2.5. Thiết kế một số bài giảng dạy trong chƣơng “Sóng ánh sáng”
2.5.1. Bài 36: Nhiễu xạ ánh sáng. Giao thoa ánh sáng
I. Mục tiêu
1. Kiến thức:
- Nêu được hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng là gì.
- Nêu được mỗi ánh sáng đơn sắc có một bước sóng xác định trong chân khơng.
- Trình bày được thí nghiệm Y-âng về sự giao thoa ánh sáng và nêu được điều kiện để xảy ra hiện tượng giao thoa ánh sáng.
- Nêu được vân sáng, vân tối là kết quả của sự giao thoa ánh sáng. - Nêu được hiện tượng giao thoa ánh sáng chứng tỏ ánh sáng có tính
2. Kĩ năng:
- Giải thích được hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng.
- Giải thích được hiện tượng giao thoa ánh sáng và rút ra kết luận vể bản chất của ánh sáng.
II. Chuẩn bị
1. Giáo viên:
- Sơ đồ mơ tả thí nghiệm giao thoa ánh sáng - Hình vẽ 36.1, 36.2, 36.3, 36.4
2. Học sinh: Ôn tập giao thoa và nhiễu xạ sóng cơ học
III. Tiến trình tổ chức hoạt động dạy học
1. Hoạt động 1: Kiểm tra kiến thức cũ (8 phút)
? Thế nào là sự tán sắc ánh sáng?
? Ánh sáng đơn sắc là gì? Thế nào là ánh sáng trắng?
? Điều nào chứng tỏ chiết suất của môi trường trong suốt phụ thuộc vào màu sắc ánh sáng? Nêu ví dụ?
2. Hoạt động 2: Tìm hiểu hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng (10 phút)
Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh
- Yêu cầu HS nhắc lại hiện tượng nhiễu xạ sóng cơ học - Mơ tả thí nghiệm hiện tượng
nhiễu xạ ánh sáng
- Kết quả: có vệt sáng ab. Tuy nhiên đặt mắt ở M vẫn thấy O.
- Thảo luận nhóm, nhớ lại hiện tượng sóng lệch khỏi phương truyền thẳng và đi vòng qua vật cản gọi là nhiễu xạ sóng.
- HS đọc SGK, quan sát hình 36.1 thí nghiệm về hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng.
- HS ghi nhận kết quả thí nghiệm và thảo luận để giải thích hiện tượng. O O M a b
- Vậy ánh sáng truyền qua lỗ nhỏ có còn tuân theo định luật truyền thẳng không?
- GV cho HS quan sát một số hình ảnh về nhiễu xạ ánh sáng và yêu cầu HS thảo luận nhóm giải thích hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng. - Gợi ý của GV: Nhiễu xạ ánh sáng chứng tỏ ánh sáng có tính chất gì? Lỗ nhỏ O (khe sáng) có vai trị gì? Nhận xét gì về mỗi chùm sáng đơn sắc?
- Yêu cầu HS viết biểu thức tính bước sóng ánh sáng truyền trong môi trường chân không và trong mơi trường bất kì. Kết hợp với cơng thức tính chiết suất n của mơi trường, tìm biểu thức liên hệ giữa hai bước sóng.
- Điều này chứng tỏ ánh sáng không truyền thẳng khi qua lỗ nhỏ, có hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng.
- Quan sát một số hình ảnh về nhiễu xạ ánh sáng. Thảo luận nhóm giải thích hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng.
- HS trả lời:
Ánh sáng phải có tính chất sóng.
Lỗ nhỏ O (khe sáng) được chiếu sáng giữ vai trị một nguồn phát sóng ánh sáng.
Mỗi chùm sáng đơn sắc là một chùm sáng có bước sóng và tần số xác định.
- Thảo luận nhóm, lập biểu thức:
Trong chân khơng:
Trong mơi trường bất kì:
Lại có: n c v
BÀI 36: NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG. GIAO THOA ÁNH SÁNG 1. Nhiễu xạ ánh sáng
a. Định nghĩa:(SGK) b. Giải thích:(SGK)
- Trong chân khơng, ánh sáng có bước sóng: c
f
với c = 3.108(m/s)
- Trong mơi trường có chiết suất n, ánh sáng có bước sóng: '
n
3. Hoạt động 3: Tìm hiểu về hiện tượng giao thoa ánh sáng (20 phút)
Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh
- Yêu cầu HS nhắc lại một số điểm cơ bản về sóng và giao thoa sóng:
Thế nào là nguồn kết hợp, sóng kết hợp?
