SKKN hướng dẫn học sinh lớp 12 giải bài tập cơ bản về sóng ánh sáng

HƯỚNG DẪN HỌC SINH LỚP 12 GIẢI BÀI TẬP CƠ BẢN VỀ SÓNG ÁNH SÁNG PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.. Qua nhiều năm giảng dạy 12 tôi đã suy nghĩ và đưa ra một số ý kiến sau: Trong sách giáo khoa và sách

Mục lục Trang

PHẦN I – ĐẶT VẤN ĐỀ……… 2

1 Lý do chọn đề tài… ……… ………… …… 2

2.Mục đích nghiên cứu… …… 2

3 Đối tượng nghiên cứu……… … … … 2

4 Giới hạn và phạm vi nghiên cứu……… ………… … 3

5 Nhiệm vụ nghiên cứu… ………… ……… … 3

6 Phương pháp nghiên cứu……… ……… … 3

7 Thời gian nghiên cứu… ………… …… … …. 3

PHẦN II - NỘI DUNG……… 4

I Cơ sở lý luận của vấn đề nghiên cứu … 4

II.Thực trạng vấn đề 4

III Các biện pháp gải quyết vấn đề 6

3.1 Sự tán sắc ánh sáng 6

3.2 Giao thoa ánh sáng 8

1 Dạng 1 Khoảng vân, bước sóng ánh sáng 8

2 Dạng 2 Xác định tại vị trí xM là vân sáng hay vân tối? Thứ (vân tối) 11

3 Dạng 3.Tần số và chu kì của áng sáng ở trong chân không, không khí 12

4 Dạng 4 Tìm số vân sáng, vân tối trên trường giao thoa 13

5 Dạng 5 Giao thoa với hai bức xạ đơn sắc 14

6 Dạng 6 Giao thoa với ánh sáng trắng 17

IV Hiệu quả của SKKN ……… 18

PHẦN III: KẾT LUẬN ……… 19

Tài liệu tham khảo……… …….…. 20

HƯỚNG DẪN HỌC SINH LỚP 12 GIẢI BÀI TẬP CƠ BẢN VỀ SÓNG ÁNH SÁNG

PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ

1 Lí do chọn đề tài :

Ánh sáng là một hiện tượng tự nhiên rất gần gũi và quen thuộc với tất cả mọi người

Nhưng với học sính lớp 12 khi học đến phần ánh sáng học sinh sẽ gặp tương đối nhiều dạng bài tập Mà quan trọng hơn cả bài tập phần sóng ánh sáng luôn chiếm 5 câu trong các đề thi

Khi làm bài tập các em hay lặp đi, lặp lại một số sai sót không đáng có Qua nhiều năm giảng dạy 12 tôi đã suy nghĩ và đưa ra một số ý kiến sau:

Trong sách giáo khoa và sách bài tập vật lý 12 đã có đủ các kiến thức chuẩn nhưng, nhưng để học sinh làm được các bài tập thông hiểu và vận dụng thì các em cần phải biết suy luận, cụ thể hoá kiến thức…

Đối với học sinh miền núi chưa có điều kiện có nhiều sách tham khảo cũng chưa có điều kiện bồi dưỡng thường xuyên, và với các em có học lực yếu, đặc biệt với các em khả năng tính toán còn nhiều hạn chế nhất là đổi đơn vị thì việc giải bài tập của các em sẽ gặp rất nhiêu khó khăn

Kiến thức ở Sách giáo khoa rất căn bản, tuy nhiên do hạn chế về suy luận nên khi gặp những bài tập đòi hỏi phải có suy luận thì các em lúng túng không biết làm thế nào? Để giúp học sinh có thể nắm bắt được các dạng bài tập có trong Sách giáo khoa và đề thi Tốt nghiệp, Cao Đẳng, Đại học nên tôi đã chọn

