skkn phân loại và cách giải baì tập thấu kính đơn

KINH NGHIỆM KHOA HỌC - Lĩnh vực chuyên môn có kinh nghiệm: Giảng dạy Số năm có kinh nghiệm: 14 - Các sáng kiến kinh nghiệm đã có trong 5 năm gần đây: + Phân loại và cách giải một số bài

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐỒNG NAI

Đơn vị Trường THPT Nguyễn Hữu Cảnh

Mã số: (Do HĐKH Sở GD&ĐT ghi)

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM PHÂN LOẠI VÀ CÁCH GIẢI MỘT SỐ BÀI TẬP VỀ THẤU KÍNH ĐƠN

Người thực hiện: Phạm Ngọc Anh

Có đính kèm: Các sản phẩm không thể hiện trong bản in SKKN

 Mô hình  Đĩa CD (DVD)  Phim ảnh  Hiện vật khác

(các phim, ảnh, sản phẩm phần mềm)

Năm học: 2013 - 2014

SƠ LƯỢC LÝ LỊCH KHOA HỌC

I THÔNG TIN CHUNG VỀ CÁ NHÂN

8 Nhiệm vụ được giao:

- Dạy Vật lý lớp 12A3, lớp 12A4, lớp 10A4, lớp 10A9

- Chuyên ngành đào tạo: Vật lý

II KINH NGHIỆM KHOA HỌC

- Lĩnh vực chuyên môn có kinh nghiệm: Giảng dạy

Số năm có kinh nghiệm: 14

- Các sáng kiến kinh nghiệm đã có trong 5 năm gần đây:

+ Phân loại và cách giải một số bài toán về quang sóng năm 2010 ( cùng

Nguyễn Trường Sơn, Nguyễn Thị Thùy Dương, Hà Tân Hòa )

+ Cách giải bài toán về chuyển động của một vật trên mặt phẳng nghiêng –

năm 2011

+ Phân loại và cách giải một số bài toán về giao thoa ánh sáng với khe Young (I- âng) năm 2012

BM02-LLKHSKKN

Phân loại dạng bài tập: cách giải và ví dụ kèm theo cho mỗi dạng bài tập về thấu kính đơn.

Một số bài tập luyện tập áp dụng các cách giải trên

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

PHÂN LOẠI VÀ CÁCH GIẢI MỘT SỐ BÀI TẬP VỀ THẤU KÍNH ĐƠN

TÓM TẮT NỘI DUNG

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI :

Môn Vật lý nghiên cứu những sự vật, hiện tượng xảy ra hàng ngày, có tính ứngdụng thực tiễn Mục tiêu giảng dạy Vật lý ở trường Trung học phổ thông nhằmcung cấp cho học sinh những kiến thức Vật lý cơ bản và nguyên tắc của những ứngdụng Vật lý trong sản xuất và đời sống; giúp các em lĩnh hội kiến thức có hiệu quả

và tạo cho các em sự hứng thú học tập môn Vật lý, lòng yêu thích khoa học, tínhtrung thực khoa học và sẵn sàng áp dụng những kiến thức Vật lý vào thực tế cuộcsống

Do thời gian trong mỗi tiết học lý thuyết có hạn nên học sinh cùng một lúcvừa quan sát hiện tượng vừa khái quát rồi ghi nhớ và vận dụng những kiến thứctiếp thu được để giải các bài tập Trong phân phối chương trình số tiết bài tập lạihơi ít nên đa phần các em chỉ tiếp thu được một phần lý thuyết mà không có điềukiện vận dụng luyện tập ngay tại lớp vì vậy khi gặp những bài tập đòi hỏi phải cósuy luận thì các em lúng túng không biết giải thế nào dần dần trở thụ động tronggiờ bài tập

Vậy phải làm thế nào để giúp học sinh vượt qua những khó khăn khi học và làmbài tập Vật lý? Có rất nhiều biện pháp được giáo viên sử dụng phối hợp nhằm tạo

ra hứng thú, khắc sâu kiến thức cho học sinh giúp các em học tốt môn Vật lý, biệnpháp không thể thiếu được trong quá trình giảng dạy đó là tổng hợp kiến thức đểphân loại các dạng bài tập trong từng chương, đồng thời hướng dẫn cách giải cụthể cho mỗi dạng bài Cách làm này giúp các em học sinh củng cố kiến thức và chủđộng tìm ra cách giải nhanh nhất, hiệu quả nhất khi làm bài tập

