Phát huy tính tích cực của học sinh qua giảng dạy chủ đề các dụng cụ quang học bổ trợ cho mắt vật lý lớp 11 TH

Trong dạy học vật lý, một môn khoa học thực nghiệm nên việc vận dụng kiến thức môn học để giúp học sinh phát huy tính tích cực, năng động sáng tạo cũng như rèn luyện kỹ năng thực hành rấ

1 MỞ ĐẦU

1.1 Lí do chọn đề tài

Việc nghiên cứu các phương pháp giáo dục nhằm phát huy tính tích cực hoạt động nhận thức của học sinh để nâng cao chất lượng dạy học là vấn đề cấp thiết đối với mọi giáo viên và các nhà quản lý giáo dục Nó đã và đang trở thành một xu hướng ở các trường phổ thông hiện nay

Trong dạy học vật lý, một môn khoa học thực nghiệm nên việc vận dụng kiến thức môn học để giúp học sinh phát huy tính tích cực, năng động sáng tạo cũng như rèn luyện kỹ năng thực hành rất quan trọng

Hiện nay, Bộ giáo dục đã và đang đưa kiến thức của lớp 10 và lớp 11 vào thi THPT Quốc gia, các em học sinh phải có một kiến thức tổng quát, sâu sắc của hệ thống kiến thức của cả chương trình phổ thông thì mới có điểm 9,điểm 10 Là một giáo viên giảng dạy môn Vật lý tôi luôn tìm ra những phương pháp nhằm phát huy tính tích cực sáng tạo của các em học sinh Trong thực tế với xu hướng thi trắc nghiện khách quan nên đa phần các em học theo kiểu vận dụng công thức mà quên

đi bản chất của vấn đề, trong khi đó một số chủ đề thì sách giáo khoa hiện hành chỉ đưa ra công thức mà không chứng minh hoặc đưa ra chưa đầy đủ các trường hợp Như chủ đề các dụng cụ quang học bổ trợ cho mắt ở vật lý 11 THPT Trên tinh đó

qua thực tế giảng dạy của bản thân, tác giả lựa chọn đề tài nghiên cứu: Phát huy tính tích cực của học sinh qua giảng dạy chủ đề "các dụng cụ quang học bổ trợ cho mắt" vật lý lớp 11 THPT.

1.2 Mục đích nghiên cứu

Nâng cao chất lượng chất lượng giảng dạy chủ đề các dụng cụ quang học kính lúp, kính hiển vi, kính thiên văn

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Hệ thống kiến thức lý thuyết và bài tập về Kính lúp, kính hiển vi, kính thiên văn

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu xây dựng cơ sở lý thuyết: Nghiên cứu tài liệu từ

sách, báo, mạng internet về kính lúp,kính hiển vi, kính thiên văn để giải quyết vấn

đề đặt ra trong đề tài

- Phương pháp điều tra: Tìm hiểu thực tế sự quan tâm, vận dụng kiến thức Vật

lý ở trường THPT tĩnh Gia 2, trao đổi kinh nghiệm với giáo viên, thăm dò học sinh

để tìm hiểu tình hình học tập của các em trong từng lớp học

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Thực nghiệm sư phạm đánh giá hiệu

quả sử dụng đề tài nghiên cứu trong dạy học ở Trường THPT Tĩnh Gia 2

1.5 Những điểm mới của sáng kiến kinh nghiệm

- Kỹ năng vận dụng kiến thức về thấu kính, hệ thấu kính, kỹ năng vẽ ảnh của vật qua thấu kính, hệ thấu kính

