Tài liệu Skkn vật lý sự khúc xạ ánh sáng trong môi trường có chiết suất thay đổi.

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO NINH BÌNH TRƯỜNG THPT CHUYÊN LƯƠNG VĂN TỤY -----š š › › ----- SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM SỰ KHÚC XẠ ÁNH SÁNG TRONG MÔI TRƯỜNG CÓ CHIẾT SUẤT THAY ĐỔI Người thực hiện: Bùi Khương Duy Tổ Vật lý, trường THPT chuyên Lương Văn Tụy Ninh Bình Ninh Bình, ngày 18 tháng 5 năm 2015 0 PHẦN I. MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Nghị quyết Hội nghị lần 8 của Ban chấp hành Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam khóa XI ngày 4-11-2013 (nghị quyết 29-NQ/TW) đã chỉ rõ một trong những nhiệm vụ của việc đổi mới căn bản và toàn diện giáo dục là phải tiếp tục đổi mới mạnh mẽ và đồng bộ các yếu tố cơ bản của giáo dục, đào tạo theo hướng coi trọng phát triển phẩm chất, năng lực của người học. Trong đó đặc biệt nhấn mạnh giải pháp “Tiếp tục đổi mới mạnh mẽ phương pháp dạy và học theo hướng hiện đại; phát huy tính tích cực, chủ động, sáng tạo và vận dụng kiến thức, kỹ năng của người học; khắc phục lối truyền thụ áp đặt một chiều, ghi nhớ máy móc. Tập trung dạy cách học, cách nghĩ, khuyến khích tự học, tạo cơ sở để người học tự cập nhật và đổi mới tri thức, kỹ năng, phát triển năng lực.” Trong dạy học vật lý ở trường phổ thông, bài tập vật lý (BTVL) từ trước đến nay luôn giữ một vị trí đặc biệt quan trọng trong việc thực hiện nhiệm vụ dạy học vật lý bởi những tác dụng tích cực và quan trọng của nó. - BTVL là một phương tiện để ôn tập, cũng cố kiến thức lí thuyết đã học một cách sinh động và có hiệu quả. - BTVL là một phương tiện rất tốt để rèn luyện tư duy, bồi dưỡng phương pháp nghiên cứu khoa học cho học sinh. - BTVL là một phương tiện rèn luyện cho học sinh khả năng vận dụng kiến thức vào thực tiễn, đời sống. - Thông qua hoạt động giải BTVL có thể rèn luyện cho học sinh những đức tính tốt như tinh thần tự lập, tính cẩn thận, tính kiên trì, tinh thần vượt khó. - BTVL là một phương tiện để kiểm tra đánh giá kiến thức, kỹ năng của học sinh. - BTVL có thể được sử dụng như là một phương tiện nghiên cứu tài liệu mới trong giai đoạn hình thành kiến thức mới cho học sinh giúp cho học sinh lĩnh 1 hội được kiến thức mới một cách sâu sắc và vững chắc. Vì vậy, để quá trình dạy học vật lý ở trường trung học phổ thông (THPT), đặc biệt là trường THPT chuyên đạt hiệu quả cao, phát huy được tính tích cực và sáng tạo của học sinh nhằm góp phần nâng cao chất lượng dạy học thì việc giảng dạy BTVL ở trường phổ thông cũng phải có sự thay đổi, nhất là về cách thức tổ chức, giao nhiệm vụ (BTVL) cho học sinh tự rèn luyện. Trong xã hội giáo dục hiện nay, các em học sinh đang được tiếp cận với một nguồn tư liệu tham khảo vô cùng phong phú như sách in, báo chí, các trang mạng internet… Tuy nhiên, nếu không có được sự định hướng, chỉ dẫn về phương pháp của người giáo viên thì việc tiếp thu các kiến thức là rất khó khăn và thiếu tính hệ thống, các em học trước quên sau. Hơn nữa, từ khi áp dụng thi theo hình thức trắc nghiệm thì HS say mê với loại bài tập này hơn vì không phải tư duy nhiều, không phải viết mà chỉ cần nhớ một cách rất máy móc công thức thì cũng có thể đạt điểm cao. Chính vì thế mà sự tư duy môn học của học sinh không được rèn luyện và phát triển như khi làm các bài tập tự luận. Với những ưu điểm vượt trội của bài tập tự luận trong việc rèn luyện kĩ năng tư duy, sáng tạo cho học sinh, bản thân tác giả rất chú trọng tới việc biên soạn, sưu tầm, hệ thống hóa các bài tập tự luận trong quá trình giảng dạy. Tác giả nhận thấy trong phần Quang học của chương trình vật lý ở trung học phổ thông đặc biệt là chương trình chuyên (lớp 11 và 12) thì “Sự khúc xạ ánh sáng trong môi trường có chiết suất thay đổi” là một chuyên đề tương đối khó nhưng hay và khá quan trọng không những về mặt lí thuyết mà còn có nhiều ý nghĩa trong thực tế. Việc làm tốt các bài tập về “Sự khúc xạ ánh sáng trong môi trường có chiết suất thay đổi” từ lớp 11 không những giúp các em HS hiểu sâu sắc hơn kiến thức về khúc xạ ánh sáng mà còn là phương tiện hiệu quả giúp các em giải tốt các bài toán về tính chất sóng và tính chất hạt của ánh sáng trong chương trình Vật lí lớp 12. 2 Vấn đề “Khúc xạ ánh sáng trong môi trường có chiết suất thay đổi” là nội dung thường được đề cập đến trong các đề thi chọn HSG cấp tỉnh, cấp quốc gia, chọn HS tham dự đội tuyển quốc tế, đề thi châu Á, quốc tế với các mức độ khác nhau. Hiểu được tầm quan trọng đó, ngay từ khi bắt đầu tham gia giảng dạy (năm 2001), tác giả đã sưu tầm, chọn lọc một cách có hệ thống bài tập về “Sự khúc xạ ánh sáng trong môi trường có chiết suất thay đổi” theo các chuyên đề nhỏ. Đến nay, sau hơn 10 năm trực tiếp đứng lớp, tham gia bồi dưỡng HSG các cấp, hệ thống bài tập đã được tương đối hoàn chỉnh, phong phú, đa dạng về thể loại, có thể dành cho nhiều đối tượng học sinh từ người mới học đến những HS chuyên lý, HSG tỉnh, HSG quốc gia. Hệ thống bài tập này đã góp phần giúp HS dễ tiếp thu và hiểu sâu sắc kiến thức hơn, phát triển được tư duy sáng tạo của các em. Đồng thời, đây là nguồn tài liệu rất quý để các em học sinh có thể tự học, tự nghiên cứu một cách có hiệu quả cao mà không mất quá nhiều thời gian mày mò tìm nhặt trên rất nhiều những trang mạng, rất nhiều các cuốn sách, tạp chí Vật lý, góp phần tiết kiệm thời gian công sức cho các em và tiết kiệm tiền của cho phụ huynh. Với những lí do trên, tác giả muốn chia sẻ với đồng nghiệp những kinh nghiệm đã tích lũy được, thông qua đề tài “Sự khúc xạ ánh sáng trong môi trường có chiết suất thay đổi”. Đồng thời cũng là nguồn tư liệu tham khảo cho HS nhằm nâng cao chất lượng dạy và học phần Quang học nói riêng và bộ môn Vật lí nói chung. 2. Bố cục đề tài Ngoài phần mở đầu, kết luận, đề tài gồm 3 chương: Chương 1: Cơ sở lí luận và thực tiễn của đề tài. Chương 2: Định dạng, phân loại và hướng dẫn giải bài tập về sự khúc xạ ánh sáng trong môi trường có chiết suất thay đổi. Chương 3: Hiệu quả của đề tài. 3 PHẦN II. NỘI DUNG CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 1.1 Cơ sở lí luận của việc phát huy tính tích cực của HS trong học tập Tích cực là một phẩm chất tâm lý vô cùng quan trọng quyết định sự thành công của mỗi cá nhân trong mọi loại hoạt động và quyết định sự hoàn thiện không ngừng của nhân cách trong quá trình hoạt động thực tiễn. Tính tích cực là điều kiện cần cho sự phát triển tư duy độc lập và tư duy sáng tạo mặc dù mức độ độc lập của tư duy và sáng tạo của mỗi học sinh còn phụ thuộc vào nhiều đặc điểm mang tính cách cá nhân, vì thế rất khác nhau với các học sinh khác nhau. Mức độ phát triển của tư duy và óc sáng tạo không thể hoạch định trong mục tiêu giáo dục, không thể đòi hỏi mọi học sinh cùng đạt tới một chuẩn mực sáng tạo nào đó nhưng dạy học cần tạo điều kiện tốt nhất cho sự phát triển của tư duy và óc sáng tạo của học sinh.  Động cơ học tập - nguồn gốc của tính tích cực trong học tập Động cơ học tập là sự giác ngộ nhiệm vụ học tập. Nói đến động cơ, chúng ta phải nói đến lòng say mê, ham muốn đối với một công việc, một đối tượng nào đó mà chủ thể cần đạt được. Lòng ham mê đối với tri thức sẽ hình thành ở HS một động cơ học tập đúng đắn. Môn học VL có nhiều ưu thế để hình thành động cơ học môn học. Để HS có động cơ học tập môn VL đúng, GV cần đầu tư nhiều thời gian, công sức và tình cảm, phát huy lợi thế chuyên môn vào quá trình dạy học môn khoa học này.  