Điều kiện để có giao thoa sóng cơ?
Trong vùng giao thoa của hai sóng, quan sát thấy hình ảnh như thế nào?
- Giới thiệu thí nghiệm khe I- âng
- Thảo luận nhóm, ơn lại kiến thức về giao thoa sóng cơ
Hai nguồn dao động có cùng tần số và có độ lệch pha không đổi theo thời gian gọi là hai nguồn kết hợp. Hai sóng do hai nguồn kết hợp tạo ra gọi là hai sóng kết hợp.
Trong vùng giao thoa của hai sóng, quan sát thấy những gợn lồi và những gợn lõm xen kẽ nhau.
- Quan sát thí nghiệm và nêu dụng cụ thí nghiệm: Đ là nguồn sáng trắng, F là kính lọc sắc đỏ, S
- GV cho HS quan sát kết quả thí nghiệm. Yêu cầu HS nêu nhận xét.
- Yêu cầu HS giải thích kết quả thí nghiệm.
- Gợi ý của GV:
Khe S, S1, S2 giữ vai trị gì trong thí nghiệm?
Vùng khơng gian có 2 sóng chồng lên nhau cho ta hình ảnh gì?
- Yêu cầu HS trả lời câu hỏi C1 và C2 trong SGK. - GV nhấn mạnh: Hiện tượng giao thoa ánh sáng là một bằng chứng thực nghiệm quan trọng chứng tỏ ánh sáng có tính chất là khe hẹp, S1 ,S2 là 2 khe hẹp nằm gần nhau, E là màn thu ảnh.
- Kết quả thí nghiệm: trên E có những vạch sáng lục và tối xen kẽ, song song và cách đều nhau.
- Giải thích kết quả thí nghiệm:
Ánh sáng từ đèn Đ qua kính lọc sắc F chiếu sáng khe S làm cho khe S trở thành một nguồn phát sóng ánh sáng, truyền đến hai khe S1 ,S2. Hai khe S1 ,S2trở thành hai nguồn phát sóng ánh sáng.
Hai sóng kết hợp phát ra từ S1 ,S2 gặp nhau trên E đã giao thoa với nhau: Hai sóng gặp nhau tăng cường lẫn nhau tạo ra vân sáng, hai sóng gặp nhau triệt tiêu lẫn nhau tạo ra vân tối. - C1: Hình ảnh tương tự với giao
thoa sóng cơ => có hiện tượng giao thoa ánh sáng => ánh sáng có tính chất sóng. - C2: Hai nguồn S1, S2 có độ lệch DĐ A B O L E S1 S2 S F
- Yêu cầu HS nêu điều kiện để xảy ra hiện tượng giao thoa ánh sáng.
- Điều kiện để xảy ra hiện tượng giao thoa ánh sáng là hai chùm sáng giao nhau phải là hai chùm sáng kết hợp.
2. Giao thoa ánh sáng
a. Thí nghiệm
b. Kết quả thí nghiệm: Trên màn E có vạch màu và tối xen kẽ, cách nhau đều đặn được gọi là vân sáng, vân tối.
c. Giải thích kết quả thí nghiệm: (SGK)
- Hiện tượng giao thoa ánh sáng là một bằng chứng thực nghiệm quan trọng khẳng định ánh sáng có tính chất sóng.
- Điều kiện để có hiện tượng giao thoa ánh sáng: Hai chùm sáng giao nhau phải là hai chùm sáng kết hợp.
4. Hoạt động củng cố (5 phút)
- Yêu cầu HS xem hình 36.5, 38.2, 38.3 để biết thêm các cách tạo 2 nguồn kết hợp bằng bộ dụng cụ khác dụng cụ trong thí nghiệm I-âng. - Yêu cầu HS trả lời câu hỏi C3, C4 trong SGK.
- Yêu cầu HS làm bài tập trắc nghiệm 1, 2 trang 193 SGK.
5. Nhiệm vụ về nhà (2 phút)
- Trả lời các câu hỏi 1, 2, 3 trang 192 SGK. - Đọc trước nội dung bài mới.
2.5.2. Bài 37: Khoảng vân. Bước sóng và màu sắc ánh sáng (tiết 1)
I. Mục tiêu
1. Kiến thức:
- Nêu được điều kiện để có vân sáng, vân tối.
- Nêu được nguyên tắc xác định bước sóng ánh sáng dựa vao việc xác định khoảng vân giao thoa từ thí nghiệm.
- Trình bày được mối quan hệ giữa bước sóng ánh sáng và màu sắc ánh sáng, mối liên hệ giữa chiết suất mơi trường và bước sóng ánh sáng đơn sắc.
