Trong chƣơng này, tơi đã trình bày đƣợc cơ sở lí luận về định hƣớng đổi mới phƣơng pháp dạy học Vật lí THPT, một số khái niệm cơ bản về tính tích cực, tự lực của học sinh, nêu ra đƣợc một số phƣơng pháp dạy học tích cực ở trƣờng THPT, nghiên cứu các phƣơng pháp và hình thức tổ chức dạy – học Vật lí nhằm tích cực hóa hoạt động nhận thức của học sinh.
Đã làm rõ khái niệm về tính tích cực nhận thức của học sinh, biểu hiện của tính tích cực nhận thức cũng nhƣ các biện pháp phát huy tính tích cực nhận thức. Nghiên cứu các phƣơng pháp và hình thức tổ chức dạy – học Vật lí nhằm tích cực hóa hoạt động nhận thức của học sinh
Sử dụng phiếu khảo sát đội ngũ giáo viên Vật lí, phỏng vấn, trao đổi với giáo viên và học sinh nhằm khảo sát thực trạng dạy – học mơn Vật lí
CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG TIẾN TRÌNH DẠY HỌC CHỦ ĐỀ “KHÚC XẠ ÁNH SÁNG” NHẰM PHÁT HUY TÍNH TÍCH CỰC, TỰ LỰC CỦA HỌC
SINH THEO HÌNH THỨC DẠY HỌC TRỰC TIẾP VÀ QUA MẠNG 2.1. Phân tích nội dung kiến thức chủ đề Khúc xạ ánh sáng
2.1.1 Vai trò của chủ đề “Khúc xạ ánh sáng”, Vật lí 11 trong chương trình Vật lí lớp 11 Vật lí lớp 11
Học thuyết về ánh sáng là một trong những học thuyết quan trọng của Vật lí hiện đại. Học thuyết này dựa trên quan niệm về lƣỡng tính sóng hạt của ánh sáng. Quang học trong chƣơng trình trung học phổ thong hiện nay đƣợc chia thành hai phần: quang hình học và quang lí. Quang hình học có nhiều ứng dụng trong đời sống và kỹ thuật nên việc dạy quang hình học có tác dụng rất lớn trong việc giáo dục kỹ thuật tổng hợp cho học sinh.Các bài tập về quang hình học cũng thƣờng gặp trong thực tế đời sống của học sinh. Đặc biệt là chủ đề “Khúc xạ ánh sáng” trong chƣơng trình Vật lí 11.
Chủ đề “Khúc xạ ánh sáng” bao gồm ba định luật cơ bản của Quang hình học, đó là: định luật truyền thẳng ánh sáng, định luật phản xạ ánh sáng và định luật khúc xạ ánh sáng. Khi nắm vững đƣợc chủ đề này, học sinh sẽ có một kiến thức nền tảng tốt nhất để giải quyết các bài tập định tính và định lƣợng. Ngoài ra học sinh cũng có thể chế tạo đƣợc một số dụng cụ có ứng dụng quan trọng trong đời sống nhƣ: lăng kính, kính viễn vọng …
Hơn nữa, chủ đề này có nhiều vai trị trong các lĩnh vực khoa học khác không chỉ với ngành Vật lí. Đặc biệt là với sự phát minh ra sợi quang dẫn truyền ánh sáng lạnh vào đầu thập niên 1960, phẫu thuật nội soi đã thực sự là một cuộc cách mạng trong ngành phẫu thuật. Đây là phƣơng pháp phẫu thuật với những ƣu điểm rất lớn: giảm thời gian phẫu thuật, thời gian điều trị hậu phẫu và các nguy cơ nhiễm trùng, hỗ trợ bác sĩ khi phẫu thuật, tăng tính thẩm mĩ …
Bên cạnh đó, sợi cáp quang cịn đƣợc ứng dụng trong công nghệ thông tin nhƣ truyền tín hiệu điện thoại mã hoá dƣới dạng xung ánh sáng, truyền
thông tin qua internet… Ánh sáng đi vào một đầu sợi quang, bị phản xạ toàn phần nhiều lần theo đƣờng gấp khúc tới đầu bên kia của sợi quang. Nhờ đó mà thơng tin có thể đƣợc truyền đi nhanh chóng và chính xác.
