Dựa vào định luật quang học để giải thích định tính các hiện tượng quang học

Dựa vào định luật quang học để giải thích định tính các hiện tượng quang học

MỤC LỤC

Trang

Phần I: Mở đầu

1/ Lý do chọn đề tài 2

2/ Phương pháp nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 2

Phần II: Nội dung I Cơ sở lý thuyết cơ bản của Quang học và một vài hiện tượng Quang học trong đời sống 3

a/ Cơ sở lý thuyết cơ bản 3

b/ Một vài hiện tượng Quang học thường gặp trong đời sống 5

II Phương pháp chung để giải đáp nhanh những câu hỏi định tính Quang học 8 III Các hiện tượng Quang học phổ biến trong tự nhiên 9

IV Hiệu quả đạt được 21

Phần III Kết luận 21

Tài liệu tham khảo 22

PHẦN I: MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI:

Vật lý học không phải chỉ là các phương trình và con số Vật lý học lànhững điều đang xảy ra trong thế giới xung quanh ta Nó nói về các màu sắctrong một cầu vòng, về ánh sáng lóng lánh và tính cứng rắn của viên kim cương

Nó có liên quan đến việc đi bộ, đi xe đạp, lái ô tô và cả việc điều khiển một contàu vũ trụ Việc học môn Vật lý không chỉ dừng lại ở sự tìm cách vận dụng cáccông thức Vật lý để giải cho xong các phương trình và đi đến những đáp số, màcòn phải giải thích được các hiện tượng Vật lý đang xảy ra trong thiên nhiênquanh ta, trong các đối tượng công nghệ của nền văn minh mà ta đang sử dụng

Mặt khác, thực tế việc giảng dạy Vật lý hiện nay, chủ yếu dành nhiều thờigian dạy học sinh nhận diện các kiểu, loại bài toán khác nhau và cách thức vậndụng các công thức Vật lý cho từng kiểu, loại toán đó, mà ít chú trọng giúp họcsinh giải thích các hiện tượng Vật lý xảy ra trong tự nhiên

Xuất phát từ ý nghĩa và thực tế đó, tôi mạnh dạn nghiên cứu đề tài

“Dựa vào định luật quang học để giải thích định tính các hiện tượng Quang học”, nhằm giúp học sinh yêu thích và hiểu hơn bản chất Vật lý của các hiện

tượng Quang học

2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU:

Để hoàn thành đề tài này tôi chọn phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu:

+ Đọc các sách giáo khoa phổ thông, các sách đại học, sách tham khảophần Quang học

- Phương pháp thống kê:

+ Chọn các hiện tượng có trong chương trình phổ thông và gần gũi với đờisống hằng ngày

S

i i’

R N

- Phương pháp phân tích và tổng hợp kinh nghiệm trong quá trình giảngdạy và thực tế đời sống

Phạm vi nghiên cứu đề tài này là trong phần Quang học của chương trìnhlớp 11,12 hiện hành

*Cấu trúc phần nội dung gồm:

I Cơ sở lí thuyết cơ bản của quang học và một vài hiện tượng quang học

trong đời sống

II Phương pháp chung để giải đáp nhanh những câu hỏi định tính quang học.III Các hiện tượng quang học phổ biến trong tự nhiên

IV Hiệu quả đạt được

PHẦN II: NỘI DUNG

Quang học là một môn học, trong đó người ta nghiên cứu các hiện tượng liên quan đến ánh sáng; từ sự truyền của ánh sáng đến sự tạo ra các ảnh; từ các tính chất của ánh sáng đến bản chất của áng sáng.

I CƠ SỞ LÝ THUYẾT CƠ BẢN CỦA QUANG HỌC VÀ MỘT VÀI HIỆN TƯỢNG QUANG HỌC THƯỜNG GẶP TRONG ĐỜI SỐNG.

a Cơ sở lý thuyết cơ bản của quang học.

