa sách tập vật lí hai chương trình nâng cao khơng có hình vẽ minh họa Trong tài liệu tham khảo, hình vẽ minh họa b) Nhược điểm giải pháp cũ • Mảng kiến thức tập Vật lí đại nói chung có tập tính chất sóng ánh sáng ngày đưa vào nhiều đề thi HSG cấp Để giải dạng tập này, học sinh cần hiểu sâu sắc lý thuyết sóng ánh sáng, cần rèn luyện làm tập sóng ánh sáng đầy đủ sâu Nhưng sách tập giáo khoa sách bồi dưỡng học sinh giỏi hành chưa đáp ứng yêu cầu • Nhiều năm qua việc ôn luyện giải tập tán sắc giao thoa ánh sáng học sinh chuyên học sinh đội tuyển ôn thi HSG thường toán đơn lẻ khơng mang tính khái qt đầy đủ Bởi tập nâng cao phần nằm rải rác sách tham khảo khác chưa có hệ thống chỉnh thể đầy đủ dạng để học sinh tự đọc tự học  Đối với giáo viên, tham gia bồi dưỡng HSG phần bắt buộc phải tham khảo nhiều tài liệu từ nhiều phương tiện, phải tự mày mò, chắt lọc tập tài liệu khác xếp theo kinh nghiệm thân để dạy cho học sinh, HSG quốc gia, nhiều thời gian cơng sức, tốn nhiều tiền bạc • Do tập thiếu tính hệ thống cịn học sinh chưa đủ kĩ kinh nghiệm để hệ thống phân loại kiến thức nên em khó hiểu cách bao quát, đầy đủ dạng tập tán sắc giao thoa ánh sáng • Bài tập sóng ánh sáng dạng khó trừu tượng học sinh THPT, thiếu hình minh họa đề tập làm em khó hình dung tượng, gây cảm giác ngại làm tập, lười suy nghĩ cho HS, học sinh tư trừu tượng Giải pháp cải tiến Tính giải pháp là:  Chứng minh làm rõ số vấn đề lí thuyết giao thoa với mỏng nêm khơng khí (vấn đề SGK chưa đề cập đến tập nâng cao phải sử dụng đến phần lí thuyết này)  Biên soạn hệ thống tập tán sắc giao thoa ánh sáng cách khoa học, đầy đủ, bao chùm tất kiến thức có hình vẽ minh họa cho - Tác giả sử dụng phương pháp đồ tư để hệ thống kiến thức phân loại tập Do hệ thống tập tán sắc giao thoa ánh sáng xây dựng logic, đa dạng, phong phú, thể kiến thức bao chùm từ đến phức tạp, từ dễ đến khó, phù hợp với trình độ nhận thức học sinh, dành cho nhiều đối tượng học sinh học đến học sinh dự thi HSG quốc gia - Hệ thống tập lựa chọn đưa vào đề tài tập tính tốn, phân loại theo mức độ nhận thức: từ tập dành cho HS chuyên Lý học, đến tập nâng cao dành cho học sinh khá, giỏi; tập hay khó dành cho học sinh giỏi ơn luyện thi học sinh giỏi Quốc gia, quốc tế - Mỗi chủ đề có tập điển hình chọn làm ví dụ để hướng dẫn học sinh phương pháp tư tuy, phân tích tượng Từ giúp HS hiểu phương pháp làm tập khác Đây tính sáng tạo hiệu đề tài • Vật lí mơn khoa học thực nghiệm tượng tự nhiên Muốn giải tốt toán Vật lí, địi hỏi người học phải hiểu phân tích tượng Hình vẽ minh họa cho đề hình vẽ chi tiết cho lời giải cách mô tả hiệu cho tượng nội dung đề bài; có sức thuyết phục lơi người đọc làm cho người đọc dễ hiểu đề nhiều lời giải thích Hiểu tầm quan trọng đó, tác giả cố gắng để vẽ hình minh họa kèm theo tập Các hình vẽ có mầu sắc sinh động giúp người đọc cảm nhận tươi mới, nhẹ nhàng, tạo hứng thú, bớt căng thẳng gặp khó • Đề tài sáng kiến tác giả biên soạn giới thiệu 65 tập bao chùm toàn kiến thức nâng cao tán sắc giao thoa ánh sáng Trong có 50 tập điển hình chọn làm ví dụ, có lời giải rõ ràng, phân tích chi tiết