Quang học:

trụ và đèn có bộ phận tách ra chùm sáng hẹp.

2. Học sinh:

- Đọc SGK THCS để ôn lại những kiến thức đã học về sự khúc xạ ánh sáng. - Chuẩn bị giấy có ô vuông.

92

III/ Sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức.

Hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng: Là hiện tƣợng tia sáng khi đi từ môi trƣờng trong suốt này sang môi trƣờng trong suốt khác thì bị gãy khúc tại mặt phân cách giữa hai môi trƣờng.

+ Khi tia sáng truyền từ không khí sang nƣớc: góc khúc xạ nhỏ hơn góc tới. + Khi tia sáng truyền từ nƣớc sang không khí: góc khúc xạ lớn hơn góc tới

Chúng ta mới chỉ tìm hiểu hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng về mặt định tính. Còn trong thực tế tia sáng bị lệch nhiều hay ít so với phƣơng ban đầu,

hay mối quan hệ giữa góc tới và góc khúc xạ sẽ tuân theo quy luật nào?

Khảo sát định lƣợng hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng: + GV: Tiến hành TN.

+ HS: Đọc, ghi số liệu, vẽ đồ thị, lập tỉ số giữa sini và sinr, kết hợp với dạng đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của sinr vào sini, nêu nhận xét.

Định luật khúc xạ ánh sáng:

+ Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới (tạo bởi tia tới và pháp tuyến) và ở phía bên kia pháp tuyến so với tia tới.

+ Với hai môi trƣờng trong suốt nhất định, tỉ số giữa sin góc tới (sini) và sin góc khúc xạ (sinr) luôn luôn không đổi.

^sin

sin

i

r= const

93 Tỉ số ^sin sin i

r đƣợc gọi là chiết suất tỉ đối n₂₁ của môi trƣờng(2) chứa tia khúc xạ và môi trƣờng (1) chứa tia tới.

Công thức: ^sin

sin

i r= n₂₁

+ Nếu n21>1 sini > sinr i > r: tia khúc xạ lệch lại gần pháp tuyến hơn. + Nếu n21<1 sini < sinr i < r: tia khúc xạ lệch xa pháp tuyến hơn.

Nếu môi trƣờng chứa tia khúc xạ là chân không hoặc không khí thì sao?

Chiết suất tuyệt đối: là chiết suất tỉ đối của môi trƣờng đó với chân không Hệ thức: n₂₁= ⁿ

n

2 1

n1sini = n2sinr

Nếu thay đổi chiều truyền ánh sáng trong các TN vừa xét thì các kết quả trên còn đúng không?

Tính thuận nghịch của sự truyền ánh sáng: n₁₂=

21

1

94

IV/ Phân tích việc áp dụng các biện pháp để tích cực hoá hoạt động nhận thức của HS trong quá trình dạy- học.

- Khi bắt đầu vào bài GV nêu hai ví dụ thực tế đồng thời đƣa ra bài toán nhận thức “khảo sát mối quan hệ định lƣợng giữa góc tới và góc khúc xạ” nhằm giúp HS có điều kiện ôn tập lại kiến thức cũ đó là khái niệm về hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng mà các em đã đƣợc học ở THCS và tạo động cơ hứng thú, nhu cầu học tập cho các em.

- Kiến thức trọng tâm của bài là định luật khúc xạ ánh sáng và các khái niệm: chiết suất tỉ đối và chiết suất tuyệt đối. Qua tìm hiểu thực tế giảng dạy ở miền núi cho thấy nhiều GV không quan tâm đến con đƣờng hình thành các khái niệm và định luật mà thƣờng giảng giải qua rồi phát biểu định nghĩa các khái niệm cũng nhƣ thông báo nội dung định luật. Kết quả là các kiến thức đó chỉ thoáng qua trong đầu các em mà ít để lại ấn tƣợng, vì vậy đa số không nhắc lại đƣợc định nghĩa các khái niệm hoặc phát biểu lại nội dung định luật và do đó thƣờng lúng túng khi phải vận dụng để giải bài tập, một số ít tỏ ra thuộc nhƣng chỉ là nhớ một cách máy móc cách phát biểu hay các công thức diễn tả. Trong bài này chúng tôi sẽ vận dụng cả 5 biện pháp nhằm hƣớng dẫn HS xây dựng định luật khúc xạ ánh sáng và các khái niệm: chiết suất tỉ đối và chiết suất tuyệt đối:

+ Để giải quyết bài toán nhận thức đƣa ra, HS đƣợc tham gia làm thí nghiệm (quan sát đƣờng truyền của tia khúc xạ, xác định góc tới, góc khúc xạ, lập bảng số liệu …). Dựa trên bảng ghi giá trị của góc tới i và góc khúc xạ r, GV yêu cầu HS dự đoán mối quan hệ định lƣợng gữa i và r, HS sẽ rất hào hứng và đƣa ra kết luận: r tỉ lệ thuận với i nhƣng sau khi thảo luận và đƣa ra cách kiểm chứng (vẽ đồ thị r- i), các em sẽ gặp khó khăn (đồ thị vẽ đƣợc không phải là đƣờng thẳng). Vậy thì i và r sẽ phụ thuộc theo mối quan hệ định lƣợng nào?- Đó chính là vấn đề nhận thức. Nhƣ vậy chúng tôi sẽ sử dụng biện

95

pháp kích thích hứng thú HS từ bên trong bằng cách tạo ra mâu thuẫn nhận thức- nghĩa là các biện pháp 1,3,5.

+ Trong bài này, định luật khúc xạ ánh sáng đƣợc hình thành bằng con đƣờng quan sát trực tiếp và khái quát hoá thực nghiệm, còn các khái niệm: chiết suất tỉ đối, chiết suất tuyệt đối đƣợc hình thành theo cách đƣa ra đặc điểm định lƣợng trƣớc rồi mới đến đặc điểm định tính. Để rút ra nội dung định luật cũng nhƣ khắc sâu các khái niệm, chúng tôi đã tổ chức cho HS tích cực thực hiện các thao tác tƣ duy (tổng hợp, phân tích, so sánh, trừu tƣợng hoá, khái quát hoá…) và các phép suy luận lôgic theo đúng qui luật của quá trình nhận thức: “Từ trực quan sinh động đến tƣ duy trừu tƣợng…”- nghĩa là các biện pháp 2,3,4,5.

+ Sự khó khăn trong bài này là HS hiểu và phân biệt đƣợc hai khái niệm: chiết suất tỉ đối và chiết suất tuyệt đối (trong đó chiết suất tuyệt đối đƣợc định nghĩa thông qua chiết suất tỉ đối hay nói cách khác chiết suất tuyệt đối là trƣờng hợp riêng của chiết suất tỉ đối). Khi HS đã hiểu và phân biệt đƣợc hai khái niệm đó nghĩa là đã góp phần bồi dƣỡng vốn ngôn ngữ khoa học Vật lí cho các em- đó là biện pháp 4.

+ Khi tìm hiểu tính thuận nghịch của chiều truyền ánh sáng dựa trên kết quả thí nghiệm, HS rút ra đƣợc nguyên lí về tính thuận nghịch của chiều truyền ánh sáng (biểu hiện ở cả sự truyền thẳng của ánh sáng và sự phản xạ ánh sáng) đồng thời xây dựng đƣợc biểu thức n₁₂=

21

1

n , không những tăng thêm hứng thú học tập cho các em mà còn góp phần xây dựng thế gới quan duy vật biện chứng cho các em.

- Trong bài, giành nhiều thời gian cho HS tự lực hoạt động nhận thức. GV cố gắng không làm thay những gì mà HS có thể làm đƣợc nhƣ quan sát, phân tích, so sánh, suy luận, khái quát hoá…bằng các kiến thức và kĩ năng đã

96

có mà chỉ đƣa ra những gợi ý, hƣớng dẫn. GV chỉ giảng giải những điều HS không thể tự lực xây dựng đƣợc nhƣ định luật khúc xạ ánh sáng, khái niệm chiết suất tỉ đối. Tuy nhiên, việc giảng giải đó cũng phải đƣợc tiến hành trên cơ sở HS tích cực hoạt động nhận thức.

V/ Thiết kế hoạt động dạy học:

*Hoạt động 1: Ôn lại những kiến thức đã biết về sự khúc xạ ánh sáng. GV: Tiến hành TN phát hiện hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng bằng cách:

- TN1: Cắm một chiếc thìa vào một cốc nƣớc trong. - TN2: Thả một đồng xu vào trong cốc nƣớc.

HS: Quan sát hiện tƣợng và nêu nguyên nhân dẫn đến hiện tƣợng đó. - Hiện tƣợng: + Chiếc thìa dƣờng nhƣ bị gãy ở mặt nƣớc. + Đồng xu dƣờng nhƣ nổi lên gần mặt nƣớc hơn.

- Nguyên nhân: Sự khúc xạ ánh sáng.

GV: - Nêu một số hiện tƣợng (hoặc có thể gợi ý để HS tự nêu) rất gần gũi đối với HS miền núi có liên quan đến hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng nhƣ: khi nhìn một con suối nƣớc trong dƣới đáy có sỏi ta thấy dƣờng nhƣ mực nƣớc nông hơn (những ngƣời ít có kinh nghiệm thƣờng bị ƣớt quần áo khi lội qua) hay một cành cây cắm trên suối ta nhìn thấy nhƣ nó bị gãy ở mặt nƣớc…

- Cho HS quan sát thí nghiệm (TN3) tia sáng đi qua một khối nhựa trong suốt hình chữ nhật (cho HS dự đoán đƣờng đi của tia sáng sau đó làm thí nghiệm) (H1).

-Trong chƣơng trình Vật lí 9, chúng ta đã bƣớc đầu tìm hiểu hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng.

Hãy nêu những hiểu biết của em về hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng?

HS: Trình bày hiện tượng khúc xạ ánh sáng: là hiện tƣợng tia sáng khi đi từ môi trƣờng trong

S S^’ N I R N’ I’ S S^’ N I R N’ I’

97

suốt này sang môi trƣờng trong suốt khác thì bị gãy khúc tại mặt phân cách giữa hai môi trƣờng.

GV: - Sử dụng hình vẽ (H1), yêu cầu HS xác định các khái niệm: tia tới, điểm tới, pháp tuyến, góc tới, tia phản xạ, góc phản xạ, tia khúc xạ, góc khúc xạ, mặt phẳng tới.

- Nhƣ vậy, chúng ta mới chỉ tìm hiểu hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng về mặt định tính.

- Tiến hành TN: khi i tăng thì r tăng và ngƣợc lại khi i giảm thì r giảm. Vậy mối quan hệ cụ thể giữa i và r nhƣ thế nào?. Trong bài học sau đây chúng ta sẽ khảo sát đầy đủ hơn hiện tƣợng này về mặt định lƣợng.

* Hoạt động 2:Khảo sát định lƣợng hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng. Xây dựng định luật khúc xạ ánh sáng.

GV: - Nhắc lại khái niệm hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng.

- Ta có thể bố trí một thí nghiệm nhƣ thế nào để tìm đƣợc mối quan hệ giữa i và r? có thể sử dụng thí nghiệm trên đƣợc không?

- Cho HS tiến hành lại TN3 khảo sát hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng theo sơ đồ (H1) (xét với một cặp môi tƣờng trong suốt : thuỷ tinh- không khí).

- Ta có thể xác định đƣợc các góc i và r không? và cần phải làm nhƣ thế nào?

HS:- Có thể đƣợc, dùng thƣớc đo độ ta đo đƣợc các góc i và r.

GV:- Khi đó phải đặt tâm của thƣớc đo độ phải đặt ở đâu? HS:- Phải đặt ở điểm tới I.

- Tuy nhiên, phƣơng án này không thuận tiện vì tia sáng sau khi đi qua khối nhựa hình chữ nhật bị lệch đi, do đó muốn xác định góc r ta phải kéo dài tia II^’. GV: - Ta có thể thay khối nhựa hình chữ nhật bằng khối nhựa hình bán trụ và cho tia tới đi qua tâm của

98

- Quan sát và xác định đƣờng đi của tia khúc xạ.

- Xác định góc tới và góc khúc xạ trên vòng tròn chia độ.

GV: - Quan sát ta thấy tia tới nằm ở đâu, tia khúc xạ ở đâu?

- Tia khúc xạ có nằm trong mặt phẳng hình vẽ - tức là có cùng nằm trong mặt phẳng chứa tia tới không? Tại sao phải cho tia tới đi qua tâm của khối nhựa bán trụ?

HS: - Quan sát ta thấy tia khúc xạ nằm trong cùng mặt phẳng chứa tia tới (mặt phẳng tới) và ở bên kia pháp tuyến so với tia tới.

- Cho tia tới đi qua tâm của bán trụ sẽ giúp việc xác định góc đƣợc dễ dàng hơn.

GV: - Bây giờ, chúng ta khảo sát mối quan hệ định lƣợng giữa góc tới và góc

khúc xạ.

- Tiến hành TN4 (nhƣ H2).

HS: Xác định góc tới và góc khúc xạ trên vòng tròn chia độ.

GV: Tăng đần góc tới và yêu cầu HS đọc giá trị góc khúc xạ và ghi vào bảng

số liệu (chỉ ghi giá trị của i và r).

HS: Đọc và ghi số liệu vào bảng.

GV: - Căn cứ vào bảng số liệu yêu cầu HS phân tích mối quan hệ giữa i và r Góc tới Góc khúc xạ 0⁰ 0⁰ 10⁰ 6,5⁰ 20⁰ 13⁰ 30⁰ 19,5⁰ 40⁰ 25,5⁰ 50⁰ 31⁰ 60⁰ 35⁰ 70⁰ 39⁰ 80⁰ 41^{0 i} O 100 200 300 400 500 200 400 600 8001000 r i O 100 200 300 400 500 200 400 600 8001000 r

99

- Từ số liệu thu đƣợc ta thấy: khi i tăng thì r tăng và ngƣợc lại. Điều đó có nghĩa là r đồng biến với i, nhƣng vấn đề là nó sẽ đồng biến theo mối quan hệ nào?

Trƣớc hết ta hãy vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của góc khúc xạ r vào góc tới i

Từ dạng đồ thị, hãy nêu mối quan hệ giữa r và i (có phải là mối quan hệ tỉ lệ thuận không?).

HS:Vì đƣờng biểu diễn không phải là đƣờng thẳng r không tỉ lệ thuận với i.

GV: Nêu vấn đề: Nếu bây giờ ta xét sự phụ thuộc của hàm số lƣợng giác của

chúng thì có thể rút ra nhận xét gì? ta nên xét hàm lƣợng giác nào?

HS: - Xét hàm sin, vì hàm sin là hàm đồng biến trong khoảng (0 90⁰). - Xác định giá trị của sini, sinr và ghi kết quả vào bảng,

Sini Sinr 0 0 0,174 0,113 0,342 0,225 0,500 0,334 0,643 0,431 0,766 0,515 0,866 0,574 0,940 0,629 0,985 0,656

GV: Hãy vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của sinr vào sini, nêu nhận xét.

HS: - Đồ thị có dạng là đƣờng thẳng sinr tỉ lệ với sini.

GV: - Điều này cũng đúng khi ta lập tỉ số ^sin

sin i r : - Ta có: n n r i r i r i sin sin ... sin sin sin sin 2 2 1 1 1,5 (= kđổi). Hay: ^sin sin i r= const. O 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,2 0,4 0,6 8,0 1 sinr sini 0,6 0,7 O 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,2 0,4 0,6 8,0 1 sinr sini 0,6 0,7

100

- Trong thí nghiệm trên, môi trƣờng chứa tia tới là không khí, môi trƣờng chứa tia khúc xạ là nhựa trong suốt thì ta có ^sin

sin

i

r 1,5. Nếu ta thay không khí và nhựa bằng một cặp môi trƣờng trong suốt khác thì tỉ số ^sin

sin

i r

cũng không đổi và bằng một giá trị n nào đó.

- Khái quát những kết quả tìm đƣợc, ngƣời ta đã xây dựng một định luật gọi là định luật khúc xạ ánh sáng, với nội dung nhƣ sau (GV đƣa ra nội dung định luật nhƣ trong SGK).

HS: Tiếp thu, ghi nhớ.

*Hoạt động 3: Tìm hiểu khái niệm chiết suất của môi trƣờng.

GV: Trong hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng mà chúng ta vừa khảo sát, tỉ số ^sin

sin

i r

của hai môi trƣờng trong suốt nào đó là một đại lƣợng không đổi. Nó đặc trƣng cho sự khúc xạ nhiều hay ít khi tia sáng đi từ môi trƣờng trong suốt này sang môi trƣờng trong suốt khác và đƣợc gọi là chiết suất tỉ đối của môi trƣờng (2) chứa tia khúc xạ và môi trƣờng (1) chứa tia tới, đƣợc kí hiệu là n₂₁. Vậy n21 đƣợc tính nhƣ thế nào?

HS: Viết biểu thức tính n21: n21= ^sin

sin

i r.

GV:- Ở thí nghiệm trên ta có n21 1,5 >1, do đó ^sin

sin

i r > 1 và khi đó i > r. Vậy có thể xảy ra n21 < 1 (tức là i < r) đƣợc không?

HS: Ta tiến hành TN5 nhƣ TN4 nhƣng cho tia sáng đi từ

tấm nhựa ra không khí.

GV: - Hƣớng dẫn HS làm thí nghiệm nhƣ hình (H3)

HS: Tiến hành TN, quan sát sự thay đổi của các góc i và r.

GV: - Hãy so sánh độ lớn của góc tới i và góc khúc xạ r trong trƣờng hợp này?

101

HS: i < r (tia khúc xạ xa pháp tuyến hơn) ^sin

sin

i r < 1

GV: - Ở TN4 ta có n₂₁> 1 thì sini > sinr và do đó i > r: tia khúc xạ lệch gần pháp tuyến hơn.

Khi đó ta nói môi trƣờng (2) chiết quang hơn môi trƣờng (1).

- Ở TN5 ta có n₂₁< 1 i < r: tia khúc xạ lệch xa pháp tuyến hơn.

HS: Rút ra kết luận tƣơng tự: môi trƣờng (2) kém chiết quang hơn môi trƣờng (1).

GV: -Trong biểu thức n₂₁= ^sin

sin

i

r, nếu môi trƣờng (2) là chân không thì chiết suất tỉ đối của môi trƣờng (1) so với môi trƣờng chân không đƣợc gọi là chiết suất tuyệt đối của môi trƣờng đó (gọi tắt là chiết suất).

- Vậy chiết suất tuyệt đối là gì?

HS: Chiết suất tuyệt đối của một môi trƣờng là chiết suất tỉ đối của môi trƣờng đó với chân không.

GV: Nhƣ vậy, chiết suất của chân không là 1 và do đó mọi môi trƣờng trong

suốt đều có chiết suất tuyệt đối lớn hơn 1.

(Lƣu ý HS: nếu không cần độ chính xác cao, ta có thể coi chiết suất của