Nếu chỉ dựa vào đờng truyền của 3 tia sáng đặc biệt qua thấu kính hội tụ và hai tia sáng đặc biệt qua thấu kính phân kì thì học sinh không thể giải đợc bài tập này.. Thấu kính hội tụ: d
Trang 1Phần I: Đặt vấn đề
Sự nghiệp công nghiệp hoá- hiện đại hoá đất nớc mở cửa để hội nhập với cộng đồng thế giới trong nền kinh tế cạnh tranh giáo dục, đòi hỏi công tác giáo dục phải có những đổi mới sâu sắc và toàn diện nhằm đào tạo thế
hệ trẻ trở thành những ngời vừa tiếp thu những tinh hoa nhân loại, vừa có khả năng sáng tạo ở trờng trung học cơ sở những sự đổi mới đó đợc thực hiện chủ yếu thông qua việc dạy các môn học, trong đó có vật lí học Việc
đổi mới cần thực hiện trên cả ba mặt: Nội dung dạy học ( theo chuẩn kiến thức kĩ năng) , phơng pháp dạy học và phơng tiện dạy học Trong đó công tác đổi mới phơng pháp dạy học đã đợc các nhà giáo dục nghiên cứu nhiều năm và đang đợc quan tâm tích cực của các cấp, các ngành khác
Nghị quyết TW4 khoá VII xác định: "Khuyến khích tự học, áp dụng phơng pháp dạy học hiện đại để giáo dục cho học sinh khả năng t duy sáng tạo, năng lực giải quyết vấn đề"
Nghị quyết TW2 koá VIII tiếp tục khẳng định mục tiêu giáo dục trong giai đoạn mới là " Nâng cao dân trí, đào tạo nhân lực, bồi dỡng nhân tài"
và phải " Đổi mới phơng pháp giáo dục đào tạo khắc phục lối truyền thụ một chiều rèn luyện nếp t duy sáng tạo của ngời học, từng bớc áp dụng
ph-ơng pháp hiện đại vào quá trình dạy học, đảm bảo điều kiện tự học tự nghiên cứu của học sinh"
Vấn đề đặt ra là phải dạy nh thế nào? Và phải học nh thế nào? để nâng cao chất lợng, đáp ứng với nhu cầu xã hội ngày càng đổi mới
Thực tế trong 3 năm giảng môn vật lí lớp 9, tôi thấy các bài tập vật lí có tầm quan trọng đặc biệt Hiện nay để thực hiện tốt chơng trình sách giáo khoa mới và dạy học theo phơng pháp đổi mới có hiệu quả thì việc hớng dẫn học sinh biết phân loại, nắm vững phơng pháp và làm tốt các bài tập trong sách giáo khoa đã góp phần không nhỏ trong việc thực hiện thành công công tác dạy học theo phơng pháp đổi mới
Tuy nhiên để bồi dỡng đội tuyển học sinh giỏi thì việc học và nắm vững kiến thức trong sách giáo khoa là cha đủ Đặc biệt là những bài tập vật lí phần quang học, mặc dù các em đã đợc làm quen với một số kiến thức quang học ở lớp 7, nhng đó mới chỉ là những kiến thức đơn giản, lên lớp 9 các em lại đợc tìm hiểu sâu hơn những kiến thức về phần quang hình học, nhng sách giáo khoa cha cung cấp đủ kiến thức để các em giải các bài toán phức tạp hơn
Ví dụ: Cho điểm sáng S, ảnh S' của điểm sáng S, quang tâm O của thấu kính cùng nằm trên trục chính của thấu kính Xác định loại thấu kính Nếu chỉ dựa vào đờng truyền của 3 tia sáng đặc biệt qua thấu kính hội
tụ và hai tia sáng đặc biệt qua thấu kính phân kì thì học sinh không thể giải
đợc bài tập này Vì kiến thức sách giáo khoa mới chỉ dừng lại ở dạng điểm sáng S nằm ngoài trục chính hoặc vật sáng AB vuông góc với trục chính với A nằm trên trục chính
Từ những vấn đề nêu trên, trong quá trình giảng dạy và áp dụng đề tài, tôi thấy cần phải khắc sâu hơn nữa kiến thức phần quang hình học lớp 9 cho học sinh, có nh vậy các em học sinh giỏi mới giải đợc các bài tập khó hơn và có thể phát triển thêm năng khiếu tự học của mình Vì vậy tôi chọn
đề tài: "Phơng pháp giải một số dạng toán quang hình học lớp 9".