để sử dụng sử dụng tài liệu làm giáo trình giảng dạy, giáo trình tự học, tự nghiên cứu 15 tập tự giải dành cho học sinh tự ôn luyện III Hiệu kinh tế xã hội đạt Hiệu kinh tế: a) Đánh giá lợi ích thu được: Nội dung sáng kiến tài liệu tham khảo hữu ích cho giáo viên, học sinh nghiên cứu Vật lý Giúp cho việc học tập phần Quang học sóng mơn Vật lí dễ dàng, hiệu quả; khơng cần thời gian, sức lực, trí óc để tìm tổng hợp kiến thức Giúp học sinh rèn kỹ tự học tự nghiên cứu, có khái niệm tính chất sóng ánh sáng Rút ngắn khoảng cách chương trình Vật lí phổ thơng chun với nội dung thi mơn Vật lí kỳ thi học sinh giỏi quốc gia, quốc tế Nếu phổ biến đề tài này, giáo viên học sinh cần nghiên cứu tính chất sóng ánh sáng, cần sưu tập hệ thống tập sóng ánh sáng đầy đủ chuyên đề từ đến nâng cao bồi dưỡng HSG, khơng chi phí mua sách download tài liệu cần quyền b) Ước tính:   Chi phí in đóng bìa tài liệu (100 trang A4) 30.000 đồng Chi phí mua giáo trình để có nội dung kiến thức phần 260.000 đồng (gồm giáo trình Quang học- Tác giả Đặng Thị Mai- NXB GD, giá bìa 17.000 đồng; giáo trình Vật lí đại cương nguyên lí ứng dụng) - Tác giả Trần Ngọc Hợi Phạm Văn Thiều, giá bìa 101.000 đồng; Bài tập vật lí nâng cao THPT- tập 5, Tác giả Ngơ Quốc Quýnh, giá bìa 25.000 đồng; giáo trình Bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lí THPT- tác giả Vũ Thanh Khiết, giá bìa 45.000đồng; Giáo trình Bồi dưỡng HSG Vật lí THPT Quang học 2- tác giả Vũ Quang, giá bìa 25.000; Giáo trình Quang học1 - sách hợp tác Pháp, NXB GD, giá bìa 47.000) Như chi phí tiết kiệm cho học sinh là: 290.000 đồng Tài liệu sử dụng cho học sinh giáo viên chuyên Lý Nếu tất giáo viên chuyên học sinh chuyên nước sử dụng dự kiến chi phí tiết kiệm cho khóa học là: + 290.000 x 40 (học sinh + giáo viên) x 64 tỉnh = 742,4 triệu đồng/khóa học + Có thể sử dụng đề tài để giảng dạy trường THPT chun, mà khơng chi phí quyền cho người viết giáo trình Hiệu xã hội: Đề tài sáng kiến tác giả triển khai thực nghiệm từ năm học 2013 - 2014 cho lớp chuyên Lý Đội tuyển HSG Quốc gia trường THPT chuyên Lương Văn Tụy Hiệu mà sáng kiến với chuyên đề kiến thức khác mang lại mặt giáo dục, xã hội trước hết kết thi đại học, thi HSG cấp HS Trước thực đề tài, kết thi tương đối cao, từ thực đề tài kết thi vượt trội nhiều, cụ thể sau: 2.1 Kết thi HSG a Thi HSG lớp 12 cấp tỉnh (kết lớp tác giả trực tiếp phụ trách giảng dạy) - Năm học 2013 – 2014: Lớp 11 chuyên lý dự thi lớp 12 đạt giải: nhất, nhì, ba, khuyến khích - Năm học 2014 – 2015 Lớp 12 Lý đạt: nhất, nhì, ba, khuyến khích - Năm học 2016 - 2017: lớp 11 Lý dự thi lớp 12 đạt: nhất, nhì, ba, 4KK b Thi HSG Khu vực Duyên Hải Đồng Bắc Bộ (Kì thi dành cho HS lớp 10,11 chuyên Lý trường chuyên; Nội dung phần sóng ánh sáng có chương trình thi lớp 11) - Năm học 2013 – 2014: lớp 11 lý có 3/3 HS đạt: HCB, HCĐ - Năm học 2016 – 2017: lớp 11 Lý có 3/3 HS đạt: HCV HCB c Thi HSG quốc gia: Số lượng giải tăng ba năm thực nghiệm đề tài sáng kiến - Năm học 2014-2015: giải ba - Năm học 2015-2016: 6/6 em đoạt giải với nhì, ba, khuyến khích - Năm học 2016-2017: 6/6 em đoạt giải với