I. Mục tiêu
1. Kiến thức:
- Nêu được khái niệm hiện tượng giao thoa là gì?
- Trình bày được thí nghiệm Young về sự giao thoa ánh sáng và nêu được điều kiện xảy ra hiện tượng giao thoa ánh sáng.
- Nêu được vân tối, vân sáng là kết quả của sự giao thoa.
- Viết dược biểu thức xác định vị trí vân tối và vân sáng, khoảng vân. - Nêu được ứng dụng của hiện tượng giao thoa để xác định bước sóng ánh sáng đơn sắc.
- Nêu được hiện tượng giao thoa ánh sáng chứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng.
2. Kỹ năng:
- Giải thích được hiện tượng giao thoa ánh sáng.
- Giải một số bài tập về hiện tượng giao thoa ánh sáng.
- Giải thích được biểu đồ cường độ sáng của hiện tượng giao thoa.
II. Chuẩn bị
1. Giáo viên:
- Sơ đồ mô tả thí nghiệm hiện tượng giao thoa. - Các hình vẽ
2. Học sinh:
III. Tiến trình tổ chức hoạt động dạy học.
1. Hoạt động 1: Tìm hiểu hiện tượng giao thoa ánh sáng (10 phút)
Hoạt động của giáo viên Hoạt động của sinh SV
- Yêu cầu SV nhắc lại một số điểm cơ bản về giao thoa ánh sáng đã học ở THPT:
+ Điều kiện để có giao thoa sóng ánh sáng.
+ Thế nào là hai chùm sáng kết hợp? + Làm thế nào để tạo 2 nguồn sáng kết hợp?
- GV giới thiệu thí nghiệm khe Young (bằng mô hình và hình vẽ).
- GV cho SV quan sát kết quả thí nghiệm. Yêu cầu SV nêu nhận xét. + GV gợi ý:
- Khe S1, S2 đóng vai trò gì trong thí nghiệm?
+ Điều kiện để xảy ra hiện tượng giao thoa phải có hai hoặc nhiều chùm sáng kết hợp gặp nhau.
+ Hai chùm sáng kết hợp là hai chùm sáng dao động cùng tần số và độ lệch pha không đổi theo thời gian.
+ Do cơ chế phát sáng, hai chùm sáng phát ra từ hai nguồn sáng thực (trừ hai nguồn Lazer) không phải là chùm sáng kết hợp. Để tạo ra hai chùm sáng kết hợp trên thực tế chỉ dung một nguồn sáng duy nhất. Cho ánh sáng phát ra từ nguồn đi qua các dụng cụ quang học khác nhau tạo ra hai chùm sáng kết hợp
- Kết quả thí nghiệm: trên màn E có những vạch sáng và tối xen kẽ, song song và cách đều nhau.
+ Hai sóng kết hợp phát ra từ S1, S2
gặp nhau trên màn E đã giao thoa với nhau: Hai sóng gặp nhau tạo ra vân sáng, hai sóng gặp nhau triệt tiêu lẫn nhau tạo ra vân tối.
- Vùng không gian có 2 sóng chồng lên nhau cho ta hình ảnh gì?
BÀI 3: GIAO THOA ÁNH SÁNG
1. Hiện tượng giao thoa ánh sáng cho bởi hai nguồn kết hợp giống nhau
- Điều kiện để xảy ra hiện tượng giao thoa phải có hai hoặc nhiều chùm sáng kết hợp gặp nhau.
- Để tạo ra hai chùm sáng kết hợp trên thực tế chỉ dung một nguồn sáng duy nhất. Cho ánh sáng phát ra từ nguồn đi qua các dụng cụ quang học khác nhau tạo ra hai chùm sáng kết hợp.
- Thí nghiệm giao thoa ánh sáng với khe Young.
2. Hoạt động 2: Khảo sát hiện tượng giao thoa ánh sáng (10 phút)
Hoạt động của giáo viên Hoạt động của sinh SV
- GV yêu cầu SV viết phương trình dao động sáng của hai nguồn S1, S2và phương trình dao động sáng tai điểm M trên màn quan sát.
- GV nêu câu hỏi: Hãy tìm điều kiện để điểm M trên màn quan sát trong thí nghiệm Young là một vân sáng, vân tối?
- Gợi ý: Vân sáng trong giao thoa giống với điểm nào trong giao thoa sóng cơ học. Từ đó suy ra điều kiện để điểm M là vân sáng hoặc vân tối.
- SV thảo luận viết phương trình dao động sáng của hai nguồn S1, S2:
1 1 2 2 ( ) os t ( ) os t x S a c x S a c ω ω = =
Từ đó suy ra phương trình dao động sáng tại M: 1 1 1 2 2 2 2 ( ) os( t - ) 2 ( ) os( t - ) x S a c L x S a c L π ω λ π ω λ = =
- Vân sáng trong giao thoa giống với các điểm giao động với biên độ cực đại (các cực đại) của sóng nước. Do đó M là vân sáng khi:
+ ∆ϕ=2kπ nghĩa là L1−L2 =kλ
với k = ± ±0, 1, 2,.... Như vậy, những điểm sáng nhất (cực đại giao thoa) là những điểm mà tại đó hiệu quang lộ
- GV Yêu cầu SV: Từ điệu kiện M là vân sáng hoặc vân tối suy ra vị trí vân sáng, vân tối và khoảng vân i.
của hai sóng bằng một số nguyên lần bước sóng.
Tương tự M là vân tối khi:
+ ∆ϕ=(2k+1)π nghĩa là 1 2 (2 1) 2 L −L = k+ λ với 0, 1, 2,.... k = ± ± Những điểm tối nhất (cực tiểu giao thoa) là những điểm mà tại đó hiệu quang lộ của hai sóng bằng một số lẻ lần nửa bước sóng. - Vị trí vân sáng: s D y k a λ = - Vị trí vân tối: 1 ( ) 2 t D y k a λ = + (với k = ± ±0, 1, 2,....) - Khoảng vân i: D i a λ =
2. Khảo sát hiện tượng giao thoa ánh sáng
Những điểm trên màn quan sát có hiệu quang lộ thỏa mãn: + L1−L2 =kλ với k = ± ±0, 1, 2,.... cho cực đại giao thoa.
+ 1 2 (2 1) 2
L −L = k+ λ
với k = ± ±0, 1, 2,....cho cực tiểu giao thoa.
- Vị trí của vân sáng được xác định bởi công thức: s D
y k a
λ
=
- Vị trí của vân tối: ( 1)
2 t D y k a λ = +
- Khoảng các giữa hai vân sáng (tối) liên tiếp là:i D a
λ
=
3. Hoạt động 3: Khảo sát cường độ sáng của các vân giao thoa (10 phút)
Hoạt động của giáo viên Hoạt động của sinh SV
- Yêu cầu SV tổ chức theo nhóm, quan sát kết quả thí nghiệm Young (bằng mô hình) và nhận xét đồ thị cường độ sáng, độ sáng của các vân sáng trên màn quan sát.
- GV yêu cầu học sinh giải thích các hiện tượng trên:
- Gợi ý: + Xét giao thoa 2 khe Young (bề rộng khe nhỏ hơn bước sóng) khi đó cường độ sáng do mỗi nguồn gây ra là I0 không đổi và khi 2 chùm sáng kết hợp giao thoa với nhau phân bố cường độ sáng trên màn có dạng: 2 0 4 . os I = I c β , trong đó sin a π ϕ β λ = 2 os
c β được gọi là thừa số giao
thoa.
+ Yêu cầu SV nhận xét 2 trường hợp: 2
os 1
c β = và 2
os 0
c β = thì cường độ
sáng I thay đổi như thế nào?
- GV giải thích thêm: Công thức
- Quan sát biểu đồ cường độ sáng và độ sáng của các vân trên màn quan sát.
- Thảo luận theo nhóm, nhận xét: + Trên đồ thị thể hiện các đỉnh của các cực đại xen kẽ và cao bằng nhau. + Trên màn quan sát các vân sáng tối xen kẽ và độ sáng của các vân sáng là như nhau.
+ Nếu 2
0
os 1 4
c β = → =I I → cho vân sáng (cực đại giao thoa)
trên chỉ đúng khi khe là vô cùng hẹp. Trong thực tế khi bề rộng khe đủ lớn so với λ thì cường độ sáng trên màn
sẽ giảm theo hàm: 2 sinα α ÷ trong đó sin d π θ α λ
= khi đó phân bố cường độ
sáng trên màn có dạng: 2 2 ax sin ( ) . os m I I α c β α =
Vị trí vân sáng, tối là do thừa số giao thoa quyết định do đó không thay đổi. Còn độ sáng của các vân là do thừa số nhiễu xạ 2 sinα α ÷ quyết định
và giảm dần khi ra chính giữa màn, kết quả độ sáng của các vân giảm dần khi bậc giao thoa tăng.
