skkn cấp tỉnh hướng dẫn học sinh khá giỏi phương pháp giải các bài toán về dịch chuyển màn quan sát trong giao thoa sóng ánh sáng

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>1. MỞ ĐẦU1.1. Lý do chọn đề tài</b>

Trong quá trình giảng dạy của giáo viên bộ mơn vật lí ở trên lớp, thì việctruyền đạt cho đa số học sinh hiểu và nắm vững kiến thức đã là khó, nhưng việclàm cho học sinh vận dụng được những kiến thức đó vào để giải được các bài tậpcàng khó hơn. Do vậy việc vận dụng kiến thức đã học vào để giải các bài tập vật lílà rất khó khăn, lượng học sinh tự tìm ra phương pháp giải một bài tốn cho mìnhlà rất ít. Mặt khác số lượng bài tập cho mỗi một dạng bài toán trong sách giáo khoavà sách bài tập của bộ mơn vật lí chưa nhiều (mỗi một dạng chỉ có từ 1 đến 2 bài),như thế cũng không đủ bài tập để cho học sinh rèn luyện cách làm cho mỗi dạngbài tập.

Trong chương trình vật lí lớp 11 mới và vật lí lớp 12 cũ, bài tốn về dịchchuyển màn quan sát trong giao thoa sóng ánh sáng là bài tốn khó và khá trừutượng. Để giải quyết tốt bài tốn trên thì học sinh khơng những phải nắm vững kiếnthức cơ bản và phương pháp giải các bài tập vật lí mà cịn phải biết vận dụng linhhoạt các phương pháp giải, phối hợp nhiều kiến thức vật lí tổng hợp phức tạp như:vận dụng phương pháp giải bài tốn về dao động điều hồ, vận dụng phương phápgiải bài toán về chuyển động thẳng đều, vận dụng phương pháp giải bài toán vềgiao thoa ánh sáng dạng cơ bản…

Mặt khác bài toán về dịch chuyển màn quan sát trong giao thoa sóng ánh sángcũng là một trong những bài tốn nằm trong chương trình ơn thi học sinh giỏi cũngnhư ôn thi tốt nghiệp THPT. Học sinh khối 11 khi học đến phần này thì khá lúngtúng và phần lớn là giải không được

<b> Xuất phát từ thực trạng trên tôi mạnh dạn đề xuất đề tài “Hướng dẫn họcsinh khá, giỏi phương pháp giải các bài toán về dịch chuyển màn quan sáttrong giao thoa sóng ánh sáng” nhằm góp ích vào nâng cao hiệu quả giảng dạy</b>

cho mơn học.

<b>1.2. Mục đích nghiên cứu1.2.1. Đối với giáo viên</b>

<b> Nhằm xây dựng một chuyên đề chuyên sâu, chi tiết có thể làm tài liệu tham</b>

khảo cho các đồng nghiệp ôn thi tốt nghiệp THPT và ôn thi học sinh giỏi.

<b>1.2.2. Đối với học sinh</b>

Đề tài nhằm giúp học sinh khá, giỏi khắc sâu những kiến thức lí thuyết, cómột hệ thống bài tập và phương pháp giải chúng, giúp các em có thể nắm đượccách giải và từ đó chủ động vận dụng các phương pháp này trong khi làm bài tập cóliên quan. Từ đó học sinh có thêm kỹ năng về cách giải các bài tập Vật lí, có thể

<b>nhanh chóng giải các bài tốn về giao thoa sóng ánh sáng phong phú và đa dạng.1.3. Đối tượng nghiên cứu</b>

<b> Tôi đã thực hiện dạy đề tài này trên lớp 11A4 trong năm học 2023 – 2024, so</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

Trong mỗi lớp tơi chọn ra một nhóm đối tượng gồm 20 em học sinh khá, giỏiNhóm 1 (lớp 11A2): Nhóm đối chứng (Nhóm này chỉ tham gia làm bài kiểm tra)Nhóm 2 (lớp 11A4): Nhóm thực nghiệm (Nhóm này tham dự học thử nghiệm vàtham gia làm bài kiểm tra)

