10. Cấu trỳc và nội dung luận văn
2.2.3. Tiến trỡnh dạy học – phỏt triển năng lực tự học
Bài 26: Khỳc xạ ỏnh sỏng
I. Mục tiờu về kiến thức – kĩ năng
Kiến thức – kĩ năng Mức độ biểu hiện cụ thể
- Phỏt biểu được định nghĩa hiện tượng khỳc xạ ỏnh sỏng
- Khỳc xạ ỏnh sỏng là hiện tượng tia sỏng bị đổi hướng đột ngột hay gẫy khỳc khi truyền qua bề mặt phõn cỏch của hai mụi trường trong suốt khỏc nhau.
-Phỏt biểu được định luật khỳc xạ ỏnh sỏng
-Vận dụng được hệ thức của định luật khỳc xạ ỏnh sỏng.
- Nờu được chiết suất tuyệt đối, chiết suất tỉ đối là gỡ và mối quan hệ giữa cỏc chiết suất này với tốc độ của ỏnh sỏng trong cỏc mụi trường.
-Tia khỳc xạ nằm trong mặt phẳng tới. - Tia tới và tia khỳc xạ nằm ở hai bờn phỏp tuyến tại điểm tới.
- Đối với hai mụi trường trong suốt nhất định, tỉ số giữa sin của gúc tới và sin của gúc khỳc xạ là một hằng số:
sin i
n hay n sin i n sinr sinr 21 1
2
-Hằng số n tuỳ thuộc vào bản chất vật lớ của mụi trường khỳc xạ (mụi trường chứa tia khỳc xạ) và mụi trường tới (mụi trường chứa tia tới).
+ Nếu n > 1 thỡ sini > sinr hay i > r, mụi trường khỳc xạ chiết quang hơn mụi trường tới.
+ Nếu n < 1 thỡ sini < sinr hay i < r, mụi trường tới chiết quang hơn hơn mụi trường khỳc xạ.
- Biết cỏch tớnh chiết suất, gúc khỳc xạ, gúc tới trong cỏc cụng thức của định luật khỳc xạ. - Hằng số n được gọi là là chiết suất tỉ đối của mụi trường chứa tia khỳc xạ đối với mụi trường chứa tia tới. Chiết suất tỉ đối cú giỏ trị bằng tỉ số giữa cỏc tốc độ v1 của ỏnh sỏng
- Nờu được tớnh chất thuận nghịch của sự truyền ỏnh sỏng và chỉ ra sự thể hiện tớnh chất này ở định luật khỳc xạ ỏnh sỏng.
rong mụi trường chứa tia tới và tốc độ v2 của ỏnh sỏng trong mụi trường chứa tia khỳc xạ:
n v1
21
v
2
-Chiết suất tuyệt đối của một mụi trường là chiết suất tỉ đối của mụi trường đú đối với chõn khụng.
- Chiết suất tuyệt đối của mụi trường 1 và của mụi trường 2 là:
n c
v
- Chiết suất tuyệt đối của mọi chất đều lớn hơn 1. Chiết suất tuyệt đối của khụng khớ xấp x bằng 1.
- Hệ thức giữa chiết suất tỉ đối và chiết suất tuyệt đối:
n n2
21
n
1
-Dạng đối xứng của định luật khỳc xạ: n1sini = n2sinr
-Tớnh thuận nghịch của sự truyền ỏnh sỏng:
Ánh sỏng truyền đi theo đường nào thỡ cũng truyền ngược lại theo đường đú.
- Trong định luật khỳc xạ ỏnh sỏng khi cho ỏnh sỏng truyền từ mụi trường 2 ra mụi trường 1 hay núi cỏch khac ta thay đổi vai trũ của n1 với n2, gúc i với gúc r ta vẫn thu được biểu thức dạng tương tự
n1sini = n2sinr
Như vậy tớnh chất thuận nghịch ỏnh sỏng vẫn nghiệm đỳng trong trường hợp của định luật khỳc xạ ỏnh sỏng.
* Quan sỏt video – clip hiện tượng khỳc xạ ỏnh sỏng Khi chiếu tia sỏng laser vào trong khối
bỏn trụ thủy tinh trong suốt đặt trong khụng khớ thu được đường truyền của tia sỏng như hỡnh sau:
C1: Cú hiện tượng gỡ tại mặt phõn cỏch giữa 2 mụi trường trong suốt (mụi trường trường thủy tinh và khụng khớ) ở hỡnh ảnh trờn?
