SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

ĐỀ TÀI:
"PHƯƠNG PHÁP HƯỚNG DẪN HỌC SINH GIẢI BÀI TẬP PHẦN
VẼ ĐƯỜNG TRUYỀN ÁNH SÁNG"

y

1


Phần I: MỞ ĐẦU
Vật lý là một môn khoa học cơ bản của chương trình giáo dục phổ thông, trong hệ
thống giáo dục phổ thông của nước ta. Học tập tốt bộ môn vật lý giúp con người nói
chung và học sinh nói riêng có kỹ năng tư duy sáng tạo, làm cho con người linh hoạt hơn,
năng động hơn trong cuộc sống cũng như trong công việc. Nhiệm vụ của giảng dạy bộ
môn vật lý ở bậc trung học phổ thông là thực hiện được những mục tiêu giáo dục mà Bộ
Giáo dục và Đào tạo đã đề ra: Làm cho học sinh đạt dược các yêu cầu sau:
- Nắm vững được kiến thức của bộ môn.
- Có những kỹ năng cơ bản để vận dụng kiến thức của bộ môn.
- Có hứng thú học tập bộ môn.
- Có cách học tập và rèn luyện kỹ năng hợp lý. đạt hiệu quả cao trong học tập bộ môn vật
lý.
- Hình thành ở học sinh những kỹ năng tư duy đặc trưng của bộ môn.
Trong nội dung môn Vật lý lớp 11, phần Quang hình học có tác dụng rất tốt, giúp học
sinh phát triển tư duy vật lý. Trong phần này thể hiện rất rõ các thao tác cơ bản của tư
duy vật lý là từ trực quan sinh động đến tư duy trừu tượng, từ tư duy trừu tượng đến thực
tiễn khách quan, như:
- Phân tích hiện tượng và huy động các kiến thức có liên quan để đưa ra kết quả của từng
nội dung được đề cập.
- Sử dụng kiến thức toán học có liên quan như để thực hiện tính toán đơn giản hoặc suy

hai môi trường trong suốt, và phương pháp vận dụng kiến thức trong việc giải các bài tập
của phần này.
- Đối với học sinh trung bình, yếu: Yêu cầu nắm vững kiến thức cơ bản, phương pháp
giải và giải các bài tập đơn giản.
- Đối với học sinh khá, giỏi: Yêu cầu áp dụng phương pháp giải vào bài tập khó, có tính
chất nâng cao, vận dụng kiến thức một cách tổng hợp.
Phần II: NỘI DUNG
A/ KIẾN THỨC CƠ BẢN:
I/ Các khái niệm cơ bản:
1/ Vật sáng:
- Nguồn sáng là những vật tự phát ra ánh sáng. Ví dụ: Mặt Trời. Các loại đèn.
- Vật được chiếu sáng là những vật khi nhận được ánh sáng chiếu vào thì phát ra ánh
sáng. Ví dụ: Các vật mà mắt nhìn thấy khi có ánh sáng.
y

3


- Nguồn sáng và vật được chiếu sáng được gọi chung là vật sáng.
2/ Môi trường truyền sáng (Môi trường trong suốt) là môi trường cho hầu hết ánh sáng
truyền qua.
3/ Môi trường chắn sáng là môi trường không cho ánh sáng truyền qua.
4/ Tia sáng: là đường truyền của ánh sáng
Ký hiệu: Vẽ đường truyền
trên có mũi tên chỉ chiều
sáng.

của ánh sáng
truyền
ánh

a/ Hiện tượng phản xạ ánh sáng là hiện tượng tia sáng bị hắt trở lại môi trường cũ khi gặp
bề mặt nhẵn bóng.
y

4


- Bề mặt nhẵn bóng làm ánh sáng bị hắt trở lại gọi là mặt phản xạ.
b/ Các khái niệm:
- Tia tới: Phần ánh sáng tới.

N

- Điểm tới: Điểm tia tới gặp mặt phản

R

S

xạ.

