Sử dụng phương pháp vẽ phổ tia sáng giải quyết bài toán giao thoa với ánh sáng có bước sóng biến thiên liên tục trong chương trình vật lí 12

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁTRƯỜNG THPT TRIỆU SƠN 1 SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP VẼ PHỔ TIA SÁNG GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN GIAO THOA VỚI ÁNH SÁNG CÓ BƯỚC SÓNG BIẾN THIÊN LIÊN

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ

TRƯỜNG THPT TRIỆU SƠN 1

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP VẼ PHỔ TIA SÁNG

GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN GIAO THOA VỚI ÁNH SÁNG

CÓ BƯỚC SÓNG BIẾN THIÊN LIÊN TỤC TRONG

MỤC LỤC

1 MỞ ĐẦU……….Trang 1

1.1 Lí do chọn đề tài……… 1

1.2 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài 2

1.3 Đối tượng nghiên cứu 2

1.4 Phương pháp nghiên cứu 2

2 NỘI DUNG 4

2.1 Cơ sở lí luận của đề tài 4

2.2 Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm 4

2.3 Giải pháp thực hiện 6

2.4 Hiệu quả của sáng kiến kinh nghiệm 18

3 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 20

3.1 Kết luận 20

3.2 Kiến nghị 20

NHỮNG KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT DÙNG TRONG

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

Môn Vật Lí là một trong những môn học cơ bản và quan trọng trong trườngTHPT Đây là một trong ba môn của tổ hợp bài thi KHTN, đồng thời là một trong

ba môn tổ hợp xét tuyển của các trường ĐH, CĐ Đối với môn Vật Lí, theo lộ trình

về cách thức ra đề thi của Bộ GD & ĐT thì trong năm học này (2018 – 2019) đề thi

sẽ bao gồm toàn bộ kiến thức trong chương trình THPT Là một giáo viên bộ mônVật Lý, tôi luôn nghiên cứu, tìm tòi ra các phương pháp giảng dạy nhằm đem lạihiệu quả cao nhất

Mặt khác, trong thời điểm hiện nay, hình thức thi TNKQ (thời gian làm bài rútngắn hơn so với năm 2016) được áp dụng cho kỳ thi THPT quốc gia nên việc đưa

ra các phương pháp giải nhanh, tối ưu hóa các bước tính toán là rất tốt và thiết thực

để các em có thể đạt được kết quả cao trong các kỳ thi đó

Khi dạy chương “Sóng ánh sáng” (Bài toán giao thoa với ánh sáng liên tục), tôinhận thấy, trước đây trong đề thi tốt nghiệp THPT hoặc đề thi Đại học thường chỉxuất hiện dạng bài toán: Tính bề rộng của các quang phổ bậc 1, bậc 2 ; Xác địnhtại vị trí M trên màn giao thoa có bao nhiêu bức xạ cho vân sáng, bao nhiêu bức xạcho vân tối hoặc dạng bài tập tính độ dài vùng phủ nhau của hai quang phổ Tất cảnhững dạng bài tập nói trên học sinh nói chung đều làm rất tốt bởi mức độ tư duychưa cao, hơn nữa tất cả các dạng bài tập này các em đã được thầy cô cung cấpphương pháp, thậm chí đã có một công thức giải rõ ràng Vì vậy, có thể nói đây làdạng bài tập khá dễ ràng, học sinh rất tự tin khi gặp những câu hỏi dạng này trong

