2.1. Phân tích một số kiến thức chương Quang hình học – Vật lí 11 theo định
2.1.1. Khúc xạ ánh sáng
Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng lệch phương của tia sáng khi truyền xuyên góc qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt khác nhau.
Hình 2.1. Hiện tượng khúc xạ ánh sáng
Định luậtkhúc 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 trường trong suốt nhất định, tỉ số giữa sin góc tới (sini) và sin góc khúc xạ (sinr) luôn không đổi.
sin sin
i
r = hằng số
2.1.2. Chiết suất của môi trường
Chiết suất tỉ đối giữa hai môi trường
Chiết suất tỉ đối của môi trường 2 (môi trường khúc xạ) đối với môi trường 1 (môi trường tới):
21 sin sin i n r
Nếu n211thì góc khúc xạ nhỏ hơn góc tới. Ta nói môi trường (2) chiết quang kém môi trường (1).
Nếu n211thì góc khúc xạ lớn hơn góc tới. Ta nói môi trường (2) chiết quang
hơn môi trường (1).
Nếu i0thì r0: tia sáng chiếu vuông góc với mặt phân cách sẽ truyền thẳng.
Trong lí thuyết ánh sáng, chiết suất tỉ đối bằng tỉ số giữa các tốc độ v1và v2của ánh sáng khi đi trong môi trường 1 và trong môi trường 2.
1 21 2 v n v
Chiết suất tuyệt đối của một môi trường
Chiết suất tuyệt đối của một môi trường (thường được gọi là chiết suất môi trường) là chiết suất tỉ đối của môi trường đó với chân không.
c n
v
Trong đó:
clà tốc độ truyền ánh sáng trong chân không.
vlà tốc độ truyền ánh sáng trong môi trường ta xét.
Vì tốc độ của ánh sáng truyền đi trong các môi trường bao giờ cũng nhỏ hơn tốc độ ánh sáng trong chân không (vc), nên chiết suất tuyệt đối của mọi chất đều lớn hơn 1. Suy ra: 1 2 21 2 1 v n n v n
Định luật khúc xạ ánh sáng có thể được viết dưới dạng sau:
1sin 2sin
n in r
2.1.3. Phản xạ toàn phần
Phản xạ toàn phần là hiện tượng phản xạ toàn bộ tia sáng tới, xảy ra ở mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt. Khi có phản xạ toàn phần thì không còn tia khúc xạ. Ta gọi phản xạ toàn phần để phân biệt với phản xạ một phần luôn xảy ra đi kèm với sự khúc xạ.
Hình 2.2. Hiện tượng phản xạ toàn phần
Điều kiện để có phản xạ toàn phần:
Ánh sáng truyền từ một môi trường tới môi trường chiết quang hơn.
2 1
n n
Góc tới lớn hơn hoặc bằng góc giới hạn.
gh
ii
2.1.4. Thấu kính mỏng
Thấu kính là một khối chất trong suốt, đồng chất (thủy tinh, nhựa, …) với hai mặt khúc xạ mà trục chính của chúng trùng nhau; trục chính ấy là trục chính của thấu kính. Khi một thấu kính được không khí bao bọc, ánh sáng khúc xạ từ không khí vào thấu kính đi qua thấu kính và sau đó khúc xạ trở lại không khí.
Ở đây chúng ta xét một trường hợp đặc biệt là thấu kính mỏng. Đó là thấu kính mà độ dày của nó nhỏ so với khoảng cách vật, khoảng cách ảnh và kể cả hai bán kính cong của thấu kính.
Chú ý:
Đối với mặt lồi R 0;
Đối với mặt lõm R 0;
Đối với mặt phẳng R = . Theo hình dạng, thấu kính có hai loại:
Thấu kính lồi (thấu kính rìa mỏng) được gọi là thấu kính hội tụ; khi chùm tia tới là chùm song song thì thấu kính lồi tạo ra chùm tia ló hội tụ.
Thấu kính lõm (thấu kính rìa dày) được gọi là thấu kính phân kì; khi chùm tia tới là chùm song song thì thấu kính lõm tạo ra chùm tia ló phân kì.
Hình 2.4. Hình bổ dọc TKHT Hình 2.5. Ký hiệu TKHT
Hình 2.6. Đường truyền tia sáng qua TKHT
O F
F’
O gọi là quang tâm của thấu kính, mọi tia tới qua quang tâm của thấu kính đều truyền thẳng. Độ tụ của thấu kính: f là tiêu cự (m); 𝑓 = 𝑂𝐹′̅̅̅̅̅ D là độ tụ, đơn vị điốp (đp). Công thức xác định vị trí ảnh: 1 1 1 ' d d f Qui ước:
f là tiêu cự của thấu kính: f 0(thấu kính hội tụ); f 0(thấu kính phân kì);
1
D f
Hình 2.9. Đường truyền tia sáng qua
O F’ F Tiêu điểm ảnh chính Thấu kính hội tụ Tiêu điểm vật chính Trục chính Tiêu cự Quang tâm A B B’ A’ d d O
d là khoảng cách từ vật đến thấu kính: d 0 (vật thật); d 0 (vật ảo);
d' là khoảng cách từ ảnh đến thấu kính: d'0 (ảnh thật); d'0 (ảnh ảo).
Độ phóng đại ảnh ' ' ' A B d k d AB 0
k : ảnh ảo, ảnh cùng chiều với vật;
0
k : ảnh thật, ảnh ngược chiều với vật.
Khoảng cách từ ảnh đến vật (L): d d' L
Cách vẽ ảnh tạo bởi thấu kính
- Tia tới qua quang tâm O thì truyền thẳng.
- Tia tới song song với trục chính, tia ló qua tiêu điểm ảnh chính F’ (hay có đường kéo dài qua tiêu điểm ảnh chính F’).
ẢNH
Ảnh thật có thể hứng được trên màn ảnh.
Ảnh ảo chỉ có thể quan sát bằng mắt đặt ở vị trí thu nhận được chùm tia phản xạ hoặc khúc xạ.
. O F . F/ O . . F F’ . . O F F/ . O . F F/
- Tia tới bất kỳ, ta vẽ trục phụ, tia ló (hay đường kéo dài của nó) qua tiêu điểm ảnh phụ.
2.2. Thiết kế và tổ chức dạy học chủ đề STEM “Pyramid Hologram”
2.2.1. Xây dựng kế hoạch dạy học chủ đề STEM “Pyramid Hologram”
1. Mục tiêu
1.1. Kiến thức
Trình bày được định luật khúc xạ ánh sáng.
Trình bày được cấu tạo và nguyên lí hoạt động của Pyramid Hologram.
Trình bày được đường truyền tia sáng. 1.2. Kỹ năng
Vẽ được sơ đồ mô hình máy chiếu phim Pyramid Hologram.
. O F F’ . . O . F F’ . O F . F’ F’P . F O . F’ F’P
Cắt ghép các hình thang trở thành hình kim tự tháp cụt.
Thuyết trình được về máy chiếu phim Pyramid Hologram. 1.3. Thái độ
Tích cực tham gia các hoạt động của nhóm.
Hào hứng, phấn khởi khi được vận dụng kiến thức Vật lí giải quyết vấn đề thực tiễn liên quan đến Khoa học, Kỹ thuật, Công nghệ và Toán học.
Tuân thủ các quy định về an toàn khi sử dụng các thiết bị cắt, dán chế tạo máy chiếu phim Pyramid Hologram.
1.4. Định hướng phát triển năng lực STEM
Khoa học (S): Vận dụng kiến thức phản xạ ánh sáng, khúc xạ ánh sáng giải thích ảnh 3D quan sát được.
