Khúc xạ, phản xạ toàn phần, lăng kính và màu sắc
Nói được tia sáng gãy về phía nào khi đổi môi trường, nhận ra khi nào có phản xạ toàn phần, và giải thích tán sắc, cầu vồng, đáy bể trông nông.
Ứng với SGK Kết nối tri thức: Bài 5, Bài 6, Bài 7
⚡ Nhớ nhanh
- 1Khúc xạ: tia sáng đi xiên qua mặt phân cách hai môi trường trong suốt thì bị gãy khúc. Chiếu vuông góc (i = 0) thì đi thẳng.
- 2Không khí → nước (vào môi trường chiết quang hơn): gãy gần pháp tuyến, r < i. Nước → không khí: gãy xa pháp tuyến, r > i.
- 3Phản xạ toàn phần cần hai điều kiện: đi từ môi trường chiết quang hơn sang kém và i > i_th. Khi đó không còn tia khúc xạ. Ứng dụng: cáp quang.
- 4Lăng kính làm tia sáng khúc xạ hai lần, lệch về phía đáy. Ánh sáng trắng qua lăng kính bị tán sắc thành dải 7 màu: tím lệch nhiều nhất, đỏ lệch ít nhất.
- 5Ánh sáng đơn sắc (một màu) chỉ bị lệch, không bị tán sắc. Lăng kính không tạo ra màu: các màu đã có sẵn trong ánh sáng trắng.
👀 Nhìn là hiểu
Kéo tia tới (hoặc thanh trượt) để đổi góc i. Xem tia gãy về gần hay xa pháp tuyến, và kéo i vượt góc tới hạn để thấy tia khúc xạ biến mất. Sang tab lăng kính để xem ánh sáng trắng tách thành 7 màu.
Kéo núm vàng trên tia tới để đổi góc i. Nét đứt tím là tia phản xạ, nét đứt dọc là pháp tuyến.
Không khí → Nước
Vào môi trường chiết quang hơn
Tia gãy về gần pháp tuyến, r nhỏ hơn i.
- Góc tới i = 35° · góc khúc xạ r ≈ 25,5°
- Đi vào môi trường chiết quang hơn nên không bao giờ có phản xạ toàn phần.
tia tới tia khúc xạ tia phản xạ
1 🌊 Khúc xạ ánh sáng
Cần nhớ
- ✦Khúc xạ ánh sáng: tia sáng bị gãy khúc khi đi xiên qua mặt phân cách hai môi trường trong suốt. Nguyên nhân: tốc độ ánh sáng khác nhau trong hai môi trường.
- ✦Vào môi trường chiết quang hơn (không khí → nước, không khí → thuỷ tinh): tia gãy gần pháp tuyến, r < i.
- ✦Ra môi trường chiết quang kém (nước → không khí): tia gãy xa pháp tuyến, r > i.
- ✦Tia tới vuông góc mặt phân cách (i = 0) thì r = 0: tia đi thẳng, không gãy.
Không khí → nước, không khí → thuỷ tinh. Gãy gần pháp tuyến, r < i.
Nước → không khí. Gãy xa pháp tuyến, r > i.
Dạng bài
Xác định tia khúc xạ gãy về phía nào
- 1 Xác định tia tới từ môi trường nào, khúc xạ sang môi trường nào.
- 2 Xem môi trường nào chiết quang hơn (nước và thuỷ tinh chiết quang hơn không khí).
- 3 Vào môi trường chiết quang hơn thì r < i. Ra môi trường chiết quang kém thì r > i.
- 4 Kiểm tra: nếu i = 0 thì r = 0, tia không gãy ✓.
⚠️ Bẫy hay gặp: "Góc khúc xạ luôn nhỏ hơn góc tới" là sai. Chỉ khi vào môi trường chiết quang hơn. Nước → không khí với i = 30° thì r lớn hơn 30°.
Tia sáng đi từ nước ra không khí với góc tới i = 30°. Góc khúc xạ r nhỏ hơn hay lớn hơn 30°?
Hướng dẫn giải
2 🪞 Phản xạ toàn phần
Cần nhớ
- ✦Phản xạ toàn phần: toàn bộ ánh sáng bị hắt trở lại môi trường cũ, không có tia khúc xạ nào đi ra.
- ✦Điều kiện 1: ánh sáng đi từ môi trường chiết quang hơn sang kém (nước → không khí, thuỷ tinh → không khí).
- ✦Điều kiện 2: góc tới lớn hơn góc tới hạn, i > i_th. Thiếu một điều kiện là ánh sáng vẫn ló ra.
- ✦Góc tới hạn i_th là góc tới mà tại đó tia khúc xạ đi là là mặt phân cách (r = 90°). Công thức: sin i_th = n₂/n₁ (n là chiết suất), chỉ dùng để tính.
Tăng dần góc tới khi ánh sáng đi từ nước ra không khí
| Góc tới | Điều xảy ra |
|---|---|
| i nhỏ | Phần lớn ánh sáng ló ra. Có tia khúc xạ và một tia phản xạ yếu. |
| i = i_th | Tia khúc xạ đi là là mặt nước (r = 90°). Đây là ngưỡng chuyển. |
| i > i_th | Không còn tia ló. Toàn bộ ánh sáng bị hắt lại: phản xạ toàn phần. |
Góc tới hạn của vài cặp môi trường
| Đi từ → ra | Góc tới hạn i_th |
|---|---|
| Nước → không khí | ≈ 48,6° |
| Thuỷ tinh thường → không khí | ≈ 42° |
| Kim cương → không khí | ≈ 24,4° |
Dạng bài
Kiểm tra có phản xạ toàn phần hay không
- 1 Xem ánh sáng đi từ môi trường chiết quang hơn sang kém hay ngược lại. Ngược lại thì không bao giờ có phản xạ toàn phần.
- 2 Tra góc tới hạn của cặp môi trường đó.
- 3 So i với i_th: i > i_th thì phản xạ toàn phần, i < i_th thì ánh sáng vẫn ló ra.
- 4 Kiểm tra: toàn phần thì không còn tia khúc xạ ✓.
⚠️ Bẫy hay gặp: Từ không khí vào nước, dù i = 80° vẫn có tia khúc xạ (r < i) và không có phản xạ toàn phần. Phải đi từ nước ra không khí.
Ánh sáng đi từ nước ra không khí (i_th ≈ 48,6°). Với i = 60° và với i = 30°, trường hợp nào có phản xạ toàn phần?
Hướng dẫn giải
3 🔺 Lăng kính và tán sắc ánh sáng
Cần nhớ
- ✦Lăng kính là khối chất trong suốt, thường có tiết diện tam giác. Tia sáng qua lăng kính khúc xạ hai lần và lệch về phía đáy.
- ✦Tán sắc ánh sáng: ánh sáng trắng qua lăng kính tách thành dải màu liên tục đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím.
- ✦Nguyên nhân: mỗi màu lệch một mức khác nhau. Tím lệch nhiều nhất, đỏ lệch ít nhất.
- ✦Ánh sáng trắng là hỗn hợp nhiều màu, ánh sáng đơn sắc chỉ có một màu và không bị tán sắc.
Thứ tự dải màu sau lăng kính
| Mức lệch | Màu |
|---|---|
| Lệch ít nhất | Đỏ, rồi cam, vàng |
| Ở giữa | Lục, rồi lam |
| Lệch nhiều nhất | Chàm, tím |
Ánh sáng trắng và ánh sáng đơn sắc
| Ánh sáng trắng | Ánh sáng đơn sắc | |
|---|---|---|
| Gồm | Nhiều màu trộn lại | Một màu duy nhất |
| Qua lăng kính | Bị tán sắc thành dải màu | Không tán sắc, chỉ bị lệch |
| Ví dụ | Ánh nắng, đèn sợi đốt | Tia laser đỏ, đèn LED đơn sắc |
Dạng bài
Dự đoán ánh sáng đi qua lăng kính
- 1 Xem đó là ánh sáng trắng (nhiều màu) hay đơn sắc (một màu).
- 2 Mọi tia đều lệch về phía đáy lăng kính.
- 3 Ánh sáng trắng: tách thành dải màu, tím lệch nhiều nhất, đỏ ít nhất. Ánh sáng đơn sắc: vẫn một vệt cùng màu.
- 4 Kiểm tra: lăng kính không tạo ra màu mới, chỉ tách các màu có sẵn ✓.
⚠️ Bẫy hay gặp: Đỏ lệch ÍT nhất, tím lệch nhiều nhất. Đỏ nằm ngoài cùng cầu vồng là do đường đi trong giọt nước, không phải vì đỏ lệch nhiều.
Chiếu tia laser đỏ qua lăng kính. Có thấy dải bảy màu không?
Hướng dẫn giải
4 🌈 Hiện tượng thực tế
Hiện tượng quen thuộc do khúc xạ
| Hiện tượng | Giải thích |
|---|---|
| Chiếc đũa cắm vào cốc nước trông như bị gãy | Tia từ phần chìm bị khúc xạ khi ra khỏi nước |
| Đáy bể trông nông hơn thật | Tia từ đáy gãy xa pháp tuyến, mắt tưởng nguồn ở cao hơn |
| Con cá trông gần mặt nước hơn thật | Cùng lí do, nên đâm cá phải nhắm thấp hơn chỗ nhìn thấy |
| Ảo ảnh trên đường nhựa nắng gắt | Không khí nóng lạnh không đều làm tia sáng cong |
Dạng bài
Giải thích một hiện tượng bằng khúc xạ
- 1 Xem tia sáng từ vật đến mắt đi qua hai môi trường nào, theo chiều nào.
- 2 Xác định tia gãy về phía nào (r < i hay r > i).