- Xây dựng các công thức cụ thể về độ bội giác khi ngắm chừng ở bất kỳ, khi ngắm chừng ở cực cận, khi ngắm chừng ở cực viễn hay ngắm chừng ở vô cực của kính lúp, kính hiển vi, kính thiên văn Trình bày một cách chi tiết lời giải tường minh cho từng bài toán cụ thể Trong các tài liệu hiện hành chỉ mới dừng lại ở đưa

ra công thức ngắm chừng ở vô cực đối với kính thiên văn và kính hiển vi (công thức độ bội giác khi ngắm chừng ở vô cực kính thiên văn chưa có chứng minh) Điều này gây nhiều khó khăn cho các thầy cô và các các em học sinh trong quá trình dạy và học

- Giúp các em học sinh hiểu một cách tường minh về các dụng cụ quang học

bổ trợ cho mắt để sử dụng được các dụng cụ này

- Thông qua các bài tập rèn luyện kỹ năng giải bài tập từ đó liên hệ thực tế

2

-2 NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

2.1 Cơ sở lý luận của sáng kiến kinh nghiệm

2.1.1.Góc trông và năng suất phân ly của mắt:

Góc mở bởi hai tia từ mắt đến đỉnh và chân của vật (hình 1) được gọi là góc trông vật.

Góc trông bé nhất mà mắt còn phân biệt được hai

điểm sáng khác nhau được gọi là năng suất phân ly của

mắt Khi đó ảnh của hai điểm sáng này sẽ hiện lên ở hai tế

bào thần kinh sát nhau trên võng mạc (khi ảnh hiện lên

trên cùng một tế bào thì mắt không thể phân biệt được

nữa) Năng suất phân ly trung bình của mắt người 4rad

min 1 ' 3 10 





 

2.1.2 Độ bội giác của một dụng cụ quang học:

Khi mắt nhìn vật trực tiếp với góc trông lớn nhất có thể là 0, còn nhờ một dụng cụ nào đó, mắt quan sát ảnh của vật này dưới góc trông  thì độ bội giác (số phóng đại góc) được định nghĩa là:

0







G

Nhưng người ta chỉ dùng các dụng cụ bổ trợ cho mắt khi góc trông vật là bé, khi đó góc trông ảnh cũng bé nên để tiện tính toán, người ta dùng công thức:

tan

tan 0











G

2.1.3 Kính lúp

2.1.3.1 Định nhgĩa

Là một dụng cụ quang học bổ trợ cho mắt trông việc quang sát các vật nhỏ

Nó có tác dụng làm tăng góc trông ảnh bằng cách tạo ra một ảnh ảo, lớn hơn vật và nằm trông giới hạn nhìn rõ của mắt

+ Cấu tạo: một thấu kính hội tụ có tiêu cự ngắn (cỡ vài cm)

Khi quan sát vật nhỏ qua kính lúp, ta đặt vật trong khoảng từ quang tâm của kính tới tiêu điểm để cho một ảnh ảo lớn hơn vật rồi điều chỉnh sao cho ảnh ảo đó nằm trong phạm vi nhìn thấy của mắt Tùy theo vị trí của ảnh được điều chỉnh ở đâu mà có các cách ngắm chừng ở điểm cực cận, điểm cực viễn hoặc ở vị trí bất kỳ Thông thường để mắt không bị mỏi (không phải điều tiết) thì nên ngắm chừng

ở điểm cực viễn (với mắt bình thường là ngắm ở vô cực)

Hình 2



A B

Hình 1

2.1.3.2 Độ bội giác của kính lúp

2.1.3.2.1.Định nghĩa

Độ bội giác G của một dụng cụ quang học bổ trợ

cho mắt là tỉ số giữa góc trông ảnh  của một vật

qua dụng cụ quang học đó với góc trông trực tiếp

0

 của vật đó khi đặt vật tại điểm cực cận của

mắt (hình 3)

2.1.3.2.2 Công thức

0

0 tan

tan













G (vì góc  và  0 rất nhỏ)

Đối với kính lúp thì góc trông trực tiếp được lấy là góc trông vật khi ngắm chừng ở điểm cực cận:

) 1 ( tan 0

AB OC

AB

C C







2.1.3.2.2.1 khi ngắm chừng ở bất kỳ

Giả sử ảnh được điều chỉnh cách mắt một

khoảng d ' l như hình 4 (l là khoảng từ kính

đến mắt) thì góc trông ảnh là:

) 2 ( '

' ' tan

l d

B A







Từ (1) và (2), ta xác định được độ bội

giác:

' '

' '

l d

Đ k l d

D AB

B A







Trong đó k là số phóng đại của ảnh qua thấu kính.

