Thiết kế thí nghiệm và xây dựng video hướng dẫn thực hành thí nghiệm vật lí ở trường trung học phổ thông phần sóng ánh sáng

Đối với dạy và học nội dung về sóng ánh sáng trong chương trình vật lý phổ thông, đây là một nội dung gắn liền với các hiện tượng thường gặp trong đời sống.. Nhiệm vụ nghiên cứu Để đạt

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC

PHÙNG THỊ THÙY LINH

THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM VÀ XÂY DỰNG VIDEO HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH THÍ NGHIỆM VẬT LÍ

Ở TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG PHẦN SÓNG ÁNH SÁNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÝ

Hà Nội – 2018

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC

THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM VÀ XÂY DỰNG VIDEO HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH THÍ NGHIỆM VẬT LÍ

Ở TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG PHẦN SÓNG ÁNH SÁNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÝ

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Thị Thu Hiền

Sinh viên thực hiện khóa luận: Phùng Thị Thùy Linh

Hà Nội – 2018

Lời cảm ơn

Được sự phân công của Trường Đại học Giáo dục – Đại học Quốc gia Hà Nội, và sự đồng ý của giáo viên hướng dẫn PGS TS Lê Thị Thu Hiền, công tác tại Đại học Quốc gia Hà Nội tôi đã thực hiện đề tài “Thiết kế thí nghiệm và xây dựng video hướng dẫn tiến hành thí nghiệm vật lý ở trường Trung học Phổ thông phần sóng ánh sáng”

Với lòng biết ơn sâu sắc, lời đầu tiên tôi xin gửi chân thành cảm ơn PGS

TS Lê Thị Thu Hiền, người đã luôn tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để tôi có thể hoàn thành khóa luận này một cách tốt nhất Ngoài ra, tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô tại Khoa Sư phạm – Trường Đại học Giáo dục đã luôn ở bên động viên, khích lệ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu; và Trường Đại học Giáo dục đã tạo điều kiện tốt nhất giúp tôi hoàn thành khoá luận tốt nghiệp

Mặc dù trong quá trình làm khóa luận tôi đã có nhiều cố gắng để thực hiện

đề tài một cách hoàn chỉnh nhất nhưng với vốn kiến thức còn hạn chế, bài khoá luận của tôi không tránh khỏi những thiếu sót Vì thế, tôi rất mong nhận được những lời nhận xét và góp ý của quý thầy, cô để bài khoá luận của tôi được hoàn thiện hơn và tôi có thêm những kinh nghiệm quý báu

Xin kính chúc quý thầy, cô lời chúc sức khỏe, thành công, may mắn trong cuộc sống cũng như trong công việc

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, thàng 5 năm 2018 Sinh viên

Phùng Thị Thùy Linh

Mục lục

Lời cảm ơn

Danh mục viết tắt

Mục lục

Mở đầu 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Nhiệm vụ nghiên cứu 2

Chương 1: Cơ sở lí luận của đề tài 3

1.1 Phân tích nội dung chương trình phổ thông phần sóng ánh sáng 3

1.1.1 Nội dung kiến thức cơ bản phần sóng ánh sáng 3

1.1.1.1 Sự tán sắc ánh sáng 3

1.1.1.2 Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng 6

1.1.1.3 Hiện tượng giao thoa sóng ánh sáng 15

1.1.1.4 Các bức xạ không nhìn thấy 22

1.1.1.5 Thuyết điện từ về ánh sáng 27

1.1.2 Những yêu cầu chương trình phổ thông mới 29

1.2 Phân tích logic hình thành kiến thức phần sóng ánh sáng 31

1.2.1 Sơ đồ nội dung kiến thức chương “Sóng ánh sáng” 32

1.2.2 Phân tích logic hình thành nội dung kiến thức phần sóng ánh sáng32 1.2.2.1 Tán sắc ánh sáng 32

1.2.2.2 Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng 35

1.2.2.3 Hiện tượng giao thoa ánh sáng 36

1.2.2.4 Các loại quang phổ 38

1.2.2.5 Các bức xạ không nhìn thấy 40

1.2.2.6 Thuyết điện từ về ánh sáng 43

Chương 2: Thiết kế một số thí nghiệm 45

2.1 TN 1: Đo bước sóng ánh sáng bằng phương pháp giao thoa 45

2.2 TN 2: Thí nghiệm về quang phổ 49

2.3 TN 3: Nhận biết ánh sáng đơn sắc và ánh sáng không đơn sắc bằng đĩa CD 51

2.4 TN 4: Tán sắc ánh sáng 53

2.5 TN 5: Tổng hợp về ánh sáng trắng 55

Chương 3: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 65

3.1 TN 1: Đo bước sóng ánh sáng bằng phương pháp giao thoa 65

3.2 TN 2: Thí nghiệm về quang phổ 66

Kết luận 69

Tài liệu tham khảo 70

Mở đầu

1 Lý do chọn đề tài

Đất nước ta đang bước vào thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa Xu hướng này không chỉ diễn ra ở khu vực kinh tế và thương mại, mà còn diễn ra ở cả lĩnh vực giáo dục Thế giới đang xảy ra sự bùng nổ tri thức khoa học và công nghệ Xã hội phồn vinh ở thế kỷ 21 phải là một xã hội “dựa vào tri thức”, vào

tư duy sáng tạo, vào tài năng sáng chế của con người Để có thể vươn lên được, đòi hỏi chúng ta phải đào tạo nguồn nhân lực không những phải có kiến thức,

mà còn phải có năng lực hoạt động thực nghiệm Nhận thức rõ tầm quan trọng của giáo dục trong sự nghiệp xây dựng và phát triển đất nước, từ Đại hội Đảng lần thứ IX thì Nghị quyết cũng đã nêu rõ: “Đổi mới phương pháp dạy và học, phát huy tư duy sáng tạo và năng lực tự đào tạo của người học, coi trọng thực hành, thí nghiệm, làm chủ kiến thức, tránh nhồi nhét, học vẹt, học chay Đổi mới và tổ chức thực hiện nghiêm minh chế độ thi cử” [2] Do vậy, việc đổi mới phương pháp dạy và học trong nhà trường phổ thông trong đó yêu cầu đổi mới phương pháp dạy và học đối với môn vật lý là điều tất yếu

Vật lý học là một môn khoa học thực nghiệm, học sinh vừa được trang bị kiến thức, vừa được trang bị phương pháp làm việc và năng lực hoạt động thực nghiệm Việc sử dụng thí nghiệm trong dạy học góp phần quan trong vào việc hoàn thiện những phẩm chất và năng lực của học sinh, đưa đến sự phát triển toàn diện cho người học Nhờ thí nghiệm học sinh có thể hiểu sâu hơn bản chất vật lý của các hiện tượng, định luật, quá trình được nghiên cứu và do đó có khả năng vận dụng kiến thức vào thực tiễn của học sinh sẽ linh hoạt và hiệu quả hơn Thực tế cho thấy, trong dạy học vật lý, đối với các bài giảng có sử dụng thí nghiệm, thì học sinh lĩnh hội kiến thức rộng hơn và nhanh hơn, học sinh quan sát và đưa ra những dự đoán, những ý tưởng mới, nhờ đó hoạt động

nhận thức của học sinh sẽ được tích cực và tư duy của các em sẽ được phát triển tốt hơn

Đối với dạy và học nội dung về sóng ánh sáng trong chương trình vật lý phổ thông, đây là một nội dung gắn liền với các hiện tượng thường gặp trong đời sống Mặc dù các thí nghiệm phục vụ dạy học nội dung này khá đơn giản và có thể dễ dàng chế tạo từ các nguyên liệu thường gặp, tuy nhiên bộ thí nghiệm này còn chưa được trang bị đầy đủ đến các trường, gây nhiều khó khăn cho giáo viên và học sinh trong việc dạy học Xuất phát từ những lý do trên, tôi đã lựa chọn đề tài: “Thiết kế thí nghiệm và xây dựng video hướng dẫn thực hành thí nghiệm vật lý ở trường Trung học Phổ thông phần sóng ánh sáng” làm khóa luận tốt nghiệp

2 Mục đích nghiên cứu

Xây dựng một số bài thí nghiệm phần sóng ánh sáng để sử dụng dạy học ở phổ thông theo chương trình phổ thông mới Nhằm giúp học sinh phát triển tính tích cực, sáng tạo và phát triển năng lực hoạt động thực nghiệm của học sinh

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

Để đạt được mục đích nghiên cứu đề ra, đề tài tập trung thực hiện những nhiệm vụ cụ thể sau:

- Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông mới

- Xây dựng các bài thí nghiệm trong việc dạy học nội dung Sóng ánh sáng

- Tiến hành quay video tiến trình thí nghiệm và xử lí số liệu (nếu có)

Chương 1: Cơ sở lí luận của đề tài 1.1 Phân tích nội dung chương trình phổ thông phần sóng ánh sáng

1.1.1 Nội dung kiến thức cơ bản phần sóng ánh sáng

1.1.1.1 Sự tán sắc ánh sáng

Người đầu tiên nghiên cứu hiện tượng tán sắc ánh sáng và đưa ra giải thích đúng đắn là Newton Thí nghiệm tán sắc ánh sáng với lăng kính của Newton cho thấy một chùm hẹp ánh sáng mặt trời khi truyền qua một lăng kính sau khi khúc xạ bị phân tách thành một dải màu giống như màu sắc cầu vòng gồm bảy màu chính: đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm, tím Trong đó màu tím bị lệch nhiều hơn cả về phía đáy lắng kính Các màu này thay đổi một cách liên tục, giữa chúng không có ranh giới xác định Hiện tượng này gọi là sự tán sắc ánh sáng bởi lăng kính

Hiện tượng tán sắc ánh sáng có thể xảy ra ở mọi môi trường ở thể rắn, lỏng, khí

Ngược lại khi bố trí thí nghiệm tổng hợp các ánh sáng nhiều màu sắc từ đỏ đến tím, Newton cũng đã thu được ánh sáng trắng

Hình 1.1 Sự tán sắc của ánh sáng qua lăng kính

a Khái niệm về ánh sáng đơn sắc và ánh sáng trắng

 Ánh sáng đơn sắc là ánh sáng không bị tán sắc mà chỉ bị lệch khi qua lăng kính

 Ánh sáng trắng (ánh sáng mặt trời, đèn dây tóc, hồ quang, …) là hỗn hợp của nhiều ánh sáng màu sắc khác nhau có màu từ đỏ tới tím Ánh sáng trắng là một trường hợp của ánh sáng phức tạp hay ánh sáng đa sắc

Bước sóng ánh sáng của các ánh sáng có màu từ đỏ cho đến tím:

Màu ánh sáng Bước sóng  (m) (trong chân không)

b Hiện tượng tán sắc trong thực tế

Hiện tượng tán sắc xảy ra đồng thời với hiện tượng khúc xạ nên rất phổ biến Tuy nhiên thường các màu hay bị lẫn với màu trắng nên ta không nhận thấy hiện tượng tán sắc

Để nhìn thấy hiện tượng tán sắc qua một lần khúc xạ, ta hãy nhìn một hạt gạo hoặc mảnh sứ trắng trong nước sâu, mắt đặt gần mặt nước Ta thấy ảnh hạt gạo nhòe thành dải nhiều màu

Một góc bể cá vàng hình hộp có thể coi như lăng kính bằng nước, có góc chiết quang 900 Để mắt nhìn sát mặt bên, ta cũng thấy quang phổ nếu ở phía mặt bên vuông góc có một ngọn đèn

Cũng tương tự như vậy, giọt sương có màu rất đẹp khi có ánh sáng mặt trời chiếu vào, nếu ta nhìn nó từ một vị trí thích hợp

Xét ví dụ về hiện tượng tán sắc ánh sáng trong tự nhiên là cầu vồng

Cầu vồng là hiện tượng tán sắc ánh sáng Mặt trời qua các giọt nước nhỏ

ra khỏi giọt nước đi tới mắt ta Người ta chứng minh được rằng, chùm tia ló khỏi giọt nước đạt cường độ cực đại khi độ lệch trung bình của nó đối với chùm tia tới vào khoảng 40o 42o Giọt nước đóng vai trò một hệ tán sắc giống như lăng kính: chùm tia tím (T) bị lệch nhiều hơn chùm tia đỏ (Đ)

Hình 1.3 Sự tạo thành cầu vồng Một người muốn trông thấy cầu vồng phải đảm bảo hai điều kiện:

+ Người quan sát phải ở khoảng giữa Mặt trời và các giọt nước mưa

+ Góc giữa mặt trời, giọt nước, người quan sát phải nằm trong khoảng 40o 

42o

Do hai điều kiện đó, ta chỉ có thể trông thấy cầu vồng tạo nên bởi những

giọt nước mưa trên bầu trời vào buổi sáng và buổi chiều Ở biên trên của cầu

vồng là tia đỏ đến từ những giọt nước mưa phía trên, ứng với góc 42o Còn ở

biên giới của cầu vồng là tia tím đến từ những giọt nước mưa ở phía dưới, ứng

với góc 40o Nằm ở giữa theo thứ tự từ trên xuống là các tia sáng màu cam,

vàng, lục và chàm, gộp với hai màu ngoài cùng đỏ và tím thành bảy sắc cầu

vồng (hình 1.2.a)

Nếu tia sáng mặt trời phản xạ hai lần bên trong các giọt nước thì sẽ hình

thành cầu vồng kép Chiếc cầu vồng thứ hai có thứ tự ngược lại với chiếc cầu

vồng thứ nhất, tức là màu tím ở trên cùng, rồi đến các màu chàm, lam, lục, vàng,

cam, đỏ (hình 1.2.b)

1.1.1.2 Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng

Khi một vật cản đặt vào khoảng giữa màn quan sát và một nguồn sáng điểm,

bóng hình tạo nên trên màn có những vùng tối, sáng không giống như người ta

chờ đợi theo cách suy luận của quang hình học Cũng như vậy khi truyền qua

B: đám mây tạo mưa S: chùm sáng Mặt trời O: mắt quan sát viên đứng trên mặt đất

G: giọt nước, tại đó có sự khúc xạ

và phản xạ tia sáng mặt trời tới nó

O l

à m ắ

t q u a

n s á

t v i ê

n đ ứ n

g t r ê

n m ặ

t đ ấ

t

G là giọt nước, tại đó

có sự khúc xạ và phản xạ tới nó

một lỗ hẹp hoặc màn chắn, ánh sáng không còn truyền thẳng mà bị lệch đi Trong các hiện tượng trên, nguyên lí truyền thẳng của ánh sáng không còn nghiệm đúng và người ta gọi chúng là hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng Hiệu ứng này là một đặc tính chung của các hiện tượng sóng, nó xuất hiện khi một phần của mặt sóng bị che khuất Nếu gặp một vật cản trong suốt hoặc đục, một vùng của mặt sóng bị biến đổi về biên độ hoặc pha, khi đó nhiễu xạ sẽ xảy ra

mà phải sử dụng quan điểm mới, xem ánh sáng có tính chất sóng

b Nhiễu xạ gây bởi các sóng cầu

Trước khi có thuyết sóng điện từ về ánh sáng Fresnel và Huygens đã đưa ra

lí thuyết giải thích đầy đủ hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng Để xây dựng lý thuyết truyền sóng ánh sáng Christiaan Huygens (nhà Vật lý người Hà Lan) đã đưa ra nguyên lý: Mỗi điểm của mặt sóng có thể xem là một nguồn phát sóng cầu thứ cấp Tại một thời điểm sau đó mặt sóng sẽ là bao hình của tất cả các sóng cầu thứ cấp này Các sóng cầu thứ cấp truyền đi với vận tốc và tần số như sóng sơ cấp tại mọi điểm trong không gian Nguyên lí này chưa đề cập đến biên độ và pha của sóng nên không thể giải thích các hiện tượng nhiễu xạ Để giải quyết bài toán nhiễu xạ, Fresnel đã bổ sung thêm quan niệm giao thoa và hình thành

một nguyên lí được gọi là nguyên lí Huygens- Fresnel như sau: “Mỗi điểm

không bị che khuất của một mặt sóng ở một thời điểm cho trước được dùng như một nguồn phát sóng cầu thứ cấp cùng với tần số như sóng sơ cấp Biên độ của

trường quang học tại một điểm bất kì bên ngoài là sự chồng chất của tất cả những sóng thứ cấp này khi tính đến biên độ và pha tương quan của chúng.”

 Phương pháp đới cầu Fresnel

Hình 1.4 Đới cầu Fresnel

Xét một nguồn điểm S và điểm được chiếu sáng M

Dựng một mặt cầu  bao quanh S, bán kính R < SM (H.4) Đặt MB = b

Vẽ các mặt cầu 0, 1, 3, tâm M có bán kính lần lượt là

2 ,

,

2

j b b

Rb S





Bán kính r k của đới cầu thứ k bằng:





b R

 Các đới cầu đều

nằm trên cùng một mặt sóng nên pha dao động của các điểm trên mọi đới cầu đều như nhau Kết quả, hiệu pha dao động do hai đới cầu kế tiếp gây ra tại M là:

2 ) (

2

2

Như vậy hai dao động sáng đó ngược pha nhau nên chúng sẽ khử lẫn nhau Vì

M ở khá xa mặt , ta coi các dao động sáng do các đới cầu gây ra tại M cùng

phương, do đó, dao động sáng tổng hợp do các đới cầu gây ra tại M sẽ là:

4 3 2

Hình 1.5 Sự nhiễu xạ của ánh sáng qua lỗ tròn

Trên (hình 1.5), khi ánh sáng truyền từ nguồn O qua một lỗ tròn trên màng chắn P, trên màn quan sát E nhận được một vệt sáng tròn Nếu thu nhỏ kích thước của lỗ lại thì theo định luật truyền thẳng, kích thước của ab của lỗ cũng nhỏ lại

Thực nghiệm cho thấy khi kích thước của lỗ thu nhỏ đến một mức nào đó thì trên màn quan sát sẽ xuất hiện những vân tròn sáng tối xen kẽ nhau Trong phạm vi ab (trong vùng sáng hình học) ta thấy có cả vân tối, ngoài phạm vi

ab (trong cùng tối hình học) ta cũng có thể thấy có vân sáng, đặc biệt tại tâm

C có thể sáng hay tối tùy thuộc vào kích thước của lỗ và khoảng cách từ lỗ tới màn Hình 1.6 cho thấy hình ảnh nhiễu xạ qua hai trường hợp trên

Hình 1.6 Hình ảnh nhiễu xạ qua lỗ tròn

Để giải thích hiện tượng trên ta xét sự truyền ánh sáng từ một nguồn điểm S đến một điểm M qua một lỗ tròn AB khoét trên mèn chắn (S và M nằm trên trục của lỗ) Vẽ mặt cầu tâm M, tựa vào lỗ AB Dùng M làm tâm vẽ đới cầu Fresnel trên mặt  Giả sử lỗ tròn chứa n đới Fresnel

Hình 1.7 Đới cầu Fresnel trong trường hợp nhiễu xạ qua lỗ tròn

Biên độ dao động sáng tổng hợp tại M:

2 2

1 a n a

Trong đó, dấu cộng khi n lẻ và dấu trừ khi n chẵn

Nếu kích thước lỗ nhỏ, số đới n không lớn lắm (n<10) thì thừa số xiên K thay đổi ít, biên độ sóng tổng hợp là:

1 1 1

a a

Cường độ dao động tổng hợp:

1

2 1

a

 Cường độ dao động tổng hợp khi không có màn chắn với lỗ tròn:

42

2 0 0

I a

Nhiễu xạ qua đĩa tròn

Đặt giữa nguồn sáng O và điểm quan sát M một đĩa tròn chắn sáng bán kính

Nếu đĩa che mất một ít đới thì a m 1không khác a1 bao nhiêu, do đó,

cường độ sáng tại M cũng giống trường hợp không có chướng ngại vật giữa O

và M Trong trường hợp đĩa che nhiều đới thì a m1  0 và cường độ sáng tại

M thực tế bằng không

Nhiễu xạ này thường được gọi là nhiễu xạ Fresnel

c Nhiễu xạ gây bởi các sóng phẳng

 Nhiễu xạ qua khe hẹp Cách tử nhiễu xạ

Để tạo ra chùm sáng song song, người ta đặt nguồn sáng O tại tiêu điểm của thấu kính hội tụ Lo Chiếu chùm sáng đơn sắc song song bước sóng  vào khe hẹp AB có bề rộng b Sau khi đi qua khe hẹp, tia sáng sẽ bị nhiễu xạ theo nhiều phương Muốn quan sát ảnh nhiễu xạ chúng ta sử dụng thấu kính hội tụ L, chùm tia nhiễu xạ sẽ hội tụ tại điểm M trên mặt phẳng tiêu của thấu kính hội tụ L Tùy theo giá trị của  điểm M có thể sáng hoặc tối Những điểm sáng tối này nằm dọc trên đường thẳng vuông góc với chiều dài khe hẹp và được gọi là các cực đại và cực tiểu nhiễu xạ

Hình 1.9 Nhiễu xạ qua khe hẹp

Vì sóng ánh sáng gửi đến khe là sóng phẳng nên mặt phẳng khe là một mặt sóng phẳng, các sóng thứ cấp trên mặt phẳng khe dao động cùng pha

Xét nhiễu xạ theo phương   0, chúng hội tụ tại điểm F Mặt phẳng khe và mặt quan sát là hai mặt trực giao nên các tia sáng gởi từ mặt phẳng khe tới điểm F

có quang lộ bằng nhau và dao động cùng pha nên chúng tăng cường nhau Điểm

F rất sáng và gọi là cực đại giữa

Trong trường hợp   0, áp dụng phương pháp đới cầu Fresnel ta tính toán được

biên độ dao động sáng tổng hợp tại một điểm M trên màn quan sát Kết quả ta

có các điều kiện cực đại, cực tiểu nhiễu xạ qua một khe hẹp như sau:

- Cực đại giữa (k=0): sin 0

- Cực đại nhiễu xạ: sin b; 2b; 3b;

Khoảng cách d giữa hai khe hẹp kế tiếp được gọi là chu kỳ của cách tử Số khe

trên một đơn vị chiều dài của cách tử là

d

Hình 1.10 Cách tử và nhiễu xạ ánh sáng qua cách tử Người ta có thể chế tạo được cách tử dài 10cm, trên mỗi mm có từ 500 – 1200 vạch Cách tử có thể sử dụng để xác định bước sóng ánh sáng đơn sắc, xác định thành phần cấu tạo của các chất và dùng trong máy quang phổ…

1.1.1.3 Hiện tượng giao thoa sóng ánh sáng

 Thí nghiệm Y-âng Định nghĩa hiện tượng giao thoa

Năm 1801, Thomas Young lần đầu tiên chứng minh bằng thực nghiệm rằng, hai chum sáng có thể giao thoa với nhau tương tự như sóng nước, cho thấy bản chất sóng của ánh sáng và từ đó tạo ra cơ sở vững vàng để xây dựng

lý thuyết sóng về ánh sáng

Thí nghiệm gồm nguồn sáng là bóng đèn; kính lọc sắc F; khe hẹp S; hai khe hẹp S1, S2 (gọi là khe Y-âng) được đặt song song với nhau và song song với khe S, màn quan sát E đặt song song với mặt phẳng chứa hai khe S1, S2

Hình 1.11 Sơ đồ bố trí thí nghiệm giao thoa

Ở đây, học sinh sẽ thấy được trên màn E song song với M có một vùng sáng hẹp, trong đó xuất hiện những vạch sáng màu đỏ và những vạch tối xen kẽ nhau, song song với khe S Đó là hiện tượng giao thoa ánh sáng

Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý thí nghiệm giao thoa

Như vậy, có thể nêu định nghĩa hiện tượng giao thoa là: “Hiện tượng giao

thoa ánh sáng là hiện tượng chồng chất của hai hay nhiều sóng ánh sáng kết hợp, kết quả là trong trường giao thoa sẽ xuất hiện những vân sáng và những vân tối xen kẽ nhau.”

 Điều kiện để có hiện tượng giao thoa

Khi có hai sóng gặp nhau thì bao giờ cũng có hiện tượng tổng hợp sóng nhưng chỉ có hiện tượng giao thoa khi hai sóng đó là sóng kết hợp Hai sóng kết hợp là hai sóng có cùng bước sóng và có độ lệch pha dao động không đổi theo thời gian (pha ban đầu của chúng có giá trị tùy ý)

 Khoảng vân và vị trí vân giao thoa

Sóng ánh sáng đi qua S2 cùng pha với sóng đi qua S1 vì hai sóng này là những phần của một sóng duy nhất được truyền đến màn B Tuy nhiên, sóng đến P từ S2 không cùng pha với sóng đến P từ S1 vì sóng thứ hai phải đi qua một quãng đường dài hơn sóng thứ nhất để đến P (r2 > r1) Hiệu quang trình của hai sóng đến một điểm xác định hiệu số pha của những sóng đến điểm ấy

- Nếu như hiệu quang trình bằng không hoặc bằng một bội số nguyên của bước sóng thì các sóng tới sẽ cùng pha với nhau và khi đó giao thoa sẽ tăng cường nhau: r2  r1 k, tại đó có vân sáng

- Nếu như hiệu quang trình bằng một bội số lẻ của nửa bước sóng thì các sóng tới sẽ ngược pha với nhau, khi đó, giao thoa sẽ triệt tiêu nhau: 2 1 ( 1)

2

   , tại đó có vân tối

Hình 1.13 Xác định tính chất vân giao thoa

Để thể hiện quang trình này trong (Hình 1.13), chúng ta tìm một điểm O trên tia xuất phát từ S2 sao cho quang trình từ O đến P bằng quang trình từ S1đến P Như vậy, hiệu quang trình giữa hai tia là:

Với điều kiện khoảng cách D giữa hai màn khá lớn so với khoảng cách a của hai khe, ta có thể xem gần đúng các tia r1 và r2 song song với nhau Góc hợp bởi hai tia r1 và r2 với trục chính đều bằng

Hình 1.14 Khi D>>a ta có thể xem gần đúng các tia r1, r2

song song với nhau Hiệu quang trình giữa hai tia là S1Oasin

+ Khi k = 0, từ (12) suy ra  = 0 Như vậy, có một vân sáng chính giữa nằm tại giao điểm của trục chính với màn quan sát Cực đại chính giữa này là nơi mà sóng từ các khe đến với hiệu số pha bằng không

+ Khi giá trị của k lớn dần, (12) cho thấy có những vân sáng ứng với những giá trị của  lớn dần, cả phía trên và phía dưới của cực đại chính giữa Ánh sáng

từ các khe đến với hiệu số pha là tương ứng với một góc arcsin k

  nằm phía trên và phía dưới trục chính Đối với những giá trị lớn

dần của k, sẽ có những giá trị lớn dần của góc 

 Vị trí vân giao thoa

Vì góc  bé nên có thể áp dụng công thức gần đúng: sin  tan, kết hợp với (11) suy ra:

Hình 1.15 Sơ đồ cấu tạo quang phổ lăng kính

- Ống chuẩn trực C gồm một thấu kính hội tụ L1 và một khe hẹp F nằm tại tiêu diện của thấu kính, có tác dụng tạo ra chùm sáng song song từ nguồn sáng

- Hệ tán sắc gồm một hoặc vài lăng kính P, có tác dụng phân tích chùm sáng song song từ thấu kính L1 chiếu tới thành nhiều chùm sáng đơn sắc song song Theo lý thuyết về lăng kính, ảnh của khe máy quang phổ tức là vạch quang phổ chỉ rõ nét với hai điều kiện:

+ Chùm sáng qua lăng kính là chùm song song

+ Lăng kính đặt ở góc lệch cực tiểu

- Buồng tối hay buồng ảnh là một hộp kín trong đó có thấu kính L2 và các tấm kính ảnh (để chụp ảnh quang phổ) hoặc tấm kính mờ để quan sát quang phổ, đặt tại tiêu diện của L2

Nguyên tắc hoạt động của máy quang phổ lăng kính dựa trên hiện tượng tán sắc ánh sáng:

Khi ló ra khỏi ống chuẩn trực, chùm ánh sáng phát ra từ nguồn S mà ta cần nghiên cứu sẽ trở thành một chùm song song Chùm này qua lăng kính sẽ bị phân tách thành nhiều chùm đơn sắc song song, lệch theo các phương khác nhau Mỗi chùm sáng đơn sắc ấy được thấu kính L2 của buồng ảnh làm hội tụ thành một vạch trên tiêu diện của L2 và cho ta ảnh thật của khe F là một vạch màu Tập hợp các vạch màu đó tạo thành quang phổ của nguồn S

 Các loại quang phổ

o Quang phổ liên tục

Quang phổ liên tục là quang phổ gồm một dải ánh sáng có màu thay đổi một cách liên tục từ đỏ đến tím Các vật rắn, chất lỏng và các chất khí có áp suất lớn phát ra quang phổ liên tục khi bị nung nóng

Hình 1.16 Quang phổ liên tục Quang phổ liên tục không phụ thuộc vào bản chất của vật phát sáng mà chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của vật

Ở mọi nhiệt độ, vật đều bức xạ Khi nhiệt độ tăng dần thì cường độ bức

xạ càng mạnh và vùng bức xạ có cường độ lớn nhất dịch dần về phía sóng ngắn Tính chất này là nguyên tắc chế tạo ra một loại dụng cụ đo nhiệt độ của vật gọi

Các nguyên tử của cùng một nguyên tố hóa học, khi bị kích thích, phát ra các bức xạ có bước sóng xác định và cho một quang phổ vạch phát xạ riêng, đặc trưng cho một nguyên tố ấy

 Tia hồng ngoại

o Định nghĩa tia hồng ngoại

Tia hồng ngoại (bức xạ hồng ngoại) là những bức xạ không nhìn thấy có bước sóng dài hơn 0,76m đến vài milimet (lớn hơn bước sóng của ánh sáng

đỏ và nhỏ hơn bước sóng của sóng vô tuyến)

o Nguồn phát tia hồng ngoại

Mọi vật, dù ở nhiệt độ thấp, đều phát ra tia hồng ngoại Cơ thể người (thường có nhiệt độ 0

37 C), cũng phát ra tia hồng ngoại Ở nhiệt độ cao, ngoài

tia hồng ngoại, vật còn phát ra các bức xạ nhìn thấy Nguồn phát ra tia hồng ngoại thông dụng là lò than, lò điện, đèn điện dậy tóc, …

o Vai trò tia hồng ngoại

- Tia hồng ngoại tác dụng nhiệt rất mạnh, dễ bị các vật hấp thụ nên dùng

để sưởi, sấy, trong đời sống và sản xuất công nghiệp

- Tia hồng ngoại còn có thể gây ra hiện tượng quang điện trong một số chất bán dẫn

- Tia hồng ngoại có khả năng gây một số phản ứng hoá học, có thể tác dụng lên một số phim ảnh, như loại phim để chụp ảnh ban đêm, chụp ảnh Trái Đất từ vệ tinh

- Tia hồng ngoại có thể biến điệu được như sóng điện từ cao tần, nên được sử dụng trong các bộ điều khiển từ xa để điều khiển hoạt động của TV, thiết bị nghe nhìn

- Tia hồng ngoại có nhiều ứng dụng đa dạng trong lĩnh vực quân sự: ống nhòm hồng ngoại để quan sát ban đêm, camera hồng ngoại dùng quay phim, chụp ảnh ban đêm, tên lửa tự động tìm mục tiêu dựa vào tia hồng ngoại do mục tiêu phát ra

 Tia tử ngoại

o Khái niệm, nguồn phát tia tử ngoại

Tia tử ngoại là bức xạ không nhìn thấy, có bước sóng ngắn hơn 0,38m đến

cỡ 9

10 m Ranh giới bước sóng 0,38m giữa tia tử ngoại và ánh sáng khả kiến thực ra chỉ là gần đúng Trong tính toán, người ta thường lấy giá trị 0,4m

Bản chất của tia tử ngoại là sóng điện từ Các vật được nung nóng đến nhiệt độ trên 0

2000 C thì phát ra tia tử ngoại như đèn hơi thủy ngân, hồ quang điện phát

ra tia tử ngoại

Trong ánh sáng mặt trời, có khoảng 9% công suất của chùm sáng phát ra thuộc

về các tia tử ngoại

Hình 1.19 Mặt trời Hình 1.20 Hồ quang điện

o Vai trò tia tử ngoại

- Tia tử ngoại tác dụng mạnh lên phim ảnh, làm ion hóa không khí và nhiều chất khí khác

- Tia tử ngoại kích thích sự phát quang của nhiều chất, có thể gây ra một số phản ứng quang hoá và phản ứng hoá học

- Tia tử ngoại có thể gây ra một số hiện tượng quang điện

- Tia tử ngoại bị thuỷ tinh, nước hấp thụ rất mạnh Nhưng tia tử ngoại có bước sóng từ 0,18m đến 0,4m truyền qua được thạch anh

- Tia tử ngoại có tác dụng sinh lí: hủy diệt tế bào da, làm da rám nắng, làm hại mắt, diệt khuẩn, diệt nấm mốc Tia tử ngoại dùng để chữa bệnh, khử trùng

nước, thực phẩm và dụng cụ y tế , dùng để chữa bệnh còi xương, tìm vết nứt trên bề mặt kim loại

- Tia tử ngoại được dùng để dò tìm các vết nứt, vết xước nhỏ trên bề mặt sản phẩm, trong kỹ thuật phát hiện tiền giả, phòng chống tội phạm, …

