Phương pháp giải bài tập về thấu kính đơn

Chính vì vậy trong đề tài này tôi muốn tập dần cho học sinh có kĩ năngđịnh hướng bài giải một cách có hệ thống, phân dạng cho học sinh dễ dàng thíchứng với các bài toán quang hình học rấ

1 MỞ ĐẦU

1.1 Lí do chọn đề tài.

Ngành giáo dục nước ta đang tiến hành cuộc đổi mới lớn căn bản và toàn diện

Từ xưa giáo dục vẫn được coi là quốc sách hàng đầu, được ưu tiên đầu tư để pháttriển Mục tiêu quan trọng của giáo dục là đào tạo nhân tài, đào tạo những lớpngười có đạo đức, có tri thức chuyên môn nhằm đáp ứng yêu cầu xây dựng và pháttriển đất nước theo hướng hội nhập thế giới

Vật lý học là một môn khoa học tự nhiên tập trung vào sự nghiên cứu vật

chất và chuyển động của nó trong không gian và thời gian, cùng với những khái niệm liên quan như năng lượng và lực Một cách rộng hơn, nó là sự phân tích tổng quát về tự nhiên, được thực hiện để hiểu được cách biểu hiện của vũ trụ

Vật lý học cũng có những đóng góp quan trọng.Ví dụ, sự tiến bộ trong hiểu biết về điện từ học hoặc vật lý hạt nhân đã trực tiếp dẫn đến sự phát minh và phát triển những sản phẩm mới, thay đổi đáng kể bộ mặt xã hội ngày nay, như ti vi, máy

vi tính, laser, internet, các thiết bị gia dụng, hay là vũ khí hạt nhân; những tiến bộ trong nhiệt động lực học dẫn tới sự phát triển cách mạng công nghiệp…

Hơn nữa, đội ngũ học sinh là một lực lượng lao động dự bị nòng cốt và thật hùnghậu về khoa học kỹ thuật, trong đó kiến thức, kỹ năng vật lý đóng góp một phần không nhỏ trong lĩnh vực này Kiến thức, kỹ năng vật lý cũng được vận dụng và đi sâu vào cuộc sống con người góp phần tạo ra của cải, vật chất cho xã hội ngày mộthiện đại hơn

Năm học 2017-2018, học sinh THPT phải làm các bài thi liên quan đến kiếnthức của lớp 11 và 12 Sau đó, từ năm 2018-2019 phạm vi kiến thức là cả ba nămTHPT Trong phần Quang học ở chương trình vật lý lớp 11, học sinh được họcchương “Mắt và các dụng cụ quang” Trong chương này bài “Thấu kính” là cơ sở

để học sinh giải quyết các bài về dụng cụ quang học Nếu học sinh không giảiquyết một cách triệt để bài toán về thấu kính thì hầu như không giải được các bàitập về dụng cụ quang học bổ trợ cho mắt

Qua thực tế giảng dạy, tôi nhận thấy học sinh khi học bài này thường rất khókhăn, chậm nắm bắt được thông tin, lúng túng khi giải bài tập, không xác địnhđược hướng giải quyết bài toán Trong khi đó thời lượng cho bài này trong chươngtrình kể cả phần giải bài tập cũng chỉ có ba tiết học Do đó làm thế nào để giảngdạy tốt bài này và giúp học sinh nắm bắt được kiến thức là một vấn đề khó, đòi hỏingười thầy phải có kinh nghiệm và sự tích cực học tập của học sinh trong thời gian

ở nhà mới giải quyết được

1

1.2 Mục đích nghiên cứu.

Xây dựng tiến trình, tổ chức hoạt động dạy học bài : “Thấu kính” vật lí 11 theo hướng phát huy năng lực của học sinh,giúp học sinh nắm được kiến thức cơ bản, hình thành phương pháp, kĩ năng, kĩ xảo, thái độ và động cơ học tập đúng đắn để cho học sinh có khả năng tiếp cận và chiếm lĩnh những nội dung kiến thức mới, khắc sâu thêm kiến thức cũ đã được học ở lớp 9 và còn giúp học sinh biết đưa kiến thức Vật lý đã học vào đời sống, vào thực tiễn

Làm cho các em thích học, thích đến trường, yêu trường yêu lớp hơn

1.3 Đối tượng nghiên cứu.

