Đáp án Vật lí 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: 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?

Hướng dẫn chi tiết:

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

Trong 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).

I. HIỆN TƯỢNG KHÚC XẠ ÁNH SÁNG

Câu 1: Nêu một số cách để quan sát đường tia sáng trong các môi trường trong suốt mà em biết.

Hướng dẫn chi tiết:

• Sử dụng tia sáng laser
• Sử dụng bể cá/hộp thủy tinh
• Sử dụng lăng kính
• Sử dụng bóng đèn và màn hình

Câu 2: Mô tả và giải thích đường đi của tia sáng trong hình 3.3.

Hướng dẫn chi tiết:

• 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 3: Nêu thêm một số hiện tượng khúc xạ ánh sáng trong đời sống.

Hướng dẫn chi tiết:

Ảnh ảo dưới đáy hồ, bầu trời có màu xanh, cầu vồng, kính lúp, ống nhòm,...

II. ĐỊNH LUẬT KHÚC XẠ ÁNH SÁNG

Câu 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.

Hướng dẫn chi tiết:

• Tốc độ ánh sáng truyền trong môi trường kim cương là nhỏ nhất với giá trị 123.904.332 m/s.
• Tốc độ ánh sáng truyền trong môi trường không khí là lớn nhất với giá trị 299.792.458 m/s.
• Kim cương có chiết suất lớn nhất trong các môi trường được liệt kê trong bảng 3.1.

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

Hướng dẫn chi tiết:

n = 299.792.458/299.705 ≈ 1.000293

Câu 3: Tính chiết suất của mỗi loại thuỷ tinh.

Hướng dẫn chi tiết:

• Thủy tinh crown: n₂ = c/v₂ = 299.792.458/197.187.224 ≈ 1.522
• Thủy tinh flint: n₃ = c/v₃ = 299.792.458/180.556.976 ≈ 1.662

Câu 4: 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 chi tiết:

• Môi trường chứa tia tới : Không khí
• Môi trường chứa tia khúc xạ: Nước
• Điểm tới và pháp tuyến của mặt phân cách tại điểm tới đó: Điểm tới nơi tia sáng đi từ môi trường không khí đi vào môi trường nước, pháp tuyến là đường thẳng vuông góc với mặt phân cách.

Câu 5: 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.

Hướng dẫn chi tiết:

1 * sin(30°) = 1.33 * sin(r) ® sin(r) = 0.3624 ® r ≈ 21.48°

 

III. HIỆN TƯỢNG PHẢN XẠ TOÀN PHẦN

Câu 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.

Hướng dẫn chi tiết:

• Khi góc tới nhỏ hơn góc giới hạn phản xạ toàn phần, tia sáng sẽ phân chia thành hai phần: Một phần phản xạ Một phần khúc xạ
• Khi góc tới bằng góc giới hạn phản xạ toàn phần, tia sáng sẽ phản xạ toàn phần.
• Khi góc tới lớn hơn góc giới hạn phản xạ toàn phần, tia sáng sẽ phản xạ toàn phần.

Câu 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 chi tiết:

sin(i_th) = 1/1.33 ≈ 0.75 ® i_th ≈ 48.6°

Câu 3: Khi ta quan sát một vật ở dưới đây bề nước (hình 3.8), ta có cảm giác vật và đây bể ở gần mặt nước hơn so với thực tế. Em hãy giái thích hiện tượng này.

Hướng dẫn 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.

Vận dụng: Khi người thợ lặn ở 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 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.

ruyền trong môi trường nước theo đường thẳng. Trong 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). I. HIỆN TƯỢNG KHÚC XẠ ÁNH SÁNG Câu 1: Nêu một số cách để quan sát đường tia sáng trong các môi trường trong suốt mà em biết. Hướng dẫn chi tiết:  Sử dụng tia sáng laser  Sử dụng bể cá/hộp thủy tinh  Sử dụng lăng kính  Sử dụng bóng đèn và màn hình Câu 2: Mô tả và giải thích đường đi của tia sáng trong hình 3.3. Hướng dẫn chi tiết:  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 3: Nêu thêm một số hiện tượng khúc xạ ánh sáng trong đời sống. Hướng dẫn chi tiết: Ảnh ảo dưới đáy hồ, bầu trời có màu xanh, cầu vồng, kính lúp, ống nhòm,... II. ĐỊNH LUẬT KHÚC XẠ ÁNH SÁNG Câu 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. Hướng dẫn chi tiết:  Tốc độ ánh sáng truyền trong môi trường kim cương là nhỏ nhất với giá trị 123.904.332 m/s.  Tốc độ ánh sáng truyền trong môi trường không khí là lớn nhất với giá trị 299.792.458 m/s.  Kim cương có chiết suất lớn nhất trong các môi trường được liệt kê trong bảng 3.1. Câu 2: Tính chiết suất của môi trường không khí ở 0°C và 1 atm. Hướng dẫn chi tiết: n = 299.792.458/299.705 ≈ 1.000293 Câu 3: Tính chiết suất của mỗi loại thuỷ tinh. Hướng dẫn chi tiết:  Thủy tinh crown: n2 = c/v2 = 299.792.458/197.187.224 ≈ 1.522  Thủy tinh flint: n3 = c/v3 = 299.792.458/180.556.976 ≈ 1.662 Câu 4: 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 chi tiết:  Môi trường chứa tia tới : Không khí  Môi trường chứa tia khúc xạ: Nước  Điểm tới và pháp tuyến của mặt phân cách tại điểm tới đó: Điểm tới nơi tia sáng đi từ môi trường không khí đi vào môi trường nước, pháp tuyến là đường thẳng vuông góc với mặt phân cách. Câu 5: 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. Hướng dẫn chi tiết: 1 * sin(30°) = 1.33 * sin(r)  sin(r) = 0.3624  r ≈ 21.48° III. HIỆN TƯỢNG PHẢN XẠ TOÀN PHẦN Câu 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. Hướng dẫn chi tiết:  Khi góc tới nhỏ hơn góc giới hạn phản xạ toàn phần, tia sáng sẽ phân chia thành hai phần: Một phần phản xạ Một phần khúc xạ  Khi góc tới bằng góc giới hạn phản xạ toàn phần, tia sáng sẽ phản xạ toàn phần.  Khi góc tới lớn hơn góc giới hạn phản xạ toàn phần, tia sáng sẽ phản xạ toàn phần. Câu 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 chi tiết: sin(ith) = 1/1.33 ≈ 0.75  ith ≈ 48.6° Câu 3: Khi ta quan sát một vật ở dưới đây bề nước (hình 3.8), ta có cảm giác vật và đây bể ở gần mặt nước hơn so với thực tế. Em hãy giái thích hiện tượng này. Hướng dẫn 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. Vận dụng: Khi người thợ lặn ở 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 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.