Luận văn sáng kiến kinh nghiệm dùng phương pháp đồ thị để xác định các tính chất của ảnh tạo bởi thấu kính mỏng và vận dụng giải một số bài tập liên quan đến sự dịch chuyển của ảnh

  • 14 trang
  • file .pdf
Sáng kiến kinh nghiệm vật lý. GV: Lê Hải Anh
Phụ lục
I. Đặt vấn đề………………………………………………………………………… Trang 2
II. Giải quyết vấn đề……………………..………………………………………… Trang 3
2.1. Cơ sở lý luận: ………………………………………………………………… Trang 3
2.2. Thực trạng …………………………………………………………….. Trang 5
2.3. Giải pháp thực hiện……………………………………………………. Trang 6
III. Kết quả đạt được...…………………..…………………………………….… Trang 11
IV. Kết luận...…………………...………..……………………………………..… Trang12
www.sangkienkinhnghiem.com
- 1 -
Sáng kiến kinh nghiệm vật lý. GV: Lê Hải Anh
Tên đề tài: DÙNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒ THỊ ĐỂ XÁC ĐỊNH CÁC TÍNH
CHẤT CỦA ẢNH TẠO BỞI THẤU KÍNH MỎNG VÀ VẬN DỤNG GIẢI
MỘT SỐ BÀI TẬP LIÊN QUAN ĐẾN SỰ DỊCH CHUYỂN CỦA ẢNH.
I.ĐẶT VẤN ĐỀ: ( Lý do chọn đề tài):
Hiện nay, dạy học không còn chỉ là vấn đề giúp các em lĩnh hội được tri thức
trong sách vở mà cao hơn nữa, đó là một hoạt động tư duy sáng tạo, một quá trình
tương tác giữa thầy và trò với nhiều phương pháp và hoạt động tư duy khác nhau
giúp học sinh không chỉ hiểu, nhớ kiến thức mà quan trọng hơn phải rèn luyện cho
các em khả năng tư duy trừu tượng, suy luận logic, khả năng khám phá hiện tượng
và tự giải quyết vấn đề. Có như vậy thì mới phát triển được trí tuệ và giúp các em
chủ động trong mọi hoạt động tư duy khác.Để đạt được điều này, phương pháp dạy
học, nội dung dạy học là một trong những yếu tố cực kì quan trọng giúp các em
phát huy khả năng sáng tạo của mình.
Vật lí là một môn khoa học khó, đòi hỏi những yêu cầu nhất định đối với người
học, như là tư duy trừu tượng, thực hiện và quan sát thí nghiệm để nhận thức đúng
về các hiện tượng , đồng thời toán học cũng là một công cụ không thể thiếu để giải
các bài tập vật lí.Ở các trường THPT chương trình vật lí bao gồm các phần: cơ học,
nhiệt học,điện học, quang học và vật lí hạt nhân.Mỗi phần, mỗi chương có đặc thù
riêng về cả hiện tượng lẫn công thức nên phương pháp học từng phần cũng khác
nhau. Mặt khác, công thức nhiều, mỗi một phần lại có rất nhiều dạng bài tập, mỗi
một dang bài tập có thể có rất nhiều trường hợp xảy ra…Nếu người học không hiểu
bản chất của hiện tượng mà chỉ học công thức một cách máy móc, học vẹt thì
không thể làm được bài tập, hoặc làm sai và không có khả năng để giải những bài
toán phức tạp đòi hỏi khả năng suy luận lôgic và tư duy trừu tượng.
Trong quá trình giảng dạy phần thấu kính– vật lí 11 tại Trường THPT Dương
Đình Nghệ rất nhiều học sinh cảm thấy lúng túng khi giải bài tập. Nguyên nhân là
do không nhớ các tính chất của ảnh qua thấu kính, vì khi đặt vật trước thấu kính ở
những vị trí khác nhau thì tính chất ảnh cũng khác nhau.Hơn thế nữa, ở đây có hai
loại thấu kính nên học sinh muốn làm tôt bài tập phải nhớ tính chất ảnh qua từng
loại,học sinh cảm thấy bị rối, nhất là khi làm những bài tập cần sự suy luận như là
bài tập xác định chiều dịch chuyển của ảnh khi vật dịch chuyển ( Đây là dạng bài
tập cần sự nhuần nhuyễn về kiến thức và đòi hỏi khả năng lập luận tư duy tốt, sự
sáng tạo trong quá trình giải quyết vấn đề).