+ Định luật truyền thẳng ánh sáng

- Trong một môi trường trong suốt, đồng tính và đẳng hướng ánh sáng truyềntheo đường thẳng

+ Nguyên lí về tính thuận nghịch của chiều truyền ánh sáng

- Đường đi của ánh sáng không đổi khi đảo ngược chiều truyền

ánh sáng

+ Định luật phản xạ ánh sáng

- Tia phản xạ nằm trong mặt phẳng tới và ở phía bên kia pháp tuyến so

với tia tới

- Góc phản xạ bằng góc tới (i’ = i)

+ Định luật khúc xạ ánh sáng

- Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới và ở bên kia pháp tuyến so với tia tới

- Đối với một cặp môi trường trong suốt nhất định thì tỉ số giữa sin của góc tới (sin i) với sin của góc khúc xạ (sin r) luôn luôn là mọt số không

đổi

Số không đổi này phụ thuộc vào bản chất của hai môi trường và

được gọi là chiếc suất tỉ đối của môi trường chứa tia khúc xạ (môi trường

2) đối với môi trường chứa tia tới (môi trường 1)

Kí hiệu n 21

= n 21

+ Hiện tượng phản xạ toàn phần

- Khi ánh sáng truyền từ mặt phân cách của môi trường chiết quang hơn (n1)sang môi trường chiết quang kém (n2) thì góc khúc xạ r lớn hơn góc tới i

- Góc khúc xạ lớn nhất bằng 900; tia khúc xạ nằm là là mặt phân cách hai môitrường thì góc tới tương ứng gọi là góc giới hạn i gh

- Với các góc tới có giá trị lớn hơn i gh, thì không còn xảy ra khúc xạ, toàn bộ ángsáng đều trở lại môi trường chiết quang hơn Khi đó có hiện tượng phản xạ toànphần

N S

I i

quang tâm của mắt) Thường lấy Đ = 25cm Mắt bình thường có điểm cực viễn ở

xa vô cùng, còn điểm cực cận cách mắt 10cm đến 20cm

- Mắt cận thị có độ tụ lớn hơn mắt bình thường không có tật, điểm cực viễn củamắt cận thị ở tương đối gần mắt Thường sửa tật cận thị bằng cách đeo kính phânkỳ

- Mắt viễn thị có độ tụ nhỏ hơn mắt bình thường; điểm cực cận của mắt viễn thị

ở tương đối xa mắt Sửa tật viễn thị bằng cách đeo kính hội tụ

- Góc trông  của một vật (hoặc ảnh) AB đặt thẳng góc với trục nhìn của mắt O

là  = góc AOB với tg =

- Năng suất phân li của mắt bình thường:   1’ = rad

+ Các dụng cụ quang học: Kính lúp, hiển vi, thiên văn.

-Độ bội giác G của một số dụng cụ quang học: G = 

Trong đó:  là góc trông ảnh của một vật qua dụng cụ, 0 là góc trông vật đặt ởđiểm cực cận của mắt

+ Tính chất sóng của ánh sáng

- Ánh sáng là sóng điện từ Ánh sáng đơn sắc nhìn thấy có một bước sóng  xácđịnh và có một màu nhất định Một chùm ánh sáng trắng song song, gồm các ánhsáng đơn sắc có bước sóng từ 0,4 μm (tia tím) đến 0,76 μm (tia đỏ), đến lăngm (tia tím) đến 0,76 μm (tia tím) đến 0,76 μm (tia đỏ), đến lăngm (tia đỏ), đến lăngkính khi ló ra khỏi lăng kính, bị phân tích thành dãy nhiều màu, từ đỏ đến tím,gọi là quang phổ của ánh sáng trắng Tia đỏ bị lệch (về phía dáy lăng kính) ítnhất, tia tím bị lệch nhiều nhất Nguyên nhân của sự tán sắc đó là do chiết suấtcủa thuỷ tinh (môi trường) phụ thuộc vào bước sóng (tần số) ánh sáng

- Hai sóng ánh sáng kết hợp, do hai nguồn sáng kết hợp phát ra, giao thoa vớinhau khi gặp nhau, tạo nên vân sáng (cực đại giao thoa) và vân tối (cực tiểu giaothoa) trên màn quan sát

+ Lượng tử ánh sáng

- Chùm ánh sáng đơn sắc có bước sóng  được coi như dòng các phôtôn (lượng

tử ánh sáng), mỗi phôtôn mang năng lượng xác định ε = h f = h (f là tần số ánhsáng, h là hằng số Plăng; h = 6,625.10-34J.s; c = 3 108m/s) Cường độ ánh sáng tỉ

lệ với số phôtôn

- Hiện tượng quang điện là hiện tượng các electrôn bị bật ra (gọi là electrônquang điện) khi chiếu vào mặt kim loại chùm ánh sáng có bước sóng  thíchhợp

b Một vài hiện tượng quang học thường gặp trong đời sống hằng ngày.

