VIII. Cấu trúc của đề tài
2.3.1 Đặc điểm của chƣơng sóng ánh sáng
2.3.1.1. Kiến thức chương:
Theo phân phối chƣơng trình của Bộ Giáo Dục và Đào Tạo, số tiết học dành cho chƣơng là 14 tiết trong đó có 9 tiết lí thyết, 2 tiết thực hành, 3 tiết bài tập. Số
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
bài học của chƣơng là 8 bài trong đó 6 bài lí thuyết, 1 bài tập và 1 bài thực hành. Cụ thể gồm các bài sau: - Tán sắc ánh sáng
- Nhiễu xạ ánh sáng. Giao thoa ánh sáng. - Khoảng vân. Bƣớc sóng và màu sắc ánh sáng. - Bài tập về giao thoa ánh sáng.
- Máy quang phổ. Các loại quang phổ. - Tia hồng ngoại. Tia tử ngoại.
- Tia X. Thuyết điện từ ánh sáng. Thang sóng điện từ. - Thực hành: Xác định bƣớc sóng ánh sáng.
2.3.1.2. Mục tiêu của chương.
* Về kiến thức
- Mô tả đƣợc hiện tƣợng tán sắc ánh sáng qua lăng kính và nêu đƣợc hiện tƣợng tán sắc là gì.
- Nêu đƣợc mỗi ánh sáng đơn sắc có một bƣớc sóng xác định trong chân không.
- Nêu đƣợc hiện tƣợng nhiễu xạ ánh sáng là gì.
- Trình bày đƣợc một thí nghiệm về sự giao thoa ánh sáng và nêu đƣợc điều kiện để xảy ra hiện tƣợng giao thoa ánh sáng.
- Nêu đƣợc vân sáng, vân tối là kết quả của sự giao thoa ánh sáng.
- Nêu đƣợc điều kiện để có cực đại giao thoa, cực tiểu giao thoa ở một điểm. - Viết đƣợc công thức tính khoảng vân.
- Nêu đƣợc hiện tƣợng giao thoa ánh sáng chứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng và nêu đƣợc tƣ tƣởng cơ bản của thuyết điện từ ánh sáng.
- Trình bày đƣợc nguyên tắc cấu tạo của máy quang phổ lăng kính và nêu đƣợc tác dụng của từng bộ phận của máy quang phổ.
- Nêu đƣợc quang phổ liên tục, quang phổ vạch phát xạ, quang phổ vạch hấp thụ là gì, các đặc điểm chính và những ứng dụng chính của mỗi loại quang phổ.
- Nêu đƣợc phép phân tích quang phổ là gì.
- Nêu đƣợc bản chất, cách phát, các đặc điểm và công dụng của tia hồng ngoại, tia tử ngoại, tia X.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
- Kể đƣợc tên của các vùng sóng điện từ kế tiếp nhau trong thang sóng điện từ theo bƣớc sóng. [18]
* Kĩ năng
- Giải đƣợc các bài tập về hiện tƣợng giao thoa ánh sáng.
- Xác định đƣợc bƣớc sóng ánh sáng theo phƣơng pháp giao thoa bằng thí nghiệm. - Quan sát các hiện tƣợng và các quá trình vật lí trong tự nhiên, trong đời sống hàng ngày, trong các thí nghiệm, điều tra, sƣu tầm, tra cứu tài liệu từ các nguồn khác nhau để thu thập các thông tin cần thiết cho việc học tập.
- Sử dụng các dụng cụ đo phổ biến của vật lí, tiến hành các thí nghiệm. - Phân tích, tổng hợp và xử lí các thông tin thu đƣợc để rút ra kết luận, đề ra các dự đoán đơn giản về mối quan hệ hay bản chất các hiện tƣợng hoặc các quá trình vật lí, cũng nhƣ đề xuất phƣơng án thí nghiệm đã kiểm tra dự đoán đã nêu ra.
