Khi dạy phần Quang Học lớp 11 Các bài toán liên quan đến sự dịch chuyển của vật và ảnh, tôi nhận thấy học sinh tuy có làm rất tốt các bài tập ở trong SGK, các bài tập ở mức độ vận dụng
Trang 11 MỞ ĐẦU 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Môn Vật Lí là một trong những môn học cơ bản và quan trọng trong trường THPT 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 ( 2017 – 2018 ) đề thi sẽ bao gồm cả phần kiến thức lớp 11 và trong năm học tới đây ( 2018 – 2019 ) bao gồm kiến thức toàn bộ trong chương trình THPT Là một giáo viên bộ môn Vật
Lý, tôi luôn nghiên cứu, tìm tòi ra các phương pháp giảng dạy nhằm đem lại hiệu quả cao nhất
Mặt khác, trong thời điểm hiện nay, hình thức thi TNKQ ( thời gian làm bài rút ngắn 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 phần Quang Học lớp 11 ( Các bài toán liên quan đến sự dịch chuyển của vật và ảnh), tôi nhận thấy học sinh tuy có làm rất tốt các bài tập ở trong SGK, các bài tập ở mức độ vận dụng thấp, các em làm khá tốt và hoàn thành nhanh chóng, tuy nhiên khi gặp những bài tập có sự dịch chuyển của vật và ảnh, thậm chí nếu dịch vật theo hai chiều ( dịch 2 lần ), thì các em tỏ ra rất lúng túng, tuy một số
em có học lực tốt có thể biết cách làm, nhưng đa số phương phải giải của các em không tối ưu, các em thường lập các phương trình ( hoặc hệ phương trình đối với bài toán có 2 lần dịch vật), rồi tiến hành giải phương trình hoặc hệ phương trình Mặc dù hiện nay đã có máy tính cầm tay hỗ trợ rất đắc lực việc tính toán, nhưng đa
số các phương trình thiết lập được đều rất phức tạp, việc tính toán tốn rất nhiều thời gian và mắc nhiều sai sót ngay cả ở những tốp học sinh xuất sắc nhất Hơn nữa theo
lộ trình thi THPT Quốc Gia, năm học 2018 – 2019 đề thi sẽ bao gồm toàn bộ chương trình THPT, vì vậy hoàn toàn có thể xảy ra, các câu hỏi và bài tập dạng này
sẽ xuất hiện trong đề thi THPT ở mức độ vận dụng, và vận dụng cao Vì vậy, nghiên cứu tìm ra phương pháp giảng dạy giúp các em học tốt phần này là rất cần thiết, cấp bách, và mang tính đón đầu
Vì những lí do trên, tôi đã chọn đề tài nghiên cứu “ Một số kinh nghiệm giải
nhanh bài toán dịch vật trong sự tạo ảnh qua thấu kính mỏng ”.
1.2 MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
a Mục đích nghiên cứu
Phân loại các dạng bài tập về sự dịch chuyển của vật và ảnh qua thấu kính
mỏng, phương pháp giải quyết các dạng bài tập đó ở mức tối ưu, các bước làm cụ thể, quy chuẩn, giúp các em học sinh vận dụng giải quyết tốt phần này
Nêu lên một số sai sót, khuyết điểm thường gặp phải khi giải quyết các bài toán dạng này, chính xác hóa kiến thức và nêu kinh nghiệm khắc phục sai sót
Trang 2b Nhiệm vụ nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết về cách tạo ảnh qua thấu kính, xây dựng các công thức
thấu kính, công thức thấu kính mở rộng, quy ước dấu, xây dựng phương pháp giải quyết các bài toán
Vận dụng lý thuyết và các kinh nghiệm có được, giải các bài tập về sự dịch chuyển của vật và ảnh qua thấu kính ở cấp độ vận dụng và vận dụng cao có thể xuất hiện trong đề thi THPT Quốc Gia và đề thi HSG cấp tỉnh
1.3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Trong giới hạn của đề tài, tôi chỉ đưa ra phần lý thuyết và các dạng bài tập về sự dịch chuyển của vật trong sự tạo ảnh qua thấu kính ở chương trình Vật Lí 11 THPT
Đối tượng áp dụng: Tất cả học sinh dự thi THPT Quốc Gia, dự thi bài KHTN, học sinh trong đội tuyển dự thi HSG cấp tỉnh
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 thấu kính, sự tạo
