9. Cấu trúc của luận văn
2.3.3. Vận dụng DHNVĐ để đề xuất quy trình thiết kế bài học cho một số
thức trong phần “Quang hình học”, vật lí 11 nâng cao theo hướng phát huy tính tích cực học tập của HS
Trên cơ sở tiến trình tổ chức hoạt động DH, chúng tôi đã vận dụng DHNVĐ để thiết kế bài học cho một số tiết trong phần “Quang hình học”, vật lí 11 nâng cao theo hướng phát huy tính tích cực học tập của HS, gồm các tiết sau:
Bài 44. Khúc xạ ánh sáng. Bài 45. Phản xạ toàn phần. Bài 47. Lăng kính.
Bài 48. Thấu kính mỏng (tiết 1).
Trong mục này, chúng tôi chỉ trình bày quy trình thiết kế bài 2. Các bài 1, 3 và 4 được trình bày trong Phụ lục 3 của luận văn.
BÀI 45: PHẢN XẠ TOÀN PHẦN I) Mục tiêu
1) Kiến thức
- Phân biệt được góc khúc xạ giới hạn và góc tới giới hạn.
- Hiểu được hiện tượng phản xạ toàn phần và biết được điều kiện xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần.
- Ứng dụng của hiện tượng phản xạ toàn phần trong thực tế cuộc sống và sản xuất.
2) Kĩ năng
- Lập phương án thí nghiệm nghiên cứu hiện tượng phản xạ toàn phần. - Tổng hợp thông tin và rút ra kết luận sau khi quan sát thí nghiệm.
- Dự đoán được quy luật của tự nhiên và giải thích được một số hiện tượng trong tự nhiên có liên quan đến sự phản xạ toàn phần.
3) Thái độ
- Rèn luyện sự cẩn thận, nghiêm túc, sự tập trung khi nghiên cứu khoa học.
- Rèn luyện tính tích cực, tự giác học tập, lòng say mê tìm hiểu các hiện tượng vật lý, yêu khoa học.
II) Chuẩn bị
Giáo viên
- Chuẩn bị thí nghiệm thật nghiên cứu khảo sát định luật khúc xạ ánh sáng.
- Hình ảnh, đoạn video về hiện tượng phản xạ toàn phần và ứng dụng của nó trong cuộc sống thực tế.
Học sinh
III) Nội dung cơ bản
BÀI 45. HIỆN TƯỢNG PHẢN XẠ TOÀN PHẦN
1. Hiện tượng phản xạ toàn phần
Xét một tia sáng truyền từ môi trường 1 (chiết suất n1) tới môi trường 2 (chiết suất n2). Theo định luật khúc xạ ánh sáng: n1sini = n2sinr
a, Góc khúc xạ giới hạn
Khi n1 < n2 thì i > r, khi i tăng tới 90o thì r tăng tới góc khúc xạ giới hạn.
Vậy, trường hợp này luôn luôn tồn tại tia khúc xạ với góc khúc xạ giới hạn rgh
được xác định bởi công thức:
1 2 sinrgh n n = (P.1) b, Sự phản xạ toàn phần
Khi n1 > n2: r > i, i tăng tới igh thì r đã tăng tới 90o. - Khi i < igh : có cả tia khúc xạ và tia phản xạ
- Khi i = igh : tia khúc xạ là là mặt phân cách, tia phản xạ rất sáng
- Khi i > igh thì không còn tia khúc xạ mà chỉ còn tia phản xạ: hiện tượng phản xạ toàn phần.
Vậy, điều kiện xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần là:
1 2 gh n n i i > ≥ (P.2)
Góc giới hạn phản xạ toàn phần igh được xác định bởi công thức: 2
1 sinigh n
n
2. Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần
Hiện tượng phản xạ toàn phần được ứng dụng làm sợi quang trong cáp quang truyền dữ liệu và nội soi trong y học.
Sợi quang có lõi bằng chất dẻo trong suốt có chiết suất n1, được bao quanh bằng lớp vỏ có chiết suất n2 < n1. Tia sáng chiếu vào lõi sợi quang và phản xạ toàn phần trong đó đến khi ra khỏi sợi, cường độ tia sáng bị giảm không đáng kể.
Nhiều sợi quang tạo thành cáp quang, truyền dữ liệu bằng cáp quang ít bị nhiễu bởi các từ trường ngoài và lượng dữ liệu lớn hơn cáp kim loại rất nhiều lần.
