Bài 3. Khúc xạ ánh sáng và phản xạ toàn phần trang 19, 20, 21,22, 23 Khoa học tự nhiên 9 Cánh diều: Quan sát chiếc đũa được nhúng trong một hộp đựng nước ở hình 3.1...

Câu hỏi:

Quan sát chiếc đũa được nhúng trong một hộp đựng nước ở hình 3.1, ta thấy chiếc đũa như bị gãy tại mặt phân cách giữa nước và không khí. Vì sao lại xảy ra hiện tượng như vậy?

Hình 3.1. Chiếc đũa nhúng trong hộp đựng nước

Hướng dẫn giải :

Sử dụng định luật truyền thẳng của ánh sáng (Trong môi trường trong suốt và đồng tính, ánh sáng truyền đi theo đường thẳng) và quan sát hình ảnh cung cấp. Từ đó vận dụng kiến thức đã có và hiện tượng quan sát để giải thích. Ánh sáng truyền trong không khí theo đường thẳng. Ánh sáng truyền trong môi trường nước theo đường thẳng.

Lời giải chi tiết :

Ánh sáng truyền trong không khí theo đường thẳng. Ánh sáng truyền trong môi trường nước theo đường thẳng.

Tròng hình 3.1, ánh sáng đi từ không khí vào nước (không tuân theo định luật truyền thẳng ánh sáng) vì vậy, tia sáng đã bị gãy tại mặt phân cách giữa nước và không khí. Đó chính là hiện tượng khúc xạ ánh sáng. Khi đi từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác, tia sáng có thể bị gãy khúc tại mặt phân cách giữa hai môi trường (bị lệch khỏi phương truyền ban đầu).

Câu hỏi:

Nêu một số cách để quan sát đường đi tia sáng trong các môi trường trong suốt mà em biết.

Hướng dẫn giải :

Để quan sát đường đi tia sáng trong các môi trường trong suốt, thì cần chuẩn bị những dụng cụ thí nghiệm bao gồm: môi trường trong suốt (lăng kính, tấm nhựa trong suốt, thấu kính, không khí, nước lọc,…) và nguồn sáng. Dựa vào thí nghiệm ở hình 3.1, học sinh bố trí các cách để quan sát đường đi tia sáng trong các môi trường trong suốt mà em biết.

Lời giải chi tiết :

- Chiếu tia ánh sáng đi qua (tia sáng laser) một lăng kính hoặc thấu kính, từ đó quan sát tia sáng qua một lăng kính hoặc thấu kính là một đường thẳng.

- Chiếu tia ánh sáng đi qua (tia sáng laser) gương, sau đó ánh sáng phản xạ lại theo một đường thẳng.

- Sử dụng mô hình mô phỏng như các mô hình vật thể trong suốt và nguồn sáng để hiểu cách ánh sáng di chuyển qua chúng.

Câu hỏi:

Quan sát và mô tả bằng hình vẽ đường truyền của tia sáng khi đi từ không khí vào bản bán trụ. Rút ra nhận xét.

Hướng dẫn giải :

Sử dụng phát biểu về hiện tượng khúc xạ ánh sáng (Khi đi từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác, tia sáng có thể bị gãy khúc tại mặt phân cách giữa hai môi trường (bị lệch khỏi phương truyền ban đầu).) và định luật truyền thẳng của ánh sáng.

Lời giải chi tiết :

Khi đi từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác, tia sáng có thể bị gãy khúc tại mặt phân cách giữa hai môi trường (bị lệch khỏi phương truyền ban đầu)

Câu hỏi:

1. Mô tả và giải thích đường đi của tia sáng trong hình 3.3.

2. Nêu thêm một số hiện tượng khúc xạ ánh sáng trong đời sống.

Hướng dẫn giải :

1. Sử dụng phát biểu về hiện tượng khúc xạ ánh sáng (Khi đi từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác, tia sáng có thể bị gãy khúc tại mặt phân cách giữa hai môi trường (bị lệch khỏi phương truyền ban đầu).) và định luật truyền thẳng của ánh sáng. Từ đó học sinh mô tả và giải thích đường đi của tia sáng trong hình 3.3.

2. Sử dụng phát biểu về hiện tượng khúc xạ ánh sáng (Khi đi từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác, tia sáng có thể bị gãy khúc tại mặt phân cách giữa hai môi trường (bị lệch khỏi phương truyền ban đầu).) và quan sát các hiện tượng ngoài đời sống. Từ đó học sinh đưa ra các hiện tượng về khúc xạ ánh sáng trong đời sống.

Lời giải chi tiết :

1.

- Bắt đầu từ không khí: Tia sáng bắt đầu từ không khí theo đường thẳng.

- Chuyển sang khối thủy tinh: Khi tia sáng chạm vào bề mặt của khối thủy tinh, nó gãy khúc tại bề mặt phân cách giữa không khí và khối thủy tinh.

- Truyền qua khối thủy tinh: Tia sáng truyền qua khối thủy tinh theo đường thẳng với một hướng chệch so với hướng ban đầu.

- Chuyển ra khỏi khối thủy tinh: Khi tia sáng đến bề mặt phía bên kia của khối thủy tinh, nó tiếp tục bị gãy khúc tại bề mặt phân cách giữa khối thủy tinh và không khí.

- Tiếp tục truyền ra không khí: Tia sáng rời khối thủy tinh và tiếp tục di chuyển trong không khí theo đường thẳng.

Vì vậy, khi đi từ không khí khối thủy tinh và khối thủy tinh sang không khí, tia sáng bị gãy khúc tại mặt phân cách giữa hai môi trường do tính chất 2 môi trường khác nhau, và ánh sáng chỉ truyền thẳng trong một môi trường đồng tính, trong suốt.

2.

- Khi ta nhìn bóng cây cối trên bờ hồ có cảm giác như bóng cây đó "lùn” hơn bình thường.

- Trong đánh bắt, khi người đánh cá dùng lao phóng cá dưới nước thì họ sẽ không phóng trực tiếp vào con cá mà lại nhắm vào chỗ hơi xa hơn.

- Khi cắm một ống hút thẳng (hoặc một cây bút chì, thước, …) vào một cốc thủy tinh trong suốt đựng nước ta thấy ở mặt tiếp xúc giữa 2 môi trường nước và không khí ống hút (cây bút chì, thước, …) dường như bị gãy khúc.

Câu hỏi:

1. Trong bảng 3.1, tốc độ ánh sáng truyền trong môi trường nào là nhỏ nhất? Từ đó, cho biết chiết suất môi trường nào là lớn nhất.

2. Tính chiết suất của môi trường không khí ở 0 °C và 1 atm?

3. Tính chiết suất của mỗi loại thuỷ tinh.

Hướng dẫn giải :

1. Quan sát số liệu trong bảng và so sánh, rút ra được môi trường nào có tốc độ ánh sáng nhỏ nhất. Sau đó sử dụng mối quan hệ giữa tốc độ ánh sáng truyền trong môi trường tỉ lệ nghịch với chiết suất môi trường và rút ra được chiết suất môi trường nào là lớn nhất.

2, 3. Sử dụng biểu thức xác định chiết suất n của môi trường \(n = \frac{c}{v}\)để tính chiết suất của môi trường không khí ở 0 °C và 1 atm. Sử dụng biểu thức xác định chiết suất n của môi trường \(n = \frac{c}{v}\)để tính chiết suất của của mỗi loại thuỷ tinh.

Lời giải chi tiết :

1.

- Tốc độ: Không khí > Nước > Thủy tinh crown > Thủy tình flint > Kim cương

=> Tốc độ ánh sáng truyền trong môi trường kim cương là nhỏ nhất.

- Chiết suất môi trường: Không khí < Nước < Thủy tinh crown < Thủy tình flint < Kim cương

=> Chiết suất môi trường kim cương là lớn nhất.

2.

- Chiết suất của môi trường không khí ở 0 °C và 1 atm là: \(n = \frac{c}{v} = \frac{{{{3.10}^8}}}{{299636786}} \approx 1,0\)

3.