- Tia phản xạ: Phần ánh sáng phản xạ.
i

- Pháp tuyến tại điểm tới: Đường thẳng
mặt phản xạ tại điểm tới.
- Mặt phẳng tới: Mặt phẳng chứa tia tới
tại điểm tới.

i'

I

I
y

r
K

r
K

5


- Tia tới: Phần ánh sáng tới.
- Điểm tới: Điểm tia tới gặp mặt phân cách giữa hai môi trường truyền sáng
- Tia khúc xạ: Phần ánh sáng khúc xạ.
- Pháp tuyến tại điểm tới: Đường thẳng vuông góc với mặt phân cách tại điểm tới.
- Mặt phẳng tới: Mặt phẳng chứa tia tới và pháp tuyến tại điểm tới.
- Góc tới : Góc hợp bởi tia tới và pháp tuyến tại điểm tới
- Góc khúc xạ: Góc hợp bởi tia khúc xạ và pháp tuyến tại điểm tới.
c/ Định luật khúc xạ ánh sáng:
- Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới, tia tới và tia khúc xạ ở hai bên pháp tuyến tại
điểm tới.
- Đối với một cặp môi trường trong suốt nhất định thì tỉ số

sin i
= h » ng sè . (i là góc tới, r
sin r


n1
n2

Như vậy: Môi trường có chiết suất lớn hơn thì chiết quang hơn.
Ngoài ra: Chiết suất của môi trường trong suốt tỉ lệ nghịch với tốc độ ánh sáng trong môi
trường đó.
v1 n 2
c
=
hay v =
v 2 n1
n

(c: tốc độ ánh sáng trong chân không)

d/ Cách vẽ tia khúc:
- Vẽ pháp tuyến tại điểm tới và xác định mặt phẳng tới.
- Xác định góc tới.
- Tính góc khúc xạ rồi vẽ về phía bên kia pháp tuyến một góc bằng góc khúc xạ, ta
được tia khúc xạ.
(Chú ý: Vẽ đúng trường hợp góc tới lớn hơn hay nhỏ hơn)
5/ Hiện tượng phản xạ toàn phần: Là hiện tượng toàn bộ tia sáng bị phản xạ khi truyền
đến mặt phân cách giữa hai môi trường truyền sáng (trong suốt),
Góc giới hạn phản xạ toàn phần: igh sin i gh =

n2
n1

Điều kiện để có phản xạ toàn phần:
- Tia sáng truyền từ môi trường chiết quang đến mặt phân cách với môi trường chiết

n2
n1

- Góc tới nhỏ hơn hoặc bằng góc giới hạn (i ≤ igh) → Có tia khúc xạ và góc khúc xạ
lớn hơn góc tới.
- Góc tới lớn hơn (i > igh) → Phản xạ toàn phần, toàn bộ tia sáng bị phản xạ.)
Một kỹ năng quan trọng mà học sinh cần nắm được là nhận biết được khi truyền
đến mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt thì có bao nhiêu trường hợp có thể xảy
ra. Các căn cứ để khẳng định đường đi tiếp theo của tia sáng. Để giúp học sinh giải quyết
khó khăn này, tôi đã đưa ra nhận xét như trên làm cơ sở khi xác định đường đi tiếp của tia
sáng. Sau đó làm bài tập cụ thể có liên quan để khắc sâu.
7/ Một số kiến thức hình học phẳng có liên quan.
II/ Phương pháp giải bài tập Vật lý: 4 bước
Bước 1: Tóm tắt đầu bài, đổi đơn vị, vẽ hình (nếu có)
Bước 2: Phân tích đầu bài tìm cách giải.
Bước 3: Thực hiện giải.
Bước 4: Biện luận và đáp số.
B/ THỰC HIỆN ÁP DỤNG TRONG CÁC BÀI TOÁN CƠ BẢN.

y

8


Ví dụ 1: Cho một lăng kính phản xạ toàn phần có tiết diện thẳng là tam giác vuông cân
ABC, có chiết suất n = 2 , đặt trong không khí có chiết suất là 1. Một tia sáng đơn sắc SI
nằm trong mặt phẳng tiết diện thẳng từ không khí truyền đến mặt bên AB tại I ở gần B
theo phương song song với mặt huyền BC. Hãy vẽ tiếp đường đi của tia sáng và tính góc
lệch của nó khi qua lăng kính.
Giải


r3
C

Đường truyền của tia sáng sẽ gặp mặt của lăng kính là mặt phân cách giữa hai
môi trường truyền sáng. Sử dụng nhận xét về đường đi của tia sáng trên tại từng điểm tới
y

