Rèn luyện cho học sinh lớp 11 kỹ năng giải một số dạng toán về khúc xạ ánh sáng bằng phương pháp phân loại thông qua một số bài tập thực hành

Lý do chọn đề tài : Trong chương trình Vật lí lớp 11, phần kiến thức về khúc xạ ánh sáng có rất nhiều dạng bài tập đòi hỏi các em học sinh cần phải nắm vững phương pháp và kỹ năng giải

1 MỞ ĐẦU 1.1 Lý do chọn đề tài :

Trong chương trình Vật lí lớp 11, phần kiến thức về khúc xạ ánh sáng có rất nhiều dạng bài tập đòi hỏi các em học sinh cần phải nắm vững phương pháp và kỹ năng giải được các dạng toán này, nhưng thời lượng luyện tập trên lớp thì quá ít ỏi, điều này gây khó khăn cho đa số các em học sinh

Các bài toán về khúc xạ ánh sáng thường rất hay gặp ở phần kiến thức cuối của chương trình Vật lí lớp 11 mà cả chương trình Vật lí 12 và trong các đề thi tốt nghiệp THPT Quốc gia Dạng toán này rất hay và không quá khó đối với các em học sinh lớp 11, với mức độ tư duy vừa phải, lời giải nhẹ nhàng và thêm một chút kiến thức thực tế thường dễ gây hứng thú học tập hơn cho học sinh so với những dạng toán khác

Để làm được dạng toán về khúc xạ ánh sáng ngoài yêu cầu đọc kỹ đề bài, phân tích giả thiết bài toán, thì đòi hỏi các em phải nắm vững kiến thức về Lượng giác của Toán học

Qua quá trình giảng dạy lớp 11 nhiều năm tôi thấy học sinh thường lúng túng trước một bài toán khúc xạ ánh sáng không định hướng được cách giải quyết, vì thế trong quá trình học để giúp học sinh không bị khó khăn khi gặp dạng toán này, tôi đã hệ thống một số dạng bài tập cơ bản yêu cầu học sinh phải nắm vững và giúp các em đưa ra phương pháp phân loại bài tập từ dễ đến khó để học sinh tiếp cận một cách đơn giản dễ nhớ và từng bước giúp học sinh hình thành lối tư duy giải quyết vấn đề, từ đó có thể làm được những bài toán về khúc xạ ánh sáng trong chương trình

Do đặc điểm lớp 11 cũng đã định hướng và có mục tiêu rõ ràng nên phần lớn học sinh có ý thức trong học tập và trang bị những kiến thức cần thiết để có nền tảng cho lớp 12 Trường THPT Lê Hoàn chất lượng học tập lại không đều, số

lượng học sinh có học lực trung bình, yếu còn chiếm tỉ lệ 60% Với đề tài “Rèn luyện cho học sinh lớp 11 kỹ năng giải một số dạng toán về khúc xạ ánh sáng bằng phương pháp phân loại thông qua một số bài tập thực hành” sẽ giúp học

sinh lớp 11 không bị lúng túng trước các bài toán về khúc xạ ánh sáng

1.2 Mục đích nghiên cứu :

- Góp phần đổi mới phương pháp dạy học môn Vật lí 11 theo phương hướng tinh giản kiến thức, phát huy tính tích cực, chủ động và sáng tạo của học sinh, tăng cường ứng dụng thực tế, giúp học sinh có phương pháp học tốt thích ứng với xu hướng hiện nay

- Góp phần gây hứng thú học tập môn Vật lí cho học sinh, một môn học được coi là khó và trừu tượng không những chỉ giúp giáo viên lên lớp tự tin, nhẹ nhàng,

học sinh lĩnh hội được tri thức một cách đầy đủ, khoa học mà còn giúp các em củng cố và khắc sâu các tri thức

1.3 Đối tượng nghiên cứu :

Đề tài này rèn luyện cho học sinh lớp 11 phân loại và đưa ra phương pháp làm một số dạng toán về khúc xạ ánh sáng thông qua một số bài tập thực hành nhằm giúp các em có nền tảng vững chắc, có kỹ năng giải tốt dạng toán đó ở phần cuối chương trình lí 11, chương trình lí 12 và đề thi Tốt nghiệp THPT Quốc gia

1.4 Phương pháp nghiên cứu :

Để thực hiện đề tài này, tôi đã sử dụng các phương pháp sau :

1.4.1 Nghiên cứu tài liệu :

- Đọc các tài liệu sách, báo, tạp chí giáo dục, có liên quan đến nội dung đề tài

- Đọc SGK, sách giáo viên, các loại sách tham khảo

1.4.2 Nghiên cứu thực tế :

- Dự giờ, trao đổi ý kiến với đồng nghiệp nội dung về khúc xạ ánh sáng

- Tổng kết rút kinh nghiệm trong quá trình dạy học

- Tổ chức và tiến hành thực nghiệm sư phạm (Soạn giáo án đã thông qua các tiết dạy) để kiểm tra tính khả thi của đề tài

Để dạy đối tượng học sinh lớp 11 đại trà một cách hiệu quả, trong đề tài

này tôi đã đưa ra hai yêu cầu sau:

+) Cơ bản

+) Phù hợp với đối tượng học sinh

Tôi tiến hành xây dựng chương trình và nội dung giảng dạy cho học sinh lớp 11 theo bố cục sau đây :

1 Phân loại các dạng bài tập

2 Nêu phương pháp làm cụ thể và tỉ mỉ đối với từng loại bài

3 Mỗi loại bài lấy ví dụ minh họa

4 Bài tập đề nghị học sinh làm

5 Kiểm tra, đánh giá việc làm bài tập của học sinh

2 NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

2.1 Cơ sở lý luận của sáng kiến kinh nghiệm:

Phương pháp giáo dục hiện đại là phải làm sao phát huy được tính tích cực, chủ động của học sinh và bồi dưỡng cho học sinh có năng lực tư duy sáng tạo, năng lực giải quyết vấn đề Nhằm phục vụ cho lý luận này tôi dựa theo lý luận rằng: Bồi dưỡng cho học sinh những kiến thức cơ bản nhất của vấn đề rồi sau đó mới tạo cho học sinh khả năng tự học và độc lập trong suy nghĩ, từ đó học sinh có thể tự mình phân loại các dạng bài tập theo chuyên đề Có như thế thì học sinh mới

dễ dàng làm tốt bài tập hay bài kiểm tra

2.2 Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm :

Trong quá trình giảng dạy chương trình Vật lí lớp 11, tôi nhận thấy rằng các bài toán về khúc xạ ánh sáng.là kiến thức trọng tâm để học phần "Lăng kính" ở Vật

lí 11 và "Tán sắc ánh sáng" ở chương trình Vật lí 12

Thấy được tầm quan trọng của nó nên khi dạy mảng: “ Các bài toán về khúc

xạ ánh sáng” của Vật lí lớp 11, tôi băn khoăn nên làm như thế nào để giúp các em học sinh tái hiện lại kiến thức đã học, phân loại các dạng bài tập và phương pháp giải các bài toán đó một các hiệu quả, đặc biệt đối tượng học sinh của tôi là lớp 11A4, đây là lớp học trung bình trong khối, hầu hết các em đều “ngại” học Vật lí, khả năng nhận thức của các em còn rất chậm, nhanh quên và tính toán kém, quả là một thách thức ! Bên cạnh những học sinh hiếu động, ham hiểu biết cái mới, thích

tự mình tìm tòi, khám phá, sáng tạo thì lại có một bộ phận không nhỏ học sinh lại học trung bình, trung bình yếu, lười suy nghĩ nên đòi hỏi người giáo viên phải tâm huyết, có năng lực thật sự, đa dạng trong phương pháp, biết tổ chức, thiết kế và trân trọng qua từng tiết dạy

Theo tôi, khi dạy đối tượng học sinh đại trà như hiện nay, người giáo viên phải thật cô đọng lý thuyết, sắp xếp lại bố cục bài dạy, định hướng phương pháp, tăng cường các ví dụ và bài tập từ đơn giản đến nâng cao theo dạng chuyên đề và phù hợp với từng đối tượng học sinh

2.3 Các giải pháp đã sử dụng để giải quyết vấn đề :

2.3.1 Cơ sở lý thuyết :

1 Khúc xạ ánh sáng

* Hiện tượng

Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng lệch phương của của các tia sáng khi truyền xiên góc qua mặt phân cách của hai môi trường trong suốt khác nhau