Từ công thức tổng quát này có thể suy ra độ bội giác trong các trường hợp:

2.1.3.2.2.2 Khi ngắm chừng ở cực cận

thì d l Đ C Thay vào (3) G = k

2.1.3.2.2.3 Khi ngắm chừng ở cực viễn:

thì d   OC V do đó:

V

C V

OV

Đ x d

d

G   '

2.1.3.2.2.4 Khi ngắm chừng ở vô cực:

ảnh A’B’ ở vô cực (hình 5), khi đó AB ở tại F do đó:

Do d=f và d'   nên tan  OF AB AB f và độ bội giác lúc này: .

f

Đ

G  C

4

-d



F A'

B'

B

F'

Hình 4 Hình 3

Hình 5

G có giá trị từ 2,5 đến 25

+ Mắt không phải điều tiết

+ Độ bội giác của kính lúp không phụ thuộc vào vị trí đặt mắt

Giá trị của Gđược ghi trên vành kính: X2,5; X5

2.1.3.2.2.5 Chú ý:

- Với l là khoảng cách từ mắt tới kính lúp thì:

0 ≤ l < f  GC > GV;

l = f  GC = GV;

l > f  GC < GV

- Trên vành kính thường ghi giá trị G 0,f25

f

G 0,25 10   0 , 025  2 , 5

b) Khi ngắm chừng ở điểm cực cận: OC C Đ C d' l nên:

.

C

C k

G 

Tức là độ bội giác đúng bằng số phóng đại của ảnh

2.1.3.3 Bài toán :

Bài toán 1 Một ính lúp có độ tụ 8dp Nếu mắt có khoảng nhìn rõ ngắn nhất là Đ C

=25cm dùng kính này để soi các vật nhỏ thì có thể cho độ bội giác là bao nhiêu nếu

kính đặt sát mắt?

Nhận xét :

* Độ bội giác của kính phụ thuộc vào cách ngắm Nhưng trước hết, để ngắm được ảnh của vật thì ảnh phải hiện lên trong vùng nhìn thấy của mắt

* Như vậy, vật phải được đặt trước kính sao cho xuất hiện ảnh ảo, nghĩa là cách kính một khoảng nhỏ hơn tiêu cự, nhưng ảnh này lại không được hiện lên gần hơn ĐC kể từ kính (tức là kể từ mắt)

Giải:

Khi ngắm vật trực tiếp, không qua kính thì góc trông được xác định:

) 1 ( 0

C

D

h

tg 

Khi ngắm qua kính (hình 6) thì góc trông  được xác định:

) 2 ( '

d

H d

h

tg  

Từ đó độ bội giác được xác định : H h

d’

Hình 6

) 3 (

0 d

D tg

tg





Theo công thức thấu kính thì:

1

' '

1 1

dD

d d D

d

Để cho ảnh ảo nằm trong vùng nhìn thấy của mắt thì:

) 4 ( 1

) 1

( '

D D

D d D

D D d D

d

C

C C

C C















Ngoài ra, để cho ảnh ảo của vật thì vật phải đặt phía trong tiêu điểm nên:

) 5 (

1

D f

d  

Kết hợp hai điều kiện này: 1 .

