Tài liệu Skkn dựa vào định luật quang học để giải thích định tính các hiện tượng quang học

Trung tâm GDTX Thiệu Hóa GV: Nguyễn Thị Hằng MỤC LỤC Trang Phần I: Mở đầu 1/ Lý do chọn đề tài ..............................................................................................2 2/ Phương pháp nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu ............................................2 Phần II: Nội dung I. Cơ sở lý thuyết cơ bản của Quang học và một vài hiện tượng Quang học trong đời sống ................................................................................................................3 a/ Cơ sở lý thuyết cơ bản ......................................................................................3 b/ Một vài hiện tượng Quang học thường gặp trong đời sống .............................5 II. Phương pháp chung để giải đáp nhanh những câu hỏi định tính Quang học . .8 III. Các hiện tượng Quang học phổ biến trong tự nhiên .......................................9 IV. Hiệu quả đạt được..........................................................................................21 Phần III. Kết luận .............................................................................................21 Tài liệu tham khảo ..............................................................................................22 PHẦN I: MỞ ĐẦU 1 SKKN Năm học: 2011-2012 Trung tâm GDTX Thiệu Hóa GV: Nguyễn Thị Hằng 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI: Vật lý học không phải chỉ là các phương trình và con số. Vật lý học là những điều đang xảy ra trong thế giới xung quanh ta. Nó nói về các màu sắc trong một cầu vòng, về ánh sáng lóng lánh và tính cứng rắn của viên kim cương. Nó có liên quan đến việc đi bộ, đi xe đạp, lái ô tô và cả việc điều khiển một con tàu vũ trụ... Việc học môn Vật lý không chỉ dừng lại ở sự tìm cách vận dụng các công thức Vật lý để giải cho xong các phương trình và đi đến những đáp số, mà còn phải giải thích được các hiện tượng Vật lý đang xảy ra trong thiên nhiên quanh ta, trong các đối tượng công nghệ của nền văn minh mà ta đang sử dụng. Mặt khác, thực tế việc giảng dạy Vật lý hiện nay, chủ yếu dành nhiều thời gian dạy học sinh nhận diện các kiểu, loại bài toán khác nhau và cách thức vận dụng các công thức Vật lý cho từng kiểu, loại toán đó, mà ít chú trọng giúp học sinh giải thích các hiện tượng Vật lý xảy ra trong tự nhiên. Xuất phát từ ý nghĩa và thực tế đó, tôi mạnh dạn nghiên cứu đề tài “Dựa vào định luật quang học để giải thích định tính các hiện tượng Quang học”, nhằm giúp học sinh yêu thích và hiểu hơn bản chất Vật lý của các hiện tượng Quang học. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU: Để hoàn thành đề tài này tôi chọn phương pháp nghiên cứu: - Phương pháp nghiên cứu tài liệu: + Đọc các sách giáo khoa phổ thông, các sách đại học, sách tham khảo phần Quang học. - Phương pháp thống kê: + Chọn các hiện tượng có trong chương trình phổ thông và gần gũi với đời sống hằng ngày. 2 SKKN Năm học: 2011-2012 Trung tâm GDTX Thiệu Hóa GV: Nguyễn Thị Hằng - Phương pháp phân tích và tổng hợp kinh nghiệm trong quá trình giảng dạy và thực tế đời sống. Phạm vi nghiên cứu đề tài này là trong phần Quang học của chương trình lớp 11,12 hiện hành. *Cấu trúc phần nội dung gồm: I. Cơ sở lí thuyết cơ bản của quang học và một vài hiện tượng quang học trong đời sống. II. Phương pháp chung để giải đáp nhanh những câu hỏi định tính quang học. III. Các hiện tượng quang học phổ biến trong tự nhiên. IV. Hiệu quả đạt được. PHẦN II: NỘI DUNG Quang học là một môn học, trong đó người ta nghiên cứu các hiện tượng liên quan đến ánh sáng; từ sự truyền của ánh sáng đến sự tạo ra các ảnh; từ các tính chất của ánh sáng đến bản chất của áng sáng. I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CƠ BẢN CỦA QUANG HỌC VÀ MỘT VÀI HIỆN TƯỢNG QUANG HỌC THƯỜNG GẶP TRONG ĐỜI SỐNG. a. Cơ sở lý thuyết cơ bản của quang học. + Định luật truyền thẳng ánh sáng - Trong một môi trường trong suốt, đồng tính và đẳng