M NA NU = V V =
12. Năng lượng điện trường
Khác với SGK NC trình bày riêng phần này ở một bài, SGK CB ghép phần này với bài tụ điện.
Tác giả SGK CB chỉ đề cập dến năng lượng điện trường một một cách định tính (bằng lập luận và thông qua hình ảnh minh hoạ) để đưa ra công thức mà không chứng minh.
Tác giả SGK NC có đưa ra và chứng minh công thức tính năng lượng điện trường trong tụ điện; từ đó làm cơ sở rút ra công thức tính mật độ năng lượng điện trường.
Tác giả SGK NC kết luận tụ điện có năng lượng bằng ví dụ về sự loé sáng của đèn chụp ảnh. Sau đó là việc thành lập công thức tính năng lượng của tụ điện bằng lập luận:
- Ban đầu điện tích của tụ bằng không, hiệu điện thế của tụ điện cũng bằng không do đó năng lượng của tụ điện bằng không. - Khi tụ điện được tích điện, điện tích của tụ tăng dần từ không đến giá trị Q. Điện tích tăng, hiệu điện thế luôn luôn tăng tỉ l ệ với nhaụ Chính điều này giúp ta có thể coi như trong quá trình tích điện, tụ điện có điện tích Q và có hiệu điện thế trung b ình U/2. Từ đó dẫn ra công thức năng lượng của tụ điện.
2 2
CU Q
W = =
Tác giả SGK NC đã thay việc xét quá trình tích điện khá phức tạp của tụ điện bằng quá trình đơn giản tương đương là coi tụ đi ện có điện tích Q, điện tích này chuyển động từ bản tụ này đến bản tụ kia có hiệu điện thế U/2. Đây chỉ là lập luận đơn giản giúp HS dễ hiểu, thực ra lập luận đầy đủ thì phức tạp hơn nhiềụ
Từ năng lượng của tụ điện, SGK NC khái quát lên năng lượng của điện trường suy ra mật độ năng lượng. Ng oài ra bộ sách này giới thiệu cho học sinh một sô ứng dụng của tụ điện trong kỹ thuật và trong y tế.
Trước đây, sách giáo khoa cũ đưa bài mắt và máy ảnh lên trong phần mắt và các dụng cụ quang học. Phần lăng kính, thấu kính, gương cầu đưa vào phần sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng. Bộ sách giáo khoa hiện hành không trình bày kiến thức về máy ảnh và gương cầu, đưa phần lăng kính và thấu kính vào trong phần mắt và các dụng cụ quang học. Việc chuyển dời nội dung phần lăng kí nh và thấu kính vào phần này có thể hiểu vì một số lý do sau đây:
- Lăng kính và thấu kính được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị kỹ thuật, các dụng cụ bổ trợ cho mắt, nên việc chuyển dời và o phần mắt và các dụng cụ quang học là hợp lý.
- Phần gương cầu và máy ảnh, học sinh đã được học tương đối kỹ trong chương trình vật lý 9, hơn nữa kiến thức hai phần này tương đối đơn giản, việc giải quyết các bài tập về gương cầu cũng tương tự như thấu kính, chương trình học nghề phổ thông cũng đi s âu nghiên cứu về cấu tạo máy ảnh. Việc không đưa kiến thức hai phần này vào nhằm giảm tải cho học sinh và thuận lợi hơn trong việc đưa những kiến thức mới vào chương trình.
Ị Lăng kính
1.1. Cấu tạo lăng kính
Trong phần quan học vật lý 9, học sinh biết sơ bộ về lăng kính. Vì vậy, khi trình bày cấu tạ o của lăng kính cả hai bộ sách giáo khoa 11 đi vào định nghĩa về lăng kính và vẽ hình minh hoạ tương đối rõ ràng, đơn giản.
Về định nghĩa lăng kính: Sách giáo khoa vật lý 11 (gọi tắt là sách cơ bản) và sách giáo khoa củ thì đưa ra định nghĩa tương đ ối dễ hiểu hơn: lăng kính là một khối chất trong suốt, đồng tính (thuỷ tinh, nhựạ..), thường có hình lăng trụ tam giác. Còn sách giáo khoa vật lý 11 nâng cao (gọi tắt là sách nâng cao) thì trình bày định nghĩa hơi mới lạ và có vẽ khó hiểu hơn: lăng kính là một k hối trong suốt, đồng chất, được giới hạn bởi hai mặt phẳng không song song.
