Giải thích một số hiện tượng quang học trong tự nhiên bằng dịnh luật khúc xạ ánh sáng và hiện tượng phản xạ toàn phần trong vật lý 11

LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trong thực tế dạy học môn Vật lý hiện nay, chủ yếu dành nhiều thời giandạy học sinh nhận diện các dạng bài tập khác nhau và cách thức vận dụng cáccông thức Vật lý cho

A ĐẶT VẤN ĐỀ

1 LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Trong thực tế dạy học môn Vật lý hiện nay, chủ yếu dành nhiều thời giandạy học sinh nhận diện các dạng bài tập khác nhau và cách thức vận dụng cáccông thức Vật lý cho dạng bài tập đó, mà ít chú trọng giúp học sinh giải thíchcác hiện tượng Vật lý xảy ra trong thực tế cuộc sống

Vật lý học không phải chỉ là các công thức và con số Vật lý học là nhữngđiều đang xảy ra trong thế giới xung quanh ta Nó nói về các màu sắc trong mộtcầu vồng, về vẻ đẹp lóng lánh của viên kim cương Nó có liên quan đến việc đi

bộ, đi xe đạp, lái ô tô và cả việc điều khiển một con tàu vũ trụ Việc học mônVật lý không chỉ dừng lại ở sự tìm cách vận dụng các công thức Vật lý để giảicho xong các bài tập và đi đến những đáp số, mà còn phải giải thích được cáchiện tượng Vật lý đang xảy ra trong thiên nhiên quanh ta, trong các đối tượngcông nghệ của nền văn minh mà ta đang sử dụng

Xuất phát từ ý nghĩa và thực tế đó, tôi mạnh dạn nghiên cứu đề tài

“Giải thích một số hiện tượng quang học trong tự nhiên bằng dịnh luật khúc

xạ ánh sáng và hiện tượng phản xạ toàn phần trong Vật lý 11 ”, nhằm giúp

học sinh yêu thích và hiểu hơn bản chất Vật lý của các hiện tượng Quang họctrong Vật lý 11

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Vận dụng các hiện tượng thực tiễn vào bài giảng nhằm giáo dục ý thức vàtăng hứng thú học tập bộ môn Vật lý cho học sinh Để Vật lý không còn mangtính đặc thù khó hiểu như một “thuật ngữ khoa học”

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Quá trình dạy học bộ môn vật lí tại các lớp: 11A2; 11A5; 11A6;11A7:11A8 của trường THPT Nông Cống 4

Các phương pháp dạy học tích cực, phương pháp tích hợp các hiện tượngtrong thực tiễn của bộ môn vật lí

S

i i’

R N

r K

N S

I i

Các bài khúc xạánh sáng và phản xạ toàn phần trong chương trình vật lí11- cơ bản và nâng cao

B GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

I CƠ SỞ LÍ LUẬN CỦA VẤN ĐỀ

1 Cơ sở lý thuyết cơ bản của quang học

1.1 Định luật truyền thẳng ánh sáng

- Trong một môi trường trong suốt, đồng tính và đẳng hướng ánh sángtruyền theo đường thẳng

1.2 Nguyên lí về tính thuận nghịch của chiều truyền ánh sáng

- Đường đi của ánh sáng không đổi khi đảo ngược chiều truyền ánh sáng

- Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới và ở bên kia pháp tuyến so với tia tới

- Đối với một cặp môi trường trong suốt nhất định thì tỉ số giữa sin của góc tới (sin i) với sin của góc khúc xạ (sin r) luôn luôn là mọt số không

đổi

Số không đổi này phụ thuộc vào bản chất của hai môi trường và

được gọi là chiếc suất tỉ đối của môi trường chứa tia khúc xạ (môi

trường 2) đối với môi trường chứa tia tới (môi trường 1)

Kí hiệu n 21

= n 21

1.5 Hiện tượng phản xạ toàn phần

- Khi ánh sáng truyền từ mặt phân cách của môi trường chiếc quang hơn(n1) sang môi trường chiếc quang kém (n2) thì góc khúc xạ r lớn hơn góc tới i.

- Góc khúc xạ lớn nhất bằng 900; tia khúc xạ nằm là là mặt phân cách haimôi trường thì góc tới tương ứng gọi là góc giới hạn i gh

- Với các góc tới có giá trị lớn hơn i gh, thì không còn xảy ra khúc xạ, toàn

bộ áng sáng đều trở lại môi trường chiếc quang hơn Khi đó có hiện tượng phản

xạ toàn phần

2 Tổ chức hoạt động hướng dẫn học sinh thông qua các tình huống

giả định bằng các hiện tượng thực tiễn.

