Tài liệu Skkn thí nghiệm biểu diễn phần quang hình học lớp 11

BẢN MÔ TẢ GIẢI PHÁP Mã số: … … … … 1. Tên giải pháp: THÍ NGHIỆM BIỂU DIỄN – PHẦN QUANG HÌNH HỌC LỚP 11. 2. Lĩnh vực áp dụng giải pháp: Giáo dục và đào tạo 3. Giải pháp kỹ thuật: 3.1 Giải pháp kỹ thuật đã biết Vật lí học là môn khoa học thực nghiệm, đưa thí nghiệm vào bài dạy giúp học sinh tiếp cận với con đường nghiên cứu, tìm tòi và khắc sâu kiến thức. Bởi thông qua thí nghiệm, học sinh sẽ được rèn luyện kĩ năng, kĩ xảo, giáo dục tổng hợp, hình thành tư duy sáng tạo và tinh thần làm việc tập thể…Trong chương trình vật lí lớp 11 cũng như vật lí lớp 12 các thí nghiệm về hiện tượng khúc xạ ánh sáng, phản xạ toàn phần, sự truyền ánh sáng qua thấu kính…Hiện nay, ở các trường trung học phổ thông tỉnh Bến Tre, đa số còn thiếu trang thiết bị thí nghiệm – thực hành phục vụ cho công tác giảng dạy. Nếu dạy học theo phương pháp truyền thống, phân tích bài học theo sách giáo khoa, không tạo được hứng thú cho các em khi học, phần nào đã làm hạn chế quá trình tiếp thu kiến thức của học sinh. Mặc khác, do nguồn kinh phí đầu tư trang thiết bị đồ dùng dạy học ở các trường còn hạn hẹp không thể trang bị đầy đủ và kịp thời. Chính vì những lý do trên, với mong muốn tạo ra bộ thí nghiệm biểu diễn hiệu quả, chi phí thấp nhằm góp phần vào việc đổi mới phương pháp giáo dục, nâng cao chất lượng và hiệu quả dạy học môn Vật lí ở trường phổ thông, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu chế tạo thành công bộ: “Thí nghiệm biểu diễn – PHẦN QUANG HÌNH HỌC LỚP 11”. a. Bộ thí nghiệm quang quang hình biểu diễn, giá 1.150.000đồng. Hình 1. Bộ thí nghiệm quan biểu diễn Với bộ quang hình biểu diễn, có thể tiến hành thí nghiệm về hiện tượng khúc xạ, hiện tượng phản xạ toàn phần, đường truyền tia sáng qua thấu kính (thấu kính hội tụ và thấu kính phân kì) - qua lăng kính (tam giác đều và tam giác vuông) – bản mặt song song. 1 Điểm hạn chế: Học sinh ở cuối lớp học các em không quan sát rõ sự thay đổi góc tới và góc khúc xạ. Với một bộ thí nghiệm không thể cho các em hoạt động nhóm. Trong thí nghiệm qua lăng kính chưa chứng minh được hiện tượng tán sắc của ánh sáng trắng. Chưa giải thích được đường truyền tia sáng khi qua thấu kính. Trong hướng dẫn thí nghiệm chưa đưa ra cách tính góc lệch cực tiểu của lăng kính. b. Bộ thí nghiệm xác định bước sóng ánh sáng, giá: 1.520.000 đồng Hình 2. Bộ thó nghiệm đo bước sóng ánh sáng Đo được bước sóng của ảnh sáng đơn sắc thông qua thí nghiệm Young giao thoa. Điểm hạn chế: Chi phí một bộ thí nghiệm cao, nếu trường hợp cho các em hoạt động nhóm thì phải cần tới 4 bộ thí nghiệm với kinh phí 6.080.000 (mỗi nhóm có ít nhất 8 học sinh). Ảnh của hệ vân cho trên màn rất nhỏ, rất khó quan sát. c. Bộ thí nghiệm quang phổ, giá: 990.000 đồng. Khi chiếu nguồn sáng trắng qua lăng kính sẽ cho hệ tán sắc gồm dãy màu trãi dài từ đỏ đến tím. Điểm hạn chế: Tiến hành thí nghiệm trong điều kiện môi trường có ánh sáng yếu, hoặc trong phòng ít ánh sáng. Hình 3. Bộ thí nghiệm quang phổ d. Kính thiên văn phản xạ 150F1400EQ-3, giá sản phẩm: 5.200.000 đồng. 2 Hình 4. Kính thiên văn 150F1400EQ-3. Đối với kính thiên văn này, đế rất chắc chắn được làm bằng kim loại nhôm. Quan sát ảnh rõ nét. Điểm hạn chế: Mỗi lần xem chỉ có một người, nếu muốn cho nhiều người xem phải trang bị thêm camera, làm cho chi phí thiết bị tăng. Trường hợp nếu nhà trường trang bị 4 loại bộ thí nghiệm trên (mỗi loại 01 bộ): Về kinh phí đã lên tới gần 9.000.000 đồng. Về khả năng trực quang còn hạn chế. Về nội dung còn nhiều tính chất vật lí chưa được làm rõ. 3.2 giải pháp sáng kiến: thiết kế và tạo bộ thí nghiệm 3.2.1. Thí nghiệm định tính và định lượng hiện tượng khúc xạ và phản xạ toàn phần ánh sáng: Hình 5. Bố trí thí nghiệm hiện tượng phản xạ toàn phần. 3 Bước 1: Kết nối camera với máy tính bằng chương trình ViewPlayCap. Bước 2: Điều chỉnh giá đỡ camera trượt trên thanh cố định sau cho ảnh thu được rõ nét trên màng hình máy chiếu. Hình 6. Điều chỉnh camera cho ảnh rỏ nét trên màng chiếu. Bước 3: Đặt tâm của khối trụ trùng với tâm của đĩa tròn chia độ, từ đó chúng ta có thể xác định chính xác góc tới trong thí nghiệm. Bước 4: Mở đèn tia laze và điều chỉnh tia sao cho tia tới xuất phát ở 0 0 và tia ló cũng trùng với vị trí 00 thứ hai trên đĩa tròn. Hình 7. Cách đặt khối bán trụ. Bước 5: Thay đổi góc tới và xác định góc khúc xạ. Kết quả thí nghiệm: 4 Hình 8. Ảnh nhận được từ máy tính. Tính mới – sáng tạo: sử dụng camera kết nối máy tính trình chiếu, giúp cho nhiều học sinh quan sát cùng lúc. Chỉ cần 01 bộ thí nghiệm có thể tiến hành thí nghiệm về hiện tượng khúc xạ, hiện tượng phản xạ toàn phần, đường truyền tia sáng qua thấu kính (thấu kính hội tụ và thấu kính phân kì) - qua lăng kính (tam giác đều và tam giác vuông) – bản mặt song song. Giải thích được đường truyền tia sáng khi qua thấu kính. Tính góc lệch cực tiểu của lăng kính. 3.2.2. Thí nghiệm biểu diễn hiện tượng phản xạ toàn phần giữa hai môi trường trong suốt khác nhau, ánh sáng truyền từ nước ra không khí Hình 9. Học sinh biểu diễn hiện tượng phản xạ toàn phần. 5 Hình 1. Đường truyền tia sáng trong môi trường nước. - Bước 1. Cho nước vào hộp kính, mực nước từ ½ hộp kính trở lên, nhằm giúp học sinh dễ quan sát hiện tượng. - Bước 2. Sử dụng nguồn laze 303 màu xanh chiếu vào trong hộp kính, với góc tới lớn hơn hoặc bằng góc tới giới hạn của hai môi trường (xét mặt phân cách giữa hai môi trường nước và không khí, ánh sáng truyền từ nước ra không khí) sẽ xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần. 3.2.3. Thí nghiệm biển diễn đường truyền tia sáng qua lăng kính Hình 11. Bố trí thí nghiệm về hiện tượng tán sắc ánh sáng trắng. 6 - Khi chiếu ánh sáng bằng đèn chiếu sáng 5W vào lăng kính, điều chỉnh lăng kính sau cho ảnh rõ nét trên màn. Quan sát trên màn ta thấy được bảy màu của cầu vòng. Đây chính là hiện tượng tán sắc của ánh trắng khi qua lăng kính. - Chùm sáng 7 màu sau khi qua lăng kính chiếu vào thấu kính hội tụ, tiến hành dịch chuyển màn lại gần thấu kính đến một vị trí nào đó ảnh chùm sáng trên màn cũng là chùm sáng trắng - Thay thế đèn chiếu sáng 5W bằng đèn laser 303 chứng minh một tính chất vật lí: ánh sáng đơn sắc là ánh sáng có một màu nhất định và không bị tán sắc khi truyền qua lăng kính. Hình 12. Ánh sáng đơn sắc qua lăng kính không bị tán sắc. Hình 13. Đo góc chiết quang (A) và bố trí thí nghiệm xác định góc lệch cực tiểu Theo lý thuyết về góc lệch cực tiểu: i1 = i2 và đường truyền tia sáng trong lăng kính song song với mặt đáy. - Khi chiếu tia sáng tới với góc tới i1 = 500 như thí nghiệm trên, sẽ thu được tia ló có góc tới i2 = 500. Sử dụng lăng trụ đều, nên góc A = 600. Áp dụng công thức góc lệch cực tiểu tính góc lệch và chiết suất của lăng kính 7 r A 300 ; n  2 sin Dmin  A sin 400 2  1, 28; Dmin 2i  A 2.500  600 400 0 A sin 30 sin 2 Lưu ý: Bố trí thí nghiệm nên đặt lăng kính trên tờ giấy có kẻ ô, sau cho đáy lăng kính trùng với đường kẻ ngang. Khi chiếu góc tới i1 vào mặt bên của lăng kính, ta quan sát đường truyền tia sáng trong lăng kính song song các vạch ngằm ngang của ô tập khi đó góc tới i1 = i2. 3.2.4. Thí nghiệm biểu diễn đường truyền tia sáng qua thấu kính hội tụ và thấu kính phân kì. - Đặt từng thấu kính phân kì và hội tụ lên bộ thí nghiệm hiện tượng phản xạ toàn phần, tiến hành là thí nghiệm đường truyền của tia sáng. - Điều chỉnh 3 nguồn laser đỏ để tạo thành chùm tia song song. Chiếu 3 tia này đi là là trên màn, vào thấu kính, sao cho tia ở giữa trùng với trục chính của thấu kính. Quan sát 3 tia sau khi qua thấu kính. - Ba tia song song sau khi qua thấu kính, nếu đồng quy tại một điểm thì thấu kính đó là thấu kính hội tụ. Nếu ba tia qua thấu kính tỏa rộng ra thì thấu kính đó là thấu kính phân kì. Hình 14. Tia tới và tia ló qua thấu kính hội tụ. 8 Hình 15. Tia tới và tia ló qua thấu kính phân kì. - Thay thấu kính bằng bản mặt song song, quan sát hiện tượng đường truyền tia sáng qua bản mặt song song. Sử dụng nguồn laser 303 màu xanh để chiếu vào bản mặt song song. Hình 16. Đường truyền ánh sáng qua bản mặt song song. 3.2.5. Giải thích hiện tượng chùm sáng hội tụ và chùm sáng phân kì khi qua thấu kính hội tụ và thấu kính phân kì dựa trên cơ sở đường truyền tia sáng qua lăng kính - Khi chiếu ánh sáng qua lăng kính 1 thí tia sáng sẽ lệch về phí đáy của lăng kính 1. - Khi chiếu ánh sáng qua lăng kính 2 thí tia sáng sẽ lệch về phí đáy của lăng kính 2. Trường hợp ghép hai đỉnh của lăng kính lại với nhau thì tia sáng truyền qua hai lăng kính sẽ là chùm tia phân kì, giải thích hiện tượng tia tới là chùm song song thì tia ló qua thấu kính phân kì sẽ là chùm tia phân kì. 9 Hình 17. Hai lăng kính ghép nhau có dạng như là thấu kính phân kì. Hình 18. Đường truyền tia sáng qua thấu kính phân kì. Tương tự đối với thấu kính hội tụ: Hình 19. Đường truyền tia sáng qua thấu kính hội tụ. - Khi chiếu ánh sáng qua lăng kính 1 thí tia sáng sẽ lệch về phí đáy của lăng kính 1. - Khi chiếu ánh sáng qua lăng kính 2 thí tia sáng sẽ lệch về phí đáy của lăng kính 2. 10 Trường hợp ghép hai đáy của lăng kính sát nhau thì tia sáng truyền qua lăng kính sẽ là chùm tia hội tụ. Giải thích được tại sao chùm tia tới song song truyền qua thấu kính hội tụ thì tia ló là chùm tia hội tụ. 3.2.6. Thí nghiệm Young về giao thoa ánh sáng: Hình 20. Bố trí thí nghiệm Young về giao thoa ánh sáng đơn sắc. Sử dụng đèn laser 303 đặt trên giá đỡ, có thể quay đèn một góc 360 0. Phía trước đèn có gắn khe hẹp để ánh sáng chiếu qua. Khoảng cách giữa khe hẹp và màn đặt một thấu kính phân kì (f= - 70mm) có tác dụng cho ảnh lớn hơn vật. Dịch chuyển thấu kính phân kì tìm vị trí sau cho ảnh rõ nét trên màn. Tiến hành quan sát hiện tượng; trên màn ở giữa có một vạch rất sáng chính là vân sáng trung tâm của hiện tượng giao thoa ánh sáng, kế đó là khoảng không có ánh sáng chính là vân tối. Cứ thế tiếp tục vân sáng xen kẽ vân tối tạo thành hệ vân giao thoa của sóng ánh sáng khi qua hai khe hẹp. 11 Hình 21. Kết quả thí nghiệm Young giao thoa ánh sáng đơn sắc. 3.2.7. Sử dụng kính thiên văn phản xạ quan sát mặt trăng Hình 22. Kính thiên văn phản xạ D150F1400 hoàn chỉnh 12 - Bước 1: chuẩn trực kính thiên văn nhằm làm cho trục chính của gương chéo trùng với trục chính của gương cầu, thông qua ba ốc ở mặt sau của gương cầu. Hình 23. Ba ốc điều chỉnh đồng trục của kính thiên văn Nhìn vào trong bộ chỉnh nét thấy gương chéo nằm đúng tại tâm của còng tròn là được. Hình 24. Gương chéo qua bộ chỉnh nét. - Bước 2: Tìm mục tiêu quan sát. Có hai cách: một là tìm mục tiêu thông qua kính tìm mục tiêu. Hai là tìm mục tiêu thông qua bộ chỉnh nét. Sau khi xác định được mục tiêu, tiến hành khóa cố định hướng ngắm mục tiêu. 13 Hình 25. Khóa cố định hướng ngắm. - Bước 3: Đặt thị kính PL25mm vào bộ chỉnh nét, tiến hành vặn ốc vi cấp tìm vị trí cho ảnh rõ nét rồi quan sát. Hình 26. Vị trí kết nối camera và thị kính - Trường hợp muốn cho nhiều người cùng quan sát, chúng ta có thể gắn camera vào thi kính, sau đó kết nối với máy tính qua cổng USB. Sử dụng chương trình Viewplaycap. Nhấp đúp chuột vào biểu tượng Viewplaycap sẽ nở ra cửa sổ. - Vào Devices chọn USB 2.0 Webcamera. Hoàn tất việc kết nôi, tiến hành quan sát mục tiêu. Những lưu ý khi sử dụng kính thiên văn Trong quá trình quan sát, không được nhìn trực tiếp vào mặt trời, hay các nguồn sáng mạnh dễ làm tổn thương mắt. Muốn quan sát mặt trời mình cần sử dụng kính lọc mặt trời với điều kiện đảm bảo chất lượng. 14 Hình 27. Cửa sổ của chương trình Viewphaycap Ảnh thu được từ kính thiên văn - Những mục tiêu tốt nhất cho kính thiên văn, trích từ kỷ yếu “10 năm thiên văn học Việt Nam“ - Ảnh mặt trăng quan sát được bằng kính thiên văn tự chế D150F1400. So sánh hai vị trí đánh dấu trên hình cho thấy kính thiên văn tự chế cho ảnh không kém so với kính thiên văn hiện đại. Hình 28. Tên các miệng núi lửa trên mặt trăng 15 4. Đánh giá giải pháp Số lượng thí Hạn chế Điểm mới – sáng nghiệm Giá thành sản phẩm tạo Thí - 01 bộ thí nghiệm - Không rèn luyện - Bộ thí nghiệm nghiệm Young quang quang hình đo bước được kỹ năng tiến hiện có ở sóng ánh sáng của hành thí của học biểu diễn: giá nhà trường 1.150.000đồng. công ty sách thiết sinh: thông qua bị trường học TP hoạt Hồ Chí Minh. động theo nhóm. - Thí nghiệm biểu diễn hiện tượng tán sắc ánh sáng, thí nghiệm Young về giao thoa ánh - 01 bộ thí nghiện về hiện tượng tán sắc ánh sáng qua sáng: hạn chế số lượng học - Bộ thí nghiệm xác định bước sóng ánh sáng giá: 1.520.000 đồng sinh quan sát. khe hẹp - Bộ thí nghiệm quang phổ giá: 990.000 đồng. - Kính thiên