8. Cấu trúc luận văn
2.1.2. Mục tiêu đề xuất theo định hướng nghiên cứu của đề tài
- Nêu giả thuyết và phương án kiểm tra giả thuyết để nghiên cứu định luật
khúc xạ ánh sáng.
- Đề xuất được cách khắc phục tật cận thị, viễn thị, lão thị bằng cách đeo kính và chọn kính cho mắt cận thị và viễn thị .
- Tham gia vào việc đề xuất nguyên tắc cấu tạo kính thiên văn, kính hiển vi
- Tham gia xây dựng được biểu thức số bội giác của kính hiển vi, kính thiên văn trong trường hợp ngắm chừng ở vô cực.
2.2. Nội dung khoa học các kiến thức phần “Quang hình học” lớp 11 chương trình cơ bản.
2.2.1. Khúc xạ ánh sáng.
Bậc THCS đã cung cấp hiện tượng khúc xạ ánh sáng ở mức độ định tính: Khi đi qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt, ánh sáng đổi phương truyền. Tia tới và tia khúc xạ nằm ở hai bên pháp tuyến tại điểm tới. Khi truyền từ không khí vào nước, góc khúc xạ bé thua góc tới và ngược lại. Khi góc tới tăng thì góc khúc xạ tăng.
Trong chương trình vật lý 11 cơ bản, hiện tượng khúc xạ ánh sáng được hoàn chỉnh cả về mặt định tính và về mặt định lượng:
- Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng lệch phương (gãy) của các tia sáng khi truyền xiên góc qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt khác nhau.
- Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới (tạo bởi tia tới và pháp tuyến) và ở bên kia pháp tuyến so với tia tới.
- Với hai môi trường trong suốt nhất định, tỉ số giữa sin góc tới (sini) và sin
góc khúc xạ (sinr) luôn không đổi: sin sin
i
r =hằng số
Đây là cơ sở để xác định chính xác đường đi của tia sáng khi qua mặt phân cách giữa hai môi trường, đường đi của ánh sáng trong các quang cụ. Vật lý 11 cơ bản cung cấp thêm các khái niệm: tính thuận nghịch của chiều truyền ánh sáng, chiết quang hơn, chiết quang kém, chiết suất tỉ đối, chiết suất tuyệt đối và vai trò của chúng trong hiện tượng khúc xạ ánh sáng.
Trong SGK vật lý 11 cơ bản, định luật khúc xạ ánh sáng được hình thành bằng cách GV thông báo cách làm thí nghiệm để đo góc tới i, góc khúc xạ r, dựa
vào các tỉ số sin sin
i
r rút ra định luật. Vậy là chưa tạo tình huống “có vấn đề” kích thích hứng thú để HS tìm hiểu vấn đề, chưa định hướng HS suy nghĩ tìm cách giải quyết vấn đề và tổ chức cho HS làm thí nghiệm để giải quyết vấn đề trong khi chúng ta có thể làm được một số công đoạn.
2.2.2. Phản xạ toàn phần.
Hiện tượng phản xạ toàn phần là một khái niệm mới có một số ứng dụng và hiện tượng thực tế liên quan dễ kích thích được sự hứng thú HS để tìm hiểu ứng dụng hoặc tìm cách giải thích các hiện tượng liên quan.
Trong SGK vật lý 11 cơ bản, hiện tượng phản xạ toàn phần được hình thành bằng cách: Lập luận khi chiếu ánh sáng (vào môi trường chiết quang hơn) từ môi trường có chiết suất n1 sang môi trường có chiết suất n2 nhỏ hơn, tăng góc tới i thì góc khúc xạ r cũng tăng và luôn nhỏ hơn i. Khi r đạt 900 thì i đạt igh,
rút ra 2
1
sinigh n n
= . Thông báo rằng thí nghiệm với i ≥ igh sẽ không có hiện tượng
khúc xạ mà chỉ có hiện tượng phản xạ tại mặt phân cách. Sau đó, thông báo cách giải thích ứng dụng sợi quang.
Ta có thể tổ chức cho HS tìm hiểu hiện tượng, điều kiện xảy ra bằng dạy học giải quyết vấn đề, định hướng giúp đỡ HS tự tìm cách giải thích ứng dụng kỹ thuật sợi quang và một số hiện tượng thực tế của hiện tượng phản xạ toàn phần.
2.2.3. Lăng kính. Thấu kính mỏng
* Lăng kính là kiến thức mới được đưa vào chương trình vật lý 11 cơ bản. Trong SGK lăng kính được định nghĩa: Lăng kính là một khối chất trong suốt, đồng chất (thủy tinh, nhựa…), thường có dạng lăng trụ tam giác.