<b>1.4. Phương pháp nghiên cứu</b>

<b> Trong quá trình nghiên cứu tôi đã sử dụng một số phương pháp sau :</b>

<b> - Nghiên cứu lí thuyết về giao thoa sóng cơ và giao thoa sóng ánh sáng (sách</b>

giáo khoa vật lí 11 mới và sách giáo khoa vật lí 12 cũ), các cơng cụ toán học và đisâu vào phần bài tập về dịch chuyển màn quan sát của chương trình vật lí lớp 11mới và chương trình vật lí 12 cũ, từ đó xây dựng cơ sở lí thuyết cho loại bài tậpnày.

<b> - Phân tích và giải các bài tập phần dịch chuyển màn quan sát trong giao thoa</b>

sóng ánh sáng.

<b> - Sử dụng phương pháp hoạt động nhóm và động não khi dạy bài tập phần này</b>

cho học sinh.

<b> - Phương pháp khảo sát thực tế và thu thập thông tin.</b>

<b>2. NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM2.1. Cơ sở lí luận của sáng kiến kinh nghiệm</b>

<b> Đối với môn vật lí ở trường phổ thơng, bài tập vật lí đóng một vai trị hết sức</b>

quan trọng, việc hướng dẫn học sinh làm bài tập vật lí là một hoạt động dạy học,một cơng việc khó khăn, ở đó bộc lộ rõ nhất trình độ của người giáo viên vật lítrong việc hướng dẫn hoạt động trí tuệ của học sinh, vì thế địi hỏi người giáo viênvà cả học sinh phải học tập và lao động không ngừng. Bài tập vật lí sẽ giúp họcsinh hiểu sâu hơn những qui luật vật lí, những hiện tượng vật lí. Thơng qua các bàitập ở các dạng khác nhau tạo điều kiện cho học sinh vận dụng linh hoạt những kiếnthức để tự lực giải quyết thành cơng những tình huống cụ thể khác nhau thì nhữngkiến thức đó mới trở nên sâu sắc hoàn thiện và trở thành vốn riêng của học sinh.

<b> Trong quá trình giải quyết các vấn đề, tình huống cụ thể do bài tập đề ra học</b>

sinh phải vận dụng các thao tác tư duy như so sánh, phân tích, tổng hợp khái qthố....để giải quyết vấn đề, từ đó sẽ giúp phát triển tư duy và sáng tạo, óc tưởngtượng, tính độc lập trong suy nghĩ, suy luận.... Nên bài tập Vật lí gây hứng thú họctập cho học sinh.

<i><b> Đối với phần kiến thức về “dịch chuyển màn quan sát trong giao thoa sóngánh sáng” tơi thấy việc phân dạng, chỉ rõ điểm mấu chốt của vấn đề sẽ giúp học</b></i>

sinh, đặc biệt là học sinh giỏi không chỉ nắm vững kiến thức phần đã học mà cịncó thể vận dụng sáng tạo vào giải quyết tốt các bài toán tương tự.

<b>2.2. Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm2.2.1. Thuận lợi </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

Trường THPT Sầm Sơn là một trường THPT trên địa bàn thành phố Sầm Sơncó chất lượng đầu vào khá tốt, đặc biệt là những năm gần đây. Ban giám hiệu vàtập thể giáo viên trong nhà trường luôn đề cao chất lượng giáo dục các môn học,đặc biệt là kết quả thi học sinh giỏi cũng như kết quả thi tốt nghiệp THPT.

+ Do những học sinh học tốt thì thi vào chuyên Lam Sơn

+ Do sự thay đổi của hình thức xét tuyển vào các trường đại học (sự đa dạngvề tổ hợp môn xét tuyển), nên số lượng học sinh theo khối A và A1 ngày càng thuhẹp lại.

Vả lại do đặc thù mơn vật lí là một mơn khó. Để học sinh ham mê học thì địihỏi người giáo viên phải nổ lực khơng ngừng.

