Sáng kiến kinh nghiệm Giảng dạy chương Mắt và các dụng cụ quang học

A. Mở Đầu Có thể nói vật lý là môn khoa học có nhiều ứng dụng trong thực tế và trong đời sống cũng như trong khoa học kĩ thuật. Tuy nhiên có rất nhiều vấn đề mà học sinh cũng như mọi người còn thảo luận khó hiểu. Một trong những vấn đề đó là bài toán về mắt và các dụng quang học hổ trợ cho mắt. Đây là một bài toán vừa mang tính trừu tượng, vừa mang tính ứng dụng thực tế. Đa số học sinh của chúng ta vướng mắc khi giải bài toán về mắt và các dụng cụ quang học hổ trợ cho mắt. Với việc giảng dạy trong thực tế tôi thấy học sinh chưa hiểu sâu về các bài toán này, để khắc phục một phần nào đó tôi có đưa ra một số luận điểm của cá nhân qua chương trình giảng dạy, với mong muốn học sinh tiếp cận vấn đề này một cách tốt hơn. I. Lí do chọn đề tài - Mắt là một vấn đề rất thưc tế mà học sinh cũng như mọi người quan tâm. Bởi vì mắt không chỉ đơn thuần là một khái niệm như các nhà thơ, nhà văn từng miêu tả, về phương diện vật lí mà nói mắt là một bài toán mang tính trừu tượng đối với học sinh. - Về phương diện quang học mắt là “một máy ảnh sống” các bài toán về mắt đặc biệt là cách sửa tật của mắt và các dụng cụ quang học bổ trợ cho mắt học sinh thấy khó hiểu, trừu tượng. - Việc nắm vững kiến thức về phương diện quang học của mắt và các dung cụ quang học bổ trợ cho mắt, và đặc biệt là hoàn thành được các bài toán về nó là một điểm phát huy khả năng tư duy,tính tích cực học tập của học sinh. - Thấy rõ được điều đó tôi mạnh dạn đưa nội dung trên làm đề tài tham khảo cho học sinh, quý thầy cô giảng dạy. II. Mục tiêu 1. Về kiến thức - Giúp học sinh tự giác trong học tập và trình bày được các tật của mắt, các dụng cụ quang học bổ trợ cho mắt. - Vận dụng giải được các bài toán về mắt và các dụng cụ quang học bổ trợ cho mắt. 2. Về kĩ năng - Rèn luyện kĩ năng tư duy lôgic và giải thích các hiện tượng về mắt trong đời sống. III. Thời gian thực hiện Thực hiện trong 7 tiết theo phân phối chương trình vật lý 11. IV. Quá trình thực hiện đề tài Nắm vững các kiến thức về mắt và các dụng cụ quang học bổ trợ cho mắt. Để đạt được kết quả cao trước hết giáo viên cần kiểm tra học sinh và trang bị cho học sinh các kiến thức về mắt, các dụng cụ quang học hổ trợ cho mắt và đặc biệt là: Các kiến thức về lượng giác sin, cos, tan. Giải toán tốt và sử dụng máy tính cá nhân tốt. v. kết quả Lớp HS được kiểm tra (em) Xếp loại chất lượng Giỏi Khá Trung bình Yếu SL % SL % SL % SL % 11A2 48 2 4.2 22 45.8 24 50 0 0 11A4 42 0 0 20 47.6 20 47.6 2 4.8 B. Kiến thức cơ bản I. Mắt Mắt là một hệ gồm nhiều môi trường trong suất tiếp giáp nhau bằng các mặt cầu. Thấu kính mắt có vai trò như vật kính. Màng lưới có vai trò như phim. Khoảng cách từ thấu kính mắt đến màng lưới OV có giá trị nhất định d’(không đổi). Vì d’ cố định với mỗi mắt do đó để nhìn được các vật có vị trí khác nhau đặt trước mắt thì mắt cần điều tiết nghĩa là mắt phải thay đổi độ cong của thấu kính mắt(thể thuỷ tinh) và do đó thay đổi tiêu cự để sao cho ảnh của các vật ấy vẫn được tạo ra ở màng lưới. Trong quá trình điều tiết: Mắt Sơ đồ tạo ảnh qua mắt: AB A’B’ d d’ Ta luôn có: d’ = 0V (khoảng cách từ thuỷ tinh thể đến võng mạc không đổi, V là võng mạc). Khi vật lùi ra xa mắt ú d tăng ú f tăng ú thuỷ tinh thể xẹp xuống( độ tụ thuỷ tinh thể giảm) . Khi vật lùi lại gần mắt ú d giảm ú f giảm ú thuỷ tinh thể phồng lên(độ tụ thuỷ tinh thể tăng lên). Khi mắt ở trạng thái không điều tiết, tiêu cự của thuỷ tinh thể lớn nhất( độ tụ bé nhất) fMAX . Vật càng lại gần mắt, mắt càng phải điều tiết nghĩa là các cơ đỡ làm thuỷ tinh thể phồng lên để giảm bán kính cong, do đó tiêu cự thuỷ tinh thể giảm. Mắt ở trạng thái điều tiết tối đa khi đó tiêu cự của mắt nhỏ nhất fMIN . Điểm xa nhất nằm trên trục chính của mắt mà mắt còn nhìn thấy nó gọi là điểm cực viễn CV của mắt. Mắt không có tật điểm cực viễn ở vô cực. Điểm gần nhất nằm trên trục chính của mắt mà mắt còn nhìn thấy nó gọi là điểm cực cận CC của mắt. Mắt không có tật khoảng cách từ thuỷ tinh thể đến điểm cực cận 0CC = Đ ( thường cỡ 25cm). Để mắt có thể phân biệt được hai điểm A và B (thuộc vật nhỏ AB) thì góc trông vật không thể nhỏ hơn một giá trị tối thiểu gọi là năng suất phân li của mắt: = Min = 1’ Ví dụ: Một người có điểm nhìn rõ gần nhất cách mắt 20cm, điểm cực viễn cách mắt 50cm. Xác định khoảng biến thiên độ tụ của thuỷ tinh thể mắt người đó. Giải thích vì sao người này nhìn xa kém hơn người có mắt bình thường. II. Các tật của mắt 1. Tật cận thị + Mắt cận thị có độ tụ lớn hơn độ tụ của mắt bình thường (là mắt khi không điều tiết tiêu điểm của thủy tinh nằm trước võng mạc). + fmax < OV + Khoảng cách OCv hữu hạn. Điểm Cc gần mắt hơn bình thường. + Mắt cận có thể do bẩm sinh hoặc do đọc sách nhiều ở chỗ không đủ ánh sáng hoặc đọc sách quá gần. + Để khắc phục tật cận thị bằng cách đeo thấu kính phân kì có độ tụ thích hợp sao cho có thể nhìn được vật ở vô cực không phải điều tiết. Sơ đồ tạo ảnh khi đeo kính: Kính Mắt AB –––––––––––––> A1B1 –––––––––––––––> A2B2 º A'B' d d' a O d: Khoảng cách từ vật đến kính d': Khoảng cách từ ảnh A1B1 của vật qua kính đến kính. A: Khoảng cách từ ảnh A1B1 đến mắt. OV: Khoảng cách từ quang tâm thủy tinh thể đến võng mạc (màng lưới). Khi ngắm chừng ở cực cận (mắt điều tiết tối đa) thì ảnh A1B1 qua kính phải nằm ở điểm cực cận hay d' = - (OCc - l) Dấu "-" chỉ ảnh A1B1 qua thấu kính là ảnh ảo và l là khoảng cách từ mắt đến kính. VD1: Một học sinh có điểm cực viễn và cực cận cách mắt lần lượt là 50cm và 12 cm. a. Mắt học sinh bị tật gì ? Vì sao ? b. Để học sinh này đọc sách đặt cách mắt 27cm ở trạng thái mắt điều tiết tối đa thì học sinh đeo thấu kinh có độ tụ bằng bao nhiêu ? Biết kính đeo cách mắt 2cm. Giải a. Mắt học sinh bị tật cận thị vì điểm cực viễn có giới hạn (OCv = 50cm) và điểm cực cận gần mắt hơn bình thường. b. Học sinh đọc sách đặt cách mắt 27cm (d = 25cm vì cách kính 25cm) ở trạng thái mắt điều tiết tối đa. Do đó ảnh hưởng của cuốn sách qua kính phải nằm ở điểm cực cận của mắt hay d' = - (OCc - l) = - 10cm. Thấu kính phải đeo có độ tụ là: Thay số: d = 25cm = 0.25m d' = -10cm = - 0,1m Ta được: D = Vậy học sinh phải đeo thấu kính phân kì có độ tụ D = - 0,6dp Cách thực hiện ở trên ít được áp dụng ở ngoài thực tế. Khi ngắm chừng ở điểm cực viễn (mắt không phải điều tiết) thì ảnh A1B1 qua kính nằm ở điểm cực viễn của mắt hay d' = - (OCv - l) VD2: (Với đề ở VD1) a.... b. Để học sinh nhìn được vật ở vô cùng mà không điều tiết thì thấu kính học sinh phải đeo có độ tùng bằng bao nhiêu ? Biết kính đeo sát mắt. Giải a. VD1. b. Học sinh nhìn vật ở vô cùng mắt không phải điều tiết thì ảnh của vật phải nằm ở cực viễn của mắt hay d' = - (OCv - l). áp