Các câu hỏi và các kết luận tương ứng
Câu hỏi 1: Hiện tượng phản xạ toàn phần là gì?
Kết luận 1: Là hiện tượng phản xạ toàn bộ tia sáng tới, xảy ra ở mặt phân cách của hai môi trường trong suốt.
Câu hỏi 2: Xác định góc tới giới hạn?
Kết luận 2: Khi ánh sáng đi từ môi trường có chiết suất lớn hơn sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn, khi góc tới đạt giá trị igh thì góc khúc xạ đạt giá trị cực đại r=90o. Góc igh được tính như sau:
Sini < 1
Câu hỏi 3: Điều kiện xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần?
Kết luận 3:
- Ánh sáng truyền từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường chiết quang kém.
- Góc tới lớn hơn hoặc bằng góc tới giới hạn. Lập sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức
Mục tiêu của bài học: Về kiến thức: HS
- Phân biệt được hai trường hợp góc khúc xạ giới hạn và góc tới giới hạn.
- Hiểu được hiện tượng phản xạ toàn phần là gì? Điều kiện xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần.
- Phân biệt được hiện tượng phản xạ và phản xạ toàn phần.
Về kĩ năng: HS
- Giải thích được một số ứng dụng của hiện tượng phản xạ toàn phần trong đời sống.
- Làm được một số bài tập tổng hợp về khúc xạ và phản xạ toàn phần.
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, 2 và đáp án; phiếu học tập số 3 dành cho các nhóm (phụ lục 2).
- Soạn thảo 5 câu trắc nghiệm khách quan nhiều lựa chọn (phụ lục 2). - Máy chiếu, bút viết, giấy A3.
HS: - Ôn lại những kiến thức đã học khúc xạ ánh sáng ở bài học trước. - Đọc trước bài mới ở nhà.
Tổ chức hoạt động dạy học
Sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức
1. Làm nảy sinh vấn đề
- Từ bài tập: Chiếu một tia sáng từ thủy tinh có chiết suất 1,5 sang không khí dưới góc tới i= 60o
. Tìm góc khúc xạ.
2. Phát biểu vấn đề cần giải quyết, đề xuất giả thuyết và kiểm tra tính đúng đắn của giả thuyết 1
- Vì sao khi chiếu tia sáng từ thủy tinh có chiết suất 1,5 sang không khí dưới góc tới 60o
lại không tìm được góc khúc xạ?
2.2. Đề xuất giả thuyết
- Không có tia khúc xạ ứng với góc tới 60o .
2.3. Kiểm tra tính đúng đắn của giả thuyết
- Kiểm tra trực tiếp giả thuyết với phương án thí nghiệm: dùng một khối thủy tinh có hình bán trụ đặt trên thước tròn có vòng chia độ, chiếu tia sáng theo phương bán kính của khối bán trụ (như hình vẽ) vào tâm của nó với góc tới có giá trị 60o đồng thời quan sát xem có xác định được tia khúc xạ hay không?
- Kết luận: không thấy có tia khúc xạ nên không có góc khúc xạ nên giả thuyết đưa ra là đúng.
3. Phát biểu vấn đề cần giải quyết, đề xuất giả thuyết và kiểm tra tính đúng đắn của giả thuyết 2
3.1. Phát biểu vấn đề 2
- Khi chiếu tia sáng từ thủy tinh có chiết suất 1,5 sang không khí sẽ không có tia khúc xạ chỉ với góc tới 60o
hay còn những góc tới có giá trị khác?
3.2. Đề xuất giả thuyết 2
- Những góc tới lớn hơn 60o
sẽ không có tia khúc xạ. - Những góc tới nhỏ hơn 60o có thể có tia khúc xạ.
90 90 30 60 60 60 30 60 Tia khúc xạ Tia phản xạ Chùm tia laze i r 0 30 30 Hình 1 n1 n2 O
3.3. Kiểm tra tính đúng đắn của giả thuyết
- Kiểm tra trực tiếp giả thuyết với phương án thí nghiệm như trên. Giáo viên chia học sinh thành bốn nhóm tiến hành thí nghiệm với những giá trị góc tới khác nhau như sau: + Nhóm 1: giảm góc i từ 60o xuống 50o . + Nhóm 2: giảm góc i từ 50o xuống 40o. + Nhóm 3: tăng góc i từ 60o lên 75o. + Nhóm 4: tăng góc i từ 75o lên 90o.