đề thi Tuy nhiên, trong 3 năm gần đây (cụ thể là trong các năm liên tiếp 2016,

2017 và 2018, thậm chí trong đề minh họa năm 2019) trong đề thi trung học phổthông Quốc Gia xuất hiện loại bài tập giao thoa với ánh sáng liên tục nhưng phảixác định khoảng cách gần nhất từ vân sáng trung tâm đến vị trí mà ở đó có hai bức

xạ cho vân sáng, hoặc nhiều bức xạ cho vân sáng, hoặc có thêm một số điều kiệnkhác nữa Tôi nhận thấy, quả thật đây là dạng bài tập rất khó, cần khả năng tưduy, trừu tượng rất cao, và thực tế gần như hầu hết học sinh ở trường THPT TriệuSơn 1 chúng tôi không làm được, không hiểu rõ hiện tượng Thậm chí một số giáoviên không ôn luyện thi THPT Quốc gia thường xuyên, không đứng lớp mũi nhọncòn không biết có mặt của loại bài tập này, vẫn tự tin cho rằng, giao thoa với ánhsáng liên tục là rất dễ, không có gì phải nghĩ Việc xuất hiện liên tiếp loại bài tậpdạng này trong đề thi THPT Quốc gia của những năm gần đây, thậm chí là trong đềthi minh họa năm 2019 đã gây hoang mang và nỗi ám ảnh lớn cho học sinh, thậmchí các em còn cho rằng khi gặp loại bài tập giao thoa với ánh sáng liên tục thì chỉcòn cách trông chờ vào sự may rủi chứ hoàn toàn không có hướng giải quyết

Bản thân tôi, là một giáo viên đã công tác nhiều năm, nhiều năm liên tục đứnglớp mũi nhọn, tuy nhiên khi gặp câu hỏi dạng này lần đầu tiên trong đề thi THPTQuốc Gia năm 2016 cũng gặp không ít bỡ ngỡ và khó khăn, phải mất khá nhiềuthời gian mới giải quyết được, khi đem giảng cho học sinh thì rất ít em có thể hiểuđược, một số em hiểu nhưng mức độ vẫn chưa rõ ràng nên nếu gặp một câu tương

tự trong đề thi vẫn có thể không làm được Hiện tượng này gặp ở học sinh và cũng

ở hầu hết các đồng nghiệp trong đơn vị Thậm chí trong đề thi năm 2017 yêu cầuxác định vị trí gần vân trung tâm nhất có đúng 5 bức xạ cho vân sáng thì quả thật

là quá khó, rối dắm không thể hình dung ra được Tôi cũng đã từng tham khảo

nhiều lời giải của các tác giả trên mạng, nhưng phải thú thật là cũng không hiểuđược hoặc chỉ hiểu rất lơ mơ, không chắc chắn.

Xuất phát từ thực tiễn nêu trên, tôi thấy nghiên cứu tìm ra phương pháp giảngdạy giúp các em học tốt dạng bài tập phần này là rất cần thiết và cấp bách Vì

những lí do trên, tôi đã chọn đề tài nghiên cứu “Sử dụng phương pháp vẽ phổ tia

sáng giải quyết bài toán giao thoa với ánh sáng có bước sóng biến thiên liên tục trong chương trình Vật lí 12”

1.2 MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

a Mục đích nghiên cứu

Phân loại các dạng bài tập về giao thoa với ánh sáng liên tục, tìm ra phương

pháp giải đối với một số dạng bài tập về giao thoa với ánh sáng liên tục bằngphương pháp vẽ phổ tia sáng

Nêu lên một số sai sót, khuyết điểm thường gặp phải khi giải quyết các bài toándạng này, chính xác hóa kiến thức và nêu kinh nghiệm khắc phục sai sót

b Nhiệm vụ nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết về cách vẽ phổ tia sáng, đặc điểm của phổ ánh sáng liên

tục, vận dụng giải quyết các bài tập như thế nào

Vận dụng lý thuyết và các kinh nghiệm có được, đưa ra phương pháp giải để cócái nhìn trực quan, cụ thể giúp học sinh dễ hiểu, dễ nhớ, vận dụng tốt vào cáctrường hợp cụ thể có thể xuất hiện trong đề thi THPT Quốc Gia

1.3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Trong giới hạn của đề tài, tôi chỉ đưa ra phần lý thuyết về đặc điểm của phổ ánhsáng liên tục, cách vận dụng vào một số dạng bài tập đã và có thể xuất hiện trong