văn phản xạ 150F1400EQ-3, giá sản phẩm: 5.200.000 đồng. 16 17 Thí 01 bộ thí nghiệm - Chưa chứng nghiệm cải biểu diễn: chứng minh được hiện tiến quang minh được hiện tượng phản xạ học của TS tượng khúc xạ ánh toàn phần khi ánh Nguyễn sáng, phản xạ trên sáng truyền qua Việt Huy gương và cộng sự gương phẳng, mặt cầu lồi, giữa phân cách hai môi - trường gương cầu lõm, trường trong suốt. CĐSP Thái lăng kính phản xạ - Chưa chứng Bình. toàn phần. Nghiên minh được hiện cứu đường đi của tượng Young giao tia sáng qua thấu thoa ánh sáng đơn kính hội tụ, thấu sắc. kính phân kì, lăng - Chưa giải thích kính. được hiện tượng Thí nghiệm biểu tại sao tia sáng diễn được các hiện truyền qua thấu tượng tật của mắt. kính hội tụ là chùm tia hội tụ, truyền qua thấu kính phân kì là chùm tia phân kì. - Chưa thể hiện được ứng dụng của thấu kính vào việc tạo ra kính thiên văn. Bộ nghiệm thí 01 bộ thí nghiệm - Ứng dụng công Chi phí khoảng 3 biểu diễn: chứng nghệ thông tin: sử triệu đồng. biểu diễn minh được hiện trực quang tượng khúc xạ ánh dụng camera kết sáng, phản xạ trên trực tiếp các hiện nối máy tính quay 18 gương phẳng, gương cầu lồi, gương cầu lõm, thí nghiệm nhiều cho học sinh cùng quan sát. lăng kính phản xạ - Chứng toàn phần. Nghiên được hiện tượng cứu đường đi của phản xạ toàn phần tia sáng qua thấu khi kính hội tụ, thấu truyền kính phân kì, lăng phân cách giữa hai kính. môi trường trong ánh suốt qua (từ minh sáng mặt môi trường nước sang môi trường không khí). - Chứng minh được hiện tượng tán sắc ánh sáng trắng qua lăng kính. - Chứng minh được hiện tượng Young giao thoa ánh sáng đơn sắc. - Chứng minh: ánh sáng đơn sắc là ánh sáng có một màu nhất định và không bị tán sắc khi truyền qua lăng kính. - Ứng dụng tính chất của thấu kính, 19 gương cầu vào việc chế tạo ra kính thiên văn phản xạ, góp phần đưa thiên văn học đến gần học sinh hơn. Đồng thời sử dụng camera kết nối với máy tính giúp cho nhiều người có thể quan sát cùng lúc. 4.1. Tính mới, tính sáng tạo - Bộ thí nghiệm biểu diễn áp dụng giảng dạy cho nhiều bài của chương trình vật lí lớp 11 và lớp 12. - Kinh phí chế tạo bộ thí nghiệm thấp, bộ thí nghiệm đã đáp ứng được nhu cầu đổi mới giáo dục, theo hướng phát triển năng lực của học sinh. - Thí nghiệm vật lý góp phần làm đơn giản hoá các hiện tượng và quá trình vật lý: nhờ thí nghiệm vật lí đã góp phần làm nổi bật những khía cạnh cần nghiên cứu của từng hiện tượng và quá trình vật lí, giúp cho học sinh dễ quan sát, dễ theo dõi và dễ tiếp thu bài. - Ngoài ra còn ứng dụng công nghệ thông tin: sử dụng camera kết nối máy tính lấy hình ảnh trình chiếu trực tiếp các hiện tượng giúp cho nhiều người quan sát hiện tượng trong cùng một lúc. 4.2. Khả năng, phạm vi áp dụng Giới hạn của giải pháp thiết kế bộ thí nghiệm biểu diễn, được sử dụng giảng dạy ở nhiều bài của chương trình vật lí lớp 11 và lớp 12 - Hiện tượng khúc xạ ánh sáng. - Hiện tượng phản xạ toàn phần. - Hiện tượng tán sắc ánh sáng trăng khi qua lăng kính. - Biểu diễn hiện tượng ánh sáng đơn sắc truyền qua lăng kính thì tia ló bao giờ cũng lệch về phía đáy lăng kính so với tia tới và không bị tán sắc. 20