nhì, ba, khuyến khích IV Điều kiện khả áp dụng Có thể áp dụng trường THPT chuyên lớp chuyên Lý, Đội tuyển HSG Quốc gia; trường THPT lớp bồi dưỡng học sinh giỏi để dự thi cấp tỉnh Sáng kiến tham dự Hội nghị khoa học trường THPT chuyên khu vực Duyên hải Đồng bắc năm 2016 Hịa Bình, bạn bè đồng nghiệp khối trường chuyên đánh giá cao, xếp loại xuất sắc thứ tổng số 36 đề tài trường dự thi in thành tài liệu tham khảo cho giáo viên dạy chuyên Lý trường khu vực Vì khả áp dụng đề tài sáng kiến vào thực tế khả quan, dễ áp dụng, mang lại hiệu rõ rệt Có thể tiếp tục mở rộng phát triển tiếp năm học sau V Những cá nhân đơn vị áp dụng sáng kiến TT Họ tên Năm sinh Trần Văn Kiên 1974 Nguyễn Văn Niệm 1954 Bùi Khương Duy Nơi công tác Chuyên Lương Văn Tụy Chức danh Trình độ chuyên mơn Phó HT Thạc sĩ Nội dung cơng việc hỗ trợ Giảng dạy chuyên đề Quang học sóng Chuyên Lương Nguyễn Cử nhân Văn Tụy tổ trưởng 1979 Chuyên Lương Văn Tụy Tổ trưởng Thạc sĩ Đoàn Xuân Huỳnh 1981 Chuyên Lương Văn Tụy Giáo viên Thạc sĩ Giảng dạy chuyên đề Quang học sóng Giảng dạy chuyên đề Quang học sóng Phạm Thu Hồi 1986 Chun Lương Văn Tụy Giáo viên Cử nhân Giảng dạy chuyên đề Quang học sóng Trần Thị Ngoan 1969 THPT Chu Văn An - Hà Nội Giáo viên Thạc sĩ Giảng dạy chuyên đề Quang học sóng - Tập thể học sinh lớp chuyên Lý ( 2011-2014) lớp chuyên Lý (khóa 2014-2017) trường THPT chuyên Lương Văn Tụy - Đội tuyển quốc gia mơn hóa từ năm 2014 đến - Giáo viên học sinh chuyên Lý trường THPT chuyên 64 Tỉnh thành nước trường THPT chuyên Lê Quý Đôn (Đà Nẵng), Nguyễn Trãi (Hải Dương), THPT chuyên Lê Hồng Phong (Nam Định), THPT chuyên Bắc Ninh, THPT chuyên Bắc Giang, THPT chuyên Biên Hòa (Hà Nam), THPT chun Thái Bình (Thái Bình)… Tơi xin cam đoan thông tin nêu đơn trung thực, thật hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật Ninh Bình, ngày 22 tháng năm 2017 XÁC NHẬN CỦA LÃNH ĐẠO Người nộp đơn ĐƠN VỊ CƠ SỞ Nguyễn Thị Phương Dung PHẦN PHỤ LỤC I Bổ sung làm rõ lý thuyết nâng cao phần tán sắc giao thoa ánh sáng Lý thuyết chung sóng ánh sáng a) Quan điểm Maxwell sóng ánh sáng: - Ánh sáng q trình truyền sóng điện từ có bước sóng chân khơng từ 0,38 đến 0,76 - Trong q trình truyền sóng ánh sáng, véc tơ cường độ điện trường vuông góc với vec tơ cảm ứng từ vng góc với phương truyền sóng ( - Biểu tính chất sóng ánh sáng tán sắc, giao thoa, nhiễu xạ… b) Phương trình sóng: Nguồn S phát ánh sáng có cường độ điện trường có phương trình: , Tại điểm M cách nguồn đoạn d, cường độ điện trường ánh sáng có phương trình: = Trong đó v là vận tốc truyền sáng trong mơi trường chiết suất n, , với c = 3.108 m/s là vận tốc truyền sáng trong chân khơng Gọi là bước sóng trong chân khơng, thay vào trên ta có phương trình sóng tại M là: Đặt L = nd gọi là quang trình của tia sáng trên đoạn d Vì quang trình giữa hai điểm A,B cách nhau d trong mơi trường chiết suất n là đoạn đường ánh sáng truyền được trong chân khơng trong cùng khoảng thời gian t Vậy phương trình sóng tại M có thể viết lại là: c) Sự biến đổi pha ánh sáng phản xạ, ánh sáng truyền qua so với ánh sáng tới mặt phân cách hai mơi trường suốt