ảnh qua thấu kính
b Nghiên cứu thực tiễn
Dự giờ bài “ Thấu kính mỏng ” và bài “ Bài tập về lăng kính và thấu kính mỏng
” của đồng nghiệp ở một số lớp 11B2,11B3, 11B4 và 11B8
Chọn một lớp dạy bình thường theo SGK và một lớp dạy theo kinh nghiệm đúc rút được So sánh đối chiếu kết quả giờ dạy và rút ra bài học kinh nghiệm
Trang 32 NỘI DUNG 2.1 CƠ SỞ LÍ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI
Phần Thấu kính mỏng thuộc chương VII của chương trình Vật Lý 11 nâng cao Phần bài tập về bài toán dịch vật có kiến thức liên quan thuộc bài “ Thấu kính mỏng ” và bài “ Bài tập về lăng kính và thấu kính mỏng ”
Nội dung kiến thức của phần Thấu kính mỏng, bài toán về sự dịch chuyển của vật và ảnh được trình bày tóm tắt như sau
A KHÁI NIỆM VỀ THẤU KÍNH MỎNG
+ Thấu kính là một khối trong suốt, được giới hạn bởi hai mặt cầu hoặc một mặt phẳng và một mặt cầu
+ Phân loại: Chia hai loại thấu kính
- Thấu kính mép mỏng, gọi là thấu kính hội tụ
- Thấu kính mép dày, gọi là thấu kính phân kỳ [1]
B KHÁI NIỆM VẬT VÀ ẢNH ĐỐI VỚI MỘT DỤNG CỤ QUANG HỌC
a KHÁI NIỆM VẬT ĐỐI VỚI MỘT DỤNG CỤ QUANG HỌC ( QUANG CỤ ) + Giao điểm của các tia sáng tới một dụng cụ quang học nào đó được gọi là vật đối với dụng cụ quang học ấy Nếu giao điểm này có thật thì là vật thật, nếu giao điểm này chỉ là đường kéo dài của các tia cắt nhau thì là vật ảo
+ Nhận thấy, vật thật là giao điểm của chùm tia tới phân kỳ và nằm trước quang cụ, vật ảo là giao điểm không có thật của chùm tia tới hội tụ và nằm sau quang cụ
Vật thật Vật ảo
b KHÁI NIỆM ẢNH CỦA VẬT QUA MỘT DỤNG CỤ QUANG HỌC
+ Giao điểm của các tia phản xạ hay khúc xạ từ một dụng cụ quang học nào đó
được gọi là ảnh cho bởi quang cụ ấy Nếu giao điểm đó có thật thì là ảnh thật, nếu giao điểm đó chỉ là đường kéo dài của các tia cắt nhau thì là ảnh ảo
Ảnh thật Ảnh ảo
Trang 4+ Nhận thấy, ảnh thật là giao điểm có thật của chùm phản xạ hay khúc xạ hội tụ, ảnh ảo là giao không có thật của chùm phản xạ hay khúc xạ phân kỳ
C CÔNG THỨC XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ CỦA VẬT, ẢNH QUA THẤU KÍNH
a QUY ƯỚC VỀ DẤU
+ Vật thật d > 0, vật ảo d < 0
+ Ảnh thật d’ > 0, ảnh ảo d’ < 0
+ Thấu kính hội tụ f > 0; thấu kính phân kỳ f < 0
+ Vật và ảnh cùng chiều nhau: k > 0; vật và ảnh ngược chiều nhau k < 0 [2]
b CÔNG THỨC THẤU KÍNH
+ Công thức này áp dụng được cho tất cả các trường hợp tạo ảnh qua thấu kính
- Vị trí của ảnh qua thấu kính :
- Vị trí của vật :
- Xác định tiêu cự f :
- Số phóng đại ảnh : k = [2]
2.2 THỰC TRẠNG VẤN ĐỀ TRƯỚC KHI ÁP DỤNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM
Trong quá trình giảng dạy, tôi nhận thấy nếu giáo viên chỉ dạy theo SGK, không tìm tòi sáng tạo thêm những cái mới thì sẽ không gây được hứng thú học tập cho học sinh, đồng thời học sinh sẽ gặp rất nhiều khó khăn và lúng túng khi làm bài tập Vì lượng kiến thức trong SGK chỉ là kiến thức cơ bản, chưa đào sâu mở rộng Trong quá trình nghiên cứu, giảng dạy chương trình Vật Lí 11 phần ‘’ Mắt và các dụng cụ quang học’’ tôi nhận thấy đa số học sinh tuy có thể làm tốt các bài tập trong SGK, các bài tập ở mức độ vận dụng thấp nhưng thường gặp rất nhiều khó khăn, lúng túng khi gặp những dạng bài tập sau đây
Bài 1 Một vật sáng AB đặt vuông góc với trục chính của một thấu kính hội tụ cho
ảnh thật A1B1 cao 2 cm Nếu dịch chuyển vật AB lại gần một đoạn 45 cm thì thu được ảnh thật A2B2 cao 20cm và cách A1B1 một đoạn 18 cm Xác định tiêu cự của thấu kính và vị trí ban đầu của vật
ĐA: f = 10 cm ; d1 = 60 cm.