hướng ánh sáng truyền theo đường thẳng. + Nguyên lí về tính thuận nghịch của chiều truyền ánh sáng - Đường đi của ánh sáng không đổi khi đảo ngược chiều truyền S ánh sáng. N i i’ + Định luật phản xạ ánh sáng - Tia phản xạ nằm trong mặt phẳng tới và ở phía bên kia pháp tuyến so với tia tới. - Góc phản xạ bằng góc tới (i’ = i) 3 SKKN R Năm học: 2011-2012 I Trung tâm GDTX Thiệu Hóa GV: Nguyễn Thị Hằng + Định luật khúc xạ ánh sáng - Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới và ở bên kia pháp tuyến so với tia tới - Đối với một cặp môi trường trong suốt nhất định thì tỉ số giữa sin của góc tới (sin i) với sin của góc khúc xạ (sin r) luôn luôn là mọt số không N S đổi. i Số không đổi này phụ thuộc vào bản chất của hai môi trường và I r được gọi là chiếc suất tỉ đối của môi trường chứa tia khúc xạ (môi trường K 2) đối với môi trường chứa tia tới (môi trường 1). Kí hiệu n 21 = n 21 + Hiện tượng phản xạ toàn phần - Khi ánh sáng truyền từ mặt phân cách của môi trường chiết quang hơn (n 1) sang môi trường chiết quang kém (n2) thì góc khúc xạ r lớn hơn góc tới i. - Góc khúc xạ lớn nhất bằng 900; tia khúc xạ nằm là là mặt phân cách hai môi trường thì góc tới tương ứng gọi là góc giới hạn i gh - Với các góc tới có giá trị lớn hơn i gh, thì không còn xảy ra khúc xạ, toàn bộ áng sáng đều trở lại môi trường chiết quang hơn. Khi đó có hiện tượng phản xạ toàn phần. + Máy ảnh - Vật kính của máy ảnh là một thấu kính hội tụ (hoặc một hệ thấu kính tương đương với thấu kính hội tụ) cho ảnh của vật cần chụp hiện rõ trên phim (ảnh). + Mắt - Thủy tinh thể của mắt có vai trò như vật kính của máy ảnh, còn võng mạc có vai trò như phim. - Khi nhìn vật đặt ở điểm cực viễn C V, mắt không cần điều tiết. Còn khi nhìn vật đặt ở điểm cực cận CC mắt phải điều tiết tối đa rất chóng mỏi mắt. Giới hạn nhìn rõ của mắt là khoảng CVCC. Khoảng cách thấy rõ ngắn nhất là Đ = OCC (O là 4 SKKN Năm học: 2011-2012 Trung tâm GDTX Thiệu Hóa GV: Nguyễn Thị Hằng quang tâm của mắt). Thường lấy Đ = 25cm. Mắt bình thường có điểm cực viễn ở xa vô cùng, còn điểm cực cận cách mắt 10cm đến 20cm. - Mắt cận thị có độ tụ lớn hơn mắt bình thường không có tật, điểm cực viễn của mắt cận thị ở tương đối gần mắt. Thường sửa tật cận thị bằng cách đeo kính phân kỳ. - Mắt viễn thị có độ tụ nhỏ hơn mắt bình thường; điểm cực cận của mắt viễn thị ở tương đối xa mắt. Sửa tật viễn thị bằng cách đeo kính hội tụ. - Góc trông  của một vật (hoặc ảnh) AB đặt thẳng góc với trục nhìn của mắt O là  = góc AOB với tg = . - Năng suất phân li của mắt bình thường:   1’ = rad + Các dụng cụ quang học: Kính lúp, hiển vi, thiên văn. -Độ bội giác G của một số dụng cụ quang học: G =  Trong đó:  là góc trông ảnh của một vật qua dụng cụ, 0 là góc trông vật đặt ở điểm cực cận của mắt. + Tính chất sóng của ánh sáng - Ánh sáng là sóng điện từ. Ánh sáng đơn sắc nhìn thấy có một bước sóng  xác định và có một màu nhất định. Một chùm ánh sáng trắng song song, gồm các ánh sáng đơn sắc có bước sóng từ 0,4 μm (tia tím) đến 0,76 μm (tia đỏ), đến lăng kính khi ló ra khỏi lăng kính, bị phân tích thành dãy nhiều màu, từ đỏ đến tím, gọi là quang phổ của ánh sáng trắng. Tia đỏ bị lệch (về phía dáy lăng kính) ít nhất, tia tím bị lệch nhiều nhất. Nguyên nhân của sự tán sắc đó là do chiết suất của thuỷ tinh (môi trường) phụ thuộc vào bước sóng (tần số) ánh sáng. - Hai sóng ánh sáng kết hợp, do hai nguồn sáng kết hợp phát ra, giao thoa với nhau khi gặp nhau, tạo nên vân sáng (cực đại giao thoa) và vân tối (cực tiểu giao thoa) trên màn quan sát. + Lượng tử ánh sáng 5 SKKN Năm học: 2011-2012 Trung tâm GDTX Thiệu Hóa GV: Nguyễn Thị Hằng - Chùm ánh sáng đơn sắc có bước sóng  được coi như dòng các phôtôn (lượng tử ánh sáng), mỗi phôtôn mang năng lượng xác định ε = h f = h (f là tần số ánh sáng, h là hằng số Plăng; h = 6,625.10-34 J.s; c = 3. 108m/s). Cường độ ánh sáng tỉ lệ với số phôtôn. - Hiện tượng quang điện là hiện tượng các electrôn bị bật ra (gọi là electrôn quang điện) khi chiếu vào mặt kim loại chùm ánh sáng có bước sóng  thích hợp. b. Một vài hiện tượng quang học thường gặp trong đời sống hằng ngày. Có khi nào ta ngồi suy nghĩ: Tại sao trần nhà lại sơn màu trắng? còn bốn vách tường lại không sơn màu trắng? hay mỗi lần đi trên đường phải dừng lại khi gặp: “Đèn đỏ”, và tại sao lại phải “Đèn đỏ”? v.v... Những hiện tượng rất thực tế, rất gần gũi với chúng ta, nhiều lúc chúng ta xem đó là hiển nhiên, ta vô tình không cần biết. Nhưng khi hiểu được “chúng” thì đúng là thú vị thật. VÌ SAO TRẦN NHÀ TRONG BUỒNG SƠN MÀU TRẮNG, CÒN BỐN BỨC VÁCH TỐT NHẤT KHÔNG SƠN MÀU TRẮNG ? Vách tường trong buồng quét vôi thành màu gì hoặc hoa văn ra sao chẳng những vì mỹ quang, mà còn phải cân nhắc đến vấn đề ánh sáng nữa. Vật thể màu trắng phản quang rất mạnh. Sơn trần nhà thành màu trắng, ban ngày nó sẽ phản quang ánh Mặt Trời xuống dưới, còn ban đêm có thể phản xạ ánh đèn xuống, làm cho gian buồng thêm sáng sủa, mà không ảnh hưởng gì tới mắt người cả, vì người chẳng mấy khi ngửa cổ nhìn lâu trên trần nhà. Thế thì tại sao bốn mặt vách tường tốt nhất không sơn thành màu trắng nhỉ? Đó là vì bốn bức tường nằm trong trường nhìn của chúng ta. Bất cứ bạn ngồi hay đứng, nhìn trái, nhìn phải hoặc nhìn trước nhìn ra sau, mắt đều gặp phải bức tường. Nếu bốn bức tường cũng 6 SKKN Năm học: 2011-2012 Trung tâm GDTX Thiệu Hóa GV: Nguyễn Thị Hằng lại sơn thành màu trắng, thế thì ánh Mặt Trời hoặc ánh đèn chiếu lên vách tường trắng sẽ sinh ra phản quang rất mạnh, và trực tiếp rọi vào mắt người, làm cho mắt cảm thấy rất khó chịu. Điều đó không có lợi đối với con mắt. Mọi người đều có thể nghiệm này: Đọc sách báo dưới ánh Mặt Trời tương đối chói chang thì mắt sẽ cảm thấy rất mệt mỏi chính là vì lẽ đó. Vì vậy, vách tường xung quanh phòng tốt nhất là sơn thành màu xanh nhạt, màu vàng lúa hoặc màu lam nhạt. Ánh sáng phản xạ của chúng tương đối dịu, sẽ không làm cho mắt bị kích thích. VÌ SAO GIẦY DA BÔI XI VÀO CÀNG LAU CÀNG BÓNG ? Một đôi giầy da vừa cũ vừa bẩn, chỉ cần lau sạch bụi bặm, bôi xi đánh giầy vào cẩn thận xát nhẹ một lượt thì đã biến thành vừa bóng vừa đẹp mắt rồi. Đó là lý do gì vậy? Thì ra, ánh sáng chiếu tới bất cứ trên bề mặt nào cũng đều có thể xảy ra phản xạ. Giả dụ mặt bằng đó trơn bóng, thế thì có thể sinh ra phản quang rất mạnh, nhìn vào rất sáng. Có lẽ bạn sẽ hỏi: Vì sao trên bề mặt của các vật thể như tường nhà, bàn v.v... không nhìn thấy phản quang rất mạnh nhỉ? Bề mặt các vật thể như tường, bàn v.v... không thực sự trơn bóng đâu. Bạn cầm một kính lúp quan sát tỉ mỉ một lúc, thì sẽ phát hiện bề mặt của các vật thể đó đều xù xì, thô ráp, cao thấp không đều. Bề mặt thô ráp cũng có thể phản xạ ánh sáng. Có điều phản xạ về bốn phương, tám hướng, chứ không phải tập trung vào một hướng nhất định. 7 SKKN Năm học: 2011-2012 Trung tâm GDTX Thiệu Hóa GV: Nguyễn Thị Hằng Cái đó trong vật lý gọi là sự phản xạ khuếch tán v.v... Vì vậy chúng ta không trông thấy ánh sáng phản xạ mạnh. Bề mặt của giầy da cũng không phải rất trơn bóng. Nếu chiếc giầy bẩn thì cố nhiên trở thành thô ráp hơn. Như vậy nó không thể làm cho tia sáng tập trung về một hướng nhất định. Cho nên nhìn vào không thấy bóng lộn. Mục đích của việc bôi xi đánh giầy là để những hạt li ti trong xi lấp vào những chỗ trũng thấp trên bề mặt giầy da, làm cho nó trở nên bằng phẳng, và xi đánh giầy có một loại năng lực thẩm thấu. Nó có thể lấp kín mọi lỗ nhỏ, sau đó dùng vải xát lên để xi được phủ đầy khắp, tình trạng thô ráp của bề mặt giầy da được cải thiện lên nhiều, ánh sáng phản xạ về một hướng nào đó, chiếc giầy liền bóng lộn lên nhiều. Cho nên sau khi bôi xi lên giầy, càng xát nó càng bóng lên. CHẬU THAU ĐỰNG ĐẦY NƯỚC, VÌ SAO KHI NHÌN NGHIÊNG THẤY NƯỚC TRỞ THÀNH NÔNG HƠN ? Khi chậu thau đựng đầy nước, nhìn nghiêng từ bên cạnh, độ sâu từ mặt nước tới đáy chậu có vẻ như trở thành nông hơn. Hiện tượng kì lạ này, rốt cuộc đã xảy ra như thế nào? Muốn làm sáng tỏ chân tướng của một cách triệt để thì cần phải hiểu rõ một số tính khí của ánh sáng trước đã. Thì ra trong cùng một loại môi