Một ứng dụng không kém phần quan trọng nữa của chủ đề này liên quan đến ngành kĩ thuật quân sự: đó là kính tiềm vọng. Kính tiềm vọng là một bộ phận quan trọng của tàu ngầm, Kính tiềm vọng của tàu ngầm giúp cho thủy thủ đồn tàu có thể thấy bên trên của mặt nƣớc khi tàu ngầm bị chìm dƣới nƣớc.Kính tiềmậtvọng là các công cụ quan trọng ở các tàu chiến, tàu tuần dƣơng và các tàu chiến bọc thép. Nhiều cuộc khảo sát về nguyên tử sẽ không đƣợc thực hiện đƣợc nếu khơng có sự trợ giúp của kính viễn vọng.
Hiện tƣợng phản xạ toàn phần và khúc xạ ánh sáng gây ra nhiều hiện tƣợng kì lạ trong thực tế nhƣ hiện tƣợng ảo ảnh. Khi học xong chủ đề này, học sinh sẽ phần nào giải thích và hiểu rõ hơn các hiện tƣợng thiên nhiên kì thú
2.1.2. Nội dung kiến thức phần “Khúc xạ ánh sáng”, Vật lí 11
2.1.2.1 Định luật khúc xạ ánh sáng
Theo chƣơng trình giáo dục phổ thơng mơn Vật lí lớp 11, chủ đề “Khúc xạ ánh sáng” gồm có 2 nội dung nhƣ sau
- Hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng. Định luật khúc xạ ánh sáng. Chiết suất - Hiện tƣợng phản xạ toàn phần. Cáp quang. Ảo ảnh
Nội dung kiến thức nói trên đƣợc thể hiện trong sách giáo khoa Vật lí lớp 11 (cơ bản) hiện hành gồm có 4 tiết
Tiết 52: Khúc xạ ánh sáng
Tiết 53: Bài tập về khúc xạ ánh sáng Tiết 54: Phản xạ toàn phần
Tiết 55: Bài tập về hiện tƣợng phản xạ toàn phần
2.1.2.1 Định luật khúc xạ ánh sáng
a. Hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng
Định nghĩa:Hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng là hiện tƣợng chùm tia sáng bị
đổi phƣơng đột ngột khi đi qua mặt phân cách hai môi trƣờng truyền ánh sáng. Chúng ta chỉ nghiên cứu hiện tƣợng khúc xạ ở mặt phân cách là phẳng.Ở đây, cần lƣu ý rằng bên cạnh hiện tƣợng khúc xạ vẫn có hiện tƣợng phản xạ nếu mặt phân cách là phẳng. Hai hiện tƣợng này xảy ra đồng thời khi một tia sáng đập vào mặt phân cách của hai môi trƣờng.
Hệ hai môi trƣờng truyền sáng phân cách bằng mặt phẳng đƣợc gọi là lƣỡng chất phẳng. Mặt phân cách hai môi trƣờng là mặt lƣỡng chất.
b. Định luật khúc xạ ánh sáng
Định luật
- Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới.
- Tia tới và tia khúc xạ nằm ở hai bên pháp tuyến tại điểm tới.
- Đối với hai môi trường trong suốt nhất định, tỉ số giữa sin của góc tới và sin của góc khúc xạ là một hằng số. sin sin i n r
Hằng số n tuỳ thuộc vào môi trƣờng khúc xạ (môi trƣờng chứa tia khúc xạ) và môi trƣờng tới (môi trƣờng chứa tia tới). Cơng thức của định luật có thể viết dƣới dạng:
sini nsinr
Trong trƣờng hợp góc tới có giá trị bé (i 100) thì r cũng có giá trị bé. Khi đó: sini i;sinr ithì i nr.