Bài 2 Vật sáng AB đặt trước thấu kính O, tiêu cự f cho ảnh nằm trong khoảng từ
vật đến kính Dịch chuyển vật gần thấu kính thêm 30 cm thì ảnh dịch chuyển 1 cm
và ảnh mới lớn hơn ảnh cũ 1,2 lần Thấu kính thuộc loại gì ? Tiêu cự bao nhiêu
ĐA: f = - 30 cm.
Trang 5Bài 3 Thấu kính hội tụ có f = 10 cm Vật sáng AB cho ảnh A’B’ Nếu dịch thấu
kính ra xa 3 cm, ta thấy ảnh dịch đi 27 cm Xác định vị trí đầu và cuối của thấu kính. [6]
ĐA: Trường hợp 1: Vị trí đầu 12 cm, vị trí sau 15 cm.
Trường hợp 2: Vị trí đầu 5 cm, vị trí sau 8 cm.
Bài 4 Thấu kính hội tụ có f = 20 cm Vật thật AB cho ảnh A’B’ Dịch vật lại gần
thấu kính 6 cm, thấy ảnh lúc sau cao gấp 2,5 lần ảnh trước Xác định vị trí đầu của vật và ảnh [7]
ĐA: Trường hợp 1: d1 = 30 cm, d1’ = 60 cm.
Trường hợp 2: d1 = 170/7 cm, d1’ = 340/3 cm.
Bài 5 Vật sáng AB cố định qua thấu kính cho ảnh thật với số phóng đại k Dịch
thấu kính ra xa một đoạn a thì ảnh có số phóng đại là Tính tiêu cự của thấu kính
Áp dụng: k = 2; a = 12 cm [6]
ĐA : f = 8 cm
Trên đây chỉ là một số rất ít các ví dụ về một số dạng bài tập xuất hiện trong phần tạo ảnh qua thấu kính khi vật dịch chuyển đối với thấu kính, chương trình Vật
Lí 11 Rõ ràng ta nhận thấy rằng, nếu chỉ với các kiến thức được trang bị trong SGK mà gặp những dạng bài tập này trong đề thi, thì giải quyết được nó là nhiệm
vụ bất khả thi đối với các em
2.3 GIẢI PHÁP THỰC HIỆN
Trước thực trạng nêu trên, tôi đã nghiên cứu và đúc rút được kinh nghiệm khi giảng dạy các bài tập trong đó có sự dịch chuyển của vật và ảnh như sau
+ Từ các công thức: (1) ; (2) và k = (3)
+ Thay (1) vào (3) k = = d’ = f – k.f
+ Thay (2) vào (3) k = = d = f -
Công thức xác định vị trí của vật : d = f -
Công thức xác định vị trí của ảnh: d’ = f – k.f ( * )
+ Với bài toán liên quan đến sự dịch chuyển của vật và ảnh Áp dụng công thức (* ) cho các vị trí khảo sát
- Vị trí đầu: Vị trí sau :
- Ta xây dựng công thức cho trường hợp vật thật cho ảnh thật thấu kính là TKHT
Trang 6+ Nếu vật dịch lại gần đoạn a, thì ảnh dịch ra xa đoạn b.