- Vận dụng kiến thức để mô tả và giải thích các hiện tƣợng và quá trình vật lí. - Sử dụng các thuật ngữ vật lí, các biểu, bảng, đồ thị để trình bày rõ ràng, chính xác những hiểu biết.[18]
* Thái độ
- Có hứng thú học vật lí, yêu thích tìm tòi khoa học, trân trọng với những đóng góp của vật lí học cho sự tiến bộ của khoa học và đối với các công lao của các nhà khoa học. Có thái độ khách quan, trung thực, có tác phong tỉ mỉ, cẩn thận, chính xác và có tinh thần hợp tác trong việc học tập, cũng nhƣ trong việc vận dụng các hiểu biết đã đạt đƣợc.
- Có ý thức vận dụng những hiểu biết vật lí vào đời sống nhằm cải thiện điều kiện sống, học tập cũng nhƣ để bảo vệ và giữ gìn môi trƣờng sống tự nhiên.[18]
2.3.1.3. Phân tích nội dung kiến thức chương
Ánh sáng là gì? Đó là một câu hỏi đƣợc con ngƣời đặt ra từ xa xƣa. Tuy nhiên, những giả thuyết có tính khoa học đầu tiên về bản chất ánh sáng chỉ đƣợc đƣa ra khi các nhà khoa học bắt tay nghiên cứu về nguyên lí và định luật của sự truyền ánh sáng.
Thuyết đầu tiên là thuyết hạt ánh sáng của Newton cho rằng dòng ánh sáng là dòng hạt rất nhỏ tuân theo cơ học Newton. Thuyết hạt ánh sáng tuy có thể giải
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
thích đƣợc các định luật phản xạ và khúc xạ ánh sáng. Nhƣng gặp nhiều khó khăn trong việc giải thích nhiều hiện tƣợng quang học nhƣ: Hiện tƣợng tán sắc ánh sáng, hiện tƣợng giao thoa ánh sáng,...
Đồng thời với thuyết hạt ánh sáng là thuyết sóng ánh sáng. Huyghens là ngƣời đầu tiên diễn đạt tƣờng minh nội dung của thuyết sóng ánh sáng. Theo thuyết này, ánh sáng là sóng truyền trong một môi trường đàn hồi trong suốt ete. Thuyết sóng cũng giải thích đƣợc thỏa đáng các định luật cơ bản của quang hình học. Ngoài ra, còn giải thích đƣợc khá dễ dàng các hiện tƣợng giao thoa ánh sáng và lƣỡng chiết. Tuy nhiên, không đo đƣợc vận tốc truyền ánh sáng trong các môi trƣờng.
Sang thế kỉ thứ 19, thuyết sóng đƣợc khẳng định hoàn toàn nhờ công trình nghiên cứu lí thuyết và thực nghiệm đồ sộ của Fresnel về hiện tƣợng giao thoa, nhiễu xạ và phân cực ánh sáng, đặc biệt đo đƣợc trực tiếp vận tốc truyền ánh sáng trong nƣớc của Fuco. Sau đó Maxwel đã đƣa ra thuyết điện từ ánh sáng: Ánh sáng là một loại sóng điện từ có bước sóng ngắn lan truyền trong không gian.