Ngoài ra, trong SGK còn trình bày các yếu tố của lăng kính: cạnh, mặt bên, đáy, tiết diện chính, góc chiết quang A hay góc ở đỉnh.
Đường đi của tia sáng qua lăng kính là phần quan trọng của bài giảng. Bằng những kiến thức về hiện tượng khúc xạ ánh sáng đã học trong chương trước, HS dễ dàng biện luận và vẽ được đường đi của tia sáng qua lăng kính. Ở SGK vật lý 11, các kiến thức này được thông báo. Trong khi đó những kiến thức này có thể tạo điều kiện cho HS tự xây dựng.
Một nội dung quan trọng của bài là tìm công thức lăng kính. Trong SGK thì các công thức này cũng được thông báo và nằm trong phần giảm tải của bộ. Tuy nhiên nội dung kiến thức này có thể tổ chức cho HS tự xây dựng. Trong đó cần lưu ý công thức xây dựng được chỉ áp dụng cho trường hợp lăng kính đặt trong không khí còn khi lăng kính đặt trong môi trường khác thì chiết suất là chiết suất tỉ đối của lăng kính với môi trường ngoài.
Lăng kính phản xạ toàn phần là kiến thức mới được đưa vào chương trình vật lý 11 cơ bản.
Với lăng kính có tiết diện là tam giác vuông cân, đặt trong không khí, chiếu ánh sáng vào mặt bên AB của lăng kính thuỷ tinh có chiết suất n = 1,5 thì tia sáng không ló ở cạnh huyền BC mà lại ló ra ở mặt đối diện, mặt bên AC. Tức là tia sáng đã bị phản xạ toàn phần tại mặt BC. Có thể giải thích trường hợp này như sau:
- Tại mặt AB góc tới i = 00 nên tia sáng đi thẳng vào lăng kính, tới mặt huyền BC với góc tới j = 450 .
- Góc tới giới hạn trong trường hợp này là igh với sinigh 2 1 1 1,5 n n = = ≈ 0,6667
=> igh vậy j>igh . Do đó, tia sáng phản xạ toàn phần tại mặt phân cách của hai môi trường.
Đây là tình huống có thể làm học sinh bất ngờ và có dự đoán sai về đường đi của tia sáng qua lăng kính. Do đó có thể lấy làm tình huống dạy học gây hứng thú học tập.
Lăng kính phản xạ toàn phần có tác dụng như một gương phẳng, và có nhiều ứng dụng thực tế.Trong SGK vật lý 11 cơ bản chỉ thông báo ứng dụng của lăng kính phản xạ toàn phần: người ta dùng lăng kính phản xạ toàn phần trong các kính tiềm vọng ở các tàu ngầm, trong ống nhòm, trong máy ảnh. Chúng ta có thể tạo tình huống ứng dụng vào thực tế, trong đó yêu cầu HS giải các ứng dụng đó. * Thấu kính mỏng - Đường đi của tia sáng qua thấu kính.
Ở THCS HS đã được tìm hiểu về thấu kính. Thấu kính hội tụ ở THCS được hiểu là thấu kính có rìa mỏng hơn phần giữa, chùm tia tới song song với trục chính của thấu kính cho chùm tia ló hội tụ tại tiêu điểm của thấu kính.
Thấu kính phân kỳ là thấu kính có phần rìa dày hơn phần giữa. Chùm tia tới song song với trục chính của thấu kính cho chùm tia ló phân kỳ.
Trong SGK vật lý 11 cơ bản thấu kính được định nghĩa chung cho cả hai loại thấu kính: Thấu kính: là một khối chất trong suốt (thủy tinh, nhựa,…) giới hạn bởi hai mặt cong hoặc bởi một mặt cong và một mặt phẳng.
Ở THCS học sinh cũng đã được tìm hiểu về đường đi của tia sáng qua các loại thấu kính. Tuy nhiên chỉ đề cập tới các tia đặc biệt mà không đề cập tới các tia sáng bất kỳ, mà chỉ ở THPT mới nghiên cứu thêm. Như vậy so với THCS thì đã có sự phát triển hoàn chỉnh hơn.
Các yếu tố của thấu kính là các kiến thức đều đề cập ở cả hai cấp học.