1 D D d D

D

C

C







Kết hợp bất phương trình này với (3), ta được: Đ C DG 1 Đ C D  2 G 3

Vậy độ bội giác có thể nhận được là từ 2 đến 3

Bài 2: Một người dùng kính lúp có tiêu cự 2,5cm Mắt đặt tại tiêu điểm của kính

lúp quan sát vật nhỏ AB cao 0,3mm

a/ Tính góc trông ảnh của AB nhìn qua kính lúp

b/ Tính độ bội giác của kính lúp, biết khoảng cực cận của mắt là Đ = 24cm

c/ Năng suất phân li của mắt là  3.10 rad4 Tìm AB nhỏ nhất mà mắt còn quan sát dược qua kính lúp

ĐS: a/  0,012rad; b/ G = 9,6; c/ 4

min 7,5.10 7,5

Bài 3: Một học sinh cận thị có các điểm Cc, Cv cách mắt lần lượt 10cm và 50cm.

Học sinh này dùng kính lúp có độ tụ +10dp để quan sát một vật nhỏ Mắt đặt sát kính

a/ Phải đặt vật trong khoảng nào trước kính

b/ Một học sinh khác, có mắt không bị tật, ngắm chừng kính lupc trên ở vô cực Cho OCc= 25cm Tính G

ĐS: a/ 5cm d  9cm ; b/ G 2,5

2.1.4 Kính hiển vi

2.1.4.1 Định nghĩa:

Kính hiển vi là một dụng cụ quang học bổ trợ cho mắt

làm tăng góc trông ảnh của những vật nhỏ, với độ bội

giác lớn lơn rất nhiều so với độ bội giác của kính lúp

2 1 2

1

f f

Đ G

K





2.1.4.2 Cấu tạo: (Hình 7)

- Vật kính O1: TKHT f1 rất ngắn (vài mm), dùng để tạo ra một ảnh thật rất lớn của vật cần quan sát

- Thị kính O2: TKHT f2 ngắn (vài cm), dùng như một kính lúp để quan sát ảnh thật nói trên

- O1, O2 đặt đồng trục, l O O 1 2 const

- Bộ phận tụ sáng dùng để chiếu sáng vật cần quan sát

2.1.4.3 Cách ngắm chừng :

Trong thực tế ta thay đổi khoảng cách từ vật đến vật kính bằng cách đưa cả ống kính lại gần hay ra xa vật

2.1.4.4 Độ bội giác :

tg0 =

C

AB OC

AB



2.1.4.4.1 Ngắm chừng ở vị trí bất kì (Hình 8):

tg =

2

2

2

OA

B

A

 G =

2 2

2 2 0

.

OA

Đ K OA

Đ AB

B A tg









2.1.4.4.2 Khi ngắm chừng ở cực cận A2  CC thì GC = K

2.1.4.4.3 Ngắm chừng ở vô cực (Hình 9) :

Hình 8

Công thức này nói lên rằng khi cả vật kính và thị kính đều có tiêu cự bé thì kính sẽ cho độ bội giác lớn

2.1.4.5 Bài tập

Bài toán 1: Vật kính của kính hiển vi có tiêu cự f1 = 1cm, thị kính có tiêu cự f2 = 4

cm vật kính và thị kính cách nhau l = 21 cm không đổi Mắt người quan sát không

bị tật đặt sát kính có khoảng cực cận là Đ = 20 cm

a, Phải đặt vật trong khoảng nào trước kính để người quan sát có thể nhìn thấy ảnh của vật qua kính

b, Tính số bội giác khi ngắm chừng ở vô cực

Giải:

+ Cho biết : OCC = 20cm ;OCV =  ; f1 = 1cm, f2 = 4 cm; l = 21cm,

Yêu cầu : d1c  d d1v; G ?

a Ta có sơ đồ tạo ảnh: ' 2 2

2 2

2 1 1 ' 1 1

1

;

O B A d d

O AB

+ Khi ngắm chừng ở cực cận thì :

'

d OC  cm

'

2 2

2 '

2 2

.

d f d

 thay số d2 = 10

3 cm

Mặt khác '

1

d + d2 = l nên '

1

3 cm

Vậy

'

1 1

1 ' 1

.