Từ thuyết điện từ ánh sáng, Maxwel đã thiết lập đƣợc mối liên hệ giữa tính chất điện từ với tính chất quang của môi trƣờng. Tiếp theo, Lo-ren-xơ đã chứng tỏ đƣợc sự phụ thuộc của vào tần số f của ánh sáng. Nhờ đó, ông đã giải thích đƣợc sự tán sắc ánh sáng. Một trong những ứng dụng quan trọng của hiện tƣợng tán sắc ánh sáng trong các lăng kính là để phân tích ánh sáng trong các máy quang phổ. Nhờ máy quang phổ ngƣời ta đã nghiên cứu đƣợc quang phổ của ánh sáng do các nguồn sáng khác nhau phát ra, và cả ánh sáng do các chất khác nhau hấp thụ. Quang phổ có bảy màu cầu vồng, mà mắt ta trông thấy đƣợc chỉ trải ra từ bƣớc sóng 0,4
m
đến 0,75 m và chỉ là một phần rất nhỏ của quang phổ ánh sáng Mặt Trời và của phổ sóng điện từ nói chung. Phổ ánh sáng trông thấy gồm có quang phổ liên tục, quang phổ vạch phát xạ và quang phổ vạch hấp thụ. Ngoài phổ ánh sáng trông thấy, về cả hai phía, bằng thực nghiệm ngƣời ta đã phát hiện ra các miền không trông thấy của quang phổ. Một số bức xạ không trông thấy mà học sinh đƣợc nghiên cứu về nguồn phát, tính chất và công dụng của chúng trong chƣơng này đó là tia hồng ngoại, tia tử ngoại và tia X.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Từ những sóng điện từ dùng trong thông tin liên lạc đến tia hồng ngoại, ánh sáng trông thấy, tia tử ngoại, tia tử ngoại, tia X, ngoài ra học sinh sẽ đƣợc nghiên cứu tia gamma,... Những sóng điện từ đó có bƣớc sóng khác nhau, nhƣ các sóng vô tuyến có bƣớc sóng rất dài, cuối cùng là tia gamma có bƣớc sóng cực ngắn. Do bƣớc sóng khác nhau nên tính chất của chúng cũng khác nhau. Các tia có bƣớc sóng càng ngắn thì có tính đâm xuyên càng mạnh, dễ tác dụng lên kính ảnh, dễ làm phát quang các chất và dễ ion không khí nhƣ tia X, tia gamma. Còn các tia có bƣớc sóng càng dài, càng dễ quan sát hiện tƣợng giao thoa. Với những cách tạo ra sóng rất khác nhau nhƣng bản chất chỉ là một và giữa chúng không có một ranh giới nào thật rõ rệt. Dựa vào đó ngƣời ta đã sắp xếp và phân loại các sóng điện từ theo thứ tự bƣớc sóng giảm dần hay theo thứ tự tần số tăng dần gọi là thang sóng điện từ. Việc xây dựng thành công thang sóng điện từ là một cơ sở thực nghiệm rất quan trọng của thuyết điện từ ánh sáng. Xây dựng thang sóng điện từ có nghĩa là chứng minh bằng thực nghiệm sự thay đổi liên tục về bƣớc sóng của sóng điện từ. Muốn vậy, phải nối liền các vùng phổ liên tục cạch nhau.
Năm 1894, Sommerfed dựa vào thuyết điện từ ánh sáng đã xây dựng một lý thuyết chặt chẽ về hiện tƣợng nhiễu xạ ánh sáng. Hiện tƣợng nhiễu xạ ánh sáng chỉ có thể giải thích đƣợc nếu thừa nhận ánh sáng có tính chất sóng, lỗ nhỏ đƣợc chiếu sáng có vai trò nhƣ một nguồn phát sóng ánh sáng.
Năm 1801 nhà vật lí Y-âng đã thực hiện thí nghiệm về giao thoa ánh sáng, khẳng định giả thuyết về sóng ánh sáng. Để giải thích đƣợc hiện tƣợng giao thoa ánh sáng ta phải thừa nhận ánh sáng có tính chất sóng. Hiện tƣợng giao thoa là một bằng chứng thực nghiệm quan trọng khẳng định ánh sáng có tính chất sóng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
2.3.1.4. Sơ đồ cấu trúc nội dung chương.
Máy quang phổ Thuyết điện từ ánh sáng Hiện tƣợng nhiễu xạ ánh sáng Hiện tƣợng giao thoa ánh sáng Hiện tƣợng tán sắc ánh sáng Thang sóng điện từ Tia hồng
ngoại Tia tử ngoại
Tia X QP vạch phát xạ QP vạch hấp thụ Quang phổ nhìn thấy Quang phổ không nhìn thấy QP liên tục
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn