Giáo án Bài 5. Khúc xạ ánh sáng

Tạo tình huống có vấn đề, giúp HS nhận biết ánh sáng có thể đổi hướng khi đi từ môi trường này sang môi trường khác và xác định nhiệm vụ học tập của bài.

GV đặt cốc nước có đũa đứng nghiêng và cho HS quan sát. HS trả lời câu hỏi: “Vì sao chiếc đũa trông như bị gãy ở mặt nước?” và “Mắt ta nhận biết vị trí chiếc đũa theo đường đi của tia sáng nào?”. HS dự đoán, ghi ra nháp, không cần đúng hoàn toàn.

Các dự đoán ban đầu của HS được ghi lên bảng. Dự kiến HS nêu: ánh sáng đi từ nước ra không khí đã bị lệch hướng ở mặt nước, nên đường đi của tia sáng bị gãy. Nhiệm vụ học tập: tìm hiểu hiện tượng khúc xạ, góc khúc xạ và chiết suất tỉ đối.

HS nêu được định nghĩa khúc xạ, định nghĩa góc khúc xạ và phân biệt được góc tới, góc khúc xạ đều đo với pháp tuyến tại điểm tới.

HS làm việc theo cặp với mô phỏng 3D trong trang bài học NeoEdu. Nhiệm vụ 1: chiếu tia laser dọc pháp tuyến và quan sát đường đi của tia. Nhiệm vụ 2: chiếu tia xiên với góc tới i = 40° và đọc góc khúc xạ r. Nhiệm vụ 3: thay đổi i (20°, 30°, 40°, 60°), đọc r và điền vào Phiếu học tập số 1. Câu hỏi GV đặt ra: “Góc tới và góc khúc xạ được đo với đường nào?”; “Khi chiếu dọc pháp tuyến, tia sáng có bị đổi hướng không?”; “Khi tia đi từ không khí vào nước, tia khúc xạ gần hay xa pháp tuyến hơn tia tới?”.

Dự kiến kết quả: khi i = 0°, tia đi thẳng, r = 0°. Với i = 40°, r ≈ 29°, tia lệch lại gần pháp tuyến. Với i = 20°, r ≈ 15°; i = 30°, r ≈ 22°; i = 60°, r ≈ 41°. HS rút ra: khúc xạ là hiện tượng tia sáng đổi phương khi truyền xiên qua mặt phân cách hai môi trường; góc khúc xạ là góc giữa tia khúc xạ và pháp tuyến tại điểm tới; cả góc tới và góc khúc xạ đều đo với pháp tuyến, không đo với mặt nước.

HS nêu được chiết suất tỉ đối liên hệ với tỉ số sin i / sin r = n₂ / n₁ và nhận biết tỉ số này không đổi với cùng một cặp môi trường.

Từ số liệu Phiếu học tập số 1, HS tính sin i, sin r và tỉ số $\dfrac{\sin i}{\sin r}$ cho từng trường hợp, sau đó so sánh các kết quả. Với không khí (n₁ = 1) và nước (n₂ = 1,33), HS kiểm tra hệ thức $\dfrac{\sin i}{\sin r}=\dfrac{n_2}{n_1}$. Câu hỏi GV đặt ra: “Khi góc tới tăng, tỉ số sin i / sin r thay đổi thế nào?”; “Giá trị tỉ số này gần bằng bao nhiêu với nước?”; “Chiết suất tỉ đối mô tả điều gì?”.

Dự kiến kết quả: sin 40° ≈ 0,643; sin 29° ≈ 0,485; $\dfrac{\sin 40^\circ}{\sin 29^\circ}\approx 1{,}33$. Với các góc tới khác, tỉ số luôn xấp xỉ 1,33. HS rút ra: chiết suất tỉ đối liên hệ với hệ thức $\dfrac{\sin i}{\sin r}=\dfrac{n_2}{n_1}$ đối với ánh sáng đơn sắc; với cặp không khí – nước, tỉ số này bằng 1,33 và không phụ thuộc góc tới.

HS vận dụng định nghĩa khúc xạ, góc khúc xạ, chiết suất tỉ đối để trả lời các câu hỏi trắc nghiệm, ghép khái niệm, phát hiện sai lầm và giải tình huống từ không khí vào nước.

HS làm việc theo nhóm 4 với 8 câu trong mục bài tập: câu 1–2 chọn đáp án; câu 3 ghép khái niệm; câu 4 xét đúng sai; câu 5 chọn thuật ngữ; câu 6 giải tình huống 40° và 29°; câu 7 giải thích nhìn vật trong nước thấy nông hơn; câu 8 bác bỏ nhận định “Góc khúc xạ luôn đo với mặt phân cách” và viết lại kết luận đúng. GV yêu cầu nhóm ghi lời giải ngắn vào bảng nhóm.

Đáp án dự kiến: Câu 1: C. Câu 2: A. Câu 3: khúc xạ – tia sáng đổi phương khi truyền xiên qua mặt phân cách hai môi trường; góc khúc xạ – đo giữa tia khúc xạ và pháp tuyến tại điểm tới; chiết suất tỉ đối – liên hệ sin i/sin r = n₂/n₁ với mô hình ánh sáng đơn sắc. Câu 4: Sai, góc khúc xạ đo với pháp tuyến. Câu 5: chiết suất tỉ đối. Câu 6: r = 29° < i = 40° nên tia khúc xạ lệch gần pháp tuyến; không lấy góc với mặt nước để so sánh; phần phản xạ vẫn có thể tồn tại. Câu 7: tia sáng qua mặt nước bị khúc xạ, đường kéo dài của tia đi tới mắt cho vị trí ảo nằm nông hơn vị trí thật; không dựa vào nhìn để ước độ sâu rồi xuống nước. Câu 8: lí do: cả góc tới và góc khúc xạ đều đo với pháp tuyến; hệ quả: với góc 29° đo cùng pháp tuyến, nếu ghi sai thành 61° sẽ vẽ sai tia lệch; phát biểu sửa: “Góc khúc xạ là góc giữa tia khúc xạ và pháp tuyến tại điểm tới.”

HS vận dụng kiến thức khúc xạ để giải thích hai hiện tượng thực tế và nêu được điều cần lưu ý khi ước lượng độ sâu, đảm bảo an toàn.

Mỗi nhóm nhận phiếu tình huống: (1) Vì sao người đứng bên bờ nhìn thấy đáy hồ nước trong nông hơn thực tế? (2) Một bạn nói “nhìn thấy đáy bể nông 1 m nên đứng xuống là đủ”, em nhận xét thế nào? (3) Vì sao có thể thấy cá trong bể ở vị trí khác vị trí thật? GV yêu cầu nhóm nêu một quy tắc an toàn khi tiếp cận mặt nước.

Dự kiến: (1) Tia sáng từ đáy đi lên qua mặt nước bị khúc xạ, đường kéo dài của tia cho vị trí ảo nông hơn vị trí thật. (2) Không nên dựa vào nhìn để ước độ sâu rồi xuống nước; vị trí nhìn thấy không phải vị trí thật, có thể gây nguy hiểm. (3) Ánh sáng từ cá đến mắt bị khúc xạ ở mặt nước nên vị trí biểu kiến khác vị trí thật. Quy tắc an toàn: không nhảy xuống nước khi chưa biết độ sâu, luôn có người lớn hướng dẫn khi ở gần hồ, bể.