Một nội dung quan trọng khác của bài chính là dựng ảnh của vật tạo bởi sự khúc xạ ánh sáng qua hai loại thấu kính hầu như HS đã nắm được ngay từ bậc THCS tuy nhiên như đã nói ở trên do chưa tìm hiểu về đường đi của tia sáng bất kỳ qua thấu kính nên có một số trường hợp phải ở THPT HS mới có thể dựng ảnh của vật. Việc tìm kiếm mối quan hệ giữa d, d’ và f của thấu kính HS đã làm được ở lớp 9. Tuy nhiên đó là những kết quả rút ra bằng các kiến thức hình học. Lên THPT học sinh có được công thức tổng quát cho cả hai loại thấu kính. Trong bài
này chúng ta ít có cơ hội vận dụng DHGQVĐ tuy nhiên vẫn có thể tạo một số tình huống mang tính phát triển hoàn chỉnh hơn.
2.2.4. Mắt.
Ở THCS học sinh đã được nghiên cứu về cấu tạo mắt, sự điều tiết. So với ở THPT thì những kiến thức đó cũng không có nhiều sự khác biệt. Ở THPT thì HS được nghiên cứu thêm về góc trông vật và năng suất phân li của mắt. Đây là một kiến thức quan trọng tạo cơ sở tìm hiểu một số nội dung khác trong những bài học tiếp theo.
Các tật của mắt và cách khắc phục
Trong chương trình THCS HS được tìm hiểu hai loại tật của mắt đó là mắt cận thị và mắt lão. Các cách khắc phục cũng đã được giới thiệu. Tuy nhiên khi lên đến bậc THPT các em mới thật sự hiểu đựơc nguyên tắc khắc phục các tật đó thay vì công nhận nó. Ngoài ra, HS được tìm hiểu thêm tật viễn thị. Không những thế ở lớp 11, HS còn biết thêm một cách khắc phục các tật của mắt khác, đó là phẫu thuật cắt bỏ giác mạc. Cho tới bài học này thì các kiến thức về mắt đã được hoàn chỉnh.
Trong SGK vật lý 11 cơ bản thì những kiến thức này được thông báo, trong khi đó đây là những kiến thức gần gũi với cuộc sống của các em, nên với điều kiện nhất định chúng ta có thể tổ chức cho HS tự tìm hiểu đặc điểm cũng như các cách khắc phục các tật của mắt theo tinh thần của DHGQVĐ.
Như vậy tới bài học này các em đã có hoàn chỉnh các kiến thức về mắt.
2.2.5. Kính lúp. Kính hiển vi. Kính thiên văn
Bài “Kính lúp”, “Kính hiển vi”, “Kính thiên văn” thuộc loại bài về dạy các ứng dụng kĩ thuật của vật lý nên có thể sử dụng một trong hai con đường dạy học các ứng dụng kĩ thuật của vật lý.
Bài “Kính lúp”: Ở bậc THCS, kính lúp định nghĩa là một dụng cụ bổ trợ cho mắt có tác dụng phóng to hình ảnh của vật để dễ quan sát hơn. Số bội giác
của kính lúp G=25f .
Trong SGK vật lý 11 thì sau khi học sinh đã nắm được khái niệm góc trông thì khái niệm kính lúp được định nghĩa gắn liền với chức năng tăng góc trông vật: Kính lúp tạo ra ảnh để mắt nhìn ảnh dưới góc trông lớn hơn góc trông trực tiếp vật.
Trong SGK vật lý 11 khái niệm số bội giác của kính:
0 0
α tanα G =
α ≈ tanα
Với α là góc trông ảnh qua dụng cụ quang; α0 là góc trông trực tiếp vật. So với bậc THCS khái niệm này được nghiên cứu phát triển hoàn chỉnh hơn. Bao gồm ý nghĩa cũng như sự phụ thuộc giá trị số bội giác vào cách ngắm chừng. Do đó, chúng ta có thể thiết lập tạo tình huống “có vấn đề” khi hình thành khái niệm này.
Khái niệm này là cơ sở của việc xây dựng cách tính số bội giác của các dụng cụ quang bổ trợ cho mắt ở các bài học tiếp theo.
Bài “Kính hiển vi”, “Kính thiên văn”: Các kiến thức về kính hiển vi, kính thiên văn là những kiến thức mới được đưa vào chương trình THPT. Trong SGK vật lý 11, định nghĩa kính hiển vi, kính thiên văn được rút ra sau khi xây dựng nguyên tắc cấu tạo của một dụng cụ quang có thể giúp mắt quan sát những vật nhỏ mà sử dụng kính lúp cũng không thể quan sát được (kính hiên vi). Và quan sát những vật ở xa khi góc trông vật quá nhỏ khi nhìn trực tiếp bằng mắt thường (kính thiên văn). Sau đó đi vào tìm hiểu cấu tạo của kính hiển vi, kính thiên văn và cách ngắm chừng.