I V ) Thiết kế hoạt động dạy học
Hoạt động của học sinh Trợ giúp của giáo viên Hoạt động 1 (10 phút): Kiểm tra bài cũ và đặt vấn đề tìm hiểu bài mới.
Học sinh trả lời bài và làm bài tập
- Áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng: n1 sini1 = n2 sini2 → 1,5. sin300 = 1. sini2 → 4 3 sini2 = → i2 = 48035’ - Nếu i= 450 thì ta có: - Ổn định lớp.
Giáo viên nêu câu hỏi và bài tập, gọi một học sinh lên kiểm tra bài cũ.
- Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là gì? - Hãy phát biểu và viết biểu thức định luật khúc xạ ánh sáng?
- Cho tia sáng truyền từ môi trường có chiết suất bằng 1,5 với góc tới i= 300 vào không khí có chiết suất gần bằng 1. Tìm góc khúc xạ?
→ 1,5. sin450 = 1. sini2 → 1 4 2 3 sini2 = 〉 không thể tìm được i2
→ Học sinh bị đưa vào tình huống có vấn đề.
bằng bao nhiêu?
- Đặt vấn đề: Tại sao khi tăng góc tới lên bằng 450 thì không tìm được góc khúc xạ?
Hoạt động 2 (20 phút): Tìm hiểu hiện tượng phản xạ toàn phần
- Quan sát
- HS dự đoán chiếc đũa sẽ bị gãy.
- GV cho HS xem một đoạn phim TN. - GV yêu cầu HS theo dõi và dự đoán về hình dạng chiếc đũa trong cốc đựng chất lỏng màu vàng nhạt:
- GV chiếu tiếp đoạn phim TN khi cho chiếc đũa vào cốc đựng chất lỏng màu vàng nhạt, yêu cầu HS quan sát hiện tượng xảy ra và tìm lời giải thích hiện tượng vừa quan sát được.
Hình 2.1
- Kết quả TN cho thấy hiện tượng xảy ra trái với dự đoán của đa số HS: chiếc đũa biến
42 N R3 S3 S2 S1 I
- Học sinh thảo luận nhóm và đưa ra các giả thuyết.
Học sinh thảo luận lập phương án thí nghiệm :
- Phương án 1: Chiếu tia sáng đến mặt phẳng của khối thủy tinh như hình vẽ.
Hình 2.2
- Tiến hành thí nghiệm: Chiếu tia sáng đến điểm I và thay đổi góc tới từ 0 → 900.
- Theo dõi thí nghiệm và rút ra nhận
mất. Đây là điều gây ngạc nhiên cho HS, thôi thúc các em đi tìm câu trả lời. Lúc này GV nêu lên vấn đề cần tìm hiểu và tiến hành hoạt động nhóm.
- Hãy thảo luận nhóm đưa ra giả thuyết cho vấn đề ở phần kiểm tra bài cũ?
Giáo viên yêu cầu học sinh thiết kế phương án thí nghiệm với dụng cụ thí nghiệm đã được chuẩn bị trước.
- Với phương án 1, chúng ta phải tiến hành thí nghiệm như thế nào?
- Yêu cầu học sinh theo dõi thí nghiệm và rút ra nhận xét.
xét:
+ Môi trường 1 là không khí, có chiết suất bằng 1, môi trường 2 là thủy tinh có chiết suất bằng 1,5.
+ Khi thay đổi góc tới từ 0→ 900 thì ta luôn có tia khúc xạ. Cho góc tới tăng dần thì góc khúc xạ cũng tăng nhưng luôn nhỏ hơn góc tới.
+ Khi góc tới đạt giá trị lớn nhất là 900 thì góc khúc xạ đạt giá trị lớn nhất. - Áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng: n1. sini1 = n2. sini2 → n1. sin900 = n2. sinigh → 3 2 5 , 1 1 sin 2 1 = = = n n igh → igh = 41048’ - Học sinh rút ra nhận xét: “Trong trường hợp ánh sáng đi từ môi trường có chiết suất nhỏ hơn sang
- Giáo viên nêu câu hỏi gợi ý:
+ Với cách chiếu tia sáng như hình 1 thì môi trường nào đóng vai trò môi trường 1, môi trường nào đóng vai trò môi trường 2?
+ Khi thay đổi góc tới thì góc khúc xạ thay đổi như thế nào? Em có nhận xét gì về độ lớn của góc tới và góc khúc xạ?
+ Khi nào thì góc khúc xạ đạt giá trị lớn nhất?
- Giáo viên đưa ra khái niệm mới: Góc khúc xạ đạt giá trị lớn nhất được gọi là góc khúc xạ giới hạn, kí hiệu igh .