đề tài “ Hướng dẫn học sinh lớp 12 giải bài tập cơ bản về Sóng ánh sáng” để

làm đề tài cho bài nghiên cứu của mình với mong muốn các em sẽ nắm vững

hơn về các dạng bài tập của chương Sóng ánh sáng

2 Mục đích nghiên cứu:

Giúp học sinh có thêm kiến thức để làm quen với việc giải bài tập phần sóng ánh sáng, từ đó giải được các bài trong sách giáo khoa và sách bài tập, các dạng bài đơn giản trong kì thi tốt nghiệp, và một số dạng bài các em hay gặp trong các đề thi đại học và cao đẳng xắp tới

3 Đối tượng nghiên cứu:

Học sinh lớp 12A1,12A2, 12A4,12A5 Trường trung học phổ thông số

1 Mường Khương

4.Giới hạn và phạm vi nghiên cứu:

Phân loại và hướng dẫn học sinh làm bài tập Vật lí 12 chương V Sóng ánh sáng,

5 Nhiệm vụ nghiên cứu:

Trao đổi, cung cấp một số ý kiến riêng của cá nhân với đồng nghiệp về việc phân loại phương pháp làm các bài tập liên quan đến Sóng ánh sáng xuất hiện trong các đề thi Tốt nghiệp, Cao đẳng, Đại học gần đây

6 Phương pháp nghiên cứu :

Để hoàn thành đề tài này tôi chọn phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu:

+ Đọc các sách giáo khoa phổ thông, các sách đại học, sách tham khảo phần sóng ánh sáng

+ Có tham khảo ý kiến của các đồng nghiệp cùng chuyên ngành

- Phương pháp thống kê:

- Phương pháp phân tích và tổng hợp kinh nghiệm trong quá trình giảng dạy và thực tế đời sống

+ Phạm vi nghiên cứu đề tài này là trong phần chương V sóng ánh sáng của chương trình chuẩn lớp 12 hiện hành

7 Thời gian nghiên cứu:

- Đối với người viết: Đề tài đã được đầu từ thời gian từ đầu năm học 2012-2013

về việc chuẩn bị tài liệu, đọc, nghiên cứu, biên soạn đến việc áp dụng để kiểm tra tính hiệu quả của nó trong học kỳ II năm học 2013-2014

- Đối với người tham khảo đề tài: Cần phải có thời gian nhất định để tham

khảo sau đó vận dụng linh hoạt tuỳ vào điều kiện dạy học cụ thể và đối tượng học sinh và đặc biệt là phụ thuộc vào từng vùng , miền nơi địa bàn trường đóng

PHẦN II NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

I Cơ sở lý luận của vấn đề nghiên cứu :

Vật lý là một môn khoa học thực nghiệm, và là môn học mang tính đặc thù và tương đối khó đối với học sinh nhất là học sinh vùng miền núi đa số là con em nông thôn các dân tộc tiểu số em ít có điều kiện đọc sách tham khảo cũng như đầu tư về thời gian vào việc học tập

Bài tập vật lý đóng một vai trò hết sức quan trọng trong môn học Và việc hướng dẫn học sinh làm bài tập Vật lý là một hoạt động dạy học, một công việc khó khăn, ở đó bộc lộ rõ nhất trình độ của người giáo viên vật lý trong việc hướng dẫn hoạt động trí tuệ của học sinh, vì thế đòi hỏi người giáo viên phái đầu

tư nhiều thời gian để nghiên cứu và học sinh phải học tập và lao động không ngừng Bài tập Vật lý sẽ giúp học sinh hiểu sâu hơn những qui luật vật lý, những hiện tượng vật lý Thông qua các bài tập ở các dạng khác nhau tạo điều kiện cho học sinh vận dụng linh hoạt những kiến thức để tự lực giải quyết thành công những tình huống cụ thể khác nhau thì những kiến thức đó mới trở nên sâu sắc hoàn thiện và trở thành vốn riêng của học sinh Trong quá trình giải quyết các vấn đề, tình huống cụ thể do bài tập đề ra học sinh phải vận dụng các thao tác tư duy như so sánh phân tích, tổng hợp khái quát hoá để giải quyết vấn đề, từ đó

sẽ giúp giải quyết giúp phát triển tư duy và sáng tạo, óc tưởng tượng, tính độc lập trong suy nghĩ của học sinh