Xuất phát từ thực tế trên, với một số kinh nghiệm trong quá trình giảng dạy và

qua tham khảo một số tài liệu, tôi chọn đề tài “PHÂN LOẠI VÀ CÁCH GIẢI MỘT SỐ BÀI TẬP VỀ THẤU KÍNH ĐƠN” với mong muốn giúp các em học

sinh có thể có được những kiến thức cơ bản để giải được các bài toán về thấu kínhđơn nói riêng và giải được các bài toán về hệ thấu kính, các dụng cụ quang nóichung một cách chủ động nhất

II CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN

Bài tập về thấu kính đơn được đưa ra trong sách Bài tập Vật lý 12 (chương trìnhcải cách), sách giáo khoa Vật lý 11 ( bài 48 – chương trình nâng cao; bài 29 –chương trình chuẩn), sách Bài tập Vật lý 11 (chương trình chuẩn và nâng cao) và ởmột số sách tham khảo

Một số tài liệu tham khảo đưa ra bài toán dạng này:

- Một số phương pháp chọn lọc giải các bài toán vật lý sơ cấp – Vũ Thanh Khiết

- Tuyển tập các bài toán vật lý luyện thi 12 – đại học và cao đẳng – Lê Văn Thông

- Ôn thi đại học môn vật lý – Trần Trọng Hưng

Nhưng các các dạng bài tập cơ bản chưa tổng hợp, phân loại cụ thể mà thường là

đi sâu vào một vài dạng bài, ví dụ minh họa cho các dạng bài cụ thể chưa chi tiết

Số tiết bài tập vận dụng trên lớp thực hiện theo Phân phối chương trình khôngnhiều ( vế thấu kính đơn chỉ có 1 tiết ) nên học sinh không được luyện tập nhiềubài tập dạng này

Để hiểu và giải quyết các bài tập vế thấu kính một cách nhanh chóng yêu cầu họcsinh phải nắm vững các kiến thức về thấu kính, bao gồm đường đi của tia sáng quathấu kính, cách dựng hình, các công thức của thấu kính, cách nhận biết loại thấukính, tính chất vật ảnh cho bởi từng loại thấu kính Tuy nhiên qua thực tế giảngdạy, tôi nhận thấy đa số học sinh chỉ làm được các bài tập áp dụng công thức thấukính theo Sách giáo khoa, mà đôi khi còn nhầm dấu các đại lượng Theo kinhnghiệm bản thân: điều đầu tiên giáo viên phải làm là tạo thái độ và động cơ học tậpđúng đắn, tích cực cho học sinh, để có được điều này thì giáo viên phải giúp họcsinh nắm vững kiến thức cơ bản, biết phân loại và phương pháp giải bài tập phùhợp Nó chẳng những làm cho giờ học thêm sinh động, hấp dẫn, thu hút được sựchú ý của học sinh mà còn giúp học sinh có thể dễ dàng hơn trong việc tiếp thu vớicác kiến thức đã học Từ đó giúp cho việc kiểm tra đánh giá học sinh được thựchiện dễ dàng hơn và nhằm nâng cao chất lượng giảng dạy

Trong bài viết này tôi đưa ra cách phân loại một số dạng bài tập cơ bản về thấukính đơn ( chỉ xét với vật thật ) và ví dụ cho mỗi dạng bài cụ thể Tập trung vàocác dạng cơ bản sau:

1 Dạng 1: Bài toán vẽ đối với thấu kính Dạng 2: Bài toán xác định vị trí, tính chất và mối quan hệ giữa vật và ảnh

Dạng 3 Bài toán xác định tiêu cự của thấu kính Còn dạng 4: Bài toán về độ dời vật và độ dời ảnh qua thấu kính: tôi đã trình bày trong Sáng kiến kinh nghiệm PHÂN LOẠI VÀ CÁCH GIẢI MỘT SỐ BÀI TOÁN VỀ ĐỘ DỜI CỦA VẬT VÀ ĐỘ DỜI CỦA ẢNH QUA THẤU KÍNH viết năm 2008 nên không đưa vào trong bài viết này.

Nội dung những kinh nghiệm trình bày trong bài viết này tôi đã thực hiện trongquá trình giảng dạy lớp 11 và bồi dưỡng học sinh giỏi tại trường THPT NguyễnHữu Cảnh trong năm học 2011-2012 và 2012-2013 thấy chất lượng học tập của các

f > 0 với thấu kính hội tụ

f < 0 với thấu kính phân kì (|f| = OF = OF’)

- Khả năng hội tụ hay phân kì chùm tia sáng của thấu kính được đặc trưng bởi độ

tụ D xác định bởi:

) 1 1 )(

1 ( 1

2

1 R R n

n f

b Công thức thấu kính

* Công thức về vị trí ảnh - vật:

'

1 1 1

d d

f  

Với d là độ dài đại số của khoảng cách từ vật đến thấu kính

d’ là độ dài đại số của khoảng cách từ ảnh đến thấu kính

(k > 0: ảnh, vật cùng chiều; k < 0: ảnh, vật ngược chiều.)

