khi giảng dạy một số khái niệm, định luật vật lí của chương “Khúc xạ ánh sáng”
2.2.2.1. Phân tích hệ thống kiến thức chương “Khúc xạ ánh sáng”.
Chƣơng này mở đầu cho phần quang hình học của chƣơng trình Vật lí ở bậc THPT, là phần nghiên cứu một số hiện tƣợng liên quan đến các tia sáng bằng phƣơng pháp hình học.
Một số kiến thức trong chƣơng này HS đã đƣợc học ở bậc THCS, tuy nhiên mới chỉ nghiên cứu ở mức độ định tính nhƣ: hiện tƣợng phản xạ ánh sáng, hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng … Vì vậy, khi hình thành các kiến thức: khái niệm chiết suất tỉ đối, chiết suất tuyệt đối, công thức của định luật khúc xạ ánh sáng, hiện tƣợng phản xạ toàn phần…có thể sử dụng một số biện pháp
87
dạy học nhằm tích cực hoá hoạt động nhận thức của HS trên cơ sở tiếp nối những điều HS đã đƣợc học ở lớp dƣới kết hợp với những thí nghiệm hoặc hiện tƣợng gần gũi mà HS hay gặp trong thực tế để đi đến các kết luận, các biểu thức định lƣợng. Do đó trong chƣơng này đòi hỏi HS phải vận dụng các kĩ năng làm thí nghiệm, các thao tác đọc, ghi kết quả từ đó nhận xét, tổng hợp các kết quả và rút ra các kết luận cần thiết.
Để giúp HS dễ nắm đƣợc nội dung kiến thức của bài học, định luật khúc xạ ánh sáng đƣợc trình bày ở dạng: r i sin sin không đổi
Khái niệm chiết suất đƣợc tách riêng ở phần sau, cách trình bày này khác với nội dung SGK cũ.
Về khái niệm chiết suất, trong thực tế HS thƣờng sử dụng khái niệm chiết suất tuyệt đối. Khi xét một môi trƣờng thì đề bài cũng cho biết chiết suất tuyệt đối của nó. Bởi vậy, SGK giới thiệu công thức của định luật khúc xạ ánh sáng dƣới dạng đối xứng, sử dụng khái niệm chiết suất tuyệt đối:
n1sini = n2sinr
Với dạng này, HS tránh đƣợc nhầm lẫn khi áp dụng định luật khúc xạ vì tính sai chiết suất tỉ đối.
Vì đây là chƣơng mở đầu cho phần quang hình học nên một kĩ năng rất quan trọng cần rèn luyện cho HS là kĩ năng vẽ đƣờng đi của các tia sáng, trong đó cơ sở Vật lí để vẽ đƣờng đi của tia sáng chính là các định luật: truyền thẳng ánh sáng, phản xạ ánh sáng và khúc xạ ánh sáng, trong đó GV cần nhấn mạnh cho HS là tia sáng chỉ truyền thẳng trong môi trƣờng đồng tính; còn trong môi trƣờng không đồng tính, hay đi qua mặt giới hạn giữa hai môi trƣờng đồng tính, thì nói chung tia sáng không truyền thẳng... Kĩ năng này sẽ đƣợc củng cố và nâng cao trong các chƣơng sau.
88
Khi học chƣơng này, HS cần vận dụng các hiểu biết để giải thích đƣợc các hiện tƣợng liên quan thƣờng gặp và giải đƣợc các bài toán định lƣợng về sự khúc xạ ánh sáng và sự phản xạ toàn phần.
89
Hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng
Định luật khúc xạ ánh sáng
Chiết suất của môi trƣờng Tính thuận nghịch của sự
truyền ánh sáng Chiết suất tỉ đối Chiết suất tuyệt đối Hiện tƣợng phản xạ toàn phần Góc giới hạn phản xạ toàn phần Điều kiện để có phản xạ toàn phần Ứng dụng của hiện tƣợng phản xạ
90
2.2.2.2. Thực trạng dạy học một số khái niệm, định luật Vật lí của chương “Khúc xạ ánh sáng”
Thực tế giảng dạy Vật lí ở miền núi cũng nhƣ qua trao đổi với một số GV Vật lí ở một số trƣờng miền núi, chúng tôi nhận thấy đối với đa số GV khi giảng dạy một số khái niệm nhƣ: chiết suất tỉ đối, chiết suất tuyệt đối, hiện tƣợng phản xạ toàn phần…Hoặc khi xây dựng định luật khúc xạ ánh sáng, vì muốn đảm bảo thời gian của một tiết học phải chuyển tải hết nội dung của bài dạy cộng với thói quen ngại giao việc cho HS (vì HS miền núi thƣờng nhận thức chậm và có nhiều hạn chế trong tƣ duy…) nên GV thƣờng ít chú trọng đến quá trình hình thành khái niệm, định luật cho HS theo con đƣờng nhận thức, mà thƣờng chỉ giảng giải qua rồi cho HS ghi lại nhƣ trong sách giáo khoa. Kết quả là các giờ học HS ít đƣợc hoạt động, chƣa tạo đƣợc động cơ hứng thú, nhu cầu học tập cho các em, kiến thức các em thu nhận đƣợc vẫn mang tính thụ động, chỉ “thoáng qua” khó đọng lại trong trí óc .
2.2.2.3. Vận dụng các biện pháp đã nêu khi dạy học một bài cụ thể của chương: “Khúc xạ ánh sáng”(Vật lí 11- Ban cơ bản).
Trong phần này chúng tôi sẽ vận dụng các biện pháp đã nêu ở trên để soạn thảo tiến trình dạy học của hai bài của chƣơng, đó là:
- Bài 26. Khúc xạ ánh sáng (Tiết 51). - Bài 27. Phản xạ toàn phần (Tiết 53).
Hai bài này đều nằm trong chƣơng trình học kì 2 theo hƣớng dẫn phân phối chƣơng trình của Bộ GD& ĐT. Trong đó chúng tôi đều soạn thảo theo tiến trình chung:
- Mục tiêu: + Về kiến thức. + Về kĩ năng. + Về thái độ. - Chuẩn bị: + Của giáo viên.
+ Của học sinh.
91
- Thiết kế hoạt động dạy học.
* Soạn thảo tiến trình dạy học bài: “Khúc xạ ánh sáng”.
Bài 26. KHÚC XẠ ÁNH SÁNG I/ Mục tiêu. 1. Về kiến thức: - Nắm đƣợc định nghĩa hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng. Nhận ra trƣờng hợp giới hạn i = 00 .
- Nắm đƣợc nội dung định luật khúc xạ ánh sáng.
- Hiểu khái niệm chiết suất của môi trƣờng. Phân biệt chiết suất tỉ đối và chiết suất tuyệt đối. Viết hệ thức liên hệ giữa chiết suất tỉ đối và chiết suất tuyệt đối.
2. Về kĩ năng:
- Vận dụng đƣợc công thức của định luật khúc xạ ánh sáng để giải các bài tập liên quan.
3. Về thái độ:
- Tích cực tham gia làm thí nghiệm.
- Tích cực tham gia thảo luận và phát biểu xây dựng bài.
- Rèn luyện tính cẩn thận, kiên trì, trung thực khi làm thí nghiệm.
II/ Chuẩn bị.
1. Giáo viên:
- Các thí nghiệm về hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng: cốc nƣớc, chiếc thìa, hòn sỏi…
- Các thí nghiệm về sự khúc xạ ánh sáng. Có thể chọn dùng một trong hai bộ sau (tuỳ theo điều kiện cụ thể của trƣờng):
+ Chùm laze cho truyền qua nƣớc đựng trong hộp nhựa trong.
+ Các thiết bị của hộp quang học: vòng tròn chia độ, khối nhựa bán trụ và đèn có bộ phận tách ra chùm sáng hẹp. trụ và đèn có bộ phận tách ra chùm sáng hẹp.
2. Học sinh:
- Đọc SGK THCS để ôn lại những kiến thức đã học về sự khúc xạ ánh sáng. - Chuẩn bị giấy có ô vuông.
92
III/ Sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức.
Hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng: Là hiện tƣợng tia sáng khi đi từ môi trƣờng trong suốt này sang môi trƣờng trong suốt khác thì bị gãy khúc tại mặt phân cách giữa hai môi trƣờng.
+ Khi tia sáng truyền từ không khí sang nƣớc: góc khúc xạ nhỏ hơn góc tới. + Khi tia sáng truyền từ nƣớc sang không khí: góc khúc xạ lớn hơn góc tới
Chúng ta mới chỉ tìm hiểu hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng về mặt định tính. Còn trong thực tế tia sáng bị lệch nhiều hay ít so với phƣơng ban đầu,
hay mối quan hệ giữa góc tới và góc khúc xạ sẽ tuân theo quy luật nào?
Khảo sát định lƣợng hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng: + GV: Tiến hành TN.
+ HS: Đọc, ghi số liệu, vẽ đồ thị, lập tỉ số giữa sini và sinr, kết hợp với dạng đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của sinr vào sini, nêu nhận xét.
Định luật khúc xạ ánh sáng:
+ Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới (tạo bởi tia tới và pháp tuyến) và ở phía bên kia pháp tuyến so với tia tới.
+ Với hai môi trƣờng trong suốt nhất định, tỉ số giữa sin góc tới (sini) và sin góc khúc xạ (sinr) luôn luôn không đổi.
sin
sin
i
r= const
93 Tỉ số sin sin i
r đƣợc gọi là chiết suất tỉ đối n21 của môi trƣờng(2) chứa tia khúc xạ và môi trƣờng (1) chứa tia tới.
Công thức: sin
sin
i r= n21
+ Nếu n21>1 sini > sinr i > r: tia khúc xạ lệch lại gần pháp tuyến hơn. + Nếu n21<1 sini < sinr i < r: tia khúc xạ lệch xa pháp tuyến hơn.
Nếu môi trƣờng chứa tia khúc xạ là chân không hoặc không khí thì sao?
Chiết suất tuyệt đối: là chiết suất tỉ đối của môi trƣờng đó với chân không Hệ thức: n21= n
n
2 1
n1sini = n2sinr
Nếu thay đổi chiều truyền ánh sáng trong các TN vừa xét thì các kết quả trên còn đúng không?
Tính thuận nghịch của sự truyền ánh sáng: n12=
21
1
94
IV/ Phân tích việc áp dụng các biện pháp để tích cực hoá hoạt động nhận thức của HS trong quá trình dạy- học.
- Khi bắt đầu vào bài GV nêu hai ví dụ thực tế đồng thời đƣa ra bài toán nhận thức “khảo sát mối quan hệ định lƣợng giữa góc tới và góc khúc xạ” nhằm giúp HS có điều kiện ôn tập lại kiến thức cũ đó là khái niệm về hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng mà các em đã đƣợc học ở THCS và tạo động cơ hứng thú, nhu cầu học tập cho các em.
- Kiến thức trọng tâm của bài là định luật khúc xạ ánh sáng và các khái niệm: chiết suất tỉ đối và chiết suất tuyệt đối. Qua tìm hiểu thực tế giảng dạy ở miền núi cho thấy nhiều GV không quan tâm đến con đƣờng hình thành các khái niệm và định luật mà thƣờng giảng giải qua rồi phát biểu định nghĩa các khái niệm cũng nhƣ thông báo nội dung định luật. Kết quả là các kiến thức đó chỉ thoáng qua trong đầu các em mà ít để lại ấn tƣợng, vì vậy đa số không nhắc lại đƣợc định nghĩa các khái niệm hoặc phát biểu lại nội dung định luật và do đó thƣờng lúng túng khi phải vận dụng để giải bài tập, một số ít tỏ ra thuộc nhƣng chỉ là nhớ một cách máy móc cách phát biểu hay các công thức diễn tả. Trong bài này chúng tôi sẽ vận dụng cả 5 biện pháp nhằm hƣớng dẫn HS xây dựng định luật khúc xạ ánh sáng và các khái niệm: chiết suất tỉ đối và chiết suất tuyệt đối:
+ Để giải quyết bài toán nhận thức đƣa ra, HS đƣợc tham gia làm thí nghiệm (quan sát đƣờng truyền của tia khúc xạ, xác định góc tới, góc khúc xạ, lập bảng số liệu …). Dựa trên bảng ghi giá trị của góc tới i và góc khúc xạ r, GV yêu cầu HS dự đoán mối quan hệ định lƣợng gữa i và r, HS sẽ rất hào hứng và đƣa ra kết luận: r tỉ lệ thuận với i nhƣng sau khi thảo luận và đƣa ra cách kiểm chứng (vẽ đồ thị r- i), các em sẽ gặp khó khăn (đồ thị vẽ đƣợc không phải là đƣờng thẳng). Vậy thì i và r sẽ phụ thuộc theo mối quan hệ định lƣợng nào?- Đó chính là vấn đề nhận thức. Nhƣ vậy chúng tôi sẽ sử dụng biện
95
pháp kích thích hứng thú HS từ bên trong bằng cách tạo ra mâu thuẫn nhận thức- nghĩa là các biện pháp 1,3,5.
+ Trong bài này, định luật khúc xạ ánh sáng đƣợc hình thành bằng con đƣờng quan sát trực tiếp và khái quát hoá thực nghiệm, còn các khái niệm: chiết suất tỉ đối, chiết suất tuyệt đối đƣợc hình thành theo cách đƣa ra đặc điểm định lƣợng trƣớc rồi mới đến đặc điểm định tính. Để rút ra nội dung định luật cũng nhƣ khắc sâu các khái niệm, chúng tôi đã tổ chức cho HS tích cực thực hiện các thao tác tƣ duy (tổng hợp, phân tích, so sánh, trừu tƣợng hoá, khái quát hoá…) và các phép suy luận lôgic theo đúng qui luật của quá trình nhận thức: “Từ trực quan sinh động đến tƣ duy trừu tƣợng…”- nghĩa là các biện pháp 2,3,4,5.
+ Sự khó khăn trong bài này là HS hiểu và phân biệt đƣợc hai khái niệm: chiết suất tỉ đối và chiết suất tuyệt đối (trong đó chiết suất tuyệt đối đƣợc định nghĩa thông qua chiết suất tỉ đối hay nói cách khác chiết suất tuyệt đối là trƣờng hợp riêng của chiết suất tỉ đối). Khi HS đã hiểu và phân biệt đƣợc hai khái niệm đó nghĩa là đã góp phần bồi dƣỡng vốn ngôn ngữ khoa học Vật lí cho các em- đó là biện pháp 4.
+ Khi tìm hiểu tính thuận nghịch của chiều truyền ánh sáng dựa trên kết quả thí nghiệm, HS rút ra đƣợc nguyên lí về tính thuận nghịch của chiều truyền ánh sáng (biểu hiện ở cả sự truyền thẳng của ánh sáng và sự phản xạ ánh sáng) đồng thời xây dựng đƣợc biểu thức n12=
21
1
n , không những tăng thêm hứng thú học tập cho các em mà còn góp phần xây dựng thế gới quan duy vật biện chứng cho các em.
- Trong bài, giành nhiều thời gian cho HS tự lực hoạt động nhận thức. GV cố gắng không làm thay những gì mà HS có thể làm đƣợc nhƣ quan sát, phân tích, so sánh, suy luận, khái quát hoá…bằng các kiến thức và kĩ năng đã
96
có mà chỉ đƣa ra những gợi ý, hƣớng dẫn. GV chỉ giảng giải những điều HS không thể tự lực xây dựng đƣợc nhƣ định luật khúc xạ ánh sáng, khái niệm chiết suất tỉ đối. Tuy nhiên, việc giảng giải đó cũng phải đƣợc tiến hành trên cơ sở HS tích cực hoạt động nhận thức.
V/ Thiết kế hoạt động dạy học:
*Hoạt động 1: Ôn lại những kiến thức đã biết về sự khúc xạ ánh sáng. GV: Tiến hành TN phát hiện hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng bằng cách:
- TN1: Cắm một chiếc thìa vào một cốc nƣớc trong. - TN2: Thả một đồng xu vào trong cốc nƣớc.
HS: Quan sát hiện tƣợng và nêu nguyên nhân dẫn đến hiện tƣợng đó. - Hiện tƣợng: + Chiếc thìa dƣờng nhƣ bị gãy ở mặt nƣớc. + Đồng xu dƣờng nhƣ nổi lên gần mặt nƣớc hơn.
- Nguyên nhân: Sự khúc xạ ánh sáng.
GV: - Nêu một số hiện tƣợng (hoặc có thể gợi ý để HS tự nêu) rất gần gũi đối với HS miền núi có liên quan đến hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng nhƣ: khi nhìn một con suối nƣớc trong dƣới đáy có sỏi ta thấy dƣờng nhƣ mực nƣớc nông hơn (những ngƣời ít có kinh nghiệm thƣờng bị ƣớt quần áo khi lội qua) hay một cành cây cắm trên suối ta nhìn thấy nhƣ nó bị gãy ở mặt nƣớc…
- Cho HS quan sát thí nghiệm (TN3) tia sáng đi qua một khối nhựa trong suốt hình chữ nhật (cho HS dự đoán đƣờng đi của tia sáng sau đó làm thí nghiệm) (H1).
-Trong chƣơng trình Vật lí 9, chúng ta đã bƣớc đầu tìm hiểu hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng.
Hãy nêu những hiểu biết của em về hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng?
HS: Trình bày hiện tượng khúc xạ ánh sáng: là hiện tƣợng tia sáng khi đi từ môi trƣờng trong
S S’ N I R N’ I’ S S’ N I R N’ I’
97
suốt này sang môi trƣờng trong suốt khác thì bị gãy khúc tại mặt phân cách giữa hai môi trƣờng.
GV: - Sử dụng hình vẽ (H1), yêu cầu HS xác định các khái niệm: tia tới, điểm tới, pháp tuyến, góc tới, tia phản xạ, góc phản xạ, tia khúc xạ, góc khúc xạ, mặt phẳng tới.
- Nhƣ vậy, chúng ta mới chỉ tìm hiểu hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng về mặt định tính.
- Tiến hành TN: khi i tăng thì r tăng và ngƣợc lại khi i giảm thì r giảm. Vậy mối quan hệ cụ thể giữa i và r nhƣ thế nào?. Trong bài học sau đây chúng ta sẽ khảo sát đầy đủ hơn hiện tƣợng này về mặt định lƣợng.
* Hoạt động 2:Khảo sát định lƣợng hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng. Xây dựng định luật khúc xạ ánh sáng.
GV: - Nhắc lại khái niệm hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng.
- Ta có thể bố trí một thí nghiệm nhƣ thế nào để tìm đƣợc mối quan hệ