Trong việc giải bài tập điều quan trọng đối với học sinh là phải nắm vững

lý thuyết, hiểu rõ bản chất sự việc, và quan trọng hơn cả là các em phải nhớ và biết áp dụng công thức, sử dụng thành thạo máy tính và lưu ý đến đổi đơn vị

II Thực trạng vấn đề.

- Trường THPT số 1 Mường Khương có cơ sở vật chất phục vụ cho việc giảng dạy tốt, phòng học khang trang, sạch đẹp

- Trường THPT số 1 Mường Khương là một trường miền núi các em phần

đa là con em các dân tộc tiểu số nên đầu tuyển vào rất thấp, đa phần là học sinh

có học lực tương đối yếu, mất căn bản dẫn tới khi học các môn Khoa học thực nghiệm như môn Vật lí các em thường chán nản và học đối phó

- Trong chương V: Ánh sáng là một khái niệm khá quen thuộc đối với học sinh, tuy nhiên tính chất của ánh sáng thì các em lại khá mơ hồ, song bằng việc cho các em quan sát những thí nghiệm mô phỏng trên máy tính thì các em dần dần đã hình dung được các tính chất Sóng của ánh sáng

- Về kỹ năng học sinh: Do có học lực yếu việc nắm vững được những khái niệm, công thức tính như khoảng vân, bước sóng……đã là khó đối với các

em nên việc suy luận mở rộng để làm những bài tập trong các đề Tốt nghiệp, Cao đẳng, Đại học lại càng khó hơn Hơn nữa các em rất lúng túng khi đổi đơn

vị, và kĩ năng sử dụng máy tính cầm tay là chưa thành thạo… Trước thực trạng

đó tôi nhận thấy phải hướng dẫn các em trước hết phải nắm vững hiện tượng sau

đó là kiến thức căn bản trong sách giáo khoa cung cấp, sau đó từ từ đưa các dạng bài toán và ví dụ thực tế trong đề thi cho các em làm quen

- Trong quá trình giảng dạy môn Vật lí giáo viên thường sử dụng phương pháp chia nhóm để học sinh thảo luận và tìm ra kết quả cho câu hỏi và giáo viên thường kết luận đúng, sai và không hướng dẫn gì thêm, việc giảng dạy Vật lý nhất là bài tập vật lí như thế sẽ không đạt được kết quả cao, vì trong lớp các đối tượng học sinh khá rất ít phần lớn là đối tượng học sinh trung bình, yếu và kém nên khả năng tư duy của các em rất khác nhau, đối với học sinh yếu, kém hay trung bình không thể tư duy kịp và nhanh như học sinh khá, nên khi thảo luận các em chưa thể kịp hiểu ra vấn đề và nhất là khi thảo luận nhóm, giáo viên lại hạn chế thời gian hoặc thi xem nhóm nào đưa ra kết quả nhanh nhất thì thường các kết quả này là tư duy của các học sinh khá trong nhóm mà không có sự cộng tác của toàn bộ thành viên trong nhóm, vì thế nếu giáo viên không chú trọng đến việc hướng dẫn học sinh phương pháp giải bài tập Vật lí thì học sinh sẽ đoán mò không nắm vững được kiến thức trong chương Do vậy tôi sẽ đưa ra các dạng bài tập, ôn lại các kiến thức cũ có liên quan và tự mỗi học sinh phải tự làm theo

sự hướng dẫn

III Các biện pháp giải quyết vấn đề

• Để làm bài hiệu quả đầu tiên phải nhắc lại cách đổi đơn vị

Đơn vị đo:

m mm µm nm pm

Đổi theo chiều mũi tên, cứ qua một dấu nhân thì ta phải nhân một lượng 10 mũ tương ứng

Ví dụ:

3

2m= × 2 10 mm

6 1,5m= 1,5 10 × µm(từ m→µmqua 2 lần nhân)

3 0,76µm= 0,76 10 × − mm

CÁC DẠNG BÀI CƠ BẢN

3.1 Sự tán sắc ánh sáng

1.Công thức về lăng kính

sini1 = nsinr1

sini2 = nsinr2

A = r1 + r2

D = i1 + i2 - A

Khi góc i và A nhỏ

i1 = nr1

i2 = nr2

A = r1 + r2

D = ( n – 1 )A

2 Góc lệch cực tiểu : D = D min

Khi i1 = i2 = i và r1 = r2 = r = A2

Ta có : Dmin = 2i –A; sini = nsinA2 ; sin( Dmin + A ) = nsin A2

Sau khi quan sát thí nghiệm học sinh hiểu thêm một vấn đề : Chùm sáng sau khi

đi qua lăng kính không những chúng bị lệch về phía đáy lăng kính mà chúng còn

bị trải dài thành một dải mau sặc sỡ mà ta gọi đó là hiện tượng tán sắc ánh sáng

Chùm sáng màu đỏ lệch ít nhất

Mặt Trời

G

A

P

M

F’

Đỏ

Da cam Vng Lục Lam Chm Tím

X 10 3

X 10 -3

X 10 -3

Chùm sáng màu tím lệch nhiều nhất

3 Nguyên nhân của hiện tượng tán sắc :

Do chiết suất của chất làm lăng kính đối với các ánh sáng đơn sắc khác nhau thì khác nhau Cụ thể đối với một khối chất trong suốt thì:

nđỏ<ncam<nvàng<nlục<nlam<nchàm<ntím Dđỏ<Dcam<Dvàng<Dlục<Dlam<Dchàm<Dtím

λđỏ>λcam>λvàng>λlục>λlam>λchàm>λtím

Ví dụ 1: Chiếu một chùm tia sáng trắng ( coi như một tia) vào mặt bên của một

lăng kính có góc chiết quang A = 90 Cho biết chiết suất của lăng kính ứng với ánh sáng màu đỏ là nđ = 1,5 ;với ánh sáng tím nt = 1,54.Tính góc tạo bởi tia ló màu đỏ và tia ló màu tím khi ra khỏi lăng kính

Giải : Vì góc tới i1 rất nhỏ ta có :

i1 = nr1 i2 = nr2 A = r1+ r2 D = i1+i2 –A = (n-1)A

Góc lệch đối với tia đỏ : Dđ = (nđ-1) A

Góc lệch đối với tia tím: Dt = (nt -1) A

Góc lệch giữa chùm tia ló màu đỏ và tia ló màu tím là:

∆ =D Dt −Dd = nt −n Ad = ( 1,54 -1,5).90 = 0,360

Ví dụ 2: Một thấu kính mỏng có hai mặt lồi có cùng bán kính R = 50cm Thấu

kính làm bằng thuỷ tinh có chiết suất đối với tia đỏ là nd = 1,5 và đối với tia tím là

nt = 1,54 Hãy tính khoảng cách giữa tiêu điểm Fd ứng với ánh sáng đỏ và tiêu điểm Ft ứng với ánh sáng tím

Giải: Vì chiết suất của thuỷ tinh đối với ánh sáng đỏ khác chiết suất của nó đối

với ánh sáng tím nên theo công thức quang hình và do đó tiêu cự của thấu kính ứng với ánh sáng đỏ fdvà đối với ánh sáng tím ft sẽ khác nhau