đề thi THPT Quốc Gia thuộc chương trình Vật Lí 12 THPT

Đề tài này có nhiệm vụ tìm ra cách giải mới, đơn giản, dễ hiểu nhất về bài toángiao thoa với ánh sáng liên tục bằng phương pháp vẽ phổ tia sáng

Đối tượng áp dụng: Tất cả học sinh dự thi THPT Quốc Gia, dự thi bài KHTN

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

a Nghiên cứu lý thuyết

Đọc, tìm hiểu và nghiên cứu các tài liệu có liên quan đến phần giao thoa ánh

sáng, giao thoa với ánh sáng trắng

b Nghiên cứu thực tiễn

Dự giờ bài “Giao thoa ánh sáng” và một số tiết bài tập phần giao thoa ánh sáng

của đồng nghiệp ở các lớp 12B3,12B4, và 12B9

Tham khảo, chia sẻ cách giải quyết của đồng nghiệp trong tổ về các dạng bài tậpnói trên, cách giải của đồng nghiệp, thực tế học sinh ở các lớp giải quyết như thếnào khi gặp loại bài tập này

Chọn một lớp dạy bình thường theo SGK và một lớp dạy theo phương pháp mới,cách làm mới từ kinh nghiệm đúc rút được So sánh đối chiếu kết quả giờ dạy vàrút ra bài học kinh nghiệm

2 NỘI DUNG

2.1 CƠ SỞ LÍ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI

Phần Sóng ánh sáng thuộc chương VI của chương trình Vật Lý 12 nâng cao.Phần bài tập về giao thoa với ánh sáng liên tục có kiến thức liên quan thuộc bài

“Nhiễu xạ ánh sáng Giao thoa ánh sáng” và bài “Khoảng vân Bước sóng và màusắc ánh sáng”

Nội dung kiến thức của phần: Giao thoa ánh sáng với khe Y – âng, được trìnhbày tóm tắt như sau.

2.1.1 VỊ TRÍ CÁC VÂN GIAO THOA VÀ KHOẢNG VÂN TRONG THÍ NGHIỆM Y - ÂNG

+ Khoảng cách giữa hai khe Y - âng S1S2 = a

+ Khoảng cách từ mặt phẳng 2 khe đến màn quan sát OI = D

+ Vị trí điểm A trên màn quan sát, được xác

a

 [4]

2.1.2 GIAO THOA VỚI ÁNH SÁNG TRẮNG

+ Khi giao thoa với ánh sáng trắng có bước sóng biến thiên liên tục từ Tim đến Do

+ Tất cả các bức xạ đều cho vân sáng trùng khít tại O  Tại O ta có một vân sángtrắng

+ Các vân sáng bậc 1; 2 của các bức xạ không trùng nhau mà kề sát bên nhau cho

ta quang phổ có mầu như cầu vồng

+ Bề rộng của quang phổ bậc k trên màn là

x K x dk x tk = k.D D T

a    [6]

2.2 THỰC TRẠNG VẤN ĐỀ TRƯỚC KHI ÁP DỤNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

Thực tiễn, tôi đã ra một đề kiểm tra 15 phút tại 2 lớp 12 mà tôi giảng dạy, lớp 12

B1 và lớp 12B2 là hai lớp thuộc ban KHTN và có trình độ nhận thức tương đươngnhau Nội dung đề thi và kết quả đạt được như sau

Đ

Ề KIỂM TRA 15 PHÚT Câu 1 (THPT – 2016) Trong thí nghiệm Y – âng về giao thoa ánh sáng, khoảng

cách giữa hai khe là 0,5 mm, khoảng cách từ mặt phẳng chứa hai khe đến màn quansát là D = 2 m Nguồn sáng phát ra vô số ánh sáng đơn sắc có bước sóng biến thiên

liên tục từ 380 nm đến 750 nm Trên màn, khoảng cách gần nhất từ vân sáng trungtâm đến vị trí mà ở đó có hai bức xạ cho vân sáng là

