Sáng kiến kinh nghiệm Giải thích định tính các hiện tượng Quang học

Nội dung text: Sáng kiến kinh nghiệm Giải thích định tính các hiện tượng Quang học

1. Trường THPT Pleiku - Tổ Vật lý Đề tài “Giải thích định tính các hiện tượng Quang học” PHẦN I: MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI: Vật lý học khơng phải chỉ là các phương trình và con số. Vật lý học là những điều đang xảy ra trong thế giới xung quanh ta. Nĩ nĩi về các màu sắc trong một cầu vịng, về ánh sáng lĩng lánh và tính cứng rắn của viên kim cương. Nĩ cĩ liên quan đến việc đi bộ, đi xe đạp, lái ơ tơ và cả việc điều khiển một con tàu vũ trụ Việc học mơn Vật lý khơng chỉ dừng lại ở sự tìm cách vận dụng các cơng thức Vật lý để giải cho xong các phương trình và đi đến những đáp số, mà cịn phải giải thích được các hiện tượng Vật lý đang xảy ra trong thiên nhiên quanh ta, trong các đối tượng cơng 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 tồn khác nhau và cách thức vận dụng các cơng thức Vật lý cho từng kiểu, loại tốn đĩ, 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 đĩ, tơi mạnh dạn nghiên cứu đề tài “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 hồn thành đề tài này tơi chọn phương pháp nghiên cứu: - Phương pháp nghiên cứu tài liệu: + Đọc các sách giáo khoa phổ thơng, các sách đại học, sách tham khảo phần Quang học. - Phương pháp thống kê: + Chọn các hiện tượng cĩ trong chương trình phổ thơng và gần gũi với đời sống hằng ngày. - 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 12 hiện hành. * CẤU TRÚC PHẦN NỘI DUNG GỒM: I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CƠ BẢN CỦA QUANG HỌC VÀ MỘT VÀI HIỆN TƯỢNG QUANG HỌC THƯỜNG GẶP TRONG ĐỜI SỐNG. II. PHƯƠNG PHÁP CHUNG ĐỂ GIẢI ĐÁP NHANH NHỮNG CÂU HỎI ĐỊNH TÍNH QUANG HỌC. III. 30 HIỆN TƯỢNG QUANG HỌC PHỔ BIẾN TRONG TỰ NHIÊN.   Page 1 of 27 Created by Nguyen Van Hoanh
2. Trường THPT Pleiku - Tổ Vật lý Đề tài “Giải thích định tính các hiện tượng Quang học” PHẦN II: NỘI DUNG Quang học là một mơn học, trong đĩ 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 mơi 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 khơng đổi khi đảo ngược chiều truyền ánh sáng. + Định luật phản xạ ánh sáng N S R - Tia phản xạ nằm trong mặt phẳng tới và ở phía bên kia pháp tuyến so với tia tới. i i’ - Gĩc phản xạ bằng gĩc tới (i’ = i) I + 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 mơi trường trong suốt nhất định thì tỉ số giữa sin của gĩc tới (sin i) với sin của gĩc khúc xạ (sin r) luơn luơn là mọt số khơng đổi. N Số khơng đổi này phụ thuộc vào bản chất của hai mơi trường và được S gọi là chiếc suất tỉ đối của mơi trường chứa tia khúc xạ (mơi trường 2) đối i với mơi trường chứa tia tới (mơi trường 1). I Kí hiệu n 21 r sin i K = n 21 sin r + Hiện tượng phản xạ tồn phần - Khi ánh sáng truyền từ mặt phân cách của mơi trường chiếc quang hơn (n 1) sang mơi trường chiếc quang kém (n2) thì gĩc khúc xạ r lớn hơn gĩc tới i. - Gĩc khúc xạ lớn nhất bằng 90 0; tia khúc xạ nằm là là mặt phân cách hai mơi trường thì gĩc tới tương ứng gọi là gĩc giới hạn i gh - Với các gĩc tới cĩ giá trị lớn hơn i gh, thì khơng cịn xảy ra khúc xạ, tồn bộ áng sáng đều trở lại mơi trường chiếc quang hơn. Khi đĩ cĩ hiện tượng phản xạ tồn 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 cĩ vai trị như vật kính của máy ảnh, cịn võng mạc cĩ vai trị như phim. - Khi nhìn vật đặt ở điểm cực viễn C V, mắt khơng cần điều tiết. Cịn khi nhìn vật đặt ở điểm cực cận CC mắt phải điều tiết tối đa rất chĩng mỏi mắt. Giới hạn nhìn rõ của mắt là khoảng CVCC. Khoảng cách thấy rõ ngắn nhất là Đ = OCC (O là quang Page 2 of 27 Created by Nguyen Van Hoanh