II Thực trạng của vấn đề nghiên cứu.
1 Thực trạng ở trờng trung học cơ sở Vĩnh Minh:
Trong 3 năm giảng dạy vật lí lớp 9 cũng nh ôn luyện đội tuyển học sinh giỏi trờng trung học cơ sở Vĩnh Minh, tôi thấy phần quang hình học là phần rất khó đối với học sinh ở phần này các em không những phải biết học vật lí, mà đồng thời cũng phải biết chút kiến thức về môn toán, vì thế cũng cần phải học tốt môn toán nữa Mặc dù đã đợc chọn vào ôn bồi
dỡng học sinh giỏi nhng các em vẫn còn khá lúng túng và gặp rất nhiều khó khăn khi giải các bài tập ở dạng quang hình Hầu hết các em mới chỉ
1
Trang 2làm đợc các bài tập đơn giản trong phạm vi kiến thức đã đợc cung cấp trong giờ dạy trên lớp, chỉ một số ít học sinh làm đợc các bài tập nâng cao Đặc biệt là các em cha nắm đợc phơng pháp để làm bài tập quang hình học
2 Kết quả thực trạng.
Trớc khi áp dụng đề tài tôi đã tiến hành khảo sát với 20 sinh ở trờng THCS Vĩnh Minh năm học 2009-2010 tôi thu đợc kết quả sau:
HS
khảo
sát
Qua kết quả khảo sát tôi thấy kiến thức phần quang hình học của các em còn nhiều hạn chế Vì vậy kết quả khảo sát rất thấp
Phần II: các giải pháp thực hiện
I. Một Số Kiến Thức cần nhớ
1 Các sơ đồ, kí hiệu
- Thấu kính hội tụ, thấu kính phân kỳ ;
- Trục chính(), tiêu điểm F; F’, quang tâm O
- Phim ở máy ảnh, màng lới ở mắt
O
O
Trang 3- ảnh thật vuông góc với trục chính : hoặc
- ảnh ảo vuông góc với trục chính: hoặc
2 Các định luật, quy tắc, quy ớc và hệ quả
a Định luật:
- Định luật truyền thẳng của ánh sáng
- Định luật phản xạ ánh sáng
- Định luật khúc xạ ánh sáng
b Quy ớc:
- Đờng thẳng nối tâm mặt cầu gọi là trục chính
- O gọi là quang tâm của thấu kính
- F và F’ đối xứng nhau qua O gọi là các tiêu điểm của thấu kính
c Tiêu diện, tiêu điểm phụ, trục phụ:
+ Tiêu diện: Mặt phẳng vuông góc với trục chính tại tiêu điểm gọi là tiêu
diện
+ Trục phụ: Đờng thẳng bất kì đi qua quang tâm gọi là trục phụ.
+ Tiêu điểm phụ: Giao điểm của trục phụ với tiêu diện gọi là tiêu điểm phụ.
d Thấu kính hội tụ:
d1: Đờng truyền của các tia sáng đặc biệt qua thấu kính hội tụ
+ Tia tới đến quang tâm thì tia ló tiếp tục truyền thẳng theo phơng của tia tới
+ Tia tới song song với trục chính thì tia ló qua tiêu điểm
+ Tia tới đi qua tiêu điểm thì tia ló song song với trục chính
+ Tia tới song song với trục phụ thì tia ló đi qua (hay có đờng nối dài của tia
đi qua) tiêu điểm phụ
Phim ( hoặc màng l ới)
O
3
S’
Trang 4d2: Tính chất của ảnh tạo bởi thấu kính hội tụ
Khoảng cách từ vật đến
thấu kính (d)
Đặc điểm của ảnh Thật
hay ảo
Cùng chiều hay ngợc chiều so với vật
Lớn hơn hay nhỏ hơn vật
Vật ở rất xa thấu kính Thật Ngợc chiều Nhỏ hơn vật
f < d < 2f Thật Ngợc chiều Lớn hơn vật
e Thấu kính phân kì:
e1: Đờng truyền của các tia sáng đặc biệt qua thấu kính phân kỳ:
+ Tia tới song song với trục chính thì cho tia ló kéo dài đi qua tiêu điểm
+ Tia tới đến quang tâm thì tia ló tiếp tục truyền thẳng theo phơng của tia tới
+ Tia tới có đờng kéo dài đi qua tiêu điểm thì tia ló song song với trục chính
+ Tia tới song song với trục phụ thì tia ló có đờng kéo dài qua tiêu điểm phụ
F
O
F
O
Trang 5e2: Tính chất của ảnh tạo bởi thấu kính phân kỳ:
+ Vật đặt ở mọi vị trí trớc thấu kính phân kỳ luôn cho ảnh ảo, cùng chiều nhỏ hơn vật và luôn nằm trong khoảng tiêu cự của thấu kính
+ Vật đặt rất xa thấu kính cho ảnh ảo có vị trí cách thấu kính một khoảng bằng tiêu cự
3 Mắt và các dụng cụ quang học
- Máy ảnh :
+ Vật kính máy ảnh là một thấu kính hội tụ
+ ảnh trên phim là ảnh thật, nhỏ hơn vật và ngợc chiều với vật
B
A O
- Mắt:
- Thể thuỷ tinh là một thấu kính hội tụ
- Màng lới nh phim ở máy ảnh
- Điểm cực viễn là điểm xa nhất mà khi đặt vật ở đó mắt không điều tiết mà vẫn có thể nhìn rõ đợc( CV ) Mắt tốt có điểm cực viễn ở vô cực
- Điểm cực cận : là điểm gần mắt nhất mà khi có một vật ở đó mắt có thể nhìn rõ đợc ( CC ) Mắt tốt có điểm cực cận cách mắt khoảng 25cm
- Mắt cận : Là mắt chỉ nhìn rõ những vật ở gần mà không nhìn rõ đợc những vật ở xa Kính cận là thấu kính phân kì
- Ngời mắt cận phải đeo thấu kính phân kì để nhìn rõ đợc các vật ở xa
- Mắt lão : Là mắt của ngời già, nhìn rõ đợc những vật ở xa mà không nhìn
rõ đợc những vật ở gần Kính lão là thấu kính hội tụ
- Mắt lão phải đeo thấu kính hội tụ để nhìn rõ những vật ở gần
5
B
Kính lóo
Mắt
•
P
Q
F,
Kinh cận
A
Mắt
CV B
Trang 6- Kính lúp là thấu kính hội tụ có tiêu cự ngắn dùng để quan sát các vật nhỏ.
- Số bội giác của kính lúp và tiêu cự của kính ( đo bằng cm ) liên hệ với nhau bằng biểu thức : G = 25f
- Vật cần quan sát phải đặt trong khoảng tiêu cự của kính để cho một ảnh ảo lớn hơn vật
II. Một số dạng toán quang hình học thờng gặp
Dạng 1 : Xác định loại thấu kính, quang tâm, tiêu điểm.
Ph ơng pháp chung để giải
- Dựa vào đặc điểm của ảnh ta có thể biết đợc đó là ảnh thật hay ảnh ảo Biết
đợc tính chất của ảnh, từ đó ta có thể biết đợc đó là thấu kính loại gì?
- Nắm vững đờng đi của các tia sáng đặc biệt
- Dựa vào đờng truyền của tia sáng đi qua quang tâm để xác định quang tâm của thấu kính
- Dựa vào đờng truyền của tia sáng song song với trục chính ta xác định đợc tiêu điểm của thấu kính
Ví dụ 1: Trên hình vẽ dới đây, AB là vật sáng, A'B' là ảnh của AB cho bởi thấu kính, xy là trục chính của thấu kính Hỏi thấu kính thuộc loại gì? Dùng hình vẽ hãy xác định quang tâm, tiêu điểm của nó
Hớng dẫn:
- Dựa vào vị trí của vật AB và ảnh A'B' so với trục chính và so sánh độ lớn chủa chúng để nhận định định ảnh A'B' là ảnh thật hay ảnh ảo, từ đó kết luận loại thấu kính
- Tia tới đi qua quang tâm truyền thẳng mà ảnh nằm trên tia đó Do đó vị trí quang tâm O chính là giao điểm của BB' với xy
- Từ O dựng đờng thẳng vuông góc với trục chính, đó là vị trí của thấu kính
- Dựa vào đờng truyền của các tia sáng đặc biệt còn lại để xác định tiêu điểm của thấu kính
•
C C
F ' O
A '
B '
B
A
B
A '
B '
Trang 7
- Vì AB cùng chiều với vật sáng AB, mà A'B' > AB nên A'B' là ảnh ảo Vậy thấu kính đã cho là thấu kính hội tụ