Kết luận: Với góc tới từ 42o đến 90o không có tia khúc xạ, khi góc tới bằng 42o thì tia khúc xạ rất mờ và khi góc tới nhỏ hơn 42o
thì có tia khúc xạ.
4. Phát biểu vấn đề cần giải quyết, đề xuất giả thuyết và kiểm tra tính đúng đắn của giả thuyết 3
4.1. Phát biểu vấn đề 3
- Khi chiếu tia sáng từ thủy tinh có chiết suất 1,5 sang không khí thì vị trí, cường độ sáng của tia tới và tia khúc xạ thay đổi như thế nào?
4.2. Đề xuất giả thuyết 3
- Khi góc tới tăng thì góc khúc xạ cũng tăng và cường độ sáng của tia khúc xạ giảm dần còn cường độ sáng của tia phản xạ tăng dần.
4.3. Kiểm tra tính đúng đắn của giả thuyết
- Kiểm tra trực tiếp giả thuyết với phương án thí nghiệm như trên. Giáo viên chia học sinh thành bốn nhóm tiến hành thí nghiệm với những giá trị góc tới khác nhau như sau: + Nhóm 1: tăng góc i từ 0o lên 10o. + Nhóm 2: tăng góc i từ 10o lên 20o. + Nhóm 3: tăng góc i từ 20o lên 30o. + Nhóm 4: tăng góc i từ 30o lên 42o.
- Kết luận: Khi tăng dần góc i thì góc r cũng tăng và i luôn luôn bé hơn r (i < r) đồng thời cường độ sáng của tia khúc xạ giảm dần còn cường độ sáng của tia phản xạ
tăng dần. Đến giá trị i= 42o thì góc khúc xạ r= 90o cường độ sáng của tia khúc xạ rất mờ còn cường độ sáng của tia phản xạ gần bằng với tia tới.
- Bảng kết quả:
Góc tới (i) Chùm tia khúc xạ Chùm tia phản xạ
Nhỏ. - Lệch xa pháp tuyến (so với tia tới).
- Rất sáng. Rất mờ.
Giá trị đặc biệt (igh). - Gần như sát mặt phân cách.
- Rất mờ. Rất sáng.
Giá trị lớn hơn igh. Không còn. Rất sáng.
- Theo định luật khúc xạ ánh sáng. 2 1 inr n Sini S = n
Từ kết quả thí nghiệm, ta luôn có: i< r
Hay: Sini< Sinr
Nên: n1> n2
- Khi r đạt giá trị lớn nhất là 90o thì góc tới cũng có giá trị lớn nhất là igh
1. gh 2. 90o n Sini =n Sin Suy ra: 2 1 gh n Sini n =
Nếu: i> igh
Thì: Sini > Sinigh Áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng : 1 2 inr n . 1 S Sini n = > (Vô lí)
Hay: không có tia khúc xạ chỉ còn tia phản xạ, hiện tượng này gọi là phản xạ toàn phần.
5. Rút ra kết luận
- Hiện tượng phản xạ toàn phần là hiện tượng phản xạ toàn bộ tia sáng tới với độ sáng không đổi, xảy ra ở mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt.
- Điều kiện để có hiện tượng phản xạ toàn phần: 1 2
gh n n i i > ≥ với 2 1 gh n Sini n = Diễn giải sơ đồ
- Khi làm bài tập về khúc xạ ánh sáng, học sinh có thể gặp một bài tập như: “Chiếu một tia sáng từ thủy tinh có chiết suất 1,5 sang không khí dưới góc tới i= 60o. Tìm góc khúc xạ”.
- Tại sao lại không tìm được góc khúc xạ trong trường hợp này?
- Ta có thể sử dụng các kiến thức đã học và sử dụng như thế nào để trả lời câu hỏi này? Để tính góc khúc xạ ta có thể sử dụng công thức 2
1
inr
n Sini
S = n . Tuy nhiên, do học sinh không tính được giá trị Sinr (Vì Sinr>1) nên giả thuyết đề ra là không có tia khúc xạ ứng với góc tới 60o
. Tóm lại, giải pháp đề ra là:
- Xét một khối bán trụ thủy tinh có chiết suất 1,5 đặt trên bảng chia độ, một đèn laser. Chiếu ánh sáng đến khối bán trụ theo phương bán kính của khối bán trụ, điều chỉnh đến giá trị góc tới 60o
và quan sát xem có tia khúc xạ hay không?