+ Vật kính là một thấu kính hội tụ hoặc hệ thấu kính có độ tụ dương có tiêu cự rất ngắn (cỡ mm) có tác dụng tạo thành một ảnh thật lớn hơn vật.
+ Thị kính là một thấu kính hội tụ hay hệ thấu kính hội tụ có tác dụng như một kính lúp dùng để quan sát ảnh thật tạo bởi vật kính.
- Kính thiên văn là dụng cụ quang bổ trợ cho mắt, có tác dụng tạo ảnh có góc trông lớn đối với những vật ở rất xa (các thiên thể). Đó là một dụng cụ quang dùng để quan sát các thiên thể ở rất xa.
- Kính thiên văn gồm có hai bộ phận chính :
+ Vật kính là một thấu kính hội tụ có tiêu cự dài. Nó có tác dụng tạo ra ảnh thật của vật tại tiêu diện của vật kính.
+ Thị kính, có tác dụng quan sát ảnh tạo bởi vật kính với vai trò như một kính lúp.
Trong SGK vật lý 11 chỉ nghiên cứu về kính thiên văn khúc xạ. Bộ phận chủ yếu của kính gồm hai thấu kính hội tụ.Vật kính có tiêu cự lớn. Thị kính có tiêu cự nhỏ. Hai kính được lắp đồng trục ở hai đầu của một ống hình trụ. Khoảng cách giữa chúng có thể thay đổi được.
Trong SGK vật lý 11 cơ bản thì nguyên tắc cấu tạo của hai loại kính này được thông báo. Trong khi đó ta có thể tổ chức cho HS xây dựng nguyên tắc cấu tạo của các kính này thông qua DHGQVĐ.
Số bội giác của kính hiển vi khi ngắm chừng ở vô cực:
δ ∞ = 1 2 = 1 2 Ñ G k G f f
Với : Đ= OCc , δ =F1’F2 :độ dài quang học
Số bội giác của kính thiên văn khi ngắm chừng ở vô cực: ∞ = 1 2
f G
f
Với: f1 là tiêu cự của vật kính, f2 là tiêu cự của thị kính.
Dựa trên mục tiêu và nội dung khoa học các kiến thức phần “Quang hình học” lớp 11 chương trình cơ bản tôi thiết lập sơ đồ cấu trúc logic như sau:
Grap nội dung phần “Quang hình học” lớp 11 chương trình cơ bản
Hiện tượng khúc xạ ánh sáng Điều kiện Hiện tượng phản xạ toàn phần
Định luật khúc xạ ánh sáng Ứng dụng (sợi quang)
Ứng dụng Mắt và các dụng cụ quang Lăng kính sini1 = nsinr1 sini2 = nsinr2 A = r1 + r2 D = i1 + i2 - A Lăng kính phản xạ toàn phần Thấu kính mỏng > < = = + = = − 0 : 0 : 1 1 1 1 ' A'B' ' AB f TKHT f TKPK D f f d d d k d Mắt Cấu tạo Kính lúp Kính hiển vi Kính thiên văn Sự điều tiết Các tật của mắt Cận thị Viễn thị Lão thị Đặc điểm Cách khắc phục
2.4. Thực trạng dạy học phần “Quang hình học”
Qua tìm hiểu thực trạng dạy học phần “Quang hình học” ở các trường: Trường THPT Tân Trụ, THPT Tân Trụ 2 tôi nhận thấy:
- Việc đảm bảo nội dung, mục tiêu dạy học của phần “Quang hình học”: nhiều GV không coi trọng, chỉ tập trung vào bài thấu kính mỏng phần mắt, kính lúp, kính hiển vi, kính thiên văn được bỏ qua.
- Phương pháp dạy học được sử dụng nhiều nhất là phương pháp thông báo-tiếp nhận, diễn giảng kết hợp với đàm thoại và có thể làm thí nghiệm minh họa (nếu có). Thông thường GV lần lượt thông báo các kiến thức theo trình tự nêu trong SGK, cố gắng trình bày đầy đủ các kiến thức, chỉ quan tâm đến nội dung kiến thức cơ bản mà ít quan tâm đến sự hình thành cho HS phương pháp nhận thức khoa học Vật lý.
- Hầu hết GV có đặt câu hỏi cho HS nhưng là những câu hỏi chỉ đòi hỏi sự tái hiện đơn thuần các kiến thức đã học và thường là những câu hỏi vụn vặt; ít có biện pháp kích thích nhu cầu tìm tòi và hứng thú học tập của HS: Các hiện tượng xảy ra trong tự nhiên và những ứng dụng của “Quang hình học” trong đời