- Chiết suất của môi trường thủy tinh crown là: \(n = \frac{c}{v} = \frac{{{{3.10}^8}}}{{197187224}} \approx 1,52\)

- Chiết suất của môi trường thủy tinh flint là: \(n = \frac{c}{v} = \frac{{{{3.10}^8}}}{{180556976}} \approx 1,66\)

Câu hỏi:

Ở hình 3.5, em hãy chỉ ra:

• Môi trường chứa tia tới.

• Môi trường chứa tia khúc xạ.

• Điểm tới và pháp tuyến của mặt phân cách tại điểm tới đó.

Hướng dẫn giải :

Quan sát hình 3.5 và quy ước như hình 3.4, từ đó vận dụng để chỉ ra các đặc điểm mà nhiệm vụ yêu cầu.

Lời giải chi tiết :

• Môi trường chứa tia tới: không khí

• Môi trường chứa tia khúc xạ: bản bán trụ bằng thủy tinh

• Điểm tới: vị trí góc 30° ở góc phần tư thứ 2 (bên trái của hình)

• Pháp tuyến của mặt phân cách tại điểm tới đó: đường thẳng nối 2 vị trí góc 0° (phía trên và phía dưới của bản trụ)

Câu hỏi:

Chùm sáng từ Mặt Trời chiếu đến mặt nước với góc tới i = 30°, tỉnh góc khúc xạ r. Vẽ hình mô tả hiện tượng xảy ra.

Hướng dẫn giải :

Sử dụng biểu thức của định luật khúc xạ ánh sáng\(\frac{{\sin i}}{{\sin r}} = \frac{{{n_2}}}{{{n_1}}}\), chiết suất n của môi trường \(n = \frac{c}{v}\) _, tốc độ của nước trong bảng 3.1 và kiến thức về hiện tượng khúc xạ đã tìm hiểu để thực hiện tính toán và mô tả hiện tượng.

Lời giải chi tiết :

- Chiết suất của môi trường không khí là: \({n_1} = \frac{c}{v} = \frac{{{{3.10}^8}}}{{299636786}} \approx 1,0\)

- Chiết suất của môi trường nước là: \({n_2} = \frac{c}{{{v_{{\rm{nuoc}}}}}} = \frac{{{{3.10}^8}}}{{224849647}} \approx 1,33\)

- Định luật khúc xạ ánh sáng: \(\frac{{\sin i}}{{\sin r}} = \frac{{{n_2}}}{{{n_1}}} = > \sin r = \sin i.\frac{{{n_1}}}{{{n_2}}}\)

Thay số: \(\sin r = \sin 30.\frac{1}{{1,33}} \approx 0,376 = > r = \arcsin (0,376) \approx {22^o}\)

Câu hỏi:

1. Lắp đặt các dụng cụ như hình 3.5, chiếu tia sáng đi từ không khí vào bản bán trụ, tăng dần góc tới từ 0° đến 90°. Hãy cho biết có xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần hay không?

2. Tính góc tới hạn khi chiếu tia sáng đi từ nước ra không khí. Biết chiết suất của nước là n = 1,33. Với góc tới hạn tính được, em hãy thực hiện thí nghiệm kiểm tra điều kiện để xảy ra phản xạ toàn phần với hai môi trường nước và không khí.

Hướng dẫn giải :

1. Sử dụng kiến thức cung cấp trong sách giáo khoa trang 22 Khoa học tự nhiên 9 – và lắp đặt thí nghiệm tương ứng.

2. Sử dụng công thức tính giá trị góc giới hạn\(\sin {i_{th}} = \frac{{{n_2}}}{{{n_1}}}\), và thực hiện thí nghiệm kiểm tra điều kiện để xảy ra phản xạ toàn phần với hai môi trường nước và không khí.

Lời giải chi tiết :

1. Trong thí nghiệm trên, ban đầu ta quan sát thấy cả tia phản xạ và tia khúc xạ. Khi tăng dần góc tới từ 0° đến 90°, tia khúc xạ mờ dần, tia phản xạ sáng dần. Khi góc tới lớn hơn một giá trị nào đó thì ta chỉ thấy tia phản xạ. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng phản xạ toàn phần.

2.

Truyền từ nước ra không khí => n₁ = n = 1,33; n₂ = 1

- Góc giới hạn\(\sin {i_{th}} = \frac{{{n_2}}}{{{n_1}}} = \frac{1}{{1,33}} \approx 0,75 = > {i_{th}} = \arcsin (0,75) \approx 48^\circ 35’\)

- Thực hiện thí nghiệm kiểm tra điều kiện để xảy ra phản xạ toàn phần với hai môi trường nước và không khí:

+ Truyền từ môi trường nước sang môi trường không khí

+ Góc tới bằng hoặc lớn hơn góc \(48^\circ 35’\)

Câu hỏi:

Khi ta quan sát một vật ở dưới đáy bể nước (hình 3.8), ta có cảm giác vật và đáy bể ở gần mặt nước hơn so với thực tế. Em hãy giải thích hiện tượng này.

Hướng dẫn giải :

Sử dụng phát biểu về hiện tượng khúc xạ ánh sáng (Khi đi từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác, tia sáng có thể bị gãy khúc tại mặt phân cách giữa hai môi trường (bị lệch khỏi phương truyền ban đầu).) và quan sát các hiện tượng ngoài đời sống. Từ đó học sinh giải thích được hiện tượng nêu trên.

Lời giải chi tiết :

Đó là hiện tượng khúc xạ ánh sáng vì ánh sánh truyền từ môi trường không khí sang môi trường nước và ngược lại nên ánh sáng bị gãy khúc ở hai môi trường khác nhau. Nên khi nhìn xuống vật và đáy bể nước, ta có cảm giác vật và đáy bể ở gần mặt nước hơn so với thực tế

Câu hỏi:

Khi người thợ lặn dưới nước nhìn lên trên chỉ thấy có một vùng hình tròn sáng ở mặt nước, phía ngoài vùng đó bị tối đen mặc dù bên trên không có vật che sáng (hình 3.9) Em hãy giải thích hiện tượng này.

Hướng dẫn giải :

Sử dụng phát biểu về hiện tượng khúc xạ ánh sáng (Khi đi từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác, tia sáng có thể bị gãy khúc tại mặt phân cách giữa hai môi trường (bị lệch khỏi phương truyền ban đầu).) và quan sát các hiện tượng ngoài đời sống. Từ đó học sinh giải thích được hiện tượng nêu trên.

Lời giải chi tiết :

Trong trường hợp người thợ lặn nhìn lên mặt nước, vùng mà họ nhìn thấy sẽ là vùng nơi ánh sáng đã khúc xạ và đi vào nước. Còn phía ngoài vùng này, ánh sáng không đi vào nước mà tiếp tục di chuyển trong không khí. Do sự khúc xạ, chỉ những phần ánh sáng có góc nghiêng đủ nhỏ so với đối tượng nhìn mới có thể đi vào nước và tới đôi mắt của người thợ lặn. Những phần ánh sáng khác sẽ bị phản xạ hoặc tiếp tục đi vào không khí, tạo nên vùng bên ngoài vùng sáng mà người thợ lặn nhìn thấy, làm cho nó trở nên tối đen so với vùng ánh sáng chính.

Câu hỏi:

Sợi quang được ứng dụng trong nội soi, trang trí, truyền thông tin,... Sợi quang có thể cho ánh sáng đi từ đầu này đến đầu bên kia mà hầu như không giảm cường độ sáng. Tính chất này có được là do khi tia sáng truyền trong sợi quang nếu gặp lớp vỏ sẽ bị phản xạ toàn phần (hình 3.10). Nếu phần lõi sợi quang có chiết suất n₁, và lớp vỏ có chiết suất n₂ thì các chiết suất này phải có đặc điểm gì?

Hướng dẫn giải :

Sử dụng kiến thức về điều kiện xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần:

• Tia sáng đi từ môi trường chiết suất lớn sang môi trường chiết suất nhỏ hơn.

• Góc tới lớn hơn hoặc bằng góc tới hạn.

Từ đó vận dụng để đưa ra được đặc điểm của lớp vỏ có chiết suất n₂

Lời giải chi tiết :

- Phản xạ toàn phần xảy ở mặt phân cách giữa lõi và vỏ làm cho ánh sáng truyền đi được theo sợi quang. Vì vậy, phần vỏ bọc cũng trong suốt, bằng thủy tinh có chiết suất n₂ nhỏ hơn phần lõi.