- Hoạt động dạy và học bài “ Thấu kính” Vật lí lớp 11

- Cơ sở lí luận và thực tiễn của dạy học giải quyết vấn đề và dạy học theo hướngphát huy năng lực của học sinh

1.4 Phương pháp nghiên cứu.

+ Phương pháp nghiên cứu lý luận

- Nghiên cứu lí luận về dạy học bài tập Vật lí

- Nghiên cứu cơ sở lí luận để làm sáng tỏ vai trò của việc xây dựng hệ thống và hướng dẫn giải bài tập Vật lí bài “Thấu kính”

- Nghiên cứu chương trình Vật lí phổ thông, nội dung sách giáo khoa Vật lí 11 và những tài liệu tham khảo có liên quan để xác định mức độ, nội dung và yêu cầu về kiến thức, kĩ năng giải bài tập

- Lựa chọn các dạng bài tập trong sách giáo khoa, sách bài tập, sách tham khảo phù hợp với nội dung, kiến thức của chương

+ Phương pháp điều tra, khảo sát thực tế, thu thập thông tin

- Khảo sát công tác bồi dưỡng, phụ đạo của học sinh những ưu điểm và nhược điểm

từ đó đưa ra những phương pháp cụ thể

- Tập hợp và nghiên cứu nội dung sách giáo khoa Vật lý lớp 11 các tài liệu thamkhảo khác để tuyển chọn và xây dựng hệ thống bài tập tự luận, trắc nghiệm

+ Thực nghiệm sư phạm ở trường phổ thông

+ Phương pháp thống kê, xử lí số liệu

- Thống kê các kết quả đo được trong quá trình thử nghiệm

thức của thấu kính, cách nhận biết loại thấu kính, tính chất vật ảnh cho bởi từngloại thấu kính Tuy nhiên qua thực tế giảng dạy, tôi nhận thấy đa số học sinh chỉlàm được các bài tập áp dụng công thức thấu kính theo Sách giáo khoa, mà đôi khicòn nhầm dấu các đại lượng Theo kinh nghiệm bản thân: điều đầu tiên giáo viênphải làm là tạo thái độ và động cơ học tập đúng đắn, tích cực cho học sinh, để cóđược điều này thì giáo viên phải giúp học sinh nắm vững kiến thức cơ bản, biếtphân loại và phương pháp giải bài tập phù hợp Nó chẳng những làm cho giờ họcthêm sinh động, hấp dẫn, thu hút được sự chú ý của học sinh mà còn giúp học sinh

có thể dễ dàng hơn trong việc tiếp thu với các kiến thức đã học Từ đó giúp choviệc kiểm tra đánh giá học sinh được thực hiện dễ dàng hơn và nhằm nâng cao chấtlượng giảng dạy

“Các dạng bài tập về thấu kính” sẽ có những dạng toán vô cùng mới lạ đối vớihọc sinh, nếu không được học thì các kiến thức lớp 9 sẽ không giúp các em giảiquyết được Chính vì vậy trong đề tài này tôi muốn tập dần cho học sinh có kĩ năngđịnh hướng bài giải một cách có hệ thống, phân dạng cho học sinh dễ dàng thíchứng với các bài toán quang hình học rất đa dạng này

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

Khảo sát thực trạng với 2 lớp 11A3 và 11A4 của trường THPT Triệu Thị Trinh năm học 2016 – 2017 trước khi áp dụng SKKN trên vào giảng dạy có kết qủa như sau:

Lớp Sĩ số hs % HS giải được % HS còn

lúng túng

% HS khôngbiết giải

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

Trong đề tài này tôi đưa ra cách phân loại một số dạng bài tập cơ bản về thấukính đơn ( chỉ xét với vật thật ) và ví dụ cho mỗi dạng bài cụ thể:

A Vẽ đường truyền của tia sáng:

I.Cách vẽ:

- Dùng 2 tia sáng để vẽ ảnh của một vật.

- Vật nằm trên tia tới, ảnh nằm trên tia ló ( hoặc đường kéo dài tia ló)

- Nhớ được tính chất ảnh của vật qua thấu kính

- Nếu đề bài cho S và S’, trục chính thì S và S’ cắt nhau tại quang tâm O trên trục chính.

3

- Dựa vào vị trí của S,S’ so với trục chính ta kết luận được S’

là ảnh thật hay ảo, thấu kính là hội tụ hay phân kì.

- Nếu đề bài cho vật AB và ảnh A’B’, tiến hành nối AB và A’B’ chúng cắt nhau tại quang tâm O, Ox vuông góc với AB sẽ là trục chính của thấu kính.

- Xác định tiêu điểm F: Từ S hoặc AB vẽ tia SI song song trục chính, giao trục chính với IS’ là F.