- Khi góc tới bằng 900 thì lúc đó igh bằng bao nhiêu?
- Qua thí nghiệm này các em hãy rút ra một nhận xét tổng quát?
R’ S
môi trường có chiết suất lớn hơn, ta luôn có tia khúc xạ trong môi trường thứ hai ”.
- Phương án 2: Chiếu tia sáng từ thủy tinh đến điểm I như hình vẽ.
Hình 2.3
- Học sinh theo dõi thí nghiệm và rút ra nhận xét:
+ Môi trường 1 là thủy tinh, có chiết suất bằng 1,5 môi trường 2 là không khí có chiết suất bằng 1.
+ Cho góc tới tăng dần từ 00 → 300
thì góc khúc xạ cũng tăng dần và luôn luôn lớn hơn góc tới.
+ Tiếp tục tăng góc tới lên đến một giá trị nào đó thì ta không quan sát được tia khúc xạ nữa.
- Tiếp thu.
- Tiến hành thí nghiệm theo phương án 2 tương tự như thí nghiệm theo phương án 1.
- Giáo viên yêu cầu học sinh theo dõi thí nghiệm và rút ra nhận xét.
- Giáo viên nêu câu hỏi gợi ý:
+ Với cách chiếu tia sáng như hình 2 thì môi trường nào đóng vai trò môi trường 1, môi trường nào đóng vai trò môi trường 2? + Khi thay đổi góc tới i từ 00 → 300 thì góc khúc xạ thay đổi thế nào? Em có nhận xét gì về độ lớn của góc tới và góc khúc xạ?
+ Tiếp tục tăng góc tới lên thì có hiện tượng gì xảy ra?
- Giáo viên thông báo: Hiện tượng như trên gọi là hiện tượng phản xạ toàn phần.
- Học sinh suy nghĩ tìm câu trả lời. + Góc khúc xạ cực đại bằng 900. Khi đó ta có góc tới: n1. sini1 = n2. sini2 → n1. sini1 = n2. sin900 → 3 2 5 , 1 1 sin 1 2 1 = = = n n i → i1 = 41048’= igh + Góc tới bằng góc khúc xạ giới hạn trong thí nghiệm theo phương án 1.
+ Khi i ≥ igh thì xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần.
Học sinh suy nghĩ và trả lời: Với bài tập kiểm tra bài cũ thì tia sáng đi từ môi trường có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất bé hơn, nhưng khi i= 300 < igh= 41048’ vì vậy xảy ra hiện tượng khúc xạ nên ta tìm được tia khúc xạ, khi i= 450 > igh thì xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần
toàn phần là gì?
- Giáo viên nêu câu hỏi gợi ý:
+ Góc khúc xạ cực đại bằng bao nhiêu? + Khi góc khúc xạ đạt cực đại thì góc tới bằng bao nhiêu?
+ Em có nhận xét gì về độ lớn của góc tới i1?
+ Vậy góc tới có giá trị bằng bao nhiêu thì xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần?
→ Đến đây giáo viên đưa ra câu hỏi gợi ý cho học sinh tự giải quyết vấn đề đã đặt ra ở đầu bài:
Từ những kiến thức vừa nghiên cứu được em nào có thể giải thích tại sao với bài tập kiểm tra bài cũ ta không thể tìm được góc khúc xạ?
vì vậy ta không tìm được tia khúc xạ. → “Khi ánh sáng đi từ môi trường có chiết suất lớn hơn sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn và có góc tới i lớn hơn góc giới hạn igh, thì sẽ xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần, trong đó mọi tia sáng đều bị phản xạ, không có tia khúc xạ”.
→ Yêu cầu học sinh cho biết điều kiện xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần.
Hoạt động 3 (8 phút): Tìm hiểu ứng dụng của hiện tượng phản xạ toàn phần
- Học sinh các nhóm lần lượt trình bày
- Học sinh quan sát.
- Giáo viên yêu cầu đại diện học sinh các nhóm lên trình bày nhiệm vụ học tập về nhà giáo viên đã giao.
- Yêu cầu học sinh vận dụng những kiến thức vừa học giải thích một số ứng dụng các em đã tìm hiểu trong nhiệm vụ về nhà.
- GV chiếu một số hình ảnh và đoạn phim mô tả về sợi quang.
- Quan sát SGK.
+ Chiết suất n1 lớn hơn chiết suất n2. + Sợi quang có lõi làm bằng thủy tinh hoặc chất dẻo trong suốt có chiết suất n1, được bao quanh bằng 1 lớp vỏ có chiết suất n2< n1.