- Nếu n > 1 ta nói mơi trƣờng mơi trƣờng khúc xạ chiết quang hơn mơi trƣờng tới thì sini > sinr hay i > r. Trong trƣờng hợp này, khi đi qua mặt phân cách, tia khúc xạ đi gần pháp tuyến hơn tia tới.
- Nếu n < 1 ta nói mơi trƣờng mơi trƣờng khúc xạ chiết quang kém hơn mơi trƣờng tới thì sini < sinr hay i < r. Trong trƣờng hợp này, khi đi qua mặt phân cách, tia khúc xạ đi xa pháp tuyến hơn tia tới.
c. Chiết suất của môi trƣờng
Hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng gây ra do vận tốc truyền sóng của ánh sáng khác nhau trong các mơi trƣờng khác nhau. Bằng ngun lí Huyghen, ngƣời ta giải thích khi đập vào mặt phân cách, vì vận tốc truyền sóng ánh sáng khác nhau nên mặt đầu sóng đổi phƣơng, do đó phƣơng truyền của tia sáng bị gãy khúc tại mặt phân cách. 2 1 21 1 2 n v n n v
Trong đó v1, v2 là vận tốc truyền sóng ánh sáng trong mơi trƣờng 1 và 2. n21đƣợc gọi là chiết suất tỉ đối của môi trƣờng 2 với môi trƣờng 1.
n1, n2 là chiết suất tuyệt đối của môi trƣờng 1 và môi trƣờng 2.
Nhƣ vậy, chiết suất tuyệt đối của các môi trƣờng trong suốt tỉ lệ nghịch với vận tốc truyền ánh sáng trong các mơi trƣờng đó.
Chiết suất tuyệt đối của một môi trƣờng là chiết suất tỉ đối của mơi trƣờng đó đối với chân không (thông thường chiết suất tuyệt đối gọi tắt là chiết suất).
Theo định nghĩa thì chiết suất của môi trƣờng 1 và môi trƣờng 2 lần lƣợt là: 1 2 1 1 , c c n n v v
d. Tính thuận nghịch trong sự truyền ánh sáng
Nếu ánh sáng truyền từ S tới R giả sử theo đƣờng truyền là SJIKR, thì khi truyền ngƣợc lại theo tia RK đƣờng truyền là RKJIS. Đó là tính truyền thuận nghịch của ánh sáng
2.1.2.2 Hiện tượng phản xạ toàn phần
Xét tia sáng đi từ môi trƣờng có chiết suất n1 sang một mơi trƣờng có chiết suất n2 nhỏ hơn. Trong trƣờng hợp này ta có góc khúc xạ r > i (góc khúc xạ lớn hơn góc tới).
Cho góc tới i tăng dần thì góc khúc xạ r cũng tăng dần và ln ln lớn góc tới i. Khi r đạt giá trị lớn nhất là 900 thì góc tới i cũng có giá trị lớn nhất là igh, ta có: 0 1sin gh 2sin 90 n i n Suy ra: 2 1 sinigh n n
Thí nghiệm cho thấy, trong trƣờng hợp này nếu góc tới i nhỏ hơn góc igh , tia sáng tới mặt lƣỡng chất có một phần bị phản xạ, phần kia bị khúc xạ đi vào môi trƣờng thứ hai
Nếu góc tới i > igh thì tồn bộ ánh sáng sẽ bị phản xạ, khơng có tia khúc xạ vào môi trƣờng thứ hai (vì khơng thể xảy ra trƣờng hợp r > 900). Hiện tƣợng này gọi là hiện tƣợng phản xạ toàn phần.
Vậy: Khi ánh sáng truyền từ mơi trƣờng có chiết suất lớn hơn sang mơi trƣờng có chiết suất nhỏ hơn và có góc tới i lớn hơn góc giới hạn igh, thì sẽ xảy ra hiện tƣợng phản xạ tồn phần, trong đó mọi tia sáng đều bị phản xạ, khơng có tia khúc xạ.
Tuy nhiên, về điều kiện xảy ra hiện tƣợng phản xạ tồn phần, ta vẫn nói là i igh, dấu bằng hiểu theo nghĩa là trƣờng hợp giới hạn.