(cực tiểu giao thoa)
3. Khảo sát cường độ sáng của các vân giao thoa
- Giao thoa 2 khe Young với khe là vô cùng hẹp thì cường độ sáng các vân là như nhau và ta quan sát được nhiều vân sáng.
- Trong thực tế khi bề rộng khe đủ lớn so với λ thì cường độ sáng trên màn giảm dần khi ra chính giữa màn, kết quả độ sáng của các vân giảm dần khi bậc giao thoa tăng.
4. Họat động 4: Ứng dụng hiện tượng giao thoa để xác định bước sóng ánh sáng (5 phút)
Hoạt động của giáo viên Hoạt động của sinh SV
sau:
+ Liệu có thể dùng phương pháp giao thoa ánh sáng để đo bước sóng được 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?
- GV nhấn mạnh: Xác định khoảng vân i trên thực tế để giảm sai số ta không nên đo khoảng cách giữa 2 vân sáng hoặc tối liên tiếp mà đo khoảng cách giữa 2 vân sáng ở xa nhau.
2 1 , 2 , 1 ( 2 1) k k s k s k y = y − y = k −k i 2 1 2 1 k k y i k k → = − + Từ biểu thức: i D a λ = ta có i a. D λ =
+ Như vậy ta có thể đo bước sóng ánh sáng đơn sắc bằng phương pháp giao thoa ánh sáng.
+ Để xác định được bước sóng ánh sáng ta cần biết các đại lượng D, a , i. (mà D, a đã biết khi ta tiến hành thí nghiệm).
4.Ứng dụng hiện tượng giao thoa để xác định bước sóng ánh sáng
- Bước sóng ánh sáng được tính bằng biểu thức: i a.
D
λ =
- Để xác định được bước sóng ánh sáng ta đã biết các đại lượng D, a khi tiến hành thí nghiệm bằng cách sử dụng kính hiển vi hoặc kính lúp. Xác định khoảng vân i trên thực tế để giảm sai số ta không nên đo khoảng cách giữa 2 vân sáng hoặc tối liên tiếp mà đo khoảng cách giữa 2 vân sáng ở xa nhau.
5. Hoạt động 5: Ứng dụng phần mềm Matlab để giải các bài toán xác định vị trí vân giao thoa (5 phút)
Hoạt động của giáo viên Hoạt động của sinh SV
- Giới thiệu phần mềm Matlab giải các bài toán về xác định vị trí vân giao thoa.
- Tìm hiều ứng dụng của phần mềm Matlab xác định vị trí vân giao thoa.
giao thoa
- Thao tác với phần mềm Matlab xác định vị trí vân giao thoa.
6. Hoạt động 6: Củng cố (3 phút)
- Yêu cầu SV nhắc lại thí nghiệm giao thoa Young.
- Yêu cầu SV nhắc lại điều kiện giao thoa, các biểu thức vị trí vân sáng, vân tối, khoảng vân.
- Yêu SV nhắc lại các trường hợp cường độ sáng các vân giao thoa.
7. Hoạt động 7:Giao nhiệm vụ về nhà (2 phút)
- Đọc trước nội dung bài mới
Kết luận chương 2
Trong chương này, chúng tôi đã đã trình bày phân tích nội dung chương “Sóng ánh sáng” - Vật lý đaị cương dành cho hệ cao đẳng. Trình bày các yêu cầu về kiến thức và kĩ năng mà sinh viên cần đạt được khi học nội dung chương “Sóng ánh sáng” - Vật lý đại cương dành cho hệ cao đẳng.
Trên cơ sở nghiên cứu mục tiêu dạy học của chương Sóng ánh sáng” - Vật lý đaị cương dành cho hệ cao đẳng, những lí luận về tổ chức dạy học theo hướng tích cực hóa hoạt động nhận thức của SV, kết hợp với việc nghiên cứu, khai thác khả năng ứng dụng phần mềm Matlab trong dạy học, chúng tôi đã thiết kế được một số mô hình phục vụ cho việc giảng dạy chương “Sóng ánh sáng” góp phần tích cực hóa hoạt động nhận thức của SV.
Trong trương này, chúng tôi đã thiết kế hai kế hoạch dạy học có sử dụng các mô hình đã thiết kế bằng phần mềm Matlab. Hai giáo án này được sử dụng để thực nghiệm kiểm tra tính tích cực hoạt động nhận thức của SV.