đồng tính * Giả sử ta kh¶o sát chùm sáng song song đơn sắc Phải nói là, thực tế không tồn chùm sáng nh Đây lý tởng hoá: đà thay chùm sáng thực, phân kì yếu với độ không đơn sắc nhỏ chùm sáng phẳng đơn sắc (Tiêu chuẩn để khẳng định đắn việc thay mức độ trùng hợp tính toán thực nghiệm) Nh vậy, xem chùm sáng lý tởng nh sóng phẳng đơn sắc truyền, chẳng hạn nh, theo phơng trục z Giả sử vectơ cờng độ điện trờng thuộc sóng có phơng nằm trục x, phụ thuộc hình chiếu vào toạ độ z thời gian t có dạng: , biên độ điện trờng; tần số bớc sóng ánh sáng Trớc hết ta hÃy xác định xem mặt phẳng có pha không đổi, tức có nghĩa mặt sóng, có dạng nh Điều kiện không đổi pha thời điểm t tuỳ ý đợc viết dới dạng: với A số Vì , t có giá trị cố định nên quỹ tích điểm có pha không đổi đợc mô tả phơng trình: Do vậy, mặt sóng sóng phẳng truyền dọc theo trục mặt phẳng vuông góc với trục Nếu sau khoảng thời mặt sóng dịch chuyển đợc khoảng từ phơng trình (*) ta suy ra: Điều có nghĩa vận tốc dịch chuyển mặt sóng, tức vận tốc pha, bằng: VËn tèc pha cđa sãng lu«n lu«n cã híng vu«ng gãc víi mỈt sãng thấu kính hội tụ (HV) Biết trục thấu kính vng góc với mặt phẳng nêm, khoảng cách từ thấu kính đến nêm a = 10cm, từ nêm đến b = 100cm Độ rộng vân giao thoa quan sát i = 2mm Tính góc nêm Hướng dẫn giải Ánh sáng tán xạ chiếu lên mặt phẳng nêm, điều có nghĩa góc tới thay đổi khoảng tham gia vào giao thoa tia có góc tới nằm khoảng Trước hết ta tìm độ rộng vân giao thoa bề mặt nêm Giả sử độ dày nêm điểm xét d1 tương ứng với vân sáng bậc k, với k số nguyên Còn vân sáng bậc k+1 tương ứng với độ dày d2: Trừ phương trình sau cho phương trình trước, ta đươc: Bây từ tam giác ABC (HV) ta tìm độ rộng vân nêm Nhưng độ rộng i vân liện hệ với độ rộng in vân nêm hệ thức đơn giản Từ ta tìm góc nêm Bài 2.38 (Đề thi chọn HSG Quốc Gia năm 2013) Cho nêm quang học làm chất suốt, đồng tính có tiết diện thẳng tam giác vng KPQ (Hình 5) Hai mặt phẳng KP QP hợp với góc nhỏ Biết chiết suất nêm ánh sáng đơn sắc có bước sóng Bức xạ đơn sắc phát từ nguồn sáng điểm S đặt cách mặt phẳng PK nêm khoảng H Xét chùm sáng hẹp từ nguồn S tới mặt nghiêng nêm vị trí D với góc tới , bề dày nêm e Chùm sáng sau qua nêm tới vng góc với M điểm O Biết O cách mặt phẳng PK nêm đoạn H Tìm bề dày e nhỏ để điểm O ta thu vân sáng Chiếu chùm sáng đơn sắc bước sóng vào mặt nêm QP theo phương gần vng góc với QP Quan sát hệ vân giao thoa mặt nêm người ta thấy khoảng cách hai vân sáng liên tiếp i = 0,10 mm Xác định góc nghiêng nêm Hướng dẫn giải + Chùm tia sáng từ S đến nêm cho tia phản xạ tia khúc xạ Đây giao thoa tia phản xạ, gặp O (quan sát giao thoa O) + Viết biểu thức hiệu quang trình theo phương i + Từ tìm = kĐể quan sát vân sáng e nhỏ + Tìm vị trí vân sáng bậc k bậc (k+1) Áp dụng cơng thức hình học biểu diễn khoảng vân i theo góc nghiêng β Từ đó, xác định β Ta có hiệu quang trình ) = (AB+BC)n – (ED+DF+0,5 (1) * Áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng: sini = nsinr; (2) Thay (2) vào (1), ta có: * Khi i = α = 60o:  e = (2k+1)/6 với k = 0, 1, 2, * Với emin ứng với k = Khi : = 0,1 μm Ta có hiệu quang