dụng công thức: Vì d = Ơ --> d' = f hay f = - (OCv - l) = -50cm = -0,m Vậy Học sinh phải đeo thấu kính phân kì có độ tụ D = 2dp Cách thực hiện này thường được áp dụng ngoài thực tế. 2. Tật viễn thị + Mắt viễn thị có độ tụ nhỏ hơn của mắt bình thường. + fmax > OV + Mắt viễn nhìn vật ở vô cực đã phải điều tiết. + Điểm cực cận Cc xa mắt hơn mắt bình thường. + Người viễn thị điều tiết mắt (giảm tiêu cự) có thể nhìn thấy được các vật ở xa. + Để khắc phục tật viễn thị, người viễn thị đeo kính hội tụ để nhìn rõ các vật ở gần như mắt bình thường. So đồ tạo ảnh khi đeo kính: Kính Mắt AB –––––––––> A1B1 ––––––––––> A2B2 º A'B' d d' a OV d; d'; a và OV như ở trên mục 1. Do người viễn thị có thể nhìn được các vật ở vô cực, còn các vật ở gần mắt thì không nhìn thấy do đó để nhìn được AB ở gần mắt thì ảnh của vật qua kính phải nằm ở điểm cực cận tức d' = -(OCc - l) hoặc có thể lớn hơn OCc. Độc giả có thể tự ra đề và giải. 3. Mắt lão + Hầu hết mọi người kể từ tuổi trung niên khả năng điều tiết giảm vì cơ mắt yếu đi và thủy tinh thể trở nên cứng hơn. Hậu quả là điểm cực cận Cc dời xa mắt. Đó là tật lão thị (mắt lão). + Mắt lão không phải là mắt viễn thị, mắt cận, viễn hay mắt không tật khi lớn tuổi đều có thêm tật lão thị. + Mắt lão nhìn vật ở vô cực không phải điều tiết. + Để khắc phục tật lão thị, phải đeo thấu kính hội tụ tương tự như người viễn thị. Độc giả tự ra đề và tự giải. III. Các dụng cụ quang học hỗ trợ cho mắt 1. Nhìn chung các dụng cụ quang học bổ trợ cho mắt + Các dụng cụ điều có tác dụng tạo ảnh với góc trông lớn hơn góc trông vật nhiều lần. Đại lượng đặc trưng cho tác dụng này là độ bội giác G: Trong đó: a là góc trông ảnh qua kính. a0 là góc trông vật có giá trị lớn nhất được xác định trong từng trường hợp (phụ thuộc vào mắt từng người). + Dụng cụ gồm 2 nhóm chính: - Các dụng cụ quan sát các vật nhỏ gồm kính lúp, kính hiển vi.... - Các dụng cụ quan sát các vật ở xa gồm kính thiên văn, ống nhòm,.... 2. Kính lúp a. Cấu tạo: Kính lúp được cấu tạo bởi một thấu kính hội tụ (hay 1 hệ ghép tương đương với một thấu kính hội tụ) có tiêu cự nhỏ (vài centimet). b. Cách ngắm chừng qua kính lúp + Khi quan sát một vật nhỏ qua kính lúp mắt nhìn ảnh ảo của vật đó qua kính. Muốn thế, vật phải đặt trong khoảng cách từ quang tâm O của kính đến tiêu điểm vật chính F. + Ngoài ra ảnh của vật qua kính phải nằm trong giới hạn nhìn rõ của mắt. + Như vậy ta phải điều chỉnh vật trước kính hoặc xê dịch kính trước vật. Nếu ảnh ở một vị trí xác định gọi là ngắm chừng ở vị trí đó. + Để quan sát trong 1 thời gian dài ta thường ngắm chừng ở điểm cực viễn để mắt không bị mỏi. c. Số bội giác của kính lúp Xuất phát từ công thức: Trong đó: Tana0= (hình 1) O VV B A Cc ã F' ã ã F O B A B' A' Kính Mắt Hình 2 Hình 1 Tana = l: khoảng cách từ mắt đến kính lúp. Do đó: G = * Khi ngắm chừng ở điểm cực cận. Ta có: + l = OCc Do đó: Gc = Kc = - Với d: là khoảng cách từ vật AB đến kính lúp. d': là khoảng cách từ ảnh A'B' đến kính lúp. Và d' = - (OCc - l) Ví dụ 3: Một người cận thị có điểm cực cận cách mắt 10cm. Người này dùng kính lúp để quan sát một vật nhỏ đặ trước kính. Mắt đặt cách kính 5cm, tiêu cự của kính f = 5cm. Tính độ bội giác của kính khi người ấy ngắm chừng ở điểm cực cận. Giải: Sơ đồ tạo ảnh Kính AB ––––––––––> A'B' d d' = - (OCc - l) Khi ngắm chừng ở điểm cực cận: d' = - (OCc - l) = -5cm