2.1.1. Cấu trúc nội dung chương “Khúc xạ ánh sáng”
Chương “Khúc xạ ánh sáng” theo chương trình Vật lí 11 được phân phối như sau: gồm 6 tiết, có 2 tiết lí thuyết, 3 tiết bài tập và 1 tiết kiểm tra, được cấu trúc nội dung cụ thể như sau:
Bảng 2.1. Cấu trúc nội dung cụ thể của từng bài
Chương VI: Khúc xạ ánh sáng
Khúc xạ ánh sáng (1 tiết)
- Phát biểu được định luật khúc xạ ánh sáng.
- Nêu được chiết suất tuyệt đối, chiết suất tỉ đối là gì và mối quan hệ giữa các chiết suất này với tốc độ ánh sáng trong các môi trường.
- Nêu được tính thuận nghịch của sự truyền ánh sáng và chỉ ra sự thể hiện tính chất này ở định luật khúc xạ ánh sáng.
Hiện tượng phản xạ toàn phần
(1 tiết)
- Mô tả được hiện tượng phản xạ toàn phần và nêu được điều kiện xảy ra hiện tượng này.
-Mô tả được sự truyền ánh sáng trong cáp quang và nêu được ví dụ về ứng dụng cáp quang và tiện lợi của nó.
Trong chương “Khúc xạ ánh sáng” đề cập đến các vấn đề sau:
- Định luật khúc xạ ánh sáng. Chiết suất tuyệt đối và tỉ đối và mối quan hệ giữa các chiết suất này với tốc độ của ánh sáng trong các môi trường. Tính thuận nghịch của sự truyền ánh sáng.
- Hiện tượng phản xạ toàn phần và điều kiện xảy ra hiện tượng này. Ứng dụng của hiện tượng phản xạ toàn phần.
Các nội dung kiến thức trong chương có cấu trúc theo sơ đồ:
Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc nội dung chương “Khúc xạ ánh sáng”
2.1.2. Mục tiêu của chương “Khúc xạ ánh sáng”
2.1.2.1. Mục tiêu về kiến thức
- Phát biểu được định luật khúc xạ ánh sáng và viết được hệ thức của định luật này.
- Nêu được chiết suất tuyệt đối, chiết suất tỉ đối là gì?
- Nêu được tính chất thuận nghịch của sự truyền ánh sáng và chỉ ra sự thể hiện tính chất này ở định luật khúc xạ ánh sáng.
- Mô tả được hiện tượng phản xạ toàn phần và nêu được điều kiện xảy ra hiện tượng này.
- Mô tả được sự truyền ánh sáng trong cáp quang và nêu được ví dụ về ứng dụng của cáp quang.
Hiện tượng khúc xạ ánh sáng.
Chiết suất
tuyệt dối Chi tỉ đối ết suất
Khúc xạ ánh sáng Hiện tượng phản xạ toàn phần Định luật khúc xạ ánh sáng: Sinr Sini = hằng số hay Sinr Sini = 1 2 n n
2.1.2.2. Mục tiêu về kĩ năng
HS
- Vận dụng được hệ thức của định luật khúc xạ ánh sáng. - Giải được các bài tập về hiện tượng phản xạ toàn phần.
2.1.2.3. Mục tiêu về thái độ - tình cảm
HS
- Hứng thú tham gia xây dựng bài học, đưa ra được các dự đoán, giải pháp để giải quyết nhiệm vụ được giao.
- Có tinh thần hợp tác, trách nhiệm trong các hoạt động nhóm.
2.2. Thiết kế tiến trình dạy học chương “Khúc xạ ánh sáng”
Để phát huy tính tích cực và tự chủ trong học tập của HS, chúng tôi thiết kế các phương án dạy học theo hướng PH & GQVĐ, do đó nội dung các kiến thức trong chương được cấu trúc theo 2 bài học:
Bài học 1: Khúc xạ ánh sáng (1 tiết). Bài học 2: Phản xạ toàn phần (1 tiết).
Khi thiết kế phương án dạy học ở mỗi bài học, chúng tôi thực hiện 5 bước : - Xác định các câu hỏi (vấn đề) và các kết luận tương ứng (nội dung kiến thức cần xây dựng).
- Lập sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức. - Xác định mục tiêu dạy học.
- Nêu sự chuẩn bị của GV và HS.
- Tổ chức hoạt động dạy học với từng đơn vị kiến thức trong bài học phù hợp nhằm phát huy tối đa tính tích cực, tự chủ chiếm lĩnh kiến thức ở HS.