C2: Từ kiến thức lớp 9, hóy cho biết hiện tượng khỳc xạ ỏnh sỏng là gỡ. Hiện tượng quan sỏt được ở trờn cú phải là hiện tượng khỳc xạ ỏnh sỏng hay khụng?
C3: Hóy nờu thờm một số vớ dụ về hiện tượng khỳc xạ ỏnh sỏng? * Cho hỡnh vẽ biểu thị sự khỳc xạ ỏnh sỏng như sau:
C4: Dựa vào hỡnh trờn và sử dụng kiến thức lớp 9 đó học để trả lời cỏc cõu hỏi sau:
- Tia nào là tia tới, tia nào là tia khỳc xạ? - Gúc nào là gúc tới , gúc nào là gúc khỳc xạ ? - Mặt phẳng tới được tạo bởi cỏc thành phần nào?
C5: Trong hiện tượng khỳc xạ ỏnh sỏng, tia tới và tia khỳc xạ cú mối liờn hệ gỡ với nhau?
Gợi ý: khi tia tới truyền từ khụng khớ vào mụi trường trong suốt rắn hay lỏng tia khỳc xạ nằm trong mặt phẳng nào? Vị trớ của
nú đối với phỏp tuyến so với tia tới?
* Làm thế nào để xỏc định mối liờn hệ giữa gúc tới và gúc khỳc xạ? hóy nghiờn cứu thớ nghiệm sau đõy:
Dựng 1 đốn laser, 1 bỏn trụ thủy tinh trong suốt, 1 thước đo độ và 1 bảng dựng để
Dựng ỏnh sỏng laser chiếu vào mặt bỏn trụ.
C6: Ta phải thực hiện thớ nghiệm như thế nào để xỏc định mối liờn hệ giữa gúc tới i và gúc khỳc xạ r? làm sao để suy ra được tỉ số :
sin i
là một hằng số sin r
* Tỡm ý nghĩa của hằng số a
C7: Nếu hằng số a ở trờn là n . Dựa vào biểu thức sin i n hóy xột hai trường
21 sinr 21
hợp: n21 1 và n21 1 để so sỏnh giỏ trị của gúc tới i và gúc khỳc xạ r tương ứng, từ đú
nhận xột về sự lệch của tia khỳc xạ đối với phỏp tuyến so với tia tới cho từng trường hợp?
Gợi ý: i, r chỉ nhận giỏ trị trong khoảng từ 0o đến 90o thỡ hàm sin trong trường hợp này biến thiờn như thế nào? Vẽ hỡnh cho từng trường hợp n21 >1 và n21 <1.
C8: Tỡm hiểu xem chiết suất tỉ đối là gỡ? Chiết suất tuyệt đối là gỡ?
C9: Cú nhận xột gỡ về độ lớn chiết suất tuyệt đối của một mụi trường bất kỳ? C10: Thử v ảnh của hũn sỏi trong bỡnh đựng nước
trong hỡnh vẽ dưới đõy?
Gợi ý: Sử dụng 2 tia sỏng: 1 tia chiếu vụng gúc với mặt nước và 1 tia chiếu xiờn gúc đến mặt nước.
C11: Hóy giải thớch sự tạo ảnh của con cỏ trong hỡnh sau?
C12: Từ hỡnh ảnh hũn sỏi và con cỏ qua sự khỳc xạ ỏnh sỏng trờn, rỳt ra nhận xột gỡ về độ nụng sõu của nước ở đỏy bể?
- Nếu tia tới là SI thỡ tia sỏng truyền theo đường nào?
- Nếu tia tới là tia RK thỡ tia sỏng truyền đi theo đường nào? - Từ đú hóy dự đoỏn ỏnh sỏng cú tớnh chất gỡ?
Bài 27: Phản xạ toàn phần
I.Mục tiờu về kiến thức – kĩ năng
Kiến thức – kĩ năng Mức độ biểu hiện cụ thể
-Mụ tả được hiện tượng phản xạ toàn phần và nờu được điều kiện xảy ra hiện tượng này.
-Giải được cỏc bài tập về hiện tượng phản xạ toàn phần.
- Thớ nghiệm về hiện tượng phản xạ toàn phần:
+ Xột tia sỏng đi từ mụi trường cú chiết suất n1 sang mụi trường cú chiết suất n2 nhỏ hơn (r > i).