( I )
+ Nếu vật dịch ra xa thêm đoạn a, thì ảnh dịch lại gần đoạn b
( II )
- Công thức ( I ) và ( II ) được xây dựng cho TKHT, vật thật cho ảnh thật, nhưng vẫn áp dụng được cho TKPK và mọi trường hợp tạo ảnh khác
- Đối với các thấu kinh đơn, ta có nhận xét sau đây
+ Nếu vật và ảnh cùng bản chất ( cùng thật hoặc cùng ảo ) thì vật và ảnh luôn nằm khác phía đối với thấu kính, ngược chiều nhau ( k < 0)
+ Nếu vật và ảnh trái bản chất ( vật thật, ảnh ảo hoặc ngược lại ) thì vật và ảnh nằm cùng phía đối với thấu kính, cùng chiều nhau ( k > 0)
- Cần giúp học sinh nhận dạng được các loại bài tập
2.4 HIỆU QUẢ CỦA SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM
Vận dụng những kiến thức, kinh nghiệm nêu trên vào một số loại bài tập thường
gặp về sự dịch chuyển của vật và ảnh trong các bài toán quang hình học
Bài 1 Đặt một vật sáng AB và một màn ảnh M cùng vuông góc với trục chính và ở
hai phía của một thấu kính hội tụ L Giữ cho khoảng
cách giữa vật và màn cố định bằng l = 100 cm Dịch
chuyển thấu kính trong khoảng giữa vật và màn, người
ta thấy có hai vị trí của thấu kính cách nhau một
khoảng a = 20 cm đều cho ảnh rõ nét trên màn Xác
định tiêu cự của thấu kính f ? Xác định f để chỉ có duy
nhất một vị trí của thấu kính cho ảnh rõ nét trên màn
[6]
Hướng dẫn
+ Theo bài ra, khoảng cách giữa vật và ảnh : d + d’ = l d + = l
- l.d + l.f = 0 ( 1 )
+ Có hai vị trí của thấu kính cho ảnh rõ nét trên màn nên ( 1 ) có hai nghiệm phân biệt
= ( điều kiện l > 4f ) Hai nghiệm là
;
+ Hai vị trí của thấu kính cách nhau a = 20 cm d2 – d1 = a
Thay số : f = 24 cm.
Trang 7+ Để chỉ có duy nhất một vị trí cho ảnh rõ nét trên màn thì (1) có một nghiệm duy
nhất = 0 l = 4f f = 25 cm.
Bài 2 Đặt một vật sáng AB, phẳng, vuông góc với trục chính của một thấu kính O,
cách thấu kính 30 cm, qua thấu kính cho một ảnh thật A1B1 Dịch chuyển vật đến vị trí khác thì ảnh của nó là ảnh ảo A2B2 cách thấu kính 20 cm và có độ lớn bằng ảnh
A1B1 Xác định tiêu cự của thấu kính [5]
Hướng dẫn
+ Vật thật AB qua kính, cho ảnh thật A1B1 số phóng đại k1 < 0 ; k1 =
+ Vật thật AB qua kính, cho ảnh ảo A2B2 số phóng đại k2 > 0 ; k2 = + Vì hai ảnh có độ cao bằng nhau k1 = - k2
+ Ta có : = - f2 – 5f – 300 = 0
f = 20 (cm) ; f2 = - 15 (cm) ( loại)
Bài 3 Một vật sáng AB đặt vuông góc với trục chính của một thấu kính hội tụ cho
ảnh thật A1B1 cao 2 cm Nếu dịch chuyển vật AB lại gần một đoạn 45 cm thì thu được ảnh thật A2B2 cao 20cm và cách A1B1 một đoạn 18 cm Xác định tiêu cự của thấu kính và vị trí ban đầu của vật [3]
Hướng dẫn
+ Vật thật, cho ảnh thật và ảnh sau cao gấp 10 lần ảnh trước nên ta có :
+ Áp dụng cho hai vị trí trước và sau khi dịch chuyển
f = = 10 (cm).
+ Vị trí ban đầu của vật : d1 = f - = 60 (cm).
Bài 4 Vật sáng AB đặt trước thấu kính O, tiêu cự f cho ảnh nằm trong khoảng từ
vật đến kính Dịch chuyển vật gần thấu kính thêm 30 cm thì ảnh dịch chuyển 1 cm
và ảnh mới lớn hơn ảnh cũ 1,2 lần Thấu kính thuộc loại gì ? Tiêu cự bao nhiêu
Hướng dẫn
+ Vật sáng AB cho ảnh A’B’ nằm trong khoảng từ vật đến kính AB là vật thật, A’B’ là ảnh ảo
+A’B’ nằm trong khoảng từ vật đến kính nên đây là thấu kính phân kỳ
+ Vận dụng :
Trang 8f = = - 30 (cm)
Bài 5 Vật sáng AB đặt vuông góc với trục chính của một thấu kính cho ảnh A1B1
cùng chiều với vật Dịch chuyển vật ra xa thấu kính thêm 3 cm, ta thu được ảnh
A2B2 = 2 A1B1 vẫn cùng chiều với vật nhưng đã dịch chuyển so với trước là 24 cm Các ảnh trên là thật hay ảo ? Thấu kính loại gì ? Tính tiêu cự của thấu kính
[4]
Hướng dẫn
+ Vật sáng AB cho ảnh A1B1 cùng chiều AB là vật thật, A1B1 là ảnh ảo
+ Dịch chuyển vật ra xa, cho ảnh lớn hơn đây là thấu kính hội tụ
+ Vận dụng :
f = = 12 (cm)
Bài 6 Vật sáng AB nhỏ, đặt trước và vuông góc với trục chính của một thấu kính
một khoảng nào đó thì cho ảnh trên màn cao gấp 4 lần vật Nếu ta đưa vật từ vị trí ban đầu về gần thêm 4 cm hoặc 6 cm thì thu được các ảnh có độ lớn bằng nhau Xác định tiêu cự của thấu kính, tính khoảng cách giữa vật và thấu kính trước khi dịch chuyển [7]
Hướng dẫn
+ Vật sáng AB cho ảnh trên màn cao gấp 4 lần vật : k = d’ = 4.d
+ Vận dụng: f = = (1)
+ Khi đưa vật lại gần thấu kính thêm 4 cm hoặc 6 cm mà thu được hai ảnh có độ lớn bằng nhau, nên ứng với vị trí đầu sẽ cho ảnh thật, vị trí sau cho ảnh ảo
k1 = - k2
+ Ban đầu : k = ; ta có : k1 = và k2 =
+ Thay vào : = - (2)
+ Thay (1) vào (2), giải ra d = 25 (cm) ; f = 20 (cm).