9


để khẳng định tại các điểm tới ta cần vẽ tia nào. (Thông thường nếu có tia khúc xạ thì ta
vẽ tia khúc xạ, nếu phản xạ toàn phần thì ta vẽ tia phản xạ). Khi đã biết tại điểm tới đó ta
cần vẽ tia nào thì dùng cách vẽ tia sáng đó như lý thuyết đã nêu. Để vẽ được tia khúc xạ
cần xác định đúng môi trường 1, môi trường 2 để sử dụng trong công thức của định luật
khúc xạ ánh sáng. Một việc quan trọng là cần xác định điểm tới, tiếp theo thuộc mặt
phân cách nào, tính góc tới tiếp theo, trong việc này cần sử dụng đến những kiến thức
hình học phẳng một cách linh hoạt.
Lời giải cụ thể như sau:
Tia tới SI song song với mặt huyền BC nên tia sáng đến mặt AB tại I với góc tới
i 1 = 45 0

Tại I tia sáng truyền từ môi trường có chiết suất nhỏ đến mặt phân cách với môi trường
có chiết suất lớn hơn → Tại I có tia khúc xạ.
Sini 1 n LK
Sin 45 0
=
→
= 2 → r1 = 30 0 (vẽ tia khúc xạ)
Sinr1 n KK


10


Cách 2: Tại I tồn tại tia sáng SIJ, theo nguyên lý thuận nghịch của chiều truyền ánh sáng
thì sẽ tồn tại tia sáng JIS, mà ta có i 3 = i1. Như vậy tại K có tia khúc xạ và góc khúc xạ
r3 = i 1 = 45 0 . (vẽ tia khúc xạ)
Ta thấy tia tới vat tia ló cùng hướng nên góc lệch của tia sáng bằng 0 (nói cách khác: tia
sáng không bị đổi phương khi qua lăng kính)
Ví dụ 2: Cho một khối thuỷ tinh trong suốt có dạng khối lập phương có chiết suất n đặt
trong không khí có chiết suất là 1. Chiếu một tia sáng đến tâm mặt trên của khối lập
phương trên có góc tới là i1 có mặt phẳng tới song song với bên.
a/ Với i1 = 450 và n = 2 . Hãy vẽ tiếp đường đi của tia sáng?
b/ Với i1 đã cho. Hãy tìm điều kiện của n để sau khi khúc xạ ở mặt trên, tia sáng phản xạ
toàn phần ở mặt bên và ló ra ở mặt đáy?
Giải
Đường truyền của tia sáng sẽ gặp
lập phương là mặt phân cách giữa
trường truyền sáng. Sử dụng nhận
đi của tia sáng trên tại từng điểm
định tại các điểm tới ta cần vẽ tia

S
i1

I

A

B


mặt của khối
hai
môi
xét về đường
tới để khẳng
nào.
đều nằm trong
mặt phẳng tiết
tia khúc xạ
mặt
phẳng
truyền
đến
như sau:
cần
hướng
thức hình học
định điểm tới
phân
cách
theo của tia

Lời giải cụ thể như sau:
a/ Với i1 = 450 và n = 2 . Hãy vẽ tiếp đường đi của tia sáng
y

11



=
igh → Tại J tia sáng phản xạ toàn phần (vẽ tia phản xạ)
Sau khi phản xạ tại J tia sáng đến mặt DC tại K với góc tới i3 = 300.
y

12


(Để xét đường đi tiếp của tia sáng tại K ta dùng một trong hai cách sau)
Cách 1: Tại K tia sáng truyền từ môi trường có chiết suất lớn đến mặt phân cách với môi
trường có chiết suất nhỏ hơn.
I3 < igh → Tại K có tia khúc xạ.
Sini 3 n KK
Sin30 0
1

(Cần phân tích và chọn cách xác định điều kiện để tia sáng đến mặt bên BC, sau đó phân
tích để sở dụng được điều kiện đó ta cần tính những gì).
cos r1 = 1 − sin r1 =
2

n 2 − sin 2 i 1 → tan r = sin r1 =
1
cos r1
n

sin i 1
n 2 − sin 2 i 1

Gọi J là giao của tia khúc xạ tại I với đường thẳng BC

y

13


a n 2 − sin 2 i 1
BI
Ta có BJ =
=
tan r1
2 sin i 1
a n 2 − sin 2 i 1
Để tia sáng đến mặt bên BC thì BJ < BC →
< a → n < 5 sin i 1
2 sin i 1

Điều kiện để bài toán có kết quả: 1 + sin 2 i 1 ≤ 5 sin i 1 → sin i 1 ≥ → i 1 ≥ 30 0
S

Ví dụ 3: Cho hai khối chất rắn trong
như hình vẽ. Khối ADE là một lăng
thẳng là tam giác vuông cân AD = AE
suất là 3 . Khối ABCD là một hình
a và có chiết suất n, hệ thống đặt trong
chiết suất là 1. Một tia sáng đơn sắc
DE theo phương vuông góc với mặt
< ID.