trình phụ 0, tathuộc độ dày e góc tới α Với góc tới α có: * Giả sử độ dày nêm điểm xét e1 tương ứng với vân sáng bậc k, với k số nguyên (3) Còn vân sáng bậc (k+1) ứng với độ dày e2 : (4) * Trừ vế với vế (3) (4), ta có : * Xét ∆ MEN : Độ rộng MN vân nêm Bài tập vận dụng tự giải Bài 2.39 Đề thi chọn đội tuyển Ipho năm 2003 Hai lăng kính thủy tinh, chiết suất n = 1,5 có góc chiết quang A nhỏ chung đáy P ( tức lưỡng lăng kính Fresnel) Trên mặt phẳng đáy P, cách hai lăng kính khoảng l = 10 cm, có khe F hẹp, song song với cạnh khúc xạ hai lăng kính phát ánh sáng đơn sắc có bước sóng 546 nm Sau lưỡng lăng kính, cách khoảng p có kính lúp L, tiêu cự fo = cm mà tiêu diện có thước chia ( gọi thước trắc vi) cho phép đo khoảng cách vân giao thoa xác tới 0,01 mm Một thấu kính hội tụ mỏng O, tiêu cự f = 10 cm dịch chuyển dễ dàng lưỡng lăng kính kính lúp Dịch chuyển O phía L sát lưỡng lăng kính, đồng thời quan sát L, ta tìm hai vị trí S1, S2 O cách S1S2 = 48 cm, mà kính lúp ta thấy hai ảnh rõ nét F, khoảng cách hai ảnh đo kính L 4,5 mm 0,18 mm Tính góc chiết quang A hai lăng kính khoảng cách p Cho O dịch chuyển từ S1 đến S2 đến vị trí V1 ta bắt đầu trơng thấy vân giao thoa, đến vị trí V2 thấy vân giao thoa biến a) Hãy giải thích tượng xác định khoảng từ V1, V2 đến L b) Chứng minh trình dịch chuyển O khoảng vân I ( hai vân giao thoa liên tiếp) qua giá trị cực đại Hãy xác định giá trị cực đại imax ấy, số vân N quan sát khoảng cách từ L đến vị trí tương ứng O Nếu giữ nguyên khe F, kính lúp L, lưỡng lăng kính bỏ kính O khoảng vân i’ số vân sáng N’ bao nhiêu? Tiếp tục cho O dịch chuyển phía L qua vị trí S2, đến vị trí V3, ta lại thấy vân Xác định khoảng cách từ V3 đến L, tính khoảng vân i” số vân sáng N’’ O cách L cm Đáp số: 1) a = 0,9 mm; A = 30’ 2) a) S1 cách kính lúp 51,5 cm S2 cách 14,5 cm b) im = 0,35 mm N = vân; i’ = 0,44 mm; N’ = 12 vân 3) V3 cách L 12 cm; i”= 0,2 mm; N” = 13 vân Vân trịn Newton Bài 2.40 Một thấu kính phẳng lồi có bán kính R = 25cm đặt thủy tinh phẳng Đỉnh mặt cầu không tiếp xúc với thủy tinh có hạt bụi (hình vẽ) Người ta bán kính vân trịn Newton thứ 10 thứ 15 r10 = 5mm; r15 = 7,5mm Xác định bước sóng ánh sáng Hướng dẫn giải Hạt bụi có kích thước e, coi lớp khơng khí chỗ tiếp xúc có bề dày e Vậy điểm ta xét lớp khơng khí có bề dày (d+e), nên hiệu quang trình Điểm ta xét vân tối ∆= = Bán kính vân tối (Vân Newton) bậc k là: Vân thứ 10 có bán kính: vân thứ 15 có bán kính: Thay số giải hệ hai phương trình trên, ta tính bước sóng = 0,5µm Bài 2.41 Một thiết bị vân tròn Niu-tơn gồm thấu kính phẳng – lồi mà mặt cầu đặt tiếp xúc với thấu kính phẳng Chiếu chùm sáng song song, đơn sắc, , vng góc với mặt phẳng thấu kính Vì có vết bẩn nhỏ nằm đỉnh thấu kính, nên thấu kính khơng thực tiếp xúc với kính phẳng Vân tối thứ có bán kính 1,5 mm vân tối thứ 21 có bán kính 2,5 mm Xác định bán kính R mặt cầu thấu kính Có cách xác định bề dày vết bẩn dựa vào thí nghiệm vân trịn Niu-tơn? Hướng dẫn giải Gọi h bề dày vết bẩn, dk khoảng cách từ đỉnh thấu kính đến vân tối có bán kính 1,5 mm Hiệu quang trình hai tia giao thoa với vân tối là: Gọi bán kính vân tối thứ 15 K: Bán kính vân tối thứ 20: Từ Không thể dựa vào thí nghiệm vân trịn Niu-tơn để xác định bề Bài 2.42 (Đề thi chọn HSG Quốc gia năm 1997) Một thấu kính mỏng hai mặt lồi, bán kính R1 thấu kính mỏng hai mặt lõm, bán kính R2, thủy tinh, chiết suất n, đặt trục trùng tiếp xúc tương qua hạt bủi mỏng Chiếu sáng hệ chùm sáng đơn sắc rộng, bước sóng λ, quan sát ánh sáng phản xạ, theo phương trục người ta quan sát hệ vân Newton Vân sáng thứ vân sáng thứ 16 tính từ có bán kính ρ1 ρ2 Một mặt phẳng đặt trước hệ, cách hệ khoảng d Xác định vị trí, chất độ phóng đại ảnh A'B' vật qua hệ Cho biết: λ = 546 nm; ρ1 = 1,855 mm ; ρ2 = 3,161 mm ; n = 1,5 ; d = 0,8 m Hướng dẫn giải Gọi bề dày hạt bụi vị trí tiếp xúc e - Tại điểm M mặt thấu kính (1), hình vẽ, hiệu quang trình tia phản xạ mặt là: - Vị trí vân sáng xác định bởi: Với bán kính vân sáng bậc k là: - Với k =6, có (1) -Với k = 16, có (2) Suy * Giải phương trình ta tính bề dày e hạt bụi vị trí tiếp xúc: e = 67,5 nm * Thay e vào giải hệ hai phương trình (1), (2), ta độ tụ D hệ hai thấu kính là: D = 0,83347 dp - Suy tiêu cự hệ: f = 1/D = 1,2 m - Với d = 0,8m d' = -2,4m Vậy ảnh qua hệ ảnh ảo, chiều với vật, có độ phóng đại k = -d'/d = +3 nên ảnh lớn vật Bài 2.43 Một thấu kính phẳng lồi đặt lên thủy tinh (mặt lồi tiếp xúc với mặt thủy tinh) Người ta quan sát vân giao thoa cho lớp khơng khí thấu kính phẳng cho ánh sáng đơn sắc chiếu vng góc vào dụng cụ quan sát với ánh sáng phản xạ Người ta đo đường kính vân tối thứ thứ 15 9,34mm 16,18mm Tính bán kính khúc thấu kính Cho biết bước sóng ánh sáng Cho chất lỏng chiếm đầy khoảng khơng thấu kính phẳng, người ta thấy đường kính vân tối thứ năm 15 8,09mm 14,0mm Tìm chiết suất chất lỏng Trở lại trường hợp lớp mỏng khơng khí, ta nhẹ nhàng nâng thấu kính lên song song với điều xảy hệ vân? Hướng dẫn giải Gọi bán kính vân tối thứ k r , độ dày lớp khơng khí d, bán kính khúc thấu kính R Ta có (1) - Ứng với vân tối: (2) Từ (1) (2), suy bán kính cong vân tối thứ k là: với k = 0,1,2,3… - Vân tối thứ có = 9,34 mm - Vân tối thứ 15 có = 16,18 mm Giải hệ ta R = 8m Chiết suất chất lỏng n = 1,33 Nâng thấu kính lên Ta có hiệu quang trình M: Khi nâng thấu kính lên song song với độ dày d M tăng lên, nghĩa tăng lên Muốn có giá trị cũ vân M phải dịch chuyển phía có độ dày giảm, nghĩa điểm M tiến đến M' Kết vân tròn Newton bị thu hẹp lại tâm, vân dồn dần vào tâm dần biến Nhưng độ dày d mà lớn ta khơng cịn quan sát hệ vân giao thoa Bài 2.44 (Đề thi chọn đội tuyển dự thi IphO năm 2004) Đặt hình trụ rỗng H thủy tinh kích thước nhỏ, thành mỏng lên thủy tinh đen T, hai mặt song song đặt khơng khí Sau H đặt thấu kính phẳng lồi L, bán kính cong mặt lồi R = 3m, đỉnh mặt lồi cách T đoạn h = 5mm Chiếu vào hệ theo phương vng góc chùm xạ đơn sắc có bước sóng = 0,456µm Chiết suất khơng khí n = 1,000293 Biết tâm hệ vân điểm sáng, tính bán kính ba vân tối Thay xạ xạ đơn sắc có bước sóng = 0,436µm, cho nhiệt độ H tăng dần từ 150C lên 1000C thấy có 18 vân tròn Newton qua tâm Hỏi vân dịch chuyển theo chiều nào? Tính hệ số nở dài thủy tinh làm hình trụ Hệ giữ nhiệt độ không đổi chiếu sáng xạ Rút dần khơng khí hình trụ hệ vân thay đổi nào? Tính số vân qua tâm hệ rút hết khơng khí Bây chỏm cầu thấu kính L mài dẹt thành mặt trịn bán kính R0 = 3mm, song song với mặt phẳng thấu kính, đặt cho tiếp xúc với thủy tinh T Hệ chiếu sáng vng góc xạ Hãy tính bán kính vân tối thứ 10 vân sáng thứ tính từ Hướng dẫn giải Tâm hệ điểm sáng bán kính vân tối là: với k = 1,2,3 Thay R = 3m, = 0,456µm, n = 1,000293; k = 1,2,3 ta có bán kính ba vân tối liên tiếp là: Rt1 = 0,826mm; Rt2 = 1,34mm; Rt3 = 1,849mm Tăng nhiệt độ hình trụ từ 150C lên 1000C chiều cao hình trụ tăng từ h = h0(1+15k) lên h' = h0(1+100k) Như tăng đoạn h0.85k (1) Thấu kính nâng cao lên, hiệu quan trình tăng lên, thấy hệ vân dồn vào tâm biến tâm Có 18 vân qua tâm thì: (2) Mặt khác, từ (1) (2) có h0.85k = = Suy Với = 0,436µm, h = 5mm, ta tính k = 9.10-6 K-1 Hiệu quang trình tia đỉnh chỏm cầu chưa rút hết khơng khí Δ = n.h Bậc giao thoa tâm xác định công thức: Suy - Khi rút hết không khí, n = 1, bậc giao thoa chỏm cầu k' = , nhỏ n lần, tương đương với việc làm giảm độ cao h n lần, tức hạ thấp thấu kính đoạn: Như thấu kính hạ thấp xuống đoạn Δh hệ vân nở từ tâm Δh = lại có vân xuất tâm nở Vậy số vân qua tâm hệ N= vân, tức có vân sáng xuất Thấu kính kính phẳng tiếp xúc nên điểm tiếp xúc, có vân tối Vân sáng thứ có bán kính R5 = 3,89mm Bài 2.45: Một thấu kính thủy tinh phẳng lồi với bán kính cong mặt cầu cm đặt sát kính phẳng Đường kính vân tối Newton thứ 10 thứ 15 ánh sáng phản xạ mm mm Xác định bước sóng ánh sáng Hướng dẫn giải + Gọi độ dày lớp khơng khí đỉnh thấu kính + Vì điểm ứng với bề dày lớp khơng khí tạo thành vân tối + Bán kính vân tối thứ k ( đường kính vân tối thứ k) + Đối với vân tối thứ : + Đối với vân tối thứ : m hay Bài 2.46 Hai thấu kính mỏng có dạng đối xứng thủy tinh tiếp xúc với - thấu kính có hai mặt lồi, thấu kính có hai mặt lõm – tạo thành hệ có độ tụ Người ta quan sát vân tròn Newton với ánh sáng đớn sắc có bước sóng phản xạ từ hệ Xác định: bán kính vân trịn tối thứ 10 bán kính vân trịn biến đổi nào, khơng gian thấu kính chứa đầy nước? Hướng dẫn giải + Gọi , bán kính cong hai mặt thấu kính hội tụ thấu kính phân kì + Độ tụ hai thấu kính là: ; (với , ) + Vì hai thấu kính ghép sát nên độ tụ hệ hai thấu kính là: =0,5 dp (1) Gọi điểm vành tối Newton thứ 10, điểm ứng với thấu kính phân kì; d độ dày lớp khơng khí hai thấu kính điểm ấy, tức + Gọi , hình chiếu , quang trục hai thấu kính + Do hai thấu kính tiếp xúc đỉnh O hai chỏm cầu, nên: Ta biết rằng: (2) Tương tự, ta có: (3) Do đó: (4) Từ (1) (4) suy ra: Mà điểm vành tối Newton thứ k = 10, nên , với nguyên m Hay mm Nếu không gian thấu kính chứa đầy nước, bước sóng ánh sáng đơn sắc giảm: , tức bán kính vân tối thứ 10 giảm Bài 2.47 Hai thấu kính mỏng giống nhau, mặt phẳng mặt lồi, đặt tiếp xúc với mặt cầu chúng (Hình 47.a) Xác định độ tụ thấu kính trên, biết quan sát vân phản chiếu với ánh sáng có bước sóng đường kính vân tròn sáng Newton thứ Cho biết chiết suất thủy tinh Hướng dẫn giải Coi hệ thống nêm khơng khí Hiệu quang lộ tia phản xạ tạiđiểm giao thoa M là: ; với