2.1.2.3 Ứng dụng của hiện tượng phản xạ toàn phần
Hiện tƣợng phản xạ toàn phần đƣợc sử dụng rộng rãi trong thực tế, nhƣ chế tạo kính tiềm vọng, chế tạo sợi quang học và ứng dụng để giải thích hiện tƣợng cầu vồng (cũng liên quan đến hiện tƣợng phản xạ tồn phần) v.v...
a. Kính tiềm vọng
Kính tiềm vọng là một bộ phận quan trọng của tàu ngầm. Kính tiềm vọng của tàu ngầm giúp cho thủy thủ đồn tàu có thể thấy bên trên của mặt nƣớc khi tàu ngầm bị chìm dƣới nƣớc. Kính tiềm vọng là các cơng cụ quan trọng ở các tàu chiến, tàu tuần dƣơng và các tàu chiến bọc thép. Nhiều cuộc khảo sát về nguyên tử sẽ khơng đƣợc thực hiện đƣợc nếu khơng có sự trợ giúp của kính viễn vọng.
Loại kính tiềm vọng đơn giản là một cái ống có khe hở ở gần mỗi đầu và hai tâm gƣơng nghiêng bên trong ống, mỗi gƣơng đối mặt với khe hở. Các gƣơng cần đặt nghiêng ở ngay bên phải để tia tới gƣơng đƣợc phản chiếu xuống ống tới của gƣơng kia và kế đó là tới mắt của ngƣời đang sử dụng kính tiềm vọng.
Kính tiềm vọng của các tàu chiến và tàu ngầm phức tạp hơn nhiều. Chúng có các lăng kính (prism) đê phản chiếu ánh sang trơng thấy rõ ràng. Các ơng của kính tiềm vọng tàu ngầm có thể thấy đƣợc làm dài hơn hoặc ngắn hơn.
Để chế tạo một kính tiềm vọng thì cũng đơn giản. Điều quan trọng là phải có các tấm gƣơng tại góc vng.
b. Sợi quang
Nguyên lí phản xạ tồn phần là cơ sở cho sự truyền ánh sáng trong sợi quang mang lại các ứng dụng trong y khoa nhƣ phép nội soi, truyền tín hiệu điện thoại mã hóa dƣới dạng xung ánh sáng, truyền thơng tin qua internet...
c. Hiện tƣợng ảo ảnh
Hiện tƣợng phản xạ toàn phần và khúc xạ gây ra nhiều hiện tƣợng kì lạ trong thực tế, nhƣ là hiện tƣợng ảo ảnh. Sự phân thành lớp khơng khí nóng và lạnh đặc biệt phổ biến ở khu vực sa mạc, đại dƣơng, và mặt đƣờng trải nhựa gây ra ảo ảnh. Hiệu ứng ảo ảnh thực tế đƣợc mƣờng tƣợng phụ thuộc vào lớp khơng khí lạnh nằm trên lớp khơng khí nóng, hoặc ngƣợc lại. Một loại ảo ảnh xuất hiện dƣới dạng ảnh ảo lộn ngƣợc nằm ngay phía dƣới vật thật và xảy ra khi lớp khơng khí nóng ở gần mặt đất hoặc mặt nƣớc bị chặn lại bởi lớp khơng khí lạnh, đậm đặc hơn nằm phía trên. Ánh sáng từ vật truyền xuống lớp khơng khí nóng gần kề mặt đất (hoặc mặt nƣớc) bị khúc xạ trở lên phía đƣờng chân trời. Tại một số điểm, ánh sáng đạt tới góc tới hạn đối với khơng khí nóng, và bị bẻ cong trở lên bởi sự phản xạ nội toàn phần, kết quả là ảnh ảo xuất hiện phía bên dƣới vật.