* Định luật

- 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 và sin góc khúc xạ luôn không đổi

n

r

i

 sin sin

2 Chiết suất

a.Chiết suất tỉ đối

21 2 1

n

b.Chiết suất tuyệt đối của một môi trường là chiết suất tỉ đối của môi trường

đó đối với chân không

c

n v

 c: Tốc độ ánh sáng trong không khí v: Tốc độ ánh sáng trong môi trường đang xét

n: Chiết suất của môi trường đó

Hệ quả: + n không khí và chân không =1 và là nhỏ nhất

+ n của các môi trường khác đều lớn hơn 1

Chú ý: Dễ dàng nhận ra cách nhớ để vẽ một cách định tính góc là môi trường nào

có chiết suất càng lớn thì góc càng nhỏ

Hình 1 Hình 2

(n1 < n2) (n1 > n2)

3 Một số khái niệm và lưu ý cần thiết khi làm bài

a Nguồn sáng (vật sáng)

- Là vật phát ra ánh sáng chia làm hai loại

+ Nguồn trực tiếp: đèn, mặt trời…

+ Nguồn gián tiếp: nhận ánh sáng và phản lại vào mắt ta

b Khi nào mắt ta nhìn thấy vật?khi nào mắt nhìn ảnh?

+ Khi có tia sáng từ vật trực tiếp đến mắt hoặc tia khúc xạ đi vào mắt ta

I S

R

i

r

1 2 I

S

R

i

r 1

2

+ Nếu giữa mắt và vật chung một môi trường, có tia sáng trực tiếp từ vật đến mắt thì mắt nhìn vật

+ Nếu giữa mắt và vật tồn tại hơn một môi trường không phải thì khi đó mắt chỉ nhìn ảnh của vật

Ví dụ: Mắt bạn trong không khí nhìn một viên sỏi hoặc một con cá ở đáy hồ, giữa mắt bạn và chúng là không khí và nước vậy bạn chỉ nhìn được ảnh của chúng Tương tự khi cá nhìn bạn cũng chỉ nhìn được ảnh mà thôi.

c Cách dựng ảnh của một vật

Muốn vẽ ảnh của một điểm ta vẽ hai tia:

- Một tia tới vuông góc với mặt phân cách thì truyền thẳng và một tia tới có góc bất kì, giao của hai tia khúc xạ là ảnh của vật

- Ảnh thật khi các tia khúc xạ trực tiếp cắt nhau, ảnh ảo khi các tia khúc xạ không trực tiếp cắt nhau, khi đó vẽ bằng nét đứt

d Góc lệch D

- Là góc tạo bởi phương tia tới và tia khúc xạ

D = |i-r|

- Nếu mặt phân cách hai môi trường là hình cầu thì pháp tuyến là đường thẳng nối điểm tới và tâm cầu

e Công thức gần đúng

Với góc nhỏ (<100) có thể lấy gần đúng:

tanisini i

Với i là giá trị tính theo rad

2.3.2 Một số dạng toán thường gặp :

Dạng 1: Áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng để xác định i,r, n và D.

Phương pháp chung:

- Nếu biết được i hoặc r hoặc chiết suất của một trong hai môi trường tính đại lượng còn lại thì sử dụng định luật khúc xạ ánh sáng:

n1 sini = n2 sinr

- Tính góc lệch D:

D= i r 

VÍ DỤ MINH HỌA

Ví dụ 1: Tia sáng truyền trong không khí tới gặp mặt thoáng của một chất

lỏng chiết suất n=4/3 Góc khúc xạ r=250 Góc tới của tia sáng là:

Hướng dẫn:

Áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng ta có:

sin i = n.sinr = 43sin250

=> i = 34,300

Ví dụ 2: Một tia sáng đi từ không khí vào nước có chiết suất n = 2dưới góc tới

i = 450

a Tính góc khúc xạ

b Tính góc lệch D tạo bởi tia khúc xạ và tia tới

Hướng dẫn: Góc khúc xạ r = 300 và góc lệch D = i r  =150

Ví dụ 3: Tia sáng truyền trong không khí đến gặp mặt thoáng chất lỏng có n=4/3.

Tia phản xạ và khúc xạ vuông góc với nhau.Tính góc tới?