khoảng cách từ điểm M tới mặt phẳng tiếp xúc với đỉnh thấu kính Điều kiện M cho vân sáng tròn bậc k là: (1) Mặt khác đường kính của vân sáng tròn bậc k liên hệ với hệ thức: (2) Từ (1) (2) suy ra: Độ tụ hệ hai thấu kính là: Thay số: dp PHẦN III KẾT LUẬN Việc trang bị cho học sinh kiến thức lí thuyết cách cụ thể theo dạng câu hỏi thường gặp xây dựng hệ thống tập, phân loại rõ ràng theo mảng kiến thức phương pháp giải tập quan trọng em học sinh giỏi Trên tác giả mạnh dạn chia sẻ kinh nghiệm nghiên cứu vận dụng chuyên đề “Tán sắc giao thoa ánh sáng nâng cao dùng cho học sinh chuyên Lý bồi dưỡng học sinh giỏi” vào giảng dạy thực tế mơn Vật lí lớp chuyên Lý bồi dưỡng học sinh giỏi trường THPT chuyên Lương Văn Tụy Qua nhiều năm thực kết đạt được, tác giả nhận thấy chuyên đề mang lại hiệu cao, áp dụng cho học sinh giỏi luyện thi đại học lấy điểm cao mà áp dụng hiệu cho bồi dưỡng học sinh giỏi cấp Tuy nhiên cách nghiên cứu áp dụng mang tính chủ quan cá nhân tác giả, cịn thiếu sót Tác giả mong muốn nhận phản hồi, góp ý đồng nghiệp, em học sinh để chuyên đề hoàn thiện, vận dụng hiệu giảng dạy, để góp phần nhỏ bé vào phong trào tự học tự bồi dưỡng nhằm nâng cao chất lượng dạy học trường phổ thông, đặc biệt trường THPT chuyên Tác giả xin chân thành cảm ơn! Ninh Bình, ngày 12 tháng năm 2017 Người viết Nguyễn Thị Phương Dung TÀI LIỆU THAM KHẢO Vũ Quang- Vũ Thanh Khiết, Tài liệu chuyên Vật lí 12, tập hai, NXB Giáo dục, 2013 Vũ Quang, Bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lý trung học phổ thông, Quang học 2, NXB Giáo dục, 2009 Bùi Quang Hân, Giải tốn vật lí, NXB Giáo Dục, 1997 Vũ Thanh Khiết, Chuyên đề bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lí THPT, tập 5, Quang học, NXB Giáo dục Vũ Thanh Khiết, 121 tốn quang lí vật lí hạt nhân, NXB Tổng hợp Đồng Nai 2002 Vũ Thanh Khiết, Lưu Hải An, Bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lí THPT, BÀi tập Điện học- Quang học- Vật lí đại, NXB Giáo dục Việt Nam Vũ Thanh Khiết, Vũ Đình Túy, Các đề thi học sinh giỏi Vật lí, NXB Giáo dục 2008 Trần Thị Ngoan, Nguyễn Thị Phương Dung, SKKN cấp tỉnh: Xây dựng hệ thống tập tự luận phương pháp giải tập chuyển động trịn, 2012 Tạp chí Vật lí & tuổi trẻ 10 Tạp chí Kvant 11 I.E.Irơđơp, I.V.Xaveliep, O.I.Damsa, Tuyển tập tập Vật lý đại cương (bản dịch), Nhà xuất đại học trung học chuyên nghiệp Hà Nội, 1980 12 Website: http://www.thuvienvatly.com 13 Đề thi, đề kiểm tra đội tuyển HSG Quốc gia số tỉnh XÁC NHẬN CỦA BAN GIÁM HIỆU NHÀ TRƯỜNG ... trình hai mặt là: Vì ánh sáng khơng bị nửa bước sóng phản xạ bề mặt môi trường chiết quang II Hệ thống tập Giao thoa tán sắc ánh sáng CHỦ ĐỀ I BÀI TẬP TÁN SẮC ÁNH SÁNG Dạng 1: Tán sắc qua lăng kính... sáng kiến, lĩnh vực áp dụng: Trình độ chun mơn Tỷ lệ (%) đóng góp vào việc tạo sáng kiến Thạc sĩ 100% XÂY DỰNG HỆ THỐNG BÀI TẬP TÁN SẮC VÀ GIAO THOA ÁNH SÁNG (DÙNG CHO HỌC SINH CHUYÊN LÝ VÀ BỒI... soạn hệ thống tập tán sắc giao thoa ánh sáng cách khoa học, đầy đủ, bao chùm tất kiến thức có hình vẽ minh họa cho - Tác giả sử dụng phương pháp đồ tư để hệ thống kiến thức phân loại tập Do hệ thống