Để nâng cao hiệu quả giảng dạy, với mục đích lấy học sinh làm trung tâm giúp
các em có một phương pháp khoa học để nhớ các tính chất của ảnh tạo bởi đơn
thấu kính, có một cái nhìn toàn diện về các trường hợp tạo ảnh và thuận tiện hơn
khi giải bài tập, tôi đã tìm hiểu, nghiên cứu và chọn đề tài : Dùng phương pháp đồ
www.sangkienkinhnghiem.com
- 2 -
Sáng kiến kinh nghiệm vật lý. GV: Lê Hải Anh
thị để nhớ tính chất của ảnh tạo bởi đơn thấu kính.Trên đồ thị còn cho biết mối
quan hệ giữa chiều dịch chuyển của ảnh và vật nên học sinh không phải tưởng
tượng mà nhìn vào đó dễ dàng nhận xét, giảm bớt tính toán phức tạp.Mỗi giáo viên,
trong quá trình giảng dạy của mình đều tự đúc rút ra nhiều kinh nghiệm nhằm nâng
cao hiệu quả giảng dạy của mình. Ở phần này có thể sử dụng những phương pháp
học lí thuyết và làm bài tập khác nhau, nhưng vấn đề tôi nghiên cứu đã được kiểm
nghiệm ở rất nhiều lớp tại trường THPT Dương Đình Nghệ thì đã có hiệu quả nhất
định.
II.NỘI DUNG:
2.1.Cơ sở lí luận:
- Thấu kính là một khối chất trong suốt được giới hạn bởi hai mặt cầu hoặc một mặt
cầu và một mặt phẳng.
- Theo tác dụng khúc xạ ánh sáng,thấu kính được chia làm hai loại là thấu kính hội
tụ và thấu kính phân kì.
- Do cấu tạo khác nhau nên tính chất tạo ảnh qua từng loại thấu kính cũng khác
nhau.Cùng một loại thấu kính, ở những vị trí khác nhau trước thấu kính, ảnh cũng
khác nhau về vị trí và tính chất( ảnh thật hoặc ảo, cùng chiều hay ngược chiều vật,
lớn hơn hay nhỏ hơn vật).Vì vậy học sinh thường khó nhớ, lúng túng khi giải bài
tập.
- Trong chương trình vật lí 11 chỉ xét trường hợp vật thật ( d > 0).
df f
- Công thức thấu kính: d ' = ;k=
d f d f
Với qui ước:
d’ > 0 : ảnh thật
d’ < 0 : ảnh ảo
k  1 : ảnh lớn hơn vật
k  1 : ảnh nhỏ hơn vật
k  0 : ảnh và vật cùng chiều
k  0 : ảnh và vật ngược chiều
- Cụ thể:
Với thấu kính hội tụ: Có các trường hợp tạo ảnh sau:
www.sangkienkinhnghiem.com
- 3 -
Sáng kiến kinh nghiệm vật lý. GV: Lê Hải Anh
B
B'
A F B' O F'
+ Vật ở trong tiêu cự cho ảnh ảo, cùng chiều lớn hơn vật.
B
F, A O F'
+ Vật đặt tại tiêu điểm F cho ảnh ảo ở vô cực.
B
A'
A F O F'
B'
+Vật đặt trong khoảng từ f đến 2f (f < d < 2f) cho ảnh thật ngược chiều lớn hơn vật.
B
A'
A F O F'
B'
www.sangkienkinhnghiem.com
- 4 -
Sáng kiến kinh nghiệm vật lý. GV: Lê Hải Anh
+ Vật đặt tại vị trí d = 2f cho ảnh thật ngược chiều cao bằng vật, đối xứng với vật
qua quang tâm.
B
A'
A F O F'
B'
+ Vật đặt ngoài 2f cho ảnh thật ngược chiều nhỏ hơn vật.
+ Với thấu kính phân kì:
B
B'
A F' A' O F
+ Vật thật luôn cho ảnh ảo nhỏ hơn vật và cùng chiều vật.
2.2. Thực trạng :
Để giải một số bài tập cần sự suy luận đôi khi phải nhớ tất cả các tính chất
này của thấu kính, tuy nhiên việc nhớ các tính chất này và vận dụng để giải bài tập
có thể gây rối đối với học sinh.
Trước thực trạng này, trong quá trình dạy bài Thấu kính mỏng- vật lí 11 NC
tôi đã cho học sinh vẽ ảnh của vật đặt tại những vị trí khác nhau trước thấu kính.
Sau đó, nhận xét tính chất của ảnh trong từng trường hợp. Sử dụng công thức thấu
www.sangkienkinhnghiem.com
- 5 -
Sáng kiến kinh nghiệm vật lý. GV: Lê Hải Anh
kính, hướng dẫn học sinh vẽ đồ thị , nhìn vào đồ thị, học sinh có thể nhận xét tất cả
các tính chất, vị trí của ảnh tạo bởi thấu kính, từ đó có những suy luận chính xác
đưa ra lời giải đúng, nhanh gọn.
2.3. Giải pháp thực hiện :
Ở đây, ta vẽ hai đồ thị ứng với mỗi loại thấu kính, đó là đồ thị về mối quan hệ giữa
d và d’, và đồ thị sự phụ thuộc của k vào d.
a) Với thấu kính hội tụ: ( f > 0)
df f
d'= k=
d f d f
d’ k
1
2f
O f 2f
f
-1
O f 2f d
Nhận xét đồ thị:
0< d < f cho d’ < 0 và k > 1 suy ra tính chất ảnh là ảo,cùng chiều, lớn hơn vật.
d = f cho ảnh ở vô cực.
f < d < 2f cho d’> 2f; k < -1 suy ra tính chất ảnh là thật, ngược chiều, lớn hơn vật.
d = 2f cho d’ = 2f, k = -1 suy ra ảnh thật cao bằng vật, ngược chiều vật
d > 2f cho f < d’ < 2f ; -1 < k < 0 suy ra ảnh thật, ngược chiều nhỏ hơn vật.
b) Với thấu kính phân kì: ( f < 0)
df f
d'= k=
d f d f
www.sangkienkinhnghiem.com
- 6 -
Sáng kiến kinh nghiệm vật lý. GV: Lê Hải Anh
d’ k
1
- -f 0 -2f - 0
d
2f f d
- -1
f
-
2f
Nhận xét đồ thị:
Với d  0 đều cho –f Ngoài ra, khi nhìn vào đồ thị ta còn biết được chiều dịch chuyển của vật và ảnh.
Một số bài tập vận dụng:
Ví dụ 1: Một thấu kính hội tụ có tiêu cự f. Điểm sáng S trên trục chính cho ảnh S ’.
a) Ảnh S’ dịch chuyển thế nào khi S dịch chuyển từ xa vô cực đến tiêu điểm F
b) Khảo sát khoảng cách từ vật đến ảnh khi S dịch chuyển từ xa vô cực đến tiêu
điểm F.
Lời giải:
Cách 1:(Không sử dụng đồ thị )
a) Chiều dịch chuyển của ảnh:
df
Đặt y = d ' =
d f
’(d  f ) f  df f2
y =   0 : d ' nghịch biến theo d .
(d  f ) 2
(d  f ) 2
Vậy S dịch từ xa vô cực đến tiêu điểm F thì ảnh thật dịch chuyển từ tiêu điểm F’
đến vô cực.
b) Khảo sát khoảng cách từ vật đến ảnh :
df d2
y = d d d 
'

d f d f
www.sangkienkinhnghiem.com
- 7 -
Sáng kiến kinh nghiệm vật lý. GV: Lê Hải Anh
2d (d  f )  d 2 d 2  2df
y’ =  0
(d  f ) 2 (d  f ) 2
 d  0; d  2 f
d  2f f 0
y' + 0 - - 0
y  4f  0
Khi S dịch từ  đến 2f thì ảnh dịch chuyển từ f đến 2f.
Khi S ở vị trí d = 2f thì ảnh ở vị trí d’ = 2f nên y = 4f
Khi S dịch chuyển từ 2f đến f thì d’ tăng từ 2f đến  , nên y tăng từ 4f đến  .
Cách 2: (Sử dụng đồ thị )
a) Nhìn vào đồ thị ta thấy: Khi điểm sáng S dịch chuyển trên trục chính từ xa vô
cực đến tiêu điểm F thì ảnh dịch chuyển từ tiêu điểm ảnh chính đến vô cực.
b) Gọi L là khoảng cách từ vật đến ảnh ( L = d + d ’), thay vì việc tính đạo hàm để
khảo sát , ta nhìn vào đồ thị thấy ngay:
Khi S dịch từ  đến 2f thì ảnh dịch chuyển từ f đến 2f.
Khi S ở vị trí 2f thì ảnh ở vị trí 2f nên L = 4f
Khi S dịch chuyển từ 2f đến f thì d’ tăng từ 2f đến  , nên L tăng từ 4f đến  .