2.2.1. Bài 1: Khúc xạ ánh sáng
Các câu hỏi và các kết luận tương ứng
Câu hỏi 1: Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là gì?
Kết luận 1: Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là hiện tượng chùm tia sáng bị đổi phương đột ngột khi đi qua mặt phân cách hai môi trường truyền ánh sáng.
Câu hỏi 2: Ý nghĩa của chiết suất tuyệt đối và chiết suất tỉ đối? Giải thích hiện tượng khúc xạ ánh sáng khi ánh sáng truyền qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt?
Kết luận 2:
- Chiết suất tuyệt đối của một môi trường cho ta biết vận tốc truyền của ánh sáng trong môi trường đó giảm đi bao nhiêu lần so với tốc độ ánh sáng trong chân không.
- Chiết suất tỉ đối của môi trường này đối với môi trường kia cho ta biết tốc độ ánh sáng trong môi trường này hơn hoặc kém hơn tốc độ ánh sáng trong môi trường kia bao nhiêu lần.
- Giải thích hiện tượng khúc xạ ánh sáng: Hiện tượng khúc xạ ánh sáng gây ra do vận tốc truyền sóng của ánh sáng khác nhau trong các môi trường khác nhau. Bằng nguyên lí Huyghen, người ta giải thích khi đập vào mặt phân cách, vì vận tốc truyền sóng ánh sáng khác nhau nên mặt đầu sóng đổi phương, do đó phương truyền của tia sáng bị gãy khúc tại mặt phân cách.
Câu hỏi 3: Nội dung định luật khúc xạ ánh sáng?
Kết luận 3:
- Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới.
- Tia tới và tia khúc xạ nằm ở hai bên pháp tuyến tại điểm tới.
- Đối với hai môi trường trong suốt nhất định, tỉ số giữa sin của góc tới và sin của góc khúc xạ là một hằng số. sin sin i n r = ; 2 1 21 1 2 n v n n v = =
Câu hỏi 4: Tính thuận nghịch của sự truyền ánh sáng?
Kết luận 4: Ánh sáng truyền đi theo con đường nào thì cũng truyền ngược lại được theo con đường đó.
Lập sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức.
Các nội dung kiến thức trên được dạy theo cách ôn tập kiến thức đã học ở lớp 9 và thông báo bổ sung khái niệm chiết suất tuyệt đối, chiết suất tỉ đối, công thức của định luật khúc xạ ánh sáng và mở rộng kiến thức bằng cách đặt vấn đề nhìn một vật qua mặt nước.
Mục tiêu của bài học Về kiến thức: HS
- Phát biểu được định luật khúc xạ ánh sáng và viết được hệ thức của định luật này.
- Nêu được chiết suất tuyệt đối, chiết suất tỉ đối là gì?
- Nêu được tính chất thuận nghịch của sự truyền ánh sáng và chỉ ra sự thể hiện tính chất này ở định luật khúc xạ ánh sáng.
Về kĩ năng: HS
- Vận dụng được hệ thức của định luật khúc xạ ánh sáng. - Vẽ được ảnh của vật qua mặt lưỡng chất phẳng.
- Giải thích được các hiện tượng thực tế.
Về thái độ: HS
- Rèn luyện tính tích cực, trách nhiệm khi làm việc.
Chuẩn bị của GV và HS
GV:- Phiếu học tập số 1 và đáp án; phiếu học tập số 2 dành cho các nhóm (phụ lục 1).
- Soạn thảo 5 câu trắc nghiệm khách quan nhiều lựa chọn (phụ lục 1). - Máy chiếu, bút viết, giấy A3.
HS: - Ôn lại những kiến thức đã học khúc xạ ánh sáng ở lớp 9. - Đọc trước bài mới ở nhà.
Tổ chức hoạt động dạy học
* Hoạt động I: Định nghĩa hiện tượng khúc xạ ánh sáng
Hoạt động của GV Hoạt động của HS
-Trước khi vào bài mới, các em hãy quan sát chiếc thìa đặt trong cốc nước và cho biết nhận xét về hình ảnh chiếc thìa.
HS: chiếc thìa bị gãy khúc ngay ở điểm tiếp xúc của chiếc thìa và mặt nước.
GV: Hiện tượng trên được gọi là hiện tượng khúc xạ ánh sáng các em đã được học ở THCS, và hiện tượng khúc xạ được định nghĩa như sau: “là hiện tượng chùm tia sáng bị đổi phương đột ngột khi đi qua mặt phân cách của 2 môi trường truyền ánh sáng”.
GV: Chiếu chùm tia sáng song song vào môi trường nước, mặt nước được xem là dụng cụ quang học, thì tia sáng bị lệch phương truyền.
Hệ hai môi trường không khí và nước được gọi là gì?
Mặt nước được gọi là gì? Tia SI được gọi là tia gì? Tia IR được gọi là tia gì?
GV: ta xem mặt phân cách của hai môi trường như là một dụng cụ quang học do đó tia SI gọi là tia tới. Tia IR sau khi đi qua mặt phân cách của hai môi trừơng truyền sáng bị đổi phương do đó ta gọi tia IR là tia khúc xạ.
Không khí là môi trường chứa tia tới nên ta gọi không khí là môi trường tới. Nước là môi trường chứa tia khúc xạ nên ta gọi nước là môi trường khúc xạ. Khi ta chiếu ánh sáng từ môi trường không khí vào môi trường nước theo đường truyền từ SIR thì khi cho ánh
I. Định nghĩa hiện tượng khúc xạ ánh sáng:
- Khúc xạ là hiện tượng chùm tia sáng bị đổi phương đột ngột khi đi qua mặt phân cách của hai môi trường truyền ánh sáng.
Hình vẽ :
sáng truyền từ môi trường nước sang môi trường không khí có thể truyền ngược lại theo đường truyền từ RIS, đây là tính thuận nghịch trong đường truyền tia sáng.
Hoạt động II: Chiết suất của môi trường
- Ánh sáng truyền từ môi trường này sang môi trường khác không truyền thẳng mà bị khúc xạ, do đâu mà có hiện tượng này người ta giải thích rằng tốc độ truyền sáng trong mỗi môi trường là khác nhau nên khi đi qua mặt phân cánh hai môi trường truyền sáng ánh sáng bị đổi phương một cách đột ngột.
- Để so sánh tốc độ ánh sáng trong các môi trường khác nhau như thế nào người ta chọn một tốc độ ánh sáng làm mốc, đó là tốc độ ánh sáng truyền trong chân không, và tốc độ ánh sáng trong các môi trường nhỏ hơn bao nhiêu lần so với tốc độ ánh sáng trong môi trường đó người ta gọi là chiết suất tuyệt đối của môi trường đó.
- Thông thường khi nói đến chiết suất của môi trường ta hiểu ngay đó là chiết suất tuyệt đối của môi trường đó.
II. Chiết suất của môi trường:
1. Chiết suất tuyệt đối:
Chiết suất tuyệt đối của một môi trường là tỉ số giữa tốc độ ánh sáng trong chân không với tốc độ ánh sáng trong môi trường đó.
- Chiết suất tuyệt đối của môi trường tới:
-Chiết suất tuyệt đối của môi trường khúc xạ
Qui ước:
- Chiết suất tuyệt đối của môi trường không khí và môi trường chân không là 1.
- Khi nói đến chiết suất thì đó là chiết suất tuyệt đối.
* Chiết suất tuyệt đối của một môi trường luôn luôn lớn hơn 1, do tốc độ của ánh sáng đi trong các môi trường bao giờ cũng nhỏ hơn tốc độ ánh sáng
GV: bên cạnh chiết suất tuyệt đối ta còn có khái niệm chiết suất tỉ đối.
trong chân không.
* Ý nghĩa chiết suất tuyệt đối:
- So sánh giữa tốc độ truyền ánh sáng trong một môi trường nhỏ hơn bao nhiêu lần so với tốc độ truyền sáng của ánh sáng đó trong chân không 2. Chiết suất tỉ đối:
Chiết suất tỉ đối của môi trường này đối với môi trường kia là tỉ số chiết suất tuyệt đối của môi trường này với môi trường kia.
Khi ánh sáng truyền từ môi trường 1 sang môi trường 2 thì chiết suất tỉ đối của môi trường 2 đối với môi trường 1 là: 2 2 1 21 1 2 1 c n v v n c n v v = = =
Chiết suất tỉ đối của môi trường khúc xạ đối với môi trường tới:
/ t kx kx t kx t c v v n c v v = =
* Ý nghĩa chiết suất tương đối
Chiết suất tương đối của môi trường này với môi trường kia là so sánh tốc độ truyền sáng của ánh sáng trong môi trường này nhỏ hơn hoặc lớn hơn bao nhiêu lần tốc độ truyền
sáng của ánh sáng trong môi trường kia.
* Chiết quang: chiết suất quang học của một môi trường truyền ánh sáng + Nếu nt > nkx thì môi trường tới chiết quang hơn môi trường khúc xạ. + Nếu nt < nkx thì môi trường tới chiết quang kém hơn môi trường khúc xạ.