2( 1)

d

n

−

2( 1) 2(2,5 1)

d

d

R

n

2( 1)

t

n

−

2( 1) 2(1, 45 1)

t t

R

n

Khoảng cách giữa tiêu điểm ứng với tia đỏ và tiêu điểm ứng với tia tím là:

FdFt = fd - ft = 50 - 48,92 = 1,08cm

3.2 Giao thoa ánh sáng

1 Hiệu đường đi (hiệu quang trình): 2 1

ax

d d

D

− =

2 Vị trí vân:

a Vị trí vân sáng:

λ

xs k

a với k 0; 1; 2; 3 = ± ± ±

k = 0: vân sáng trung tâm

k =±1 : vân sáng bậc một (đối xứng qua vân trung tâm)

k =±2 : vân sáng bậc hai …………

b Vị trí vân tối :

λ

= + 

D

xt k '

a

1

2 với k ' 0; 1; 2; 3 = ± ± ±

k’ = 0 ; k’ = -1 Vân tối thứ nhất (đối xứng qua vân sáng trung tâm)

k’ = 1; k’ = -2 Vân tối bậc hai

c Khoảng vân: Khoảng cách giữa hai vân sáng (hoặc hai vân tối) liên tiếp

i = λD

a

Hệ quả : xs= ki ; xt =(k '+1 i)

2

Cách xác định vị trí vân sáng, vân tối, tính khoảng vân, bước sóng ánh sáng , tìm

số vân, tính khoảng cách giữa các vân sáng (tôi)…

* Dạng 1.

Khoảng vân, bước sóng ánh sáng :

Áp dụng công thức tính khoảng vân : λ

i a

Khoảng cách giữa n vân sáng (tối) liên tiếp: l = − (n 1)i suy ra

1

l i n

=

−

Suy ra từ công thức tính khoảng vân: λ = ia

D

A

B O

M

F1

F2

H

x D

d1

d2 I

a

Trong đó: a là khoảng cách giữa hai khe sáng (mm).

D là khoảng cách từ hai khe đến màn (m)

λ là bước sóng của ánh sáng dùng trong thí nghiệm (µ m)

Trong công thức chúng ta dễ nhận thấy trong thí nghiệm giao thoa Y-âng của ánh sáng đơn sắc thì khoảng vân i phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng làm thí nghiệm λ, khoảng cách từ hai khe tới màn D, khoảng cách của hai khe sáng a

Cụ thể: i ~ λ, D i ~ 1

a

b Vị trí vân :

a Vân sáng : = λD =

xs k ki

a k 0; 1; 2; 3 = ± ± ±

b Vân tối : = + λ = + 

D

a

2 2 k ' 0; 1; 2; 3 = ± ± ±

Ví dụ 1: (Tốt Nghiệp 2009)

Trong thí nghiệm Y-âng về giao thoa ánh sáng, khoảng cách giữa hai khe

là 1mm, khoảng cách từ mặt phẳng chứa hai khe đến màn quan sát là 2m, bước sóng của ánh sáng đơn sắc chiếu đến hai khe là 0,55µm Hệ vân trên màn có

khoảng vân là:

Giải:

Ta có λ= 0,55 =µm= 0,55 10 × − 3mm, 3

2 2 10

D= m= × mm , a= 1mm

Vậy

0,55 10 2 10

1,1 1

D

a

Ví dụ 2 : (Tốt nghiệp năm 2009) Trong thí nghiệm Y-âng về giao thoa ánh

sáng, khi dùng ánh sáng đơn sắc có bước sóng 0,4µm thì khoảng vân đo được

trên màn là 0,2mm Nếu dùng ánh sáng đơn sắc có bước sóng 0,6µm mà vẫn

giữ nguyên khoảng cách giữa hai khe và từ hai khe tới màn thì khoảng vân là :

Giải : Dễ nhận thấy từ công thức i D

a

λ

= nếu a, D giữ nguyên thì khoảng

vân tỉ lệ thận

với bước sóng Vậy bước sóng tăng từ 0,4µm lên 0,6µm tức là tăng lên 1,5 lần,

tương ứng khoảng vân cũng tăng lên 1,5 lần : 1,5.0,2 = 0,3mm

⇒ Đáp án D

bởi ánh sáng có bước sóng λ =0,54 m Biết khoảng cách giữa hai khe là µ

a = 1,35 mm Khoảng cách từ hai khe đến màn là D = 1m

a Tính khoảng vân?

b Xác định vị trí vân sáng bậc 5 và vân tối thứ 5?

