VIII. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
2.3.2.5. Tổ chức hoạt động dạy học bài "Phản xạ toàn phần”
a. ► Kiểm tra bài cũ
1. Thế nào là hiện tượng khúc xạ ánh sáng? Giải thích và làm thí nghiệm chứng minh bài toán đồng xu đặt dưới đáy chén.
HS: Hiện tượng tia sáng bị lệch phương khi truyền qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt. Cho ít nhất 2 học sinh làm thí nghiệm và sau đó giải thích hiện tượng bằng hình vẽ.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
2. Phát biểu và viết biểu thức định luật khúc xạ ánh sáng? Hãy so sánh độ lớn của góc tới với độ lớn của góc khúc xạ khi n1 > n2 và n2 > n1 ?
HS: n1sini = n2sinr, với n1, n2: lần lượt là chiết suất môi trường 1 và môi trường 2; i: là góc tới ; r: là góc khúc xạ.
HS: Áp dụng biểu thức của định luật khúc xạ.
Khi n21 < 1 n1 > n2 i < r: tia khúc xạ lệch xa pháp tuyến hơn. Khi n21 > 1 n1 < n2 i > r: tia khúc xạ lệch lại gần pháp tuyến 3. Giải bài toán sau: biết chiết suất của thủy tinh là 2, hãy vẽ tiếp đường đi của một tia sáng với góc tới là 300
, 450, 600 khi:
- Tia sáng đi từ không khí vào thủy tinh. -Tia sáng đi từ thủy tinh ra không khí.
HS: Khi đi từ không khí vào thủy tinh, ta có: n1 =1, n2 =2
Áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng: n1sini = n2sinr sin r 1 2 n n sini Khi i = 300 thì r = 20,70 . Khi i = 450 thì r = 300 . Khi i = 600 thì r = 37,76 0 .
Khi đó đường đi của tia sáng được vẽ như sau: s I K 300 S I K 450 60 0 S I K
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
HS: Khi đi từ thủy tinh ra không khí, ta có: n1 = 2, n2 = 1 Áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng: n1sini = n2sinr sin r
2 1
n sini Khi i = 300 thì r = 400 .
Khi i = 450 thì r = 900
, tia khúc xạ đi sát mặt phân cách.
Khi i = 600 thì không xác định được r, tia khúc xạ biến mất. Không vẽ hình được.
► Đặt vấn đề vào bài (tình huống cơ bản): Tia sáng chiếu từ thủy tinh ra ngoài không khí dưới góc tới 600 sẽ tiếp tục đi như thế nào khi góc tới tăng dần? Để trả lời câu hỏi này, chúng ta cùng quan sát thí nghiệm sau đây: đặt bán cầu bằng nhựa trong lên bảng chia độ, lần lượt chiếu chùm ánh sáng hẹp từ trong bán cầu nhựa ra ngoài không khí dưới các góc tới khác nhau và tăng dần.
HS: góc khúc xạ r > góc tới i
Khi góc tới i nhỏ, tia khúc xạ rất sáng
Khi góc tới i tăng, góc khúc xạ r cũng tăng, tia khúc xạ mờ dần, tia phản xạ xuất hiện và sáng dần lên.
S I K 300 I 450 S K S I
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Khi góc tới i tăng đến một giá trị giới hạn nào đó (i 410) thì góc khúc xạ r = 900, tia khúc xạ nằm sát mặt phân cách.
Khi góc tới i tăng vượt quá 410 (i > 410) thì tia khúc xạ hoàn toàn biến mất, tia phản xạ bây giờ lại rất sáng (sáng như tia tới). Bây giờ đã có thể trả lời được câu hỏi trên chưa? Như thế nào?
HS: khi i = 600, tia khúc xạ biến mất, hiện tượng khúc xạ không xảy ra, do vậy không thể vẽ tiếp đường đi của một tia sáng tuân theo định luật khúc xạ đã học.
Sự xuất hiện của tia phản xạ và tia phản xạ sáng như tia tới trong thí nghiệm quan sát ở trên là một hiện tượng mới có tên gọi"hiện tượng phản xạ toàn phần”. Đó chính là tựa đề bài học mới.
b. Hiện tượng phản xạ toàn phần
► Hiện tượng phản xạ toàn phần là gì?
HS: là hiện tượng khi ánh sáng chiếu đến mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt thì không xảy ra hiện tượng khúc xạ ánh sáng, mà xảy ra hiện tượng phản xạ ánh sáng, tia phản xạ sáng như tia tới.
Đúng nhưng có thể phát biểu định nghĩa hiện tượng phản xạ toàn phần một cách gọn gàng và cô đọng hơn như sau: là hiện tượng phản xạ toàn bộ tia sáng tới, xảy ra ở mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt.
Khi nào thì hiện tượng phản xạ toàn phần xảy ra?
c. Điều kiện xảy ra phản xạ toàn phần
HS: khi ánh sáng đi từ thủy tinh ra không khí và góc tới vượt quá một góc giới hạn nào đó.
Không nhất định phải đi từ thủy tinh ra ngòai không khí mà đi từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường chiết quang kém (n1 > n2), góc giới hạn đó gọi là góc giới hạn phản xạ toàn phần hay góc tới hạn, ký hiệu là igh.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Góc giới hạn được xác định như thế nào? Điều kiện xảy ra phản xạ toàn phần là gì?
► HS làm việc nhóm: khi i = igh thì r = 900
, áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng ta có: n1sinigh = n2sin900 sin igh = 2
1
n n
- Ánh sáng đi từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường chiết quang kém (n1 > n2).