Hướng dẫn

Theo đề bài: tia khúc xạ và tia phản xạ vuông góc với nhau nên:

i' + r = 2 => r = 2 - i

Áp dụng định luật khúc xạ

4

3 3 4

1 sin

sin

1

2







n

n

r

i

) 2

sin(

sin



 i

n

i

=> tan i = 34 => i = 370

i

i' r

Ví dụ 4: Một cái máng nước sâu 30 cm rộng 40 cm có hai thành bên thẳng đứng.

Lúc máng cạn nước thì bóng râm của thành A kéo dài tới đúng chân thành B đối diện Người ta đổ nước vào máng đến một độ cao h thì bóng của thành A ngắn bớt đi 7 cm so với trước Biết chiết suất của nước là n = 4/3 Tính h

Hướng dẫn:

CC' = 7 cm

CC' = HC - HC' = h(tani - tanr)

 h =

r i

C C

tan tan 



tani = 3040 34

AK

KC

=> i = 53 0

sinr =

3 4

53 sin



n

i

= 0,6 = sin 37 0

tanr = tan37 0 =

4 3

Vậy: h 12cm

4

3 3 4

7







Bài tập đề nghị :

Bài 1 [1] Chiết suất của thủy tinh đối với không khí là 1,5 thì chiết suất của không khí đối với thủy tinh là

A 3

3 C 5

2 D 2

3

Bài 2 [2] : Một tia sáng đi từ không khí vào một môi trường trong suất có chiết suất bằng 2 Biết góc khúc xạ bằng 300, góc tới có giá trị bằng:

Bài 3 [3] : Chiếu một tia sáng đơn sắc từ không khí tới mặt nước với góc tới 600, tia khúc xạ đi vào trong nước với góc khúc xạ là r Biết chiết suất của không khí và của nước đối với ánh sáng đơn sắc này lần lượt là 1 và 1,333 Giá trị của r là:

A 40,520 B 19,480 C 22,030 D 37,970

Bài 4 : Tia sáng đi từ nước có chiết suất n1 = 4/3 sang thủy tinh có chiết suất n2 = 1,5 Tính góc khúc xạ và góc lệch D tạo bởi tia khúc xạ và tia tới, biết góc tới

i = 300

A r = 26,40; D = 3,60 B r = 24,60; D = 6,30

C r = 26,40; D = 6,3 D r = 24,60; D = 3,60

Bài 5: Một cây gậy cắm thẳng đứng xuống đáy hồ sâu 1,5m Phần gậy nhô lên

khỏi mặt nước là 0,5m Ánh sáng mặt trời chiếu xuống hồ theo phương hợp với

pháp tuyến mặt nước góc 600 Tính chiều dài bóng cây gậy trên mặt nước và dưới đáy hồ?

A 0,85m và 1,55m B 0,55m và 1,95m

C 0,55m và 2,11m D 0,85m và 2,11m

Bài 6: Một bể chứa nước có thành cao 80 (cm), đáy phẳng dài 120 (cm) và độ cao

mực nước trong bể là 60 (cm), chiết suất của nước là 4/3 Ánh nắng chiếu theo phương nghiêng góc 300 so với phương ngang Độ dài bóng đen tạo thành dưới đáy

bể là:

A 11,5 (cm) B 34,6 (cm) C 51,6 (cm) D 85,9 (cm)

Bài 7 [4] : Một cái cọc cắm thẳng đứng trong một bể rộng, đáy nằm ngang, chứa đầy nước Phần cọc nhô lên mặt nước dài 0,6m Bóng của cọc trên mặt nước dài 0,8m;

ở dưới đáy bể dài l,7m Tính chiều sâu của bể nước Chiết suất của nước là 4/3

A 0,8m B 0,9m C 1,2m D 1,7m

Dạng 2: Xác định vị trí của ảnh qua lưỡng chất phẳng

Phương pháp chung:

Lưỡng chất phẳng(LCP) là mặt phân cách giữa 2 môi trường có chiết suất

n1, n2

Đặt d = SH khoảng cách từ mặt phân cách đến vật

d' = S'H khoảng cách từ mặt phân cách đến ảnh

Ta có:

SH

HI i SH

HI

H S

HI r

'

sin '

Vậy

d

d SH

H S r

sin

sin





mà

1

2

sin

sin

n

n r

i

 =>

1 2

'

n

n d

d

Từ công thức (*):

Nếu n1 > n2 thì d' < d ảnh S' nằm dưới vật S

Nếu n1 > n2 thì d' < d ảnh S' nằm trên vật S

VÍ DỤ MINH HỌA

Mắt người và cá cùng cách mặt nước 60cm, cùng nằm trên mặt phẳng vuông góc với mặt nước n=4/3 Hỏi nguời thấy cá cách mình bao xa và cá thấy người cách nó bao xa?