- Dùng tia tử ngoại để nghiên cứu khoáng thạch: khi được kích thích dưới ánh sáng tử ngoại, những mẫu khoáng vật sẽ phát sáng huỳnh quang với những bước sóng khác nhau

- Trong lĩnh vực thiên văn học: dùng tia tử

ngoại có thể nghiên cứu sự hình thành và

vận động của các ngôi sao trong các thiên

hà Đây là hình ảnh Mặt Trời nhìn dưới

bước sóng tia tử ngoại 17,1 nm bằng kính

viễn vọng tử ngoại của tàu vũ trụ SOHO

 Tia X

o Khái niệm tia X

Tia X (hay tia Rơn-ghen) là bức xạ có bước sóng từ 10m đến 1

10 m (ngắn hơn bước sóng của tia tử ngoại) Tia X có cùng bản chất với ánh sáng, là sóng điện từ

Kim loại có nguyên tử lượng lớn bị chùm tia êlectron (tia catôt) có năng lượng lớn đập vào thì phát ra tia X Có hai cơ chế phát ra tia X

Cơ chế thứ nhất là sự hãm các electron chuyển động nhanh trong điện trường tĩnh gần hạt nhân làm phát ra một xung sóng điện từ gồm vô số sóng điện từ đơn sắc Bản thân các electron đó sẽ tham gia vào quá trình dẫn điện

để nối kín mạch điện qua ống phát tia X Tia X phát ra theo cơ chế này có phổ liên tục Người ta còn gọi các tia X phát ra theo cơ chế này là bức xạ hãm

Cơ chế thứ hai là sự nhảy mức của electron từ các quỹ đạo ngoài cùng vào các quỹ đạo gần hạt nhân nhất Khi nguyên tử của một chất va chạm với một electron thì nguyên tử bị kích thích, tức là một electron của nguyên tử từ một quỹ đạo trong nhảy ra quỹ đạo ngoài, hoặc bị bứt khỏi nguyên tử Sau một thời gian, electron lại nhảy trở về quỹ đạo trong, và bức xạ một lượng tử ánh sáng Electron bị chuyển quỹ đạo từ các quỹ đạo càng gần hạt nhân và các nguyên

tử có khối lượng càng lớn thì bức xạ có bước sóng càng ngắn Tia X phát ra theo cơ chế này có phổ vạch Người ta thường gọi tia X này là tia X đặc trưng

o Vai trò tia X

Tia X tuân theo các định luật truyền thẳng, phản xạ, khúc xạ, và cũng gây ra các hiện tượng nhiễu xạ, giao thoa như ánh sáng khả kiến và có các vai trò sau:

- Tia X có khả năng đâm xuyên Có thể dùng chì làm màn chắn tia X

- Tia X tác dụng lên phim ảnh, làm ion hoá không khí và nhiều chất khí khác

- Tia X có tác dụng làm phát quang nhiều chất, có thể gây ra một số phản ứng quang hoá và phản ứng hoá học

- Tia X có thể gây ra hiện tượng quang điện ở hầu hết các kim loại

- Tia X có tác dụng sinh lí mạnh: huỷ diệt tế bào, diệt vi khuẩn

- Tia X dùng để chiếu điện, chụp điện để chẩn đoán xương gãy, mảnh kim loại trong người , chữa bệnh ung thư Trong công nghiệp, tia X được dùng

để kiểm tra chất lượng các vật đúc, tìm vết nứt, các bọt khí trong các vật bằng kim loại Ngoài ra tia X còn được dùng để kiểm tra hành lý của hành khách đi máy bay, nghiên cứu cấu trúc vật rắn

Lý thuyết thứ hai là lý thuyết sóng ánh sáng được Christissn Huygens đưa

ra vào thế kỷ 17 Theo thuyết này, ánh sáng truyền đi dưới dạng sóng Dựa vào thuyết này có thể giải thích được các hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ, đồng thời giải thích tốt hiện tượng khúc xạ và phản xạ nhưng vẫn còn thiếu sót

Năm 1860, Maxwell đã nêu ra giả thuyết mới về bản chất ánh sáng là thuyết

điện từ về ánh sáng: Ánh sáng là sóng điện từ có bước sóng rất ngắn lan truyền

trong không gian

Ông cho rằng sóng điện từ và sóng ánh sáng cùng được truyền trong chân không với tốc độ c Sóng điện từ cũng truyền thẳng, cũng phản xạ trên các mặt kim loại, cũng khúc xạ như ánh sáng thông thường Sóng điện từ cũng giao thoa và tạo được sóng dừng, nghĩa là, sóng điện từ có đủ mọi tính chất đã biết của sóng ánh sáng Lý thuyết và thực nghiệm đã chứng minh điều đó

Lý thuyết này đã kết nối các hiện tượng quang học với các hiện tượng điện

chiết suất của môi trường n  và chứng tỏ được rằng  phụ thuộc vào tần

số của ánh sáng = F(f) Nhờ đó ông đã giải thích được sự tán sắc ánh sáng Sau thành công của lý thuyết điện từ, khái niệm rằng ánh sáng lan truyền như các sóng đã được chấp nhận rộng rãi Các hiểu biết về sóng cơ học, như âm thanh, của cơ học cổ điển, đã dẫn các nhà khoa học đến giả thuyết rằng sóng ánh sáng lan truyền như sóng cơ học trong môi trường giả định ête, tràn ngập khắp vũ trụ, nhưng có độ cứng cao hơn cả kim cương

Cuối thế kỷ XIX, nhiều thí nghiệm tìm kiếm sự tồn tại của ête đã thất bại cùng lúc chúng cho thấy tốc độ ánh sáng là hằng số không phụ thuộc hệ quy chiếu; do đó không thể tồn tại môi trường lan truyền cố định kiểu ête

Thứ tự các miền sóng điện từ theo bước sóng trong thang sóng điện từ: Miền sóng điện từ Bước sóng (m) Tần số (Hz)

Sóng vô tuyến điện 3.104 104 104 3.1012

Tia hồng ngoại 10-3 7,6.10-7 3.1011 4.1014

Ánh sáng nhìn thấy 7,6.10-7 3,8.10-7 4.1014 8.1014

Tia tử ngoại 3,8.10-7 10-9 8.1014 3.1017

- Sóng vô tuyến, tia hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy được, tia tử ngoại, tia Rơnghen, tia gamma (xếp theo bước sóng giảm dần) đều có chung bản chất

là sóng điện từ Điểm khác nhau cơ bản giữa chúng là bước sóng dài, ngắn khác nhau nên tính chất của các tia cũng khác nhau

- Các tia có bước sóng càng ngắn (tia gamma, tia Rơnghen) có tính đâm xuyên càng mạnh, dễ tác dụng lên kính ảnh, dễ làm phát quang các chất, dễ làm ion hóa không khí

- Các tia có bước sóng càng dài càng dễ quan sát hiện tượng giao thoa của chúng

- Giữa các vùng tia không có ranh giới rõ rệt

1.1.2 Những yêu cầu chương trình phổ thông mới

Tán sắc ánh sáng Nêu được khái niệm về quang phổ và tán sắc

Màu sắc Vận dụng kiến thức về sự truyền ánh sáng, màu sắc

ánh sáng, giải thích được một số hiện tượng đơn giản thường gặp trong thực tế

Thang sóng điện từ -Nêu được trong chân không, tất cả các sóng điện từ

đều truyền với cùng tốc độ

- Liệt kê được bậc độ lớn bước sóng của các bức xạ chủ yếu trong thang sóng điện từ

Giao thoa sóng - Mô tả/thực hiện được thí nghiệm chứng minh sự

giao thoa hai sóng kết hợp bằng thiết bị thực hành sử dụng sóng ánh sáng

- Nêu được khái niệm nguồn sóng kết hợp

- Nêu các điều kiện cần thiết để quan sát được hệ vân giao thoa

- Giải thích được sự tạo thành vạch quang phổ

- Phân biệt được quang phổ phát xạ và quang phổ vạch hấp thụ

- Vận dụng được liên hệ cho chuyển mức năng lượng

2

E

Tia X - Nêu được cách tạo tia X

- Nêu được cách điều khiển tia X

- Trình bày được sự suy giảm tia X

- Mô tả được sơ lược cách chụp ảnh bằng tia X

- Trình bày được cách cải thiện ảnh chụp bằng tia X (giảm liều chiếu, cải thiện độ sắc nét, cải thiện độ tương phản)

1.2 Phân tích logic hình thành kiến thức phần sóng ánh sáng

Chương trình vật lí của nước ta bắt đầu học từ lớp 6 và được tổ chức theo cấu trúc bậc vì vậy quang học bắt đầu được nghiên cứu sơ lược ở lớp 6 và lớp

9 trong bậc trung học cơ sở, đến bậc trung học phổ thông phần quang học lại được nghiên cứu, đào sâu về mặt định lượng, các tính chất sóng và tính chất lượng tử của ánh sáng được nghiên cứu ở lớp 12

Làm như thế có nhiều khả năng phù hợp với nhận thức học sinh hơn và phù hợp với lịch sử phát triển của môn quang học Cách này có nhược điểm cơ bản

là tách rời phần quang hình học với bản chất sóng của ánh sáng, do đó qua phần quang hình học học sinh sẽ không thấy rõ bản chất vật chất của ánh sáng, cũng như nội dung vật lí của các khái niệm và các định luật cơ bản

Quang học sóng nghiên cứu tính chất sóng của ánh sáng và các bức xạ không nhìn thấy bao gồm tia hồng ngoại, tia tử ngoại và tia X do sự tương tự nhau về bản chất và các thiết bị dùng để ghi nhận chúng

Và nhiệm vụ cụ thể của chương Sóng ánh sáng Vật lý 12 nâng cao là khảo sát các hiện tượng chứng tỏ ánh áng có bản chất sóng (hiện tượng tán sắc ánh sáng, hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng, hiện tượng giao thoa ánh sáng), nghiên cứu các ứng dụng phổ biến của chúng và khảo sát tính chất, công dụng của các bức xạ không nhìn thấy (tia hồng ngoại, tia tử ngoại, tia X)

1.2.1 Sơ đồ nội dung kiến thức chương “Sóng ánh sáng”

1.2.2 Phân tích logic hình thành nội dung kiến thức phần sóng ánh sáng

1.2.2.1 Tán sắc ánh sáng

Lẽ ra hai hiện tượng trực tiếp thể hiện tính chất sóng của ánh sáng là hiện tượng giao thoa và hiện tượng nhiễu xạ phải được nói đến trước Tuy nhiên, SGK trình bày về hiện tượng tán sắc trước là để HS có một khái niệm rõ ràng

về ánh sáng đơn sắc và ánh sáng trắng, từ đó mới tìm hiểu được hiện tượng giao thoa và hiện tượng nhiễu xạ

a Ánh sáng trắng và ánh sáng đơn sắc

Ánh sáng đơn sắc là ánh sáng có tần số xác định, ứng với bước sóng trong chân không xác định, tương ứng với một màu xác định, chiết suất của môi trường (các chất trong suốt) phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng trong chân

QP liên tục, QP vạch phát xạ,

QP hấp thụ

Phép phân tích QP

Máy

QP lăng kính

Các bức xạ

Tia hồng ngoại

Tia tử ngoại

Tia X

Thuyết điện từ

về ánh sáng và thang sóng điện từ