Hướng dẫn học sinh lớp 11 THPT phương pháp giải nhanh các bài toán quang học về thấu kính đơn trong đó có sự duy chuyển của vật, ảnh và thấu kính

Tôi đã tìm tòi nghiên cứu cải tiến và mạnh dạn đưa ra phương pháp giải nhanh các bài toán quang học về thấu kính đơn trong đó có ‘sự dịch chuyển của vật , ảnh và thấu kính’ .Trong các nă

PHẦN 1 MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài.

“Mục tiêu của giáo dục là đào tạo con người Việt Nam phát triển toàn diện, có đạođức, tri thức, sống khoẻ, thẩm mỹ và nghề nghiệp, trung thành với lý tưởng độc lậpdân tộc và chủ nghĩa xã hội, hình thành và bồi dưỡng nhân cách, phẩm chất và nănglực của công dân, đáp ứng yêu cầu xây dựng và bảo vệ Tổ quốc” (Điều 2- Luật GD) Muốn thực hiện tốt mục tiêu giáo dục thì “Hoạt động giáo dục phải thực hiện theonguyên lý học đi đôi với hành, giáo dục kết hợp với lao động sản xuất, lý luận gắnliền với thực tiễn ”( Điều 3 - khoản 2- Luật giáo dục), “Phương pháp giáo dục phảiphát huy tính tích cực, tự giác, chủ động, tư duy sáng tạo của người học ”(Điều 4-khoản 2- Luật giáo dục)

Việc vận dụng các phương pháp tích cực trong dạy học nói chung và trong dạy họcVật lí nói riêng là một nhân tố quan trọng để nâng cao chất lượng giáo dục và đào tạo.Những năm gần đây, dưới sự chỉ đạo của Đảng và Nhà nước đã tiến hành cải cách giáo dục Một trong những nội dung quan trọng của cải cách giáo dục là đổi mới phương pháp dạy học và đổi mới phương pháp kiểm tra đánh giá Với việc đổi mới phương pháp kiểm tra đánh giá, đặc biệt với hình thức kiểm tra trắc nghiệm thì việc giải nhanh các bài toán và có hiệu quả là thực sự hữu ích cho học sinh Hiện nay, trong các kì thi THPT quốc gia, thi đánh giá năng lực, môn Vật lí đều được kiểm tra đánh giá bằng hình thức trắc nghiệm

Trong phần Quang học - Vật lý lớp 11, khi giải các bài toán về thấu kính việc áp dụngcông thức cơ bản học sinh(Hs) thực hiện rất thuần thạo, nhưng khi giải các bài toán khó ở mức độ vận dụng, vận dụng cao trong đó có sự dịch chuyển của vật, ảnh và thấu kính, thì đa số HS rất lúng túng Để giúp HS hứng thú học và giải nhanh các bài toán này thì cần phân loại các dạng bài toán và có phương pháp chung, đưa ra các

công thức ghi nhớ Tôi đã tìm tòi nghiên cứu cải tiến và mạnh dạn đưa ra phương pháp giải nhanh các bài toán quang học về thấu kính đơn trong đó có ‘sự dịch chuyển của vật , ảnh và thấu kính’ Trong các năm tiếp theo tôi đã vận dụng và

hướng dẫn HS giải các dạng toán đó và thấy kết quả học tập rất khả quan: chất lượng nâng cao, học sinh cảm thấy rất hứng thú khi làm bài tập, HS tìm ra kết quả nhanh.

- Hướng dẫn Hs giải nhanh các bài toán trắc nghiệm( phù hợp với việc đổi mới

phương pháp kiểm tra, đánh giá hiện nay) Từ đó nâng cao chất lượng dạy -học phần thấu kính Vật lí lớp 11, cũng như nâng cao chất lượng học bộ môn Vật lý của học sinhphổ thông

3 Đối tượng nghiên cứu.