áp dụng công thức: và k = - Suy ra: Gc = Kc = Thay số: Gc = = 2 * Khi ngắm chừng ở cực viễn( mắt cận) Ta có: + l = OCv Do đó: Gv = KV. Ví dụ 4: Một kính lúp có tiêu cự 4cm. Một người cận thi quan sát vật nhỏ qua kính lúp (mắt đặt cách kính 5cm) trên. Tính độ bội giác của ảnh khi người đó ngắm chừng ở điểm cực viễn. Biết điểm cực viễn và cực cận của người ấy cách mắt lần lượt là 105cm và 15cm. Giải: Sơ đồ tạo ảnh: Kính AB ––––––––––––> A'B' d d' = - (OCv - l) Khi ngắm chừng ở điểm cực viễn: d' = - (OCv - l) = -100cm => Kv = = Vậy Gv = KV.= * Khi ngắm chừng ở vô cực: Dễ dàng thiết lập được công thức: Độc giả tự ra đề và giải. Chú ý: Độ bội giác ở vô cực ký hiệu 3x; 5x,... hoặc X3; X5,... trên kính. 3. Kính hiển vi và kính thiên văn Với kính hiển vi và kính thiên văn thiết lập công thức cũng tương tự như kính lúp. Với lưu ý: Kính thiên văn và kính hiển vi trái ngược nhau, tuy nhiên việc tính toán về số bội giác và phạm vi ngắm chừng cần giải tốt bài toán về hệ số kính, mắt. 4. Các bài tập luyện tập Bài 1: Một người cận thị về già có điểm cực cận cách mắt 0,4m. Để có thể đọc sách cách mắt 20cm khi mắt điều tiết tối đa, người ấy đeo sát mắt một kính có độ tụ bằng bao nhiêu ? Đáp số: 2,5dp. Bài 2: Một người bình thường có điểm cực cận cách mắt 25cm quan sát một vật nhỏ qua kính lúp có tụ số 10dp. Kính sát mắt. Tính độ bội giác của kính khi người ấy ngắm chừng ở cực cận. Đáp số: 3,5. Bài 3: Một người viễn thị có điểm cực cận cách mắt 40cm. Nếu người này đeo kính có độ tụ +5/3 điốp thì nhìn được vật ở gần nhất là bao nhiêu ? Đáp số: 24cm. Bài 4: Một người có mắt không tật dùng một kính lúp có tiêu cự 2,5cm, không điều tiết. Khoảng nhìn rõ ngắn nhất của mắt là 25cm. Tính khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm trên vật mà mắt còn phân biệt được. Năng suất phân li của mắt là = 1' = 3.10-4rad. Đáp số: 7,5 . 10-4cm Bài 5: Một kính thiên văn có tiêu cự của vật kính, thị kính lần lượt là f1, f2. Điều nào sau đây đúng khi nói về trường hợp ngắm chừng ở vô cực của kính. A. Vật ở vô cực cho ảnh ở vô cực. B. Khoảng cách giữa vật kính và thị kính là l = f1 + f2. C. Độ bội giác G = f2/f1. D. Tiêu điểm ảnh của vật kính trùng với tiêu điểm vật của thị kính. Đáp số: C. Bài 6: Một kính hiển vi có tiêu cự của vật kính, thị kính lần lượt là f1 = 1cm, f2 = 4cm. Độ dài quang học của kính là 16cm. Người quan sát có mắt không thật, đặt sát thị kính có khoảng nhìn rõ ngắn nhất bằng 20cm. Mắt ngắm chừng ở điểm cực cận. Xác định vị trí của vật. Đáp số: Trước vật kính 1,06cm c. ý kiến đề xuất Với việc giảng dạy trong thực tế tôi thấy học sinh chưa hiểu sâu về các bài toán này, để khắc phục một phần nào đó tôi có đưa ra một số luận điểm của cá nhân qua chương trình giảng dậy, với mong muốn học sinh tiếp cận vấn đề này một cách tốt hơn. Với thực tế giảng dạy và kết quả đã thử nghiệm tôi thấy kết quả thật khả quan. Do vậy, cá nhân tôi mong rằng việc giảng dạy với những kinh nghiệm trên sẽ đem đến một phần nào đó sự bổ ích cho đồng nghiệp, cũng như đối với học sinh thân yêu. Rất mong sự quan tâm góp ý của đồng nghiệp cùng các độc giả. Cuối cùng tôi mong muốn chương trình giảng dạy theo cách trình bày của tôi ở trên sẽ được áp dụng vào trong thực tế bài dạy của giáo viên. Tôi xin chân thành cảm ơn. Ngọc Lặc, ngày 22 tháng 5 năm 2008 Người thực hiện Lê Đình Hòa Mục lục Trang