Chuyên Đề Bài Tập Xác Định Vị Trí Của Vật Và Ảnh Khi Biết Sự Dịch Chuyển Của Chúng Trước Thấu Kính

Tham gia trong đợt Hội thảo khoa học giữa trường THPT Chuyên Bắc Ninh và 8 trường THCS trọng điểm lần này tôi nghiên cứu và đưa ra chuyên đề “ Bài tập xác định vị trí của vật và ảnh khi biết sự dịch chuyển của chúng trước thấu kính”. Nhằm mục đích giúp học sinh có được sự đầu tư nghiên cứu sâu sắc và có cái nhìn khái quát, đầy đủ các nội dung cũng như hình thành kĩ năng, phương pháp giải hiệu quả cho các dạng bài tập khác nhau của chuyên đề. Ngoài ra tôi nhận thức đây là đợt sinh hoạt chuyên môn sâu rộng với một tầm vóc, ý nghĩa cùng sự kỳ vọng rất lớn từ cấp Sở, cấp Phòng đến các trường cũng như với từng giáo viên trong hệ thống các trường trọng điểm trong toàn tỉnh Bắc Ninh. Làm sao để ngày càng cải thiện và nâng cao hơn nữa chất lượng đội ngũ giáo viên và học sinh giỏi của tỉnh. Vì vậy tôi xác định tham gia đợt sinh hoạt chuyên môn này với thái độ nghiêm túc và tinh thần cầu thị, rất mong được sự trao đổi rút kinh nghiệm với các bạn đồng nghiệp trong toàn tỉnh, đặc biệt là sự đóng góp ý kiến của các thày cô bộ môn Vật lí của trường THPH chuyên Bắc Ninh để bản thân tôi có được hướng đi tốt nhất, hiệu quả nhất cho chuyên đề trong quá trình giảng dạy học sinh. Từ đó góp phần ngày càng nâng cao trình độ chuyên môn nghiệp vụ của bản thân đáp ứng tốt nhất cho nhiệm vụ giảng dạy học sinh giỏi mà nhà trường và cấp trên giao cho.

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TỈNH BẮC NINH - - CHUYÊN ĐỀ SINH HOẠT CHUYÊN MÔN CẤP TỈNH TÊN CHUYÊN ĐỀ: BÀI TẬP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ CỦA VẬT VÀ ẢNH KHI BIẾT SỰ DỊCH CHUYỂN CỦA CHÚNG TRƯỚC THẤU KÍNH NĂM HỌC 2014 – 2015 PHẦN A MỞ ĐẦU Trong chương trình Vật lí THCS, quang học nhóm kiến thức quan trọng Phần quang học đưa vào nghiên cứu từ lớp 7, mức làm quen nên kiến thức em cịn Hơn chiếm 70% thời lượng nghiên cứu mơn Vật lí học sinh lớp học kì II vấn đề đưa lại rộng từ khúc xạ ánh sáng, đến mắt, máy ảnh, vấn đề kính lúp, ánh sáng trắng ánh sáng màu, trộn phân tích ánh sáng… nên thời gian dành cho em rèn luyện kiến thức kĩ tập thấu kính khơng nhiều Song tập, câu hỏi thấu kính lại chiếm tỉ lệ đa số nội dung quang học đề thi học sinh giỏi lớp đề thi tuyển sinh vào lớp 10 Điều đòi hỏi giáo viên phải dẫn dắt, định hướng cho học sinh có nhận thức đắn tầm quan trọng tập thấu kính Từ em có quan tâm mức thời gian nghiên cứu lẫn việc tìm tịi để hình thành đầy đủ kiến thức kĩ cần thiết nội dung Bản chất cốt lõi tượng quang học xoay quanh vấn đề thấu kính khúc xạ ánh sáng Khi cho ánh sáng chiếu đến thấu kính, để xuyên qua thấu kính, tia sáng bị khúc xạ hai lần hai bề mặt ( thường mặt cong) thấu kính nên tia ló thu đa phần có phương khác tia tới Sự khác biệt nhiều hay phụ thuộc vào yếu tố như: môi trường đặt thấu kính, cấu tạo thấu kính, phương tia tới so với phương trục thấu kính, khoảng cách tia tới đến trục chính… Chính điều tạo nên đa dạng tính chất