- Hoạt động dạy và học phần quang hình học với bài toán về thấu kính đơn trong đó

có ‘ sự dịch chuyển của vật, ảnh và thấu kính’ của giáo viên và học sinh lớp 11 trườngTHPT

- Bồi dưỡng học sinh khá, giỏi

4 Phương pháp nghiên cứu.

- Phương pháp nghiên cứu xây dựng cơ sở lí thuyết

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

-Phương pháp thống kê , xử lí số liệu

5 Những điểm mới của sáng kiến kinh nghiệm.

- Phân loại các dạng bài tập thường gặp: nhiều dạng hơn, chi tiết cụ thể hơn

- Phương pháp giải bài toán: cụ thể hơn, khoa học hơn và nhanh hơn

- Bài tập tự luyện: nhiều hơn

PHẦN 2 NỘI DUNG Chương 1: Đại cương về thấu kính

I Thấu kính:

1.Định nghĩa

Thấu kính là một khối chất trong suốt giới hạn bởi hai mặt cầu hoặc một mặt phẳng

và một mặt cầu

2.Phân loại thấu kính

Có hai cách phân loại:

- Về phương diện quang học, thấu kính chia làm hai loại:

Thấu kính hội tụ: Làm hội tụ chùm tia sáng tới

Thấu kính phân kì: Làm phân kì chùm tia sáng tới

- Về phương diện hình học, thấu kính chia làm hai loại:

Thấu kính mép mỏng: Phần rìa mỏng hơn phần giữa

Thấu kính mép dày: Phần giữa mỏng hơn phần rìa

3 Tiêu cự Mặt phẳng tiêu diện:

Mặt phẳng vuông góc với trục chính tại tiêu điểm vật thì gọi là tiêu diện vật

Nhận xét: Tiêu diện vật và tiêu diện ảnh đối xứng nhau qua trục chính.

c.Tiêu điểm phụ

+Tiêu điểm vật phụ: Là giao của trục phụ và tiêu diện vật

+Tiêu điểm ảnh phụ: Là giao của trục phụ và tiêu diện ảnh

II Đường đi của tia sáng qua thấu kính:

1/ Các tia đặc biệt :

+ Tia qua quang tâm O thì truyền thẳng.

+ Tia qua tiêu điểm chính( hoặc có đường kéo dài qua tiêu điểm chính F) chotia ló song song trục chính

+ Tia tới song song trục chính cho tia ló qua tiêu điểm chính F/ (hoặc đườngkéo dài qua F/ )

2/ Tia tới bất kỳ:

- Vẽ tiêu diện vuông góc trục chính tại tiêu điểm chính ảnh F/

- Vẽ trục phụ song song với tia tới SI,cắt tiêu diện tại tiêu điểm phụ F1

- Vẽ tia ló đi qua tiêu điểm phụ F1 (hoặc đường kéo dài qua tiêu điểm phụ)

III Ảnh của vật cho bởi thấu kính.

1 Vẽ ảnh của vật cho bởi thấu kính:

a/ Vật là điểm sáng nằm ngoài trục chính: Vẽ hai trong ba tia đặc biệt

b/ Vật là điểm sáng nằm trên trục chính: Dùng một tia bất kỳ và tia đi theo trục chínhc/ Vật là đoạn thẳng AB vuông góc trục chính,A ở trên trục chính thì vẽ ảnh B/ của Bsau đó hạ đường vuông góc xuống trục chính ta có ảnh A/B/

Lưu ý: Vật thật ,ảnh thật vẽ bằng nét liền, ảnh ảo vẽ bằng nét đứt Tia sáng vẽ bằng

nét liền, có dấu mũi tên chỉ chiều truyền của tia sáng

2/ Tính ch t nh(ch xét cho v t th t)ất ảnh(chỉ xét cho vật thật) ảnh(chỉ xét cho vật thật) ỉ xét cho vật thật) ật thật) ật thật)

-Ảnh của điểm sáng thì khác bên thấu

kính, khác bên trục chính với vật

cùng bên thấu kính với vật

Ảnh của điểm sáng thì cùng bên thấukính, và cùng bên trục chính với vật

3/ Vị trí vật và ảnh:

Xét vật sáng là đoạn thẳng nhỏ AB vuông góc trục chính

Bảng tổng kết tính chất vật và ảnh qua thấu kính(CO=C’O=2OF)

1.Với thấu kính hội tụ

7 Vật đặt sát thấu kính( d= 0) Ảnh ảo ,sát thấu kính

2.V i th u kính phân kìới thấu kính phân kì ất ảnh(chỉ xét cho vật thật)

1 Vật thật từ ∞ đến O Ảnh ảo ở F’O’ Ảnh nhỏ hơn, cùng chiều vật

2 Vật đặt sát thấu kính Ảnh ảo, sát thấu kính

Cách nhớ:

-Với thấu kính hội tụ, vật thật chỉ cho ảnh ảo nếu trong khoảng OF, còn lại cho ảnh thật, ảnh thật thì ngược chiều, còn ảo thì cùng chiều

Về độ lớn của ảnh:dễ dàng thấy được độ lớn ảnh tăng dần đến ∞ rồi giảm

-Thấu kính phân kì: Vật thật luôn cho ảnh ảo cùng chiều và nhỏ hơn vật

Chú ý: s khác nhau ự khác nhau để phân biệt thấu kính hội tụ và thấu kính phân kì để phân biệt thấu kính hội tụ và thấu kính phân kì phân bi t th u kính h i t v th u kính phân kì.ệt thấu kính hội tụ và thấu kính phân kì ất ảnh(chỉ xét cho vật thật) ội tụ và thấu kính phân kì ụ và thấu kính phân kì à thấu kính phân kì ất ảnh(chỉ xét cho vật thật)

-Làm hội tụ chùm tia sáng tới

-Độ tụ và tiêu cự dương

-Làm phân kì chùm tia sáng tới

-Độ tụ và tiêu cự âm

-Nếu vật thật cho ảnh thật(ảnh hứng được

trên màn, ngược chiều vật,khác bên thấu

kính so với vật)

-Nếu vật thật cho ảnh ảo lớn hơn vật

-Nếu vật thật cho ảnh ảo nhỏ hơn vật

IV Các công thức về thấu kính:

1 Tiêu cự - Độ tụ

- Tiêu cự là trị số 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’)

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

xác định bởi : 1 ( 1 )( 1 1 )

2

1 R R n

n f

(k > 0: ảnh, vật cùng chiều; k < 0: ảnh, vật ngược chiều.)

( | k | > 1: ảnh cao hơn vật, | k | < 1: ảnh thấp hơn vật )

c Hệ quả:

' d f

d d f

Trong phần quang học chương trình Vật lí 11: bài toán về thấu kính đơn trong đó có ‘

sự dịch chuyển của vật , ảnh và thấu kính’ thường gặp các trường hợp sau:

- Thấu kính được giữ cố định, vật dịch chuyển

- Vật được giữ cố định, thấu kính dịch chuyển

- Cả vật và thấu kính đều dịch chuyển

Dù trong trường hợp nào thì vị trí tương đối giữa vật và thấu kính đều bị thay đổi, dẫn đến vị trí, kích thước, tính chất của ảnh cũng sẽ thay đổi

Tôi đưa ra các dạng toán thường gặp sau:

Dạng 1: Thấu kính được giữ cố định, vật dịch chuyển.

D1.1: Vật dịch chuyển theo phương của trục chính

D1.1.1.Vật dịch chuyển lại gần hoặc ra xa thấu kính một đoạn

D1.1.2.Vật chuyển động đều với vận tốc v

D1.2: Vật dịch chuyển theo phương vuông góc với trục chính

D1.3: Vật dịch chuyển theo phương hợp với trục chính góc

Dạng 2: Vật được giữ cố định, thấu kính dịch chuyển

D2.1: Thấu kính dịch chuyển theo phương của trục chính

D2.2: Thấu kính dịch chuyển theo phương vuông góc với trục chính

D2.3: Thấu kính quay quanh trục đi qua quang tâm O

Yêu cầu bài toán:

- Tìm các đại lượng: Tiêu cự f; độ dịch chuyển ảnh; vị trí vật- ảnh; vận tốc ảnh;…

- Biện luận : sự dịch chuyển của ảnh.

Chương 3 Hướng dẫn học sinh lớp 11 phương pháp giải nhanh các bài toán về thấu kính đơn trong đó có ‘sự dịch chuyển của vật, ảnh

và thấu kính ’ Giải một số bài toán minh hoạ.

Ghi nhớ chung:

- Xét cho vật thật

- Biện luận ảnh di chuyển như thế nào thì phải chọn 1 vị trí cố định làm mốc để

so sánh

DẠNG 1: THẤU KÍNH ĐƯỢC GIỮ CỐ ĐỊNH, VẬT DỊCH CHUYỂN.

D1.1: Vật dịch chuyển theo phương của trục chính.

D1.1.1: Vật dịch chuyển lại gần hoặc ra xa thấu kính một đoạn.

Bài toán : Khi chưa dịch chuyển, vật AB qua thấu kính cho ảnh A1B1 có độ phóng đại

k1 Khi vật dịch chuyển một đoạn a đối với thấu kính, thì ảnh dịch chuyển một đoạn b đối với thấu kính và có độ phóng đại là k2

Vấn đề đặt ra: Tìm mối liên hệ giữa f, k1, k2, a và b, để từ đó tìm được 1 đại lượng nếu biết các đại lượng kia

Phương pháp:

- Chọn vị trí thấu kính làm mốc (thấu kính giữ cố định).

