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

Xảy ra hiện tượng như trên là do sự khúc xạ ánh sáng. Tia sáng khi đi từ môi trường không khí sang môi trường nước bị gãy khúc (bị lệch khỏi phương truyền ban đầu) tại mặt phân cách giữa hai môi trường.

- Đặt laser, lăng kính hoặc thấu kính trên một mặt phẳng màu trắng. Sử dụng laser chiếu tia sáng cho đi qua lăng kính hoặc thấu kính ta sẽ quan sát được đường đi của tia sáng trên mặt phẳng hứng.

- Sử dụng một bể cá/ hộp thủy tinh có chứa nước, đặt một mặt phẳng màu trắng bên trong và vuông góc với đáy bể cá/hộp thủy tinh. Gắn tia sáng laser trên mặt phẳng, chiếu tia sáng laser qua tâm của mặt phẳng trên cùng một bề mặt (dựng sẵn hai đường thẳng vuông góc trên mặt phẳng – xác định tâm của mặt phẳng). Tia sáng laser truyền từ không khí sang nước, ta quan sát được đường truyền tia sáng trên mặt phẳng.

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).

- Mô tả đường đi của tia sáng:

+ Tia sáng đi từ môi trường không khí tới mặt phân cách giữa hai môi trường bị gãy khúc sang môi trường thủy tinh.

+ Tia sáng đi từ môi trường thủy tinh tới mặt phân cách giữa hai môi trường bị gãy khúc sang môi trường không khí.

- Giải thích: Khi tia sáng đi từ không khí sang khối thủy tinh và khi tia sáng đi từ 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.

- Khi nhìn con cá dưới nước, ta có cảm giác con cá gần mặt nước hơn so với vị trí thực tế của nó.

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

- Dựa vào số liệu bảng 3.1 ta thấy: Tốc độ ánh sáng truyền trong môi trường kim cương là nhỏ nhất.

- Ta có: n=cv nên tốc độ truyền ánh sáng trong môi trường càng nhỏ thì chiết suất môi trường càng lớn.

 Chiết suất môi trường kim cương là lớn nhất.

Chiết suất của môi trường không khí ở 0 °C và 1 atm là: n=cv=3.1082,997.108≈1

- Chiết suất của môi trường thủy tinh crown là: n1=cv1=3.1081,972.108≈1,52

- Chiết suất của môi trường thủy tinh flint là: n2=cv2=3.1081,806.108≈1,66

Bảng 3.2

- Nhận xét về mối liên hệ giữa góc tới và góc khúc xạ: Góc tới tăng thì góc khúc xạ cũng tăng theo.

- Nhận xét về tỉ số sin isin​ r :

+ Ta thu được tỉ sốsin isin​ r  ở các trường hợp khác nhau là gần bằng nhau.

+ Tỉ số sin isin​ r xấp xỉ bằng với tỉ số chiết suất hai môi trường n2n1.

• Môi trường chứa tia tới là môi trường không khí.

• Môi trường chứa tia khúc xạ là bản bán trụ bằng thủy tinh (môi trường thủy tinh).

• Điểm tới là vị trí giao điểm giữa tia tới và mặt phẳng bán trụ thủy tinh.

• Pháp tuyến của mặt phân cách tại điểm tới là đường thẳng vuông góc với mặt phẳng bán trụ thủy tinh và đi qua điểm tới.

- Chiết suất của môi trường không khí là: n1=cv1=3.1082,997.108=1

- Chiết suất của môi trường nước là: n2=cv2=3.1082,249.108=1,33

Theo định luật khúc xạ ánh sáng: sin isin r=n2n1⇒sin r=n1.sin in2=1.sin3001,33≈0,376⇒r≈22°.

- Đường đi của tia sáng: Tia sáng chiếu vào bản bán trụ truyền thẳng, khi tới mặt phân cách giữa môi trường thủy tinh và môi trường không khí thì tia sáng bị khúc xạ.

- Nhận xét về độ sáng của tia phản xạ, tia khúc xạ so với tia tới:

- Xác định góc tới khi bắt đầu không còn quan sát thấy tia khúc xạ:

Giả sử, sử dụng thủy tinh crown.

Chiết suất của thủy tinh crown là ntt=cvtt=3.1081,972.108≈1,52

Góc giới hạn để bắt đầu không còn thấy tia khúc xạ:

sin igh=nkkntt=11,52≈0,658⇒igh=arcsin0,658≈410

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°, ta thấy luôn có tia khúc xạ ở môi trường thủy tinh. Như vậy, ở trường hợp này không xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần.

- Góc tới hạn khi chiếu tia sáng đi từ nước ra không khí là

sinith=nkknnc=11,33≈0,752⇒igh=arcsin0,752≈48045'

- Thực hiện thí nghiệm kiểm tra điều kiện để xảy ra phản xạ toàn phần với hai môi trường nước và không khí, ta cần phải tuân thủ đúng 2 điều kiện:

+ Chiếu tia sáng truyền từ môi trường nước sang môi trường không khí.

+ Chiếu góc tới lớn hơn góc i_th = 48⁰45’.

Vì khi tia sáng đi từ không khí sang nước, tại mặt phân cách giữa hai môi trường xảy ra hiện tượng khúc xạ ánh sáng, chiết suất của nước lớn hơn chiết suất của không khí nên tia khúc xạ trong môi trường nước gần pháp tuyến hơn so với tia tới, do đó đường kéo dài của tia tới trong môi trường nước được nâng lên cao hơn, cắt với đường vuông góc với mặt phân cách và đi qua vị trí vật thật tại điểm gần mặt nước hơn.

Do vậy, 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.

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. Vì:

+ Ta chỉ quan sát được vật khi có ánh sáng truyền vào mắt ta, khi không có ánh sáng từ vật truyền vào mắt ta thì sẽ thấy tối đen.

+ Tia sáng truyền theo chiều nào thì cũng truyền ngược lại theo chiều đó.

+ Khi tia sáng truyền từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác thì tại mặt phân cách giữa hai môi trường xảy ra hiện tượng khúc xạ ánh sáng.

Do vậy, chỉ nhìn được một vùng không gian có giới hạn bởi hai chùm tia sáng như hình ảnh minh họa phía trên.

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: Chiết suất n₂ phải nhỏ hơn chiết suất n₁. Là điều kiện cần để xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần.