Vì chất lượng đầu vào của học sinh hệ GDTX không cao nên đề tài chủ yếu tập trung bài toán giao thoa đối với ánh sáng đơn sắc cùng pha, một số ít bài toán giao thoa ánh sáng trắng thì gi
Trang 1PHẦN I MỞ ĐẦU 1.1
1.1 Lý do chọn đề tài.
Trong quá trình hơn 15 năm đứng lớp tôi thấy khi dạy đến Chương Sóng ánh sáng trong chương trình vật lí 12 thì các em lại lúng túng, cụ thể là các em hay mắc lỗi khi các em gặp các bài tập giao thoa ánh sáng dẫn tới mất điểm trong kỳ thi
Đối với học sinh hệ Giáo dục thường xuyên (GDTX) khi gặp các bài tập dạng này lại càng khó khăn hơn, bởi chất lượng đầu vào không cao, các bài tập giao thoa có sử dụng đến kiến thức toán học mà việc làm các phép tính trong toán học đối với các em thì hay sai sót nhầm lẫn
Mặt khác, trong giai đoạn hiện nay khi mà hình thức thi trắc nghiệm đã được áp dụng trong các kỳ thi, yêu cầu về phương pháp giải nhanh và tối ưu cho các em là rất cấp thiết để các em có thể đạt được kết quả cao
Xuất phát từ những lý do đã nêu ở trên và từ thực trạng trong dạy học ở
Trung tâm GDNN - GDTX huyện Thọ Xuân, tôi mạnh dạn chọn đề tài: “Hướng
dẫn học sinh lớp 12 hệ GDTX giải nhanh bài tập giao thoa ánh sáng trong chương trình Vật lí 12 THPT”
Vì chất lượng đầu vào của học sinh hệ GDTX không cao nên đề tài chủ yếu tập trung bài toán giao thoa đối với ánh sáng đơn sắc cùng pha, một số ít bài toán giao thoa ánh sáng trắng thì giành cho số học sinh khá, giỏi có nguyện vọng
ôn thi để xét tuyển Đại học, Cao đẳng
1.2 Mục đích nghiên cứu.
Đề tài này có phân loại các dạng bài toán từ đó vận dụng kiến thức toán học để giải các bài toán giao thoa, mỗi dạng đều đưa ra phương pháp giải nhằm giúp các em tìm được cách giải nhanh nhất Trên cơ sở những kết quả đã nghiên cứu sẽ giúp cho các em học sinh áp dụng để giải quyết được các loại bài toán về giao thoa ánh sáng
1.3 Đối tượng nghiên cứu.
1.3.1 Đối tượng nghiên cứu.
- Học sinh lớp 12 THPT hệ GDTX
- Học sinh lớp 12 hệ GDTX tham gia dự thi môn Vật lí kỳ thi Tốt nghệp THPT
1.3.2 Phạm vi ngiên cứu.
- Đề tài nghiên cứu về phần “Bài tập giao thoa ánh sáng ” thuộc chương
trình Vật lí lớp 12
1.4 Phương pháp nghiên cứu.
- Xác định đối tượng học sinh áp dụng đề tài
- Trình bày cơ sở lý thuyết về sóng ánh sáng và các đại lượng liên quan
- Phương pháp giải nhanh các dạng bài tập giao thoa ánh sáng
- Các bài tập áp dụng cho từng dạng bài tập
- Đưa ra các bài tập trắc nghiệm để học sinh luyện tập
- Đánh giá, đưa ra sự điều chỉnh phương pháp cho phù hợp từng đối tượng học sinh
Trang 2PHẦN II: NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM 2.1 Cơ sở lý luận của sáng kiến kinh nghiệm.
Để giúp các em học tốt hơn, giáo viên cần tạo cho học sinh hứng thú học tập, cần giúp các em làm các bài tập rèn luyện tư duy môn học Cần cho học sinh thấy được nhu cầu nhận thức là quan trọng, con người muốn phát triển cần phải có tri thức cần phải học hỏi Đối với môn vật lý thì giáo viên cần biết định hướng, giúp đỡ từng đối tượng học sinh, quan trọng hơn là phải tạo tình huống giúp các em nâng cao năng lực tư duy
Việc phân loại bài tập hai sóng kết hợp cùng pha hoặc ngược pha giao thoa nhau trong chương trình Vật lí 12 là rất cần thiết để giúp các em học sinh
có hiệu quả cao trong việc rèn luyện kỹ năng giải bài tập và rèn luyện tư duy cho học sinh, rèn luyện cho các em phương pháp làm việc khoa học, độc lập góp phần hình thành cho học sinh năng lực tư duy khoa học Có thể vận dụng dạng bài tập phần này để giúp các em rèn luyện các kỹ năng trong cuộc sống; trong luyện tập, rèn luyện kỹ năng cho học sinh; trong kiểm tra, đánh giá kiến thức, kỹ năng ghi nhớ vận dụng kiến thức đã có sâu chuỗi kiến thức giữa các bài, các