CHƯƠNG 3
THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM 3.1. Mục đích thực nghiệm sư 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 mô hình xây dựng bằng phần mềm Matlab trong dạy học chương “Sóng ánh sáng” – Vật lý đại cương dành cho hệ cao đẳng nâng cao sẽ phát huy được tính tích cực hoạt động nhận thức của sinh viên”.
Đánh giá tính khả thi của việc sử dụng các mô hình được thiết kế bằng phần mềm Matlab trong quá trình giảng dạy nhằm tích cực hóa hoạt động nhận thức của sinh viên .
Xử lí và phân tích kết quả để đánh giá khả năng sử dụng các mô hình được thiết kế bằng phần mềm Matlab chương “Sóng ánh sáng” – Vật lí đại cương dành cho hệ cao đẳng.
Sau khi tiến hành thực nghiệm sẽ tiến hành so sánh, đối chiếu kết quả của lớp thực nghiệm với lớp đối chứng để đánh giá chất lượng của hoạt động dạy học theo tiến trình đã soạn.
Thực nghiệm sư phạm đảm bảo kết quả về mặt định lượng, đảm bảo tính khoa học, tính khách quan và phù hợp với thực tế.
3.2. Nhiệm vụ thực nghiệm sư phạm
Để đạt được mục đích trên, trong quá trình thực nghiệm sư phạm chúng tôi đã thực hiện các nhiệm vụ sau:
- Lên kế hoạch thực nghiệm sư phạm.
- Khảo sát, điều tra cơ bản để chọn các lớp thực nghiệm và lớp đối chứng, chuẩn bị các thông tin và điều kiện cần thiết phục vụ cho công tác thực nghiệm sư phạm.
- Trao đổi với học sinh lớp thực nghiệm về phương pháp và nội dung thực nghiệm.
- Triển khai dạy học 2 bài theo tiến trình đã soạn thảo.
- Xử lí, phân tích kết quả thực nghiệm, đánh giá theo các tiêu chí. Từ đó nhận xét và rút ra kết luận về tính khả thi của đề tài.
3.3. Đối tượng thực nghiệm sư phạm:
Việc thực nghiệm sư phạm được tiến hành tại trường trường Cao đẳng Công nghệ và Kinh tế Công nghiệp với đối tượng là sinh viên hệ cao đẳng chính quy:
Lớp thực nghiệm: Lớp K7 Công nghệ thông tin Lớp đối chứng: Lớp K7 Xây dựng
Hai lớp trên có chất lượng tương đối đồng đều, rất thuận tiện cho việc thực nghiệm sư phạm.
3.4. Thời gian thực nghiệm sư phạm:
3.5. Phương pháp thực nghiệm sư phạm
Quá trình thực nghiệm sư phạm, chúng tôi tiến hành song song, dạy ở lớp thực nghiệm và lớp đối chứng trong cùng một thời gian, cùng nội dung chương "Sóng ánh sáng".
Lớp đối chứng là lớp K7 Công nghệ thông tin có 47 sinh viên, dạy theo tiến trình cũ, truyền thống, không có sự hỗ trợ của phần mềm toán học Matlab.
Lớp thực nghiệm là lớp K7 Xây dựng có 46 sinh viên, dạy theo tiến trình đã soạn thảo có sử dụng phần mềm toán học Matlab để giảng dạy.
Ở lớp đối chứng, tôi dạy theo đúng phân phối chương trình, lớp thực nghiệm, tôi dạy theo tiến trình đã soạn và ghi chép diễn biến toàn bộ tiết học, phân tích thái độ học tập của SV, cuối tiết học đi thu thập ý kiến của học sinh. Cuối đợt thực nghiệm sư phạm tôi đã cho SV làm một bài kiểm tra 45 phút để đánh giá sơ bộ kết quả của tiến trình dạy học đa thực hiện và đánh giá sự tiến bộ của SV trong việc nâng cao nhận thức môn học.
Dựa trên những dữ liệu thu thập được, chúng tôi thực hiện việc phân tích các kết quả thực nghiệm.
3.6. Các bước tiến hành thực nghiệm
- Thiết kế tiến trình dạy học thực nghiệm đối với lớp thực nghiệm và thiết kế tiến trình dạy học đối với lớp đối chứng.
- Dạy các nội dung liên quan đến chương “Sóng ánh sáng” là hai bài: Giao thoa ánh sáng, Nhiễu xạ ánh sáng.
- Các tiết thực nghiệm có mời các giáo viên cùng chuyên môn đến dự,