Giáo án Bài 11. Sóng điện từ

HS nhận ra sóng điện từ có thể truyền trong chân không và đặt được vấn đề về tốc độ, bước sóng của các loại sóng điện từ.

GV đặt hai câu hỏi: (1) Âm thanh cần môi trường nào để truyền? (2) Ánh sáng từ Mặt Trời đi qua khoảng không gian gần như chân không để đến Trái Đất. Vậy sóng ánh sáng có cần môi trường vật chất không? HS trả lời cá nhân trong 1 phút, sau đó ghi câu hỏi “Mọi sóng điện từ có cùng tốc độ và cùng bước sóng không?” lên bảng.

• Âm thanh là sóng cơ, cần môi trường vật chất (rắn, lỏng, khí) để truyền.
• Ánh sáng là sóng điện từ, truyền được trong chân không, nên ánh sáng Mặt Trời đến được Trái Đất.
• Vấn đề cần giải quyết: sóng điện từ truyền trong chân không với tốc độ bằng bao nhiêu, và các sóng điện từ khác nhau ở điểm nào.

HS nêu được bản chất sóng điện từ, nêu được trong chân không mọi sóng điện từ có cùng tốc độ $c$ và vận dụng được $c = \lambda f$.

HS làm việc theo nhóm 4 người theo kĩ thuật khăn trải bàn. Nhiệm vụ: (1) Quan sát mô phỏng “Sóng điện từ” trên NeoEdu, nêu hướng dao động của điện trường $\vec{E}$, từ trường $\vec{B}$ và phương truyền sóng. (2) Đọc sách, thảo luận: tốc độ của sóng điện từ trong chân không là bao nhiêu? Mọi sóng điện từ có cùng tốc độ không? (3) Dùng hệ thức $c = \lambda f$ để giải thích: khi tần số tăng thì bước sóng thay đổi thế nào trong cùng môi trường.

• Sóng điện từ: điện trường và từ trường biến thiên, lan truyền trong không gian; $\vec{E}$ và $\vec{B}$ vuông góc với nhau và cùng vuông góc với phương truyền.
• Trong chân không, mọi sóng điện từ (ánh sáng, sóng vô tuyến, tia X…) đều truyền với cùng tốc độ $c \approx 3\cdot10^8$ m/s.
• Hệ thức $c = \lambda f$: với $c$ không đổi, bước sóng $\lambda$ tỉ lệ nghịch với tần số $f$; tần số càng lớn thì bước sóng càng ngắn.
• Kết luận: cùng tốc độ $c$ không có nghĩa là cùng bước sóng.

HS liệt kê được thứ tự các vùng của thang sóng điện từ, nêu bậc độ lớn bước sóng, đặc điểm và ứng dụng của từng vùng.

HS làm việc theo nhóm 4 người theo kĩ thuật mảnh ghép kết hợp trạm. Bước 1: Nhóm chuyên gia tìm hiểu một vùng sóng (vô tuyến, vi ba, hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tử ngoại, tia X, tia gamma) theo Phiếu học tập số 1. Bước 2: Các chuyên gia về lại nhóm gốc ghép thang sóng. Thước thang sóng điện từ trên mô phỏng NeoEdu: kéo tần số từ 3 kHz đến $3\cdot10^{20}$ Hz, quan sát bước dừng ở $200$ kHz, $100$ MHz, $5\cdot10^{14}$ Hz, $10^{18}$ Hz; quan sát lò vi sóng $2{,}45$ GHz và đèn hồng ngoại $940$ nm. Lưu ý: tia tử ngoại, tia X, tia gamma chỉ tìm hiểu qua dữ liệu và mô phỏng, không tự tạo nguồn hoặc quan sát trực tiếp.

Thang sóng điện từ theo tần số tăng dần, bước sóng giảm dần:

• Vô tuyến: bước sóng từ cỡ km đến cỡ $0{,}1$ m; ứng dụng phát thanh, truyền hình, điện thoại.
• Vi ba: bước sóng cỡ cm đến mm; ví dụ $2{,}45$ GHz tương ứng bước sóng cỡ $0{,}12$ m, dùng trong lò vi sóng và Wi‑Fi.
• Hồng ngoại: bước sóng từ mm đến cỡ $760$ nm; ví dụ đèn hồng ngoại $940$ nm; ứng dụng điều khiển từ xa, sưởi ấm.
• Ánh sáng nhìn thấy: bước sóng từ $380$ nm đến $760$ nm (ví dụ $600$ nm, tần số $5\cdot10^{14}$ Hz); mắt người cảm nhận được.
• Tử ngoại: bước sóng cỡ $10^{-8}$ m đến $380$ nm; ứng dụng khử trùng, sinh học.
• Tia X: bước sóng cỡ $10^{-11}$ m đến $10^{-8}$ m; ứng dụng chụp X‑quang, chẩn đoán y tế.
• Tia gamma: bước sóng nhỏ hơn cỡ $10^{-11}$ m, tần số lớn nhất; ứng dụng trong y học và công nghiệp, có nguy cơ sinh học cao.
  Ngoài ra: các vùng có ranh giới quy ước, không tách biệt tuyệt đối.

HS vận dụng $c = \lambda f$ và đổi đơn vị để giải các bài tập; nhận biết đúng và sai trong các phát biểu về sóng điện từ.

HS làm việc theo cặp đôi, luyện qua trò chơi “Trạm tính nhanh” (4 trạm, mỗi trạm 1 nhóm 2 HS). Đề bài tập:

1. Cho $f = 100$ MHz, $c = 3\cdot10^8$ m/s. Tính $\lambda$ (m).
2. Cho $\lambda = 0{,}5$ m, $c = 3\cdot10^8$ m/s. Tính $f$ theo đơn vị MHz.
3. Cho $\lambda = 600$ nm, $c = 3\cdot10^8$ m/s. Tính $f$ theo đơn vị $10^{14}$ Hz.
4. Sóng điện từ truyền trong chân không trong 1 μs, $c = 3\cdot10^8$ m/s. Tính quãng đường (m).
5. Sóng nào không cần môi trường vật chất để truyền? A. Sóng điện từ; B. Âm trong không khí; C. Sóng trên dây; D. Sóng trong lò xo.
6. Đúng hay sai (cùng môi trường chân không): a) Mọi sóng điện từ có tốc độ $c$; b) Tần số tăng làm bước sóng giảm; c) Âm là sóng điện từ; d) Tia X có tần số cao hơn ánh sáng nhìn thấy.
7. $600$ nm tương đương: A. $0{,}6$ m; B. $6\cdot10^{-9}$ m; C. $6\cdot10^{-7}$ m; D. $6\cdot10^{-4}$ m.
8. Vì sao không thể suy từ “cùng tốc độ chân không” rằng mọi sóng điện từ có cùng bước sóng?

Đáp án:

1. $\lambda = 3$ m ($f = 10^8$ Hz, $\lambda = c/f = 3$ m).
2. $f = 600$ MHz ($f = 6\cdot10^8$ Hz).
3. $f = 5$ (đơn vị $10^{14}$ Hz) vì $\lambda = 6\cdot10^{-7}$ m, $f = 5\cdot10^{14}$ Hz.
4. $s = 300$ m ($t = 10^{-6}$ s, $s = ct = 300$ m).
5. Đáp án A: sóng điện từ truyền được trong chân không.
6. a) Đúng; b) Đúng; c) Sai (âm là sóng cơ, cần môi trường); d) Đúng.
7. Đáp án C: $600\cdot10^{-9} = 6\cdot10^{-7}$ m.
8. Gợi ý chấm (1 điểm): nêu công thức $c = \lambda f$ (0,3 điểm); lập luận: cùng $c$ nhưng $f$ khác thì $\lambda$ khác theo tỉ lệ nghịch (0,3 điểm); hai ví dụ đúng (0,4 điểm): $f = 100$ MHz cho $\lambda = 3$ m, $f = 200$ MHz cho $\lambda = 1{,}5$ m, cả hai đều truyền với cùng tốc độ $c$ trong chân không.

HS vận dụng kiến thức về thang sóng và tốc độ sóng điện từ để giải thích các thiết bị trong đời sống và đề xuất cách an toàn khi sử dụng.

Mỗi nhóm 4 HS chọn một thiết bị: Phát thanh, truyền hình, Wi‑Fi; lò vi sóng; chụp X‑quang. Nhiệm vụ: (1) Xác định vùng sóng điện từ và bước sóng gần đúng của thiết bị (có thể dùng $\lambda = c/f$ với $f = 2{,}45$ GHz cho lò vi sóng). (2) Nêu đặc điểm và ứng dụng. (3) Nêu một biện pháp an toàn khi sử dụng. Giao về nhà: mỗi HS viết một đoạn ngắn (khoảng 5 câu) về một thiết bị em thấy hằng ngày.

Sản phẩm nhóm (dạng poster hoặc sơ đồ):

• Lò vi sóng: vùng vi ba; $f = 2{,}45$ GHz, $\lambda = c/f \approx 0{,}12$ m; dùng để làm nóng thức ăn.
• Wi‑Fi: vùng vi ba; bước sóng cỡ cm đến dm (tùy tần số); truyền dữ liệu không dây.
• Chụp X‑quang: vùng tia X; bước sóng cỡ $10^{-11}$ m đến $10^{-8}$ m; chẩn đoán y tế, cần bảo vệ bằng thiết bị che chắn.
  Biện pháp an toàn: hạn chế thời gian tiếp xúc với tia X; không tự ý sử dụng lò vi sóng khi đã hỏng cửa.