A 3,04 mm B 6,08 mm C 9,12 mm D 4,56 mm

Câu 2 (THPT – 2017) Trong thí nghiệm Y – âng về giao thoa ánh sáng, khoảng

cách giữa hai khe là 1 mm, khoảng cách từ mặt phẳng chứa hai khe đến màn quansát là D = 2 m Chiếu vào hai khe ánh sáng trắng có bước sóng từ 380 nm đến 760

nm Trên màn, M là vị trí gần vân trung tâm nhất có đúng 5 bức xạ cho vân sáng

Khoảng cách từ M đến vân trung tâm có giá trị gần nhất với giá trị nào sau đây?

A 6,7 mm B 6,07 mm C 5,5 mm D 5,9 mm

Câu 3 (THPT – 2017) Trong thí nghiệm Y – âng về giao thoa ánh sáng, hai khe

được chiếu bằng ánh sáng trắng có bước sóng từ 380 nm đến 760 nm Trên mànquan sát, tồn tại vị trí mà ở đó có đúng ba bức xạ cho vân sáng ứng với các bướcsóng là 440 nm, 660 nm và  Giá trị của  gần nhất với giá trị nào sau đây?

A 570 nm B 560 nm C 540 nm D 550 nm

Câu 4 (THPT – 2018) Trong thí nghiệm Y – âng về giao thoa ánh sáng, nguồn

sáng phát ra vô số ánh sáng đơn sắc có bước sóng  biến thiên liên tục trongkhoảng từ 400 nm đến 760 nm (400nm << 600 nm) Trên màn quan sát, tại M chỉ

có một bức xạ cho vân sáng và hai bức xạ có bước sóng  1 và  2 ( 1 <  2) cho vântối Giá trị nhỏ nhất của  2là

A 667 nm B 608 nm C 507 nm D 560 nm.

Câu 5 (THPT – 2018) Trong thí nghiệm Y – âng về giao thoa ánh sáng, nguồn

sáng phát ra vô số ánh sáng đơn sắc có bước sóng  biến thiên liên tục trongkhoảng từ 406 nm đến 760 nm (406 nm << 760 nm) Trên màn quan sát, tại Mchỉ có một bức xạ cho vân sáng và hai bức xạ có bước sóng  1 và  2 ( 1 <  2) chovân tối Giá trị lớn nhất của  1 là

A 464 nm B 487 nm C 456 nm D 542 nm

Câu 6 (THPT – 2018) Trong thí nghiệm Y – âng về giao thoa ánh sáng, nguồn

sáng phát ra vô số ánh sáng đơn sắc có bước sóng  biến thiên liên tục trongkhoảng từ 400 nm đến 750 nm (400 nm << 750 nm) Trên màn quan sát, tại Mchỉ có một bức xạ cho vân sáng và hai bức xạ có bước sóng  1 và  2 ( 1 <  2) chovân tối Giá trị nhỏ nhất của  2là

A 600 nm B 560 nm C 667 nm D 500 nm.

Câu 7 (THPT – 2018) Trong thí nghiệm Y – âng về giao thoa ánh sáng, nguồn

sáng phát ra vô số ánh sáng đơn sắc có bước sóng  biến thiên liên tục trongkhoảng từ 399 nm đến 750 nm (399 nm << 750 nm) Trên màn quan sát, tại Mchỉ có một bức xạ cho vân sáng và hai bức xạ có bước sóng  1 và  2 ( 1 <  2) chovân tối Giá trị lớn nhất của  1 là

Trong thực trạng hiện nay, khi xuất hiện bài toán giao thoa với ánh sáng liên tục

kể từ năm 2016 trong đề thi THPT Quốc Gia, đây là dạng bài tập gây rất nhiều khókhăn, ám ảnh với học sinh Thậm chí khi được giáo viên giảng giải, trình bày cáchlàm thì cũng rất ít học sinh có thể hiểu được