Có khi nào ta ngồi suy nghĩ: Tại sao trần nhà lại sơn màu trắng? còn bốnvách tường lại không sơn màu trắng? hay mỗi lần đi trên đường phải dừng lại khigặp: “Đèn đỏ”, và tại sao lại phải “Đèn đỏ”? v.v Những hiện tượng rất thực tế,rất gần gũi với chúng ta, nhiều lúc chúng ta xem đó là hiển nhiên, ta vô tìnhkhông cần biết Nhưng khi hiểu được “chúng” thì đúng là thú vị thật

VÌ SAO TRẦN NHÀ TRONG BUỒNG SƠN MÀU TRẮNG, CÒN BỐN BỨC VÁCH TỐT NHẤT KHÔNG SƠN MÀU TRẮNG ?

Vách tường trong buồng quét vôi thành màu gì hoặc hoa văn ra sao chẳngnhững vì mỹ quang, mà còn phải cân nhắc đến vấn đề ánh sáng nữa

Vật thể màu trắng phản quang rất mạnh Sơn trần nhà thành màu trắng,ban ngày nó sẽ phản quang ánh Mặt Trời xuống dưới, còn ban đêm có thể phản

xạ ánh đèn xuống, làm cho gian buồng thêm sáng sủa, mà không ảnh hưởng gìtới mắt người cả, vì người chẳng mấy khi ngửa cổ nhìn lâu trên trần nhà Thế thìtại sao bốn mặt vách tường tốt nhất không sơn

thành màu trắng nhỉ? Đó là vì bốn bức tường

nằm trong trường nhìn của chúng ta

Bất cứ bạn ngồi hay đứng, nhìn trái,

nhìn phải hoặc nhìn trước nhìn ra sau, mắt đều

gặp phải bức tường Nếu bốn bức tường cũng

lại sơn thành màu trắng, thế thì ánh Mặt Trời hoặc ánh đèn chiếu lên vách tườngtrắng sẽ sinh ra phản quang rất mạnh, và trực tiếp rọi vào mắt người, làm chomắt cảm thấy rất khó chịu Điều đó không có lợi đối với con mắt.

Mọi người đều có thể nghiệm này: Đọc sách báo dưới ánh Mặt Trời tươngđối chói chang thì mắt sẽ cảm thấy rất mệt mỏi chính là vì lẽ đó Vì vậy, váchtường xung quanh phòng tốt nhất là sơn thành màu xanh nhạt, màu vàng lúahoặc màu lam nhạt Ánh sáng phản xạ của chúng tương đối dịu, sẽ không làmcho mắt bị kích thích

VÌ SAO GIẦY DA BÔI XI VÀO CÀNG LAU CÀNG BÓNG ?

Một đôi giầy da vừa cũ vừa bẩn, chỉ cần lau sạch bụi bặm, bôi xi đánhgiầy vào cẩn thận xát nhẹ một lượt thì đã biến thành vừa bóng vừa đẹp mắt rồi

Đó là lý do gì vậy?

Thì ra, ánh sáng chiếu tới bất cứ trên bề mặt nào cũng đều có thể xảy raphản xạ Giả dụ mặt bằng đó trơn bóng, thế thì có thể sinh ra phản quang rấtmạnh, nhìn vào rất sáng Có lẽ bạn sẽ hỏi: Vì sao trên bề mặt của các vật thể nhưtường nhà, bàn v.v không nhìn thấy phản quang rất mạnh nhỉ?

Bề mặt các vật thể như tường, bàn v.v không thực sự trơn bóng đâu Bạncầm một kính lúp quan sát tỉ mỉ một lúc, thì sẽ phát hiện bề mặt của các vật thể

đó đều xù xì, thô ráp, cao thấp không đều Bề mặt thô ráp cũng có thể phản xạánh sáng Có điều phản xạ về bốn phương, tám hướng, chứ không phải tập trungvào một hướng nhất định

Cái đó trong vật lý gọi là sự phản xạ khuếch tán v.v Vì vậy chúng takhông trông thấy ánh sáng phản xạ mạnh.