Trong quá trình dạy học nếu giáo viên luôn sử dụng một kiểu dạy sẽ làmcho học sinh nhàm chán Giáo viên có thể áp dụng nhiều phương pháp lồngghép vào nhau, trong đó hình thức đưa ra các tình huống giả định để học sinhtranh luận vừa phát huy tính chủ động sáng tạo cho học sinh, vừa tạo môi trườngthoải mái để các em trao đổi từ đó giúp học sinh thêm yêu thích môn học hơn

II THỰC TRẠNG CỦA ĐỀ TÀI

Vậtlý là môn khoa học gắn liền trong đời sống thực tế nhiều nhưng trongthực tế dạy học môn Vật lý hiện nay, chủ yếu dành nhiều thời gian dạy học sinhnhận diện các dạng bài tập khác nhau và cách thức vận dụng các công thức Vật

lý cho dạng bài tập đó nên không làm học sinh hứng thú với môn học

Trước tình hình học vật lí phải đổi mới phương pháp dạy học đã và đangthực sự là yếu tố quyết định hiệu quả giờ dạy Một trong những yếu tố để đạt giờdạy có hiệu quả và tiến bộ là phải phát huy tính thực tế, giáo dục về môi trường,

về tư tưởng vừa mang bản sắc dân tộc mà không mất đi tính cộng đồng trên toànthế giới, những vấn đề cũ nhưng không cũ mà vẫn có tính chất cập nhật và mới

mẽ, đảm bảo: tính khoa học – hiện đại, cơ bản; tính thực tiễn và giáo dục kỹthuật tổng hợp; tính hệ thống sư phạm

Tuy nhiên mỗi tiết học có thể không nhất thiết phải hội tụ tất cả nhữngquan điểm nêu trên, cần phải nghiên cứu kỹ lưỡng, đừng quá lạm dụng khilượng kiến thức không đồng nhất

Nhiều giáo viên chưa quan tâm đúng mức đối tượng giáo dục: Chưa đặt racho mình nhiệm vụ và trách nhiệm nghiên cứu, hiện tượng dùng đồng loạt cùngmột cách dạy, một bài giảng cho nhiều lớp, nhiều thế hệ học trò là không ít Dophương pháp ít có tiến bộ mà người giáo viên đã trở thành người cảm nhận,truyền thụ tri thức một chiều Giáo viên nên là người hướng dẫn học sinh chủđộng trong quá trình lĩnh hội tri thức vật lí.

III CÁC GIẢI PHÁP VÀ HÌNH THỨC TỔ CHỨC THỰC HIỆN

Từ cơ sở lý luận và thực tiễn dạy học, tôi đã thấy rằng: “Gỉai thích một

số hiện tượng quang học trong tự nhiên bằng dịnh luật khúc xạ ánh sáng và hiện tượng phản xạ toàn phần trong Vật lý 11 ”sẽ tạo hứng thú, khơi dậy niềm

đam mê; học sinh hiểu được vai trò và ý nghĩa thực tiễn trong học vật lí Để thựchiện được, người giáo viên cần nghiên cứu kỹ bài giảng, xác định được kiếnthức trọng tâm, tìm hiểu, tham khảo các vấn đề thực tế liên quan phù hợp vớitừng học sinh ở thành thị, nông thôn …; đôi lúc cần quan tâm đến tính cách sởthích của đối tượng tiếp thu, hình thành giáo án theo hướng phát huy tính tíchcực chủ động của học sinh, phải mang tính hợp lý và hài hoà; đôi lúc có khôi hàinhưng sâu sắc, vẫn đảm nhiệm được mục đích học môn vật lí

3.1 Các giải pháp thực hiện:

3.1.1 Nêu hiện tượng thực tiễn xung quanh đời sống ngày, thường sau khi

đã kết thúc bài học Cách nêu vấn đề này có thể tạo cho học sinh căn cứ vàonhững kiến thức đã học tìm cách giải thích hiện tượng ở nhà hay những lúc bắtgặp hiện tượng đó, học sinh sẽ suy nghĩ, ấp ủ câu hỏi vì sao lại có hiện tượngđó? Tạo tiền đề thuận lợi khi học bài học mới tiếp theo