Hướng dẫn:

Gọi d1 là khoảng cách từ mắt người đến mặt phân cách

d'

1 là khoảng cách từ ảnh mắt người đến mặt phân cách

2

1 1

'

1

n

n d

d

 => d'1 =

4 60

1

2

n

n

Gọi d2 là khoảng cách từ mắt cá đến mặt phân cách

d'

2 là khoảng cách từ ảnh mắt cá đến mặt phân cách

1

2 2

'2 n

n d

d

 => d'2 =

3 4

60 1

2

1

n

n

d

= 45 cm

 Người nhìn cá là thấy ảnh của cá cách người 1 khoảng:

d1+d'2 = 60+45 =105cm

 Cá nhìn người là thấy ảnh của người cách mình 1 khoảng:

d2+d'1 = 60+80 =140 cm

Bài tập đề nghị :

.Bài 1: Một người nhìn hòn bi dưới đáy một bể nước thấy ảnh của nó dường như

cách mặt nước một khoảng 1,2(m), chiết suất của nước là n = 4/3 Độ sâu của bể là:

A h = 90 (cm) B h = 10 (dm) C h = 16 (dm) D h = 18 (m)

Bài 2: Nước trong chậu cao 40cm, chiết suất 4/3 Trên nước là lớp dầu cao 30cm,

chiết suất n=1,5 Mắt đặt trong không khí , cách mặt trên lớp dầu 50 cm thấy đáy chậu cách mình bao nhiêu?

A 100 (cm) B 10 (cm) C h = 16 (dm) D h = 18 (m)

Bài 3: Chùm sáng hẹp phát ra từ một vật nằm ở đáy chậu đựng chất lỏng đi vào

mắt người quan sát ngoài không khí dưới góc ló 450 Người ta thấy hình như vật cách mặt thoáng của chất lỏng một đoạn 25cm theo phương thẳng đứng Biết chiều sâu của chất lỏng trong chậu là 40cm Chiết suất của chất lỏng là:.

Dạng 3: Xác định ảnh của 1 vật qua Bản mặt song song.

Phương pháp chung:

Bản mặt song song (BMSS) là hệ thống 2 LCP

1 Độ dời ảnh:

Gọi S' là ảnh của S qua BMSS, độ dời

ảnh là:   SS'

Ta có   SS' = IK = IN- KN = e - KN

mà NJ = KN.tani = IN.tanr

hay KN.sini = IN.sinr

KN

IN r

i



 sin

sin

=> KN =

n

e n

IN

 Vậy:

) 1 1 ( '

n e





Tổng quát: ( 1 ')

n

n

e 



n' - chiết suất của môi trường chứa BMSS

2 Độ dời ngang của tia sáng:

Độ dời ngang của tia sáng là khoảng cách giữa tia tới và tia ló

d = IM = IJ sin(i-r)

cos r = IN IJ => IJ = cosIN r cose r

Vậy:

r

r i e d

cos

) sin(



VÍ DỤ MINH HỌA

Ví dụ 1: Một bản mặt song song ( một bản trong suốt giới hạn bởi hai mặt

phẳng song song ) có bề dày 10cm, chiết suất n = 1,5 được đặt trong không khí Chiếu tới bản một tia sáng SI có góc tới là 450

a) Chứng tỏ rằng tia sáng ló ra khỏi bản có phương song song với tia tới

Vẽ đường đi của tia sáng qua bản

b) Tính khoảng cách giữa giá của tia ló và tia tới

Hướng dẫn:

a) Xét sự khúc xạ tại I và J, ta có sin i nsinr

và nsinr sini suy ra i  i

Vậy tia ló song song với tia tới ( Hình bên )

b) Khoảng cách giữa tia ló và tia tới là JK = d

Ta có : JK IJsini r

H I

J K

n i

i

r