Ví dụ 2: Một thấu kính hội tụ có f = 10 cm. Điểm sáng A trên trục chính và cách
thấu kính một đoạn d = 15cm.
a) Định vị trí đặt màn để thu được ảnh rõ nét.
b) Thấu kính cố định, cho A dịch ra xa thấu kính. Xác định chiều dịch chuyển
của màn để thu được ảnh rõ nét.
c) Vật cố định, dịch thấu kính ra xa vật. Hỏi màn dịch chuyển thế nào để thu
được ảnh.
Lời giải:
a) Có thể dùng đồ thị để xác định d’, hoặc sử dụng công thức thấu kính để tính.
( d’ = 30 cm)
b) Nhìn vào đồ thị ta thấy: Khi vật nằm ngoài tiêu cự mà dịch chuyển ra xa thấu
kính ( d tăng) thì (d’ giảm) cho ảnh thật dịch lại gần thấu kính, do đó phải
dịch màn lại gần thấu kính mới thu được ảnh rõ nét.
www.sangkienkinhnghiem.com
- 8 -
Sáng kiến kinh nghiệm vật lý. GV: Lê Hải Anh
c) Vật cố định, thấu kính ra xa vật:
Trong khoảng 15 cm  d < 20 cm ; d tăng , khoảng cách giữa vật và ảnh ( L)
giảm
nên màn dịch lại gần vật.
Khi d = 20, L= 40cm, ảnh gần vật nhất.
Khi 20 cm < d <  , d tăng, L tăng nên ảnh dịch ra xa vật.
Ví dụ 3: Điểm sáng A trên trục chính và cách thấu kính một đoạn 30 cm. Thấu kính
bắt đầu chuyển động ra xa vật với vận tốc không đổi v= 5cm/s.
Tính tiêu cự của thấu kính, biết rằng sau khi thấu kính chuyển động được 2s thì
vận tốc của ảnh bắt đầu đổi chiều.
Lời giải:
Cách 1: ( Không sử dụng đồ thị)
Để giải bài tập này ta có thể làm theo phương pháp thông thường đó là tính
quãng đường đi của ảnh, sau đó đạo hàm để tìm biểu thức của vận tốc, khi vận
tốc đổi chiều thì v = 0, sau đó thay t = 2 s suy ra f. Nhưng phương pháp này rất
phức tạp vì phải thực hiện nhiều bước, tính toán cồng kềnh.
Ta có:
30 f
d 0  30cm; d 0' 
30  f
d t'  30  5t
df (30  5t ) f
d t'  
d  f 30  5t  f
Quãng đường đi của ảnh:
y  (d o  d 0' )  (d t  d t' )
30 f (30  5t ) f
y  5t 
30  f 30  5t  f
Vận tốc của ảnh:
5(30  5t  f ) 2  5(30  5t  f ) f  5 f (30  5t )
v  y'  (*)
(30  5t  f ) 2
Khi t= 2s, vận tốc đổi chiều, vậy v  0 .
Thay vào biểu thức (*) suy ra f = 20 cm.
Cách 2: Sử dụng đồ thị để giải:
www.sangkienkinhnghiem.com
- 9 -
Sáng kiến kinh nghiệm vật lý. GV: Lê Hải Anh
Nếu sử dụng đồ thị ta suy luận đơn giản như sau: cho thấu kính dịch chuyển ra
xa vật thì vận tốc của ảnh đổi chiều khi khoảng cách giữa vật và ảnh là ngắn
df
nhất L= 4f suy ra: d + = 4f (mà d = 40 cm) => f = 20 cm.
d f
Ta nhận thấy việc sử dụng đồ thị để suy luận bài toán trở nên ngắn gọn hơn rất
nhiều.
Ví dụ 4:
Cã hai ®iÓm A vµ B n»m trªn trôc chÝnh cña mét thÊu
kÝnh héi tô vµ ngoµi tiªu ®iÓm vËt cña kÝnh. LÇn l-ît
®Æt mét vËt n»m vu«ng gãc víi trôc chÝnh cña thÊu kÝnh
t¹i hai ®iÓm A vµ B ta thÊy: NÕu vËt ë A th× kÝnh phãng
®¹i lªn 2 lÇn, nÕu vËt ë B th× ®-îc kÝnh phãng ®¹i lªn
3 lÇn.
a. Hái A vµ B ®iÓm nµo gÇn thÊu kÝnh h¬n?
b. NÕu vËt ë C n»m tại trung điểm của A vµ B th× ®-îc kÝnh
phãng ®¹i lªn bao nhiªu lÇn?