- Góc tới phải lớn hơn hoặc bằng góc giới hạn ( i igh ) .
Cần lưu ý rằng: trật tự hai điều kiện trên phải đảm bảo. Có thể tóm tắt như sau:
- Khi n1< n2: xảy ra hiện tượng khúc xạ ánh sáng.
- Khi n1> n2thì phải kiểm tra tiếp bằng cách tìm igh với 2 1 sinigh n
n
+ Nếu i < igh: xảy ra hiện tượng khúc xạ ánh sáng.
+ Nếu i igh: xảy ra hiện tượng phản xạ tòan phần.
► Vận dụng những gì vừa được biết, giải tiếp bài toán vẽ đường đi của tia sáng khi truyền từ thuỷ tinh ra không khí dưới các góc tới 300, 450, 600
HS: ánh sáng đi từ thủy tinh ra ngoài không khí nên n1> n2 thỏa mãn điều kiện 1 của hiện tượng phản xạ toàn phần, do vậy phải tìm
2 1 1 sin 2 gh n i n igh = 450 .
Mặt khác: theo đề bài i = 600 i > igh xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần. Vì thế đường đi của một tia sáng tới được vẽ như sau:
I E S
K
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
d. Ứng dụng của hiện tượng phản xạ toàn phần
Hiện tượng phản xạ toàn phần có rất nhiều ứng dụng trong cuộc sống và khoa học kỹ thuật.
▼ Chẳng hạn hãy quan sát một cái đèn trang trí sau đây và cho biết
hoạt động của nó thế nào? Vẽ hình
►HS thảo luận nhóm và trả lời: ánh sáng từ một bóng đèn điện chiếu đến chùm dây nhựa trong suốt, sau nhiều lần phản xạ toàn phần liên tiếp trên thành trong của dây, ánh sáng ra khỏi đầu kia với cường độ sáng tương đương với cường độ của chùm sáng tới, làm cho đầu dây bên kia rất sáng.
Học sinh sẽ trả lời được câu hỏi này, vì đây là dụng cụ thường gặp trong cuộc sống.
Các sợi trong suốt đó gọi là sợi quang (hay cáp quang), cáp quang có nhiều ứng dụng quan trọng: trong y học cáp quang được dùng trong kỹ thuật nội soi, trong thông tin vô tuyến cáp quang dùng để truyền thông tin; cáp quang gồm một bó sợi quang, mỗi sợi quang là một dây trong suốt có tính dẫn sáng tốt nhờ hiện tượng phản xạ toàn phần.
▼ Hãy cho biết cáp quang còn có những ứng dụng gì khác? (đã giao việc cho các nhóm đọc sách giáo khoa và tìm hiểu thêm ở nhà)
HS: Đối với cáp quang dùng trong nội soi chắc chắn sẽ gồm một số sơi quang dùng để đưa ánh sáng từ ngoài vào, một số sợi khác sẽ truyền hình ảnh ra; dùng cáp quang trong nội soi sẽ hạn chế việc phải phẫu thuật.
HS: Đối với cáp quang dùng trong thông tin vô tuyến thì có ưu điểm: gọn nhẹ, dễ uốn cong, truyền tín hiệu với dung lượng lớn, không bị ảnh hưởng bởi những điều kiện bên ngoài.
Phần liên hệ thực tế này khá phức tạp, vì để trả lời được câu hỏi này ngoài việc áp dụng các kiến thức vật lý còn là những hiểu biết mang tính đặc thù của ngành nghề khác. Do vậy, dù đã cho học sinh chuẩn bị trước ở nhà nhưng chất lượng câu trả lời chắc là sẽ chưa cao. Đây là việc rèn luyện kỹ năng liên hệ thực tế ở mức độ cao nhất.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Mặc dù có khá nhiều ưu điểm nhưng việc sử dụng cáp quang trong truyền dẫn cũng có những đòi hỏi riêng: các sợi quang phải là những sợi siêu sạch, rất trong suốt, nếu không ánh sáng sẽ bị tán xạ trên các chất vẩn và bị hấp thu mất hết; và dù cho đã chọn được những sợi quang từ vật liệu tốt thì cũng cần đặt nhiều trạm tiếp vận trên đường truyền để khuyếch đại tín hiệu ánh sáng, bộ phận đó có tên gọi là repeater.
e. Củng cố - vận dụng (tình huống kiểm chứng)
► Học sinh hoạt động nhóm: giải thích các hiện tượng ảo ảnh. ► Hãy vẽ tiếp (có giải thích) đường đi của tia
sáng qua khối trong suốt có chiết suất 2, hình tam giác vuông cân như hình vẽ sau:
f. Dặn dò:
► Làm bài tập ví dụ trang 170 SGK.
▼ Hãy giải thích xem tại sao kim cương có vẻ đẹp rực rỡ.
► Vận dụng những kiến thức vừa học, thực hiện thí nghiệm đo chiết suất của bán cầu nhựa trong suốt và kiểm chứng với giá trị chiết suất của nó với kết quả đo được từ bài học trước.
HS: thực hiện như sau: cho ánh sáng truyền từ thủy tinh ra ngoài không khí, ban đầu thực hiện với góc tới nhỏ, tăng dần góc tới cho đến khi quan sát thấy tia khúc xạ trùng với mặt phân cách thì dừng lại và đo góc tới khi đó. Góc này chính là igh, sau đó dùng công thức sinigh 1
n
để suy ra n.
HS: n = 1,52. Gần bằng với kết quả đo được do áp dụng định luật khúc xạ (n = 1,53).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn