8. Cấu trúc của luận văn
2.4.3. Bài tập thí nghiệm
Bài tập 4:
Chiếu một tia sáng đến tâm mặt bên của khối lập phương với góc tới i1
trong mặt phẳng hình vẽ, mặt phẳng tới song song với mặt bên của khối lập
phương. Thủy tinh làm khối lập phương có chiết suất n. Sau khi khúc xạ ở mặt nói trên, tia sáng phản xạ toàn phần ở mặt bên và ló ra ở đáy. Tìm điều kiện mà góc tới i1 thỏa mãn
Bài tập 5: Cho thấu kính L1 có một mặt phẳng và một mặt lồi có bán kính 20cm, chiết suất n1 và một thấu kính hội tụ L2 có một mặt phẳng và một mặt lõm có bán kính 30cm, chiết suất n2 (n1 = n2 = 1,5). Hai thấu kính ghép đồng trục và sát nhau bởi 2 mặt phẳng. Một vật sáng AB đặt vuông góc với trục chính và trước L1 đoạn 40cm. Xác định ảnh tạo bởi quang hệ trong 2 trường hợp sau:
a. Đường kính mở của 2 thấu kính bằng nhau.
b. Thấu kính L1 có đường kính mở nhỏ hơn đường kính mở của thấu kính L2.
2.4.3. Bài tập thí nghiệmn n S I J K i1 i2 r1 r2 i' A B C D Hình 2
O R
Bài tập 6: Quan sát các vật nằm ở đáy một hồ nước có mặt nước dao động.
Hãy mô tả và giải thích hiện tượng quan sát được?
Bài tập 7: Trên mặt bể thủy tinh chứa nước có một tấm xốp hình tròn tâm
O, bán kính R, độ sâu của nước là h, chiết suất của nước n. Ở đáy bể có nguồn sáng S nằm trên trục đi qua O vuông góc với đáy.
a. Bán kính của tấm xốp tối thiểu là bao nhiêu để không có ánh sáng từ nguồn S đi ra không khí?
b. Kiểm tra kết quả trên bằng thí nghiệm? (Cho n = 34 , chiết suất không khí bằng 1, h = 30cm).
Bài tập 8: Giả sử em đang có một thấu kính hội tụ và một thấu kính phân
kỳ có đường kính mở bằng nhau. Làm thế nào để em xác định được trong hai thấu kính cái nào có giá trị tuyệt đối của độ tụ lớn hơn (nêu cách làm đơn giản nhất)?
Bài tập 9: Em hãy nêu một phương án thí nghiệm và thực hiện phương án
đó để xác định chiết suất của chất làm lăng kính.
Bài tập 10: Em hãy thiết kế một số phương án xác định tiêu cự của thấu kính hội tụ.
Bài tập 11: Hãy thiết kế một số phương án xác định tiêu cự của thấu kính
phân kỳ.
S Hình 3
h Không khí
Bài tập 12: Trong phòng chiếu sáng nhờ bóng đèn điện dây tóc hãy xác định trong hai thấu kính hội tụ cái nào có độ tụ lớn hơn? Nói rõ cách làm mà không cần phải dùng thêm một dụng cụ nào khác.
Bài tập 13:Bạn có một thấu kính hội tụ và một thấu kính phân kỳ. Làm thế nào bạn có thể xác định được trong hai thấu kính đó, cái nào có độ tụ lớn hơn. Nói rõ cách làm. Chú ý không cần phải dùng thêm một dụng cụ đặc biệt nào
Bài tập 14: Em hãy thiết kế một số phương án xác định tiêu cự của kính cận mà bạn (trong lớp) đang đeo?
Bài tập 15: Dựa vào các nguyên lí, định luật vật lí đã biết em hãy nêu phương án thiết kế một thiết bị dùng để hổ trợ cho mắt để quan sát những vật rất nhỏ mà mắt thường không nhìn thấy được (như vi rút, vi khuẩn)?
Bài tập 16: Dựa vào các nguyên lí, định luật vật lí đã biết em hãy nêu phương án thiết kế một thiết bị dùng để hổ trợ cho mắt để quan sát những vật rất xa (các thiên thể)?
2.4.4. Bài tập cho thiếu, thừa hoặc sai dữ kiện
Bài tập 17: Cho một lăng kính có chiết suất n = 2 tiết diện thẳng là một tam giác đều ABC, đặt trong không khí. Chiếu tới mặt bên AB một chùm sáng đơn sắc hẹp dưới góc tới 150 thì góc khúc xạ ra khỏi lăng kính ở mặt AC là 600. Tính góc lệch D?
Bài tập 18: Vật sáng AB cách màn ảnh một đoạn l = 90cm. Trong khoảng giữa vật và màn ảnh đặt một thấu kính hội tụ L có tiêu cự 30cm song song với vật AB. Di chuyển L dọc theo trục chính, có hai vị trí của L cho ảnh của AB rõ nét trên màn.
a) Tính độ phóng đại của ảnh A’B’ ứng với 2 vị trí trên của L?
b) Với thấu kính trên phải đặt màn ảnh cách vật bao nhiêu thì chỉ có một vị trí của L cho ảnh của AB rõ nét trên màn ?
Bài tập này được sử dụng sau khi HS đã học xong bài “Thấu kính mỏng”: Có thể ra về nhà tiết học tiếp yêu cầu HS trình bày, hoặc sử dụng trong giờ học tự chọn, trong câu lạc bộ vật lí, trong giờ học thêm.
Bài tập 19: Một vật sáng AB cao 2cm đặt song song với màn ảnh và cách màn 45 cm. Giữa vật và màn đặt một thấu kính hội tụ L1 có tiêu cự 5cm, cách màn 15cm. Sau L1 đặt thấu kính phân kỳ L2 có tiêu cự 10cm, cách L1 đoạn 5cm. Xác định chiều cao ảnh của AB trên màn qua hệ quang học trên.
Bài tập 20: Cho một thấu kính hội tụ (có thể dùng làm kính lúp). Em hãy
dùng thấu kính đó để quan sát chữ trên một trang sách bị mờ. Nếu em đặt kính sát mắt thì kính phải đặt cách trang sách bao nhiêu để mắt em có thể quan sát được chữ trên trang sách ?
2.4.5. Bài tập nghịch lý và ngụy biện
Bài tập 21: Một người cận thị nhìn rõ vật cách mắt từ 10cm đến 1m. Để sửa tật cận thị người này đeo một thấu kính phân kỳ phù hợp (sát mắt). Nếu người ấy vẫn đeo kính cận nói trên, quan sát một vật nhỏ qua kính lúp mà trên vành kính ghi X5 (2 kính cách nhau 2cm). Tìm độ bội giác kính lúp khi mắt quan sát trong trạng thái không điều tiết?
Bài tập 22: Khi quan sát ảnh của vật qua kính lúp, kính hiển vi, kính thiên
văn đối với mắt thường ta nói rằng nên ngắm chừng ở vô cực vì như vậy đỡ mỏi mắt. Tức là vật sẽ nằm tại tiêu diện của kính lúp, hoặc ảnh của vật qua vật kính nằm tại tiêu diện của thị kính đối với kính hiển vi, kính thiên văn. Nhưng ta cũng biết vật ở tiêu diện của thấu kính thì sẽ không thu được ảnh của nó vì các tia sáng ló ra từ thấu kính là chùm sáng song song. Vậy ta quan sát ảnh như thế nào? liệu lý thuyết có mâu thuẫn nhau không ?
Bài tập 23: Một bạn cầm trong tay một thấu kính có hai mặt lồi, đặt trong không khí bạn ấy chiếu một chùm tia sáng song song vào thấu kính thấy chùm tia ló hội tụ tại một điểm trên màn. Sau đó, bạn ấy nhúng thấu kính đó vào nước, cũng chiếu chùm tia sáng song song vào thấu kính nhưng lúc này bạn ấy
A B
không tìm được điểm hội tụ của chùm tia ló (chùm tia ló bạn ấy quan sát được là chùm phân kỳ). Bạn ấy thắc mắc chẳng lẽ lý thuyết sai vì theo lý thuyết mà bạn biết thì thấu kính có hai mặt lồi là thấu kính hội tụ thì phải hội tụ chùm tia sáng song song chiếu tới nó. Vì sao lại có hiện tượng trên ?.
2.4.6. Bài toán “ hộp đen”
Bài tập 24: Có hai hộp đựng thấu kính. Một hộp đựng thấu kính hội tụ,
một hộp đựng thấu kính phân kỳ. Để xác định loại thấu kính trong mỗi hộp người ta chiếu chùm tia sáng song song vào hộp (vào thấu kính) thu được chùm tia ló như hình vẽ 2.12a và 2.12b. Hãy cho biết hộp nào đựng thấu kính hội tụ, hộp nào đựng thấu kính phân kỳ?