Công nghệ (T): Nêu được công dụng của bìa kính trong suốt hoặc mica mỏng trong suốt. Lắp ráp được những bìa kính thành máy chiếu phim Pyramid Hologram. Quy trình chế tạo máy chiếu Pyramid Hologram. Sử dụng video Pyramid Hologram trên điện thoại di động, máy tính bảng, …
Kỹ thuật (E): Biết cách sử dụng thiết bị dụng cụ để chế tạo máy chiếu phim Pyramid Hologram, chế tạo hộp tối. Vẽ được bản vẽ cấu tạo kỹ thuật.
Toán học (M): Tính toán được góc nghiêng của từng mặt nghiêng để thu được ảnh 3D.
1.5. Định hướng tính tích cực
HS chủ động thành lập nhóm trên cơ sở thế mạnh của mỗi thành viên, sở thích,… phân công nhiệm vụ mỗi thành viên.
HS phấn khởi khi được vận dụng kiến thức Vật lí tìm hiểu nguyên lí hoạt động của Pyramid Hologram.
HS tham gia thảo luận sôi nổi về các ý tưởng sản phẩm, chủ động phản biện.
HS tìm hiểu kiến thức từ nhiều nguồn khác nhau: giáo trình, sách, bài báo, tạp chí, Internet, GV, …
HS thiết kế được sơ đồ, bản vẽ thể hiện nguyên lí cấu tạo và hoạt động, vận hành của Pyramid Hologram.
HS có khả năng đề xuất được nhiều giải pháp và thực hiện Pyramid Hologram mang lại kết quả và hiệu ứng mới.
HS tìm ra các thiết bị, vật liệu mới thay thế cho thiết bị, vật liệu cũ nhằm cải tiến sản phẩm.
2. Chuẩn bị 2.1. Giáo viên
Phòng học nhóm, có bàn làm việc nhóm.
Chuẩn bị tài liệu hướng dẫn, phiếu học tập và đề kiểm tra cuối chủ đề STEM “Pyramid Hologram”.
Máy chiếu trình chiếu bài giảng, video giới thiệu chủ đề, giới thiệu sản phẩm từ các trang mạng xã hội: Youtube, Facebook, …
Ổ điện để HS sử dụng súng bắn keo, nên chuẩn bị mỗi nhóm một ổ điện.
Chuẩn bị bìa kính trong suốt, bìa giấy cứng.
Điện thoại di động có video Pyramid Hologram. 2.2. Học sinh
Xem trước bài Khúc xạ ánh sáng.
Xem lại kiến thức Phản xạ ánh sáng. 3. Tổ chức dạy học
3.1. Buổi 1
Hoạt động của GV Hoạt động của HS Thời
gian Hoạt động 1: Chia nhóm
GV tổ chức cho HS chia nhóm. HS dựa vào thế mạnh của mỗi thành viên, vị trí địa lí, sở thích…tự chia nhóm, mỗi nhóm 4-5 HS, chọn nhóm
GV phát phiếu học tập cho HS.
trưởng, ghi danh sách nhóm vào giấy.
Ổn định trật tự. Đại diện mỗi nhóm nhận phiếu học tập.
Hoạt động 2: Đặt vấn đề và tìm hiểu Pyramid Hologram
GV biểu diễn sản phẩm Pyramid Hologram cho HS quan sát.
GV tổ chức cho HS trải nghiệm sản phẩm.
GV giới thiệu tên sản phẩm: Pyramid Hologram; vận dụng kiến thức phản xạ và khúc xạ ánh sáng.
GV giới thiệu mục đích của sản phẩm trong thực tế: “Trong cuộc sống, ứng dụng Pyramid Hologram được sử dụng rộng rãi để quảng cáo, giới thiệu sản phẩm. Trong những chương trình giới thiệu sản phẩm mới, ngoài những sản phẩm trưng bày, còn có những sản phẩm được giới thiệu qua hình ảnh 3D (ví dụ như xe moto, xe hơi, căn hộ …) bằng máy chiếu phim Pyramid Hologram.
GV tổ chức cho HS video Pyramid Hologram.