trường, ánh sáng bao giờ cũng truyền theo đường thẳng,đường ngắn nhất. Song nó từ một loại môi trường đi vào một trường khác, ví dụ như từ không nước, hoặc từ nước vào không khí, do tốc độ truyền của ánh sáng trong hai loại môi trường đó khác nhau, trên mặt phân cách khí môi vào của hai môi trường, ánh sáng sẽ bị cong lại, đi theo một đường gấp khúc. Loại hiện tượng này của ánh sáng gọi là khúc xạ ánh sáng. Chậu nước của bạn trông thấy biến thành nông đi chính là do khúc xạ của ánh sáng gây nên. 8 SKKN Năm học: 2011-2012 Trung tâm GDTX Thiệu Hóa GV: Nguyễn Thị Hằng Bạn xem kìa, dưới khe suối có con cá nhỏ, tia sáng từ thân cá phản xạ ra, đến mặt phân cách giữa nước và không khí liền đổi hướng truyền theo đường thẳng, nó gấp nghiêng với mặt nước một góc. Cái đập vào mắt chúng ta chính là tia sáng đã gấp khúc đổi hướng. Song con mắt không cảm nhận được, vẫn cứ tưởng rằng tia sáng đó theo đường thẳng chiếu tới, và ngộ nhận ảnh ảo do tia sáng đã bị đổi hướng đó tạo ra con cá thật. Như vậy vị trí của cá trong nước nhìn có vẻ nông hơn. Lí lẽ khiến cho chậu nước trở thành nông hơn cũng như thế đấy. Trò đùa nghịch của tia sáng cũng giống như cách biến hoá của nhà ảo thuật thế thôi. Khi chúng ta nhận biết rõ đủ loại tính khí của tia sáng, thì sẽ không bị nó “lừa gạt” nữa. Người đánh cá có kinh nghiệm khi dùng cái xiên để xỉa cá, người ấy quyết không xỉa thẳng vào con cá, vì rằng đó chẳng qua chỉ là ảo ảnh của cá. Chắc chắn anh ta nhằm vào chỗ hơi xa và sâu hơn một chút dùng sức đâm tới. Như vậy, một con cá giãy giụa tứ tung đã bị xiên chặt. Đó đúng là kinh nghiệm phong phú mà người đánh bắt cá tích luỹ được qua thực tiễn lâu dài của mình. II. PHƯƠNG PHÁP CHUNG ĐỂ GIẢI ĐÁP NHANH NHỮNG CÂU HỎI ĐỊNH TÍNH QUANG HỌC. Những hiện tượng trong tự nhiên xảy ra xung quanh ta rất đa dạng, phong phú, muôn hình muôn vẽ. Tuy nhiên, tất cả mọi hiện tượng đếu có nguyên nhân của nó. Dùng tư tưởng khoa học, phương pháp khoa học và tri thức khoa học chính xác sẽ giúp ta trả lời chính xác bản chất của các hiện tượng này. Những hiện tượng Quang học cũng vậy, chúng đều có nguyên nhân cả. Để trả lời đúng, chính xác và nhanh chóng hiện tượng xảy ra, ngoài việc phải nắm vững kiến thức phần Quang học, ta còn phải xác định ‘‘mấu chốt’’ của vấn đề, xem những hiện tượng xảy ra đó thuộc mảng kiến thức nào của phần Quang học: Quang hình học, giao thoa, nhiễu xạ hay hiện tượng phát quang v.v... để giới hạn kiến thức và giải thích chính xác bản chất hiện tượng. 9 SKKN Năm học: 2011-2012 Trung tâm GDTX Thiệu Hóa GV: Nguyễn Thị Hằng III. C¸C HIỆN TƯỢNG QUANG HỌC PHỔ BIẾN TRONG TỰ NHIÊN. 1. BẢNG ĐO THỊ LỰC ĐƯỢC CẤU TẠO NHƯ THẾ NÀO ? ĐO THỊ LỰC THẾ NÀO CHO ĐÚNG ? Thị lực là con số đánh giá khả năng phân ly của mắt. Võng mạc của mắt được cấu tạo bởi hai loại tế bào: tế bào nón và tế bào que. Giữa võng mạc có một vòng tròn đường kính chừng 1mm gọi là điểm vàng, tâm hơi trũng xuống. Trong điểm vàng chỉ có toàn tế bào hình nón, nên điểm vàng là điểm nhạy sáng nhất của võng mạc. Mỗi tế bào nón được nối với đầu một dây thần kinh thị giác. Khi nhìn một vật bao giờ ta cũng hướng trục nhìn của mắt vào vật, để ảnh của vật vào đúng điểm vàng. Nếu ảnh của hai điểm khác nhau A và B rơi vào hai tế bào nón khác nhau trên điểm vàng, thì hai dây thần kinh ghi được hai cảm giác khác nhau, và mắt nhận biết được rằng đấy là hai điểm khác nhau. Nhưng nếu vì vật ở xa, hoặc vì A và B quá gần nhau đến mức ảnh của hai điểm rơi vào cùng một tế bào nhạy sáng của võng mạc thì mắt chỉ ghi được một cảm giác độc nhất, tức là mắt sẽ thấy hai điểm đó trùng nhau. Vậy, muốn phân biệt hai điểm A và B thì góc trông đoạn AB phải lớn hơn hay ít nhất là bằng một trị số giới hạn , gọi là năng suất phân ly của mắt. Đối với người bình thường trong phòng sáng vừa phải,  có trị số chừng 1 phút, tức là chừng 3/10000rad. Mắt có  đúng bằng 1 phút, thì có thị lực 10, thị lực 9 ứng với  = 2’, thị lực 8 ứng với  = 3’v.v.. Bảng đo thị lực gồm hơn một chục hàng chữ. Chữ ở hàng số 10 thì nét rộng 2mm, để khi đứng