Giải Khoa học tự nhiên 9 trang 33
Lời giải chi tiết SGK Lớp 9 · Môn Khoa Há»c Tá»± NhiĂªn · Trang 33–34
Phần II – Hiện tượng phản xạ toàn phần
Câu hỏi 1 (Trả lời các câu hỏi sau - Bảng 6.1)
Đề bài: Góc khúc xạ lớn hơn hay nhỏ hơn góc tới?
Cách giải
Bước 1: Phân tích bảng 6.1
Từ bảng 6.1, ta thấy khi ánh sáng truyền từ môi trường có chiết suất lớn (n₁) sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn (n₂), với n₁ > n₂.
Bước 2: Áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng
Theo định luật khúc xạ: n₁ × sin i = n₂ × sin r
Suy ra: sin r = (n₁/n₂) × sin i
Vì n₁ > n₂ nên n₁/n₂ > 1, do đó sin r > sin i
Bước 3: Kết luận
Vì sin r > sin i và cả hai góc đều nhỏ hơn 90°, nên r > i.
Đáp án: Góc khúc xạ lớn hơn góc tới (khi ánh sáng truyền từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường chiết quang kém).
Câu hỏi 2 (Trả lời các câu hỏi sau - Bảng 6.1)
Đề bài: Khi nào sẽ xảy ra hiện tượng chỉ có tia phản xạ?
Cách giải
Bước 1: Phân tích bảng 6.1
Từ bảng, ta thấy:
- Khi i = i_th: tia khúc xạ bắt đầu không nhìn thấy
- Khi i > i_th: tia khúc xạ không còn nhìn thấy, chỉ có tia phản xạ rất sáng
Bước 2: Kết luận
Đáp án: Hiện tượng chỉ có tia phản xạ xảy ra khi góc tới i lớn hơn hoặc bằng góc tới hạn i_th (i ≥ i_th). Đây chính là hiện tượng phản xạ toàn phần.
Câu 1 (Phần luyện tập - ký hiệu bàn tay)
Đề bài: Tính góc tới hạn phản xạ toàn phần trong trường hợp tia sáng chiếu từ bán bán trụ thủy tinh (chiết suất n₁ = 1,5) ra không khí (chiết suất n₂ = 1).
Cách 1 — Áp dụng công thức trực tiếp
Bước 1: Xác định điều kiện
- Chiết suất thủy tinh: n₁ = 1,5
- Chiết suất không khí: n₂ = 1
- Vì n₁ > n₂ nên có thể xảy ra phản xạ toàn phần
Bước 2: Áp dụng công thức tính góc tới hạn
sin i_th = n₂/n₁ = 1/1,5 = 2/3 ≈ 0,667
Bước 3: Tính góc tới hạn
i_th = arcsin(0,667) ≈ 41,8° ≈ 42°
Đáp án: Góc tới hạn phản xạ toàn phần là i_th ≈ 42°
Cách 2 — Sử dụng máy tính bỏ túi
Bước 1: Nhập sin i_th = 1/1,5
Bước 2: Bấm SHIFT + sin⁻¹ (0,6667)
Bước 3: Kết quả: i_th = 41°49' ≈ 42°
💡 Mẹo nhớ: Góc tới hạn của thủy tinh - không khí khoảng 42°, của nước - không khí khoảng 49°.
Câu 2 (Phần luyện tập - ký hiệu bàn tay)
Đề bài: Sử dụng dụng cụ thí nghiệm ở Hình 6.1 xác định giá trị i_th, so sánh kết quả với câu 1 và rút ra nhận xét.
Cách giải
Bước 1: Tiến hành thí nghiệm
- Chiếu tia sáng từ bán trụ thủy tinh ra không khí
- Tăng dần góc tới i
- Quan sát tia khúc xạ
Bước 2: Xác định góc tới hạn thực nghiệm
- Khi tia khúc xạ đi là là mặt phân cách (góc khúc xạ r = 90°), đó là lúc góc tới đạt giá trị tới hạn
- Đọc giá trị góc tới hạn trên thang đo
Bước 3: So sánh và nhận xét
Đáp án: - Giá trị i_th đo được từ thí nghiệm sẽ xấp xỉ 42° - Kết quả thực nghiệm phù hợp với kết quả tính toán lý thuyết ở câu 1 - Nhận xét: Sai số nhỏ (nếu có) là do dụng cụ đo hoặc thao tác thí nghiệm
Câu hỏi (Phần 3 - Ký hiệu dấu hỏi màu cam)
Đề bài: Chiếu một tia sáng từ nước tới mặt phân cách giữa nước và không khí. Biết chiết suất của nước và không khí lần lượt là n₁ = 4/3, n₂ = 1.
a) Tính góc khúc xạ trong trường hợp góc tới bằng 30°.
b) Khi góc tới bằng 60° thì có tia khúc xạ không? Tại sao?