GV giải thích cấu tạo, công dụng từng bộ phận của máy trong thực tế: Pyramid Hologram được cấu tạo gồm 1 nguồn chiếu ảnh, 4 tấm kính trong
HS quan sát và trả lời cho GV biết những gì HS đã nhìn thấy.
HS nhận xét về sản phẩm. HS quan sát, lắng nghe và ghi nhận thông tin cần thiết.
Những câu hỏi định hướng: + Máy gồm những bộ phận nào? + Mỗi bộ phận đóng vai trò gì? + Nguyên lí hoạt động của từng bộ phận? Ảnh 3D được tạo ra như thế nào?
+ Vật liệu phù hợp để chế tạo các bộ phận?
Giới thiệu chủ đề dạy học STEM.
Hoạt động 3: Thảo luận cấu tạo, thiết kế bản vẽ Pyramid Hologram
- GV tổ chức cho HS làm việc nhóm thực hiện 3 nhiệm vụ:
+ Hoàn thành phiếu học tập.
+ Thực hiện thiết kế bản vẽ Pyramid Hologram.
+ Đề xuất và nêu công dụng nguyên liệu, dụng cụ cần thiết chế tạo Pyramid Hologram
- Những câu hỏi định hướng để HS thiết kế bản vẽ:
+ Cấu tạo chính của một mô hình máy chiếu phim mini.
+ Dựa vào cấu tạo Pyramid Hologram thực tế, chúng ta có thể làm Pyramid Hologram đơn giản bằng những vật liệu, dụng cụ nào?
+ Để chế tạo mô hình, các em hãy đề xuất và nêu công dụng nguyên
Trả lời các câu hỏi định hướng và thực hiện các nhiệm vụ.
Các nhóm thiết kế bản vẽ cấu tạo và trình bày nguyên lí hoạt động trên giấy A4.
liệu, dụng cụ cần thiết chế tạo Pyramid Hologram?
Hoạt động 4: Thuyết trình
GV tổ chức cho HS trình bày bản vẽ cấu tạo và nguyên lí hoạt động và nguyên vật liệu phù hợp để làm mô hình Pyramid Hologram.
Đại diện mỗi nhóm thuyết trình bản vẽ. Các nhóm còn lại sẽ lắng nghe, sau đó phản biện, góp ý.
30 phút
GV phân tích, nhận xét ưu nhược điểm phần thuyết trình, bản vẽ của mỗi nhóm và chỉnh sửa giúp HS đưa ra phương án tối ưu cho sản phẩm.
HS lắng nghe, phản biện sau đó ghi nhận lại phương án tối ưu cho sản phẩm của nhóm.
15 phút
Hoạt động 5: Phân công nhiệm vụ
GV phát tài liệu hướng dẫn cho HS.
GV giao nhiệm vụ triển khai các hoạt động học tập ở buổi 2:
Chuẩn bị nguyên vật liệu
Tối ưu, hoàn thành bản vẽ của từng nhóm.
GV tổ chức cho từng nhóm HS phân công nhiệm vụ cụ thể cho từng cá nhân trong nhóm.
Đại diện mỗi nhóm nhận tài liệu hướng dẫn.
HS ghi nhận các nhiệm vụ cần thực hiện
HS tự phân công nhiệm vụ cho mỗi thành viên trong nhóm.
5 phút
3.2. Buổi 2
Hoạt động của GV Hoạt động của HS Thời
gian Hoạt động 1: Báo cáo tình hình chuẩn bị vật liệu
GV yêu cầu HS báo cáo tình hình chuẩn bị vật liệu.
Đại diện mỗi nhóm báo cáo tình hình chuẩn bị nguyên vật liệu.
liệu trong suốt làm Pyramid Hologram, GV sẽ cung cấp bìa cứng trong suốt cho HS).
Hoạt động 2: Chế tạo Pyramid Hologram
GV yêu cầu HS tìm hiểu tài liệu hướng dẫn và tiến hành gia công lắp ráp Pyramid Hologram sau đó vận hành thử sản phẩm.
