Tài liệu Bồi dưỡng học sinh giỏi môn vật lý thpt chuyên đề xây dựng hệ thống bài tập thí nghiệm phần “quang học”.

Hội thảo các trường chuyên miền Duyên Hải Bắc Bộ 2015 PHẦN I: MỞ ĐẦU CHUYÊN ĐỀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG BÀI TẬP THÍ NGHIỆM PHẦN “QUANG HỌC”. 1. Lý do chọn đề tài Đổi mới phương pháp dạy học là khắc phục phương pháp truyền thụ một chiều, rèn luyện thói quen, nếp sống tư duy sáng tạo của người học. Để thực hiện được nhiệm vụ này cần phải bồi dưỡng được cho học sinh phương pháp học tập để phát triển tư duy nhận thức và kỹ năng vận dụng kiến thức vào thực tế. Muốn nâng cao chất lượng học tập bộ môn vật lý phải có nhiều yếu tố song hành trong đó việc xây dựng và sử dụng bài tập thí nghiệm trong các tiết dậy vật lý đóng vai trò hết sức quan trọng. Trong quá trình giảng dạy các tiết thực hành nói chung và các tiết có sử dụng các dụng cụ thực hành của phần “Quang học” nói riêng, học sinh còn nhiều lúng túng, nhiều em chưa biết cách tiến hành thí nghiệm như thế nào? chưa biết vận dụng các kiến thức đã học vào việc thực hành để thu thập kết quả ra sao? Thí nghiệm, thực hành là một trong những công cụ không thể thiếu được trong quá trình dạy học Vật lý. Với tính chất là một phương tiện dạy học, thí nghiệm vật lí giữ vị trí đặc biệt quan trọng trong việc hoàn thành dạy học vật lí: - BTTN có nhiều tác dụng tốt về cả ba mặt giáo dưỡng, giáo dục, giáo dục kỹ thuật, đặc biệt BTTN còn là một phương tiện dạy học có tác dụng rất lớn trong việc bồi dưỡng tư duy vật lý cũng như phương pháp nhận thức vật lý cho HS. - BTTN vừa là bài tập vừa là thí nghiệm nên sẽ phát huy được các lợi thế của hai phương tiện dạy học chủ lực nếu GV biết khai thác tốt. Quá trình làm thí nghiệm sẽ tạo hứng thú, kích thích cho HS và từ đó HS mạnh dạn đưa ra ý kiến sáng tạo của mình. - BTTN là điều kiện để HS vận dụng tổng hợp kiến thức lý thuyết và thực hành, kết hợp thao tác tư duy trí óc với thao tác chân tay, tập làm các nhà chế tạo, thiết kế, lắp ráp…Điều này kích thích mạnh mẽ hứng thú học tập của HS nhất là những bài toán liên quan đến thực tế. 1 - BTTN khắc phục tình trạng giải bài tập một cách thuộc lòng, hình thức, tình trạng áp dụng công thức một cách máy móc. - BTTN là hoạt động tạo điều kiện tốt để phát triển tư duy cho HS đặc biệt là tư duy vật lý. Bên cạnh đó việc giải BTTN của HS cũng giúp GV phát hiện những HS có năng khiếu đặc biệt về vật lý. Từ đó có hướng bồi dưỡng để các em trở thành nhân tài cho đất nước Xét vị trí của thí nghiệm Vật lý trong dạy học Vật lý cũng như vị trí của quang học trong giáo trình Vật lý phổ thông, tôi mạnh dạn chọn đề tài: “XÂY DỰNG HỆ THỐNG BÀI TẬP THÍ NGHIỆM PHẦN “QUANG HỌC”. 2. Mục đích nghiên cứu - Thấy được tầm quan trọng của các thí nghiệm vật lí trong việc dạy học vật lý. - Nêu rõ vai trò và ý nghĩa của thí nghiệm vật lí trong quá trình bồi dưỡng tư duy, sáng tạo, khắc sâu kiến thức vật lý cho học sinh. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu. - Quá trình dạy học vật lý ở trường học phổ thông; - Bài tập Vật lý trong quá trình dạy học Phạm vi nghiên cứu. Bài tập thí nghiệm vật lý phần “QUANG HỌC” gồm: - Xác định vận tốc truyền ánh sáng, bước sóng ánh sáng - Xác định chiết suất - Xác định tiêu cự của gương, thấu kính. - Xác định cường độ sáng, hệ số phản xạ, hệ số khúc xạ. 4. Giả thuyết khoa học. 2 Nếu xây dựng và sử dụng hợp lý các bài tập thí nghiệm vật lý trong việc tổ chức hoạt động dạy học cho học sinh phần “quang học” nói riêng và BT Vật lý nói chung thì sẽ góp phần tích cực hoá hoạt động nhận thức của HS và nâng cao chất lượng, hiệu quả dạy học Vật lý ở trường THPT. 5. Nhiệm vụ nghiên cứu: - Nghiên cứu chương trình, nội dung dạy học phần “QUANG HỌC”. - Nghiên cứu về bài tập vật lý nói chung và bài tập thí nghiệm nói riêng trong dạy học. - Thực nghiệm sư phạm. 6. Phương pháp nghiên cứu 6.1. Nghiên cứu lý thuyết. - Cơ sở lý luận về tâm lý học, giáo dục học, lý luận dạy học liên quan đến giải BT Vật lý, nhất là bài tập thí nghiệm. - Nghiên cứu các biện pháp, cách thức bồi dưỡng hoạt động nhận thức cho HS trong quá trình dạy học Vật lý. 6.2. Nghiên cứu thực nghiệm. - Thực trạng dạy học vật lý có sử dụng bài tập thí nghiệm của GV và HS và giải quyết bài tập thí nghiệm Vật lý ở trường phổ thông. - Tiến hành thực nghiệm sư phạm tại trường THPT ......... - Thống kê và xử lý số liệu thực nghiệm. 7. Ý tưởng của đề tài Có thể xây dựng ngân hàng các thí nghiệm đơn giản và thường gặp trong thực tế và sắp xếp một hệ thống các thí nghiệm trong phần “QUANG HỌC” PHẦN II: CƠ SỞ KHOA HỌC: 3 A. NHỮNG KIẾN THỨC CƠ BẢN PHẦN QUANG HỌC DÙNG TRONG CÁC BÀI TẬP THỰC NGHIỆM: 1. Định luật truyền thẳng ánh sáng: Trong môi trường trong suốt và đồng tính, ánh sáng truyền theo đường thẳng. 2. Định luật phản xạ ánh sáng: + Tia khuùc xaï naèm trong maët phaúng tôùi vaø ôû beân kia phaùp tuyeán so vôùi tia tôùi. + Góc phản xạ bằng góc tới 3. Ñònh luaät khuùc xaï aùnh saùng + Tia khuùc xaï naèm trong maët phaúng tôùi vaø ôû beân kia phaùp tuyeán so vôùi tia tôùi. (Hình vẽ) + Ñoái vôùi moät caëp moâi tröôøng trong suoát nhaát ñònh thì S N tæ soá giöõa sin cuûa goùc tôùi (sini) vôùi sin cuûa goùc khuùc i xaï (sinr) luoân luoân laø moät soá khoâng ñoåi. Soá khoâng ñoåi (1) I naøy phuï thuoäc vaøo baûn chaát cuûa hai moâi tröôøng vaø (2) ñöôïc goïi laø chieát suaát tæ ñoái cuûa moâi tröôøng chöùa tia khuùc xaï (moâi tröôøng 2) ñoái vôùi moâi tröôøng chöùa tia tôùi r (moâi tröôøng 1); kí hieäu laø n 21. K N/ Bieåu thöùc: n sin i  n 21  2 sin r n1 4 4.Phản xạ toàn phần và điều kiện xảy ra: a. Hieän töôïng phaûn xaï toaøn phaàn - Hieän töôïng phaûn xaï toaøn phaàn laø hieän töôïng maø trong ñoù chæ toàn taïi tia phaûn xaï maø khoâng coù tia khuùc xaï. b. Ñieàu kieän ñeå coù hieän töôïng phaûn xaï toaø n phaàn – Tia saùng truyeàn theo chieàu töø moâi tröôøng coù chieát suaát lôùn sang moâi tröôøng coù chieát suaát nhoû hôn. (Hình 34) – Goùc tôùi lôùn hôn hoaëc baèng goùc giôùi haïn phaûn xaï toaøn phaàn (i gh) 5. C¸c c«ng thøc cña l¨ng kÝnh: sin i  n sin r sin i'  n sin r' A  r  r'  D  i  i'A §iÒu kiÖn ®Ó cã tia lã  A  2igh  i  i0 sin i  n sin( A   ) 0  Khi tia s¸ng cã gãc lÖch cùc tiÓu: r’ = r = A/2; i’ = i = (Dm + A)/2 Khi goùc leäch ñaït cöïc tieåu: Tia loù vaø tia tôùi ñoái xöùng nhau qua maët phaúng phaân giaùc cuûa goùc chieát quang A Khi goùc leäch ñaït cöïc tieåu D min : sin Dmin  A A  n sin 2 2 5 6. Các công thức về thấu kính.: d d’ 1 1 1   f d d ' Coâng thöùc thaáu kính : Coâng thöùc naøy duøng ñöôïc caû cho thaáu kính hoäi tuï vaø thaáu kính phaân kì. Ñoä phoùng ñaïi cuûa aûnh: Ñoä phoùng ñaïi cuûa aûnh laø tæ soá chieàu cao cuûa aûnh vaø chieàu cao cuûa vaät: k A' B' d  d AB * k > 0 : AÛnh cuøng chieàu vôùi vaät. * k < 0 : AÛnh ngöôïc chieàu vôùi vaät. – Coâng thöùc tính ñoä tuï cuûa thaáu kính theo baùn kính cong cuûa caùc maët vaø chieát suaát cuûa thaáu kính: D 1 1 1   (n  1)   . f  R1 R2  Trong ñoù: n laø chieát suaát tæ ñoái cuûa chaát laøm thaáu kính ñoái vôùi moâi tröôøng ñaët thaáu kính. R1 vaø R2 laø baùn kính hai maët cuûa thaáu kính vôùi qui öôùc: Maët loõm: R > 0 ; Maët loài: R < 0 ; Maët phaúng: R =  6 7. Các công thức về lưỡng chất phẳng, bản mặt song song: a. Lưỡng chất phẳng: LCP (Plane Surface) là hệ hai môi trường trong suốt, chiết suất khác nhau, ngăn cách nhau bởi một mặt phẳng. Xét tia sáng xuất phát từ điểm sáng S qua LCP từ môi trường có chiết suất n1 đến môi trường có chiết suất n2 , S’ là ảnh của S. Xác định độ dời ảnh SS’? n1 n2 n1 I S’ S n2 I H S n1 < n2 S’ H n1 > n2 b. Bản mặt song song: BMSS (Plane-Parallel Plates) là môi trường trong suốt, đồng chất, giới hạn bởi hai mặt song song. Xét tia sáng xuất phát từ điểm sáng S ở môi trường quanh BMSS có chiết suất n1 qua BMSS dày là e, có chiết suất n1 . (n1 < n2 ). S’ là ảnh của S. Xác định độ dời ngang của tia sáng d và độ dời ảnh SS’? S S’ e 7 Độ dời ảnh: SS’ = б = e(1- . Độ dời ngang: d=e . Khi i, r nhỏ thì : d = e(i- r) = ei( 1- 8. Giao thoa ánh sáng: a. Giao thoa khe Y - âng: 8 9 c. Giao thoa với bản mỏng: 10 11 12 13 B.CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN CẦN NẮM VỮNG TRƯỚC KHI LÀM BÀI THỰC HÀNH: 1. Lí thuyết về sai số: 1.1. Định nghĩa phép tính về sai số 1.1.1. Các khái niệm a. Phép đo trực tiếp: Đo một đại lượng vật lí có nghĩa là so sánh nó với một đại lượng cùng loại mà ta chọn làm đơn vị b. Phép đo gián tiếp: Trường hợp giá trị của đại lượng cần đo được tính từ giá trị của các phép đo trực tiếp khác thông qua biểu thức toán học, thì phép đo đó là phép đo gián tiếp 1.1.2. Phân loại sai số Khi đo một đại lượng vật lí, dù đo trực tiếp hay gián tiếp, bao giờ ta cũng mắc phải sai số. Người ta chia thành hai loại sai số như sau: a. Sai số hệ thống: Sai số hệ thống xuất hiện do sai sót của dụng cụ đo hoặc do phương pháp lí thuyết chưa hoàn chỉnh, chưa tính đến các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả đo. Sai số hệ thống thường làm cho kết quả đo lệch về một phía so với giá trị thực của đại lượng cần đo. Sai số hệ thống có thể loại trừ được bằng cách kiểm tra, điều chỉnh lại các dụng cụ đo, hoàn chỉnh phương pháp lí thuyết đo, hoặc đưa vào các số hiệu chỉnh. b. Sai số ngẫu nhiên: Sai số ngẫu nhiên sinh ra do nhiều nguyên nhân, ví dụ do hạn chế của giác quan người làm thí nghiệm, do sự thay đổi ngẫu nhiên không lường trước được của các yếu tố gây ảnh hưởng đến kết quả đo. Sai số ngẫu nhiên làm cho kết quả đo 14 lệch về cả hai phía so với giá trị thực của đại lượng cần đo. Sai số ngẫu nhiên không thể loại trừ được. Trong phép đo cần phải đánh giá sai số ngẫu nhiên. 