Công thức đặc trưng của hiện tượng khúc xạ, còn gọi là định luật Snell hay định luật khúc xạ ánh sáng có dạng: với: • i là góc giữa tia sáng đi từ môi trường 1 tới mặt phẳng phân cách và
Trang 1MINH HỌA CÁC CHUYÊN ĐỀ DẠY HỌC MÔN VẬT LÍ
Chuyên đề : KHÚC XẠ ÁNH SÁNG I) Xác định vấn đề cần giải quyết của chuyên đề
Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng quan trọng có nhiều ứng dụng Khúc
xạ hay chiết xạ là thuật ngữ thường dùng để chỉ hiện tượng ánh sáng đổi hướng khi
đi qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt có chiết suất khác nhau
Mở rộng ra, đây là hiện tượng đổi hướng đường đi của bức xạ điện từ, haycác sóng nói chung, khi lan truyền trong môi trường không đồng nhất
Hiện tượng khúc xạ được giải thích lần đầu tiên thành công trong lịch sử thếgiới bởi lý thuyết sóng ánh sáng của Christiaan Huygens vào thế kỷ 17
Công thức đặc trưng của hiện tượng khúc xạ, còn gọi là định luật Snell hay định luật khúc xạ ánh sáng có dạng:
với:
• i là góc giữa tia sáng đi từ môi trường 1 tới mặt phẳng phân cách và pháptuyến của mặt phẳng phân cách hai môi trường
• r là góc giữa tia sáng đi từ mặt phân cách ra môi trường 2 và pháp tuyến của
mặt phẳng phân cách hai môi trường
• n1 là chiết suất môi trường 1
• n2 là chiết suất môi trường 2
Theo định luật Snell, chiết suất có thể được tính bằng tỉ số giữa sin của góc tới vàsin của góc khúc xạ, biểu hiện mức độ gãy khúc của tia sáng (hay bức xạ điện từnói chung) khi chuyển từ một môi trường vật chất này sang một môi trường vậtchất khác
Tỉ số không thay đổi, phụ thuộc vào bản chất của hai môi trường được gọi làchiết suất tỉ đối của môi trường chứa tia khúc xạ (môi trường 2) đối với môitrường chứa tia tới (môi trường 1) Nếu tỉ số này lớn hơn 1 thì góc khúc xạ nhỏhơn góc tới, ta nói môi trường 2 chiết quang hơn môi trường 1 Ngược lại nếu tỉ
số này nhỏ hơn 1 thì góc khúc xạ lớn hơn góc tới, ta nói môi trường 2 chiết quangkém môi trường 1
Lưu ý: Trong trường hợp tỉ số , để xảy ra hiện tượng khúc xạ thì góc tới
phải nhỏ hơn góc giới hạn:
,
nếu nó lớn hơn góc giới hạn, thì sẽ không có tia khúc xạ, thay vào đó sẽ xảy ra
hiện tượng phản xạ toàn phần
Trang 2Trong chuyên đề này, chúng ta sẽ nghiên cứu đầy đủ hơn về khúc xạ, đồng thờitìm hiểu thêm một hiện tượng có liên quan: hiện tượng phản xạ toàn phần Với thờilượng trình bày và cách làm như hiện nay sẽ không tạo điều kiện để học sinh (HS)chiếm lĩnh kiến thức một cách vững chắc và đặc biệt rất khó để tổ chức các hoạt độngnhằm phát triển năng lực của HS Dưới đây nêu ví dụ việc xây dựng chuyên đề dạy
học về "Khúc xạ ánh sáng" trong đó sử dụng thời gian của hai tiết lí thuyết trên lớp
và thời gian của hai tiết bài tập để tổ chức báo cáo, thảo luận về kiến thức Đặc biệt,các thí nghiệm nghiên cứu được HS thực hiện ở nhà (do thiết bị dễ kiếm) sẽ góp phầntốt trong việc phát triển các năng lực của HS
Kiến thức trong chuyên đề được tổ chức dạy học trong các tiết:
Nhận biết, thông hiểu:
Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới (tạo bởi tia tới và pháp tuyến của mặt phân cáchtại điểm tới) và ở phía 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 : sinisinr= hằng số
Vận dụng:
Biết tính chiết suất, góc tới, góc khúc xạ trong các hệ thức của định luật khúc xạ
Nhận biết, thông hiểu:
• Tỉ số sini
sinr gọi là chiết suất tỉ đối n21 của môi trường 2 (chứa tia khúc xạ) đối với môitrường 1 (chứa tia tới) : sinrsini = n21
- Nếu n21 > 1 thì r < i : Tia khúc xạ bị lệch lại gần pháp tuyến hơn Ta nói, môi trường
2 chiết quang hơn môi trường 1
- Nếu n21 < 1 thì r > i : Tia khúc xạ bị lệch xa pháp tuyến hơn Ta nói, môi trường 2chiết quang kém môi trường 1
• Chiết suất tuyệt đối (thường gọi tắt là chiết suất) của một môi trường là chiết suất tỉđối của môi trường đó đối với chân không
• Tính thuận nghịch của sự truyền ánh sáng : ánh sáng truyền đi theo đường nào thìcũng truyền ngược lại được theo đường đó
• Theo định luật khúc xạ ánh sáng, nếu ánh sáng truyền từ môi trường 1 sang môitrường 2 với góc tới i và góc khúc xạ là r thì khi ánh sáng truyền từ môi trường 2sang môi trường 1 với góc tới r thì góc khúc xạ sẽ bằng i
Nhận biết, thông hiểu:
• Mô tả thí nghiệm về hiện tượng phản xạ toàn phần :
Cho một chùm sáng hẹp truyền từ khối nhựa trong suốt hình trụ vào không khí ápdụng định luật khúc xạ ánh sáng suy ra r > i
Trang 3Chùm tia khúc xạ lệch xa pháp tuyến hơn so với chùm tia tới Khi i tăng thì r cũngtăng.
- Nếu r đạt giá trị cực đại 900 thì cường độ tia khúc xạ bằng không, khi đó i đạt giá trịigh gọi là góc giới hạn phản xạ toàn phần, còn gọi là góc tới hạn, có gh 2
1
n sini
n
=
- Khi i > igh, không có tia khúc xạ, toàn bộ ánh sáng bị phản xạ ở mặt phân cách Đó
là hiện tượng phản xạ toàn phần
Phản xạ toàn phần là hiện tượng phản xạ của toàn bộ ánh sáng tới, xảy ra ở mặt phâncách giữa hai môi trường trong suốt
• Điều kiện xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần :
- Ánh sáng truyền từ một môi trường tới mặt phân cách với môi trường kém chiếtquang hơn (n2 < n1)
- Góc tới lớn hơn hoặc bằng góc giới hạn phản xạ toàn phần (i ≥ igh)
Nhận biết, thông hiểu:
• Sợi quang có lõi làm bằng thuỷ tinh hoặc chất dẻo trong suốt có chiết suất n1, đượcbao quanh bằng một lớp vỏ có chiết suất n2 nhỏ hơn n1
Một tia sáng truyền vào từ một đầu của sợi quang Trong sợi quang, tia sáng bị phản
xạ toàn phần nhiều lần tại mặt tiếp xúc giữa lõi và vỏ, và ló ra đầu kia Sau nhiều lầnphản xạ như vậy, tia sáng được dẫn qua sợi quang mà cường độ sáng bị giảm khôngđáng kể
Nhiều sợi quang ghép với nhau thành bó, các bó được ghép và hàn nối với nhau tạothành cáp quang
- Phát biểu được định luật khúc xạ ánh sáng và viết được hệ thức của định luật này
- Nêu được chiết suất tuyệt đối, chiết suất tỉ đối là gì
- Nêu được tính chất thuận nghịch của sự truyền ánh sáng và chỉ ra sự thể hiện tínhchất này ở định luật khúc xạ ánh sáng
- Mô tả được hiện tượng phản xạ toàn phần và nêu được điều kiện xảy ra hiện tượngnày
- Mô tả được sự truyền ánh sáng trong cáp quang và nêu được ví dụ về ứng dụng củacáp quang
b Kĩ năng:
- Tiến hành được các thí nghiệm theo kế hoạch đã đề ra.
- Vận dụng được hệ thức của định luật khúc xạ ánh sáng
- Vận dụng được công thức tính góc giới hạn phản xạ toàn phần
Trang 4c Thái độ (giá trị)
- Tự tin đưa ra các ý kiến cá nhân khi thực hiện các nhiệm vụ ở lớp, ở nhà.
- Chủ động trao đổi, thảo luận với các HS khác và với GV.
- Hợp tác chặt chẽ với các bạn khi thực hiện các nhiệm vụ nghiên cứu, thí nghiệm ở
nhà
d Định hướng các năng lực được hình thành
* Năng lực sử dụng kiến thức: Sử dụng được kiến thức vào việc giải các bàitoán có liên quan đến khúc xạ ánh sáng hoặc các bài toán có liên quan đến thực tiễn
* Năng lực phương pháp: Đề xuất được và làm được thí nghiệm hình 26.3trang 163 sgk và đưa ra được kết quả đo góc tới i và góc khúc xạ r tương ứng trongthí nghiệm Từ đó vẽ được đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của góc r vào góc i , của sinrvào sini ; đề xuất được các dụng cụ thí nghiệm và cách bố trí hợp lí; đưa ra được kếhoạch làm thí nghiệm với các dụng cụ đã xây dựng; thực hiện được các thí nghiệmtheo kế hoạch đã đề xuất để kiểm tra các giả thuyết đã nêu về khúc xạ ánh sáng
* Năng lực trao đổi thông tin: Thực hiện các trao đổi, thảo luận với bạn để thựchiện nhiệm vụ
* Năng lực cá thể: Kết hợp được các kiến thức trong việc giải các bài toán vềkhúc xạ ánh sáng, sử dụng kiến thức đã học vào lí giải hoặc vận dụng ở các tìnhhuống thực tiễn
Những năng lực thành phần của năng lực chuyên biệt môn Vật lí có thể phát triểncho học sinh trong dạy học chuyên đề “Khúc xạ ánh sáng” Vật lí 11 được liệt kê dướibảng sau:
tượng, đại lượng, định
luật, nguyên lí vật lí cơ
bản, các phép đo, các
hằng số vật lí
- Trả lời được câu hỏi: Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là gì?
- Nhận ra được trường hợp giới hạn i = 00
- Phát biểu được định luật khúc xạ ánh sáng
K2: Trình bày được mối
quan hệ giữa các kiến
thức vật lí
- Trình bày được các khái niệm chiết suất tuyệt đối và chiết suất tỉ đối Viết được hệ thức giữa chiết suất tỉ đối và chiết suất tuyệt đối
- Viết và vận dụng được công thức của định luật khúc xạ ánh sáng
Trang 5trong tự nhiên liên quan đến khúc xạ ánh sáng.
- Giải được các bài toán có liên hệ nhiều phầnkiến thức và gắn với thực tiễn: xác định vị tríthật của con cá dưới nước, hòn sỏi dưới đáysuối, tính chiều sâu của nước
-Thu thập, đánh giá, lựa chọn và xử lí thông tin
từ các nguồn khác nhau: đọc sách giáo khoa Vật
lí, sách tham khảo, báo chí, các thông tin khoahọc, Google trên Internet… để tìm hiểu về cácvấn đề liên quan đến sự khúc xạ ánh sáng vàphản xạ toàn phần
kiện lí tưởng của hiện
tượng vật lí Lưu ý: Trong trường hợp tỉ số hiện tượng khúc xạ thì góc tới phải nhỏ hơn góc, để xảy ra
giới hạn:
,
nếu nó lớn hơn góc giới hạn, thì sẽ không có tia
khúc xạ, thay vào đó sẽ xảy ra hiện tượng phản
Trang 6quả có thể kiểm tra
- Lựa chọn được các vật dụng trong đời sống đểthực hiện được thí nghiệm
- Lắp ráp được thí nghiệm kiểm tra giả thuyết vềmối liên hệ trên
- Tiến hành xử lí kết quả thí nghiệm kiểm tra giảthuyết trên và rút ra nhận xét
- Nhắc lại kiến thức thu được ở lớp 9
- Khảo sát hai đồ thị (r theo i) và ( sinr theo sini)
để suy ra kết luận dẫn dến định luật
X2: Phân biệt được
X3: Lựa chọn, đánh giá
được các nguồn thông
tin khác nhau
- So sánh những nhận xét từ kết quả thí nghiệmcủa nhóm mình với các nhóm khác và kết luận ởbảng 26.1 trang 163 và kết quả ở bảng trang 168sách giáo khoa Vật lí 11
X4: Mô tả được cấu tạo Hiểu được cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của
Trang 7- Ghi chép các nội dung hoạt động nhóm.
- Biểu diễn kết quả thí nghiệm dưới dạng bảngbiểu
quả công việc của mình
X8: Tham gia hoạt động
nhóm trong học tập vật
lí
Phân công công việc hợp lí để đạt hiệu quả caonhất khi thực hiện các nhiệm vụ: Chọn vật liệu,người làm thí nghiệm, người xử lí số liệu hoặcngười báo cáo
Trang 8Quan điểm của các tác giả sgk là:
- Đây là trường hợp giới hạn, do đó có thể coi làvẫn còn tia khúc xạ (để tính sinigh) mà cũng cóthể coi là bắt đầu có phản xạ toàn phần
- Hơn nữa, đây là một giá trị thuần túy lí thuyết
Ở thí nghiệm trên lớp, thực tế khi tăng dần góc i
ta sẽ thấy tia sáng chuyển đột ngột từ tia khúc
xạ sang phản xạ toàn phần và rất khó tạo tìnhhuống i lân cận igh
công nghệ hiện đại
Cảnh báo về việc sử dụng điện, đèn Laze bándẫn, về loại cáp dùng tạo ảnh nội soi trong ykhoa, nhiều yêu cầu kĩ thuật được đặt ra
2 Chuẩn bị của giáo viên và học sinh
Trang 9không đổi trong hiện tượng khúc xạ được gọi là gì? (K1, K3, P1, P3)
P2 Biện luận các trường hợp n21 > 1, n21 < 1? (P3, P9)
P3 Chiết suất tuyệt đối (n) của môi trường là gì? (P3, X8)
P4 Viết hệ thức liên hệ giữa chiết suất tỉ đối và chiết suất tuyệt đối? (K2, P5, X7)
IV Phiếu học tập 4(PHT4): Tìm hiểu tính thuận nghịch của sự truyền ánh sáng.
P1 Nếu đảo chiều, cho ánh sáng truyền từ nước ra không khí (ở thí nghiệm 26.2) theo tia RI thì tia khúc xạ là tia nào? (K4, P1, X8)
P2 Thế nào là tính thuận nghịch của sự truyền ánh sáng? (K1, K3, X7)
P3 Chứng tỏ:
21 12
1
n
n = ? (K3, K4, P5)
Hệ thống câu hỏi chuẩn bị ở nhà của hiện tượng phản xạ toàn phần
I Phiếu học tập 1(PHT1): Tìm hiểu sự truyền ánh sáng vào môi trường chiết quang kém hơn(n 1 >n 2 ).
P1 Tại sao ở mặt cong của bán trụ (h27.1), chùm tia tới truyền theo phương bán kính lại truyền thẳng? (K3, K4, P5, X8)
P2 Thay đổi độ nghiêng của chùm tia tới (thay đổi góc tới i tăng dần) và quan sát chùm tia khúc xạ ra không khí Hãy rút ra nhận xét? (X5, X6, X7, X8)
P3 Khi nào thì không còn tia khúc xạ ra không khí? ( P1, P2)
II Phiếu học tập 2(PHT2): Tìm hiểu hiện tượng phản xạ toàn phần.
P1 Định nghĩa hiện tượng phản xạ toàn phần? (K1)
Trang 10P2 Điều kiện để có phản xạ toàn phần? (K4, P6)
P3 Về hiện tượng phản xạ toàn phần, có nhiều ý kiến xung quanh giá trị i = igh Khi
đó còn có khúc xạ hay không? (X8, C3)
P4 So sánh phản xạ toàn phần với phản xạ thông thường (K2, P2, X8)
● tia sáng đổi phương đột ngột và trở lại môi trường cũ
● Cả hai hiện tượng đều tuân theo với định luật phản xạphản xạ ánh sáng
kiện:
* n2 < n1;
* i ≥ igh
- Nếu bỏ qua sự hấp thụánh sáng thì ở htpxtp tiaphản xạ sáng như tia tới
- Xảy ra dưới góc tới bất
kỳ, không cần thêm điềukiện gì
- Nếu bỏ qua sự hấp thụánh sáng, tia phản xạ ánhsáng thì ở đây dù sao cũngyếu hơn tia tia tới
III Phiếu học tập 3(PHT3): Tìm hiểu những ứng dụng của hiện tượng phản xạ toàn phần.
P1 Cáp quang là gì? (K1)
P2 Hãy cho biết cấu tạo của cáp quang? (X4)
P3 Nêu một vài ứng dụng của cáp quang? (K3, X1)
P4 Giải thích tại sao kim cương và pha lê sáng lóng lánh? (X2, C5_
P5 Người ta tạo ra nhiều mặt cho kim cương hay các vật bằng pha lê để làm gì? (C4)
IV Tiến trình dạy học
K1, K3, P2, P3,X8
Trang 112 Thực hiện
nhiệm vụ học
tập
Học sinh làm việc theo nhóm
3 Báo cáo kết quả
và thào luận
HS cử đại diện trả lời: Do có hiện tượng khúc xạ ánh sáng ta thấy thìa trong cốc như bị gãy ở mặt nước.
Hoạt động 2 Tìm hiểu định luật khúc xạ ánh sáng (bằng con đường khảo sát thực nghiệm)
- Nhắc lại kết luận thu được ở lớp 9
- Khảo sát hai đồ thị (r theo i) và(sinr theo sini) để suy ra kết luậndẫn đến định luật
K1, K2, K3, P1,P3, P5, X6
Trang 122 Thực hiện
nhiệm vụ học
tập
- Học sinh làm việc theo nhóm để
đo góc tới i và góc khúc xạ r tươngứng
- Hs vẽ đồ thị biểu diễn sự phụthuộc của góc r vào góc i
- Hs vẽ đồ thị biểu diễn sự phụthuộc của góc sinr vào góc sini
3 Báo cáo kết quả
Hoạt động 3: Tìm hiểu chiết suất của môi trường
2 Thực hiện
nhiệm vụ học
tập
Học sinh làm việc theo nhóm
3 Báo cáo kết quả
và thào luận Tỉ số r =
i
sin
sin
không đổi trong hiện
tượng khúc xạ được gọi là chiết suất tỉ đối n 21 của môi trường (2)(chứa tia khúc xạ) đối với môitrường (1) (chứa tia tới)
Trang 13Hoạt động 4 Tìm hiểu tính thuận nghịch của sự truyền ánh sáng
Học sinh làm việc theo nhóm
3 Báo cáo kết quả
Ví dụ: Khi chiếu một tia sáng từ không khí vào một bản trong suốt có chiết suất
3
n= dưới một góc tới i = 600 Tính :
a) Góc khúc xạ r
b) Góc hợp bởi phương của tia tới và
phương của tia khúc xạ
2
n sin 1.sin 60 1
2 3
i n
1 Câu 1 Chiết suất tuyệt đối của một môi trường
truyền ánh sáng
A luôn lớn hơn 1 B luôn nhỏ hơn 1
C luôn bằng 1 D luôn lớn hơn 0
Trang 142 Câu 2 Phát biểu nào sau đây là đúng?
A Chiết suất tỉ đối của môi trường chiết quang
nhiều so với môi trường chiết quang ít thì nhỏ
hơn đơn vị
B Môi trường chiết quang kém có chiết suất
tuyệt đối nhỏ hơn đơn vị
C Chiết suất tỉ đối của môi trường 2 so với
môi trường 1 bằng tỉ số chiết suất tuyệt đối n2
của môi trường 2 với chiết suất tuyệt đối n1 của
môi trường 1
D Chiết suất tỉ đối của hai môi trường luôn lớn
hơn đơn vị vì vận tốc ánh sáng trong chân
không là vận tốc lớn nhất
Nhận biết K1, K3
3 Câu 3 Với một tia sáng đơn sắc, chiết suất
tuyệt đối của nước là n1, của thuỷ tinh là n2
Chiết suất tỉ đối khi tia sáng đó truyền từ nước
sang thuỷ tinh là:
A n21 = n1/n2 B n21 = n2/n1
C n21 = n2 – n1 D n12 = n1 – n2
Thông hiểu K1, K4
4 Câu 4 Trong hiện tượng khúc xạ ánh sáng
A góc khúc xạ luôn bé hơn góc tới
B góc khúc xạ luôn lớn hơn góc tới
C góc khúc xạ tỉ lệ thuận với góc tới
D khi góc tới tăng dần thì góc khúc xạ cũng
tăng dần
Thông hiểu K1, K4
5 Câu 5 Chiết suất tỉ đối giữa môi trường khúc
xạ với môi trường tới
A luôn lớn hơn 1
B luôn nhỏ hơn 1
C bằng tỉ số giữa chiết suất tuyệt đối của môi
trường khúc xạ và chiết suất tuyệt đối của môi
trường tới
D bằng hiệu số giữa chiết suất tuyệt đối của
môi trường khúc xạ và chiết suất tuyệt đối của
môi trường tới
Nhận biết K1, K3
6 Câu 6 Trong hiện tượng khúc xạ
A Mọi tia sáng truyền qua mặt phân cách giữa
hai môi trường trong suốt đều bị đổi hướng
B Góc khúc xạ luôn nhỏ hơn góc tới
C Khi ánh sáng truyền từ môi trường chiết
quang kém sang môi trường chiết quang hơn
thì góc khúc xạ lớn hơn góc tới
Thông hiểu K1, K4