Bài tập 25: Trong một “hộp đen” người ta đựng 1 dụng cụ quang học
(lăng kính hoặc gương hoặc thấu kính). Nếu ta đặt 1 vật sáng trước nó thì trên màn hình thu được 1 ảnh thật, đồng dạng và ngược chiều (như hình vẽ 2.13). Cho biết đó là dụng cụ quang học nào? Xác định các yếu tố của dụng cụ đó? Hình 4.b Hình 4.a Dụng cụ quang học A’ B’ Hình 5
Bài tập 26: Trong một “hộp đen” có chứa hai dụng cụ quang học sau: một
thấu kính hội tụ và một thấu kính phân kỳ. Biết rằng nếu chiếu một chùm sáng đơn sắc song song vào hệ quang học đó thì ta thu được chùm tia ló cũng là chùm song song. Hỏi hệ quang cụ đó được ghép như thế nào? Bài toán có xẩy ra với thấu kính bất kỳ không?
2.5. Xây dựng câu hỏi định hướng tư duy trong bài tập sáng tạo nhằm bồi dưỡng tư duy sáng tạo cho học sinh trong dạy học phần Quang hình
2.5.1. Bài tập có nhiều cách giải
Bài tập 1: Một vật sáng AB đặt song song và cách màn một khoảng D = 120cm. Người ta đặt một thấu kính hội tụ ở giữa vật và màn sao cho trục chính vuông góc với vật, ảnh thu được trên màn cao gấp 3 lần vật. Xác định vị trí đặt vật và tiêu cự của thấu kính. Giải bằng 2 phương pháp: Phương pháp đại số và phương pháp dựng hình.
Cách giải 1: Dùng phương pháp đại số * Định hướng tư duy HS:
- Em hãy tìm mối quan hệ giữa d và d’? * Hướng dẫn giải:
Sơ đồ tạo ảnh:
Theo giả thiết: d + d’ = D = 120cm (2.1) ; -
d d' = - 3 (2.2) Từ (2.1) và (2.2) ta được d = 30cm, d’ = 90cm. Áp dụng công thức ' 1 1 1 d d f = + và thay số ta được f = 22,5cm. Cách giải 2: Dùng phương pháp hình học * Định hướng tư duy HS:
- Để giải bài toán này bằng phương pháp hình học thì em cần biết điều gì về thấu kính? Muốn biết điều đó em cần dựng hình như thế nào?
AB A’B’
d d’
A’
* Hướng dẫn giải: - Vẽ hình:
+ Dựng trục chính thấu kính, vật AB và ảnh A’B’.
+ Nối B với B’ cắt trục chính tại O – là quang tâm của thấu kính, vẽ thấu kính.
+ Từ B vẽ tia sáng song song với trục chính, tia ló qua B’ cắt trục chính tại F’ – tiêu điểm ảnh chính của thấu kính.
- Từ hình vẽ ta có: • ' ' = ' =31 OA OA B A AB mà OA + OA’ = D = 120cm ⇒ OA = d = 30cm, OA’ = d’ = 90cm (vật và ảnh đều thật nên d > 0, d’ > 0). • ' ' 13 ' = A F OF mà OF’ + F’A’ = 90cm ⇒ OF’ = f = 22,5cm (thấu kính hội tụ nên f > 0). * Gợi ý cách sử dụng bài tập:
Bài tập này được sử dụng sau khi HS đã học xong bài “Thấu kính mỏng”. GV có thể ra bài tập này về nhà và giải vào tiết bài tập tiếp theo, hoặc cũng có thể sử dụng để kiểm tra HS sau khi đã học về thấu kính mỏng (vì theo phân phối chương trình bài “Thấu kính mỏng” học trong 2 tiết) hoặc cũng có thể sử dụng trong giờ học tự chọn. A B O F’ B’ Hình 6
Bài tập 2: Cho một thấu kính phân kỳ L1 có tiêu cự 15cm và một thấu kính hội tụ L2 có tiêu cự 45cm đặt đồng trục và cách nhau khoảng l. Đặt một vật sáng AB trước hệ, cách L1 một khoảng d1 và vuông góc với trục chính của hệ. Tìm l để độ lớn ảnh cuối cùng không phụ thuộc vào vị trí đặt vật AB trước L1. Giải theo 2 phương pháp: Phương pháp đại số và phương pháp dựng hình.
Cách giải 1: Dùng phương pháp đại số * Định hướng tư duy HS:
- Tìm điều kiện để độ lớn ảnh cuối cùng không phụ thuộc vào vị trí đặt vật?
* Hướng dẫn giải: - Sơ đồ tạo ảnh:
Để độ lớn ảnh cuối cùng không phụ thuộc vào vị trí đặt vật tức là k không
phụ thuộc vào d1. Ta có: k = k1.k2 = 2 2 2 1 1 1 . d f f d f f − − (3.1) Trong đó: d1’ + d2 = l, d1’ = 1 1 1 1 f d f d − (3.2) Từ (3.1) và (3.2) ta có k = 1 2 1 1 2 1 2 1 ) (l f f d lf f f f f − − + − (3.3)
Từ (3.3) ta thấy để k không phụ thuộc vào d1 thì l = f1 +f2, thay số ta được: l = 30cm.