Giải:

Trong thí nghiệm I-âng về giao thoa ánh sáng đơn sắc, khoảng vân cỡ mm

do vậy ta nên đổi λ, a, D về mm:

3 0,54 m 0,54.10 mm

a Từ công thức tính khoảng vân ta có:

3 3 0,54 10 10

0, 4 1,35

D

a

b - Vị trí vân sáng bậc 5 ứng với k=±5: x s(5) = ± = ± × 5i 5 0, 4 = ± 2mm

- Vị trí vân tối thứ 5 ứng k’=4,k= -5: x t(5) = ± 4,5i= ± 1,8mm

Ví dụ 4 : Trong thí nghiệm Y-âng về giao thoa ánh sáng đơn sắc có bước sóng

600 nm, khoảng cách hai khe là a = 1,5 mm, khoảng cách D = 3 m Khoảng cách giữa một vân sáng và một vân tối liên tiếp là:

Giải:

600nm 600.10 mm 6.10 mm

Khoảng cách giữa hai vân sáng (vân tôi) liên tiếp là một khoảng vân vậy khoảng

cách giữa một vân sáng, một vân tối liện tiếp là

2

i

Nên ta có:

6.10 3.10

0,6

2 2 2.1,5

i D

mm a

Ví dụ 5 : (ĐH 2007)

Trong thí nghiệm Iang về giao thoa ánh sáng đơn sắc hai khe hẹp cách nhau

1mm, mặt phẳng chứa 2 khe cách màn quan sát 1,5m Khoảng cách giữa 5 vân sáng liên tiếp là 3,6mm Bước sóng ánh sáng dùng trong thí nghiệm là

A 0,40µm B 0,76µm C 0,48µm D 0.60µm

Giải : Khoảng cách giữa 5 vân sáng liên tiếp là 4 khoảng

4i = 3,6mm nên i = 0,9 mm

a = 1mm D = 1,5m = 1,5.103mm

Mà λ = ia

0,9.1 1,5.10

4 3

0,9.1

6.10 1,5.10 = mm = 0,6mm ⇒ Vậy đáp án D

Dạng 2 Xác định tại vị trí x M là vân sáng hay vân tối? Thứ (vân tối),

bậc (vân sáng)?

Ta có : xM =

k i

bởi ánh sáng có bước sóng λ =0,5 m Biết khoảng cách giữa hai khe là a = 0,5µ

mm Khoảng cách từ hai khe đến màn là D = 2m

a Tính khoảng vân

b M1, M2 lần lượt cách vân sáng trung tâm là 7mm, 10mm là vân sáng hay vân tối bậc mấy

Giải: a) Tính i

3 0,5 m 0,5.10 mm

2 2.10

D = m= mm

Khoảng vân λ

i

a = 2mm

b) M1, M2 là vân sáng hay vân tối bậc mấy:

Tại M1 lập tỉ số 7 3,5 3 0,5

2

M X

i = = = + Vậy tại M1 là vân tối thứ 4 Tại M2 lập tỉ số 10 5

2

M X

i = = Vậy tại M2 là vân sáng bậc 5

Ví dụ 2: Trong thí nghiệm Y-âng về giao thoa ánh sáng, khoảng cách giữa hai

k : tại M có vân sáng bậc k

k + 0,5 : Tại M có vân tối thứ (k+1)

k: số nguyên