Nhận thấy rằng, nội dung kiến thức, kĩ năng trong chủ đề này xoay quanh hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng vì hiện tƣợng phản xạ toàn phần về bản chất là trƣờng hợp riêng của hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng. Nhƣ vậy, vấn đề chung cần giải quyết trong chủ đề “Khúc xạ ánh sáng” là nghiên cứu về nguyên nhân hình thành, đặc điểm và ứng dụng của ánh sáng khi bị khúc xạ. Để thuận lợi cho việc áp dụng phƣơng pháp dạy học giải quyết vấn đề, có thể
thiết kế nội dung dạy học của chủ đề này thành một bài học nhƣ sau: - Tên bài học: Hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng
- Vấn đề cần giải quyết trong bài học này là: “Nguyên nhân làm ánh sáng bị khúc xạ là gì? Mối liên hệ giữa góc tới, góc phản xạ và chiết suất chứa tia tới, tia phản xạ là gì?”
2.1.3 Một số khó khăn khi dạy học của phần “Khúc xạ ánh sáng”, Vật lí 11
- Ít có điều kiện tiến hành thí nghiệm minh hoạ hoặc hƣớng dẫn học sinh tự lực phát hiện ra kiến thức mới hay giúp học sinh liên hệ kiến thức vừa học với thực tế cuộc sống và khoa học kỹ thuật. Do vậy khơng có tính thuyết phục cao, khơng gây hứng thú và khơng tạo đƣợc điều kiện để học sinh phát huy tính tích cực và sáng tạo trong học tập
- Các bài tập phần này có nhiều hình vẽ, để giải bài tập cho học sinh giáo viên sẽ mất nhiều thời gian với việc vẽ hình nên khơng ơn tập đƣợc nhiều dạng bài cho học sinh
- Học sinh đã quen với kiểu dạy – học truyền thống nên thƣờng không chuẩn bị bài ở nhà, thụ động trong suy nghĩ, kĩ năng sử dụng dụng cụ thí nghiệm cịn hạn chế. Vì vậy việc thực hiện đàm thoại của giáo viên cịn gặp nhiều khó khăn và việc làm thí nghiệm hầu nhƣ chỉ do giáo viên làm biểu diễn
- Hơn nữa, do không đƣợc tận mắt quan sát các hiện tƣợng, cách truyền ánh sáng qua các dụng cụ quang học nên học sinh rất khó khăn trong việc hiểu và ứng dụng vào cuộc sống. Và vì thế càng khó khăn trong việc đánh giá năng lực của học sinh
2.2 Thiết kế hoạt động phần Khúc xạ ánh sáng
2.2.1 Xác định chuẩn kiến thức, kĩ năng, nănglực
Chƣơng trình giáo dục phổ thơng mơn Vật lí, quy định mức độ cần đạt về kiến thức, kĩ năng của chủ đề “Khúc xạ ánh sáng: nhƣ sau
a. Kiến thức
- Phát biểu đƣợc định luật khúc xạ ánh sáng và viết đƣợc hệ thức của định luật này.
- Nêu đƣợc chiết suất tuyệt đối, chiết suất tỉ đối là gì.
- Nêu đƣợc tính chất thuận nghịch của sự truyền ánh sáng và chỉ ra sự thể hiện tính chất này ở định luật khúc xạ ánh sáng.
- Mô tả đƣợc hiện tƣợng phản xạ toàn phần và nêu đƣợc điều kiện xảy ra hiện tƣợng này.
- Mô tả đƣợc sự truyền ánh sáng trong cáp quang và nêu đƣợc ví dụ về ứng dụng của cáp quang.
b. Kĩ năng
- Vận dụng đƣợc hệ thức của định luật khúc xạ ánh sáng. - Giải đƣợc các bài tập về hiện tƣợng phản xạ tồn phần.
2.2.2. Thiết kế tiến trình dạy học theo phương pháp dạy học tích cực
KHÚC XẠ ÁNH SÁNG
HOẠT ĐỘNG 1: TÌNH HUỐNG XUẤT PHÁT
1. Mục đích: Quan sát hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng, thiết lập mối liên
hệ giữa tia khúc xạ và tia tới; góc khúc xạ và góc tới
2. Nội dung:
a. Hiện tượng khúc xạ ánh sáng