Hoạt động III: Định luật khúc xạ ánh sáng.
Sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức “Định luật khúc xạ ánh sáng”
1. Làm nảy sinh vấn đề
Học sinh đã được học:
+ Hiện tượng khúc xạ ánh sáng: Ánh sáng đi từ môi trường này sang môi trường khác thì bị gãy khúc tại mặt phân cách của hai môi trường.
+ Các khái niệm: tia tới, tia khúc xạ, góc tới, góc khúc xạ, pháp tuyến tại điểm tới, mặt phẳng tới.
Từ quan sát thí nghiệm: Chiếu tia sáng từ không khí vào nước, tia sáng bị đổi hướng tại mặt phân cách, ứng với góc tới khác nhau cho ta góc khúc xạ khác nhau.
2. Phát biểu vấn đề cần giải quyết
Vị trí của tia khúc xạ phụ thuộc như thế nào vào vị trí của tia tới?
3. Giải quyết vấn đề 3.1. Đề xuất giả thuyết 1
- Thí nghiệm hỗ trợ đề xuất giả thuyết:
+ Sử dụng đèn laze chiếu từ không khí vào nước, ta thấy tia khúc xạ ở bên kia pháp tuyến so với tia tới và cả hai cùng nằm trong một mặt phẳng.
+ Khi thay đổi góc tới, ta thấy ứng với góc tới lớn thì góc khúc xạ lớn và ngược lại góc tới nhỏ thì góc khúc xạ nhỏ.
- Đề xuất giả thuyết:
+ Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới và ở bên kia pháp tuyến so với tia tới. + Góc khúc xạ tỉ lệ thuận với góc tới.
3.2. Kiểm tra tính đúng đắn của giả thuyết 1
- Nội dung cần kiểm tra nhờ thí nghiệm:
+ Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới và ở bên kia pháp tuyến so với tia tới. + Góc khúc xạ tỉ lệ thuận với góc tới.
- Thiết kế phương án thí nghiệm:
+ Cần có hai môi trường trong suốt phân cách với nhau bởi mặt phẳng. Để đơn giản dùng một môi trường là không khí còn môi trường kia là khối thủy tinh. + Để đo góc tới và góc khúc xạ cần thước đo góc là bảng tròn chia độ.
+ Khối thủy tinh có dạng hình bán trụ để dễ đọc giá trị của góc khúc xạ, và tia sáng truyền thẳng khi ra khỏi khối thủy tinh. Khối bán trụ được gắn chặt vào thước đo góc sao cho tâm của thước đo trùng với trục của hình trụ.
+ Đèn laze.
- Bố trí thí nghiệm như hình vẽ:
+ Chiếu tia tới nằm trong mặt phẳng thước đo (mặt phẳng khối thủy tinh), quan sát thấy tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới. Thay đổi phương của tia tới, không quan sát được tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng thước đo.
+ Thay đổi góc tới và đo góc khúc xạ ứng với góc tới đó, ghi nhận lại: Lần đo/ Kết quả Góc tới i Góc khúc xạ r i/r 1 2 3 4
4. Phân tích kết quả từ giả thuyết 1
- Đối chiếu kết quả thí nghiệm với giả thuyết 1 đã đề xuất, cho thấy:
+Thay đổi mặt phẳng tới (thay đổi phương của tia tới), không thể quan sát được tia khúc xạ trong mặt phẳng thước đo.
+ Ứng với góc tới nhỏ, góc khúc xạ tỉ lệ thuận với góc tới. + Ứng với góc tới lớn, góc khúc xạ không còn tỉ lệ với góc tới.
Phân tích kết quả góc tới và góc khúc xạ, cho thấy sin góc tới tỉ lệ với sin góc khúc xạ (đối với các góc nhỏ: sin i ≈ i, sin r ≈ r).
-Từ đó đưa ra giả thuyết 2:
Sin góc tới tỉ lệ thuận với sin góc khúc xạ.
Lần đo/ Kết quả Góc tới i Góc khúc xạ r Sin i/ sin r 1
2
4
- Phân tích kết quả từ bảng số liệu thu được từ thí nghiệm, thấy:
Sin góc tới tỉ lệ thuận với sin góc khúc xạ.
- Kết hợp với kết luận sau khi kiểm chứng từ giả thuyết 1, đưa ra kết luận:
Định luật khúc xạ ánh sáng:
- Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới và nằm bên kia pháp tuyến so với tia tới.