- Ảnh và vật dịch chuyển cùng chiều nếu tính chất ảnh không đổi (trừ trường hợp vật

dịch chuyển qua vị trí tiêu điểm F của thấu kính hội tụ thì ảnh thay đổi tính chất)

-Tìm mối liên hệ giữa vị trí vật d, vị trí của ảnh d’, tiêu cự của thấu kính f và số

phóng đại của ảnh k

- Thiết lập mối liên hệ giữa f, k1, k2, a và b, đưa ra các công thức ghi nhớ để từ đó tìm được 1 đại lượng nếu biết các đại lượng kia

Giải quyết vấn đề:

Ta có:

' '

f d d

d k

k f

k f

d   d' f( 1  k) (1.1)

Liên hệ giữa a, f,k1 ,k2 a

k k

k k f k k f

1 2

2 1 2

Liên hệ giữa b, f,k1 ,k2

2 1 2

(

k k

b f k k f b

1

a d f d f

f k

k a

abk f

a

b ak

abk f

k

abk f

(1.7)

Liên hệ giữa a,b, f,d

2 1

1 2 1

2

b a

b a a d f

a d f

Lưu ý: Quy ước dấu :

- Nếu vật thật lại gần thấu kính: a < 0; Nếu vật thật ra xa thấu kính: a > 0

- Nếu ảnh thật lại gần thấu kính: b < 0 ; Nếu ảnh thật ra xa thấu kính: b > 0

- Nếu ảnh ảo lại gần thấu kính: b > 0 ; Nếu ảnh ảo ra xa thấu kính: b < 0

- Ảnh thật: k1.k2  0 ; Ảnh ảo: k1.k2  0

Bài toán minh họa

Ví dụ1: Vật sáng AB đặt vuông góc với trục chính của thấu kính hội tụ cho ảnh thật

bằng bốn lần vật Dịch chuyển vật ra xa 6 cm theo trục chính so với thấu kính thì cho ảnh bằng hai lần vật Tìm tiêu cự của thấu kính và độ dịch chuyển của ảnh

Hướng dẫn: Ta có: k1   4 ;a  6 ;k2   2

Áp dụng Ct (1.2): 24

1 2

2 1





k k

k k

Hướng dẫn: Ta có: k1  0 , 5 ;a   10 ;b  5( thấu kính phân kì luôn cho ảnh ảo)

abk

Ví dụ 3: Vật thật qua thấu kính cho ảnh thật, vật dịch chuyển về thấu kính thêm

30cm, ảnh dịch chuyển được 20 cm, biết ảnh thật lúc sau bằng 6 lần ảnh thật lúc đầu Tính tiêu cự của thấu kính

- Tìm độ dịch chuyển của vật trong thời gian t: ad2  d1

- Tìm quãng đường vật đi được: S1S2 vt Liên hệ a và S1S2

- Tìm độ dịch chuyển của ảnh trong thời gian t: '

1 '

2 d d

- Tìm quãng đường ảnh đi được: S'1S'2 v't, liên hệ b vàS ' S1 ' 2 :

- Lập tỉ số:

2 1

2 1 ' ' ' S S

S S v

- Quãng đường ảnh đi được: S1’S2’= b v'.t

cos   , trong đó :tan  h f

S S

S S v

v

1 60 tan

60 2

1 cos cos

5 , 0 4

1 ' '

0 2

1

2 1

D1.2: Vật dịch chuyển theo phương vuông góc với trục chính.

Bài toán: Một nguồn sáng điểm S đặt trên trục chính của thấu kính hội tụ tiêu cự f,

cách thấu kính d Cho S dịch chuyển theo phương vuông góc với trục chính của thấu kính với độ dịch chuyển y, tốc độ dịch chuyển là v Khi đó ảnh dịch chuyển theo phương vuông góc với trục chính với độ dịch chuyển y'và tốc độ dịch chuyển là v’Tìm mối liên hệ giữa d, d’, v, v’, yvà y' Biết rằng thấu kính được giữ cố định

Phương pháp: Ta có:

' '

d k d

-Vật dịch chuyển theo phương vuông góc với trục chính: độ dịch chuyển y; y  vt

-Do đó ảnh dịch chuyển theo phương vuông góc với trục chính: độ dịch chuyển y';

f d

d v

v y

Ví dụ 5: Một nguồn sáng điểm S đặt trên trục chính của thấu kính hội tụ tiêu cự f=

12 cm, cách thấu kính 18 cm Giữ thấu kính cố định, cho S dịch chuyển theo phương vuông góc với trục chính của thấu kính với vận tốc 1 m/s Ảnh của nguồn sáng dịch chuyển với vận tốc là

f v

v

(m/s)

D1.3: Vật dịch chuyển theo phương hợp với trục chính góc  .