+ Cho gúc tới i tăng dần thỡ gúc khỳc xạ r cũng tăng dần và luụn lớn hơn i.
+ Khi r đạt giỏ trị lớn nhất là 900 thỡ gúc tới i cũng cú giỏ trị lớn nhất là igh với sini n2 gh n 1 Khi i igh thỡ toàn bộ bị phản xạ, khụng cú tia khỳc xạ vào mụi trường thứ hai. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng phản xạ toàn phần.
- Điều kiện xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần: Khi ỏnh sỏng đi từ mụi trường cú chiết suất lớn hơn sang mụi trường cú chiết suất nhỏ hơn và cú gúc tới i lớn hơn hoặc bằng gúc giới hạn igh thỡ xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần, trong đú mọi tia sỏng đều bị phản xạ, khụng cú tia khỳc xạ.
-Biết nhận dạng cỏc trường hợp xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần của tia sỏng khi qua mặt phõn cỏch.
- Mụ tả được sự truyền ỏnh sỏng trong cỏp quang và nờu được vớ dụ về ứng dụng của cỏp quang và tiện lợi của nú.
phần và cỏc đại lượng trong cụng thức tớnh gúc giới hạn.
- Sợi quang cú lừi làm bằng thuỷ tinh hoặc chất dẻo trong suốt cú chiết suất n1 được bao quanh bằng một lớp vỏ cú chiết suất n2 nhỏ hơn n1
- Một tia sỏng truyền vào một đầu của sợi quang. Trong sợi quang, tia sỏng bị phản xạ toàn phần nhiều lần tại mặt tiếp xỳc giữa lừi và vỏ và lú ra đầu kia. Sau nhiều lần phản xạ như vậy, tia sỏng được dẫn qua sợi quang mà cường độ sỏng bị giảm khụng đỏng kể. - Nhiều sợi quang ghộp với nhau thành bú. Cỏc bú được ghộp và hàn nối với nhau tạo thành cỏp quang.
-Ứng dụng của cỏp quang:
Trong cụng nghệ thụng tin, cỏp quang được dựng để truyền thụng tin (dữ liệu) dưới dạng tớn hiệu ỏnh sỏng. Cỏp quang cú ưu điểm hơn so với cỏp kim loại là truyền được lượng dữ liệu rất lớn, khụng bị nhiễu bởi
trường điện từ bờn ngoài.
II.Phiếu cõu hỏi học tập số 1
C1: Dựa vào kiến thức đó học ở lớp 7, trả lời cỏc cõu hỏi sau: - Hóy cho biết thế nào là hiện tượng phản xạ ỏnh sỏng?
- Sự phản xạ ỏnh sỏng tuõn theo định luật nào?
* Thụng thường ỏnh sỏng truyền từ mụi trường trong suốt 1 sang mụi trường trong suốt 2, gặp mặt phõn cỏch giữa hai mụi trường bị tỏch thành hai chựm sỏng: chựm phản xạ lại mụi trường 1 và chựm khỳc xạ vào mụi trường 2. Vậy, cú
thể xảy ra trường hợp tia sỏng khụng bị khỳc xạ vào mụi trường 2 hay khụng? Hóy lần lượt trả lời cỏc cõu hỏi từ C2 đến C6 dưới đõy để tỡm cõu trả lời.
C2: Chiếu tia sỏng đi từ mụi trường 1 cú chiết suất n1 sang mụi trường 2 cú chiết suất n2 nhỏ hơn (n2<n1). Dựa vào định luật khỳc xạ ỏnh sỏng, hóy khảo sỏt sự biến thiờn của gúc khỳc xạ theo sự biến thiờn của gúc tới.
C3: Chiếu một chựm tia sỏng hẹp đi từ khối bỏn trụ cú chiết suất n=1,4 ≈ √2 ra khụng khớ. Xỏc định gúc khỳc xạ và đường đi của chựm sỏng với cỏc giỏ trị sau đõy của gúc tới i. Vẽ hỡnh minh họa
a, i=300 b, i=450 c, i=600
C4: Trong cõu hỏi C3, cú trường hợp nào khụng xỏc định được gúc khỳc xạ hay khụng? nếu cú thỡ ứng với trường hợp này, hóy dự đoỏn xem tia sỏng s truyền như thế nào?