Hứng thú, tự giác, tự lực - các phẩm chất của tính tích cực học tập Hứng thú học tập nuôi dưỡng bởi động cơ. Làm thế nào để gây hứng thú và duy trì sự hứng thú ấy là điều không đơn giản. Tri thức sâu, rộng của thầy, lời nói chữ viết của thầy, những bài thí nghiệm mà thầy biểu diễn trước lớp…có thể sẽ gây hứng thú cho HS. Tuy nhiên nếu chỉ như vậy thôi thì hứng thú cũng rất có thể mất đi khi một ngày nào đó những yếu tố trên không còn gì mới mẻ. Trong dạy học VL, thí nghiệm có đó, “kho” bài tập có đó song 4 không phải tự chúng có thể gây hứng thú và duy trì sự hứng thú cho HS. Đôi khi, nếu không biết sử dụng, chúng còn làm cho HS thấy nhàm chán hoặc coi là những khó khăn trong học tập. Để môn Vật lý tạo ra và duy trì được hứng thú học tập và từ đó xuất hiện các phẩm chất khác của tính tích cực học tập, người giáo viên cần phải: - Chế biến mỗi bài học, mỗi sự kiện là một tình huống để HS tham gia giải quyết, không biến bài học lí thuyết trở thành một chuỗi những câu thuyết giảng, trừu tượng. - Đưa các nội dung bài học vào đời sống thực tế để HS nhìn thấy ích lợi của việc học, thấy cái hay, cái đẹp của VL - Sắp xếp lại các BTVL thành những chuyên đề nhỏ, theo các mức độ nhận thức của HS, sử dụng chúng có ý đồ phát triển rõ rệt. Các dạng bài tập phong phú, cách sử dụng đa dạng sẽ khai thác được tối đa tác dụng của chúng.  Những biểu hiện của tính tích cực học tập Tính tích cực học tập biểu hiện ở những dấu hiệu như: hăng hái trả lời các câu hỏi của giáo viên, bổ sung các câu trả lời của bạn, thích phát biểu ý kiến của mình trước vấn đề nêu ra; hay nêu thắc mắc, đòi hỏi giải thích cặn kẽ những vấn đề chưa đủ rõ; chủ động vận dụng kiến thức, kĩ năng đã học để nhận thức vấn đề mới; tập trung lắng nghe, theo dõi mọi hành động của giáo viên, chú ý vào vấn đề đang học; kiên trì hoàn thành các bài tập, không nản trước những tình huống khó khăn, có khả năng vận dụng kiến thức vào việc giải quyết những tình huống mới, có sáng tạo trong giải quyết vấn đề tìm ra cái mới.  Các cấp độ của tính tích cực học tập Theo GS.TS. Trần Bá Hoành [5, tr.13], tính tích cực của học sinh được chia làm 3 cấp độ từ thấp đến cao: - Bắt chước: gắng sức làm theo mẫu hành động của thầy, của bạn bè… - Tìm tòi: độc lập giải quyết vấn đề nêu ra, tìm kiếm những cách giải quyết khác nhau để tìm ra lời giải đáp hợp lý nhất. 5 - Sáng tạo: tìm ra cách giải quyết mới, độc đáo, hữu hiệu 1.2. Phương pháp dạy học nêu vấn đề (NVĐ) Dạy học NVĐ là một tập hợp nhiều phương pháp dạy học đơn giản nhất (diễn giảng, thí nghiệm, đàm thoại, đọc sách..). Mà trong đó có sự phối hợp thống nhất giữa thầy và trò sao cho trò tự giác chấp nhận nhiệm vụ học tập là nhiệm vụ của chính mình, tích cực, tự lực, sáng tạo tìm tòi cách giải quyết nhiệm vụ học tập ấy thông qua việc kiểm tra các giả thuyết mà mình đã đặt ra.  Cấu trúc của dạy học nêu vấn đề Dạy học NVĐ bao gồm 3 giai đoạn:  Giai đoạn xây dựng tình huống có vấn đề : Đây là giai đoạn nhằm “dẫn dắt” học sinh đi từ chỗ sự việc, hiện tượng xảy ra có vẻ hợp lý đến chỗ không còn hợp lý nữa, hoặc đi từ những vấn đề học sinh biết nhưng chưa biết chính xác đến chỗ ngạc nhiên, cần biết chính xác v..v..để rồi hình thành ở các em một trạng thái tâm lí bức xúc, mong muốn giải quyết bằng được tình huống gặp phải. Có thể nói rằng, đây là giai đoạn quan trọng nhất cho kiểu dạy học NVĐ.  Giai đoạn giải quyết vấn đề : Ở giai đoạn này có 2 bước quan trọng, có ý nghĩa to lớn trong quá trình dạy học. Đó là bước học sinh đề xuất được các giả thuyết và vạch được kế hoạch để kiểm tra giả thuyết đó. Thực tế dạy học cho thấy, học sinh thường không thể tự một mình đưa ra được những giả thuyết hay mà cần có sự trao đổi giữa các học sinh với nhau, những gợi ý giúp đỡ cần thiết của GV.  Giai đoạn vận dụng: Cũng giống như những phương pháp dạy học khác, kết thúc bài học bao giờ cũng là sự vận dụng kiến thức mới thu được vào trong thực tế cuộc sống. Đặc biệt là vận dụng những kiến thức đó để giải quyết những tình huống mới, khác với những tình huống đã gặp. Chính sự vận dụng này không những giúp học sinh củng cố được kiến thức một cách vững chắc mà còn tập dượt cho học sinh tìm tòi giải quyết những vấn đề 6 mới, tiến tới việc rèn luyện tư duy sáng tạo cho HS. 1.3. Bài tập vật lí (BTVL) trong quá trình dạy học vật lý 1.3.1. Khái niệm bài tập vật lý Theo GS. Phạm Hữu Tòng [3, tr.89] thì “Bài tập vật lý được hiểu là một vấn đề đặt ra đòi hỏi phải giải quyết nhờ những suy luận logic, những phép toán và thí nghiệm dựa trên cơ sở các định luật và các phương pháp vật lý ”. Theo quan niệm này thì BTVL chỉ thuần túy là một nhiệm vụ mà HS phải làm để thể hiện mình nắm vững lí thuyết tới đâu. Điều này rất có lí nếu coi BTVL là công cụ để đánh giá những gì HS đã học trên lớp. Theo chúng tôi, để đánh giá đúng vai trò của BTVL, cần nhìn nhận chúng dưới các góc độ khác nhau về tầm quan trọng của chúng trong dạy học VL: - Nhìn BTVL dưới góc độ là công cụ đánh giá lí thuyết - Nhìn BTVL dưới góc độ là phương tiện để phát triển tư duy cho HS - Nhìn BTVL qua hai mặt: BT mang tính lí thuyết và BT mang tính thực tế. - Nhìn BTVL dưới góc độ phương pháp sử dụng chúng Có nhìn nhận như vậy thì ta mới đánh giá hết ý nghĩa của BTVL, đồng thời mới có đủ cơ sở để phân loại các BTVL một cách rõ ràng và chính xác 1.3.2. Tác dụng của BTVL trong dạy học Vật lí 1. Bài tập giúp cho việc ôn tập đào sâu, mở rộng kiến thức Vật lí học không phải chỉ tồn tại trong óc chúng ta dưới dạng những mô hình trừu tượng do ta nghĩ ra mà là sự phản ánh vào trong óc chúng ta thực tế phong phú, sinh động. Tuy nhiên các khái niệm, định luật thì rất đơn giản nhưng biểu hiện của chúng trong tự nhiên lại rất phức tạp, Bài tập sẽ giúp cho HS biết phân tích để nhận biết những trường hợp phức tạp đó, nhờ thế mà HS nắm được những biểu hiện của chúng trong thực tế. BTVL là một phương tiện củng cố, ôn tập kiến thức sinh động. Khi giải bài tập, học sinh nhớ lại các kiến thức đã học, có khi phải sử dụng tổng hợp các kiến thức thuộc nhiều chương, nhiều phần của chương trình. 7 2. Bài tập có thể là khởi đầu để dẫn dắt đến kiến thức mới Ví dụ trong khi vận dụng định luật khúc xạ ánh sáng, khi ánh sáng chiếu từ môi trường sang môi trường chiết quang kém hơn thì góc khúc xạ lớn hơn góc tới. Góc khúc xạ tăng khi tăng góc tới nhưng nếu góc khúc xạ lớn hơn 90 0 thì góc tới không tồn tại! Kết quả của việc giải BT đó dẫn đến việc cần thiết phải nghiên cứu hiện tượng phản xạ toàn phần. 3. Giải BTVL rèn luyện kĩ năng, kĩ xảo vận dụng lí thuyết vào thực tiễn, rèn luyện kĩ năng vận dụng kiến thức khái quát. Có thể xây dựng rất nhiều bài tập có nội dung thực tiễn trong đó yêu cầu học sinh phải vận dụng kiến thức lí thuyết để giải thích các hiện tượng thực tiễn hoặc dự đoán hiện tượng xảy ra. 4. Giải bài tập là một trong những hình thức làm việc tự lực cao của học sinh Trong khi giải bài tập, do phải tự mình phân tích các điều kiện của đầu bài, tự xây dựng những lập luận, kiểm tra và phê phán những kết luận rút ra được nên tư duy HS được phát triển, năng lực làm việc tự lực của họ được nâng cao, rèn luyện tính kiên trì, cẩn thận, tinh thần vượt khó. 5. Giải BTVL góp phần làm phát triển tính tư duy sáng tạo của học sinh Các bài tập giải thích hiện tượng, bài tập thí nghiệm, thiết kế dụng cụ là những loại BT phát triển tư duy sáng tạo của HS rất tốt. 6. Giải BTVL để kiểm tra mức độ nắm vững kiến thức của học sinh BTVL là một phương tiện hiệu quả để kiểm tra mức độ nắm vững kiến thức của học sinh. Tùy theo cách đặt câu hỏi mà có thể kiểm tra được các mức độ nắm vững kiến thức khác nhau. 1.3.3. Phân loại BTVL Có nhiều cách phân loại BTVL. 1.3.3.1. Phân loại theo cách giải, có thể chia BTVL thành những loại sau: 1. Bài tập định tính Bài tập định tính là loại BT khi giải HS không cần phải thực hiện các phép 8 tính phức tạp, hay chỉ cần những phép đơn giản là nhẩm được. Đa số các BT định tính yêu cầu HS giải thích hoặc dự đoán các hiện tượng. Do đó muốn giải được loại BT này, HS cần hiểu rõ bản chất các khái niệm, định luật Vật lí, nhận biết được các biểu hiện của chúng trong các trường hợp cụ thể. Bài tập định tính có rất nhiều ưu điểm về phương pháp học. Nhờ đưa được lí thuyết vừa học lại gần cuộc sống xung quanh, các bài tập này làm tăng thêm ở HS hứng thú với môn học, tạo điều kiện phát triển óc quan sát của HS. Do có tác dụng về nhiều mặt như trên nên BT định tính được sử dụng ưu tiên hàng đầu sau khi học xong lí thuyết, trong khi luyện tập, ôn tập lại kiến thức. 2. Bài tập tính toán Bài tập tính toán là loại BT mà muốn giải chúng ta phải thực hiện một loạt các phép tính và kết quả thu được là một đáp số định lượng. Có thể chia thành hai loại: bài tập tập dượt và bài tập tổng hợp a) BT tính toán tập dượt Là những BT cơ bản, đơn giản, trong đó chỉ đề cập đến một hiện tượng, một định luật, trong đó chỉ sử dụng những phép tính đơn giản. Những BT này có tác dụng củng cố kiến thức vừa học, giúp HS hiểu rõ hơn ý nghĩa của định luật, công thức biểu diễn chúng. Ví dụ: Sau khi học xong nội dung khúc xạ ánh sáng giáo viên có thể ra sin i n 2  sinr n1 như sau: bài tập để luyện tập việc sử áp dụng định luật khúc xạ Một cái cọc cao h = 1,5m được cắm thẳng đứng vào một bể nước có đáy nằm ngang. Mực nước trong bể là l = 0,5m. Ánh sáng mặt trời chiếu xiên góc α = 600 so với phương thẳng đứng. Tìm chiều dài bóng cọc dưới đáy bể biết chiết suất của nước là n = 4/3. b) Bài tập tính toán tổng hợp: 9 Là loại BT mà muốn giải nó phải vận dụng nhiều kiến thức, định luật, dùng nhiều công thức. Đó có thể là những kiến thức đã học trong nhiều bài trước đó. Loại BT này có tác dụng đặc biệt giúp HS đào sâu, mở rộng kiến thức, thấy rõ mối quan hệ giữa các phần của chương trình vật lí, tập cho HS biết cách phân tích những hiện tượng phức tạp thành những phần, những giai đoạn đơn giản tuân theo một định luật xác định. 3. Bài tập thí nghiệm Là bài tập đòi hỏi phải làm thí nghiệm để kiểm chứng lời giải lí thuyết hoặc để tìm những số liệu cần thiết cho bài toán. BT thí nghiệm các tác dụng tốt về cả ba mặt: giáo dướng, giáo dục và giáo dục kĩ thuật tổng hợp. 4. Bài tập đồ thị Bài tập đồ thị là loại BT sử dụng đồ thị để giải hoặc dữ kiện đề bài là các số liệu cho trên đồ thị. Giải loại BT này giúp HS rèn luyện tính kiên trì, tỉ mỉ, cẩn thận, biết liên tưởng giữa các đại lượng vật lí. 1.3.3.2. Phân loại theo trình độ nhận thức Dựa trên các cấp độ nhận thức của Bloom, có thể phân bài tập thành những dạng sau: 1. Bài tập nhận biết, tái hiện, tái tạo lại: Đó là những bài tập đòi hỏi người học nhận ra được, nhớ lại được những kiến thức đã học. Đó là những câu hỏi về các khái niệm, định luật, thuyết vật lí hay là những ứng dụng trong đời sống, kĩ thuật. 2. Bài tập hiểu và vận dụng: Với các bài tập này thì các đại lượng đã cho có mối liên hệ trực tiếp với đại lượng cần tìm thông qua một công thức, một phương trình nào đó. Bài tập loại này đòi hỏi người học nhận ra, nhớ lại được mối liên hệ giữa các đại lượng đã cho với đại lượng cần tìm, hoặc giải thích một hiện tượng nào đó gắn liền với một dạng kiến thức đã học. Loại bài này thường dùng ngay sau khi học xong kiến thức mới. 3. Bài tập vận dụng linh hoạt (vận dụng cấp cao hơn): 10 Đây là loại bài tập tổng hợp, cần phối hợp nhiều kiến thức để giải, hoặc nhiều phương trình mới giải được. Để làm loại BT này, HS cần phải nắm chắc kiến thức, hiểu sâu sắc mối liên hệ giữa các đại lượng vật lí và điều kiện áp dụng của chúng. Việc giải bài tập vận dụng linh hoạt giúp rèn luyện tư suy logic ở HS, phát triển tư duy sáng tạo, khả năng phân tích tổng hợp. Đây là loại bài tập thường dùng để luyện thi đại học và thi HSG. 1.3.4. Phương pháp giải bài tập vật lí Việc rèn cho HS biết cách giải bài tập một cách khoa học, đảm bảo đi đến kết quả một cách chính xác là một việc rất quan trọng, cần thiết. Nó không những giúp HS nắm vững kiến thức mà còn rèn luyện kĩ năng suy luận logic, làm việc một cách khoa học, có kế hoạch. Bài tập vật lí rất đa dạng nên phương pháp giải cũng rất phong phú. Tuy nhiên có thể vạch ra một dàn bài chung gồm các bước sau đây: 1. Tìm hiểu đề bài Bước này bao gồm việc xác định ý nghĩa vật lí của các thuật ngữ, phân biệt đâu là ẩn số, đâu là dữ kiện bài cho. Với những bài tập tính toán thì cần dùng các kí hiệu để tóm tắt đề bài. Trong hầu hết các bài toán vật lí nên vẽ hình để biểu đạt những điều kiện của bài. Làm như thế sẽ giúp HS dễ tưởng tượng, hình dung hơn về diễn biến của hiện tượng, mối quan hệ giữa các đại lượng vật lí. 2. Phân tích hiện tượng Trước hết là nhận biết những giữ kiện cho trong đề bài có liên quan tới khái niệm, hiện tượng, quy tắc, định luật nào trong vật lí. Sau đó xem xét diễn biến hiện tượng và các định luật chi phối nó. HS cần phải phân tích đúng, chính xác hiện tượng xảy ra thì mới biết dùng kiến thức nào để giải. 3. Xây dựng lập luận Thực chất của bước này chính là xác định việc dùng kiến thức, định luật, khái niệm nào để giải. Đối với bài tập tổng hợp phức tạp, có hai phương pháp xây dựng lập luận: Phương pháp phân tích và phương pháp tổng hợp. 11 Theo phương pháp phân tích thì xuất phát từ đại lượng cần tìm, xác định mối quan hệ của nó với dữ kiện đã cho thông qua hệ thống các công thức đã biết. Sau đó tiếp tục phát triển lập luận hoặc biến đổi công thức để tìm ra công thức cuối cùng chỉ chứa mối quan hệ giữa ẩn số với dữ kiện đề cho. Theo phương pháp tổng hợp thì trình tự làm ngược lại: điểm xuất phát không phải từ ẩn số mà từ những dữ kiện của đầu bài, xây dựng lập luận hoặc các công thức diễn đạt mối quan hệ giữa dữ kiện với các đại lượng trung gian để tiến dần tới công thức cuối cùng chỉ chứa ẩn số và dữ kiện bài cho. 4. Biện luận Trong bước này ta phải phân tích kết quả cuối cùng để loại bỏ nghiệm không phù hợp với đề bài hoặc không phù hợp với thực tế. Việc biện luận này cũng là một cách để kiểm tra sự đúng đắn của lập luận, việc sử dụng các công thức chính xác chưa, thứ nguyên có phù hợp không. Đôi khi nhờ sự biện luận này mà HS tự phát hiện ra nhứng sai lầm của mình trong lập luận. 1.4. Thực trạng dạy học phần kiến thức “Khúc xạ ánh sáng” 1.4.1. Thực trạng dạy nội dung khúc xạ ánh sáng trong trường THPT hiện nay Trong chương trình THPT hiện nay (chương trình nâng cao), nội dung khúc xạ ánh sáng gói gọn trong chương VI gồm 3 bài: Bài 44. Khúc xạ ánh sáng, Bài 45. Phản xạ toàn phần và Bài 46. Bài tập về khúc xạ ánh sáng và phản xạ toàn phần. Trong tài liệu chuyên Vật lý 11 tập 2 (tài liệu tham khảo chính của giáo viên THPT chuyên), nội dung này được đề cập trong chương II: ”Sự khúc xạ ánh sáng. Lăng kính. Thấu kính và hệ quang học đồng trục”. Nhìn chung, do giới hạn về thời gian cũng như trình độ của học sinh nên các nội dung kiến thức và bài tập về khúc xạ ánh sáng được đưa vào hai tài liệu này chỉ dừng ở mức độ cơ bản, hầu như không đề cập đến sự khúc xạ trong môi trường có chiết suất thay đổi – một nội dung kiến thức có nhiều ứng dụng gắn liền với thực tế và có tác dụng cao trong phát triển tư duy vật lý kỹ thuật của học sinh. 12 Trong các tài liệu bổ trợ nâng cao kiến thức đối với học sinh giỏi, mà tiêu biểu là bộ sách Bồi dưỡng học sinh giỏi THPT của NXB Giáo dục, nội dung này đã được đưa vào nhưng dưới hình thức các bài tập nhỏ lẻ, chưa mang tính hệ thống. Trong quá trình bồi dưỡng học sinh giỏi nói chung và học sinh chuyên nói riêng, các nội dung kiến thức này cần được các giáo viên biên tập lại thành hệ thống kiến thức giúp học sinh có khả năng lĩnh hội tốt hơn, phát triển khả năng tu duy sáng tạo để giải quyết các vấn đề thực tiễn khác có liên quan. 1.4.2. Hệ thống kiến thức trong việc giải bài toán về khúc xạ ánh sáng trong môi trường có chiết suất thay đổi a. Định luật khúc xạ (định luật Snen – Đề-các-tơ): * Phát biểu: - Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới và ở phía bên kia pháp tuyến so với tia tới. - Đối với một cặp môi trường trong suốt nhất định, tỉ số giữa sin của góc tới (sini) và sin của góc khúc xạ (sinr) là một số không đổi. Số không đổi đó được gọi là chiết suất tỉ đối của môi trường chứa tia khúc xạ và môi trường chứa tia tới. sin i n  n 21  2 sinr n1 (1) * Sự áp dụng định luật khúc xạ cho môi trường có chiết suất thay đổi: n1 x n2 n3 nk 13 y Giả sử có một tia sáng đơn sắc truyền trong một môi trường trong suốt có chiết suất thay đổi liên tục dọc theo trục Oy. Ta tưởng tượng chia môi trường thành các lớp rất mỏng bằng các mặt phẳng vuông góc với Oy sao cho có thể coi như trong các lớp mỏng đó chiết suất n k không thay đổi. Gọi ik là góc tới của tia sáng tại mặt phân cách giữa hai lớp môi trường có chiết suất n k và nk+1. Áp dụng định luật khúc xạ cho cặp hai môi trường trong suốt liền kề ta có: n1 sin i1  n2 sin i2 n2 sin i2  n3 sin i3 ... ni sin ii  ni 1 sin ii 1 Suy ra: n1 sin i1  n 2 sin i 2  ...  n k sin i k = hằng số (2) b. Hiện tượng phản xạ toàn phần: Khi ánh sáng đi từ môi trường có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn và có góc tới i lớn hơn góc giới hạn i gh, thì sẽ xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần, trong đó mọi tia sáng đều bị phản xạ, không có tia khúc xạ. Trong công thức (2), giả sử môi trường có chiết suất giảm dần theo trục Oy thì góc tới ik sẽ tăng dần. Nếu tại lớp nk có ik = 900 thì tại lớp đó bắt đầu xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần. Khi đó: n1 sin i1  n 2 sin i 2  ...  n k = hằng số (3) c. Quang trình: Xét hai điểm A, B trên một tia sáng B đơn sắc truyền trong một môi trường trong suốt đồng chất chiết suất n. Gọi e là độ dài đoạn AB, thời gian A ánh sáng truyền từ A đến B: 14 t  AB e  v v (4) với v là tốc độ truyền ánh sáng trong môi trường. Cũng trong khoảng thời gian Δt ấy, nếu truyền trong môi trường chân không, ánh sáng đi được quãng đường: e e0  c.t  c.  n.e v (5) Hai quãng truyền e0 và e của ánh sáng trong cùng một thời gian Δt trong chân không và trong môi trường chiết suất n được gọi là hai quãng truyền tương đương (vì mất cùng một khoảng thời gian) và e 0 được gọi là quang trình (hay quang lộ) của quãng truyền AB, kí hiệu là (AB): (AB)  e 0  n.e (6) Nếu ánh sáng truyền từ A đến B qua một dãy môi trường trong suốt, đồng tính có chiết suất n1, n2, ..., nk, ngăn cách bởi các mặt giới hạn Σ1, Σ2, ..., Σk-1 thì các quãng truyền của tia sáng trong mỗi môi trường chiết suất n i là một đoạn thẳng e  A i1A i . Quang trình trên quãng truyền AB là: k (AB)  n1e1  n 2e 2  ...  n k e k   n iei i 1 (7) Trong thực ảnh qua hệ và A2 A1 A n1 n2 B’ tế, điểm B Ak-1 nk-1 B nk thường là của điểm A một quang B có thể là 15 một ảnh thật (B) hoặc ảo (B’). Ảnh ảo B’ không nằm trên phần A k-1B của tia sáng trong môi trường k mà nằm trên đường kéo dài về phía trước điểm A k-1. Để vẫn có thể áp dụng công thức tính quang trình ở trên, khi tính quang trình (AB’) thì ta coi quang trình ảo (Ak-1B’) như vẫn được truyền trong môi trường k nhưng là số âm: (AB')  n1AA1  n 2A1A 2  ...  n k 1A k 2A k 1  n k A k 1B' (8) hay vẫn có k (AB')  n1e1  n 2e2  ...  n k e k   n iei i 1 (9) trong đó ei  Ai 1Ai với chiều dương quy ước tuân theo chiều truyền ánh sáng. d. Điều kiện tương điểm: Để một điểm sáng A cho ảnh điểm A’ thì quang trình của mọi tia sáng từ A đến A’ qua quang hệ đều bằng nhau: (AA')  n1 AA1  n 2 A1A 2  ...  n k 1 A k 2A k 1  n k A k 1A'  const (10) A2 A1 các đại A n1 n2 dấu Ak-1 nk-1 B nk Trong đó, chiều dài số trên lấy dương theo chiều tia sáng. e. Nguyên lý Phéc-ma: 16 - Nguyên lý Phéc-ma [2]: Quang trình của đường truyền thực sự của một tia sáng truyền từ một điểm A đến một điểm B, sau nhiều lần phản xạ và khúc xạ liên tiếp, là ngắn nhất so với quang trình của các tia sáng vô cùng gần tia AB. Hoặc có thể phát biểu dạng đơn giản hơn [1]: Trong số các con đường khả dĩ đi từ điểm A đến điểm B thì ánh sáng sẽ đi theo con đường mà theo đó thời gian truyền là ngắn nhất. - Tuy nhiên, khi xét cặn kẽ hơn về phương diện toán học: khi đạo hàm bậc nhất của một hàm số triệt tiêu thì hàm có thể qua một cực tiểu, một cực đại hoặc một giá trị dừng. Cả ba trường hợp trên đều xảy ra trong quang hình học. Chính vì thế, ngày nay nguyên lý Phéc-ma được phát biểu một cách chặt chẽ hơn như sau [2]: Quang trình của đường truyền một tia sáng từ một điểm A đến một điểm B, sau một số lần phản xạ và khúc xạ liên tiếp bất kì, có giá trị cực tiểu, cực đại hoặc dừng so với quang trình của các tia sáng vô cùng gần tia AB. f. Nguyên lý Huy-ghen: Ánh sáng coi như một loại sóng trong đó mỗi điểm của môi trường mà mặt đầu sóng đạt tới sẽ trở thành một tâm phát sóng nguyên tố (thứ cấp). Mặt đầu sóng ở thời điểm sau sẽ là mặt bao của các mặt sóng nguyên tố đó. Trong môi trường đồng tính và đẳng hướng thì các mặt sóng nguyên tố là các mặt cầu. Tia sáng là các đường đi qua các tiếp điểm liên tiếp của mặt sóng nguyên tố và mặt bao. g. Hiện tượng tán sắc: Là sự phân tách một chùm sáng phức tạp thành các thành phần đơn sắc khác nhau. Nguyên nhân: Do chiết suất của một môi trường trong suốt đối với các ánh sáng khác nhau thì khác nhau. h. Hệ số góc tiếp tuyến của một đường cong: Khi ánh sáng truyền trong một môi trường trong suốt có chiết suất thay đổi liên tục thì tia khúc xạ bị lệch dần so với tia tới. Kết quả là đường truyền của ánh sáng sẽ có dạng một đường cong. Có hai loại câu hỏi thường gặp ở 17 những bài toán kiểu này, đó là: - Cho quy luật biến đổi của chiết suất, tìm dạng đường truyền của ánh sáng. - Cho dạng đường truyền của ánh sáng, tìm quy luật biến đổi của chiết suất. Để giải quyết được kiểu bài toán này, học sinh cần được trang bị thêm kiến thức về hệ số góc tiếp tuyến của đường cong. Hệ số góc tiếp tuyến tại điểm M(x0, y0) của đồ thị hàm số y = f(x) được xác định bằng biểu thức: tan   dy  f '(x 0 ) dx x  x 0 (11) Trong đó α là góc giữa tiếp tuyến và trục hoành Ox. CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG HỆ THỐNG BÀI TẬP TỰ LUẬN VÀ HƯỚNG DẪN GIẢI BÀI TẬP VỀ SỰ KHÚC XẠ ÁNH SÁNG TRONG MÔI TRƯỜNG CÓ CHIẾT SUẤT THAY ĐỔI Hệ thống bài tập lựa chọn đưa vào trong đề tài là bài tập tính toán, được phân loại theo mức độ nhận thức. Do khuôn khổ về thời lượng, trong đề tài này không đưa vào những bài tập ở mức độ nhận biết (vì học sinh dễ dàng tìm đọc trong bộ sách giáo khoa lý thuyết, sách bài tập, kèm theo tài liệu tự chọn - Vật lý lớp 11 và Vật lý lớp 11 nâng cao), đồng thời tác giả cũng tránh lặp lại những bài tập đã có trong sách giáo khoa. Mỗi dạng bài theo từng tiêu chí, tác giả chỉ đưa ra một ví dụ minh họa có hướng dẫn giải đầy đủ, còn lại các bài cùng dạng được trình bày trong phần “bài tập vận dụng tự giải” 2.1. Hệ thống bài tập tự luận và hướng dẫn giải bài tập sự khúc xạ ánh sáng trong môi trường có chiết suất thay đổi. 18 Dạng 1: Cho quy luật biến đổi của chiết suất theo tọa độ, tìm dạng đường truyền của ánh sáng. Điểm sáng S nằm dưới đáy bể nước có độ sâu h. Một tia sáng phát ra từ S tới mặt phân cách tại điểm O dưới góc tới i0. Đặt tiếp giáp với mặt nước một bản mặt song song có bề dày d, chiết suất của bản mặt thay đổi theo phương vuông góc với bản mặt theo quy luật H , với n  n0 1  y2 H2 n0 d n02 1 . Lập phương trình xác định đường đi của tia sáng trong bản mặt và xác định vị trí điểm mà tia sáng ló ra. Chú ý: 1- Bể đủ rộng và bản mặt song song đủ dài để tia sáng không đập vào thành bể cũng như không ló khỏi mặt bên của bản mặt. 2- Cho  1  by   Arc sin    const a  a b y b dy 2 2 2 Arc sin y là hàm ngược của hàm sin , tức là nếu x  Arc sin y thì s inx  y . Lời giải: + Trước hết ta có nhận xét là quỹ đạo tia sáng nằm trong mặt phẳng Oxy và vì chiết suất n thay đổi dọc theo phương OY nên ta sẽ chia môi trường thành nhiều lớp mỏng bề dày dy bằng các mặt phẳng  Oy sao cho trong mỗi lớp phẳng đó, chiết suất n có thể coi là không đổi. 19