Bài toán: Một nguồn sáng điểm S đặt trên trục chính của thấu kính hội tụ tiêu cự f,

cách thấu kính d Cho S dịch chuyển theo phương hợp với trục chính góc  Tìm hướng dịch chuyển và độ dời của ảnh theo d ; f; 

Phương pháp: Vật dịch chuyển theo phương hợp với trục chính góc  đoạn l

+Độ dời của vật theo phương của trục chính: a  lcos 

+Độ dời của vật theo phương vuông góc với trục chính: y  lsin 

- Độ dời của ảnh:

+Độ dời của ảnh theo phương của trục chính: Ct(1.4):

) cos )(

(

cos )

)(

( )

)(

(

2 2

2 2

1





l d f d f

lf a

d f d f

af b

a d f d f

f k

lf d f

f y y f

d f d f

f d

(

cos 2





l d f d f

lf b

Ví dụ 6: Cho 1 thấu kính tiêu cự f = 20 cm, một điểm sáng S nằm trên trục chính

cách thấu kính 10 cm, dịch chuyển theo phương tạo với trục chính góc 300 một đoạn

D2.1: Thấu kính dịch chuyển theo phương của trục chính.

Thấu kính có thể dịch chuyển lại gần hoặc ra xa vật thì ảnh dịch chuyển

- Nếu tìm các đại lượng: f, a, b,d,d’….: Áp dụng công thức ở D1.1

-Nếu biện luận sự dịch chuyển ảnh: khảo sát: L=d  d'

Bài toán : Một màn ảnh đặt song song với vật sáng AB và cách AB một đoạn L Một

thấu kính hội tụ có tiêu cự f đặt trong khoảng giữa vật và màn sao cho AB vuông gócvới trục chính của thấu kính Dịch chuyển thấu kính trong khoảng giữa vật và màn.Tìm mối liên hệ giữa L và f để:

a không có vị trí của thấu kính cho ảnh rõ nét trên màn

b có 1 vị trí của thấu kính cho ảnh rõ nét trên màn Tìm vị trí đó

c có 2 vị trí của thấu kính cho ảnh rõ nét trên màn Tìm khoảng cách l giữa 2 vị tríđó

Phương pháp:

Ta có: d d' L; k d d

f d d

'

;

1 '

1 1

- Nếu L<4f: Không thu được ảnh trên màn

- Nếu L=4f: Chỉ có 1 vị trí của thấu kính d L 2f

 , l 0; Lmin =4f (2.1)

- Nếu L>4f: Có 2 vị trí thu được ảnh rõ nét trên màn

Tiêu cự thấu kính:

L

l L f

'

k

k L d

d

d d f

l L

l

L (2.6)

Ví dụ7(biện luận): Vật sáng nhỏ AB vuông góc với trục chính của một thấu kính hội

tụ có tiêu cự f = 20 cm cho ảnh thật lớn hơn vật cách vật 90 cm

a/ Tìm vị trí vật và ảnh

b/ Thấu kính giữ cố định, dịch chuyển vật ra xa thấu kính, hỏi ảnh dịch chuyển như thế nào?

c/ Giữ vật cố định, di chuyển thấu kính ra xa vật, hỏi ảnh di chuyển như thế nào?

Hướng dẫn: a/ Áp dụng công thức thấu kính:

b/ Giữ thấu kính cố định, vật dịch chuyển ra xa thấu kính thì ảnh di chuyển về

gần thấu kính.Khi vật ra đến xa vô cùng thì ảnh về đến tiêu cự

c/ Giữ vật cố định , di chuyển thấu kính ra xa vật thì ảnh sẽ di chuyển

Ta thấy: L 4f Lmin  80

Khoảng cách giữa vật và ảnh lúc đầu ( câu a) là Ldd' 90cm

Suy ra: 30cm d  40cm Ảnh dịch chuyển về phía vật

40

d  cm Ảnh di chuyển được 10 cm thì dừng lại d'  40cm;L 80cm

40cm d   Ảnh đổi chiều chuyển động dịch chuyển ra xa

D2.2: Thấu kính dịch chuyển theo phương vuông góc với trục chính.

Phương pháp: Vật giữ cố định