CHƯƠNG 2: TỔ CHỨC DẠY HỌC PHẦN “QUANG HÌNH HỌC”- VẬT LÝ
2.3. Thiết kế tiến trình dạy các bài học phần “Quang hình học”_Vật lý 11 ban cơ bản
2.3.1. Các bài học của chương “ Khúc xạ ánh sáng”
- Bài 26: “ Khúc xạ ánh sáng”.
- Bài 27: “ Phản xạ toàn phần”.
2.3.1.1. Bài 26: “Khúc xạ ánh sáng”
a. Sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức “ Hiện tượng khúc xạ, định luật khúc xạ ánh sáng, chiết suất của môi trường và tính thuận nghịch chiều truyền ánh sáng”.
52
Khi chùm sáng gặp mặt phân cách (nhẵn, bóng) giữa hai môi trường khác nhau thì chùm sáng bị đổi hướng truyền sáng. Như chúng ta đã biết hiện tượng đó gọi là hiện tượng phản xạ ánh sáng.
Vậy khi chùm sáng truyền xuyên qua mặt phân cách giữa hai môi trường truyền sáng thì chùm sáng sẽ truyền như thế nào? Hiện tượng đó gọi là hiện tượng gì?
Dựa vào định luật truyền thẳng ánh sáng. HS dự đoán đường truyền của chùm sáng, và dựa vào sự tương tự của hiện tượng phản xạ suy luận ra hiện tượng khúc xạ ánh sáng và định nghĩa hiện tượng
Khảo sát đường truyền của một tia sáng khi chiếu tới mặt phân cách từ không khí sang một bán cầu bằng nhựa (trong suốt)
Ánh sáng truyền qua mặt phân cách bi lệch phương truyền sang so với phương ban đầu gọi là hiện tượng khúc xạ ánh sáng.
- đường thẳng đi qua điểm tới, vuông góc với mặt phân cách gọi là pháp tuyến.
- Tia sáng chiếu tới mặt phân cách giữa hai môi trường, gọi là tia tới. Góc tạo bởi tia tới và pháp tuyến gọi là góc tới.
- Tia sáng truyền qua mặt phân cách gọi là tia khúc xạ. Góc tạo bởi tia khúc xạ và pháp tuyến gọi là góc khúc xạ
- Mặt phẳng chứa tia tới và pháp tuyến gọi là mặt phẳng tới.
53
- Làm thí nghiệm và quan sát, xác định mặt phẳng chứa tia khúc xạ. Vị trí của tia khúc xạ và tia tới so với pháp tuyến.
- Dựa vào bảng số liệu (bảng 26.1) [SGK; 126]. Lập tỉ số giữa góc tới, góc khúc xạ và tỉ số sin góc tới, sin góc khúc xạ
Nhận xét về tỉ số đã lập. Dùng kiến thức môn toán để suy ra mối liên hệ giữa các tỉ số đã lập.
n = hằng số
Làm thế nào để kiểm tra đúng đắn của hệ quả trên?
Thiết kế phương án TN để kiểm tra tính đúng đắn của hệ quả đã rút ra từ suy luận.
+ Nội dung cần kiểm nghiệm: Tỉ số hằng số
Sử dụng các dụng cụ như TN trên. Chiếu tia sáng tới vuông góc với mặt phân cách giữa hai môi trường, thay đổi vị trí của tia tới lần lượt ta được các góc tới và góc khúc xạ tương ứng. (giả sử ta xác định góc khúc xạ với góc tới tương ứng là: và )
Vậy mặt phẳng nào chứa tia tới và sự lệch phương của tia sáng khi truyền qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt có tuân theo quy luật nào không?
54
Đối chiếu kết quả TN với kết quả thu được từ những suy luận ở trên ta rút ra được kết luận sau:
- Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới và ở bên kia pháp tuyến so với tia tới.
- Với hai môi trường trong suốt nhất định thì tỉ số hằng số + Tia sáng chiếu vuông góc tới mặt phân cách thì truyền thẳng.
- Chiếu chùm tia sáng từ không khí vào nhựa trong và ngược lại từ nhựa trong ra ngoài không khí.
Kết quả từ TN cho thấy: Hằng số chỉ phụ thuộc vào bản chất của hai môi trường.
Làm TN và đo r tương ứng hai trường hợp trên, với i= . Dùng công thức n; xác định được hằng số n tương ứng. Kết quả cho thấy hằng số n trong hai trường hợp có mối liên hệ là:
- Tỉ số gọi là chiết suất tỉ đối
- Chiết suất tuyệt đối là chiết suất tỉ đối của môi trường đối với chân không.
- với lần lượt là chiết suất tuyệt đối của môi trường chứa tia tới và môi trường chứa tia khúc xạ.
+ Khi n21 > 1 thì i > r ( tia khúc xạ lệch lại gần pháp tuyến hơn) + Khi n21 < 1 thì i > r ( tia khúc xạ lệch xa pháp tuyến hơn) - Công thức định luật khúc xạ dưới dạng đối xứng
Hằng số trên phụ thuộc vào những yếu tố nào?
Xét ví dụ sau: Khảo sát sự truyền ánh sáng giữa hai môi trường không khí và nhựa trong (bán cầu nhựa TN trên)
55 b. Mục tiêu dạy học
Nội dung kiến thức cần xây dựng
- Khái niệm hiện tượng khúc xạ ánh sáng: Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng lệch phương của các tia sáng khi truyền xiên góc qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt khác nhau.
- Định luật khúc xạ ánh sáng:
+ Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới và bên kia pháp tuyến so với tia tới.
+ Với hai môi trường trong suốt nhất định, tỉ số sin góc tới (sini) và sin góc khúc xạ (sinr) luôn không đổi.
Mục tiêu trong quá trình học:
- HS quan sát và tiến hành TN để mô tả được hiện tượng khúc xạ ánh sáng.
- tham gia suy đoán giải pháp tìm mối liên hệ giữa tia khúc xạ và tia tới; góc khúc xạ với góc tới.
Tia khúc xạ và và tia tới có thể đổi chỗ cho nhau được không?
- Nếu đổi chỗ cho nhau được, điều này cho phép ra nhận xét thế nào về chiều truyền ánh sáng.
Kết quả TN cho thấy: Ánh sáng truyền theo đường nào thì có thể truyền ngược lại theo đường đó. Hiện tượng như vậy gọi là tính thuận nghịch chiều truyền ánh sáng.
- Học sinh làm TN và quan sát với các trường hợp:
truyền thẳng, phản xạ và khúc xạ. Sau đó hoán đổi vị trí của tia tới với tia khúc xạ
Nhận xét đường truyền của tia sáng trong các trường hợp.
56 - dự đoán được sự phụ thuộc của hằng số 21
sin sin
i n r =
- nhân xét được đường truyền của tia sáng khi hoán đổi vị trí của tia sáng và tia khúc xạ.
Sau khi học: HS
- phát biểu được chính xác hiện tượng khúc xạ ánh sáng và định luật khúc xạ ánh sáng.
- trình bày được khái niệm chiết suất tỉ đối, chiết suất tỉ đối, đồng thời viết được hệ thức liên hệ giữa chúng.
- biết vận dụng định luật khúc xạ để giải thích một số hiện tượng trong thực tế như: cái bút chì cắm vào cốc thủy tinh chứa nước, bị gãy khúc tại mặt phân cách. Đồng tiền xu như được nâng cao hơn so trước khi cho nước vào chén, từ đó suy luận những lưu ý khi đi bơi.
Giải được một số bài tập liên quan.
c. Công việc chuẩn bị của GV và HS.
+ GV: Máy biến áp 6-12 V, đèn laze dùng làm nguồn sáng.
- Bán cầu nhựa trong suốt.
- Một tờ giấy A4, một ly nước thủy tinh, một cái bút chì.
- Một chén bằng sứ, một đồng xu.
- Máy vi tính, máy chiếu và màn hình - Phiếu học tập
+ HS: Ôn tập kiến thức đã học ở cấp 2.
d. Tiến trình hoạt động dạy học cụ thể.
Hoạt động 1: Tìm hiểu về hiện tượng khúc xạ ánh sáng
Hoạt động của GV Hoạt động của HS
Nêu vấn đề và đề xuất giả thuyết về hiện tượng khúc xạ ánh sáng .Nhúng một cái bút chì vào trong một
ly thủy tinh đựng nước.
Yêu cầu HS quan sát và đưa ra nhận xét về hình dạng cái bút chì tại mặt phân cách giữa không khí và nước
57 Tại sao lại có hiện tượng như vậy?
CH1: Trong không khí ánh sáng truyền theo đường gì?
Vậy khi chiếu xiên góc tia sáng từ không khí vào nhựa (trong suốt) ánh sáng còn truyền theo đường thẳng nữa không?
- Nhắc lại các khái niệm tia tới, tia khúc xạ, góc tới, pháp tuyến và mặt phẳng tới.
Tại mặt phân cách giữa không khí và nước cái bút chì bị gãy khúc.
Tiếp nhận vấn đề cần tìm hiểu
Trong không khí ánh sáng truyền theo đường thẳng
Học sinh dự doán: Khi chiếu như vậy ánh sáng không truyền theo đường thẳng nữa mà tia sáng bị lệch phương tại mặt phân cách giữa hai môi trường
Làm thí nghiệm và kết luận về hiện tượng khúc xạ ánh sáng GV yêu cầu các nhóm làm thí nghiệm và
quan sát đường truyền của tia sáng khi chiếu chùm tia sáng vuông góc và chiếu chùm sáng xiên góc từ không khí và bản nhựa trong suốt.
Yêu cầu các nhóm đưa ra nhận xét về phương truyền của tia sáng tới gặp mặt phân cách của hai môi trường trong hai trường hợp.
Kết luận: hiện tượng chùm tia sáng bị lệch phương khi truyền xiên góc qua mặt phân cách giữa hai môi trường gọi là hiện tượng khúc xạ ánh sáng.
Vậy hiện tượng khúc xạ ánh sáng là gì?
Câu trả lời mong đợi:
- Khi chiếu vuông góc tới mặt phân cách của hai môi trường tia sáng truyền thẳng - Khi chiếu xiên góc tới mặt phân cách của hai môi trường tia sáng bị lệch phương tại mặt phân cách giữa môi trường.
Là hiện tượng chùm tia sáng bị lệch phương khi truyền xiên góc qua mặt phân cách giữa hai môi trường.
Hoạt động 2: Tìm hiểu về định luật khúc xạ ánh sáng
58
Hoạt động của GV Hoạt động của HS
Phát hiện vấn đề Nhắc lại các khái niệm tia tới, góc tới i,
pháp tuyến, tia phản xạ, góc phản xạ r Trở lại TN trên nhưng thay đổi phương của chùm tia tới (góc tới i thay đổi)
CH1: Em có nhận xét gì về phương của tia khúc xạ phi phương của tia tới thay đổi?
Vậy sự thay đổi đó có tuân theo quy luật nào không?
Nhớ lại kiến thức đã học ở cấp 2
Phương của tia khúc xạ thay đổi khi phương tia tới thay đổi.
Nêu giả thuyết: “Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới và ở bên kia pháp tuyến so với tia tới”, làm thí nghiệm để xác nhận giả thuyết và nhận xét mặt phẳng tới chứa tia tới và tia khúc xạ vuông góc với mặt phân cách tại điểm tới.
CH1: Tia khúc xạ và tia tới có nằm trong cùng một mặt phẳng không?
CH2: Mặt phẳng này có thể là mặt phẳng nào?
- Làm thế nào để kiểm tra được dự đoán trên?
Gv phân tích những điểm hợp lý và chưa hợp lý ở các phương án do HS đề ra, đồng thời giới thiệu phương án TN để kiểm chứng giả thuyết.
Làm thí nghiệm: (TN)
Chiếu tia sáng tới từ khối nhựa trong suốt ra không khí, đặt tờ giấy A4 để quan sát tia khúc xạ. Gấp tờ giấy A4 tại mặt
- Có
- Là mặt phẳng vuông góc với mặt phân cách
Các nhóm thảo luận đề xuất ra các phương án TN
- khi chưa gấp tờ giấy A4, quan sát thấy tia khúc xạ, khi gấp tờ giấy A4 lại thì không thấy tia khúc xạ nữa.
59 phân cách yêu cầu HS quan sát tia khúc xạ
CH3: Vậy tia tới và tia khúc xạ có mối liên hệ với nhau như thế nào?
Mặt phẳng chứa tia tới và tia khúc xạ gọi là mặt phẳng tới, mặt phẳng tới có đặc điểm gì so với mặt phân cách.
CH4: Em hãy cho biết vị trí của tia khúc xạ và tia tới so với pháp tuyến
Vậy: Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới và bên kia pháp tuyến xo với tia tới
Khi góc tới thay đổi thì góc khúc xạ cũng thay đổi, vậy góc khúc xạ và góc tới có mối quan hệ vơi nhau như thế nào?
Tia tới và tia khúc xạ cùng nằm trong một mặt phẳng
Mặt phẳng tới vuông góc với mặt phân cách tại điểm tới.
Tia khúc xạ và tia tới nằm khác phía so với pháp tuyến.
Tiếp thu và ghi nhận
Góc tới tăng thì góc khúc xạ cũng tăng và ngược lại
Nêu vấn đề: “Góc tới và góc khúc xạ có mối liên hệ với nhau như thế nào và mối liên hệ đó được biểu diễn bằng hệ thức nào?”
GV yêu cầu các nhóm học sinh làm thí với những dụng cụ đã có sẳn thay đổi góc tới và đo góc khúc xạ trong các trường hợp tương ứng
Học sinh tiến hành TN theo nhóm và ghi nhận kết quả
i r
- HS nhận xét:
Khi i tăng thì r cũng tăng nhưng r không tỉ lệ thuận với i vì thương sối
r
60 Yêu cầu các nhóm nhận xét kết quả TN
GV nhận xét và định hướng HS đến việc tìm mối quan hệ giữa các hàm số lượng giác có quan hệ với các góc.
GV nhận xét: kết quả thu được từ TN chính là nội dung của định luật khúc xạ ánh sáng
không phải là hằng số
Căn cứ vào kết quả TN ta thu được tỉ số sin
sin i
r= hằng số
Hoạt động 3: Tìm hiểu chiết suất của môi trường
Hoạt động của GV Hoạt động của HS
- Yêu cầu HS đọc phần 1 SGK, thảo luận mối qua hệ giữa góc tới và góc khúc xạ phụ thuộc như thế nào với chiết suất tỉ đối
Nhận xét và rút ra mối liên hệ giữa các đại lượng.
Yêu cầu HS đọc phần 2 SGK
Từ định nghĩ đó em hãy viết biểu thức liên hệ giữa chiêt suất tuyệt đối và chiết suất tỉ đối của hai môi trường
CH: Viết lại biểu thức định luật khúc xạ ánh sáng
- Đọc SGK
- Thảo luận nhóm,..
- Tìm hiểu về chiết suất tỉ đối - Trình bày
- Nhận xét câu trả lời của bạn
Nhóm HS thảo luận và đưa ra câu trả lời
2 21 1
n n
n =
Nhận xét câu trả lời của bạn
1sin 2sin
n i=n r
Hoạt động 4: Tim hiểu tính thuận nghịch của sự truyền ánh sáng
Hoạt động của GV Hoạt động của HS
Yêu cầu HS đọc phần III SGK và cho nhận xét.
Để chứng minh phần này HS thực hiện thí
- HS đọc SGK và nhận xét về đường truyền của tia sáng.
61 nghiệm: ánh sáng truyền từ một môi trường theo một đường nào đó thì nó cũng truyền theo đường ngược lại nếu hoán đổi vị trí nguồn sáng
- HS tiến hành thí nghiệm kiểm chứng
NỘI DUNG GHI BẢNG I. SỰ KHÚC XẠ ÁNH SÁNG
1. Hiện tượng khúc xạ ánh sáng
Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng chùm tia sáng bị lệch phương khi truyền xiên góc qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt khác nhau.
2. Định luật khúc xạ ánh sáng.
Nội dung:
- Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới và ở bên kia pháp tuyến so với tia tới - Với hai môi trường trong suốt nhất định, tỉ số giữa sin góc tới (sini) và sin góc khúc xạ
(sinr) luôn không đổi.
sin sin i
r= hằng số II. CHIẾT SUẤT CỦA MÔI TRƯỜNG
1. Chiết suấ tỉ đối
Tỉ số 21
sin sin
i n
r = gọi là chiết suất tỉ đối của môi trường (2) đối với môi trường (1) 2. Chiết suất tuyệt đối
Chiết suất tuyệt đối của một môi trường là chiết suất tỉ đối của môi trường đó với chân không.
- chiết suất của chân không là 1
Biểu thức định luật khúc xạ ánh sáng dưới dạng đối xứng. n1sini=n2sinr III. Tính thuận nghịch của sự truyền ánh sáng.
Ánh sáng truyền theo đường nào thì có thể truyền ngược lại theo đường đó Hoạt động 5: Vận dụng, củng cố.
I S
R i
r
62
Câu 1: Một hòn sỏi đang ở độ sâu h so với mặt nước. Một người đứng trên bờ quan sát sẽ thấy hòn sỏi ở vị trí nào?
Hướng dẫn: Vẽ 2 tia sáng xuất phát từ hòn sỏi, xác định giáo điểm của tia ló (ảnh) HS: vẽ hình, nhận xét vị trí của ảnh
Nhận xét: ảnh nằm gần mặt nước hơn so với vị trí thật của nó
GV: Như vậy, nếu ai không biết hiện tượng khúc xạ ánh sáng, họ thường ước lượng nhầm độ sâu của nước.
Vì qua con mắt của chúng ta thấy đáy ao, hồ, … thường nông hơn khoảng 1/4 độ sâu thực của nó. Nếu tin vào độ sâu nhìn thấy có thể sẽ gặp nguy hiểm
Câu 2: Một tia sáng đi từ không khí chiếu đến một khối thủy tinh có chiết suất 1,5. Cho góc tới bằng 400, tính góc khúc xạ.
A. 240 B. 25,40 C. 600 D. 650
2.3.1.2. Bài 27: “Phản xạ toàn phần ”
a. Sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức “ Góc giới hạn phản xạ toàn phần, điều kiện phản xạ toàn phần, và ứng dụng của hiện tượng phản xạ toàn phần”
63
Khi áp dụng định luật khúc xạ ánh sánh cho trường hợp ánh sáng truyền từ môi trường thủy tinh (chiết suất n = ) sang môi trường không khí (chiết suất n = 1) với những góc tới lớn hơn một giới hạn nào đó thì không tính được góc khúc xạ (không có tia khúc xạ). Vậy khi đó, tia sáng sẽ đi như thế? Hiện tượng đó gọi là hiện tượng gì?
Vận dụng định luật khúc xạ ánh sáng (với n1 > n2 )
+Lần lượt xét các trường hợp của i:
-i nhỏ
- thì
Khảo sát đường đi của tia sáng truyền từ bán cầu nhựa (môi trường 1) sang môi trường không khí (môi trường 2); (n1 > n2)
- khi góc i nhỏ tia khúc xạ rất sáng, tia phản xạ rất mờ.
- tăng dần góc i , r cũng tăng, tia khúc xạ mờ dần, tia phản xạ sáng dần. Khi thì tia khúc xạ nằm sát mặt phân cách ( )
- khi i > igh, tia khúc xạ biến mất, tia phản xạ sáng như tia tới. Hiện tượng trên gọi là hiện tượng phản xạ toàn phần, igh gọi là góc giới hạn phản xạ toàn
phần. Với