Bề mặt của giầy da cũng không phải rất trơn bóng Nếu chiếc giầy bẩn thì

cố nhiên trở thành thô ráp hơn Như vậy nó không thể làm cho tia sáng tập trung

về một hướng nhất định Cho nên nhìn vào không thấy bóng lộn Mục đích củaviệc bôi xi đánh giầy là để những hạt li ti trong xi lấp vào những chỗ trũng thấptrên bề mặt giầy da, làm cho nó trở nên bằng phẳng, và xi đánh giầy có một loạinăng lực thẩm thấu Nó có thể lấp kín mọi lỗ nhỏ, sau đó dùng vải xát lên để xiđược phủ đầy khắp, tình trạng thô ráp của bề mặt giầy da được cải thiện lên

nhiều, ánh sáng phản xạ về một hướng nào đó, chiếc giầy liền bóng lộn lên

nhiều Cho nên sau khi bôi xi lên giầy, càng xát nó càng bóng lên

CHẬU THAU ĐỰNG ĐẦY NƯỚC, VÌ SAO KHI NHÌN NGHIÊNG THẤY

NƯỚC TRỞ THÀNH NÔNG HƠN ?

Khi chậu thau đựng đầy nước, nhìn nghiêng từ bên cạnh, độ sâu từ mặtnước tới đáy chậu có vẻ như trở thành nông hơn Hiện tượng kì lạ này, rốt cuộc

đã xảy ra như thế nào?

Muốn làm sáng tỏ chân tướng của một cách triệt để thì cần phải hiểu rõmột số tính khí của ánh sáng trước đã Thì ra trong cùng một loại môi trường,ánh sáng bao giờ cũng truyền theo đường thẳng,đường ngắn nhất Song nó từ

của hai môi trường, ánh sáng sẽ bị cong lại, đi theo một đường gấp khúc Loạihiện tượng này của ánh sáng gọi là khúc xạ ánh sáng Chậu nước của bạn trôngthấy biến thành nông đi chính là do khúc xạ của ánh sáng gây nên

Bạn xem kìa, dưới khe suối có con cá nhỏ, tia sáng từ thân cá phản xạ ra,đến mặt phân cách giữa nước và không khí liền đổi hướng truyền theo đườngthẳng, nó gấp nghiêng với mặt nước một góc Cái đập vào mắt chúng ta chính làtia sáng đã gấp khúc đổi hướng Song con mắt không cảm nhận được, vẫn cứtưởng rằng tia sáng đó theo đường thẳng chiếu tới, và ngộ nhận ảnh ảo do tiasáng đã bị đổi hướng đó tạo ra con cá thật Như vậy vị trí của cá trong nước nhìn

có vẻ nông hơn Lí lẽ khiến cho chậu nước trở thành nông hơn cũng như thế đấy

Trò đùa nghịch của tia sáng cũng giống như cách biến hoá của nhà ảothuật thế thôi Khi chúng ta nhận biết rõ đủ loại tính khí của tia sáng, thì sẽkhông bị nó “lừa gạt” nữa Người đánh cá có kinh nghiệm khi dùng cái xiên đểxỉa cá, người ấy quyết không xỉa thẳng vào con cá, vì rằng đó chẳng qua chỉ là

ảo ảnh của cá Chắc chắn anh ta nhằm vào chỗ hơi xa và sâu hơn một chút dùngsức đâm tới Như vậy, một con cá giãy giụa tứ tung đã bị xiên chặt Đó đúng làkinh nghiệm phong phú mà người đánh bắt cá tích luỹ được qua thực tiễn lâu dàicủa mình

Những hiện tượng Quang học cũng vậy, chúng đều có nguyên nhân cả Đểtrả lời đúng, chính xác và nhanh chóng hiện tượng xảy ra, ngoài việc phải nắmvững kiến thức phần Quang học, ta còn phải xác định ‘‘mấu chốt’’ của vấn đề,xem những hiện tượng xảy ra đó thuộc mảng kiến thức nào của phần Quang học:Quang hình học, giao thoa, nhiễu xạ hay hiện tượng phát quang v.v để giới hạnkiến thức và giải thích chính xác bản chất hiện tượng

III C¸C HIỆN TƯỢNG QUANG HỌC PHỔ BIẾN TRONG TỰ NHIÊN.