Câu a — Tính góc khúc xạ khi góc tới bằng 30°
Cách 1 — Áp dụng định luật khúc xạ
Bước 1: Ghi nhận dữ kiện
- n₁ = 4/3 (nước)
- n₂ = 1 (không khí)
- Góc tới i = 30°
Bước 2: Áp dụng định luật khúc xạ
n₁ × sin i = n₂ × sin r
(4/3) × sin 30° = 1 × sin r
Bước 3: Tính sin r
sin r = (4/3) × (1/2) = 4/6 = 2/3 ≈ 0,667
Bước 4: Tính góc khúc xạ r
r = arcsin(0,667) ≈ 41,8° ≈ 42°
Đáp án câu a: Góc khúc xạ r ≈ 42°
Cách 2 — Tính theo từng bước rõ ràng
- sin 30° = 0,5
- sin r = (4/3) × 0,5 = 0,667
- r = 41°49' ≈ 42°
Câu b — Khi góc tới bằng 60° có tia khúc xạ không?
Cách 1 — So sánh với góc tới hạn
Bước 1: Tính góc tới hạn
sin i_th = n₂/n₁ = 1/(4/3) = 3/4 = 0,75
i_th = arcsin(0,75) ≈ 48,6° ≈ 49°
Bước 2: So sánh góc tới với góc tới hạn
Góc tới i = 60° > i_th ≈ 49°
Bước 3: Kết luận
Vì góc tới (60°) lớn hơn góc tới hạn (49°), nên xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần.
Đáp án câu b: Không có tia khúc xạ khi góc tới bằng 60°. Vì góc tới (60°) lớn hơn góc tới hạn (≈ 49°), nên toàn bộ tia sáng bị phản xạ trở lại môi trường nước (phản xạ toàn phần).
Cách 2 — Kiểm tra bằng định luật khúc xạ
Bước 1: Thử tính sin r
sin r = (n₁/n₂) × sin i = (4/3) × sin 60° = (4/3) × (√3/2) = (4√3)/6 = (2√3)/3 ≈ 1,15
Bước 2: Nhận xét
Vì sin r ≈ 1,15 > 1 (vô lý, vì sin của góc bất kỳ không thể lớn hơn 1)
Bước 3: Kết luận
Không tồn tại góc khúc xạ → xảy ra phản xạ toàn phần.
💡 Mẹo nhớ: Góc tới hạn nước - không khí ≈ 49°. Nếu góc tới > 49° thì xảy ra phản xạ toàn phần!
Phần III – Một số ứng dụng của hiện tượng phản xạ toàn phần
Câu hỏi (Ký hiệu dấu hỏi màu cam - trang 32)
Đề bài: Giải thích vì sao chỉ quan sát được hiện tượng ảo ảnh ở khoảng cách rất xa, khi lại gần thì không nhìn thấy nữa.
Cách 1 — Giải thích dựa trên góc tới
Bước 1: Hiểu nguyên nhân ảo ảnh
Ảo ảnh trên đường nhựa nóng xảy ra do:
- Lớp không khí gần mặt đường có nhiệt độ cao → chiết suất nhỏ
- Lớp không khí phía trên có nhiệt độ thấp hơn → chiết suất lớn hơn
- Ánh sáng truyền từ trên xuống bị khúc xạ liên tiếp và phản xạ toàn phần
Bước 2: Giải thích tại sao chỉ thấy ở xa
Khi nhìn từ xa:
- Tia sáng từ vật đến mắt có góc tới lớn (gần như nằm ngang)
- Góc tới lớn hơn góc tới hạn → xảy ra phản xạ toàn phần
- Mắt nhận được tia sáng phản xạ → thấy ảo ảnh
Khi đến gần:
- Tia sáng từ mặt đường đến mắt có góc tới nhỏ
- Góc tới nhỏ hơn góc tới hạn → không xảy ra phản xạ toàn phần
- Không có tia phản xạ toàn phần đến mắt → không thấy ảo ảnh
Đáp án: Ảo ảnh chỉ quan sát được ở khoảng cách xa vì khi đó góc tới của tia sáng lớn hơn góc tới hạn, xảy ra phản xạ toàn phần. Khi đến gần, góc tới giảm xuống nhỏ hơn góc tới hạn, không còn phản xạ toàn phần nên không thấy ảo ảnh nữa.
Cách 2 — Giải thích bằng hình ảnh trực quan
- Ở xa: Mắt nhìn mặt đường theo phương gần như nằm ngang → góc tới lớn → phản xạ toàn phần → thấy "vũng nước"
- Ở gần: Mắt nhìn mặt đường theo phương dốc hơn → góc tới nhỏ → ánh sáng xuyên qua → chỉ thấy mặt đường khô
🎯 Ghi nhớ: - Phản xạ toàn phần xảy ra khi: (1) Ánh sáng truyền từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường chiết quang kém (n₁ > n₂), và (2) Góc tới ≥ góc tới hạn (i ≥ i_th) - Công thức góc tới hạn: sin i_th = n₂/n₁ - Ảo ảnh trên đường là ứng dụng thực tế của phản xạ toàn phần trong tự nhiên