II Ví dụ minh họa:

Bài toán 1:

Ví dụ 1: Trong các hình dưới đây, xy là trục chính của thấu kính L; S là vật điểm

thật, S / là ảnh ảo của S tạo bởi thấu kính Với mỗi trường hợp hãy xác định:

a) S / là ảnh thật hay ảo

b) Loại thấu kính

c) Các tiêu điểm chính (bằng phép vẽ )

Giải

Từ đặc điểm đường đi của các tia sáng qua thấu kính, giả sử đã xác định được quang tâm và các tiêu điểm chính F và F’ thì:

- O, S, S’ thẳng hàng

- Điểm tới I ( của tia tới SI song song với trục chính ), F’ và F thẳng hàng

- F và F’ đối xứng nhau qua quang tâm O

+ Ta suy ra phép vẽ:

- Kẻ đường SS’ cắt đường xy tại O, đó là quang tâm

- Dựng thấu kính L qua O và vuông góc với trục chính xy

- Kẻ tia tới SI song song với xy Kẻ IS’cắt Sy tại F’, đó là tiêu điểm ảnh chính F’

- Lấy F đối xứng F’ qua O đó là tiêu điểm vật chính F

4

+ Loại thấu kính:

Trường hợp 1: là thấu kính phân kỳ vì ảnh ảo S’ ( S’ là ảnh ảo vì S’ ở cùng phía trục chính với S ) gần trục chính hơn vật

Trường hợp 2: là thấu kính hội tụ vì ảnh ảo S’ ( S’ là ảnh ảo vì S’ ở cùng phía trục chính với S ) xa trục chính hơn vật

Trường hợp 3: là thấu kính hội tụ vì S’ là ảnh thật ( S’ là ảnh thật vì S’ ở khác phía trục chính với S )

Ví dụ 2: Trong hình vẽ dưới đây, xy là trục chính của thấu kính, A là điểm vật thật,

A / là ảnh của A tạo bởi thấu kính, O là quang tâm Với mỗi trường hợp hãy xác định:

a) A / là thật hay ảo?

b) Loại thấu kính.

c) Các tiêu điểm chính bằng phép vẽ?

A

A A/ O

x y x y

H.1 A/ H.2 Giải A

x F F/ y

o

H.1 A/

Hình 1: + Nối A với A/ cắt xy tại O A/ là ảnh thật => TKHT + Từ O dựng thấu kính hội tụ vuông góc với xy + Từ A kẻ tia tới song song với xy cho tia ló qua A/ cắt xy tại F/ Lấy F đối xứng F/ qua O 5

y

OA

B

A/

x

yO

Đối với vật là một đoạn thẳng nhỏ AB đặt vuông góc trục chính:

a/ Vật và ảnh ngược chiều nhau: Cùng tính chất ⇒ Thấu kính là hội tụ

Ví dụ 3: Cho xy là trục chính của thấu kính ,AB là đoạn thẳng nhỏ đặt vuông góc trục chính và ở trước thấu kính, A / B / là ảnh của AB cho bởi thấu kính Xác định loại thấu kính Bằng phép vẽ, hãy xác định quang tâm, các tiêu điểm chính.

Giải : + Vật ảnh ngược chiều ⇒ cùng thật ⇒ Thấu kính là hội tụ

+ Nối B, B/ căt xy tại O, O là quang tâm

6

yA

b) Vật và ảnh cùng chiều nhau: Khác tính chất ⇒ Vật thật - ảnh ảo

- Ảnh ảo lớn hơn vật: Thấu kính là hội tụ

- Ảnh ảo nhỏ hơn vật: Thấu kính là phân kỳ

Ví dụ 4: Cho xy là trục chính của thấu kính ,AB là đoạn thẳng nhỏ đặt vuông góc trục chính và ở trước thấu kính, A / B / là ảnh của AB cho bởi thấu kính Xác định loại thấu kính Bằng phép vẽ, hãy xác định quang tâm, các tiêu điểm chính

S

I

K O

x

y P

x

y P

x

y P

+ Dựng trục phụ song song tia tới SI, cắt tia ló IK tại tiêu điểm phụ F1

+ Dựng tiêu diện vuông góc với

trục chính và đi qua tiêu điểm phụ F1

+ Dựng trục phụ song song tia tới PQ cắt tiêu

diện tại tiêu điểm phụ F2 Dựng tia ló QF2

b/ Tia ló có phương đi ra xa trục chính hơn phương của tia tới là thấu kínhphân kỳ

Ví dụ 6: IK là tia ló của tia tới SI cho bởi thấu kính

Hỏi thấu kính loại gì ? Hãy vẽ tia ló của tia tới PQ.