Qua thực tế giảng dạy tôi nhận thấy rằng đa số học sinh khi học đến phầndịch chuyển màn quan sát trong giao thoa sóng ánh sáng thì tỏ ra khơng mấy hứngthú, nhiều em thì thiếu tự tin vào bản thân mình khi tham gia phát biểu ý kiến xâydựng bài. Khi làm các đề kiểm tra mà gặp câu hỏi phần này thì các em thường bỏqua, hoặc là đánh bừa đáp án. Từ đó dẫn đến kết quả của việc dạy và học của phầnnày là không cao. Bằng một khảo sát nhỏ tôi đã thu thập được ý kiến đánh giá củacác em về phần này như sau:

Ý kiến

<b>2.3. Các giải pháp đã sử dụng để giải quyết vấn đề</b>

<b> Từ thực tế như trên tôi đã đề ra một số giải pháp khắc phục như sau:2.3.1. Các yêu cầu chung</b>

Trước khi giảng dạy phần bài tập về dịch chuyển màn quan sát trong giaothoa sóng ánh sáng, tôi đã yêu cầu học sinh phải ôn lại các kiến thức vật lí lớp 11có liên quan như: Giao thoa sóng ánh sáng, giao thoa sóng cơ, dao động điều hoà,chuyển động thẳng đều…; nắm chắc các dạng bài tập cơ bản về giao thoa sóng ánhsáng, như:

- Xác định khoảng vân.

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

- Xác định số vân sáng vân tối trên trường giao thoa.

- Xác định số vân sáng, vân tối trên đoạn MN thuộc trường giao thoa.

Mặt khác tôi đã tiến hành nghiên cứu, phân loại các dạng bài tập về dịch chuyển màn quan sát trong giao thoa sóng ánh sáng, rèn luyện kĩ năng tư duy cho học sinhqua mỗi dạng bài, giúp học sinh hiểu rõ bản chất cho từng loại bài tốn.

<b>2.3.2. Biện pháp phân dạng bài tập và hình thành kĩ năng tư duy cho từngdạng</b>

<b> Để học sinh nắm vững được phần kiến thức cần tiếp nhận tôi đã thực hiện</b>

theo quy trình như sau:

<i> Bước 1: Hệ thống lại các kiến thức cơ bản của phần giao thoa sóng ánh sáng</i>

có nguồn phát ra ánh sáng đơn sắc.

<i> Bước 2: Ôn luyện và cho học sinh làm bài tập phần giao thoa sóng ánh sáng</i>

trong đó có nguồn phát ra đồng thời hai hoặc ba ánh sáng đơn sắc.

<i> Bước 3: Ơn lại phần dao động điều hồ.</i>

<i> Bước 4: Phân loại các dạng bài tập về dịch chuyển màn quan sát trong giao</i>

thoa sóng ánh sáng (nêu rõ phương pháp giải cho mỗi dạng toán).

<i> Bước 5: Hướng dẫn học sinh làm một số bài tập ví dụ cụ thể về mỗi dạng</i>

toán (với mỗi bài tập đưa ra, cần định hướng cho học sinh cách lựa chọn phươngpháp giải phù hợp)

<i> Bước 6: Sau mỗi dạng toán rút ra những lưu ý cho học sinh cần ghi nhớ</i>

những chỗ mà học sinh thường hay mắc phải nhầm lẫn (nếu có).

<i> Bước 7: Đưa ra các bài toán để học sinh tự rèn luyện thêm nhằm nâng cao kĩ</i>

năng giải toán.

Kiến thức cơ bản về giao thoa ánh sáng với khe Y-âng

<b>a. Khoảng vân, vị trí vân sáng, vân tối.</b>

+ Khoảng vân : i = <small>\f(,a</small> (1)+ Vị trí vân sáng: xs = k <small>\f(,a</small> = ki (với k = 0,  1,  2 ...) (2) + Vị trí vân tối: xt = (2k + 1) <small>\f(,2a</small> = (2k +1) <small>\f(i,2</small> (với k = 0,  1,  2 ...)(3) .

