Giải Khoa học tự nhiên 9 Cánh diều Bài 3: Khúc xạ ánh sáng và phản xạ toàn phần

Bài 3: Khúc xạ ánh sáng và phản xạ toàn phần
Mở đầu trang 19 KHTN 9: 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 Lời giải:
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 1 trang 19 KHTN 9: Nêu một số cách để quan sát đường đi tia sáng trong
các môi trường trong suốt mà em biết. Lời giải:
- 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.
Thí nghiệm trang 19 KHTN 9: 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. Lời giải:
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 2 trang 20 KHTN 9: Mô tả và giải thích đường đi của tia sáng trong hình 3.3. Lời giải:
- 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.
Câu hỏi 3 trang 20 KHTN 9: Nêu thêm một số hiện tượng khúc xạ ánh sáng trong đời sống. Lời giải:
- 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 4 trang 20 KHTN 9: 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. Lời giải:
- 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.
Câu hỏi 5 trang 20 KHTN 9: Tính chiết suất của môi trường không khí ở 0 °C và 1 atm? Lời giải:
- Chiết suất của môi trường không khí ở 0 °C và 1 atm là:
Câu hỏi 6 trang 20 KHTN 9: Tính chiết suất của mỗi loại thuỷ tinh. Lời giải:
- Chiết suất của môi trường thủy tinh crown là:
- Chiết suất của môi trường thủy tinh flint là:
Câu hỏi 7 trang 21 KHTN 9: 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. Lời giải:
• 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)
Luyện tập 1 trang 21 KHTN 9: Chùm sáng từ Mặt Trời chiếu đến mặt nước với góc
tới i = 30°, tính góc khúc xạ r. Vẽ hình mô tả hiện tượng xảy ra. Lời giải:
Luyện tập 2 trang 22 KHTN 9: 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? Lời giải:
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.
Luyện tập 3 trang 22 KHTN 9: 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. Lời giải:
Truyền từ nước ra không khí => n1 = n = 1,33; n2 = 1
- 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∘35′
Luyện tập 4 trang 23 KHTN 9: 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. Lời giải:
Đó là hiện tượng khúc xạ ánh sáng vì ánh sáng 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
Vận dụng trang 23 KHTN 9: 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. Lời giải:
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.
Tìm hiểu thêm trang 23 KHTN 9: 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? Lời giải:
- 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.