Gợi ý: Một tia sỏng khi tới mặt phõn cỏch giữa hai mụi trường trong suốt chỉ cú thể khỳc xạ vào mụi trường thứ hai và phản xạ lại vào mụi trường thứ nhất. Trường hợp khụng cú tia khỳc xạ thỡ toàn bộ tia sỏng đi đõu? Trường hợp đú được gọi là hiện tượng phản xạ toàn phần.
* Làm thế nào để thấy được hiện tượng phản xạ toàn phần đó nờu ở trờn? Hóy nghiờn cứu thớ nghiệm sau.
Cho cỏc dụng cụ thớ nghiệm sau: bỏn trụ D bằng thủy tinh, 1 thước trũn chia độ, nguồn sỏng laser, bản từ để gắn cỏc dụng cụ trờn. Xem video - clip dưới đõy.
C5: Làm thế nào để quan sỏt được hiện tượng đó nờu ở trờn và đo được giỏ trị của cỏc gúc tới khi tia sỏng đi từ bỏn trụ ra ngoài khụng khớ?
C6: Hóy cho biết thế nào là hiện tượng phản xạ toàn phần? * Tiếp tục khảo sỏt bài toỏn ở cõu hỏi C3
C7: Cú trường hợp nào ngoài trường hợp trờn, cũng khụng tớnh được gúc khỳc xạ hay khụng?
Gợi ý: trong cõu hỏi C3, hóy tớnh gúc tới i1 ứng với gúc khỳc xạ r=900. Từ giỏ trị của gúc tới i1 tớnh được hóy tăng dần gúc i1 lờn và tớnh gúc khỳc xạ tương ứng xem cú tồn tại gúc khỳc xạ hay khụng?
Gúc tới i1 xỏc định được ở trờn người ta gọi là gúc tới giới hạn, kớ hiệu igh. Bắt đầu từ gúc tới igh đú trở lờn ta khụng xỏc định được gúc khỳc xạ tương ứng, nghĩa là xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần.
C8: Hóy nờu tổng quỏt trong trường hợp nào đối với gúc tới chỳng ta khụng tớnh được gúc khỳc xạ trong bài toỏn C3?
C9: Bõy giờ vẫn bài toỏn C3, xột trường hợp tổng quỏt: tia sỏng truyền từ mụi trường cú chiết suất n1 sang mụi trường cú chiết suất n2 nhỏ hơn. Hóy xỏc định gúc tới giới hạn igh?
C10: Chiếu tia sỏng đi từ mụi trường 1 cú chiết suất n1 sang mụi trường 2 cú chiết suất n2 lớn hơn (n2>n1). Dựa vào định luật khỳc xạ ỏnh sỏng, hóy khảo sỏt sự biến thiờn của gúc khỳc xạ theo sự biến thiờn của gúc tới.
C11: Bõy giờ, trong cõu hỏi C3 ta cho chựm tia sỏng chiếu từ khụng khớ vào khối bỏn trụ, hóy xột xem cú trường hợp nào ta khụng xỏc định được gúc khỳc xạ khi chiếu với cỏc gúc tới từ 0o, 30o, 45o và lớn nhất là 90o?
C12: Như vậy, điều kiện để xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần là gỡ? * Bõy giờ, hóy tỡm hiểu ứng dụng của phản xạ toàn phần trong cuộc sống. Quan sỏt video – clip của sợi quang và sau và trả lời cỏc cõu hỏi:
C13: Tại sao ỏnh sỏng được dẫn qua sợi quang và chiếu ra khỏi sợi quang như hỡnh ảnh trờn?
Cho biết cấu tạo của sợi của sợi quang gồm lừi làm bằng thủy tinh hoặc chất dẻo trong suốt cú chiết suất n1, được bao quanh bằng lớp vỏ cú chiết suất n2. Như hỡnh vẽ
sau:
C14: Hóy quan sỏt hỡnh trờn và cho biết chiết suất n1 và n2, chiết suất nào lớn hơn. Ánh sỏng được truyền như thế nào
trong sợi quang?
Gợi ý: xột sự truyền sỏng tại cỏc điểm tới I, I1, I2.
C15: Hóy cho biết ứng dụng của sợi quang trong hỡnh ảnh dưới đõy?
C16: Quan sỏt những hỡnh ảnh dưới đõy và cho biết đú là ứng dụng gỡ của sợi quang?