- Học sinh lại nảy sinh một vấn đề tiếp theo: Khi chiếu tia sáng từ thủy tinh có chiết suất 1,5 vào không khí sẽ không có tia khúc xạ chỉ với góc tới 60o
hay còn những góc tới có giá trị khác không?
- Giải pháp đề ra:
+ Nhóm 1: giảm góc i từ 60o xuống 50o.
+ Nhóm 2: giảm góc i từ 50o xuống 40o.
+ Nhóm 3: tăng góc i từ 60o lên 75o. + Nhóm 4: tăng góc i từ 75o lên 90o.
- Học sinh lại tiếp tục nảy sinh vấn đề: Khi chiếu tia sáng từ thủy tinh có chiết suất 1,5 vào không khí thì vị trí, cường độ sáng của tia tới và tia khúc xạ thay đổi như thế nào?
+ Nhóm 1: tăng góc i từ 0o lên 10o.
+ Nhóm 2: tăng góc i từ 10o lên 20o.
+ Nhóm 3: tăng góc i từ 20o lên 30o.
+ Nhóm 4: tăng góc i từ 30o
lên 42o.
- Khi tăng dần góc i thì góc r cũng tăng và i luôn luôn bé hơn r (i < r) đồng thời cường độ sáng của tia khúc xạ giảm dần còn cường độ sáng của tia phản xạ tăng dần. Đến giá trị i= 42o thì góc khúc xạ r= 90o cường độ sáng của tia khúc xạ rất mờ còn cường độ sáng của tia phản xạ gần bằng với tia tới.
- Theo định luật khúc xạ ánh sáng. 2 1 inr n Sini S = n
Từ kết quả thí nghiệm, ta luôn có: i< r
Hay: Sini< Sinr
Nên: n1> n2
- Khi r đạt giá trị lớn nhất là 90o thì góc tới cũng có giá trị lớn nhất là igh
1. gh 2. 90o n Sini =n Sin Suy ra: 2 1 gh n Sini n =
Nếu: i> igh
Thì: Sini > Sinigh Áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng : 1 2 inr n . 1 S Sini n = > (Vô lí) Mục tiêu dạy học
Nội dung kiến thức cần xây dựng:
- Khi cho ánh sáng chiếu từ môi trường chiết suất n1 sang môi trường n2 (n1 > n2) với góc tới i thì vị trí và cường độ sáng của tia tới và tia khúc xạ có mối liên hệ như thế nào?
- Học sinh tham gia đề xuất giả thuyết sử dụng các kiến thức đã học về định luật khúc xạ ánh sáng.
- Học sinh tham gia đề xuất giải pháp kiểm nghiệm tính đúng đắn của từng giả thuyết.
- Học sinh thực hiện giải pháp và rút ra mối liên hệ cần xác lập.
Sau khi học
- Học sinh nắm vững bản chất của hiện tượng phản xạ toàn phần.
- Học sinh tính toán được với góc tới giới hạn và điều kiện xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần.
- Học sinh có kỹ năng tiến hành thí nghiệm. Tiến trình dạy học
Hoạt động 1: Hiện tượng phản xạ toàn phần và điều kiện xảy ra phản xạ toàn phần.
Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh
Hoạt động 1: Làm nảy sinh vấn đề và phát biểu vấn đề cần giải quyết (Làm việc chung toàn lớp)
- Giao nhiệm vụ dưới dạng bài tập kiểm tra đầu giờ .
Chiếu một tia sáng từ thủy tinh có chiết suất 1,5 sang không khí dưới góc tới i= 60o. Tìm góc khúc xạ?
-Phát biểu vấn đề: Vì sao khi chiếu tia sáng từ thủy tinh có chiết suất 1,5 sang
-Suy nghĩ, có thể đưa ra phương án
tính 1 2 inr n S Sini n = (định luật khúc xạ ánh sáng) nhưng vướng phải vấn đề là phép toán vô lí nên không tìm được góc khúc xạ.
không khí dưới góc tới 60o
lại không tìm được góc khúc xạ?
Hoạt động 2: Giải quyết vấn đề (làm việc nhóm)
Nêu câu hỏi gợi mở: khi ánh sáng được truyền từ thủy tinh chiết suất 1,5 sang không khí với góc tới 60o nhưng không tìm được góc khúc xạ, vậy trong trường hợp này ta có quan sát được tia khúc xạ hay không?