1 BẢNG ĐO THỊ LỰC ĐƯỢC CẤU TẠO NHƯ THẾ NÀO ? ĐO THỊ LỰC THẾ NÀO CHO ĐÚNG ?

Thị lực là con số đánh giá khả năng phân ly của mắt Võng mạc của mắtđược cấu tạo bởi hai loại tế bào: tế bào nón và tế bào que Giữa võng mạc có mộtvòng tròn đường kính chừng 1mm gọi là điểm vàng, tâm hơi trũng xuống Trongđiểm vàng chỉ có toàn tế bào hình nón, nên điểm vàng là điểm nhạy sáng nhấtcủa võng mạc Mỗi tế bào nón được nối với đầu một dây thần kinh thị giác Khinhìn một vật bao giờ ta cũng hướng trục nhìn của mắt vào vật, để ảnh của vậtvào đúng điểm vàng Nếu ảnh của hai điểm khác nhau A và B rơi vào hai tế bàonón khác nhau trên điểm vàng, thì hai dây thần kinh ghi được hai cảm giác khácnhau, và mắt nhận biết được rằng đấy là hai điểm khác nhau Nhưng nếu vì vật ở

xa, hoặc vì A và B quá gần nhau đến mức ảnh của hai điểm rơi vào cùng một tếbào nhạy sáng của võng mạc thì mắt chỉ ghi được một cảm giác độc nhất, tức làmắt sẽ thấy hai điểm đó trùng nhau

Vậy, muốn phân biệt hai điểm A và B thì góc trông đoạn AB phải lớn hơnhay ít nhất là bằng một trị số giới hạn , gọi là năng suất phân ly của mắt Đốivới người bình thường trong phòng sáng vừa phải,  có trị số chừng 1 phút, tức

là chừng 3/10000rad Mắt có  đúng bằng 1 phút, thì có thị lực 10, thị lực 9 ứngvới  = 2’, thị lực 8 ứng với  = 3’v.v

Bảng đo thị lực gồm hơn một chục hàng chữ Chữ ở hàng số 10 thì nétrộng 2mm, để khi đứng bảng 5m ta nhìn các chữ số của hàng ấy dưới góc 1’.Chữ hàng số 9 thì lớn gấp đôi, ở hàng số 8 thì lớn gấp 3 hàng số 10 Hàng chữtrên cùng, số 1, có nét rộng 22m, hàng số 11, 12 nhỏ hơn hàng số 10

Muốn đo thị lực phải đứng cách bảng 5m và bảng phải có độ rọi tiêuchuẩn 50lux, và thử đọc chữ ở các hàng, bắt đầu từ hàng số 1, bằng từng mắtmột Nếu đọc được đến hàng số 9, nhưng không đọc được hàng số 10, thì ghi thị

lực của mắt là 9 Để phép đo được đúng, ngoài việc đảm bảo cho bảng có độ rọichuẩn, nên đứng một lát cho quen mắt rồi thử và thử đi thử lại một vài lần.

2 NHÌN BẰNG HAI MẮT CÓ LỢI GÌ HƠN NHÌN MỘT MẮT?

Người ta có hai con mắt không phải do tạo hoá muốn người ta trông nhìnnhiều hơn ăn, nói Tác dụng của sự nhìn bằng hai mắt, là cho ta cảm giác về độsâu, về hình nổi

Hai mắt cách nhau một khoảng 5-6cm Khi nhìn một vật bằng cả hai mắt,hai ảnh phối cảnh của vật trên võng mạc của hai mắt hơi khác nhau một chút.Khi thần kinh thị giác của hai mắt “chập” hai cảm giác thu được với mỗi mắt,thành cảm giác chung về hình ảnh của vật, thì hai cảm giác không “chập” hoàntoàn, và do đó cho ta cảm giác về độ sâu về hình nổi

3 TẠI SAO XẢY RA HIỆN TƯỢNG ẢO ẢNH ?

Chắc là mọi người đều biết nguyên nhân vật lý của hiện tượng ảo ảnhthông thường Lớp không khí nông ở kề sát mặt cát bị hun nóng trên sa mạc cónhững tính chất của gương phẳng, đó là do lớp không khí này có mật độ nhỏ hơnlớp không khí nằm trên Tia sáng từ một vật ở xa rọi nghiêng, khi tới lớp khôngkhí này sẽ uống cong đường đi, rồi lại rời khỏi mặt đất và đạp vào mắt ngườiquan sát, tựa hồ như được phản xạ từ gương dưới một góc tới rất lớn Và đối vớingười quan sát, dường như trước mặt mình có một mặt nước phẳng lặng trải ratrong sa mạc (hình vẽ)

Chú thích: Trên hình vẽ đường đi của tia sáng nghiêng so với mặt đất được

phóng đại, vì đường của tia sáng chếch xuống mặt đất không dốc đến thế.