+ Tia sáng SI bị khúc xạ vào sợi quang, tia khúc xạ đến mặt tiếp xúc giữa lõi và lớp vỏ I1 dưới góc tới lớn hơn góc tới giới hạn và bị phản xạ toàn phần. Hiện tượng phản xạ như vậy được lặp lại nhiều lần liên tiếp tại các điểm I2, I3… Sau một loạt phản xạ liên tiếp như trên, tia sáng được dẫn qua sợi quang.
- Ghi nhận.
Hình 2.5
Giáo viên yêu cầu học sinh quan sát hình 45.4 SGK và nêu câu hỏi
+ Chiết suất n1 và n2, chiết suất nào lớn hơn? + GV yêu cầu HS trình bày về cấu tạo của sợi quang, cáp quang và đường đi của tia sáng trong sợi quang.
Hình 2.6
- Giáo viên thông báo các ứng dụng của sợi quang.
Các sợi quang như trên được ghép với nhau tạo thành những bó. Những bó này được ghép và hàn với nhau tạo thành những cáp quang.
+ Trong y học người ta dùng bó sợi quang để quan sát các bộ phận bên trong cơ thể. Đó là phương pháp nội soi.
Hình 2.8
+ Trong công nghệ thông tin, cáp quang được dùng để truyền dữ liệu. Vì cáp quang có nhiều ưu điểm hơn so với cáp kim loại, cáp quang truyền được một số dữ liệu lớn gấp nhiều lần (có thể hàng nghìn lần) so với cáp kim loại cùng đường kính, mặt khác cáp quang rất ít bị nhiễu bởi trường điện từ ngoài vì nó làm bằng chất điện môi.
- Chú ý quan sát và thảo luận nhóm
để giải thích các hiện tượng đó. Hình 2.9
- GV giới thiệu thêm một số hình ảnh về ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần.
Hình 2.10
Hình 2.11
Hình 2.12 Hoạt động 4 (7 phút): Củng cố bài học và giao nhiệm vụ về nhà.
- Học sinh trả lời.
- Thảo luận nhóm để tìm câu trả lời.
- Giáo viên nêu câu hỏi củng cố kiến thức: + Thế nào là hiện tượng phản xạ toàn phần? + Nêu điều kiện xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần?
+ Yêu cầu học sinh giải thích hiện tượng chiếc đũa thủy tinh biến mất ở đoạn video đầu buổi học.
- Giáo viên giao nhiệm vụ về nhà:
+ Ôn lại các kiến thức về khúc xạ ánh sáng và hiện tượng phản xạ ánh sáng.
+ Làm các bài tập 1, 2, 3, 4 SGK và các bài tập khúc xạ ánh sáng chuẩn bị cho tiết ôn tập sắp tới.
V) Rút kinh nghiệm
2.4. Kết luận chương 2
Nội dung chính của chương 2 là nghiên cứu việc tổ chức dạy học phần “Quang hình học”, Vật lí lớp 11 nâng cao theo định hướng DHNVĐ. Kết quả nghiên cứu đạt được có thể tóm tắt như sau:
- Khái quát nội dung phần Quang hình học dưới dạng sơ đồ
- Đề xuất những kiến thức có thể tổ chức DHNVĐ nhằm phát huy tính tích cực học tập của HS.
- Đề xuất nguyên tắc, đưa ra quy trình vận dụng DHNVĐ để thiết kế bài học vật lí theo hướng phát huy tính tích cực học tập của HS.
- Đề xuất việc sử dụng DHNVĐ trong tiến trình DH nhóm theo từng giai đoạn cụ thể
- Đề xuất quy trình thiết kế bài học theo nhóm có sử dụng PP DHNVĐ. Vận dụng quy trình để thiết kế tiến trình DH cụ thể.
Chương 3: THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM 3.1. MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ CỦA THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM 3.1.1. Mục đích
Mục đích của thực nghiệm sư phạm (TNSP) là kiểm tra tính đúng đắn của giả thuyết khoa học mà đề tài đặt ra, cụ thể là kiểm tra hiệu quả của việc TCHHĐNT cho HS theo hướng DHNVĐ. Kết quả TNSP sẽ trả lời các câu hỏi:
- TCHHĐNT cho HS trong dạy học phần “QUANG HÌNH HỌC” vật lí 11 nâng cao theo hướng DHNVĐ có góp phần nâng cao hứng thú học tập và các hoạt động học