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. LSHQ GV: Bùi Hồng Ánh – Trường THPT Mê Linh PHẦN I: MỞ ĐẦU 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 toàn 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 “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. - 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.   a SKKN - 1“Giải thích định tính các hiện tượng Quang học”1
2. LSHQ GV: Bùi Hồng Ánh – Trường THPT Mê Linh 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 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’ - Góc phản xạ bằng góc 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 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 đổi. N Số không đổi này phụ thuộc vào bản chất của hai môi trường và được S gọi là chiếc suất tỉ đối của môi trường chứa tia khúc xạ (môi trường 2) đối i với môi trường chứa tia tới (môi trường 1). I Kí hiệu n 21 r sin i K = n 21 sin r + Hiện tượng phản xạ toàn phần - Khi ánh sáng truyền từ mặt phân cách của môi trường chiếc quang hơn (n 1) sang môi trường chiếc quang kém (n2) thì góc khúc xạ r lớn hơn góc tới i. - Góc khúc xạ lớn nhất bằng 90 0; 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 chiếc 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 CV, 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 C VCC. Khoảng cách thấy rõ ngắn nhất là Đ = OC C (O là 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. a SKKN - 2“Giải thích định tính các hiện tượng Quang học”2
3. LSHQ GV: Bùi Hồng Ánh – Trường THPT Mê Linh - 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 AB là = góc 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 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 chiếc 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 - Chùm ánh sáng đơn sắc có bước sóng  được coi như dòng các phôtôn (lượng c tử ánh sáng), mỗi phôtôn mang năng lượng xác định ε = h f = h (f là tần số ánh  -34 8 sáng, h là hằng số Plăng; h = 6,625.10 J.s; c = 3. 10 m/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. a SKKN - 3“Giải thích định tính các hiện tượng Quang học”3
4. LSHQ GV: Bùi Hồng Ánh – Trường THPT Mê Linh 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 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. TẠI SAO TRONG GIAO THÔNG, NGƯỜI TA DÙNG ĐÈN ĐỎ ĐỂ BÁO HIỆU NGUY HIỂM, MÀ KHÔNG DÙNG ĐÈN MÀU KHÁC? Có hai lý do. Lý do thứ nhất, lý do khách quan, là trong bảy màu quang phổ, màu đỏ ứng với bước sóng lớn nhất, nên ánh sáng đỏ truyền trong không khí được xa hơn. Khi một chùm ánh sáng truyền trong không khí, nhất là không khí có nhiều bụi hoặc hạt nước nhỏ (tức là sương mù), thì một phần năng lượng ánh sáng bị các phân tử không khí và các hạt đó 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 sóng giảm, nên ánh sáng có bước sóng 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 trông thấy đèn nhưng không nhận ra màu của nó. 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) không trùng với ngưỡng màu (lượng ánh sáng nhỏ nhất để nhận ra màu ánh sáng). Chỉ riêng với màu đỏ, là hai ngưỡng đó trùng nhau: ban đêm nếu đặt một chiếc đèn đỏ trên đường, thì từ xa đi lại, lúc bắt đầu trông thấy đèn ta cũng đồng thời nhận ra màu đỏ của nó. Như vậy dùng đèn đỏ để báo hiệu nguy hiểm thì không sợ nhầm lẫn và lại có thể nhận thấy được từ xa. a SKKN - 4“Giải thích định tính các hiện tượng Quang học”4
5. LSHQ GV: Bùi Hồng Ánh – Trường THPT Mê Linh 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. 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 chiíec 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 môi trường khác, ví dụ như từ không khí vào nước, hoặc từ nước vào không khí, do tốc a SKKN - 5“Giải thích định tính các hiện tượng Quang học”5