bảng 5m ta nhìn các chữ số của hàng ấy dưới góc 1’. Chữ hàng số 9 thì lớn gấp đôi, ở hàng số 8 thì lớn gấp 3 ... hàng số 10. Hàng chữ trên cùng, số 1, có nét rộng 22m, hàng số 11, 12 nhỏ hơn hàng số 10. Muốn đo thị lực phải đứng cách bảng 5m và bảng phải có độ rọi tiêu chuẩn 50lux, và thử đọc chữ ở các hàng, bắt đầu từ hàng số 1, bằng từng mắt 10 SKKN Năm học: 2011-2012 Trung tâm GDTX Thiệu Hóa GV: Nguyễn Thị Hằng một. Nếu đọc được đến hàng số 9, nhưng không đọc được hàng số 10, thì ghi thị lực của mắt là 9. Để phép đo được đúng, ngoài việc đảm bảo cho bảng có độ rọi chuẩn, nên đứng một lát cho quen mắt rồi thử và thử đi thử lại một vài lần. 2. NHÌN BẰNG HAI MẮT CÓ LỢI GÌ HƠN NHÌN MỘT MẮT? Người ta có hai con mắt không phải do tạo hoá muốn người ta trông nhìn nhiều hơn ăn, nói. Tác dụng của sự nhìn bằng hai mắt, là cho ta cảm giác về độ sâu, về hình nổi. Hai mắt cách nhau một khoảng 5-6cm. Khi nhìn một vật bằng cả hai mắt, hai ảnh phối cảnh của vật trên võng mạc của hai mắt hơi khác nhau một chút. Khi thần kinh thị giác của hai mắt “chập” hai cảm giác thu được với mỗi mắt, thành cảm giác chung về hình ảnh của vật, thì hai cảm giác không “chập” hoàn toàn, và do đó cho ta cảm giác về độ sâu về hình nổi. 3. TẠI SAO XẢY RA HIỆN TƯỢNG ẢO ẢNH ? Chắc là mọi người đều biết nguyên nhân vật lý của hiện tượng ảo ảnh thông thường. Lớp không khí nông ở kề sát mặt cát bị hun nóng trên sa mạc có những tính chất của gương phẳng, đó là do lớp không khí này có mật độ nhỏ hơn lớp không khí nằm trên. Tia sáng từ một vật ở xa rọi nghiêng, khi tới lớp không khí này sẽ uống cong đường đi, rồi lại rời khỏi mặt đất và đạp vào mắt người quan sát, tựa hồ như được phản xạ từ gương dưới một góc tới rất lớn. Và đối với người quan sát, dường như trước mặt mình có một mặt nước phẳng lặng trải ra trong sa mạc (hình vẽ). Chú thích: Trên hình vẽ đường đi của tia sáng nghiêng so với mặt đất được phóng đại, vì đường của tia sáng chếch xuống mặt đất không dốc đến thế. 11 SKKN Năm học: 2011-2012 Trung tâm GDTX Thiệu Hóa GV: Nguyễn Thị Hằng Tuy vậy, đúng hơn phải nói rằng, lớp không khí bị hun nóng ở gần mặt đất nóng phản xạ các tia sáng không giống như các gương phẳng, mà giống như một mặt nước, được khảo sát từ độ sâu của nước. Ở đây đã xảy xa hiện tượng phản xạ toàn phần. Các hiện tượng tương tự đặt biệt xảy ra vào mùa hè trên các đường nhựa. Các đường này có màu thẫm, nên bị hun nóng dưới ánh nắng Mặt Trời. Mặt đường mờ đục từ xa trông tựa như một mặt nước đánh bóng và phản chiếu các vật ở xa. Chỉ cần quan sát một chút, bạn có thể thấy các hiện tượng tương tự không đến nỗi hiếm xảy ra như bạn vẫn thường nghĩ đâu. 4. CÓ PHẢI MUỐN NHÌN THẤY NHỮNG CON VI TRÙNG CỰC NHỎ CHỈ CẦN CHẾ TẠO NHỮNG KÍNH HIỂN VI PHÓNG ĐẠI NHIỀU LẦN LÀ ĐƯỢC ? Khi mới sản suất được kính hiển vi, người ta cũng đã nghĩ rằng, cứ tăng độ phóng đại lên càng nhiều lần, thì vật nhỏ đến mấy, cuối cùng cũng bị “ lôi ra ngoài ánh sáng”. Chẳng hạn, cho kính phóng đại lên mười vạn lần, thì sẽ trông thấy con vi trùng dài một phần vạn milimet to thành 1cm. Thực sự thì, do ánh sáng có tính chất sóng, nên dự định trên không thực hiện được. Hãy quan sát mặt nước hồ, khi có những gợn sóng nhấp nhô: ngọn sóng nọ cách ngọn sóng tiếp theo một khoảng không thay đổi chừng vài chục centimet. Khi sóng gặp cái thuyền, thì nó bị thuyền cản không cho truyền đi tiếp. Nhưng cái sào cắm dưới nước lại không gây ảnh hưởng gì: sóng nước lướt qua cái sào, mà không hề bị suy yếu chút nào. Ta gọi khoảng cách giữa hai ngọn sóng liên tiếp là bước sóng. Kích thước cái thuyền lớn hơn bước sóng, nên 12 SKKN Năm học: 2011-2012 Trung tâm GDTX Thiệu Hóa GV: Nguyễn Thị Hằng thuyền chắn được sóng, và sau thuyền không có sóng truyền tới. Còn kích thước cái sào nhỏ hơn bước sóng, nên sào không cản được sóng. Ánh sáng mà mắt ta nhìn thấy cũng là một loại sóng, nhưng bước sóng rất nhỏ, từ 0,4 đến 0,8 phần nghìn milimet. Khi cho một chùm ánh sáng chiếu qua tiêu bản đặt trên kính hiển vi, thì chỉ chi tiết nào trên tiêu bản lớn hơn hay bằng bước sóng ánh sáng, mới cản được ánh sáng và sinh ra một bóng tối. Khi nhìn trong kính hiển vi, ta trông thấy bóng tối ấy và nhận ra hình dáng của chi tiết. Nhưng nếu chi tiết ấy nhỏ hơn một nữa bước sóng, thì nó không cản được ánh sáng, không sinh ra được bóng tối, và ta sẽ không nhìn thấy nó, dù kính phóng đại bao nhiêu lần. Vì vậy kính hiển vi, nhìn bằng mắt, chỉ giúp ta trông thấy những vi trùng lớn hơn 0,2 phần nghìn milimet mà thôi. Những sinh vật có kích thước nhỏ hơn không trông thấy được trên kính hiển vi thường được gọi là siêu vi trùng. Với kính hiển vi điện tử, người ta đã chụp được nhiều siêu vi trùng. 5.CHỤP ẢNH NGOÀI TRỜI NẮNG, NHỮNG NGƯỜI CHƠI ẢNH GIÀU KINH NGHIỆM THƯỜNG LẮP THÊM KÍNH LỌC MÀU VÀNG HOẶC MÀU ĐỎ NHẰM MỤC ĐÍCH GÌ ? Phim ảnh dù đã được nhạy hoá, vẫn có độ nhạy lớn đối với ánh sáng màu tím, màu lam, và nhỏ đối với màu vàng, màu đỏ.Vì thế nên độ tương phản của các phần trên phim không hoàn toàn phù hợp với độ tương phản trên vật, đặt biệt là khi chụp ngoài nắng. Chẳng hạn, một lá cờ đỏ đang tung bay với mắt thì nổi hẳn trên nền trời xanh, nhưng khi chụp trên phim rồi in trên ảnh, ta thấy lá cờ bị tối, và nền trời sáng hơn nhiều. Để loại trừ ảnh hưởng này, người ta làm yếu bớt các tia sáng màu lam, màu tím, bằng cách bắt chùm sáng đi qua một kính lọc, trước khi rọi vào máy. Kính lọc màu vàng nhạt để các tia đỏ, vàng và da cam qua được gần hoàn toàn, và hấp thụ một phần các tia lam và tím, nên làm cho ảnh chụp giống như thật. Kính lọc màu vàng sẫm vẫn cho các tia đỏ và vàng qua gần hết, nhưng hấp 13 SKKN Năm học: 2011-2012 Trung tâm GDTX Thiệu Hóa GV: Nguyễn Thị Hằng thụ các tia lam và tím mạnh hơn, làm cho ảnh tương phản hơn vật, chẳng hạn làm cho nền trời tối bớt, và các đám mây hiện rõ hơn. Kính lọc màu da cam, và nhất là kính màu đỏ hấp thụ hết ánh sáng màu lam, màu tím, nên cho những ảnh thật tương phản, khác hẳn thật, chẳng hạn, vật màu đỏ hiện rất sáng, vật màu lam, tím trở thành tối, trời mây bình thường mà hiện trên ảnh như sắp có giông. Người sử thành thạo kính lọc có thể gây được nhiều hiệu quả đặc sắc. Khi chụp ảnh với kính lọc màu, phải chú ý lấy tăng ánh sáng một cách thích hợp. 6. VÌ SAO DƯỚI ÁNH SÁNG BAN NGÀY, NHÌN BONG BÓNG XÀ PHÒNG HAY VẾT DẦU LOANG TRÊN VŨNG NƯỚC, TA THẤY CÓ NHIỀU MÀU SẶC SỠ ? Những vân màu sặc sỡ trên bong bóng xà phòng hoặc trên vết dầu loang trên mặt nước là kết quả của sự giao thoa ánh sáng. Màng bong bóng xà phòng là một lớp nước mỏng-cỡ phần nghìn milimettrong suốt, vết dầu loang cũng là một màng như vậy. Hai mặt của màng cùng phản xạ ánh sáng như hai mặt của tấm cửa. Ta xét một điểm I trên màng mỏng M mà độ dày được vẽ to gấp nghìn lần độ dày thật. Tia sáng SIR1 phát đi từ một điểm S của nguồn, phản xạ ở mặt trên của màng và rọi vào mắt. Trong số rất nhiều tia sáng phát đi từ S, có một tia SKR2 phản xạ ở mặt dưới của màng và cũng rọi vào mắt. Vì màng rất mỏng, nên đối với mắt, hai tia IR1 và KR2 như là được phát đi từ cùng một điểm I. Khi hai tia này được thuỷ tinh thể của mắt hội tụ lên võng mạc, chúng gặp nhau và giao thoa với nhau. Hai tia sáng đi từ điểm I, mà gặp nhau trên võng mạc của mắt, thì mắt nhìn rõ điểm I: ta nói là mắt điều tiết để nhìn vào mặt bản. Hai tia sáng giao thoa với nhau, có thể hoặc tăng cường lẫn nhau, hoặc triệt tiêu nhau, tuỳ theo độ dày của màng và tuỳ theo bước sóng ánh sáng. Chùm ánh sáng rọi vào màng là ánh sáng trắng, có đủ các màu, ứng với nhiều bước sóng khác nhau, nên cùng một lúc, ở cùng một điểm I, sóng ánh sáng màu này bị triệt tiêu, sóng ánh sáng 14 SKKN Năm học: 2011-2012 Trung tâm GDTX Thiệu Hóa GV: Nguyễn Thị Hằng màu khác lại được tăng cường, và ánh sáng phản xạ thành có màu sắc, và màu sắc đó thay đổi theo chổ dày, chỗ mỏng trên màng. Chú thích: Tia SIR1 phản xạ ở mặt trên, tia SKR 2 phản xạ ở mặt dưới của màng gặp nhau ở điểm I’ trên võng mạc và giao thoa với nhau Chùm sáng rọi vào điểm I rất rộng, nhưng con ngươi của mắt lại nhỏ, nên chùm tia lọt vào mắt vẫn chỉ là một chùm hẹp, nên có thể quan sát được vân giao thoa, mà không cần dùng khe hẹp, như trong thí nghiệm Y-âng. 7. VÌ SAO SOI MÌNH XUỐNG GIẾNG NƯỚC LẠI THẤY BÓNG MÌNH RÕ HƠN KHI SOI MÌNH XUỐNG CHẬU NƯỚC ? Khi soi mình xuống chậu nước thì ngoài ánh sáng phản xạ cho ảnh mình, mắt còn nhận được ánh sáng tán xạ từ bên ngoài nhất là từ đáy chậu. Ánh sáng này lại mạnh hơn ánh sáng phản xạ, nên lấn át ánh sáng phản xạ. Trường hợp giếng nước lại khác. Do mặt nước ở dưới sâu, thành giếng che hầu hết ánh sáng tán xạ từ bên ngoài. Nước lại sâu, hầu như không có ánh sáng tán xạ từ đáy giếng lên (nước càng sâu càng hấp thụ nhiều ánh sáng truyền qua). Vì vậy khi soi xuống giếng nước mắt không bị loá vì ánh sáng tán xạ từ ngoài, chỉ còn nhận được áng sáng phản xạ, nên nhìn thấy bóng mình rõ hơn. 8. VÌ SAO THỦY TINH MÀU KHI VỠ VỤN THÀNH HẠT NHỎ THÌ NHỮNG HẠT NHỎ NÀY CÓ MÀU TRẮNG ? 15 SKKN Năm học: 2011-2012 Trung tâm GDTX Thiệu Hóa GV: Nguyễn Thị Hằng Thuỷ tinh màu là thuỷ tinh pha thêm hoá chất hấp thụ một số màu và chỉ cho một số ánh sáng đơn sắc đi qua. Chẳng hạn thuỷ tinh màu đỏ hấp thụ các tia lục, lam, tím và hầu như chỉ cho tia đỏ truyền qua. Nhìn ánh sáng truyền qua thuỷ tinh ta sẽ thấy màu của nó. Nhưng nếu nhìn ánh sáng phản xạ và tán xạ trên mặt thuỷ tinh thì rất khó phân biệt được thủy tinh màu gì. Sự hấp thụ những tia đơn sắc của thuỷ tinh màu còn phụ thuộc vào khoảng cách truyền qua môi trường tức là vào bề dày của thuỷ tinh. Nếu thuỷ tinh càng dày, ánh sáng càng bị hấp thụ nhiều, thì màu thủy tinh càng sẫm. Khi thủy tinh màu bị vỡ vụn thành hạt nhỏ, ánh sáng truyền qua một số hạt nhưng không bị hấp thụ bao nhiêu, sau đó phản xạ và tán xạ từ các hạt khác và mắt ta nhìn thuỷ tinh vỡ vụn do ánh sáng phản xạ và tán xạ ấy. Đó là lý do tại sao dưới ánh sáng trắng ta thấy thủy tinh dù có màu gì, khi vỡ vụn vẫn trở thành màu trắng. Đối với các chất lỏng có màu, hiện tượng xảy ra cũng tương tự. Nếu ta làm chất lỏng đó thành bọt thì bọt gì cũng có màu trắng chẳng hạn bia màu vàng, bọt bia lại có màu trắng. 9.VÌ SAO MẶT TRỜI, MẶT TRĂNG LÚC MỌC VÀ LẶN CÓ MÀU ĐỎ Ánh sáng từ Mặt Trời, Mặt Trăng tới chúng ta phải đi qua khí quyển Trái Đất. Gặp các phân tử không khí, và nhất là các bụi bậm lơ lửng trong không khí, ánh sáng đó bị tán xạ, và phần ánh sáng tán xạ đó không tới mắt chúng ta. Ta đã biết, các thành phần màu (đỏ, vàng, lục, lam, tím) trong ánh sáng trắng bị tán xạ không đều: ánh sáng đỏ ít nhất, xong đến ánh sáng vàng; ánh sáng lam và tím bị tán xạ nhiều hơn cả. Do đó, sau khi qua khí quyển, tới mắt ta, thì ánh sáng lam và tím bị mất do tán xạ nhiều hơn ánh sáng đỏ, vàng và trong ánh sáng nhận được, các thành phần đỏ, vàng thành trội hơn, so với ánh sáng tới. 16 SKKN Năm học: 2011-2012 Trung tâm GDTX Thiệu Hóa GV: Nguyễn Thị Hằng Lúc giữa trưa (hay nữa đêm) Mặt Trời (hay Mặt Trăng)-chiếu sáng vuông góc với mặt đất, các tia sáng đi qua một lớp không khí tương đối mỏng, nên phần ánh sáng mất do tán xạ là nhỏ, và ánh sáng vẫn có đủ các thành phần của ánh sáng trắng: ta thấy Mặt Trời, Mặt Trăng vẫn có màu trắng. Nhưng lúc Mặt Trời mới mọc hoặc sắp lặn các tia sáng đi là mặt đất nên phải qua một lớp không khí dày gấp hàng chục lần, lớp không khí ở gần mặt đất này lại đầy bụi nên tán xạ ánh sáng rất mạnh. Trong ánh sáng tới mắt ta các thành phần lam, tím bị yếu đi rất nhiều, các thành phần đỏ và vàng trở thành trội, và làm cho ánh sáng ngả sang màu vàng, màu đỏ. Vì vậy ta thấy, khi Mặt trời ở sát chân trời, thì có màu đỏ, lên cao một chút thì chuyển sang màu hồng, rồi màu vàng, vì lớp không khí mà ánh sáng đi qua càng mỏng dần và cuối cùng có màu trắng. Màu sắc vàng, hồng của các đám mây chiều cũng xuất hiện do nguyên nhân này. Ánh sáng Măt Trời khi tới đám mây đã phải qua một lớp không khí dày nhiều bụi, rồi từ đám mây tới mắt ta lại qua lớp không khí ấy lần nữa, nên càng bị tán xạ nhiều hơn. Vì vậy mây có thể có màu vàng, ngay cả khi Mặt Trời còn khá cao. 10. TẠI SAO CẦU VỒNG CÓ BẢY MÀU CẦU VỒNG ? Bí mật của bảy màu cầu vồng đã được Niutơn, nhà bác học vĩ đại khám phá bằng thí nghiệm sau đây: Ông dùng một cái lăng kính, tức là một khối thuỷ tinh trong suốt, đã mài thành hình một lăng trụ tam giác. Trong buồng đóng kín cửa, ông cho một chùm ánh sáng trắng Mặt Trời qua một lỗ tròn nhỏ F (đục ở cánh cửa) rọi xiên vào một mặt của tấm kính và ló ra khỏi mặt thứ hai (hình vẽ). 17 SKKN Năm học: 2011-2012 Trung tâm GDTX Thiệu Hóa GV: Nguyễn Thị Hằng Chú thích: Thí nghiệm về tán sắc ánh sáng Đặt một tờ giấy trắng T để hứng chùm tia ló, ông thấy một vệt sáng dài, có các màu sắc sắp xếp theo thứ tự sau đây: Đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm, tím đúng như bảy màu của cầu vồng. Niutơn gọi dãy sáng có màu sắc ấy là quang phổ Mặt Trời, và đã giải thích đúng đắn sự xuất hiện của nó. Theo ông, ánh sáng Mặt Trời, ánh sáng đèn điện, có màu trắng, lại do nhiều chùm ánh sáng có dạng khác nhau, hỗn hợp với nhau sinh ra. Chùm ánh sáng chỉ có một màu chẳng hạn như chùm ánh sáng đỏ gọi là ánh sáng đơn sắc. Mọi chùm ánh sáng đơn sắc đi từ không khí vào thuỷ tinh đều bị khúc xạ và lệch về gần pháp tuyến. Nhưng các tia đơn sắc có màu khác nhau bị khúc xạ khác nhau: tia đỏ lệch ít nhất, rồi đến tia da cam, tia vàng v.v... Cho một chùm ánh sáng trắng qua lăng kính, thì khi qua mặt thứ nhất của lăng kính, các chùm tia màu sắc khác nhau bị khúc xạ khác nhau, nên không trùng nhau nữa, mà tách rời nhau; lúc tới mặt thứ hai, các tia đơn sắc đi từ thuỷ tinh ra không khí lại rời xa nhau thêm. Thành thử khi rọi vào tờ giấy, mỗi chùm tia đơn sắc tạo nên một vệt sáng có màu nhất định, và các vẹt sáng này sắp xếp liền nhau tạo thành quang phổ. Hiện tượng này gọi là sự tán sắc ánh sáng, bao giờ cũng xuất hiện khi ánh sáng đi từ một môi trường sang môi trường khác, chẳng hạn từ không khí sang thuỷ tinh, hoặc từ không khí vào nước. Lăng kính nhờ có hai mặt khúc xạ nên làm cho các tia đơn sắc rời xa nhau nhiều thêm, khiến ta dễ thấy hơn, chứ thật ra, ngay khi ở trong thuỷ tinh, ánh sáng đã bị phân tích thành quang phổ rồi. Bảy màu của cầu vồng chính là do ánh sáng Mặt Trời bị tán sắc khi truyền trong các hạt mưa nhỏ sinh ra. Vì vậy cầu vồng thường xuất hiện trước hoặc sau 18 SKKN Năm học: 2011-2012 Trung tâm GDTX Thiệu Hóa GV: Nguyễn Thị Hằng các trận mưa rào nhẹ mùa hè, lúc mà trong không khí có một số lượng hạt mưa đủ để khúc xạ được nhiều ánh sáng, nhưng không quá nhiều để vẫn còn ánh nắng. Ta có thể dung bơm nước cứu hoả có thể tạo được cầu vồng nhân tạo một cách dễ dàng. Buổi sáng, hoặc buổi chiều nắng, đứng quay lưng về Mặt Trời, dùng cái bơm phun những hạt nước nhỏ lên trời, và hướng mắt về phía các hạt nước ấy, ta sẽ thấy một cầu vồng thực sự. IV. Hiệu quả đạt được Sau khi thực hiện xong chuyên đề trên học sinh đã nâng cao được khả năng tư duy khi vận dụng định luật quang học để giải thích định tính các hiện tượng quang học Kết quả thu được ở khối lớp 12 như sau: Lớp A1 A2 A3 Giỏi 10% 15% 20% Khá 62% 45% 60% Trung bình 28% 32% 20% Yếu 0% 8% 0% 19 SKKN Năm học: 2011-2012 Trung tâm GDTX Thiệu Hóa GV: Nguyễn Thị Hằng PHẦN III: KẾT LUẬN Trong điều kiện lịch sử mới, nếu lạc hậu, thiếu những tri thức văn hoá khoa học tối thiểu, thì có thể bị bưng bít bởi các thứ khoa học giả dối, ngụy tạo, rơi vào con đường mê tín, mù quáng. Một số hiện tượng Quang học trong đề tài đã được khoa học giải thích chính xác, giúp ta có thể hiểu đúng bản chất các hiện tượng xảy ra trong tự nhiên và ứng dụng để giải thích các hiện tượng Quang học tương tự. Với những kiến thức vốn có và tiếp thu được trong quá trình giảng dạy tôi đã cố gắng trình bày tương đối hoàn chỉnh cơ sở lý thuyết đề tài. Do còn thiếu kinh nghiệm và khả năng có hạn, nên chắc chắn đề tài không tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót. Rất mong sự đóng góp ý kiến của quý thầy, cô giáo. Và hy vọng rằng, đề tài này sẽ là tài liệu giúp các em học sinh yêu thích môn Vật lý nói chung và phần Quang học nói riêng./. Thiệu Hóa, ngày 25 tháng 04 năm 2012 Người thực hiện Nguyễn Thi Hằng 20 SKKN Năm học: 2011-2012