1.2. Phương pháp xác định sai số của phép đo trực tiếp .) Phương pháp chung xác định giá trị trung bình và sai số ngẫu nhiên Giả sử đại lượng cần đo A được đo n lần. Kết quả đo lần lượt là A1 , A2 ,... An . n A  A  ....  An  Đại lượng A  1 2 n A i 1 i n (1) được gọi là giá trị trung bình của đại lượng A trong n lần đo. Số lần đo càng lớn, giá trị trung bình A càng gần với giá trị thực A. Các đại lượng: A1  A  A1 A2  A  A2 .......... .......... . An  A  A n được gọi là sai số tuyệt đối trong mỗi lần đo riêng lẻ. Để đánh giá sai số của phép đo đại lượng A, người ta dùng sai số toàn phương trung bình. Theo lí thuyết xác n suất, sai số toàn phương trung bình là:    A  i 1 2 i nn  1 (2) và kết quả đo đại lượng A được viết: A  A   (3) Như vậy, giá trị thực của đại lượng A với một xác suất nhất định sẽ nằm trong khoảng từ A   đến A   , nghĩa là: A -   A  A Khoảng [( A -  ),( A   )] gọi là khoảng tin cậy. Sai số toàn phương trung bình  chỉ được dùng với các phép đo đòi hỏi độ chính xác cao và số lần đo n lớn. 15 Nếu đo đại lượng A từ 5 đến 10 lần, thì ta dùng sai số tuyệt đối trung bình số học A (sai số ngẫu nhiên) được định nghĩa như sau: n A =  A  i i 1 n (4) Kết quả đo lúc này được viết dưới dạng: A  A  A (5) Ngoài sai số tuyệt đối, người ta còn sử dụng sai số tỉ đối được định nghĩa như sau: = A .100 0 0 (6) A Kết quả đo được viết như sau: A  A   0 0 (7) Như vậy, cách viết kết quả phép đo trực tiếp như sau: - Tính giá trị trung bình A theo công thức (1) - Tính các sai số A theo công thức (4) hoặc (6). - Kết quả đo được viết như (5) hoặc (7). Ví dụ: Đo đường kính viên bi 4 lần, ta có kết quả sau: d1  8,75mm d1  0,00mm d2  8,76mm d2  0,01mm d3  8,74mm d3  0,01mm d4  8,77mm d4  0,02mm Giá trị trung bình của đường kính viên bi là: d = 8,75  8,76  8,74  8,77  8,75mm 4 Sai số tuyệt đối trung bình tính được là d = Kết quả: 0,00  0,01  0,01  0,02  0,01mm 4 d  8,75  0,01mm 16 b. Cách xác định sai số dụng cụ - Mỗi dụng cụ có một độ chính xác nhất định. Nếu dùng dụng cụ này để đo một đại lượng vật lí nào đó thì đương nhiên sai số nhận được không thể vượt quá độ chính xác của dụng cụ đó. Nói cách khác, sai số của phép đo không thể nhỏ hơn sai số dụng cụ. - Tuy nhiên cũng vì một lí do nào đó, phép đo chỉ được tiến hành một lần hoặc độ nhạy của dụng cụ đo không cao, kết quả của các lần đo riêng lẻ trùng nhau. Trong trường hợp đó, ta phải dựa vào độ nhạy của dụng cụ để xác định sai số. Sai số A thường được lấy bằng nửa giá trị của độ chia nhỏ nhất của dụng cụ. - Khi đo các đại lượng điện bằng các dụng cụ chỉ thị kim, sai số được xác định theo cấp chính xác của dụng cụ. Ví dụ: Vôn kế có cấp chính xác là 2. Nếu dùng thang đo 200V để đo hiệu điện thế thì sai số mắc phải là U  2 0 0 .200  4V . Nếu kim chỉ thị vị trí 150 V thì kết quả đo sẽ là: U  150 4V - Khi đo các đại lượng điện bằng các đồng hồ đo hiện số, cần phải lựa chọn thang đo thích hợp. - Nếu các con số hiển thị trên mặt đồng hồ là ổn định (con số cuối cùng bên phải không bị thay đổi) thì sai số của phép đo có thể lấy giá trị bằng tích của cấp chính xác và con số hiển thị. Ví dụ: đồng hồ hiện số có ghi cấp sai số 1.0% rdg (kí hiệu quốc tế cho dụng cụ đo hiện số), giá trị điện áp hiển thị trên mặt đồng hồ là: U = 218 V thì có thể lấy sai số dụng cụ là: ΔU = 1 0 0 .218 = 2,18 V Làm tròn số ta có U = 218,0 ± 2,2 V - Nếu các con số cuối cùng không hiển thị ổn định (nhảy số), thì sai số của phép đo phải kể thêm sai số ngẫu nhiên trong khi đo. 17 Ví dụ: khi đọc giá trị hiển thị của điện áp bằng đồng hồ nêu trên, con số cuối cùng không ổn định (nhảy số): 215 V, 216 V, 217 V, 218 V, 219 V (số hàng đơn vị không ổn định). Trong trường hợp này lấy giá trị trung bình U = 217 V. Sai số phép đo cần phải kể thêm sai số ngẫu nhiên trong quá trình đo ΔUn = 2 V. Do vậy: U = 217,0 ± 2,2 ± 2 = 217,0 ± 4,2 V Chú ý: - Nhiều loại đồng hồ hiện số có độ chính các cao, do đó sai số phép đo chỉ cần chú ý tới thành phần sai số ngẫu nhiên. - Trường hợp tổng quát, sai số của phép đo gồm hai thành phần: sai số ngẫu nhiên với cách tính như trên và sai số hệ thống (do dụng cụ đo) 1.3. Phương pháp xác định sai số gián tiếp a) Phương pháp chung Giả sử đại lượng cần đo A phụ thuộc vào các đại lượng x, y, z theo hàm số A  f ( x, y , z ) Trong đó x, y, z là các đại lượng đo trực tiếp và có giá trị x = x  x y = y  y z = z  z Giá trị trung bình A được xác định bằng cách thay thế các giá trị x, y, z vào hàm trên, nghĩa là A = f ( x , y , z ). b) Cách xác định cụ thể Sai số A được tính bằng phương pháp vi phân theo một trong hai cách sau: 18 Cách 1 Cách này sử dụng thuận tiện khi hàm f ( x, y, z ) là một tổng hay một hiệu (không thể lấy logarit dễ dàng). Cách này gồm các bước sau: a. Tính vi phân toàn phần của hàm A  f ( x, y, x) , sau đó gộp các số hạng có chứa vi phân của cùng một biến số. b. Lấy giá trị tuyệt đối của các biểu thức đứng trước dấu vi phân d và thay dấu vi phân d bằng dấu  . Ta thu được A . c. Tính sai số tỉ đối (nếu cần). 1 2 Ví dụ: Một vật ném xiên góc  có độ cao h  v0 sint  gt 2 Trong đó: v0  39,2  0,2m / s   30  10 t  2,0  0,2 s g  9,8m / s 2 Ta có: h  39,2.sin 300.2  9,8. 22  19,6m 2 dh  v0 sin .dt  v0 cos .d  sin .t.dv0  g.t.dt  v0. sin  gt .dt  v0 .t cos .d  sin .t.dv0 h = v 0 .sin - gt . t  v 0 .t.cos. .   sin .t . v0 = 39,2.sin 300  9.8.2 .0,2  39,2.2. cos300 . 2  sin 300.2 .0,2  1,38m 360 19 Sử dụng quy ước viết kết quả ở IV ta có: h  19,6  1,4m Cách 2 Sử dụng thuận tiện khi hàm f ( x, y, z ) là dạng tích, thương, lũy thừa.... Cách này cho phép tính sai số tỉ đối, gồm các bước: a. Lấy logarit cơ số e của hàm A  f ( x, y, z ) b. Tính vi phân toàn phần hàm ln A = ln f ( x, y, z ) , sau đó gộp các số hạng có chưa vi phân của cùng một biến số. c. Lấy giá trị tuyệt đối của biểu thức đứng trước dấu vi phân d và chuyển dấu d thành  ta có  = A A d. Tính A = A .  Ví dụ: Gia tốc trọng trường được xác định bằng biểu thức: g = 4 2 l T2 ở đây: l  500 1mm T  1,45  0,05s g = 9,78  0,20m / s 2 Khi đó: ln g = ln ( 4  2 l ) – ln( T 2 ) d ( 4 2 l ) d (T 2 ) d (4 2 ) 4 2 dl dT dg dg   = = -2 2 2 2 2 T 4 l 4 l 4 l T g g  l T g  l 2T  2  g = g   =  l T T  g  l 20