- Giả sử ta dựng đợc thấu kính nh hình vẽ:
+ Tia sáng từ B tới B kéo dài qua ảnh B'
+ Tia tới BI song song với trục chính cho tia ló đi qua tiêu điểm F'
Từ đó ta có cách xác định thấu kính, quang tâm, tiêu điểm nh sau:
+ Nối B với B' cắt trục chính xy tại O thì O là quang tâm của thấu kính Từ
O dựng thấu kính hội tụ vuông góc với trục chính
+ Kẻ tia BI// xy, nối IB' cắt xy tại F' thì F' là tiêu điểm của thấu kính Lấy F
đối xứng với F' ta đợc tiêu điểm còn lại
Bài tập áp dụng
Trên các hình vẽ dới đây, AB là vật sáng, A'B' là ảnh của AB cho bởi thấu kính, xy là trục chính của thấu kính Hỏi thấu kính thuộc loại gì? Dùng hình
vẽ hãy xác định quang tâm, tiêu điểm của nó
Hình b
Trong chơng trình SGK chỉ cung cấp cho học sinh đờng truyền của 3 tia sáng đặc biệt qua thấu kính hội tụ hoặc đờng truyền của 2 tia sáng đặc biệt qua thấu kính phân kì, vì vậy có một số trờng hợp đặc biệt học sinh không thể
sử dụng đợc những kiến thức đó để vẽ ảnh, xác định tiêu điểm… Sau đây là ví dụ:
Ví dụ 2: Bằng cách vẽ hãy xác định ( có phân tích)
- Loại thấu kính
- Tính chất của ảnh
- Vị trí của các tiêu điểm chính của thấu kính trong hình vẽ trên Trong đó
xy là trục chính, S là nguồn sáng điểm, S' là ảnh của S qua thấu kính và O
là quang tâm của thấu kính
Nhận xét: ở ví dụ này học sinh phải dựa vào đờng truyền của tia tới song song với trục phụ cho tia ló đi qua tiêu phụ.
Hớng dẫn giải:
- Dựa vào vị trí của S và S' so với thấu kính để xác định ảnh là thật hay ảo, từ
đó kết luận loại thấu kính
7
B ' B
I
F '
F O
Hình a
A
B
B '
A '
A
B
B '
A '
Trang 8- Dựng tia tới bất kì và tia qua quang tâm và song song với trục phụ sẽ cho tia ló đi qua tiêu điểm phụ và ảnh S' ( với thấu kính hội tụ) hoặc có đờng kéo dài đi qua tiêu điểm phụ và ảnh S' ( với thấu kính phân kì), từ tiêu điểm phụ xác định đợc vị trí tiêu điểm chính
Giải:
Vì S và S' nằm khác phía so với thấu kính nên S' là ảnh thật Do đó thấu kính này là thấu kính hội tụ
- Ta phân tích cách vẽ nh sau:
Tia sáng SI song song với trục phụ OZ cho tia ló đi qua tiêu điểm phụ P và
ảnh S'
- Do đó ta có cách xác định vị trí của các tiêu điểm của thấu kính nh sau:
+ Kẻ tia sáng SI bất kì, dung trục phụ OZ// SI
+ Nối I với S' cắt OZ tại P thì P là tiêu điểm phụ
+ Từ P hạ đờng vuông góc với xy cắt xy tại F' thì F' là tiêu điểm chính của thấu kính
+ Lấy F' đối xứng với F qua thấu kính ta đợc tiêu điểm còn lại
Bài tập áp dụng
Bằng cách vẽ hãy xác định ( có phân tích)
- Loại thấu kính
- Tính chất của ảnh
- Vị trí của các tiêu điểm chính của thấu kính trong hình vẽ trên Trong đó
xy là trục chính, S là nguồn sáng điểm, S' là ảnh của S qua thấu kính và O
là quang tâm của thấu kính
Hình a Hinh b Ví dụ 3: Trên các hình vẽ sau: AB là vật sáng, A'B' là ảnh của AB qua thấu kính Bằng phép vẽ hãy xác định loại thấu kính, trục chính và các tiêu điểm của thấu kính Cho AB// A'B'
S
y
P F
x
O F ' S '
Z I
B
A '
B '
Trang 9ớng dẫn giải:
- ảnh và vật có đặc điểm gì?
- Nối AA' với BB' cắt nhau tại O, O là quang tâm của thấu kính
- Đờng thẳng vuông góc với AB tại O là trục chính
- Vẽ tia song song BI với trục chính cho tia ló IB' cắt trục chính tại F', F' là tiêu điểm của thấu kính
Giải:
Ta phân tích hình vẽ nh sau: Giả sử ta đợc thấu kính nh hình vẽ: - Tia tới AO cho tia ló OA' truyền thẳng - Tia tới BO cho tia ló BO' truyền thẳng Do đó nối AA' và BB' chúng cắt nhau tại O thì O là quang tâm của thấu kính Từ O dựnh đờng thẳng vuông góc với AB thì đờng thẳng này là trục chính của thấu kính Vì AB nằm khác phía với thấu kính và AB , A'B' ngợc chiều nhau nên thấu kính đã cho là thấu kính hội tụ Từ O vẽ thấu kính hội tụ vuông góc với trục chính - Tia tới BI cho tia ló đi qua tiêu điểm F' F' là tiêu điểm của thấu kính Từ đó ta có cách vẽ nh sau: - Nối AA' cắt BB' tại O, O là quang tâm của thấu kính - Vẽ đờng thẳng đi qua quang tâm O vuông góc với AB và A'B' là trục chính - Từ O dựng thấu kính hội tụ vuông góc với - Kẻ BI // , Nối I với B' cắt tại F', F' là tiêu điểm của thấu kính Lấy F đối xứng với F' ta đợc tiêu điểm còn lại Bài tập áp dụng: Trên các hình vẽ sau: AB là vật sáng, A'B' là ảnh thật của AB qua thấu kính Bằng phép vẽ hãy xác định loại thấu kính, trục chính và các tiêu điểm của thấu kính
hình a Hình b Chú ý: Trong dạng toán này học sinh thờng hay quên bớc đầu tiên là phân tích cách vẽ Vì vậy giáo viên khi dạy dạng toán này phải rèn luyện cho học sinh bớc này để các em nắm chắc bản chất vật lý Có nh vậy các em mới khắc sâu đợc kiến thức đã học. 9 B A B A ' B ' A A ' B '
A
B
A '
B ' O
F '
F
Trang 10Dạng 2: Dùng kiến thức hình học để tính các đại lợng d/, h/ , f khi biết các đại lợng d, h…
Phơng pháp chung để giải
- Từ hình vẽ ta xét các cặp tam giác đồng dạng để tìm đợc hệ thức liên hệ giữa các đại lợng đã biết và các đại lợng cha biết Biến đổi toán học để biết các đại lợng cần tìm
- Biện luận và trả lời yêu cầu của đề bài
Ví dụ 4: Đặt vật AB cao 12cm vuông góc với trục chính của một thấu kính
hội tụ( A nằm trên trục chính) và cách thấu kính 24cm thì thu đợc một ảnh thật cao 4cm Tính khoảng cách từ vật đến thấu kính và tiêu cự của thấu kính
Hớng dẫn: GV hớng dẫn HS cách phân tích đề nh sau:
- Yêu cầu HS tóm tắt đề bài toán :
- Muốn tìm OA' ta cần xét hai tam giác đồng dạng nào?
( OAB ~OA'B' ) : Ta rút ra đợc tỉ lệ nào? => OA= ?
- Muốn tìm OF' ta cần xét hai tam giác đồng dạng nào?
( OIF' ~ A'B'F' ) : Ta rút ra tỉ lệ nào?
- OI có quan hệ gì với AB, từ đó tìm OF'= ?
Giải:
Tóm tắt
TKHT
AB= 12cm
OA= 24cm
A'B'= 4cm( ảnh thật)
OA'= ? f = ?
B I
A
B
Vì AB//A'B' nên OAB ~ OA'B':
=> / / /
OA
OA
B
A
AB
AB
OA B A
12
24 4
/, / /
Do đó khoảng cách từ ảnh đến thấu kính là 8cm
Vì OI//A'B' nên OIF' ~ A'B'F'
=>
A F
OF
B
A
OI
/ / /
/
Mặt khác vì: OI = AB, F/A = OA'-OF'
Nên ta có:
/ /
/ /
/
OA OF
OF
B
A
AB
8 4
12
OF
OF
=> OF' =6cm Vậy tiêu cự của thấu kính hội tụ là 6m
Bài tập áp dụng:
Cho thấu kính hội tụ có tiêu cự 10cm, phải đặt AB ở đâu để thu đợc
ảnh A'B' lớn gấp 2 lần vật
F'