Cách giải: giống ví dụ 5

Ví dụ 7: A / B / là ảnh của đoạn thẳng nhỏ

AB cho bởi một thấu kính.Hỏi thấu kính

loại gì ? Bằng phép vẽ xác định quan tâm,

B.Bài toán thuận:

Dạng B.1: Tìm tiêu cự và độ tụ của thấu kính theo chiết suất và các đặc trưng

hình học

I.Phương pháp giải:

a) - Tiêu cự là độ dài đại số f của khoảng cách từ quang tâm O đến các tiêu điểm chính với quy ước:

f > 0 với thấu kính hội tụ

f < 0 với thấu kính phân kì (|f| = OF = OF’)

b)- Khả năng hội tụ hay phân kì chùm tia sáng của thấu kính được đặc trưng bởi

độ tụ D xác định bởi:

(f : mét (m); D: điốp (dp)) (R > 0 : mặt lồi./ R < 0 : mặt lõm /R = ∞: mặt phẳng )

II Bài tập minh họa :

Ví dụ 1: (Bài 17.1- Trang 74-Giải toán vật lí 11 tập 2 )

Thủy tinh làm bằng thấu kính có chiết suất n = 1,50

a) Hãy tính tiêu cự của các thấu kính ( đặt trong không khí) :

+ hai mặt đều lồi có các bán kính 10cm, 30 cm

+Trường hợp 1:

+ Trường hợp 2:

Ví dụ 2: (Bài 17.4 – Trang 176 – Giải toán vật lí 11 tập 2)

Một thấu kính thủy tinh có chiết suất n = 1,50 Khi đặt trong không khí thấu kính

có độ tụ 5dp Dìm thấu kính vào chất lỏng chiết suất n/ thì thấu kính có tiêu cự f/ =-1m Tính chiết suất n/ của chất lỏng

Một thấu kính hai mặt lồi cùng bán kính R, khi đặt trong không khí có tiêu cự f

=30cm Nhúng chìm thấu kính vào một bể nước, cho trục chính của nó thẳng đứng, rồi cho một chùm sáng song song rọi thẳng đứng từ trên xuống thì thấy điểm hội tụ cách thấu kính 80cm Tính R, cho biết chiết suất của nước bằng 4/3

+ Dạng của đề bài toán:

a) Cho biết tiêu cự f của thấu kính, khoảng cách d từ vật đến thấu kính,độ lớncủa vật, xác định vị trí, tính chất ảnh và số phóng đại ảnh k

*phương pháp giải :

10

- Xác định vị trí ảnh, tính chất ảnh và số phóng đại ảnh là xác định d / , k Từgiá trị của d / , k để suy ra tính chất ảnh và chiều của ảnh

- Giải hệ hai phương trình: và

- nếu d'>0 : ảnh thật; nếu d'<0 : ảnh ảo

- nếu k >0 :ảnh và vật cùng chiều; nếu k <0 : ảnh và vật ngược chiều

- Giải hệ hai phương trình: và

- nếu d >0 : vật thật; nếu d < 0 : vật ảo

- độ lớn của vật :

II Bài tập ví dụ:

Ví dụ 1: (Bài 18.1 – Trang 177 – Giải toán vật lí 11 tập 2)

Vật thật AB được đặt trên trục chính và vuông góc với trục chính của một thấukính hội tụ có tiêu cự 20 cm Khoảng cách từ vật đến thấu kính là d thay đổi được.Hãy xác định tính chất, vị trí,chiều , độ lớn của ảnh và vẽ ảnh trong mỗi trường hợpsau: a)d1= 30 cm b) d2 = 20 cm c) d3 = 10 cm

Cho một thấu kính hội tụ có tiêu cự f

a) Xác định vị trí vật để ảnh tạo bởi thấu kính là ảnh thật.

b) Chứng tỏ rằng khoảng cách giữa vật thật và ảnh thật có một giá trị cực tiểu Tính khoảng cách cực tiểu này Xác định vị trí của vật lúc đó?

Hướng dẫn:

a) Điều kiện để ảnh là ảnh thật: d/ > 0 => d > f

12

C Bài toán nghịch : Là bài toán có nhiều dạng và khó đối với học sinh ( cho

d / ,k hoặc f,k… xác định d,f hoặc d / , d…) Tôi chia thành các dạng sau:

Dạng C.1: Cho biết tiêu cự f và số phóng đại ảnh k Tìm khoảng cách từ vật

đến thấu kính; xác định vị trí và tính chất ảnh.