Về hình vẽ lăng kính: bộ sách giáo khoa mới đều vẽ lăng kính có dạng như một lăng trụ tam giác (Hình 47.1) thay thế cho sách giáo khoa củ vẽ hình lăng trụ đứng. Sự thay thế này giú p cho quá trình khảo sát đường truyền tia sáng qua lăng kính được thuận tiện hơn. Trên hình vẽ của mỗi sách đều chỉ rõ các phần tử của lăng kính để nhìn vào đó học sinh có thể tự nêu được (các mặt bên, đáy, cạnh, góc chiết quang).
1.2. Đƣờng đi của tia sáng qua lăng kính
Sách cơ bản nhắc lại hiện tượng tán sắc của ánh sáng mà học sinh đã hiểu sơ bộ ở lớp 9. Sau đó dựa vào hình vẽ 28.4 định hướng cho học sinh làm thí nghiệm để quan sát dạng hình học của đường truyền tia sáng đơn sắc truyền qua lăng kính. Đồn g thời nhìn vào hình vẽ và vận dụng kiến thức được học về sự khúc xạ ánh sáng trả lời câu hỏi C1 giải thích vì sao ánh sáng truyền qua lă ng kính bị lệch về phía đáỵ Việc dẫn dắt học sinh hình thành kiến thức bằng như vậy vừa kích thích được khả năng tư du y độc lập của học sinh vừa tạo điều kiện cho học sinh vận dụng kiến thức đã học vào việc giải quyết vấn đề mớị
Ở sách nâng cao không trình bày hiện tượng tán sắc, cũng không giải thích vì sao phải dùng ánh sáng đơn sắc trong thí nghiệm. Vấn đề này có lẽ ý đồ của sách là yêu cầu học sinh phải vận dụng kiến thức cũ để tìm hiểu nguyên nhân. Sách nâng cao thông báo đường truyền của tia sáng qua lăng kính và mô tả nó bằng hình vẽ 47.2 còn không giải thích vì sao tia ló bị lệch về phía đáy . Cách trình bày như thế là nhằm mục đích cho học sinh tự vận dụng kiến thức về hiện tượng khúc xạ để giải thích hiện tượng.
1.3. Công thức lăng kính
Do hiện tượng khúc xạ ở hai mặt bên nên tia sáng truyền qua lăng kính phương tia ló sẽ bị lệch về phía đáy so với phương của tia tới một góc D. Vậy, yêu cầu đặt ra là phải thiết lập được các công thức liên hệ giữa góc tới và góc khúc xạ ở các mặt bên; công thức xác định góc lệc D, góc chiết quang A như thế nàỏ
Đối với sách cơ bản định hướng cách thiết lập các công thức bằng cách dựa vào hình vẽ, áp dụng định luật khúc xạ, kiến thức hình học để xây dựng các công thức. Sau đó yêu cầu học sinh chứng minh các công thức dựa vào gợi ý ở câu hỏi C2. SGK cũng giớ i thiệu thêm bài tập ví dụ áp dụng, qua việc giải bài toán học sinh nắm vững hơn các công thức.
Sách nâng cao thông báo các công thức liên hệ giữa góc tới và góc khúc xạ ở hai mặt bên. Bước tiếp theo là định hướng cho học sinh vận dụng các định lý hình học thiết lập công thức tính góc chiết quang A và góc lệch D. Với yêu cầu cao h ơn so với ban cơ bản, ban nâng cao mô tả thí nghiệm bằng hình vẽ và dẫn dắt học sinh đi đến thiết lập góc lệch cực tiểu Dm.
Bênh cạnh đó, cả hai bộ sách chuẩn và nâng cao đều có chú ý đến trường hợp góc tới i nhỏ thì các công thức đó trở thành các công thức gần đúng để sau này vận dụng vào giải quyết bài toán với lưỡng lăng kính Fresnel.
1.4. Ứng dụng của lăng kính
Ánh sáng trắng khi chiếu qua lăng kính bị tán sắc. Sách giáo khoa cơ bản giới thiệu sự ứng dụng tính chất này ở trong máy quang phổ để nghiên cứu cấu tạo nguồn sáng.
Lăng kính phản xạ toàn phần có tiết diện thẳng là một tam giác vuông cân, khi chiếu ánh sáng vào mặt bên với những góc tới thích hợp thì sẽ tạo ra hiện tượng phản xạ toàn phần ở trên các mặt của lăng kính. Đặc điểm này của lăng kính được ứng dụng rộng rãi trong đời và trong kỹ thuật. Để học sinh thấy được việc ứng dụng đó, sách cơ bản giới thiệu ứng dụng của nó trên hình vẽ 28.7 và yêu cầu học sinh vận dụng kiến thức về sự phản xạ toàn phần giải thích cơ chế phản xạ trong lăng kính củ a máy ảnh. Sách nâng cao mô tả
các thí nghiệm phản xạ toàn phần xảy ra trên lăng kính và biểu diễn đướng đi của tia sáng trên các hình vẽ 47.5, 47.6. Dựa và o hình vẽ và sử dụng điều kiện xảy ra phản xạ toàn phần để giải thích vì sao xảy ra phản xạ toàn phầ n ở cá mặt bên.