1, 06

v

d f



+ Khi ngắm chừng ở vô cùng thì :

'

d OC 

'

2 2

2 '

2 2

.

d f d

 thay số d2= f2  4cm

Mặt khác '

1

d + d2= l nên '

1

d = l d 2  17cm

8

-Hình 9



'

1 1

1 ' 1

.

1, 0625

c

d f



Vậy đặt vật trong khoảng : 1,0600cm d  1,0625cm

b Số bội giác khi ngắm chừng vô cực là :

Với   l f1  f2  16cm

2 1

.

f f

Đ

G  thay số vào G 16.201.4 80

Bài toán 2: Vật kính của một kính hiển vi có tiêu cự f 1 =3mm, thị kính có tiêu cự

f 2 =50mm Khoảng cách giữa chúng là L=135mm, khoảng cách từ vật đến vật kính đến là d 1 =3,1mm.

a) Ảnh cuối cùng cho bởi kính cách mắt một khoảng bao nhiêu?

b) Vẽ hình

c) Tìm số phóng đại của ảnh qua kính

Nhận xét:

* Việc xác định vị trí của ảnh cuối cùng cho bởi kính trong trường hợp này chỉ

là xác định vị trí của ảnh qua hệ hai thấu kính hội tụ quen thuộc

* Bài toán yêu cầu tính số phóng đại của ảnh chứ không phải độ bội giác nên

ta vẫn sử dụng công thức k  k1k2.

Giải:

a) Ảnh A1B1 cho bởi vật kính sẽ cách vật kính một khoảng:

).

( 93

1

1

1

1

f

d

f

d







Khoảng cách từ ảnh A1B1 đến thị

kính:

).

( 42 93 135

1

Khoảng cách từ ảnh A2B2 đến thị

kính (và cũng là khoảng cách từ ảnh

này đến mắt):

).

( 5 , 262 50 42

50 42

2

2

2

2

f

d

f

d











b) Hình vẽ được biểu diễn trên hình 10

c) Độ phóng đại của ảnh cho bởi kính: 187 , 5

2

2 1

1  



d

d d

d k

Bài toán 3:Tiêu cự của vật kính và thị kính của một kính hiển vi tương ứng là

f 1 =4mm và f 2 =2,5mm Một vật nhỏ nằm cách tiêu điểm của vật kính một khoảng a=0,2mm Tìm độ bội giác của kính khi ngắm chừng ở vô cực và chiều dài quang học của kính nếu khoảng cực cận của mắt là D C =25cm.

Nhận xét:

A

1

B 1

A 2

B 2

O 1

1

Hình 10

* Độ bội giác của thị kính khi ngắm chừng ở vô cực hoàn toàn xác định được Vậy theo công thức tính độ bội giác của kính hiển vi khi ngắm chừng ở vô cực, ta cần xác định thêm số phóng đại của ảnh qua vật kính

* Vì ngắm ở vô cực nên ảnh cho bởi vật kính phải được đặt vào đúng tiêu điểm của thị kính Như vậy chiều dài quang học của kính được xác định theo hệ thức:

.

1

1 f

d 





Giải:

Áp dụng công thức thấu kính đối với vật kính, ta có:

) 1 ( ) ( 1

1

1 1

1

a f f d f

d

a

f

















Từ đó tính được số phóng đại của ảnh qua vật kính:

) 2 (

1 1

1

1

a

f

a

f

d







Độ bội giác của thị kính khi ngắm chừng ở vô cực:

.

2

2

f

D



Độ bội giác của kính khi ngắm chừng ở vô cực bằng:

2000

2

1

2



af

D f

G

k

Độ dài quang học của kính:  d 1 f1.

Kết hợp với (1), ta nhận được:

).