Cách giải 2: Dùng phương pháp hình học * Định hướng tư duy HS:
- Để độ lớn ảnh cuối cùng không phụ thuộc vào vị trí đặt vật thì nhận xét gì về đường đi của chùm tia sáng song song từ vật đi vào hệ 2 thấu kính? Khi đó vị trí 2 thấu kính phải thõa mãn điều kiện gì?
* Hướng dẫn giải:
AB A1B1 A2B2 d1 d1’ d2 d2’
L1 L2 K
- Để độ lớn ảnh cuối cùng không phụ thuộc vào vị trí đặt vật thì chùm tia sáng song song từ vật đi vào hệ 2 thấu kính cho chùm tia ló cũng là chùm song song.
- Hình vẽ:
Để đơn giản ta chỉ cần vẽ tia tới BJ song song với trục chính, tia ló khỏi hệ 2 thấu kính là KR song song với trục chính.
Nhìn vào hình vẽ ta thấy nếu F1’ ≡ F2 thì khi tịnh tiến AB dọc theo trục chính của hệ thấu kính thì tia tới BJ và tia ló KR không đổi. Khi đó khoảng cách giữa 2 thấu kính là l = f2 - f1 = f2 + f1 = 30cm.
Nhận xét: Nếu L1 đặt sau L2 thì F1 ≡ F2’và kết quả vẫn như trên. * Gợi ý cách sử dụng bài tập:
Bài tập này được sử dụng sau khi HS đã học xong bài “Thấu kính mỏng”. GV có thể ra bài tập này về nhà và giải vào tiết bài tập tiếp theo, hoặc cũng có thể sử dụng để kiểm tra 1 tiết (kết hợp với các câu hỏi khác), hoặc cũng có thể sử dụng trong giờ học tự chọn, hoặc có thể sử dụng trong câu lạc bộ vật lí, hoặc có thể sử dụng dưới hình thức báo tường, báo bảng.
Bài tập 3: Đặt một vật phẳng nhỏ AB song song với một màn ảnh E và cách màn ảnh một khoảng L = 80 cm. Đặt xen giữa vật và màn ảnh một thấu kính hội tụ sao cho trục chính của nó đi qua A và vuông góc với màn ảnh. Người ta tìm thấy 2 vị trí của thấu kính tại đó thu được ảnh của AB rõ nét trên
Hình 7
R
A
J F1’ ≡ F2
màn. Ảnh nọ lớn gấp 4 lần ảnh kia. Tính tiêu cự của thấu kính ? (Giải bài toán theo những cách khác nhau).
Cách giải 1: Vận dụng công thức thấu kính. * Định hướng tư duy HS:
- Tìm mối quan hệ giữa d1, d1’ với d2, d2’ ? - Mối quan hệ giữa k1 và k2 ?
* Hướng dẫn giải:
Gọi d1 và d2 là khoảng cách từ vật AB đến thấu kính ở các vị trí thứ nhất và thứ hai, d1’ và d2’ là khoảng cách từ màn ảnh đến các vị trí tương ứng của thấu kính.
Ta có: f = ' 1 1 ' 1 1. d d d d + = ' 2 2 ' 2 2. d d d d +
Theo giả thiết: d1 + d1’ = d2 + d2’ = L = 80cm.
Vậy d1. d1’ = d2.d2’ (4.1)
Gọi k1 và k2 là số phóng đại của ảnh ứng với hai vị trí của thấu kính, ta có: k1 = - 1 ' 1 d d ; k2 = - 2 ' 2 d d
Theo giả thiết:
2 1 k k = 4 hay: ' 2 1 2 ' 1 . . d d d d = 4 (4.2) Từ (4.1) và (4.2) ta suy ra d2 = 2d1 và d2’ = 21 d1’ Vậy d1 = 803 cm; d1’ = 1603 cm; f = 1609 cm.
Cách giải 2: Vận dụng hệ quả của bài toán Bessel * Định hướng tư duy HS:
- Từ bài toán 3 trang 248 SGK Vật lí 11 Nâng cao em hãy chứng minh: k1.k2 = 1. Từ đó suy ra mối quan hệ giữa độ cao của vật và độ cao của hai ảnh?
- Vận dụng hệ quả trên giải bài toán này. * Hướng dẫn giải:
Ta có: k1.k2 = 2 1 ' 2 ' 1 . . d d d d
; theo kết quả bài toán 3 trang 248 SGK Vật lí 11 Nâng cao thì d1 = d2’ và d1’ = d2. Vậy k1.k2 = 1 (đpcm).