chương… của học sinh
2.2
2.2 Thực trạng của vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm.
Nghiên cứu đối tượng học sinh năm học: 2018 2019; 2019 2020; 2020 -2021
Phương pháp quan sát: Người thực hiện đề tài tự tìm tòi, nghiên cứu, đúc rút kinh nghiệm từ thực tiễn giảng dạy
Phương pháp trao đổi, thảo luận: Từ kết quả nghiên cứu, khi thực hiện đề tài tôi tiến hành trao đổi, thảo luận với đồng nghiệp, rút kinh nghiệm để hoàn thiện đề tài
Phương pháp thực nghiệm: Tôi tiến hành dạy thể nghiệm theo phương pháp đã nghiên cứu trong đề tài
Phương pháp điều tra: Tôi ra các bài tập áp dụng để kiểm tra đánh giá kết quả sử dụng phương pháp mới
Thực trạng học sinh:
+ Các em còn lúng túng giải các bài toán giao thoa ánh sáng
+ Khả năng truyền tải từ ngôn ngữ Vật lí thành công thức
+ Ý thức học tập của học sinh chưa thực sự tốt
+ Nhiều học sinh có tâm lí sợ học môn Vật lí
Đây là môn học đòi hỏi sự tư duy, phân tích của các em Thực sự là khó không chỉ đối với học sinh mà còn khó đối với cả giáo viên trong việc truyền tải kiến thức tới các em Nhiều em hổng kiến thức từ lớp dưới, ý thức học tập chưa cao nên chưa xác định được động cơ học tập, chưa thấy được ứng dụng to lớn của môn vật lý trong đời sống
Qua nghiên cứu trong một vài năm trở lại đây việc học sinh tiếp thu vận dụng các kỷ năng giải bài tập giao thoa sóng còn nhiều hạn chế, kết quả chưa cao Sự nhận thức và ứng dụng thực tế cũng như vận dụng vào việc giải quyết
Trang 3các bài tập Vật lí còn nhiều yếu kém Để làm tốt được những vấn đề này người giáo viên phải luôn luôn tìm tòi và đưa ra hướng giải quyết khắc phục sao cho học sinh của mình đạt kết quả cao nhất trong các kì thi người thầy phải tìm ra được những cách giải phù hợp và nhanh cho từng dạng toán cụ thể để truyền thụ cho học sinh Thực trạng trên là những động lực giúp tôi nghiên cứu đề tài này
2.3
2.3 Các sáng kiến kinh nghiệm, giải pháp đã sử dụng để giải quyết vấn đề.
A PHƯƠNG PHÁP CHUNG.