-Nếu muốn biết có hay không có tia khúc xạ ứng với góc tới 60o
thì chúng ta cần thiết kế phương án thí nghiệm như thế nào để kiểm nghiệm giả thuyết của ta là đúng hay sai?
-Nêu câu hỏi: có quan sát được tia khúc xạ ứng với góc tới 60o
hay không?
-Nêu vấn đề tiếp theo: chỉ duy nhất với góc tới bằng 60o thì không có tia khúc xạ hay còn trường hợp nào cho kết quả tương tự trường hợp này hay không?
-Suy nghĩ tìm câu trả lời.
-Suy nghĩ và đề xuất giả thuyết: không có tia khúc xạ ứng với góc tới 60o
.
-Tiếp nhận vấn đề, suy nghĩ và đề ra phương án thí nghiệm.
-Thiết kế phương án thí nghiệm +Nguồn sáng laser, khối bán trụ trong suốt, bảng chia độ.
+Ta cho ánh sáng chiếu tới khối bán trụ với góc tới i=60o quan sát tia khúc xạ và nhận xét.
-Tiến hành thí nghiệm kiểm chứng giả thuyết.
-Tiếp nhận câu hỏi
-Trả lời: Không có tia khúc xạ ứng với góc tới 60o, giả thuyết đề ra là đúng.
-Tiếp nhận vấn đề, suy nghĩ và đề ra giả thuyết mới: có thể có trường hợp cho kết quả tương tự với trường hợp góc tới bằng 60o
-Làm thế nào để ta kiểm nghiệm được giả thuyết này?
-Nêu vấn đề tiếp theo: Khi chiếu tia sáng từ thủy tinh có chiết suất 1,5 sang không khí có trường hợp có tia khúc xạ có trường hợp không có tia khúc xạ thì vị trí, cường độ sáng của tia tới và tia khúc xạ thay đổi như thế nào?
-Làm thế nào để kiểm nghiệm giả thuyết này?
phương án kiểm nghiệm. + Giảm góc i từ 60o xuống 50o + Giảm góc i từ 50o xuống 40o + Tăng góc i từ 60o
lên 75o + Tăng góc i từ 75o lên 90o
-Tiến hành thí nghiệm kiểm chứng giả thuyết
-Kết luận: với góc tới từ 42ođến 90o không có tia khúc xạ, khi góc tới bằng 42o thì tia khúc xạ rất mờ và khi góc tới nhỏ hơn 42o thì có tia khúc xạ, vậy ngoài giá trị góc tới bằng 60o cũng có trường hợp khác cho kết quả tương tự.
-Tiếp nhận vấn đề, suy nghĩ và đề xuất giả thuyết: Khi góc tới tăng thì góc khúc xạ cũng tăng và cường độ sáng của tia khúc xạ giảm dần còn cường độ sáng của tia phản xạ tăng dần.
-Đề xuất phương án thí nghiệm: tăng dần góc tới i từ giá trị 0o đến 42o, quan sát vị trí tia khúc xạ và tia phản xạ đồng thời quan sát cường độ sáng của chúng.
-Tiến hành thí nghiệm kiểm chứng giả thuyết:
-Nêu câu hỏi gợi mở: khi tăng dần góc tới i thì góc r cũng tăng nhưng i luôn luôn nhỏ hơn r, từ định luật khúc xạ ánh sáng ta có thể đưa ra điều kiện tổng quát của n1 và n2 hay không?
-Khi góc r= 90o thì góc i cũng có giá trị lớn nhất là igh 1. gh 2. 90o n Sini =n Sin Suy ra 2 1 gh n Sini n =
-Làm thế nào ta có thể kiểm nghiệm hệ quả này? + Tăng góc i từ 0o lên 10o + Tăng góc i từ 10o lên 20o + Tăng góc i từ 20o lên 30o + Tăng góc i từ 30o lên 42o.
-Kết quả thí nghiệm: khi tăng dần góc i thì góc r cũng tăng và i luôn luôn bé hơn r (i < r) đồng thời cường độ sáng của tia khúc xạ giảm dần còn cường độ sáng của tia phản xạ tăng dần. Đến giá trị i= 42o thì góc khúc xạ r= 90o cường độ sáng của tia khúc xạ rất mờ còn cường độ sáng của tia phản xạ gần bằng với tia tới.
-Suy nghĩ và phát hiện: sử dụng định luật khúc xạ ánh sáng, tính biến thiên của hàm số Sin.
-Đưa ra giải pháp: Áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng: 2 1 inr n Sini S = n