I.Phương pháp giải:

+ k > 0 : ảnh và vật cùng chiều (d và d/ trái dấu - ảnh và vật khác tính chất )

+ k < 0 : ảnh và vật ngược chiều (d và d/ cùng dấu - ảnh và vật cùng tính chất )

2 Ta có: (2)

Từ (1) và (2) suy ra d , d/

II Bài tập vận dụng:

Ví dụ 1: Một thấu kính hội tụ có tiêu cự 20cm Vật sáng AB là một đoạn thẳng đặt

vuông góc trục chính của thấu kính cho ảnh cao gấp hai lần vật Xác định vị trí vật

và ảnh

Giải

Với giả thiết ảnh cao gấp hai lần vật, ta phải lưu ý cho học sinh rằng ảnh thật vàảnh ảo của vật thật cho bởi thấu kính hội tụ đều có thể cao hơn vật Do đó giá trịcủa số phóng đại k trong trường hợp này là giá trị tuyệt đối = 2 ⇔ k = ± 2

+ Giải hệ hai phương trình:

= ± 2

+ Trường hợp 1:

13

Ví dụ 2 Một thấu kính hội tụ có tiêu cự 30cm Vật sáng AB là một đoạn thẳng đặt

vuông góc trục chính của thấu kính cho ảnh cao bằng nửa vật Xác định vị trí vật vàảnh

Các trường hợp có thể xảy ra đối với vật sáng:

a Thấu kính hội tụ, vật sáng cho ảnh thật d > 0,

O F/

A

BB/

O2O1

Cách giải:

L>0 khi ảnh là ảnh ảo qua thấu kính phân kỳ và ảnh thật qua thấu kính hội tụ L<0 khi ảnh là ảnh ảo qua thấu kính hội tụ

Phương trình có nghiệm khi

+ Trường hợp ảnh ảo qua thấu kính phân kỳ và thấu kính hội tụ, (1.3) luôn có nghiệm tức là luôn tìm được vị trí đặt thấu kính để thu được ảnh ảo cách vật một khoảng cho trước.

+ Trường hợp ảnh thật qua thấu kính hội tụ, (1.3) có nghiệm khi

- Khi L = 4f phương trình (1.3) có 1 nghiệm kép tức là có 1 vị trí đặt thấu kính

ở chính giữa vật và màn để thu được ảnh rõ ảnh rõ nét trên màn.

-Khi L > 4f phương trình (1.3) có 2 nghiệm phân biệt tức là có 2 vị trí đặt thấu kính trong khoảng giữa vật và màn để thu được ảnh rõ ảnh rõ nét trên màn:

Nhận thấy : d1 = d2/ ; d2 = d1/

*Chú ý: Với trường hợp L > 4f :

Vị trí 1: d1 = d , d = d / Vị trí 2: d2 , d

- Vì lý do đối xứng nên vật và ảnh có thể đổi chổ

cho nhau được, nên:

15

L = d / + d

Thay d & d / vào công thức tính tiêu cự , ta được :

(Xác định tiêu cự của thấu kính bằng phương pháp Bessel

II Bài tập ví dụ:

VD1: Vật phẳng nhỏ AB đặt vuông góc với trục chính của một thấu kính phân kỳ

tiêu cự bằng 20cm cho ảnh A’B’ cách vật 18 cm Xác định vị trí của vật, vị trí và tính chất của ảnh.

GiảiThấu kính phân kỳ nên f = -20cm và L = 18cm

Vậy vật thật đặt cách thấu kính 30cm cho ảnh ảo trước thấu kính, cách thấu kính 12cm

VD2: Một vật sáng AB đặt thẳng góc với trục chính của một thấu kính hội tụ tiêu

cự 15 cm có ảnh cách vật 80 cm Xác định vị trí của vật, vị trí và tính chất của ảnh

Giải

(1.3)+ Trường hợp ảnh thật: L = 80cm

(1)

+ Trường hợp ảnh ảo: L = - 80cm

(1)

Vậy:

- vật thật đặt cách thấu kính 60cm cho ảnh thật sau thấu kính, cách thấu kính 20cm

- vật thật đặt cách thấu kính 20cm cho ảnh thật sau thấu kính, cách thấu kính 60cm

- vật thật đặt cách thấu kính 12,92cm cho ảnh ảo trước thấu kính, cách thấu kính 93,17cm

Ví dụ 3: Vật sáng AB đặt vông góc với trục chính của thấu kính hội tụ có tiêu cự f

=10cm, cho ảnh thật lớn hơn vật và cách vật 45cm

a) Xác định vị trí của vật, ảnh Vẽ hình?

16