2.3.1 Đại cương về sóng ánh sáng
Ánh sáng trắng
- Ánh sáng trắng là tập hợp của vô số ánh sáng đơn sắc khác nhau có màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím
- Dải có màu như cầu vồng (có có vô số màu nhưng được chia thành 7 màu chính là đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím) gọi là quang phổ của ánh sáng trắng
Quang phổ của ánh sáng trắng
- Chiết suất của các chất trong suốt biến thiên theo màu sắc ánh sáng và tăng dần từ màu đỏ đến màu tím
Sự tán sắc ánh sáng: Tán sắc ánh sáng là sự phân tách một chùm sáng
phức tạp thành các chùm sáng đơn sắc
Sự tán sắc của ánh sáng
Ánh sáng đơn sắc
- Ánh sáng đơn sắc là ánh sáng không bị tán sắc khi đi qua lăng kính Mỗi ánh sáng đơn sắc có một màu gọi là màu đơn sắc Mỗi màu đơn sắc trong mỗi môi trường có một bước sóng xác định
Trang 4- Khi truyền qua các môi trường trong suốt khác nhau vận tốc của ánh sáng thay đổi, bước sóng của ánh sáng thay đổi còn tần số của ánh sáng thì không thay đổi
Ánh sáng đơn sắc
Nhiễu xạ ánh sáng
Nhiễu xạ ánh sáng là hiện tượng truyền sai lệch với sự truyền thẳng của ánh sáng khi đi qua lỗ nhỏ hoặc gặp vật cản Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng chứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng
Nhiễu xạ ánh sáng
Giao thoa ánh sáng
- Hiện tượng giao thoa ánh sáng là hiện tượng gặp nhau của hai hay nhiều sóng ánh sáng, kết quả trong trường giao thoa sẽ xuất hiện những vân sáng và những vân tối xen kẽ nhau
Giao thoa ánh sáng màu đỏ
- Điều kiện để xảy ra hiện tượng giao thoa: các sóng ánh sáng phải là sóng kết hợp (những sóng có cùng tần số và hiệu pha không đổi theo thời gian) Hai chùm sáng kết hợp là hai chùm phát ra ánh sáng có cùng tần số và cùng pha hoặc có độ lệch pha không đổi theo thời gian
Khi hai chùm sáng kết hợp gặp nhau chúng sẽ giao thoa:
Trang 5+ Những chổ hai sóng gặp nhau mà cùng pha nhau, chúng tăng cường lẫn nhau tạo thành các vân sáng
+ Những chổ hai sóng gặp nhau mà ngược pha với nhau, chúng triệt tiêu nhau tạo thành các vân tối
+ Nếu ánh sáng trắng giao thoa thì hệ thống vân của các ánh sáng đơn sắc
khác nhau sẽ không trùng nhau:
+ Ở chính giữa, vân sáng của các ánh sáng đơn sắc khác nhau nằm trùng nhau cho một vân sáng trắng gọi là vân trắng chính giữa (vân trung tâm)
+ Ở hai bên vân trung tâm, các vân sáng khác của các sóng ánh sáng đơn sắc khác nhau không trùng với nhau nữa, chúng nằm kề sát bên nhau và cho những quang phổ có màu như ở màu cầu vồng
Giao thoa ánh sáng trắng
Hiện tượng giao thoa ánh sáng là bằng chứng thực nghiệm khẳng định ánh sáng có tính chất sóng
2.3.2 Bài toán giao thoa ánh sáng.
Thí nghiệm Y-âng về giao thoa ánh sáng
- Một bóng đèn Đ chiếu vào khe hẹp F Khe F nhiễu xạ ánh sáng qua nó
và trở thành một nguồn sáng mới, nguồn này lại chiếu sáng hai khe F1, F2 giống nhau, đặt cách đều F chừng vài chục xen-ti-mét Ánh sáng nhiễu xạ qua F1, F2 cùng dọi vào tấm kính mỏng trong suốt M đóng vai trò màn ảnh, đặt cách F1, F2 chừng vài xen-ti-mét Quan sát M qua một kính lúp L, ta trông thấy một hệ vân
có nhiều màu Đặt một tấm kính màu K, màu đỏ chẳng hạn, giữa đèn Đ và khe F thì trên màn M chỉ có những vạch sáng đỏ và tối xen kẽ, song song và cách đều nhau
Vân sáng trung tâm
Trang 6Hiện tượng trong vùng hai chùm sáng gặp nhau lại có những vạch tối đã buộc ta phải thừa nhận ánh sáng có tính chất sóng Những vạch tối là chỗ hai ánh sáng sóng ánh sáng triệt tiêu lẫn nhau Những vạch sáng là chỗ hai sóng ánh sáng tăng cường lẫn nhau Những vạch sáng và tối xen kẽ nhau chính là hệ vân giao thoa của hai sóng ánh sáng
- Thí nghiệm Y - âng được giải tích như sau:
Hai khe F1, F2 được chiếu sáng bởi cùng một khe F đã trở thành hai nguồn kết hợp Hai sóng kết hợp phát đi từ F1, F2 khi gặp nhau trên màn M đã giao thoa với nhau
Thí nghiệm Y-âng 2.3.3 Vị trí vân sáng, vân tối.
Vị trí vân sáng
Trong thí nghiệm giao thoa ánh sáng của Y-âng, ta quy ước:
; I là trung điểm của ; A là một điểm trên màn M
và ; O là giao điểm của đường trung trực của với màn M;
; là khoảng cách từ hai nguồn đó tới màn M; là bước sóng ánh sáng
Hiệu đường đi của hai tia sáng :
Xét 2 tam giác vuông AHF1 và AHF2 ta có:
Do đó:
(1.1)
Do và có kích cỡ mi-li-mét, còn D thường là vài chục, thậm chí một, hai trăm xen-ti-mét Do đó có thể lấy gần đúng 2D
A là vân sáng thì hai sóng gặp nhau tại A phải tăng cường lẫn nhau, tức là
ta phải có:
với Khoảng cách từ O đến vân sáng thứ là:
Trang 7, (1.3)
là bậc giao thoa
- Nếu , gọi là vân sáng trung tâm (Vân sáng tại điểm O)
- Nếu , gọi là vân sáng bậc 1
- Nếu , gọi là vân sáng bậc 2
- Nếu , gọi là vân sáng bậc 3
Vị trí vân tối
A là vân tối thì hai sóng gặp nhau tại A triệt tiêu cường lẫn nhau, tức là ta phải có:
với
Vị trí vân tối thứ là:
, (1.4)
Đối với vân tối, không có khái niệm bậc giao thoa
Vân tối thứ ứng với
Bài tập vận dụng
Câu 1: Trong thí nghiệm Y-âng về giao thoa ánh sáng Dùng ánh sáng
đơn sắc có bước sóng , khoảng cách hai khe là 1 , khoảng cách từ hai khe tới màn là 3 m Vị trí của vân tối thứ 5
A 1,5 mm B 4 mm C 6,75 mm D 6 mm
HD: Vị trí vân tối Vân tối thứ 5 thì k’ = 4
Câu 2: Trong thí nghiệm Y-âng về giao thoa ánh sáng, cho biết khoảng
cách hai khe là 0,3 , khoảng cách từ hai khe đến màn hứng vân sáng là D = 1
m Ta thấy khoảng cách của 11 vân sáng liên tiếp nhau là 1,9 cm Tính bước sóng đã sử dụng trong thí nghiệm giao thoa ?
A 520 B 0,57.10-3 C 0,57 D 0,48.10-3mm
HD: Khoảng cách 11 vân sáng liên tiếp tương ứng là
Câu 3: Trong thí nghiệm Y-âng, nguồn S phát bức xạ đơn sắc , màn
quan sát cách mặt phẳng hai khe một khoảng không đổi D, khoảng cách giũa hai khe S1S2 = a có thể thay đổi Xét điểm M trên màn, lúc đầu là vân tối thứ 3 Nếu lần lượt giảm hoặc tăng khoảng cách S1S2 một lượng thì tại M là vân sáng bậc n và bậc 3n Nếu tăng khoảng cách S1S2 thêm 2 thì tại M là:
A vân sáng bậc 6 B vân sáng bậc 5
Trang 8C vân tối thứ 6 D vân tối thứ 5.
HD: Điểm M vân tối thứ 3:
Tăng khoảng cách S1S2 thêm 2 thì
Câu 4: Trong thí nghiệm về giao thoa ánh sáng bước sóng ánh sáng bằng
, khoảng cách từ hai khe đến màn là D Biết khi khoảng cách giữa hai khe là thì khoảng vân bằng 3 mm, khi khoảng cách giữa hai khe là thì khoảng vân là 4 mm Khi khoảng cách giữa hai khe là thì khoảng vân bằng
HD: Khoảng vân: ;
Câu 5: Thực hiện giao thoa ánh sáng với thí nghiệm Y-âng Lúc đầu
khoảng cách giữa hai khe là 0,75 mm, màn quan sát cách hai khe là D Khi khoảng cách giữa hai khe giảm 0,03 mm mà khoảng vân không đổi, tỉ số (D’
là khoảng cách mới từ màn đến khe) là
Câu 6: Trong thí nghiệm Y-âng về giao thoa ánh sáng, hai khe được
chiếu bằng ánh sáng đơn sắc có bước sóng Nếu tại điểm M trên màn quan sát
có vân tối thì hiệu đường đi của ánh sáng từ hai khe đến điểm M có độ lớn nhỏ nhất bằng
