XÂY DỰNG hệ THỐNG bài tập THÍ NGHIỆM PHẦN “QUANG học”

Từ đó có hướng bồi dưỡng để các em trởthành nhân tài cho đất nước Xét vị trí của thí nghiệm Vật lý trong dạy học Vật lý cũng như vị trí củaquang học trong giáo trình Vật lý phổ thông, tô

Hội thảo các trường chuyên miền Duyên Hải Bắc Bộ 2015

PHẦN I: MỞ ĐẦU

CHUYÊN ĐỀXÂY DỰNG HỆ THỐNG BÀI TẬP THÍ NGHIỆM PHẦN “QUANG HỌC”.

1 Lý do chọn đề tài

Đổi mới phương pháp dạy học là khắc phục phương pháp truyền thụ một chiều,rèn luyện thói quen, nếp sống tư duy sáng tạo của người học Để thực hiện đượcnhiệm vụ này cần phải bồi dưỡng được cho học sinh phương pháp học tập để pháttriển tư duy nhận thức và kỹ năng vận dụng kiến thức vào thực tế Muốn nâng caochất lượng học tập bộ môn vật lý phải có nhiều yếu tố song hành trong đó việc xâydựng và sử dụng bài tập thí nghiệm trong các tiết dậy vật lý đóng vai trò hết sứcquan trọng Trong quá trình giảng dạy các tiết thực hành nói chung và các tiết có

sử dụng các dụng cụ thực hành của phần “Quang học” nói riêng, học sinh cònnhiều lúng túng, nhiều em chưa biết cách tiến hành thí nghiệm như thế nào? chưabiết vận dụng các kiến thức đã học vào việc thực hành để thu thập kết quả ra sao? Thí nghiệm, thực hành là một trong những công cụ không thể thiếu được trongquá trình dạy học Vật lý Với tính chất là một phương tiện dạy học, thí nghiệm vật

lí giữ vị trí đặc biệt quan trọng trong việc hoàn thành dạy học vật lí:

- BTTN có nhiều tác dụng tốt về cả ba mặt giáo dưỡng, giáo dục, giáo dục

kỹ thuật, đặc biệt BTTN còn là một phương tiện dạy học có tác dụng rất lớn trongviệc bồi dưỡng tư duy vật lý cũng như phương pháp nhận thức vật lý cho HS

- BTTN vừa là bài tập vừa là thí nghiệm nên sẽ phát huy được các lợi thếcủa hai phương tiện dạy học chủ lực nếu GV biết khai thác tốt Quá trình làm thínghiệm sẽ tạo hứng thú, kích thích cho HS và từ đó HS mạnh dạn đưa ra ý kiếnsáng tạo của mình

- BTTN là điều kiện để HS vận dụng tổng hợp kiến thức lý thuyết và thựchành, kết hợp thao tác tư duy trí óc với thao tác chân tay, tập làm các nhà chế tạo,thiết kế, lắp ráp…Điều này kích thích mạnh mẽ hứng thú học tập của HS nhất là

- BTTN khắc phục tình trạng giải bài tập một cách thuộc lòng, hình thức,tình trạng áp dụng công thức một cách máy móc

- BTTN là hoạt động tạo điều kiện tốt để phát triển tư duy cho HS đặc biệt là

tư duy vật lý Bên cạnh đó việc giải BTTN của HS cũng giúp GV phát hiện những

HS có năng khiếu đặc biệt về vật lý Từ đó có hướng bồi dưỡng để các em trởthành nhân tài cho đất nước

Xét vị trí của thí nghiệm Vật lý trong dạy học Vật lý cũng như vị trí củaquang học trong giáo trình Vật lý phổ thông, tôi mạnh dạn chọn đề tài:

“XÂY DỰNG HỆ THỐNG BÀI TẬP THÍ NGHIỆM PHẦN “QUANG HỌC”

2 Mục đích nghiên cứu

- Thấy được tầm quan trọng của các thí nghiệm vật lí trong việc dạy học vật lý

- Nêu rõ vai trò và ý nghĩa của thí nghiệm vật lí trong quá trình bồi dưỡng tư duy,sáng tạo, khắc sâu kiến thức vật lý cho học sinh

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu

- Quá trình dạy học vật lý ở trường học phổ thông;

- Bài tập Vật lý trong quá trình dạy học

Nếu xây dựng và sử dụng hợp lý các bài tập thí nghiệm vật lý trong việc tổchức hoạt động dạy học cho học sinh phần “quang học” nói riêng và BT Vật lý nóichung thì sẽ góp phần tích cực hoá hoạt động nhận thức của HS và nâng cao chấtlượng, hiệu quả dạy học Vật lý ở trường THPT.

5 Nhiệm vụ nghiên cứu:

- Nghiên cứu chương trình, nội dung dạy học phần “QUANG HỌC”

- Nghiên cứu về bài tập vật lý nói chung và bài tập thí nghiệm nói riêng trongdạy học

- Thực nghiệm sư phạm

6 Phương pháp nghiên cứu

6.1 Nghiên cứu lý thuyết.

- Cơ sở lý luận về tâm lý học, giáo dục học, lý luận dạy học liên quan đếngiải BT Vật lý, nhất là bài tập thí nghiệm

- Nghiên cứu các biện pháp, cách thức bồi dưỡng hoạt động nhận thức cho

HS trong quá trình dạy học Vật lý

6.2 Nghiên cứu thực nghiệm.

- Thực trạng dạy học vật lý có sử dụng bài tập thí nghiệm của GV và HS vàgiải quyết bài tập thí nghiệm Vật lý ở trường phổ thông

- Tiến hành thực nghiệm sư phạm tại trường THPT

- Thống kê và xử lý số liệu thực nghiệm

7 Ý tưởng của đề tài

Có thể xây dựng ngân hàng các thí nghiệm đơn giản và thường gặp trong thực tế

và sắp xếp một hệ thống các thí nghiệm trong phần “QUANG HỌC”

3 Định luật khúc xạ ánh sáng

+ Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới và ở bên kia pháp tuyến so với tia tới (Hình vẽ)

+ Đối với một cặp môi trường trong

suốt nhất định thì tỉ số giữa sin của

góc tới (sini) với sin của góc khúc xạ

(sinr) luôn luôn là một số không đổi

Số không đổi này phụ thuộc vào

bản chất của hai môi trường và được

gọi là chiết suất tỉ đối của môi

trường chứa tia khúc xạ (môi trường

2) đối với môi trường chứa tia tới

(môi trường 1); kí hiệu là n21

Biểu thức:

i

rN

N/

IS

K(1)(2)

4.Phản xạ tồn phần và điều kiện xảy ra:

a Hiện tượng phản xạ toàn phần

- Hiện tượng phản xạ toàn phần là hiện tượng mà trong đó chỉ tồn tại tia phản xạ mà không có tia

khúc xạ

b Điều kiện để có hiện tượng phản xạ toàn

phần

– Tia sáng truyền theo chiều từ môi

trường có chiết suất lớn sang môi

trường có chiết suất nhỏ hơn (Hình

34)

– Góc tới lớn hơn hoặc bằng góc

giới hạn phản xạ toàn phần (i gh)

5 C¸c c«ng thøc cđa l¨ng kÝnh:

Khi tia s¸ng cã gãc lƯch cùc tiĨu: r’ = r = A/2; i’ = i = (Dm +A)/2

Khi góc lệch đạt cực tiểu: Tia ló và

tia tới đối xứng nhau qua mặt phẳng

phân giác của góc chiết quang A

Khi góc lệch đạt cực tiểu Dmin :

Độ phóng đại của ảnh:

Độ phóng đại của ảnh là tỉ số chiều cao của ảnhvà chiều cao của vật:

* k > 0 : Ảnh cùng chiều với vật

* k < 0 : Ảnh ngược chiều với vật

– Công thức tính độ tụ của thấu kính theo bán kính cong của các mặt và chiết suất của thấu kính:

Mặt lõm: R > 0 ; Mặt lồi: R < 0 ; Mặt phẳng: R =

7 Các cơng thức về lưỡng chất phẳng, bản mặt song song:

a Lưỡng chất phẳng:

LCP (Plane Surface) là hệ hai mơi trường trong suốt, chiết suất khác nhau, ngăn

cách nhau bởi một mặt phẳng

Xét tia sáng xuất phát từ điểm sáng S qua LCP từ mơi trường cĩ chiết suất n1

đến mơi trường cĩ chiết suất n2 , S’ là ảnh của S Xác định độ dời ảnh SS’?

b Bản mặt song song:

BMSS (Plane-Parallel Plates) là mơi trường trong suốt, đồng chất, giới hạn

bởi hai mặt song song

Xét tia sáng xuất phát từ điểm sáng S ở mơi trường quanh BMSS cĩ chiếtsuất n1 qua BMSS dày là e, cĩ chiết suất n1 (n1 < n2 ) S’ là ảnh của S Xác định

độ dời ngang của tia sáng d và độ dời ảnh SS’?

d = e(i- r) = ei( 1-

8 Giao thoa ánh sáng:

a Giao thoa khe Y - âng:

c Giao thoa với bản mỏng:

12

B.CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN CẦN NẮM VỮNG TRƯỚC KHI LÀM BÀI THỰC HÀNH:

1 Lí thuyết về sai số:

1.1 Định nghĩa phép tính về sai số

1.1.1 Các khái niệm

a Phép đo trực tiếp: Đo một đại lượng vật lí có nghĩa là so sánh nó với một

đại lượng cùng loại mà ta chọn làm đơn vị

b Phép đo gián tiếp: Trường hợp giá trị của đại lượng cần đo được tính từ giá trị

của các phép đo trực tiếp khác thông qua biểu thức toán học, thì phép đo đó làphép đo gián tiếp

1.1.2 Phân loại sai số

Khi đo một đại lượng vật lí, dù đo trực tiếp hay gián tiếp, bao giờ ta cũngmắc phải sai số Người ta chia thành hai loại sai số như sau:

b Sai số ngẫu nhiên:

Sai số ngẫu nhiên sinh ra do nhiều nguyên nhân, ví dụ do hạn chế của giácquan người làm thí nghiệm, do sự thay đổi ngẫu nhiên không lường trước được củacác yếu tố gây ảnh hưởng đến kết quả đo Sai số ngẫu nhiên làm cho kết quả đolệch về cả hai phía so với giá trị thực của đại lượng cần đo Sai số ngẫu nhiênkhông thể loại trừ được Trong phép đo cần phải đánh giá sai số ngẫu nhiên

1.2 Phương pháp xác định sai số của phép đo trực tiếp

.) Phương pháp chung xác định giá trị trung bình và sai số ngẫu nhiên

Giả sử đại lượng cần đo A được đo n lần Kết quả đo lần lượt là

được gọi là giá trị trung bình của đại lượng A trong n lần đo Số lần đo càng lớn,

được gọi là sai số tuyệt đối trong mỗi lần đo riêng lẻ Để đánh giá sai số của phép

đo đại lượng A, người ta dùng sai số toàn phương trung bình Theo lí thuyết xácsuất, sai số toàn phương trung bình là: (2)

và kết quả đo đại lượng A được viết: (3)

Như vậy, giá trị thực của đại lượng A với một xác suất nhất định sẽ nằmtrong khoảng từ đến , nghĩa là:

-

Khoảng [( - ),( )] gọi là khoảng tin cậy Sai số toàn phương trung bình

chỉ được dùng với các phép đo đòi hỏi độ chính xác cao và số lần đo n lớn Nếu

đo đại lượng A từ 5 đến 10 lần, thì ta dùng sai số tuyệt đối trung bình số học (sai số ngẫu nhiên) được định nghĩa như sau:

Kết quả đo lúc này được viết dưới dạng: (5)

Ngoài sai số tuyệt đối, người ta còn sử dụng sai số tỉ đối được định nghĩa như sau:

Kết quả đo được viết như sau: (7)

Như vậy, cách viết kết quả phép đo trực tiếp như sau:

- Tính giá trị trung bình theo công thức (1)

- Tính các sai số theo công thức (4) hoặc (6).

- Kết quả đo được viết như (5) hoặc (7)

Ví dụ: Đo đường kính viên bi 4 lần, ta có kết quả sau:

Giá trị trung bình của đường kính viên bi là:

= Sai số tuyệt đối trung bình tính được là

= Kết quả:

số Sai số thường được lấy bằng nửa giá trị của độ chia nhỏ nhất của dụng cụ

- Khi đo các đại lượng điện bằng các dụng cụ chỉ thị kim, sai số được xác

Ví dụ: Vôn kế có cấp chính xác là 2 Nếu dùng thang đo 200V để đo hiệu điện thế

thì sai số mắc phải là

Nếu kim chỉ thị vị trí 150 V thì kết quả đo sẽ là:

- Khi đo các đại lượng điện bằng các đồng hồ đo hiện số, cần phải lựa chọnthang đo thích hợp

- Nếu các con số hiển thị trên mặt đồng hồ là ổn định (con số cuối cùng bênphải không bị thay đổi) thì sai số của phép đo có thể lấy giá trị bằng tích của cấpchính xác và con số hiển thị

Ví dụ: đồng hồ hiện số có ghi cấp sai số 1.0% rdg (kí hiệu quốc tế cho dụng cụ đo

hiện số), giá trị điện áp hiển thị trên mặt đồng hồ là: U = 218 V

thì có thể lấy sai số dụng cụ là:

V

- Nếu các con số cuối cùng không hiển thị ổn định (nhảy số), thì sai số của phép

đo phải kể thêm sai số ngẫu nhiên trong khi đo

Ví dụ: khi đọc giá trị hiển thị của điện áp bằng đồng hồ nêu trên, con số cuối

cùng không ổn định (nhảy số): 215 V, 216 V, 217 V, 218 V, 219 V (số hàng đơn vịkhông ổn định) Trong trường hợp này lấy giá trị trung bình U = 217 V Sai sốphép đo cần phải kể thêm sai số ngẫu nhiên trong quá trình đo V Do vậy:

1.3 Phương pháp xác định sai số gián tiếp

a) Phương pháp chung

Giả sử đại lượng cần đo A phụ thuộc vào các đại lượng x, y, z theo hàm số Trong đó x, y, z là các đại lượng đo trực tiếp và có giá trị

= = = Giá trị trung bình được xác định bằng cách thay thế các giá trị x, y, z vàohàm trên, nghĩa là = ( , , )

a Lấy logarit cơ số e của hàm

b Tính vi phân toàn phần hàm ln = ln , sau đó gộp các số hạng có chưa

vi phân của cùng một biến số

c Lấy giá trị tuyệt đối của biểu thức đứng trước dấu vi phân d và chuyển dấu d

- Sai số tuyệt đối và sai số trung bình đều được làm tròn theo quy tắc trên

- Khi viết kết quả, giá trị trung bình được làm tròn đến chữ số cùng hàng với chữ

số có nghĩa của sai số tuyệt đối

Ví dụ:

Không thể viết

mà phải viết

hoặc là ta tính

Ta có thể viết Nếu sai số lấy đến 1 chữ số có nghĩa thì

Chú ý rằng khi viết kết quả cuối cùng, sai số toàn phần sẽ bằng tổng sai số ngẫunhiên và sai số hệ thống:

Ví dụ: Khi dùng thước kẹp để đo đường kính một sợi dây nhỏ, giả sử ta đo 5 lần,sai số ngẫu nhiên tính được là Thước kẹp có độ chính xác

Nếu sai số ngẫu nhiên nhỏ hơn sai số hệ thống thì ta bỏ qua sai số ngẫu nhiên

đó (vì không thể đo được kết quả chính xác hơn cả cấp chính xác của dụng cụ đo).Trong trường hợp phép đo chỉ thực hiện một lần thì sai số toàn phần được lấychính là sai số hệ thống (do dụng cụ đo)

2 Hồi quy tuyến tính:

Trong nhiều trường hợp kết quả thí nghiệm được biểu diễn bằng đồ thị là rấtthuận lợi, vì đồ thị có thể cho thấy sự phụ thuộc của một đại lượng y vào đại lượng

x nào đó Phương pháp đồ thị thuận tiện để lấy trung bình các kết quả đo

Giả sử bằng các phép đo trực tiếp, ta xác định được các cặp giá trị của x và ynhư sau:

Muốn biểu diễn hàm bằng đồ thị, ta làm như sau:

a Trên giấy kẻ ô, ta dựng hệ tọa độ decac vuông góc Trên trục hoành đặt các giátrị x, trên trục tung đặt các giá trị y tương ứng Chọn tỉ lệ xích hợp lí để đồ thịchoán đủ trang giấy

b Dựng các dấu chữ thập hoặc các hình chữ nhật có tâm là các điểm ,

Dựng đường bao sai số chứa các hình chữ nhật hoặc các dấu chữ thập

c Đường biểu diễn là một đường

cong trơn trong đường bao sai số được vẽ

sao cho nó đi qua hầu hết các hình chữ nhật

và các điểm nằm trên hoặc

phân bố về hai phía của đường cong (hình

1)

d Nếu có điểm nào tách xa khỏi đường

cong thì phải kiểm tra lại giá trị đó bằng thực nghiệm Nếu vẫn nhận được giá trị

cũ thì phải đo thêm các điểm lân cận để phát hiện ra điểm kì dị

e Dự đoán phương trình đường cong có thể là tuân theo phương trình nào đó:

Việc thiết lập phương trình đường cong được thực hiện bằng cách xác định các

hệ số a, b, …n Các hệ số này sẽ được tính khi làm khớp các phương trình này vớiđường cong thực nghiệm

+

+ +

+ + +

Hình 1 Dựng đồ thị

Các phương trình này có thể chuyển thành phương trình đường thẳng bằngcách đổi biến thích hợp (tuyến tính hóa)

Chú ý: Ngoài hệ trục có tỉ lệ xích chia đều, người ta còn dùng hệ trục có

một trục chia đều, một trục khác có thang chia theo logarit để biểu diễn các hàm

(Trong đó (1) (2) (3) là tuyến tính, (4) (5) phi tuyến tính ) nhưng chưa xác định

được giá trị của các tham số a, b, c Để xác định được các tham số này, ta tìm cách tính một số cặp giá trị tương ứng (xi, yi), i=1, 2, …,n bằng thực nghiệm, sau đó áp dụng phương pháp bình phương bé nhất

3.2 Trường hợp: y = ax + b

Gọi εi sai số tại các điểm xi

Khi đó tổng bình phương các sai số: S=

Mục đích của phương pháp này là xác định a, b sao cho S là bé nhất Như vậy a, b

Khi đó tổng bình phương các sai số: : S=

Các hệ số a, b xác định sao cho S là bé nhất

Như vậy a, b, c là nghiệm của hệ phương trình:

Giải hệ phương trình ta được a, b, c

Lấy Logarit cơ số 10 hai vế: Lgy = lga + blgx Đặt Y = lgy; A = lga; B = b; X = lgx

Ta đưa về dạng: Y = A + BX

Giải hệ phương trình ta được A, B => a = 10A , b=B

Ví dụ minh họa : Cho biết cặp giá trị x và y theo bảng sau:

Lập công thức thực nghiệm của y dạng a.ebx

Ta có: y = a.ebx

Lấy Logarit cơ số e hai vế: Lny = Lna + bx

Đặt Y =Lny, A =Lna , B= b, X =x ta có bảng mới:

Suy ra a=eA = ½ , b= B = 1 Vậy y =

PHẦN III: BÀI TẬP THỰC NGHIỆM:

I MỘT SỐ BÀI THỰC NGHIỆM ĐƠN GIẢN :

Bài Tập1: Làm thế nào chế tạo một kính lúp nếu bạn chỉ có:

lỗ ) Giọt nước là 1 chất trong suốt, như vậy bản thân nó trong trường hợp này đãthực sự là 1 thấu kính hội tụ

Bài Tập 2:

Trong phòng thí nghiệm được chiếu sáng bằng một bóng đèn sợi đốt Nếu có 2 thấukính hội tụ, làm thế nào để có thể xác định cái nào có độ tụ lớn hơn mà không dùngbất kì dụng cụ nào khác Hãy nêu rõ phương án thực hiện

Hướng dẫn giải:

Dựa vào công thức tính độ tụ của thấu kính, ta có : Thấu kính nào có tiêu cự lớnhơn thì có độ tụ bé hơn, và ngược lại, thấu kính nào có tiêu cự bé hơn thì độ tụ

lớn hơn do đó, ta có thể so sánh độ tụ của thấu kính dựa vào tiêu cự của nó Ta

có thể so sánh tiêu cự của nó bằng cách làm như sau:

Theo phương truyền của ánh sáng, đưa dần thấu kính ra xa tường, thấu kính nàocho 1 điểm sáng rõ ở khoảng cách gần tường hơn thì thấu kính đó có tiêu cự nhỏhơn, nghĩa là độ tụ lớn hơn

Đặt thấu kính lên trên gương, cả hai đặt ở chân giá đỡ Kẹp nhẹ bút chì vào giá đỡ

và di chuyển nó cho tới khi mắt nhìn từ trên xuống thấy ảnh của đấu bút chì trùng

với vật

Đo khoảng cách d từ đầu bút chì đến thấu kính, d chính là tiêu cự của thấu kính

Thật vậy, gương làm cho ánh sáng đi qua thấu kính 2 lần Khi đó độ tụ hiệu dụng

là :

= Vậy khi d=d’ = fL Phải xác định chính xác khoảng cách d, đo

nhiều lần để lấy trung bình và phải trừ bớt một nửa bề dày của thấu kính nếu đo từmặt gương

Bài Tập 4

Cho:

-Một chiếc cốc

32

- Đặt tấm gỗ thảng đứng vào trong cốc.

- Rót nước vào cốc sao cho mực nước trùng với Ox

Tìm vị trí trên đường tròn cắm đinh thứ 3 sao cho đặt mắt nhìn thấy 3 đinh

thẳng hàng

Nhấc tấm gỗ ra và kẻ 2 đường vuông

góc từ 2, và 3 xuống Oy

Đo các đoạn a, b

Chiết suất của nước n =

Đo các đoạn a,b trong các lần làm thí nghiệm khác nhau và điền vào bảng

2 a

b1O

3

Tính giá trị trung bình và xử lí sai số

Bài Tập 5: Đo chiết suất của bản mặt song song:

- Một chiếc bút chì.

Yêu cầu: Đo chiết suất của bản mặt song song:

Hướng dẫn giải:

Kẻ hình bản mặt song song lên tấm xốp, nhấc bản mặt ra, kẻ đường 1đến 2 Kẻ

pháp tuyến tại 2, đặt bản mặt song song lên hình, cắm 2 đinh vào vị trí 1,2 Tìm vị

trí 3,4 cắm 2 đinh sao cho nhìn qua bản mặt song song chúng thẳng hàng Kẻ

đường 3 đến 4

Cách 1: Vẽ (O,R) sao cho tâm O trùng với vị trí số 2, đường tròn cắt 1,2 tại M,

cắt 2,3 tại N Kẻ 2 đường vuông góc từ M,N đến pháp tuyến

Đo các khoảng a,b ta đo được:

1

2

34

O

N

M a

b

Cách 2: Từ 1 hạ vuông góc xuống bản mặt Kéo dài 3,4 cắt 1,2 tại S Đo khoảng

cách б =1S sử dụng công thức dịch chuyển ảnh б = e(1-1/n)

S