( | k | > 1: ảnh cao hơn vật, | k | < 1: ảnh thấp hơn vật )

* Hệ quả:

f d

df d

* Khoảng cách ảnh – vật: L , với L = d + d’

2 Quan hệ giữa vật thật và ảnh qua thấu kính:

Ảnh thật ngược chiều vật thật, ảnh và vật nằm hai bên thấu kính; ảnh ảo cùngchiều với vật thật, ảnh và vật nằm cùng bên của thấu kính

Bảng tóm tắt các trường hợp tạo ảnh bởi thấu kính (chỉ xét đối với vật thật)

một khoảng bằng khoảngcách từ thấu kính đến vậtVật ở trong khoảng

Vật thật Ảnh ảo nhỏ hơn vật, gần thấu

Để khảo sát sự biến thiên của d’ theo d Ta có đạo hàm của d’ theo d:

1 Tia truyền thẳng từ vật đến ảnh cắt trục chính tại quang tâm O

2 Tia tới song song với trục chính thì tia ló đi qua tiêu điểm ảnh chính F’

3 Tia tới có phương qua tiêu điểm vật chính F thì tia ló song song với trục chính.

4 Tia tới song song với trục phụ thì tia ló có phương đi qua tiêu điểm ảnh phụ

F n ’

Ví dụ 1.1 Trong các hình sau đây xy là trục chính của thấu kính, ABC là

đường đi của một tia sáng qua thấu kính Hãy xác định:

a Loại thấu kính

b Quang tâm O và các tiêu điểm chính F và F’ bằng phép vẽ

GiảiTrường hợp 1:

a Do tia ló lệch về gần trục chính nên thấu kính

b Cách xác định quang tâm O và các tiêu điểm

chính F và F’ tương tự như ở trường hợp 1

- Kẻ BO  xy O chính là quang tâm của thấu kính

- Kẻ đường thẳng d//AB Giao điểm của d với BC chính là tiêu điểm ảnh phụ

F

d F

F d

F

Ví dụ 1.2 Trong các hình sau đây xy là trục chính của thấu kính, S là điểm

sáng, S’ là điểm ảnh của S Bằng phép vẽ hãy xác định tiêu điểm chính F và F’ Sau đó cho biết đó là thấu kính gì?

Giải

Từ đặc điểm đường đi của các tia sáng qua thấu kính, giả sử đã xác định được quang tâm và các tiêu điểm chính F và F’ thì:

- O, S, S’ thẳng hàng

- Điểm tới I ( của tia tới SI song song với trục chính ), F’ và F thẳng hàng

- F và F’ đối xứng nhau qua quang tâm O

+ Ta suy ra phép vẽ:

- Kẻ đường SS’ cắt đường xy tại O, đó là quang tâm

- Dựng thấu kính L qua O và vuông góc với trục chính xy

- Kẻ tia tới SI song song với xy Kẻ IS’cắt Sy tại F’, đó là tiêu điểm ảnh chính F’

- Lấy F đối xứng F’ qua O đó là tiêu điểm vật chính F

Dạng 2: Xác định vị trí, tính chất và mối quan hệ giữa vật và ảnh:

2.1 Xác định vị trí, tính chất và số phóng đại ảnh khi biết độ tụ hoặc tiêu cự thấu kính và vị trí vật:

'

F F

12 18

k B A d

f

f

18 12

Vậy ảnh là ảnh thật cao 2cm cách thấu kính 36cm

Ví dụ 2.1.2: Cho thấu kính phân kỳ có tiêu cự 10cm Vật sáng AB là một đoạn

thẳng đặt vuông góc trục chính của thấu kính, cách thấu kính 20cm Hãy xác định vị trí, tính chất ảnh và số phóng đại ảnh

Giải

0 3

20 10

20

) 10 (

20

Ví dụ 2.2.1 Một vật sáng AB= 7,5mm đặt thẳng góc với trục chính của một

thấu kính hội tụ tiêu cự f =20cm cho ảnh A’B’= 1,5cm Xác định vị trí của vật

và ảnh, ảnh đó là thật hay ảo

Giải

2 ' '

k d cm k

Vật cách thấu kính 10cm cho ảnh ảo cách thấu kính 20cm

Ví dụ 2 2.2 Một vật sáng AB đặt thẳng góc với trục chính của thấu kính phân

kỳ có tiêu cự bằng 12cm, cho ảnh cao bằng nửa vật Tìm vị trí của vật và ảnh

GiảiẢnh qua thấu kính phân kỳ nên f = -12cm, ảnh là ảnh ảo nên k 21

Vật cách thấu kính 12cm cho ảnh ảo cách thấu kính 6cm

2.3 Xác định vị trí vật và ảnh khi biết tiêu cự của thấu kính và khoảng cách ảnh – vật

Biết tiêu cự f của thấu kính và khoảng cách ảnh – vật là L , tìm d và d’

+ Trường hợp ảnh ảo qua thấu kính phân kỳ và thấu kính hội tụ, (1.3) luôn có nghiệm tức là luôn tìm được vị trí đặt thấu kính để thu được ảnh ảo cách vật một khoảng cho trước.

+ Trường hợp ảnh thật qua thấu kính hội tụ, (1.3) có nghiệm khi L 4f

- Khi L = 4f phương trình (1.3) có 1 nghiệm kép tức là có 1 vị trí đặt thấu kính

ở chính giữa vật và màn để thu được ảnh rõ ảnh rõ nét trên màn.

- Khi L > 4f phương trình (1.3) có 2 nghiệm phân biệt tức là có 2 vị trí đặt thấu kính trong khoảng giữa vật và màn để thu được ảnh rõ ảnh rõ nét trên màn

Ví dụ 2.3.1 Một vật sáng AB đặt thẳng góc với trục chính của một thấu kính

hội tụ tiêu cự 20cm có ảnh cách vật 90cm Xác định vị trí của vật, vị trí và tínhchất của ảnh

Giải2

'

'

d d L

d L d L f

d f d

cm d

cm d

cm d

d d

30 ' , 60

60 ' , 30 0

1800 90

2 2

1 1

85 , 106 '

, 85 , 16 0

1800 90

2 2

1 1

2

loai cm d

cm d

cm d

cm d

d d

Vậy:

- vật thật đặt cách thấu kính 30cm cho ảnh thật sau thấu kính, cách thấu kính 60cm

- vật thật đặt cách thấu kính 60cm cho ảnh thật sau thấu kính, cách thấu kính 30cm

- vật thật đặt cách thấu kính 16,85cm cho ảnh ảo trước thấu kính, cách thấu kính 106,85cm

Ví dụ 2 3.2 Vật phẳng nhỏ AB đặt vuông góc với trục chính của một thấu

kính phân kỳ tiêu cự bằng 24cm cho ảnh A’B’ cách vật 21,6cm Xác định vị trí của vật, vị trí và tính chất của ảnh

GiảiThấu kính phân kỳ nên f = -24cm vả L = 21,6cm

'

6 , 21

'

d f

4 , 14 ' , 36 0

4 , 518 6

, 21

2 2

1 1

2

loai cm d

cm d

cm d

cm d

d d

Vậy vật thật đặt cách thấu kính 36cm cho ảnh ảo trước thấu kính, cách thấu kính

Dạng 3 Xác định tiêu cự của thấu kính 3.1 Xác định độ tụ, tiêu cự thấu kính khi biết chiết suất và bán kính các mặt thấu kính

Biết bán kính R1, R2 của các mặt thấu kính và chiết suất thấu kính tính f, D

1 1 1

1

R R

n f D

Với n: chiết suất thấu kính ( chiết suất tỷ đối của chất làm thấu kính với môi trường

mt

tk n

n

R 1 và R 2 là bán kính các mặt thấu kính ( mặt cầu lồi R>0, mặt cầu lõm R<0, mặt phẳng R )

Ví dụ 3.1 (Ví dụ 3 trang 84/ Sách Ôn thi ĐH môn Vật lý - Trần Trọng Hưng)

Một thấu kính phẳng – lồi làm bằng thủy tinh chiết suất 1,5 Bán kính mặt lồi

là 10cm Tính tiêu cự thấu kính và cho biết khi đó thấu kính là thấu kính hội tụhay thấu kính phân kỳ trong các trường hợp sau:

a Thấu kính đặt ngoài không khí.

b Thấu kính đặt trong nước chiết suất n n 34

c Thấu kính đặt trong chất lỏng chiết suất n cl  1 , 7

1 1 1

1

R R

n n

f

1 , 0

1 1 5 ,

5,1

f

D 1 , 25 0 , 8

1 , 0

1 1 125 , 1

5 , 1

n n

m f

đp f

D 1 , 1765 0 , 85

1 , 0

1 1 17

Biết d và d’ tính f, D

Cách giải: D1f d d.d d''

Chú ý dấu của d và d’

Ví dụ 3.2.1 Vật phẳng nhỏ AB đặt vuông góc với trục chính của một thấu

kính, cách thấu kính 60cm cho A’B’ cùng chiều với vật cách thấu kính 36cm Hãy cho biết thấu kính loại gì? Xác định tiêu cự của thấu kính

GiảiẢnh cùng chiều với vật nên là ảnh ảo d’ < 0, ảnh ảo gần thấu kính hơn vật nên đây

là thấu kính phân kỳ

d= 60cm, d’ = - 36cm

d d

d d

36 60

36 60 '

'

Ví dụ 3.2.2 Vật phẳng nhỏ AB đặt vuông góc với trục chính của một thấu

kính, cách thấu kính 72cm cho A’B’ hứng được trên màn cách thấu kính

36cm Xác định tiêu cự của thấu kính

Giảid= 72cm, d’ = 36cm ( ảnh hứng được trên màn nên là ảnh thật d’ > 0)

cm d

d

d d

36 72

36 72 '

'

d d

d d f





Ví dụ 3.3 Vật phẳng nhỏ AB đặt vuông góc với trục chính của một thấu kính,

cách thấu kính 72cm cho A’B’ cao gấp 2 lần vật Xác định tiêu cự của thấukính

144 ' 72 2 72

cm d

d

d d

144 72

144 72 '

'

d

3.4 Xác định tiêu cự của thấu kính khi biết vị trí vật và khoảng cách ảnh đến vật

Ví dụ 3.4 Vật phẳng nhỏ đặt vuông góc với trục chính của một thấu kính phân

kỳ và ảnh của nó cách nhau 20cm, vật cách thấu kính 40cm Xác định tiêu cự của thấu kính

d d

20 40

20 40 '

'

3.5 Xác định tiêu cự của thấu kính bằng phương pháp Bessel

Ví dụ 3.5 (Ví dụ 2 trang 89/ Sách Ôn thi ĐH môn Vật lý - Trần Trọng Hưng)

Điểm sáng S và màn đặt cách nhau L = 100cm Giữa điểm sáng và màn ta dichuyển một thấu kính hội tụ sao cho trục chính của thấu kính luôn vuông gócvới màn Xác định tiêu cự của thấu kính trong hai trường hợp sau:

a Tìm được một vị trí duy nhất của thấu kính cho ảnh rõ nét trên màn

b Tìm được hai vị trí của thấu kính cho ảnh rõ nét trên màn và hai vị trí này cách nhau l = 40cm

L

L      



b Tìm được hai vị trí của thấu kính cho ảnh rõ nét trên màn thì phương trình (1.3)

có hai nghiệm phân biệt L2 4L.f 0 L 4f

) 4 (

2

1

f L L L

d

f L L L

4

2

2 

Công thức (2.5b) trở về công thức (2.5a) khi hai vị trí thấu kính trùng nhau l = 0

Theo biểu thức (2.5b) nếu xác định được L và l ta tính được tiêu cự của thấu kính hội tụ, đó là phương pháp Bessel

3.6 Xác định tiêu cự của thấu kính khi biết số phóng đại ảnh và khoảng cách ảnh đến vật

3.6.a Xác định tiêu cự của thấu kính khi biết số phóng đại ảnh và

'

'

k L k d k L d d

d

L

d k d

'

k

L k d

d

d d f

Ví dụ 3.6.a Vật sáng AB đặt song song và cách màn 1 khoảng 54cm, giữa vật

và màn, đặt 1 thấu kính sao cho thu được ảnh A’B’ hiện rõ trên màn và lớn

gấp 2 lần vật Hãy cho biết thấu kính trên là thấu kính loại gì? Tiêu cự của

thấu kính nói trên?

GiảiVật AB qua thấu kính cho ảnh hiện trên màn nên ảnh là ảnh thật qua thấu kính hộitụ

2 1

54 2 1

6

' '

B A

B A

Cách giải

k L d k d k d d k d d d

' '

1 2

1 1

1

1

1 1 1

Ví dụ 3.6.b (Bài 29.15/ tranh 79 sách BTVL 11 ) Vật phẳng nhỏ AB đặt trước

và song song với một màn, cách màn khoảng 100cm Đặt thấu kính hội tụ giữavật và màn, song song với vật và sao cho điểm A của vật trên trục chính Ta tìm được hai vị trí O1 và O2 của thấu kính tạo ảnh rõ nét của vật trên màn, ảnh này gấp 2,25 lần ảnh kia Tính tiêu cự của thấu kính