E
I

A
D

a/ Với n = 1,5. Hãy vẽ tiếp đường đi

suốt được ghép
kính có tiết diện
= a, có chiết
lập phương cạnh
không khí có
chiếu đến mặt
này tại I với IE
của tia sáng?

y

1

igh → Tại J tia sáng phản xạ
tia phản xạ)

i1

Nên i1’ = i1 = 450.

i1’

Ta thấy tia phản xạ // DE nên tia sáng
K với góc tới i2 = 450.
Tại K tia sáng truyền từ môi trường có
đến mặt phân cách với môi trường có
hơn.
sin i ghK =

toàn phần. (vẽ

I



C

B

y

15


Sini 2
n
3
2
=
=
→ sin r2 =
(vẽ tia khúc xạ)
Sinr2
2
3
3
cos r2 = 1 − sin 2 r2 =

1
3

r2 > 450 → Tia sáng đến mặt DC tại M với góc tới i3 có i3 + r2 = 900.
Tại M tia sáng truyền từ môi trường có chiết suất lớn đến mặt phân cách với môi trường
có chiết suất nhỏ hơn.


Yêu cầu của đầu bài là tìm điều kiện của chiết suất n để tia sáng ló ra tại trung điểm của
DC. Trước hết hãy xét vị trí của điểm I là trường hợp nào. Ta có: DE = a 2 và
a 6 a 2
. Như vậy ta vẫn có IE < ID nên trong khối ADE tia sáng vẫn đi như trong



2

DK
3
→ r2 = 600.
=
KM
2

Tại K có khúc xạ ánh sáng. áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng ta có:
sin i 2
n
1 2
n
=
→
.
=
→n = 2
sin r2
3
2 3
3

Với n = 2 Tại K tia sáng truyền từ môi trường có chiết suất lớn đến mặt phân cách với
môi trường có chiết suất nhỏ hơn.
Sini ghK =

2

a/ Tính góc giới hạn phản xạ toàn phần đối với một tia sáng từ thuỷ tinh ra không khí?
b/ Vẽ đường đi của tia sáng (1) cách tia sáng đi qua tâm O một khoảng R 2 và tính góc
lệch của tia này khi đi ra khỏi khối thuỷ tinh.
c/ Vẽ đường đi của tia sáng (2) cách tia sáng đi qua tâm O một khoảng

R 3
2

d/ Xác định vùng trên mặt cầu có tia sáng ló ra?
e/ Chứng minh rằng: khoảng cách từ O tới giao điểm G của tia sáng không đi qua tâm O
ló ra ngoài với tia sáng đi qua tâm O phụ thuộc vào góc tới i của tia sáng trên mặt cầu.
Giải
Đây cũng là bài toán vẽ tiếp đường truyền của tia sáng khi truyền tới mặt phân cách
giữa hai môi trường truyền sáng. Giáo viên cũng hướng dẫn học sinh giải bài này như
các ví dụ trên. Tuy nhiên cần củng cố thêm cho học sinh một vài kiến thức có liên quan.
- Pháp tuyến của mặt phân cách là mặt cầu tại một điểm trùng với bán kính tại điểm đó.
- Các cách chứng minh một đại lượng phụ thuộc vào đại lượng khác. ở đây ta sử dụng
cách tìm biểu thức của đại lượng y theo đại lượng x, nếu trong biểu thức có đại lượng x
thì khẳng định được y phụ thuộc vào x, nếu trong biểu thức không có đại lượng x thì
khẳng định được y không phụ thuộc vào x,
- Một số kiến thức hình học có liên quan.
Lời giải cụ thể của bài như sau:
a/ Tính góc giới hạn phản xạ toàn phần đối với một tia sáng từ thuỷ tinh ra không khí
Đối với một tia sáng truyền từ thuỷ tinh ra không khí là trường hợp tia sáng truyền từ môi
trường có chiết suất lớn đến mặt phân cách với môi trường có chiết suất nhỏ hơn
sin i gh =

1
1
=

1
= →
=
→ r = 45 0 (vẽ tia khúc xạ)
sin r n
sin r
2

Góc lệch của tia sáng: δ = r – i = 450.
c/ Vẽ đường đi của tia sáng (2) cách tia
sáng đi qua tâm O một khoảng

R 3
2

i1

Tại mặt phẳng bán cầu, tia sáng (2) có
góc tới bằng 0 nên tia sáng (2) đi thẳng
tới mặt phẳng bán cầu tại I1 với góc tới i1
Có sin i 1 =

I1
i1’
i2
i2’

O

3


I1

Các tia sáng đến mặt phẳng bán cầu theo
phương vuông góc với mặt này nên đi
I2
thẳng tới mặt cầu. Tại mặt cầu các tia
O
sáng truyền từ môi trường có chiết suất
lớn đến mặt phân cách với môi trường
có chiết suất nhỏ hơn, tia nào có góc tới
I2
nhỏ hơn hoặc bằng igh thì có tia khúc xạ
và ló ra ngoài, các tia sáng có góc tới lớn hơn góc giói hạn thì tại mặt cầu sẽ phản xạ toàn
phần, không ló được ra ngoài. Như vậy vùng trên mặt cầu là một chỏm cầu nhận đường
thẳng qua tâm O làm trục đối xứng và có góc ở tâm là 900.
e/ Chứng minh rằng:
cách từ O tới giao điểm
sáng không đi qua tâm O
với tia sáng đi qua tâm O
vào góc tới i của tia sáng
cầu.

I
i

r
G

O

R 2 sin i cos i − sin i 1 − 2 sin 2 i
=
→ OG =
sin ( OIG ) sin ( IGO)
2 sin i

)

y

20

sáng:


(

R 2 cos i − 1 − 2 sin 2 i
→ OG =
2

)

Như vậy OG phụ thuộc vào góc tới i của tia sáng trên mặt cầu.
Phần III: KẾT LUẬN
1/Kết quả thực hiện đề tài:
Trước một thực trạng trong học sinh khi học ở THCS, việc học bộ môn vật lý vẫn chưa
được coi trọng (coi là môn phụ, đặc biệt là từ khi bỏ thi tót nghiệp THCS) nên học sinh
khi bước vào cấp THPT, tỷ lệ học sinh biết cách học tập bộ môn vật lý rất thấp, Việc vận
dụng kiến thức toán học vào học tập bộ môn vật lý nói chung và giải các bài tập vật lý

90%

v Tỷ lệ HS biết cách vẽ và vẽ được đường đi của
các tia sáng trong các trường hợp cơ bản của 90%
chương

80%

Tỷ lệ HS vận dụng cách giải trên vào các bài toán
70%
nâng cao

52%

Tỷ lệ học sinh vận dụng được cách giải trên trong
40%
phát triển tư duy Vật lý

22%

Năm học: 2010 – 2011
Nội dung thống kê

Lớp chọn Lớp đại trà

Tỷ lệ HS biết cách nhận xét về đường đi tiếp của
100%
tia sáng khi tới mặt phân cách giữa 2 môi trường

100%

Tỷ lệ HS biết cách vẽ và vẽ được đường đi của 100%

88%

y

22


các tia sáng trong các trường hợp cơ bản của
chương
Tỷ lệ HS vận dụng cách giải trên vào các bài toán
76%
nâng cao

65%

Tỷ lệ học sinh vận dụng được cách giải trên trong
63%
phát triển tư duy Vật lý

30%

2/ Lời bình:
Qua những năm vận dụng phương pháp hướng dẫn học sinh giải bài tập và rèn luyện kỹ
năng vẽ đường truyền của ánh sáng chiều như trên, tôi nhận thấy với mỗi giáo viên có
tâm huyết với giáo dục nói chung, và với những giáo viên Vật lý nói riêng cần phải tìm
tòi, suy nghĩ về nghiệp vụ sư phạm, sáng tạo được ít nhiều trong công việc của bản thân.
Việc đó đã đóng góp rất nhiều cho sự nghiệp giáo dục của tỉnh nhà và của đất nước.
Muốn đạt được thì cần phải có sự yêu nghề, tâm huyết với bộ môn đã chọn. Đặc biệt cần