Trang 9Bài 7 Thấu kính hội tụ có f = 10 cm Điểm sáng A trên trục chính của thấu kính,
cách thấu kính một khoảng d > 0 Vật sáng AB cho ảnh A’B’ Dịch chuyển vật ra
xa thêm 5 cm, thấy ảnh dịch chuyển đi 10 cm Xác định vị trí đầu và cuối của vật
và ảnh [5]
Hướng dẫn
+ Vận dụng :
+ Thay vào : - Vị trí đầu của vật : d1 = 10 – 10/-2 = 15 (cm)
d1’ = 10 – (- 2).10 = 30 (cm)
- Vị trí sau của vật : d2 = 10 – 10/-1 = 20 (cm)
d2’ = 10 – (-1).10 = 20 (cm)
Bài 8 Một thấu kính hội tụ có f = 12 cm Vật sáng AB cho ảnh A’B’ Dịch chuyển
vật lại gần 6 cm thấy ảnh dịch chuyển 2 cm Xác định vị trí ban đầu của vật và ảnh
[4]
Hướng dẫn
+ Vận dụng công thức :
+ - = 0
+ Trường hợp 1 : Vị trí ban đầu của vật : d1 = 12 – 12/ (2/3) = - 6 cm ( loại)
+ Trường hợp 2 : Vị trí ban đầu của vật : d1 = 12 – 12/ (-1/2) = 36 (cm).
Vị trí ban đầu của ảnh : d’1 = 12 – (-1/2).12 = 18 (cm).
Bài 9 Thấu kính phân kỳ có f = - 10 cm Vật sáng AB cho ảnh A’B’ Dịch vật lại
gần thấu kính 15 cm thấy ảnh dịch chuyển 1,5 cm Xác định vị trí ban đầu của vật
và ảnh [6]
Hướng dẫn
+ Vận dụng :
Trang 10+ Trường hợp 1 : Vị trí ban đầu của vật : d1 = -10 - = 30 (cm)
Vị trí ban đầu của ảnh : d’1 = -10 – (1/4).(-10) = - 7,5 (cm)
+ Trường hợp 2 : Vị trí ban đầu của vật : d1 = -10 - = - 35 (cm) ( loại)
Bài 10 Vật sáng AB qua thấu kính cho ảnh thật với số phóng đại k1 = - 5 Dịch vật
ra xa thấu kính một đoạn 12 cm thì ảnh có số phóng đại là k2 = - 2 Tính tiêu cự của thấu kính
Hướng dẫn.
+ Vận dụng công thức :
f = 40 (cm)
Bài 11 Vật sáng AB qua thấu kính cho ảnh A’B’ ngược chiều vật Dịch vật lại gần
thấu kính một đoạn 6 cm thì ảnh dịch đi một đoạn 60 cm Biết ảnh này cao gấp 2,5 lần ảnh kia và vẫn ngược chiều vật Tính tiêu cự của thấu kính [3]
Hướng dẫn.
+ Vận dụng công thức :
k1 = -2 ; k2 = - 5 ; f = 20 (cm)
Bài 12 Điểm sáng A trên trục chính của một thấu kính hội tụ cho ảnh thật A’ Khi
dịch A về phía thấu kính một đoạn 5 cm thì ảnh A’ dịch đi một đoạn 10 cm Khi dịch A ra xa thấu kính một đoạn 40 cm thì ảnh dịch đi một đoạn 8 cm Tính tiêu cự của thấu kính [5]
Hướng dẫn.
+ Vận dụng công thức :
; Cho các vị trí:
; ;