Bài 3. Khúc xạ ánh sáng và phản xạ toàn phần
Trang bìa
Trang bìa
Ảnh
BÀI 3. KHÚC XẠ ÁNH SÁNG VÀ PHẢN XẠ TOÀN PHẦN
Mở đầu
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?
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.
Ảnh
1.Hiện tượng khúc xạ ánh sáng
1.1.Hiện tượng khúc xạ ánh sáng
Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là hiện tượng ánh sáng bị đổi hướng khi truyền từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác có chiết suất khác nhau (như từ không khí vào nước, từ nước sang kính). Nguyên nhân: Hiện tượng khúc xạ xảy ra do sự thay đổi vận tốc ánh sáng khi nó đi từ môi trường này sang môi trường khác. Vận tốc ánh sáng trong các môi trường khác nhau không giống nhau, và điều này dẫn đến sự thay đổi hướng truyền.
1.2.Câu hỏi 1
Nêu một số cách để quan sát đường đi tia sáng trong các môi trường trong suốt mà em biết.
- 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.
Ảnh
- 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 . Tia sáng laser truyền từ không khí sang nước, ta quan sát được đường truyền tia sáng trên mặt phẳng.
Ảnh
1.3.Thực hành
Chuẩn bị Bản bán trụ bằng thủy tinh và đèn laser được gắn trên bảng thép (hình 3.2). Tiến hành thí nghiệm và thảo luận - Lắp đặt dụng cụ như hình 3.2. - Bật đèn để chiếu tia sáng tới bản bán trụ. Dịch chuyển vị trí của đèn chiếu để chiếu tia sáng tới một số vị trí khác của bản bán trụ. - 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.
Ảnh
Ảnh
Ảnh
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).
1.4.Câu hỏi 2
Mô tả và giải thích đường đi của tia sáng trong hình 3.3.
Ảnh
- 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.
1.5.Câu hỏi 3
Nêu thêm một số hiện tượng khúc xạ ánh sáng trong đời sống.
- Khi nhìn con cá dưới nước, ta có cảm giác con cá gần mặt nước hơn so với vị trí thực tế của nó.
Ảnh
- Khi ta nhìn bóng cây cối trên bờ hồ có cảm giác như bóng cây đó "lùn" hơn bình thường.
Ảnh
2.Định luật khúc xạ ánh sáng
2.1.Định luật khúc xạ ánh sáng
Định luật khúc xạ ánh sáng mô tả mối quan hệ giữa tia tới, tia khúc xạ, và pháp tuyến khi ánh sáng đi qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt có chiết suất khác nhau. Định luật bao gồm hai nội dung cơ bản: Nội dung định luật: Tia tới, tia khúc xạ, và pháp tuyến tại điểm tới đều nằm trong cùng một mặt phẳng. Tỉ số giữa sin của góc tới (i) và sin của góc khúc xạ (r) là một hằng số, được gọi là chiết suất tỉ đối giữa hai môi trường:
LATEX((sini)/(sinr) = n21
2.2.Câu hỏi 4
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.
Ảnh
- 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 = LATEX(c/v) 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.
2.3.Câu hỏi 5
Tính chiết suất của môi trường không khí ở 0°C và 1 atm?
Chiết suất của môi trường không khí ở 0 °C và 1 atm là:
n = LATEX(n/c) = LATEX((3.10^8)/(2,997.10^8) = 1
2.4.Câu hỏi 6
Tính chiết suất của mỗi loại thuỷ tinh.
- Chiết suất của môi trường thủy tinh crown là:
n = LATEX(c/(v1)) = LATEX((3.10^8)/(1,972.10^8) = 1,52
- Chiết suất của môi trường thủy tinh flint là:
n = LATEX(c/(v2)) = LATEX((3.10^8)/(1,806.10^8) = 1,66
2.5.Thực hành
Chuẩn bị Bản bán trụ bằng thủy tinh, đèn laser, bảng thép có gắn thước đo góc Tiến hành thí nghiệm và thảo luận - Lắp đặt dụng cụ và bật đèn chiếu tia sáng tới bản bán trụ như hình 3.5. - Điều chỉnh đèn chiếu để góc tới bằng 0 độ, xác định góc khúc xạ tương ứng, ghi lại kết quả theo mẫu bảng 3.2. - Thay đổi góc tới i, xác định góc khúc xạ r và ghi lại số liệu theo mẫu bảng 3.2. - Tính tỉ số
LATEX(i/r) và LATEX((sini)/(sinr)
- Từ số liệu thu được trong thí nghiệm, rút ra nhận xét về mối liên hệ giữa góc tới và góc khúc xạ. - Nhận xét về tỉ số
LATEX((sini)/(sinr)
và so sánh tỉ số này với tỉ số chiết suất hai môi trường.
Ảnh
Với bản bán trụ đã cho, ta có kết quả số đo góc khúc xạ r như sau:
Ảnh
Ảnh
Ảnh
- 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
LATEX((sini)/(sinr)) :
+ Ta thu được tỉ số
LATEX((sini)/(sinr))
ở các trường hợp khác nhau là gần bằng nhau
+ Tỉ số
LATEX((sini)/(sinr))
xấp xỉ bằng với tỉ số chiết suất hai môi trường LATEX((n2)/(n1))
2.6.Câu hỏi 7
Ở hình 3.5, em hãy chỉ ra:
Ảnh
Môi trường chứa tia tới. • Môi trường chứa tia khúc xạ. • Điểm tới và pháp tuyến của mặt phân cách tại điểm tới đó
• 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.
2.7.Luyện tập 1
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.
- Chiết suất của môi trường không khí là:
n = LATEX(n/c) = LATEX((3.10^8)/(2,997.10^8) = 1
- Chiết suất của môi trường nước là:
n = LATEX(n/(c2)) = LATEX((3.10^8)/(2,249.10^8) = 1,33
Theo định luật khúc xạ ánh sáng:
LATEX((sini)/(sinr))=LATEX((n2)/(n1)⇒sinr=(n1.sini)/(n2)=(1.sin30)/(1,33)=0,376 ⇒ r≈22°
3.Hiện tượng phản xạ toàn phần
3.1.Hiện tượng phản xạ toàn phần
3.2.Thực hành
Chuẩn bị Bản bán trụ bằng thủy tinh, đèn laser, bảng thép có gắn thước đo góc. Tiến hành thí nghiệm và thảo luận - Lắp đặt dụng cụ và điều chỉnh đèn để chiếu tia sáng tới mặt cong của bản bán trụ như hình 3.7. Quan sát đường đi của tia sáng. - Tăng dần góc tới từ 0 độ đến 90 độ, đồng thời quan sát và 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.
Ảnh
Ảnh
- 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:
Ảnh
Ảnh
- 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=LATEX(c/(vtt))=LATEX((3.10^8)/(1,972.10^8)=1,52
Góc giới hạn để bắt đầu không còn thấy tia khúc xạ:
sini(gh)=LATEX((nkk)/(ntt))=LATEX(1/(1,52))=0,658
⇒igh=arcsin(0,658)≈41 độ
3.3.Luyện tập 2
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?Lắp đặt các dụng cụ như hình 3.5, chiếu tia sáng đi từ không khí vào bản bán trụ
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.
Ảnh
3.4.Luyện tập 3
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.
- Góc tới hạn khi chiếu tia sáng đi từ nước ra không khí là
sini(th)=LATEX((nkk)/(ntc))=LATEX(1/(1,33))=0,752
⇒igh=arcsin(0,752)≈48°45'
- 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 ith = 48°45'
3.5.Luyện tập 4
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.
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.
Ảnh
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.
3.6.Vận dụng 1
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.
Ảnh
Ảnh
Ảnh
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.
3.7.Vận dụng 2
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?
Ảnh
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.
4.Dặn dò
Dặn dò
Ảnh
Dặn dò:
Các em nhớ đọc bài mới nha!
Cảm ơn
Ảnh