ảnh, tạo nên đa dạng mối quan hệ vật ảnh thu qua thấu kính tạo nên đa dạng nhóm tập tương ứng thấu kính Dựa kiến thức quang học tốn học, tìm được hệ thống cơng thức thấu kính quý giá Nó hỗ trợ thuận lợi cho việc tính tốn để tìm kết xác cho tập từ đến nâng cao nghiên cứu thực nghiệm Tuy nhiên đa dạng tập, tượng quang học thấu kính khơng đơn áp dụng công thức tượng quang học cố định mà dịch chuyển vật trước thấu kính đem lại thay đổi đáng kể cho ảnh qua thấu kính Điều nâng độ phức tạp chất tượng độ khó, đa dạng tốn lên mức Đòi hỏi em học sinh nghiên cứu chuyên sâu Tham gia đợt Hội thảo khoa học trường THPT Chuyên Bắc Ninh trường THCS trọng điểm lần nghiên cứu đưa chuyên đề “ Bài tập xác định vị trí vật ảnh biết dịch chuyển chúng trước thấu kính” Nhằm mục đích giúp học sinh có đầu tư nghiên cứu sâu sắc có nhìn khái qt, đầy đủ nội dung hình thành kĩ năng, phương pháp giải hiệu cho dạng tập khác chun đề Ngồi tơi nhận thức đợt sinh hoạt chuyên môn sâu rộng với tầm vóc, ý nghĩa kỳ vọng lớn từ cấp Sở, cấp Phòng đến trường với giáo viên hệ thống trường trọng điểm toàn tỉnh Bắc Ninh Làm để ngày cải thiện nâng cao chất lượng đội ngũ giáo viên học sinh giỏi tỉnh Vì tơi xác định tham gia đợt sinh hoạt chuyên môn với thái độ nghiêm túc tinh thần cầu thị, mong trao đổi rút kinh nghiệm với bạn đồng nghiệp tồn tỉnh, đặc biệt đóng góp ý kiến thày mơn Vật lí trường THPH chun Bắc Ninh để thân tơi có hướng tốt nhất, hiệu cho chuyên đề q trình giảng dạy học sinh Từ góp phần ngày nâng cao trình độ chun mơn nghiệp vụ thân đáp ứng tốt cho nhiệm vụ giảng dạy học sinh giỏi mà nhà trường cấp giao cho B NỘI DUNG PHẦN I CƠ SỞ LÍ THYẾT Khi vật đặt trước thấu kính mối quan hệ ảnh vật, tính chất ảnh, độ phóng đại ảnh so với vật xác lập qua công thức chứng minh: 1 = + f d d' −d f k= ' = f −d d k = A' B ' AB Theo công thức ta thấy giữ nguyên thấu kính ta di chuyển vật trước thấu kính tức làm thay đổi giá trị d tất giá trị khác d’, k, độ lớn tính chất ảnh A’B’ thay đổi theo Như thấy việc dịch chuyển vật trước thấu kính làm thay đổi đặc điểm ảnh so với vị trí ban đầu Sự thay đổi nhiều hay phụ thuộc vào đặc điểm dich chuyển vật trước thấu kính Sự thay đổi vị trí vật trước thấu kính khái qt dạng sơ đồ sau: Sự dịch chuyển theo phương dọc theo trục Sự dịch chuyển vật trước thấu kính Sự dịch chuyển theo phương vng góc với trục Sự dịch chuyển theo phương lệch so với trục góc Với dạng dịch chuyển khác có nhóm tượng, dạng câu hỏi tập tương ứng Trong ba nhóm dich chuyển dọc theo trục phổ biến đa dạng đề thi học sinh giỏi gắn nhiều với nghiên cứu ứng dụng thấu kính thực tế 1 SỰ DỊCH CHUYỂN DỌC THEO TRỤC CHÍNH CỦA THẤU KÍNH Ban đầu vật ảnh vị trí cách thấu kính khoảng d d1’ Khi cho vật dich chuyển khoảng ∆ d dọc theo trục thấu kính, ảnh vật dich chuyển dọc theo trục khoảng ∆ d’ Như vị trí vật ảnh so với thấu kính xác định: d2 = d1 ± ∆ d (1) d2’ = d1’  ∆ d’(2) Việc lấy dấu (+) hay dấu (-) hai công thức phụ thuộc vào việc vật ảnh lại gần hay xa thấu kính Tuy nhiên vấn đề mấu chốt chung để nghiên cứu, xét tập nhóm ngồi cơng thức thấu kính ta cần ý đến kết luận nghiên cứu sau đây: Khi vật di chuyển theo phương dọc theo trục thấu kính ảnh vật di chuyển chiều SỰ DỊCH CHUYỂN CỦA VẬT THEO PHƯƠNG VNG GĨC VỚI TRỤC CHÍNH Ban đầu vật vị trí S1 qua thấu kính cho ảnh S1’ Khi vật dịch chuyển theo phương vng góc với trục thấu kính, trình dịch chuyển khoảng cách từ vật đến thấu kính khơng đổi nên khoảng cách từ ảnh đến thấu kính giá trị khơng đổi Như vật dịch chuyển đường thẳng (đi qua S1) có phương vng góc với trục thấu kính ảnh vật dich chuyển đường thẳng đường thẳng có phương vng góc với trục thấu kính qua điểm S1’ S2 F’ S1 S1’ O S2’ Với đặc điểm nên xét mối quan hệ vật ảnh trường hợp việc giải yêu cầu toán dễ dàng so với trường hợp vật dịch chuyển dọc theo trục Ngồi với đặc điểm tia sáng qua quang tâm truyền thẳng việc nối đường thẳng vật S ảnh S’ vị trí quỹ đạo qua quang tâm O thấu kính Khi cần sử dụng thêm mối qua hệ đồng dạng hai tam giác S2S1O tam giác S2’S1’O ( hình vẽ) để phục vụ cho việc tính tốn thơng tin liên quan SỰ DỊCH CHUYỂN CỦA VẬT THEO PHƯƠNG LỆCH VỚI TRỤC CHÍNH MỘT GĨC α Đây coi dạng dịch chuyển phức tạp so với hai dạng dịch chuyển nêu Khi vật S dịch chuyển trước thấu kính từ vị trí ban đầu S đến vị trí S2 ảnh dịch chuyển từ S 1’ đến S2’ Xét mặt chất coi vật ảnh tham gia đồng thời hai chuyển động: vừa chuyển động dọc theo trục thấu kính, vừa chuyển động theo phương vng góc với trục - Các thơng số liên quan đến dịch chuyển dọc theo trục vật ảnh S1H S1’H’ - Các thông số liên quan đến dịch chuyển vật ảnh theo phương vng góc với trục S2H S2’H’ Như để xét mối qua hệ vật S S2 S1 α H S1’ H’ O ảnh qua thấu kính ngồi cơng thức thấu kính ta có thêm hệ thức lượng tam giác S2S1H tam giác S2’S1’H’ PHẦN II PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP I SỰ DICH CHUYỂN DỌC THEO TRỤC CHÍNH THẤU KÍNH F’ β S2’ Dạng 1: Cho độ dịch chuyển vật ảnh ∆ d , ∆ d’, f Xác định d1, d1’ Đây dạng toán ngược cho biết dịch chuyển vật ảnh từ xác định vị trí vật ảnh ban đầu sau dịch chuyển Để giải tốn ta áp dụng cơng thức sau, với lưu ý ta lấy d làm ẩn biến đổi: d1' = d1 f d1 − f d = d1 ± ∆d d 2' = d1' ∆d = d1 f ∆d ' d1 − f d f ' Theo cơng thức thấu kính ta lại có: d = d − f (*) Thay giá trị vào biểu thức (*) ta được: d1 f ( d ± ∆d ) f (**) ∆d ' = d1 − f d1 ± ∆d − f Với giá trị ∆ d , ∆ d’, f đầu cho từ (**)ta thu phương trình bậc hai ẩn d1 từ xác định d1’ thơng số khác Bài tập ví dụ 1: Một điểm sáng S đặt trước thấu kính hội tụ có tiêu cự f = 40cm Di chuyển S khoảng 20cm lại gần thấu kính người ta thấy ảnh S’ S di chuyển khoảng 40 cm Tìm vị trí vật ảnh lúc đầu sau di chuyển Hướng dẫn giải Gọi d1, d2 khoảng cách từ S tới thấu kính lúc đầu sau dịch chuyển Vị trí ban đầu ảnh: ' d1 = d1 f 40d1 = d1 − f d1 − 40 • Vị trí vật ảnh sau di chuyển : d2 = d1 – 20 d '2 = d2 f 40(d1 − 20) = d2 − f d1 − 60 • Vì vật di chuyển dọc theo trục thấu kính nên ảnh di chuyển chiều với vật nên ta có d2’ = d1’ + 40 (*) Thay giá trị vào phương trình (*) biến đổi ta được: d12 − 100d1 + 1600 = Giải ta d1 = 80cm d1 = 20cm d f 40d 40.80 ' 1 + với d1 = 80cm ta xác định d1 = d − f = d − 40 = 80 − 40 = 80cm 1 d2 = d1 – 20 = 60cm, d2’ = d1’ + 40 = 120cm + Với d1 = 20cm, ta xác định d1’ = - 40cm, d2 = d2’ = Dạng Cho ∆d, k1, k2 tính d f Vật vị trí đầu ảnh có độ phóng đại k1, vị trí sau ảnh có độ phóng đại k2 Khi áp dụng cơng thức thấu kính ta có : k1 = k2 = k f => f = d1 (*) f − d1 k1 − f f = f − d2 f − ( d ± ∆d ) k Xét tỉ số : k = Suy : d1 = f − ( d1 ± ∆d ) ( ± ∆d )(k1 − 1) ( ± ∆d ) = 1− = 1− f − d1 f − d1 d1 (± ∆d )(k1 − 1) k (**) k1 − k Thay giá trị biết vào (**) ta xác định d từ xác định f biểu thức (*) Bài tập ví dụ Vật sáng AB qua thấu kính cho ảnh thật có độ phóng đại Dịch vật xa thấu kính đoạn 12cm thu ảnh có độ phóng đại Tính tiêu cự thấu kính vị trí ban đầu vật Hướng dẫn giải • Xét trường hợp vật ảnh vị trí ban đâu: k1 = f f − d1 Vì vật thật qua thấu kính cho ảnh thật nên ảnh vật ngược chiều nên ta có f k1< Mà theo đầu k1 = => k1 = -  f −d = −5 => f = d1 (1) • Xét trường hợp vật ảnh sau dịch chuyển - Do dịch vật xa thấu kính nên ta có d2 = d1 + ∆ d = d1+ 12 - Vật dịch xa thấu kính nên tính chất ảnh khơng đổi, ảnh ảnh thật ngược chiều với vật nên k2 < 0, kết hợp với đầu ta có: k2 = - f f Ta có k = f − d = f − (d + ∆d ) k Xét tỉ số : k = Suy : d1 = f − ( d1 + ∆d ) ∆d ( k1 − 1) ∆d = 1− = 1− f − d1 f − d1 d1 ∆d (k1 − 1)k (2) k1 − k Thay giá trị vào (2), giải ta : d1 = 48cm Từ (1) suy f = 40cm Dạng 3: Cho f, mối quan hệ k2 với k1, ∆d xác định d1, d1’ Theo công thức thấu kính ta có : Xét tỉ số : k1 = f (*) f − d1 k2 = f f = f − d2 f − ( d ± ∆d ) k1 f − (d1 ± ∆d ) = k2 f − d1 => k1 ( ± ∆d ) = 1− k2 f − d1 Thay giá trị k1/k2, f, ∆ d ta xác định d1, d1’ thơng số khác Bài tập ví dụ Một vật sáng AB đặt trước thấu kính hội tụ tiêu cự f = 24cm cho ảnh ảo cao 4cm Di chuyển vật sáng dọc theo trục đoạn 6cm, ảnh thu ảnh ảo cao 8cm a Xác định chiều dịch chuyển vật b Xác định vị trí vật ảnh trước sau di chuyển Hướng dẫn giải a Thấu kính sử dụng thấu kính hội tụ, ảnh ảo sau cao ảnh ảo trước chứng tỏ ảnh ảo di chuyển xa thấu kính Vì vật di chuyển dọc theo trục thấu kính nên ảnh vật di chuyển chiều Như ta kết luận vật AB di chuyển xa thấu kính b Gọi d1, d2 khoảng cách từ vật đến thấu kính vị trí trước sau dịch chuyển d1’ ,d2’ khoảng cách từ ảnh đến thấu kính trước sau dịch chuyển, ∆d khoảng dịch chuyển vật + Ta có: d2 = d1 ± ∆d vật dịch chuyển xa thấu kính nên ta có: d2 = d1 + ∆d k AB 2 + Xét tỉ số : k = ± A B = ± = ±2 1 Vì hai ảnh ảnh ảo chiều với vật nên k1 > k2 > nên ta có k2 = k1 Theo cơng thức thấu kính ta có : Xét tỉ số : k1 = f (*) f − d1 k2 = f f = f − d2 f − ( d ± ∆d ) k1 f − (d1 ± ∆d ) = k2 f − d1 => k1 ( ± ∆d ) = 1− k2 f − d1 Thay giá trị k1/k2, f, ∆ d, giải ta d1 = 12cm Suy d2 = d1 + = 12 + = 18cm Dạng : Cho k1, ∆d1, ∆d’ tính d1, d1’ f Bài tập ví dụ Một vật sáng đặt trước thấu kính cho ảnh thật hai lần vật Nếu dịch vật lại gần thấu kính 