Phải nói rằng đây là những câu hỏi ở mức “siêu” khó thậm chí nếu không cómột phương pháp giải mới, một phương pháp trực quan thì quả thật hiểu được lờigiải của người thầy cũng đã là vấn đề lớn đối với học sinh

2.3 GIẢI PHÁP THỰC HIỆN

Để khắc phục những tình trạng trên nhằm nâng cao hiệu quả làm bài thi trắcnghiệm môn Vật Lí (cụ thể phần giao thoa với ánh sáng liên tục), đồng thời tạo chohọc sinh yêu thích và hứng thú với những bài toán về giao thoa với ánh sáng liêntục Tôi đã tiến hành các giải pháp sư phạm sau đây:

2.3.1 Giải pháp thứ nhất: Tổ chức cho học sinh ôn tập, củng cố, khắc sâu các

kiến thức cơ bản và trọng tâm

2.3.2 Giải pháp thứ hai: Xây dựng phương pháp mới, phương pháp vẽ phổ tia

sáng cùng hệ thống bài tập và tổ chức giảng dạy nhằm phát triển năng lực tư duy

và hình thành kỹ năng, năng lực giải quyết các bài tập về giao thoa với ánh sáng liên tục

Để xây dựng phương pháp vẽ phổ tia sáng, tôi đưa ra bài toán tổng quát sau

Bài toán tổng quát:

Trong thí nghiệm Y – âng về giao thoa ánh sáng, sử dụng ánh sáng trắng có bướcsóng biến thiên liên tục từ m đến bước sóng M Hãy vẽ hình ảnh phổ các vânsáng? Phổ các vân tối?

số bán nguyên (k – 0,5) Do đó, đồ thị biểu diễn nó là đường thẳng đi qua gốc tọa

độ 0 (giống như đồ thị hàm số y = a.x) Điều này suy ra, phổ các vân sáng và phổcác vân tối sẽ nằm giữa các đường thẳng giới hạn đi qua gốc tọa độ (phổ các vânsáng là đường nét liền đậm, phổ các vân tối là đường nét rời)

2.3.3 Giải pháp thứ ba: Thực nghiệm sư phạm

- Mục đích của thực nghiệm: Bước đầu kiểm tra tính khả thi và hiệu quả của

giải pháp thứ nhất và giải pháp thứ hai

- Tổ chức thử nghiệm: Lớp thử nghiệm là 12B2 – Lớp thực nghiệm và lớp

12B1 – Lớp đối chứng

- Nội dung thử nghiệm: Hướng dẫn học sinh vận dụng phương pháp vẽ phổ tia

sáng vào giải các bài toán giao thoa với ánh sáng liên tục trong các tiết dạy trên lớp,kiểm tra hiệu quả của phương pháp mới thông qua bài kiểm tra trắc nghiệm kháchquan

Bài 1 (THPT – 2016) Trong thí nghiệm Y – âng về giao thoa ánh sáng, khoảng

cách giữa hai khe là 0,5 mm, khoảng cách từ mặt phẳng chứa hai khe đến màn quansát là D = 2 m Nguồn sáng phát ra vô số ánh sáng đơn sắc có bước sóng biến thiênliên tục từ 380 nm đến 750 nm Trên màn, khoảng cách gần nhất từ vân sáng trungtâm đến vị trí mà ở đó có hai bức xạ cho vân sáng là [1]

A 3,04 mm B 6,08 mm C 9,12 mm D 4,56 mm Hướng dẫn

+ Ví dụ : Trong bài toán trên nếu ta muốn kiểm tra xem phổ bậc 2 và phổ bậc 1

có đè nhau không bằng cách : 1 i Max = 1.3 = 3 mm ; 2.i min = 2.1,52 = 3,04 mm, suy

ra chúng không đè nhau tạo ra khe giữa 2 đường thẳng đứng.

