Giải chi tiết Khoa học tự nhiên 9 Cánh diều bài 3 Khúc xạ ánh sáng và phản xa 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? 

Bài làm chi tiết:

Hình 3.1 cho thấy một chiếc đũa được nhúng vào một hộp đựng nước. Khi nhìn qua thành hộp, ta thấy hình ảnh chiếc đũa như bị gãy khúc tại mặt phân cách giữa nước và không khí. Hiện tượng này xảy ra do sự khúc xạ ánh sáng.

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.

Bài làm 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.

Bài làm chi tiết:

Mô tả: 

• Hình 3.3 mô tả đường đi của tia sáng khi đi qua khối thủy tinh. 
• Tia sáng đi từ môi trường không khí sang môi trường thủy tinh và tới mặt phân cách giữa hai môi trường. 
• Tia sáng bị gãy khúc tại mặt phân cách, bẻ cong tới pháp tuyến. Tia sáng đi trong khối thủy tinh tới điểm I. 
• Tia sáng đi từ môi trường thủy tinh sang môi trường không khí và tới mặt phân cách giữa hai môi trường. 
• Tia sáng bị gãy khúc tại mặt phân cách, bẻ cong ra xa pháp tuyến. 

Giải thích: 

• Hiện tượng tia sáng bị gãy khúc khi đi qua khối thủy tinh là do sự khúc xạ ánh sáng. 
• Nguyên nhân: Vận tốc ánh sáng trong thủy tinh nhỏ hơn vận tốc ánh sáng trong không khí. 
• Chiết suất của thủy tinh lớn hơn chiết suất của không khí.

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

Bài làm 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.

Bài làm 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.

Bài làm chi tiết:

• Chiết suất của môi trường không khí :n = 299.792.458 m/s / 299.705 m/s ≈ 1.000293

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

Bài làm chi tiết:

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

Bài làm 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: 
  • 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 

+ 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.

Bài làm 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.

Bài làm chi tiết: 

• 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.

Bài làm 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.

Bài làm chi tiết: 

• Khi ánh sáng chuyển từ môi trường có chỉ số khúc xạ thấp (như không khí) sang môi trường có chỉ số khúc xạ cao hơn (như nước), nó sẽ bị gập lại (gọi là gập ánh sáng) theo một góc nào đó. 
• Điều này là do tốc độ truyền của ánh sáng thay đổi khi nó đi qua các môi trường khác nhau. Khi chúng ta nhìn vào một vật bên dưới mặt nước, ánh sáng từ vật phản xạ lên mắt của chúng ta. Tuy nhiên, ánh sáng phải đi qua một lớp nước trước khi đến mắt chúng ta. 
• Ánh sáng này sẽ trải qua hiện tượng gập ánh sáng khi chuyển từ không khí sang nước. Vì ánh sáng bị gập lại khi đi qua nước, nó tạo ra một hình ảnh giả mạo của vật ở một vị trí cao hơn so với vị trí thực tế của vật. 
• Điều này làm cho chúng ta có cảm giác rằng vật và đáy hồ nằm ở một vị trí gần 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.

Bài làm chi tiết: 

• Hiện tượng được mô tả trong câu hỏi thường xuất hiện ở các bể bơi hoặc các vùng nước lớn và được gọi là "halo solaris" hoặc "halo de lighting". Đây là hiện tượng mà khi người đang lặn dưới nước nhìn lên mặt nước, họ sẽ thấy một vùng tròn nhỏ với ánh sáng tăng cao, trong khi phía ngoài vùng đó là tối đen.
• Hiện tượng này xuất phát từ việc ánh sáng gương mắt của người lặn gây ra một điểm sáng trung tâm, và nhờ tác dụng từng bức xạ của ánh sáng trong suốt nước, mà ta có thể thấy được một halo sáng xung quanh điểm sáng đó. Nhờ vào tốc độ tăng nhanh chóng và tăng dần của tối đen khi cách xa điểm sáng, chúng ta không thể nhận thụ được đủ sự tăng cao của ánh sáng và chỉ thấy được một vùng tròn sáng và phía ngoài tối đen.