Lời giải:
a. V× vËt n»m ngoµi tiªu ®iÓm cña thÊu kÝnh héi tô nªn
kÝnh cho ¶nh thËt, nhìn trên đồ thị ta thấy ¶nh nµy cµng ra xa
kÝnh vµ lín dÇn lªn khi vËt tiÕn l¹i gÇn tiªu ®iÓm.
Theo ®Ò bµi: VËt ë B ®-îc kÝnh phãng ®¹i lín h¬n ë
A, nªn ®iÓm B gÇn thÊu kÝnh h¬n ®iÓm A.
b. Gäi d1 ; d 2 vµ d 3 lÇn l-ît lµ kho¶ng c¸ch tõ 3 ®iÓm A,
B, C ®Õn thÊu kÝnh.
f
Ta vËn dông c«ng thøc tÝnh ®é phãng ®¹i : K  cho 3
f d
tr-êng hîp:
Ta cã:
f 3f
KA   2  d 1  (1)
f  d1 2
f 2f
KB   3  d 2  (2)
f  d2 2
f f
vµ K C   . (3)
f  d3 d1  d 2
f
2
Thay (1);(2) vµo (3) ta cã: K C  2,4 .
www.sangkienkinhnghiem.com
- 10 -
Sáng kiến kinh nghiệm vật lý. GV: Lê Hải Anh
VËy : NÕu vËt ë C th× kÝnh phãng ®¹i lªn 2,4 lÇn.
Có thể sử dụng đồ thị để trả lời một số câu hỏi trắc nghiệm và giải một số
bài tập sau:
Chọn câu đúng:
1)Xét ảnh cho bởi thấu kính:
A. Với thấu kính phân kỳ, vật thật cho ảnh ảo.
B. Với thấu kính hội tụ L, vật cách L là d=2f(f là tiêu cụ)thì ảnh cũng cách L là 2f.
C.Với thấu kính hội tụ, vật thật luôn cho ảnh thật.
D.Vật ở tiêu diện vật thì cho ảnh ở xa vô cực.
2.Vị trí của vật và ảnh cho bởi thấu kính L
A. Cho vật tiến lại gần L, ảnh di chuyển cùng chiều với vật.
B. Cho vật tiến ra xa L, ảnh di chuyển ngược chiều với vật.
C. Vật ở rất xa thì cho ảnh ở tiêu diện ảnh.
D. Ảnh ở rất xa thì cho ảnh ở tiêu diện vật.
3) Sự tạo ảnh bởi thấu kính:
A. Với thấu kính hội tụ, khi vật ở ngoài khoảng tiêu cự f, ảnh ngược chiều với vật.
B. Với thấu kính hội tụ, khi vật ở trong khoảng tiêu cự f, ảnh ngược chiều với vật.
C. Với thấu kính phân kì, vật thật cho ảnh cùng chiều với vật.
D.Vớ thấu kính phân kì, ảnh của vật thật luôn luôn nhỏ hơn vật.
4. Quan sát vật qua thấu kính:
A. Quan sát vật qua thấu kính hội tụ, ta thấy ảnh lớn hơn vật.
B. Quan sát vật qua thấu kính hội tụ, ta thấy ảnh nhỏ hơn vật.
C. Quan sát ảnh qua thấu kính phân kì, ta thấy ảnh nhỏ hơn vật.
D.Quan sát vật qua thấu kính phân kì, ta thấy ảnh cùng chiều với vật.
5)Điểm sáng A trên trục chính của một thấu kính hội tụ cho ảnh thật A’. Khi dịch A
về phía thấu kính một đoạn a = 5cm thì ảnh A’ dịch đi một đoạn b = 10cm. Khi dịch
A ra xa thấu kính một đoạn a’ = 40 cm thì ảnh A’ dịch đi một đoạn b’ = 8cm. Tính
tiêu cự của thấu kính.
6) Vật sáng AB đặt trước một thấu kính cho ảnh có độ phóng đại là k. Nếu dịch vật
về phía thấu kính một đoạn a1 thì ảnh có độ phóng đại k’.Nếu dịch vật về phía thấu
kính một đoạn a2 thì ảnh vẫn có độ phóng đại là k’.Tính tiêu cự f theo k, a1, a2 .
Áp dụng: k = 2, a1 = 3cm, a2 = 7 cm.
III.KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC:
Năm học 2009, trường tôi đang còn là một trường bán công, chất lượng đầu
vào học sinh không cao. Riêng tôi, được phân công dạy 6 lớp 11 cả cơ bản lẫn nâng
www.sangkienkinhnghiem.com
- 11 -