3.1.2 Nêu hiện tượng thực tiễn xung quanh đời sống ngày thường qua các

kiến thức cụ thể trong bài học Cách nêu vấn đề này có thể sẽ mang tính cậpnhật, làm cho học sinh hiểu và thấy được ý nghĩa thực tiễn bài học Giáo viên cóthể giải thích để giải tỏa tính tò mò của học sinh Mặc dù vấn đề được giải thích

có tính chất rất phổ thông

3.1.3 Nêu hiện tượng thực tiễn xung quanh đời sống ngày thường thay cho

ngờ, có thể là một câu hỏi rất khôi hài hay một vấn đề rất bình thường mà hàngngày học sinh vẫn gặp nhưng lại tạo sự chú ý quan tâm của học sinh trong quátrình học tập.

3.2 Các hình thức tổ chức thực hiện:

3.2.1 Đặt tình huống vào bài mới: Tiết dạy có gây được sự chú ý của học

sinh hay không là nhờ vào người hướng dẫn Trong đó phần mở đầu là rất quantrọng, nếu ta biết đặt ra một tình huống thực tiễn hoặc giả định rồi yêu cầu họcsinh cùng tìm hiểu, giải thích

3.2.2 Liên hệ thực tế trong bài dạy: Khi học xong vấn đề gì mà học sinh

thấy được ứng dụng trong thực tiễn thì sẽ chú ý hơn, chủ động tư duy để tìmhiểu Do đó trong mỗi bài học giáo viên nên đưa ra được một vài ứng dụng thựctiễn sẽ lôi cuốn được sự chú ý của học sinh hơn

3.3 CÂU HỎI THỰC TẾ DÙNG CHO CÁC BÀI GIẢNG TRONG

CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÍ 11 THPT

3.3.1.Hiện tượng khúc xạ ánh sáng (Tiết 51 VL11CB – tiết 66 VL11NC) Câu 1: Chậu thau đựng đầy nước, vì sao khi nhìn nghiêng thấy nước trở thanh nông hơn?

Giải thích:Khi chậu thau đựng đầy nước, nhìn nghiêng từ bên cạnh, độ sâu từ

mặt nước tới đáy chậu có vẻ như trở thành nông hơn Hiện tượng kì lạ này, rốt cuộc

đã xảy ra như thế nào?

Muốn làm sáng tỏ chân tướng của một cách triệt để thì cần phải hiểu rõ một sốtính khí của ánh sáng trước đã Thì ra trong cùng

một loại môi trường, ánh sáng bao giờ cũng

truyền theo đường thẳng-đường ngắn nhất Song

nó từ một loại

môi trường đi vào một môi trường khác,

ví dụ như từ không khí vào nước, hoặc từ

nước vào không khí, do tốc độ truyền của ánh sáng trong hai loại môi trường đó

khác nhau, trên mặt phân cách của hai môi trường, ánh sáng sẽ bị cong lại, đi theomột đường gấp khúc Loại hiện tượng này của ánh sáng gọi là khúc xạ ánh sáng.Chậu nước của bạn trông thấy biến thành nông đi chính là do khúc xạ của ánhsáng gây nên.

Áp dụng: Giáo viên sử dụng để đặt vấn đề vào bài.

Câu 2: Làm sao để bắn cá đang bơi dưới nước chính xác?

Trả lời:Bạn xem kìa, dưới khe suối có con cá nhỏ, tia sáng từ thân cá phản

xạ ra, đến mặt phân cách giữa nước và không khí liền đổi hướng truyền theođường thẳng, nó gấp nghiêng với mặt nước một góc Cái đập vào mắt chúng tachính là tia sáng đã gấp khúc đổi hướng Song con mắt không cảm nhận được,vẫn cứ tưởng rằng tia sáng đó theo đường thẳng chiếu tới, và ngộ nhận ảnh ảo

do tia sáng đã bị đổi hướng đó tạo ra con cá thật Như vậy vị trí của cá trongnước nhìn có vẻ nông hơn Lí lẽ khiến cho chậu nước trở thành nông hơn cũngnhư thế đấy

Trò đùa nghịch của tia sáng cũng giống như cách biến hoá của nhà ảothuật thế thôi Khi chúng ta nhận biết rõ đủ loại tính khí của tia sáng, thì sẽkhông bị nó “lừa gạt” nữa Người đánh cá có kinh nghiệm khi dùng cái xiên đểxỉa cá, người ấy quyết không xỉa thẳng vào con cá, vì rằng đó chẳng qua chỉ là

ảo ảnh của cá Chắc chắn anh ta nhằm vào chỗ hơi xa và sâu hơn một chút dùngsức đâm tới Như vậy, một con cá giãy giụa tứ tung đã bị xiên chặt Đó đúng làkinh nghiệm phong phú mà người đánh bắt cá tích luỹ được qua thực tiễn lâu dàicủa mình

Áp dụng: Giáo viên sử dụng câu hỏi cho phần học về sự khúc xạ ánh sáng

Câu 3: Vì sao ta nhìn thấy hiện tượng bầu trời đêm đầy sao lấp lánh?

Giải thích:

Vào những buổi đêm khi nhìn lên trời bạn thấy được các "vì sao" lấp lánh,nguyên nhân của nó là do ánh sáng từ các ngôi sao bị khúc xạ (gãy khúc) nhiềulần khi truyền từ không gian xuyên qua bầu khí quyển của trái đất

Áp dụng: Giáo viên sử dụng câu hỏi cho phần học về sự khúc xạ ánh sáng Câu 4: Hiện tượngvầng hào quang

Vầng hào quang hình thành do ánh sáng chiếu qua các đám mây tầng caochứa tinh thể băng Đôi khi trên vầng hào quang có một vài chỗ sáng hơn hẳn,tạo thành "các Mặt Trời giả" Hiện tượng này cũng xuất hiện ở mặt trăng hoặcnhững hành tinh sáng, ví dụ như sao Kim

Giải thích:Ánh sáng chiếu qua các đám mây tầng cao chứa tinh thể băng

Giải thích:Mây dạ quang là những đám mây ở tầng cao khí quyển bị khúc xạ

ánh sáng mặt trời

Áp dụng: Giáo viên sử dụng câu hỏi cho phần học về sự khúc xạ ánh sáng Câu 6:Hiện tượngtia chớp lục

Đây là hiện tượng quang học xảy ra rất ngắn ngay sau hoàng hôn (lúc mặttrời lặn hoàn toàn) hoặc trước bình minh Nó chỉ xuất hiện 1 tới 2 giây ngay trênđỉnh Mặt Trời hoặc giống như tia chớp xanh lá cây phóng lên từ điểm Mặt Trời lặn.

Giải thích:Nguyên nhân chủ yếu gây ra hiện tượng này là ánh sáng bị khúc xạ.

Áp dụng: Giáo viên sử dụng câu hỏi cho phần học về sự khúc xạ ánh sáng Câu 7:Hiện tượngcầu vồng

Cầu vồng là hiện tượng thiên nhiên tuyệt đẹp.Khi khoa học chưa pháttriển, cầu vồng cũng đã khiến cho con người tin rằng khi cầu vồng xuất hiện ẩnchứa điều kỳ diệu và huyền bí Trong sách Kinh Thánh Sáng Thế của ThiênChúa Giáo có ghi chép lại rằng Thiên Chúa đặt cầu vồng trên bầu trời sau trận

Đại Hồng Thủy và nói với ông Noah rằng "đây là dấu hiệu của một giao ước mới

giữa Thiên Chúa và Trái Đất" Còn đối với người Hy Lạp cổ đại, họ cho rằng cầu

vồng chính là nữ thần Iris Và qua nhiều thế kỷ, các tư tưởng khoa học vĩ đạikhác nhau từ Aristotle đến Rene Descartes đều tìm cách để lý giải cho hiệntượng cầu vồng tuyệt đẹp này

Cầu vồng hình tròn.

Cầu vồng thực chất có hình tròn.Tuy nhiên, chỉ các phi công khi ở trongđiều kiện đặc biệt trên bầu trời mới nhìn thấy hình tròn hoàn hảo của nó Góc độcủa ánh sáng Mặt Trời khi đi qua các hạt nước trong không khí khiến chúng tachỉ thấy một hình vòng cung nếu nhìn từ mặt đất.

Giải thích:

Cầu vồng được tạo ra bởi những giọt nước lơ lửng trong không khí sau

một trận mưa Các giọt nước có mật độ lớn hơn mật độ của các phân tử không

khí xung quanh, chúng ta biết rằng ánh sáng mặt trời đi thẳng nhưng sẽ bị lệchkhi đi qua ranh giới các chất có mật độ khác nhau vì vậy khi ánh sáng mặt trờichiếu qua chúng, chúng giống như các lăng kính nhỏ, uốn cong ánh sáng Đó

là hiện tượng khúc xạ Như vậy những giọt nước ở trong không khí có thể làm

khúc xạ tia sáng Mặt trời, nhưng với điều kiện tia nắng phải bắt gặp giọt nướcdưới một góc tương đối nhỏ, gọi là góc lệch của cầu vồng (khoảng 40 độ so vớimặt đất)

Điều đó giải thích tại sao ta lại nhìn thấy cầu vồng vào buổi sáng hoặc buổi chiều, chứ không bao giờ vào buổi trưa Thật thú vị khi bạn nhìn thấy cầu vồng

khi đang trên máy bay, bạn sẽ thấy nó có hình chiếc đĩa hơn là hình vòng cung

Áp dụng: Giáo viên sử dụng câu hỏi cho phần học về sự khúc xạ ánh sáng Câu 8: Hiện tượngcầu vồng trắng (cầu vồng sương mù)

Cầu vồng trắng có thể được quan sát trong lớp sương mù mỏng khi MặtTrời chiếu sáng Do những giọt nước trong sương mù rất nhỏ nên cầu vồng trắngchỉ có màu sắc mờ nhạt hoặc không màu.

Một số cầu vồng trắng có độ tương phản rất thấp Nếu muốn quan sát cầu vồng trắng ta phải tìm kiếm những thay đổi ánh sáng nhỏ trong nền sương mù Mặt Trời phải ở độ cao khoảng 30-40°, hoặc phải đứng trên một ngọn đồi cao, nơi sương mù và cầu vồng trắng có thể nhìn thấy từ trên xuống.Cầu vồng trắng

có kích thước lớn như một cầu vồng thông thường nhưng rộng hơn rất nhiều.

Giải thích:

Cầu vồng sương mù, hay cầu vồng trắng, được tạo ra bởi cơ chế tương

tự như cầu vồng bình thường.Cầu vồng thường xuất hiện khi không khí trànngập các giọt nước mưa.Cầu vồng trắng luôn đối diện với Mặt Trời, nhưng nóhình thành nhờ những giọt nước nhỏ trong lớp sương mù hoặc đám mây chứkhông phải các hạt mưa lớn hơn

Áp dụng: Giáo viên sử dụng câu hỏi cho phần học về sự khúc xạ ánh sáng Câu 9: Hiện tượngcầu vồng Mặt Trăng

Cầu vồng Mặt Trăng nhạt hơn cầu vồng bình thường bởi ánh trăng yếuhơn ánh sáng Mặt Trời Màu sắc của nó khó nhìn thấy bằng mắt thường nhưng

có thể hiện ra trong ảnh chụp phơi sáng

Trả lời:Ánh sáng truyền theo đường thẳng, nhưng khi gặp một tấm gương, thì

tia sáng bị hắt theo hướng khác Nếu ta đặt một dãy nhiều gương phẳng, sao chocái nọ nối tiếp cái kia (hình a) thì khi rọi một tia sáng vào gương thứ nhất tiasáng sẽ lần lượt phản xạ trên các gương của dãy và đi theo một đường gấp khúc.Muốn cho đường gấp khúc trở thành một đường cong,

thì các gương phải nhỏ, nhiều vô hạn, và đặt nối tiếp

nhau thành đường cong mà ta muốn tia sáng đi theo

Có thể thực hiện được điều đó bằng cách dùng một mặt

kim loại, nhẵn bóng, uốn thành một mặt trụ Nhưng

biện pháp tốt nhất là dựa vào sự phản xạ toàn phần

Ta xét thanh trong suốt bằng thuỷ tinh, hoặc chất

dẻo, uống cong (hình b) và rọi một chùm tia sáng hẹp

vào một đầu ống

Chiết suất và độ cong của thanh đã được lựa

chọn để cho các tia sáng tới thành bên của thanh dưới

những góc lớn hơn góc giới hạn phản xạ toàn phần Do đó, tới chỗ cong, tia sángliên tiếp bị phản xạ toàn phần và cuối cùng, đi theo thanh mà ló ra ở đầu kia.Thanh như thế đã hướng chùm sáng đi theo nó, và được gọi là ống dẫn sáng