Hay x<small>t = (k + 0,5) \f(,a</small> = (k+0,5)i (với k = 0,  1,  2 ...) (4)[2]

<b>b. Số vân sáng, vân tối trên trường giao thoa khi hai khe Y-âng được chiếu bởimột bức xạ:</b>

<b>b.1. Một số kiến thức liên quan:</b>

- Điều kiện để một điểm M có tọa độ xM thuộc trường giao thoa có bề rộng L:

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

- <small>\f(L,2</small>  xs  <small>\f(L,2</small>  - <small>\f(L,2i</small>  k  <small>\f(L,2i</small> (với k = 0, 1,  2 ...) (8)

(Số giá trị của k chính là số vân sáng cần tìm)

(Số giá trị của k chính là số vân tối cần tìm)

<b>b.3. Số vân sáng, vân tối trên đoạn PQ khi hai khe Y-âng được chiếu bởi mộtbức xạ:</b>

<b> - Số vân sáng: </b><small>\f(xP,i  k  \f(xQ,i (Với xQ > xP)</small>(11)

<b> - Số vân tối: </b><small>\f(xP,i  k + 0,5  \f(xQ,i (Với xQ > xP).</small>

<b>c. Khoảng cách giữa n vân sáng liên tiếp (hoặc n vân tối liên tiếp) là: </b>

d = (n - 1)i hay n = <small>\f(d,i</small> + 1(12)

<b>d. Các dạng tốn và ví dụ cụ thể</b>

Trong quá trình giảng dạy phần này, trước khi đi cụ thể đối với từng loại bàitập tôi đã định hướng học sinh một cách tổng quát nhất, đó là kĩ năng phân tích đềbài. Đối với mỗi bài toán phần này cần chia làm các phần (phần bản chất Vật lý,phần kĩ năng biến đổi toán học, kĩ năng suy luận, phương pháp làm và những lưu ývề các cách hiểu khác khi làm bài)

<b> Về phần bản chất vật lý : </b>

<b> + Xét một điểm M trên màn quan sát, nếu giữ nguyên các điều kiện khác cịn</b>

màn quan sát có sự dịch chuyển theo phương vng góc với mặt phẳng chứa haikhe hẹp (ra xa hoặc lại gần hai khe hẹp) thì tính chất vân tại M sẽ có sự thay đổi :

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

<i><small>k</small>_M</i><small>=</small><i><small>x</small>_M<small>i</small></i> ⁼

<i><small>ax</small>_M<small>λ . D</small></i>

<i>Do k<small>M </small> tỉ lệ nghịch với D nên khi thay đổi D thì k<small>M </small></i> thay đổi (nên M đang là vânsáng

thì có thể chuyển thành vân tối hoặc không phải là vân sáng vân tối)

+ Khi trên màn có vân giao thoa thì tại vị trí trung tâm luôn luôn là vân sáng. + Khi màn quan sát được gắn vào một đầu tự do của lị xo thì màn quan sát sẽđóng vai trò là vật nặng của con lắc lò xo (nếu con lắc dao động điều hồ theo

<i>phương vng góc với mặt phẳng chứa hai khe hẹp thì D sẽ tăng giảm liên tục)</i>

+ Nếu nguồn phát ra đồng thời hai ánh sáng đơn sắc thì tại M sẽ có hai giá trị

<i>của k (và hai giá trị này cũng đều thay đổi nếu ta dịch chuyển màn quan sát theo</i>

phương vng góc với mặt phẳng chứa hai khe hẹp)

Sau đây tôi xin đưa ra cách giải một số loại bài tập của phần này như sau :

<i><b>Dạng 1: Dịch chuyển màn quan sát dạng cơ bản</b></i>

<i>D thay đổi → k<small>M</small></i> thay đổi → tính chất của M thay đổi

<b>Ví dụ 1. Thí nghiệm Y-âng về giao thoa ánh sáng với nguồn sáng đơn sắc phát ra</b>

bức xạ có bước sóng <i><small>λ</small></i>. Biết khoảng cách giữa hai khe hẹp là 1 mm. Trên màn quansát, tại điểm M cách vân trung tâm 4,2 mm là vân sáng bậc 5. Di chuyển màn quansát ra xa hai khe một khoảng 0,6 m thì thấy tại M lúc này là một vân tối và trongq trình di chuyển có quan sát được một lần tại M chuyển thành vân sáng. Xácđịnh bước sóng <i><small>λ</small></i> [1].

<b>Lời giải</b>

Xét điểm M trên màn quan sát:

<b>Trước khi dịch chuyển màn quan sát Sau khi dịch chuyển màn quan sát</b>

<i>Xét điểm M trên màn quan sát (Hình vẽ</i>

<i>1), ta có: </i>

<i><small>k</small>_M</i><small>=</small><i><small>x</small>_M<small>i</small></i> ⁼

<i><small>a . x</small>_M<small>λ . D</small></i>

Giữ nguyên các điều kiện khác, dịchchuyển màn quan sát theo phương vnggóc với mặt phẳng chứa hai khe hẹp, khi

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

<i>D<small>’</small> = D + 0,6 (m)</i>

- Do giữ nguyên các điều kiện khác và

<i>tăng D nên k<small>M</small> giảm.</i>

- Sau khi dịch chuyển màn quan sát thìM là vân tối (và trong q trình dichuyển có quan sát được một lần tại Mchuyển thành vân sáng).

<i>Vậy bậc của k<small>M</small></i> sẽ giảm như sau : 5 <i><small>→ 4,5 → 4 → 3,5</small></i>

<i><b>Cần lưu ý thêm cho học sinh một số vấn đề:</b></i>

<i>- Đối với bài toán về di chuyển màn quan sát cần phải xác định chính xác nhữngđại lượng nào khơng đổi và những đại lượng nào thay đổi.</i>

<i>- Xác định chính xác k tại điểm mà ta đang xét sẽ tăng giảm cụ thể như thế nào. </i>

<b>Ví dụ 2. Trong thí nghiệm Y-âng với ánh sáng đơn sắc có bước sóng </b><i><small>λ</small></i>, khoảngcách giữa hai khe a = 1 mm. Ban đầu tại M cách vân trung tâm 7 mm quan sát đượcvân sáng bậc 5. Giữ cố định màn chứa hai khe, di chuyển từ từ màn quan sát ra xa

Vân tốilần thứ

Vânsáng lần

thứ nhất

Vân tốilần thứ

hai

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

và dọc theo đường thẳng vng góc với mặt phẳng chứa hai khe một đoạn 2 m thìthấy tại M đã bị chuyển thành vân tối lần thứ ba. Xác định bước sóng <i><small>λ</small></i>[1].

<b>Lời giải</b>

Xét điểm M trên màn quan sát:

<b>Trước khi dịch chuyển màn quan sát Sau khi dịch chuyển màn quan sát</b>

<i>một khoảng 2 m (D tăng), nên k<small>M</small> giảm.</i>

- Sau khi dịch chuyển màn quan sát thì

<i>M đã bị chuyển thành vân tối lần thứ</i>

<i><b>Cần lưu ý thêm cho học sinh một số vấn đề:</b></i>

<i> Qua kinh nghiệm giảng dạy tơi thấy rằng có nhiều học sinh khi làm loại bàitốn này thì khơng hiểu rõ đề (không phân biệt được sự khác nhau giữa vân tối thứba và vân tối lần thứ ba). Chính vì vậy đối với bài tốn này cần phải phân tích vàlàm rõ để giúp học sinh phân biệt sự khác nhau giữa vân tối lần thứ ba với vân tốithứ 3 như sau:</i>

Vân tốilần thứ

baVân tối

lần thứhaiVân tối

lần thứnhất

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

<i>+ Vân tối thứ 3, là vân tối được tính từ vị trí vân sáng trung tâm.+ Vân tối lần thứ ba, là vân tối được tính từ vị trí M mà ta đang xét.</i>