2. Kĩ năng:
- Xác định được vị trí các vân giao thoa, khoảng vân.
- Nhận biết được sự tương ứng màu sắc ánh sáng với bước sóng ánh sáng.
II. Chuẩn bị
1. Giáo viên:
- Hình vẽ xác định vị trí vân giao thoa, hình vẽ giao thoa với ánh sáng trắng.
- Một số câu hỏi trắc nghiệm theo nội dung bài học.
2. Học sinh:
- Ôn tập về giao thoa sóng cơ
- Điều kiện để có cực đại và cực tiểu giao thoa.
III. Tổ chức hoạt động dạy và học Tiết 1(Mục 1 và 2)
1. Hoạt động 1: Kiểm tra kiến thức cũ (8 phút)
? Thế nào là hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng? Cho ví dụ.
? Trình bày vắn tắt thí nghiệm về sự giao thoa ánh sáng và giải thích kết quả thí nghiệm. Từ đó, rút ra kết luận về bản chất ánh sáng.
? Trong hiện tượng giao thoa sóng nước, những điểm có hiệu đường đi thỏa mãn điều kiện nào thì dao động với biên độ cực đại, cực tiểu?
2. Hoạt động 2: Xây dựng cơng thức xác định vị trí các vân giao thoa và khoảng vân (25 phút)
Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh
- Nêu câu hỏi vấn đề cần nghiên cứu: Hãy tìm điều kiện để điểm A trên màn quan sát trong thí nghiệm I-âng là một vân sáng, vân tối? Từ đó, xác định khoảng cách giữa hai vân sáng và hai vân tối liên tiếp.
- Gợi ý của giáo viên:
Trong thí nghiệm I-âng, khoảng cách a giữa hai nguồn sáng rất nhỏ so với khoảng cách từ hai nguồn sáng tới màn quan sát. Vị trí của điểm A được xác định theo d1, d2, a, D như thế nào?
Vân sáng trong giao thoa ánh sáng giống với điểm nào trong giao thoa sóng nước? Từ đó suy ra điều kiện để điểm A là vân sáng, vân tối.
- Thảo luận theo nhóm, sau đó đại diện nhóm lên báo cáo kết quả.
Kẻ AH vng góc với S1S2 ta có: Và 2 2 2 1 2 a d x D Từ đó: Mặt khác A rất gần O và D>>a nên: A E S1 S2 H x D d1 d2 I a O O
- GV thể chế hóa kiến thức: công thức xác định vị trí vân giao thoa, bậc của vân giao thoa (đối với vân sáng).
- Yêu cầu HS xác định khoảng cách giữa hai vân sáng (2 vân tối).
- GV thông báo khoảng cách giữa hai vân sáng (2 vân tối) liên tiếp gọi là khoảng vân, kí hiệu là chữ i.
- Yêu cầu HS nêu điều kiện để quan sát rõ các vân giao thoa.
Do đó: d2 d1 ax D
Điểm A là vân sáng khi:
d2 – d1 = k, với k = 0, 1, 2,..
Suy ra, vị trí vân sáng trên màn E là:
D
x k
a
Điểm A là vân tối khi:
d2 – d1 = (k+1
2 ); với k = 0, 1, 2,..
Suy ra, vị trí vân tối trên màn E là:
- HS ghi nhận kiến thức vừa xây dựng.
- Khoảng cách giữa hai vân sáng:
- HS ghi nhận cơng thức tính khoảng vân:
- Muốn quan sát rõ các vân giao thoa thì i phải có trị số đủ lớn, do
- Yêu cầu HS trả lời C2 cho biết: a=2mm, D=2m, λđ=0,76µm, λt=0,38µm
- Giới thiệu phần mềm Matlab giải các bài tốn về xác định vị trí vân giao thoa.
đó D
a phải lớn, nghĩa là a phải có
trị số rất nhỏ.
- HS thảo luận nhóm hoặc độc lập suy nghĩ trả lời câu hỏi C2.
- HS tìm hiểu ứng dụng của phần mềm Matlab xác định vị trí vân giao thoa.
BÀI 37: KHOẢNG VÂN. BƢỚC SÓNG VÀ MÀU SẮC ÁNH SÁNG
(Tiết 1)
1. Xác định vị trí các vân giao thoa và khoảng vân a. Vị trí các vân giao thoa:
- Điều kiện để có vân sáng: d2 – d1 = k - Vị trí vân sáng: x k D
a
, k = 0, 1, 2,..; k là bậc của vân sáng.
k = 0 gọi là vân sáng trung tâm hay vân sáng chính giữa
k = 1 gọi là vân sáng bậc 1, k = 2 gọi là vân sáng bậc 2,... - Điều kiện để có vân tối: d2 – d1 = (k+1
2 ) - Vị trí vân tối: ( 1) 2 D x k a , k = 0, 1, 2,..
- Ở hai bên vân sáng là các vân tối, các vân sáng và các vân tối cách đều nhau.
- Vị trí của vân sáng là vị trí của chỗ sáng nhất của vân.
b. Khoảng vân:
- Khoảng vân (kí hiệu i) là khoảng cách giữa hai vân sáng (hoặc hai vân tối) liên tiếp.
- Cơng thức tính khoảng vân: i D a
3. Hoạt động 3: Tìm hiểu cách đo bước sóng ánh sáng bằng phương pháp giao thoa (7phút)
Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh
- GV yêu cầu HS thảo luận theo nhóm trả lời các câu hỏi sau:
Liệu có thể sử dụng phương pháp giao thoa để đo bước sóng ánh sáng được khơng?
Nếu sử dụng phương pháp giao thoa, ta có thể đo trực tiếp bước sóng của ánh sáng đơn sắc không?
Muốn xác định bước sóng của ánh sáng đơn sắc bằng phương pháp giao thoa thì ta cần phải xác định những đại lượng nào?
Muốn xác định bước sóng của ánh sáng đơn sắc trong mơi trường có chiết suất n ta phải
làm như thế nào?
- HS thảo luận theo nhóm trả lời các câu hỏi của GV.
Ta thấy:i D a => ia D do đó, ta có thể sử dụng phương pháp giao thoa để đo gián tiếp bước sóng của một ánh sáng đơn sắc.
Muốn xác định được bước sóng của ánh sáng đơn sắc, ta cần phải đo khoảng vân i và
các khoảng cách D, a.
Việc xác định được bước sóng của ánh sáng đơn sắc trong khơng khí λ (cũng là bước sóng của ánh sáng trong chân không với sai số rất nhỏ) giúp chúng ta xác định được bước sóng λ’ của ánh sáng đó trong mơi trường có chiết suất
n theo cơng thức: '
n
2. Đo bƣớc sóng ánh sáng bằng phƣơng pháp giao thoa
- Từ công thức: i D a suy ra ia D
- Nếu đo chính xác D, a và i thì ta xác định được bước sóng ánh sáng λ.
- Đó là nguyên tắc của phép đo ánh sáng bằng phương pháp giao thoa.
- Bước sóng ánh sáng đơn sắc trong mơi trường có chiết suất n là:
'
n
4. Hoạt động củng cố và giao nhiệm vụ về nhà (5 phút)
- Yêu cầu HS làm các bài tập 1, 2, 3, 4 trang 197 SGK. - Đọc trước phần cịn lại của bài và ơn tập nội dung bài học.
Kết luận chƣơng 2
Trong chương này, chúng tơi đã phân tích nội dung chương trình sách giáo khoa Vật lý 12 nâng cao, nội dung kiến thức chương “Sóng ánh sáng”. Chúng tơi đã trình bày các u cầu về chuẩn kiến thức, kĩ năng mà học sinh cần đạt được khi học nội dung chương “Sóng ánh sáng” theo yêu cầu của Bộ Giáo dục và đào tạo.
Trên cơ sở nghiên cứu những mục tiêu dạy học của chương “Sóng ánh sáng” – Vật lí 12 nâng cao, những lí luận về tổ chức dạy học theo hướng tích cực hóa hoạt động nhận thức của HS, kết hợp với việc nghiên cứu, khai thác khả năng ứng dụng của phần mềm Matlab trong dạy học, chúng tôi đã thiết kế được một số mơ hình phục vụ cho việc giảng dạy chương “Sóng ánh sáng”góp phần tích cực hóa hoạt động nhận thức của HS.
Trong chương này, chúng tôi cũng đã thiết kế hai kế hoạch dạy học có sử dụng các mơ hình đã thiết kế bằng phần mềm Matlab. Hai giáo án này được sử dụng để thực nghiệm kiểm tra tính tích cực học tập của học sinh.
CHƢƠNG 3
THỰC NGHIỆM SƢ PHẠM 3.2. Mục đích thực nghiệm sƣ phạm
Thực nghiệm sư phạm được tiến hành nhằm mục đích kiểm nghiệm giả thuyết của đề tài “Nếu thiết kế và sử dụng được một số mơ hình xây dựng bằng phần mềm Matlab trong dạy học chương “Sóng ánh sáng” – Vật lý 12