3. Trường THPT Pleiku - Tổ Vật lý Đề tài “Giải thích định tính các hiện tượng Quang học” tâm của mắt). Thường lấy Đ = 25cm. Mắt bình thường cĩ điểm cực viễn ở xa vơ cùng, cịn điểm cực cận cách mắt 10cm đến 20cm. - Mắt cận thị cĩ độ tụ lớn hơn mắt bình thường khơng cĩ 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 cĩ 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. - Gĩc trơng của một vật (hoặc ảnh) AB đặt thẳng gĩc với trục nhìn của mắt O là AB = gĩc AOB với tg = . OA 1 - Năng suất phân li của mắt bình thường: 1’ = rad 3400 + Các dụng cụ quang học: Kính lúp, hiển vi, thiên văn. tg -Độ bội giác G của một số dụng cụ quang học: G = 0 tg 0 Trong đĩ: là gĩc trơng ảnh của một vật qua dụng cụ, 0 là gĩc trơng vật đặt ở điểm cực cận của mắt. + Tính chất sĩng của ánh sáng - Ánh sáng là sĩng điện từ. Ánh sáng đơn sắc nhìn thấy cĩ một bước sĩng  xác định và cĩ một màu nhất định. Một chùm ánh sáng trắng song song, gồm các ánh sáng đơn sắc cĩ bước sĩng từ 0,4 μm (tia tím) đến 0,76 μm (tia đỏ), đến lăng kính khi lĩ 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 đĩ là do chiếc suất của thuỷ tinh (mơi trường) phụ thuộc vào bước sĩng (tần số) ánh sáng. - Hai sĩng 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 - Chùm ánh sáng đơn sắc cĩ bước sĩng  được coi như dịng các phơtơn (lượng tử c ánh sáng), mỗi phơtơn mang năng lượng xác định ε = h f = h (f là tần số ánh sáng,  -34 8 h là hằng số Plăng; h = 6,625.10 J.s; c = 3. 10 m/s). Cường độ ánh sáng tỉ lệ với số phơtơn. - Hiện tượng quang điện là hiện tượng các electrơn bị bật ra (gọi là electrơn quang điện) khi chiếu vào mặt kim loại chùm ánh sáng cĩ bước sĩng  thích hợp. b. Một vài hiện tượng quang học thường gặp trong đời sống hằng ngày. Cĩ khi nào ta ngồi suy nghĩ: Tại sao trần nhà lại sơn màu trắng? cịn bốn vách tường lại khơng 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 Page 3 of 27 Created by Nguyen Van Hoanh
4. Trường THPT Pleiku - Tổ Vật lý Đề tài “Giải thích định tính các hiện tượng Quang học” gần gũi với chúng ta, nhiều lúc chúng ta xem đĩ là hiển nhiên, ta vơ tình khơng cần biết. Nhưng khi hiểu được “chúng” thì đúng là thú vị thật. VÌ SAO TRẦN NHÀ TRONG BUỒNG SƠN MÀU TRẮNG, CỊN BỐN BỨC VÁCH TỐT NHẤT KHƠNG SƠN MÀU TRẮNG? Vách tường trong buồng quét vơi thành màu gì hoặc hoa văn ra sao chẳng những vì mỹ quang, mà cịn 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 nĩ sẽ phản quang ánh Mặt Trời xuống dưới, cịn ban đêm cĩ thể phản xạ ánh đèn xuống, làm cho gian buồng thêm sáng sủa, mà khơng 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 khơng sơn thành màu trắng nhỉ? Đĩ 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 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 khĩ chịu. Điều đĩ khơng cĩ lợi đối với con mắt. Mọi người đều cĩ thể nghiệm này: Đọc sách báo dưới ánh Mặt Trời tương đối chĩi chang thì mắt sẽ cảm thấy rất mệt mỏi chính là vì lẽ đĩ. Vì vậy, vách tường xung quanh phịng 