HS trao đổi, tham khảo kích thước mẫu do GV cung cấp trong tài liệu hướng dẫn để chế tạo Pyramid Hologram với kích thước thích hợp. 15 phút Hoạt động 3: Vận hành sản phẩm GV tổ chức cho từng nhóm vận hành sản phẩm trước lớp và thuyết trình sản phẩm: Lí do HS chọn kích thước cho sản phẩm?
Những thuận lợi và khó khăn khi gia công sản phẩm;
Nhận xét ảnh quan sát được. Lần lượt từng nhóm vận hành, thuyết trình sản phẩm và quan sát ảnh. Các nhóm còn lại quan sát, nhận xét. 20 phút
Hoạt động 4: Đề xuất cải tiến
GV đặt vấn đề: Với kích thước Pyramid Hologram đã chế tạo, chất lượng hình ảnh của mỗi nhóm khác nhau, làm sao để ảnh quan sát rõ nét hơn?
Gợi ý HS: Chúng ta có thể hạn chế ánh sáng xung quanh được
HS thảo luận và đề xuất chế tạo hộp tối để quan sát ảnh rõ hơn: Chế tạo Pyramid Hologram với kích thước khác, chất liệu khác hoặc gia công hộp tối, đặt toàn bộ hệ thống Pyramid Hologram vào hộp tối.
15 phút
không? Chúng ta có thể tăng kích thước Pyramid Hologram không?
GV tổ chức cho HS thảo luận và đề xuất cải tiến khả năng quan sát ảnh 3D.
GV tổ chức cho HS thảo luận danh sách dụng cụ cần thiết.
Mỗi nhóm thảo luận danh sách dụng cụ cần thiết để cải tiến sản phẩm.
Hoạt động 5: Chế tạo và vận hành sản phẩm cải tiến
GV tổ chức cho HS chế tạo sản phẩm cải tiến.
GV chuẩn bị sẵn bìa giấy cứng (carton) cho HS làm hộp tối.
Các nhóm chế tạo hộp tối cho bộ sản phẩm.
15 phút
GV tổ chức HS biểu diễn sản phẩm cải tiến.
HS biểu diễn sản phẩm cải tiến
GV yêu cầu HS quan sát ảnh sau khi hoàn thành cải tiến và nhận xét. HS quan sát ảnh và nhận xét chất lượng hình ảnh. GV đánh giá và chấm điểm sản phẩm HS lắng nghe Hoạt động 6: Tổng kết kiến thức GV rút ra kết luận về nguyên lí hoạt động của máy chiếu phim Pyramid Hologram.
HS lắng nghe và ghi chú những kiến thức cần thiết.
10 phút GV yêu cầu HS hoàn thành
phiếu học tập.
HS ghi chép phiếu học tập.
Hoạt động 7: Kiểm tra kiến thức
GV yêu cầu HS trật tự và bắt đầu phát đề kiểm tra.
HS ngồi ngay vị trí, nhận đề kiểm tra và nghiêm túc hoàn thành
12 phút
gian làm bài 10 phút. Nội dung kiểm tra: các kiến thức Vật lí, Toán học, Công nghệ và Kỹ thuật trong chủ đề Pyramid Hologram.
GV thu lại bài kiểm tra. HS nộp bài kiểm tra.
2.2.2. Thiết kế phiếu học tập
PHIẾU HỌC TẬP
CHỦ ĐỀ STEM: PYRAMID HOLOGRAM
Nhóm ……… lớp ……… 1. Pyramid Hologram là gì? ……… ……… ……… ……… ………
2. Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là gì? Phát biểu định luật khúc xạ ánh sáng. ……… ……… ……… ……… ………
4. Hãy vẽ hình đường truyền tia sáng khi đi qua bìa kính trong suốt. ……… ……… ……… ……… ………
2.2.3. Xây dựng tài liệu hướng dẫn HS