Giải Khoa học tự nhiên 9 trang 27
Lời giải chi tiết SGK Lớp 9 · Môn Khoa Há»c Tá»± NhiĂªn · Trang 27–28
Hai trang này mở đầu Chương II – Ánh sáng, Bài 5: Khúc xạ ánh sáng. Nội dung chủ yếu là lý thuyết và thí nghiệm dẫn dắt, có xen kẽ một số câu hỏi cần trả lời. Mình sẽ tóm tắt lý thuyết rồi giải lần lượt từng câu hỏi nhé.
(Lưu ý nhỏ: số in ở góc dưới ảnh là trang 25 – 26 của sách, nhưng mình giữ header theo yêu cầu của bạn.)
Tóm tắt lý thuyết
Hiện tượng khúc xạ ánh sáng: là hiện tượng tia sáng bị gãy khúc (lệch khỏi phương truyền ban đầu) tại mặt phân cách khi truyền từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác.
Các khái niệm trên Hình 5.2:
- I: điểm tới
- SI: tia tới
- IK: tia khúc xạ
- NN’: pháp tuyến (vuông góc với mặt phân cách tại điểm tới)
- Góc tới $i$ (góc $\widehat{SIN}$); góc khúc xạ $r$ (góc $\widehat{KIN'}$)
- Mặt phẳng chứa tia tới và pháp tuyến: mặt phẳng tới
Biểu thức quan trọng (định luật khúc xạ):
$$n = \frac{\sin i}{\sin r}$$
trong đó $n$ là chiết suất, bằng tỉ số tốc độ ánh sáng trong không khí (hoặc chân không) với tốc độ ánh sáng trong môi trường.
Câu hỏi mở đầu (Hình a, b – cốc và đồng xu)
Đề: Tại sao khi trong cốc không có nước thì ta không thể nhìn thấy đồng xu (hình a), còn nếu vẫn giữ nguyên vị trí đặt mắt và cốc nhưng rót nước vào cốc thì ta lại nhìn thấy đồng xu (hình b)?
Trả lời:
- Khi cốc không có nước, ánh sáng từ đồng xu truyền theo đường thẳng tới mắt, nhưng bị thành cốc che khuất nên không lọt vào mắt → ta không nhìn thấy đồng xu.
- Khi rót nước vào, tia sáng từ đồng xu đi từ nước ra không khí bị khúc xạ (gãy khúc) tại mặt nước, lệch phương truyền và đi tới được mắt người quan sát → ta lại nhìn thấy đồng xu.
Đây chính là minh chứng trực quan cho hiện tượng khúc xạ ánh sáng.
Thí nghiệm 1: Câu hỏi về vị trí gãy khúc
Đề: Chùm sáng truyền từ không khí vào thuỷ tinh bị gãy khúc (lệch khỏi phương truyền) tại đâu?
Trả lời: Chùm sáng bị gãy khúc tại mặt phân cách giữa hai môi trường, tức tại điểm tới I trên bề mặt bản bán trụ thuỷ tinh (nơi không khí tiếp giáp thuỷ tinh).
Câu hỏi Hình 5.3: Bổ sung chiều mũi tên các tia
Đề: Một tia sáng truyền tới mặt nước tạo ra một tia phản xạ và một tia khúc xạ. Người vẽ đã quên ghi chiều truyền của các tia trong Hình 5.3. Hãy vẽ và bổ sung chiều mũi tên cho các tia.
Phân tích: Trong hình có ba tia $S_1$, $S_2$ (ở phía không khí, trên mặt nước) và $S_3$ (ở phía nước, dưới mặt nước), gặp nhau tại điểm I trên mặt nước.
- $S_1$: là tia tới — đi từ không khí hướng xuống mặt nước, nên mũi tên hướng từ $S_1$ vào điểm I.
- $S_2$: là tia phản xạ — bật trở lại không khí, nên mũi tên hướng từ I ra phía $S_2$.
- $S_3$: là tia khúc xạ — đi tiếp vào trong nước, nên mũi tên hướng từ I xuống phía $S_3$.
Tóm tắt chiều:
| Tia | Tên gọi | Chiều mũi tên |
|---|---|---|
| $S_1$ | Tia tới | $S_1 \rightarrow I$ |
| $S_2$ | Tia phản xạ | $I \rightarrow S_2$ |
| $S_3$ | Tia khúc xạ | $I \rightarrow S_3$ |
Lý do: tia tới luôn đi đến mặt phân cách; tia phản xạ và tia khúc xạ đều xuất phát từ điểm tới I đi ra. Tia phản xạ ở cùng phía môi trường tới (không khí), tia khúc xạ sang môi trường thứ hai (nước).
Thí nghiệm 2: Hoàn thành Bảng 5.1 và trả lời câu hỏi
Tính tỉ số $\dfrac{\sin i}{\sin r}$ cho từng cặp giá trị:
| Góc tới $i$ | Góc khúc xạ $r$ | $\dfrac{\sin i}{\sin r}$ |
|---|---|---|
| 0° | 0° | — (không xác định, cả hai bằng 0) |
| 20° | 13° | $\dfrac{\sin 20^\circ}{\sin 13^\circ} = \dfrac{0,342}{0,225} \approx 1,52$ |
| 40° | 25° | $\dfrac{\sin 40^\circ}{\sin 25^\circ} = \dfrac{0,643}{0,423} \approx 1,52$ |
| 60° | 35° | $\dfrac{\sin 60^\circ}{\sin 35^\circ} = \dfrac{0,866}{0,574} \approx 1,51$ |
| 80° | 41° | $\dfrac{\sin 80^\circ}{\sin 41^\circ} = \dfrac{0,985}{0,656} \approx 1,50$ |
Nhận xét: tỉ số $\dfrac{\sin i}{\sin r}$ gần như không đổi, xấp xỉ 1,5 — đây chính là chiết suất của thuỷ tinh.
Trả lời 3 câu hỏi:
- Tia khúc xạ nằm ở phía nào của pháp tuyến so với tia tới?
- Tia khúc xạ và tia tới nằm ở hai bên pháp tuyến (khác phía qua pháp tuyến), và nằm ở hai môi trường khác nhau ngăn cách bởi mặt phân cách.
- So sánh độ lớn góc tới và góc khúc xạ.
- Khi ánh sáng truyền từ không khí vào thuỷ tinh (môi trường chiết quang hơn), góc khúc xạ $r$ luôn nhỏ hơn góc tới $i$ ($r < i$). Nhìn bảng số liệu thấy rõ: 20° → 13°, 40° → 25°, 60° → 35°, 80° → 41°.
- Nhận xét tỉ số giữa $\sin i$ và $\sin r$.
- Tỉ số $\dfrac{\sin i}{\sin r}$ luôn xấp xỉ một hằng số (≈ 1,5) với mọi góc tới. Đây là cơ sở của định luật khúc xạ ánh sáng:
$$\frac{\sin i}{\sin r} = n = \text{hằng số}$$
Hằng số này chính là chiết suất của môi trường (ở đây là thuỷ tinh so với không khí).
Nếu bạn muốn mình vẽ minh họa đường truyền tia trong Hình 5.3 rõ hơn hoặc giải thêm phần lý thuyết về chiết suất, cứ nói nhé.