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 khơng làm cho mắt bị kích thích. TẠI SAO TRONG GIAO THƠNG, NGƯỜI TA DÙNG ĐÈN ĐỎ ĐỂ BÁO HIỆU NGUY HIỂM, MÀ KHƠNG DÙNG ĐÈN MÀU KHÁC? Cĩ hai lý do. Lý do thứ nhất, lý do khách quan, là trong bảy màu quang phổ, màu đỏ ứng với bước sĩng lớn nhất, nên ánh sáng đỏ truyền trong khơng khí được xa hơn. Khi một chùm ánh sáng truyền trong khơng khí, nhất là khơng khí cĩ nhiều bụi hoặc hạt nước nhỏ (tức là sương mù), thì một phần năng lượng ánh sáng bị các phân tử khơng khí và các hạt đĩ tán xạ ra mọi phía, nên năng lượng chùm sáng càng giảm, khi truyền đi càng xa. Phần ánh sáng mất do tán xạ tăng rất nhanh khi bước sĩng giảm, nên ánh sáng cĩ bước sĩng dài bị mất mát ít hơn và truyền được xa hơn ánh sáng các màu khác. Lý do thứ hai, lý do chủ quan là như sau: Khi đứng rất xa một đèn màu, ta trơng thấy đèn nhưng khơng nhận ra màu của nĩ. Phải lại gần thêm, mới phân biệt màu của ánh sáng đèn. Nghĩa là đối với các màu lục, lam, vàng, tím ngưỡng sáng (là lượng ánh sáng nhỏ nhất mà mắt phát hiện được) khơng trùng với ngưỡng màu (lượng ánh sáng nhỏ nhất để nhận ra màu ánh sáng). Chỉ riêng với màu đỏ, là Page 4 of 27 Created by Nguyen Van Hoanh
5. Trường THPT Pleiku - Tổ Vật lý Đề tài “Giải thích định tính các hiện tượng Quang học” hai ngưỡng đĩ trùng nhau: ban đêm nếu đặt một chiếc đèn đỏ trên đường, thì từ xa đi lại, lúc bắt đầu trơng thấy đèn ta cũng đồng thời nhận ra màu đỏ của nĩ. Như vậy dùng đèn đỏ để báo hiệu nguy hiểm thì khơng sợ nhầm lẫn và lại cĩ thể nhận thấy được từ xa. VÌ SAO GIẦY DA BƠI XI VÀO CÀNG LAU CÀNG BĨNG? Một đơi giầy da vừa cũ vừa bẩn, chỉ cần lau sạch bụi bặm, bơi xi đánh giầy vào cẩn thận xát nhẹ một lượt thì đã biến thành vừa bĩng vừa đẹp mắt rồi. Đĩ là lý do gì vậy? Thì ra, ánh sáng chiếu tới bất cứ trên bề mặt nào cũng đều cĩ thể xảy ra phản xạ. Giả dụ mặt bằng đĩ trơn bĩng, thế thì cĩ thể sinh ra phản quang rất mạnh, nhìn vào rất sáng. Cĩ lẽ bạn sẽ hỏi: Vì sao trên bề mặt của các vật thể như tường nhà, bàn v.v khơng nhìn thấy phản quang rất mạnh nhỉ? Bề mặt các vật thể như tường, bàn v.v khơng thực sự trơn bĩng đâu. Bạn cầm một kính lúp quan sát tỉ mỉ một lúc, thì sẽ phát hiện bề mặt của các vật thể đĩ đều xù xì, thơ ráp, cao thấp khơng đều. Bề mặt thơ ráp cũng cĩ thể phản xạ ánh sáng. Cĩ điều phản xạ về bốn phương, tám hướng, chứ khơng phải tập trung vào một hướng nhất định. Cái đĩ trong vật lý gọi là sự phản xạ khuếch tán v.v Vì vậy chúng ta khơng trơng thấy ánh sáng phản xạ mạnh. Bề mặt của giầy da cũng khơng phải rất trơn bĩng. Nếu chiíec giầy bẩn thì cố nhiên trở thành thơ ráp hơn. Như vậy nĩ khơng thể làm cho tia sáng tập trung về một hướng nhất định. Cho nên nhìn vào khơng thấy bĩng lộn. Mục đích của việc bơi xi đánh giầy là để những hạt li ti trong xi lấp vào những chỗ trũng thấp trên bề mặt giầy da, làm cho nĩ trở nên bằng phẳng, và xi đánh giầy cĩ một loại năng lực thẩm thấu. Nĩ cĩ thể lấp kín mọi lỗ nhỏ, sau đĩ dùng vải xát lên để xi được phủ đầy khắp, tình trạng thơ ráp của bề mặt giầy da được cải thiện lên nhiều, ánh sáng phản xạ về một hướng nào đĩ, chiếc giầy liền bĩng lộn lên nhiều. Cho nên sau khi bơi xi lên giầy, càng xát nĩ càng bĩng lên. CHẬU THAU ĐỰNG ĐẦY NƯỚC, VÌ SAO KHI NHÌN NGHIÊNG THẤY NƯỚC TRỞ THÀNH NƠNG HƠN? Page 5 of 27 Created by Nguyen Van Hoanh