- 3 Mắt luôn tưởng ánh sáng đi thẳng: kéo dài tia ló ngược lại, giao điểm là chỗ ta thấy ảnh.
- 4 Kiểm tra: ảnh nhìn thấy nằm cao hơn vật thật dưới nước ✓.
⚠️ Bẫy hay gặp: Con cá ta thấy là ảnh của cá, nằm cao hơn cá thật. Nhắm đúng chỗ thấy thì mũi lao đi trên lưng cá. Phải nhắm thấp hơn.
Vì sao đáy bể bơi trông nông hơn thực tế?
Hướng dẫn giải
Phản xạ toàn phần và tán sắc trong đời sống
- ✦Cáp quang: lõi chiết quang hơn vỏ, ánh sáng luôn gặp mặt phân cách với góc lớn hơn i_th nên phản xạ toàn phần liên tục, đi hàng trăm km mà hao rất ít.
- ✦Kim cương có i_th ≈ 24,4°, nhỏ hơn thuỷ tinh (≈ 42°). Nhiều tia bị nhốt và phản xạ toàn phần bên trong nên viên đá lấp lánh mạnh.
- ✦Cầu vồng: mỗi giọt nước mưa như một lăng kính nhỏ, tán sắc ánh nắng. Ta thấy đỏ ở ngoài, tím ở trong, và cầu vồng nằm phía đối diện Mặt Trời.
✏️ Luyện tập
Làm xong mỗi nhóm bấm Kiểm tra. Câu sai có lời giải ngắn và nút quay lại phần cách làm.
Khúc xạ ánh sáng
- 1Nhận biết
Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là hiện tượng tia sáng:
- 2Nhận biết
Đũa cắm trong cốc nước trông như bị gãy là do:
- 3Thông hiểu
Tia sáng đi từ không khí vào nước thì góc khúc xạ:
- 4Thông hiểu
Tia sáng chiếu vuông góc với mặt nước thì:
- 5Thông hiểu
Tia sáng đi từ nước ra không khí với góc tới 30°. Góc khúc xạ:
- 6Vận dụng
Chiếu tia sáng từ không khí vào nước, tăng góc tới đến gần 90°. Khi đó:
Phản xạ toàn phần
- 1Thông hiểu
Phản xạ toàn phần xảy ra khi ánh sáng đi:
- 2Thông hiểu
Góc tới hạn là góc tới mà tại đó:
- 3Nhận biết
Cáp quang truyền tín hiệu đi xa nhờ:
- 4Thông hiểu
Kim cương lấp lánh mạnh vì:
- 5Thông hiểu Thuỷ tinh thường → không khí có góc tới hạn khoảng °.
- 6Vận dụng
Ánh sáng đi từ nước ra không khí (i_th ≈ 48,6°). Với góc tới nào sau đây ánh sáng vẫn ló ra không khí?
- 7Vận dụng
Trường hợp nào chắc chắn KHÔNG xảy ra phản xạ toàn phần?
Lăng kính và tán sắc
- 1Nhận biết
Ánh sáng trắng qua lăng kính bị:
- 2Thông hiểu
Trong dải màu sau lăng kính, màu lệch nhiều nhất là:
- 3Thông hiểu
Ánh sáng đơn sắc qua lăng kính thì:
- 4Thông hiểu
Cầu vồng được tạo thành do:
- 5Nhận biết Thứ tự màu từ lệch ít nhất đến lệch nhiều nhất: đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, .
- 6Vận dụng
Chiếu chùm sáng trắng qua lăng kính rồi hứng lên màn. Màu nằm gần phía đáy lăng kính nhất trên dải màu là:
Hiện tượng thực tế
- 1Nhận biết
Đáy bể bơi trông nông hơn thực tế là do:
- 2Thông hiểu
Muốn đâm trúng con cá dưới nước thì phải nhắm:
- 3Thông hiểu
Hiện tượng nào sau đây là do phản xạ toàn phần?
- 4Thông hiểu
Cầu vồng sau mưa thường nằm ở phía nào so với Mặt Trời?
- 5Vận dụng
Sợi quang có lõi chiết quang hơn vỏ. Nếu làm ngược lại (lõi chiết quang kém hơn vỏ) thì:
🎯 Chủ điểm này ra kiểm tra và thi chuyên thế nào?
- •Bài kiểm tra hay có câu so sánh góc khúc xạ r với góc tới i theo chiều đi của tia (vào hay ra khỏi môi trường chiết quang hơn).
- •Câu về phản xạ toàn phần thường kiểm tra hai điều kiện: đúng chiều (chiết quang hơn → kém) và i > i_th.
- •Tán sắc và cầu vồng thường hỏi: màu nào lệch nhiều nhất, ánh sáng đơn sắc có bị tán sắc không, giải thích hiện tượng thực tế (đáy bể nông, cáp quang).
3. Thấu kính, ảnh qua thấu kính và kính lúp