+ Trong trường hợp bài toán yêu cầu có nhiều vân sáng trùng nhau (phải vẽ rất nhiều phổ tia sáng), liệu phương pháp này có còn khả thi hay không? Trong trường hợp này ta vẫn có thể phát hiện ra quy luật, quy nạp bài toán và không cần phải vẽ phổ tia sáng.

Bài 2 Trong thí nghiệm Y – âng về giao thoa ánh sáng, khoảng cách giữa 2 khe Y

âng là a = 0,5 mm, khoảng cách từ mặt phẳng chứa hai khe đến màn quan sát là D

= 2 m Nguồn sáng phát ra vô số ánh sáng đơn sắc có bước sóng biến thiên liên tục

từ 390 nm đến 730 nm Trên màn, khoảng cách gần nhất từ vân sáng trung tâm đến

vị trí mà ở đó có đúng 12 bức xạ cho vân sáng là

A 37,44 mm B 35,44 mm C 44,37 mm D 27,44 mm Hướng dẫn.

+ Trong trường hợp này ta không cần thiết phải vẽ

tất cả phổ của ánh sáng

+ Ta chỉ cần minh họa như hình vẽ

- Vân sáng bậc k

- Vân sáng bậc k – 1



= 37,44 mm

Chọn A

Bài 3 Trong thí nghiệm Y – âng về giao thoa ánh sáng, khoảng cách giữa 2 khe Y

âng là a = 1 mm, khoảng cách từ mặt phẳng chứa hai khe đến màn quan sát là D =

1 m Nguồn sáng phát ra vô số ánh sáng đơn sắc có bước sóng biến thiên liên tục từ

390 nm đến 730 nm Trên màn, khoảng cách gần nhất từ vân sáng trung tâm đến vịtrí mà ở đó có đúng 9 bức xạ cho vân tối là

A 9,825 mm B 6,44 mm C 8,825 mm D 6,825 mm Hướng dẫn

+ Trong trường hợp này ta không cần thiết phải vẽ tất cả phổ của ánh sáng

+ Ta chỉ cần minh họa như hình vẽ

- Vân tối thứ k (k là số bán nguyên)

Bài 4 Trong thí nghiệm Y – âng về giao thoa ánh sáng, khoảng cách giữa 2 khe Y

âng là a = 1 mm, khoảng cách từ mặt phẳng chứa hai khe đến màn quan sát là D =

2 m Nguồn sáng phát ra vô số ánh sáng đơn sắc có bước sóng biến thiên liên tục từ

410 nm đến 760 nm Trên màn, M là vị trí gần vân trung tâm nhất có đúng 4 bức xạcho vân sáng và có đúng 4 bức xạ cho vân tối Khoảng cách từ M đến vân trungtâm có giá trị gần nhất với giá trị nào sau đây

A 9,25 mm B 6,46 mm C 6,56 mm D 6,825 mm Hướng dẫn.

+ Trong trường hợp này ta không cần thiết phải vẽ tất

cả phổ của ánh sáng

+ Ta chỉ cần minh họa như hình vẽ

- Vân bậc q (q nguyên là vân sáng ; q bán nguyên là

vân tối)

- Vân bậc q – 0 5 (nếu q là vân sáng thì (q – 0,5) là vân tối và ngược lại)

Bài 5 Trong thí nghiệm Y – âng về giao thoa ánh sáng, khoảng cách giữa hai khe

là 0,5 mm, khoảng cách từ mặt phẳng chứa hai khe đến màn quan sát là D = 2 m.Nguồn sáng phát ra vô số ánh sáng đơn sắc có bước sóng biến thiên liên tục từ 380

nm đến 750 nm Trên màn, khoảng cách gần nhất từ vân sáng trung tâm đến vị trí

mà ở đó có ba bức xạ cho vân sáng là

A 7,6 mm B 6,08 mm C 9,12 mm D 4,56 mm Hướng dẫn.



= 3 mm