<b>Ví dụ 3. [1] Thực hiện thí nghiệm giao thoa của Y-âng với ánh sáng đơn sắc. Ban</b>

<i>đầu khoảng cách từ mặt phẳng chứa hai khe đến màn quan sát giao thoa là D = 2 m,</i>

lúc này trên màn quan sát tại điểm M có vân sáng bậc 5. Giữ khơng đổi các điềukiện khác, dịch chuyển màn dọc theo phương vuông góc với chính nó, ra xa mặt

<i>phẳng chứa hai khe thêm một đoạn ΔDD. Trong quá trình dịch chuyển màn thì tại M</i>

có ba lần thu được vân tối và khi màn dừng lại thì M khơng phải vị trí vân tối. Giá

<i>trị ΔDD thoả mãn điều kiện nào</i>

<b>A. </b>⁶₇<i><small>m< ΔDD <</small></i>¹⁴

<small>3</small> <i>^{m .}</i><b> B. </b><i><small>2 m< ΔDD<</small></i>¹⁴

<small>3</small> <i>^m.</i><b> C. </b>²₉<i><small>m< ΔDD <</small></i>⁶

<small>7</small><i>^{m .}</i><b> D. </b>²₉<i><small>m<ΔDD <</small></i>¹⁴

<small>3</small> <i>^{m .}</i><b> Lời giải</b>

Xét điểm M trên màn quan sát:

<b>Trước khi dịch chuyển mànquan sát</b>

<b>Sau khi dịch chuyển màn quan sát</b>

Khoảng cách từ màn quan sát đếnmặt phẳng chứa hai khe hẹp là

<i>D = 2 m</i>

M là vân sáng bậc 5

- Khoảng cách từ màn quan sát đến mặt

<i>phẳng chứa hai khe hẹp là D<small>’</small> = D + <small>ΔDD</small></i>

<i>(D tăng, nên k giảm)</i>

- Sau khi dịch chuyển màn quan sát thì tạiM có ba lần thu được vân tối và khi màndừng lại thì M khơng phải vị trí vân tối.

<i>Vậy bậc của kM sẽ thay đổi như sau: </i>

5 <i><small>→ 4,5 → 4 → 3,5→</small></i> 3 <i><small>→</small></i><b>2,5 </b><i><small>→ K</small></i>

<i>Điều kiện của k là : 1,5 < k < 2,5 (17)</i>

Vân tốilần thứ

Khôngphải làvân tốiVân tối

lần thứbaVân tối

lần thứhai

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

<i>Thay D = 2 m vào ta được : 2 m < <small>ΔDD</small></i> < ¹⁴₃ m <i><small>→</small><b> Chọn đáp án B </b></i>

<b>Ví dụ 4. Trong thí nghiệm Y-âng về giao thoa ánh sáng, khoảng cách từ hai khe</b>

<i>đến màn quan sát là D. Hai điểm P, Q đối xứng qua vân trung tâm, tại P và Q cócác vân sáng. Dịch chuyển màn quan sát ra xa hai khe một khoảng d thì tại P và Q</i>

vẫn có các vân sáng và đếm được số vân sáng trên đoạn PQ trước và sau khi dịchchuyển màn hơn kém nhau 8. Nếu dịch chuyển tiếp màn quan sát ra xa hai khe một

<i>khoảng 9d nữa thì tại P và Q lại là vân sáng. Biết rằng nếu tiếp tục dịch màn quan</i>

sát ra xa thì tại P và Q khơng cịn xuất hiện vân sáng. Khi chưa dịch chuyển màn

<b>thì tại P là vân sáng bậc mấy [1]. Lời giải</b>

Xét điểm P trên màn quan sát:

<b>Trước khi dịch chuyển mànquan sát</b>

<b>Sau khi dịch chuyển màn quan sát</b>

Khoảng cách từ màn quan sát đến

<i>mặt phẳng chứa hai khe hẹp là D </i>

- Khoảng cách từ màn quan sát đến mặtphẳng chứa hai khe hẹp :

</div>