(

8

2

a

f







2.1.5.Kính thiên văn

2.1.5.1 Định nghĩa: Kính thiên văn là dụng cụ bổ trợ cho

mắt khi quan sát các vật ở rất xa

Kính thiên văn có hai loại: Kính chiết quang có bộ

phận chính là thấu kính và kính phản quang có bộ phận

chính là gương cầu lõm

2.1.5.2 Cấu tạo: Kính thiên văn chiết quang có cấu tạo từ

một thấu kính hội tụ có tiêu cự lớn, gọi là vật kính và một

thấu kính hội tụ có tiêu cự bé, gọi là thị kính, có vai trò

giống như kính hiển vi Hai kính lắp đồng trục với nhau

nhưng khoảng cách giữa chúng có thể thay đổi (đặc điểm

này khác với kính hiển vi)

- Vật kính O1: TKHT, f1

- Thị kính O2: TKHT, f2

10

-Hình 11

- O1, O2: đồng trục, l O O 1 2 : thay đổi được.

2.1.5.3 Sự tạo ảnh qua kính thiên văn:

Sơ đồ tạo ảnh

( )

C

V

OC

OC









Vật sáng ở rất xa, coi như ở vô cực, qua thị kính sẽ cho ảnh thật A1B1 ở tiêu điểm của thị kính (tiêu cự của vật kính càng lớn thì ảnh thật này càng lớn)

Thị kính đóng vai trò làm kính lúp để quan sát ảnh này (hình 12) Ảnh cuối cùng A2B2 của hệ phải được điều chỉnh để nằm trong phạm vi nhìn thấy của mắt (bằng cách thay đổi khoảng cách giữa hai kính)

' 1

1 :d f

' 1 2

2 :d l d l f

Trong đó l là khoảng các 2 thấu kính

2.1.5.4 Độ bội giác:

2.1.5.4.1.Khi ngắm chừng ở bất kỳ

1

1 2 1

1

1 1 2

1 1

0

tan

tan

f l

f d f f

B A d

B A G















2.1.5.4.2 Ngắm chừng ở  (Hình 13):

2

1 f

f

l 

2

1

f

f

G 

 

Hình 12

2.1.5.4.3 Ngắm chừng ở C C :

Đ

f k Đ

f B A

B A f

B

A Đ

B A

2 1 1 1

2 2

1

1 1

2 2

0

tan

tan













2.1.5.5 Bài toán

Bài toán 1: Một người có mắt bình thường quan sát Mặt trăng qua một kính thiên

văn Vật kính của nó có tiêu cự f 1 =2m, thị kính có tiêu cự f 2 =5cm Người này quan sát ảnh ở điểm cực cận với khoảng cách nhìn rõ gần nhất là D C =25cm Cần dịch

chuyển thị kính một khoảng bao nhiêu để nhận được ảnh của mặt trăng trên một cái

màn đặt sau thị kính, cách thị kính một khoảng l=25cm? Khi đó kích thước Mặt trăng trên màn là bao nhiêu nếu kích thước góc của nó là =30’? Màn được gắn cố

định với ống chứa thị kính

Nhận xét:

* Ban đầu, khi quan sát ảnh tại điểm cực cân tức là ảnh ảo, ảnh A1B1 cho bởi vật kính phải được đặt trong khoảng tiêu cự của thị kính Sau đó để nhận được ảnh trên màn thì ảnh đó là ảnh thật, muốn vậy ảnh A1B1 phải được đặt ngoài khoảng tiêu cự của thị kính Do đó thị kính phải được di chuyển ra xa vật kính một khoảng

a nào đó

* Như vậy ta cần tính được khoảng cách từ ảnh A1B1 đến thị kính trong hai trường hợp Khoảng di chuyển cần thiết của thị kính chính là hiệu của hai khoảng cách trên

Giải

Ảnh S1 của Mặt trăng được tạo ra trên tiêu diện của vật kính Khi mắt quan sát ảnh S2 qua thị kính thì khoảng cách từ S2 đến thị kính là D C Nên khoảng cách từ ảnh S1 đến thị kính được xác định theo công thức:

12