Trong phần ứng dụng của lăng kính, sách cơ bản có nêu rõ công dụng của lăng kính trong máy quang phổ, trong khi sách nâng cao chưa đề cập đến. Tuy nhiên, phần ứng dụng này học sinh sẽ được học ở chương trình vật lý 12. Phần ứng dụng của lăn g kính để làm kính tiềm vọng, tác giả thiết nghỉ để làm kính tiềm vọng thì có thể sử dụng sợi quang học, bởi vì khi sử dụng sợi quang h ọc thay cho lăng kính thì kính tiềm vọng có thể làm với những hình dạng bất kỳ mà vẫn có thể quan sát được vật dưới các g óc độ khác nhaụ
Mục em cần biết ở sách cơ bản giới thiệu hiện tượng cầu vòng và vận dụng hiện tượng tán sắc giải thích hiện tượng cầu vòng ấỵ Mục này giúp học sinh củng cố kiến thức vừa học.
IỊ Thấu kính mỏng
2.1. Định nghĩạ Phân loại thấu kính
Thấu kính hội tụ, thấu kính phân kỳ, sự tạo ảnh qua thấu kính học sinh đã biết ở lớp 9. Song, ở đó chưa yêu cầu hiểu sâu thế nào l à thấu kính hội tụ, thấu kính phân kỳ, làm sao để phân biệt được chúng?
Định nghĩa thấu kính đều được cả hai bộ sách trình bày từ đàu bài học. Thấu kính là một khối chất trong suốt (thủy tinh, nhựạ..) giới hạn bởi hai mặt cong hoặc bởi một mặt cong và một mặt phẳng. Dùng hình vẽ các thấu kính có rìa mỏng, rìa dày khác trong sách giáo khoa để thấy được hình dạng của các loại thấu kín h. Ngoài ra, sách cơ bản còn sử dụng hình 29.2 để biểu diễn dạng đường đi của các chùm sáng qua lăng kính, qua đó giúp học sinh hiểu, vì sao ở trong không khí, thấu kính rìa mỏng gọi là thấu kính hội tụ, thấu kính rìa dày là thấu kính phân kỳ. Với yêu cầu cao hơn, sách nâng cao chỉ giới thiệu thấu kính rìa mỏng và thấu kính rìa dàỵ Không giải thích vì sao gọi thấu kính rìa mỏng là thấu kính hội tụ, thấu kính rìa dày là thấu kính phân kỳ. Việc đó cho sinh vận dụng kiến thức về sự khúc xạ để giải thích. Sách nâng cao giới thiệu thêm khái niệm đường kính khẩu độ (hình 48.3) và điều kiện tương điểm (ứng với một điểm vật chỉ có một điểm ảnh) để ứngdụng sau nàỵ
2.2. Quang tâm. Tiêu điểm. Tiêu diện. Tiêu cự ạ Sách giáo khoa cơ bản ạ Sách giáo khoa cơ bản
Mục tiêu mà học sinh ban cơ bản cần đạt được là trình bày được các khái niệm nêu trên. Với phân bố số tiết và mục tiêu chương trình, các khái niệm này được xây dựng chi tiết dựa trên thấu kính hội tụ sau đó vận dụng đối với thấu kính phân kỳ.
Các khái niệm quang tâm O, trục chính, trục phụ tương đối trừu tượng. Đối với ban cơ bản được trình bày thành một mục nhỏ để giải thích cặn kẽ và minh họa chúng một cách tường minh trên hình vẽ 29.3. Do không đòi hỏi cao ở học sinh các yêu cầu khá c mà chỉ cần trình bày được các khái niệm nên trong sách giáo khoa kết hợp lời dẫn với các hình vẽ 29.4, 29.5 để lần lượt trình bày các khái niệm : tiêu điểm chính, tiêu điểm ảnh chính F’, tiêu điểm ảnh phụ Fn, tiêu điểm ảnh thật, tiêu điểm vật chính F, tiêu điểm vật phụ Fn; thông báo định nghĩa và đặc điểm của tiêu diện đồng thời chỉ rõ vị trí của chúng trên hình 29.6.
Tiêu cự và độ tụ của thấu kính là các giá trị đại số, được định nghĩa bằng biểu thức f OF và
f1 1
D để học sinh nhớ.