HD: Điểm M trên màn quan sát là vân tối thì hiệu đường đi của ánh sáng
là
2.3.4 Khoảng vân, khoảng cách các vân.
Khoảng vân
- Khoảng vân là khoảng cách giữa hai vân sáng hoặc hai vân tối liên tiếp
- Công thức tính khoảng vân:
(1.5)
Bài tập vận dụng
Trang 9Câu 1: Trong thí nghiệm Y-âng về giao thoa ánh sáng trắng Biết khoảng
cách giữa hai khe a = 0,3 mm; khoảng cách từ hai khe đến màn D = 2 m Tính khoảng cách giữa vân sáng bậc 2 màu đỏ và vân sáng bậc 2 màu tím
Câu 2: Trong thí ngiệm giao thoa Y-âng, khoảng cách ai khe a = 2 mm,
khoảng cách hai khe tới màn hứng vân là D = 1,2 m Khe F phát đồng thời hai bức xạ màu đỏ có bước sóng và màu lục có bước sóng Khoảng cách từ vân sáng màu đỏ bậc 2 đến vân sáng màu lục bậc 5 là
A 0,528 mm B 1,20 mm C 3,24 mm D 2,53 mm
Câu 3: Trong thí nghiệm Y-âng với ánh sáng trắng (0,4 đến 0,75 ),
cho a = 1 mm, D = 2 m Hãy tìm bề rộng của quang phổ liên tục bậc 3
A 2,1 mm B 1,8 mm C 1,4 mm D 1,2 mm
Câu 4: Trong thí nghiệm của Y-âng về giao thoa ánh sáng, hai khe S1, S2 được chiếu bằng ánh sáng đơn sắc có bước sóng Người ta đo được khoảng cách giữa 6 vân sáng liên tiếp trên màn là 6 mm Tính khoảng cách từ vân sáng bậc 3 đến vân sáng bậc 8 ở cùng phía với vân sáng chính giữa
Câu 5: Trong thí nghiệm Y-âng về giao thoa ánh sáng, khoảng cách giữa
hai khe là 1 mm, khoảng cách từ hai khe đến màn là 3 m Dùng ánh sáng đơn sắc có bước sóng chiếu vào hai khe thì người ta đo được khoảng cách từ vân sáng trung tâm tới vân sáng thứ tư là 6 mm Xác định vị trí vân sáng thứ 6
Câu 6: Trong thí nghiệm Y-âng về giao thoa ánh sáng Dùng ánh sáng
đơn sắc có bước sóng , khoảng cách hai khe là 0,4 mm, khoảng cách từ hai khe tới màn là 2 m Xác định khoảng cách từ vân sáng thứ 4 đến vân sáng thứ 8 ở khác phía so với vân sáng chính giữa
Câu 7: Trong thí nghiệm Y-âng về giao thoa ánh sáng Dùng ánh sáng
đơn sắc có bước sóng , khoảng cách hai khe là , khoảng cách từ vân sáng bậc 3 tới vân sáng trung tâm là 0,9 Tính khoảng cách từ hai nguồn đến màn?
Trang 10A 20 cm B 1,5 m C 2.103 mm D 2 mm.
2.3.5 Số vân sáng trên bề rộng vùng giao thoa L, trong khoảng MN.
Vùng giao thoa trường L
Cách khác:
L là bề rộng của trường giao thoa trên màn
- Lập tỉ số:
Với là lấy phần nguyên của biểu thức bên trong dấu ngoặc vuông
Trong khoảng MN
Bài tập vận dụng
Câu 1: Trong thí nghiệm của Y-âng về giao thoa ánh sáng, hai khe F1, F2 được chiếu bằng ánh sáng đơn sắc có bước sóng Khoảng cách giữa hai khe là
a Người ta đo được khoảng cách giữa 5 vân sáng liên tiếp trên màn là 4 mm Biết tại 2 điểm C và E trên màn cùng phía với nhau so với vân sáng trung tâm và cách vân sáng trung tâm lần lượt là 2,5 mm và 15 mm Từ C đến E có bao nhiêu vân sáng ?
Câu 2: Trong thí nghiệm của Y-âng về giao thoa ánh sáng, hai khe F1, F2 được chiếu bằng ánh sáng đơn sắc có bước sóng Khoảng cách giữa hai khe là 0,8 mm, khoảng cách từ hai khe đến màn là 2 m Người ta đo được khoảng cách giữa 6 vân sáng liên tiếp trên màn là 6 mm Biết tại 2 điểm M và N trên màn khác phía với nhau so với vân sáng trung tâm và cách vân sáng trung tâm lần lượt là 3 mm và 13,2 mm Trong khoảng cách từ M đến N có bao nhiêu vân sáng
?
14 vân sáng.