6cm ảnh dich 48cm Xác dịnh tiêu cự thấu kính, vị trí ban đầu vật ảnh Hướng dẫn giải * Xét trường hợp trước vật dịch chuyển: Vật thật đặt trước thấu kính cho ảnh thật lớn vật chứng tỏ thấu kính hội tụ Và ta có qua thấu kính hội tụ ảnh thật ngược chiều với vật nên k < theo đầu ảnh hai lần vật nên k1 = - f  f − d = −2 => f = d1 (1) d1 d1 d1 f = = 2d1 (2) - Ta có d = d1 − f d1 − d ' '1 * Xét trường hợp sau vật ảnh di chuyển - Vật dich lại gần thấu kính 6cm nên ta có: d2 = d1 – 6.(3) - Theo ảnh dich 48cm Mà qua thấu kính vật dịch chuyển dọc theo trục ảnh vật di chuyển chiều nên ảnh di chuyển xa thấu kính nên ta có d2’ = d1’ + 48 = 2d1 +48.(4) d2 f ' Theo công thức thấu kính ta có: d = d − f Tải FULL (21 trang): https://bit.ly/3tqgHYU Dự phòng: fb.com/TaiHo123doc.net (d1 − 6) d1 Thay (1), (3), (4) vào biểu thức ta được: 2d + 48 = d1 −  d12 + 30d1 – 216 = Giải loại nghiệm âm ta d1 = 6cm Suy f = 2/3 d1 = 4cm, d1’ = 2d1 = 12cm NHẬN XÉT Như vây qua tâp ví dụ 1,2,3,4 ta thấy có tạo ảnh qua thấu kính, để mơ tả vị trí, tính chất vật ảnh trạng thái ban đầu sau dịch chuyển có nhiều thơng số khác : d 1, d1’, d2, d2’, ∆ d, ∆ d, k1,k2 f Điều khơng có phương pháp giải tốt dễ dẫn đến việc biến đổi vịng vo, tính tốn không hướng Mặc dù với dạng khác với kiện khác ta có phương pháp giải cụ thể cho dạng trình bày Tuy nhiên để tránh biến đổi phức tạp định hướng chung cho nhóm tập ta nên chọn giá trị d1 làm ẩn, sau xác định giá trị khác theo ẩn d1 dựa mối qua hệ yếu tố ta lập phương trình ẩn d1 Giải phương trình tìm d1 từ ta tìm thơng số lại II SỰ DỊCH CHUYỂN CỦA VẬT THEO PHƯƠNG VNG GĨC VỚI TRỤC CHÍNH Bài tập Một điển sáng S nằm trục thấu kính hội tụ có tiêu cự 10cm cách thấu kính 20cm Cho S chuyển động theo phương vng góc với trục thấu kính, theo chiều từ lên với vận tốc 3cm/s thời gian 2s Hãy xác định chiều độ dịch chuyển S’ Hướng dẫn giải: Gọi S1 vị trí ban đầu, S2 vị trí S sau dich chuyển 2giây S1’ S2’ ảnh S1,S2 qua thấu kính Ta có hình vẽ: S2 F’ S1 S1’ O S2’ * Tính S1’S2’ Theo đầu ta có: S1S2 = v.t = 3.2 = 6cm Vì S1S2 vng góc với trục nên ảnh S1’S2’cũng vng góc với trục Chính d f 20.10 Khoảng cách từ S1’S2’ đến thấu kính d’ = d − f = 20 − 10 = 20cm S1' S 2' d ' 20 = = = => S1’S2’ = S1.S2 = 6cm Độ phóng đại ảnh S1 S d 20 Vậy S dịch chuyển với vận tốc 3cm/s thời gian 2s theo phương vng góc với trục theo chiều từ lên ảnh S’của di chuyển theo 4110774 ... a Xác định chiều dịch chuyển vật b Xác định vị trí vật ảnh trước sau di chuyển Hướng dẫn giải a Thấu kính sử dụng thấu kính hội tụ, ảnh ảo sau cao ảnh ảo trước chứng tỏ ảnh ảo di chuyển xa thấu. .. trục thấu kính ảnh vật di chuyển chiều SỰ DỊCH CHUYỂN CỦA VẬT THEO PHƯƠNG VNG GĨC VỚI TRỤC CHÍNH Ban đầu vật vị trí S1 qua thấu kính cho ảnh S1’ Khi vật dịch chuyển theo phương vng góc với trục thấu. .. đặc điểm ảnh so với vị trí ban đầu Sự thay đổi nhiều hay phụ thuộc vào đặc điểm dich chuyển vật trước thấu kính Sự thay đổi vị trí vật trước thấu kính khái qt dạng sơ đồ sau: Sự dịch chuyển theo