TRẢI NGHIÊM SÁNG TẠO VẬT LÝ: CÁC HIỆN TƯỢNG TỰ NHIÊN VÀ CÂU HỎI THỰC TẾ CHƯƠNG KHÚC XẠ ÁNH SÁNG VẬT LÍ 11 THPT

CÁC HIỆN TƯỢNG TỰ NHIÊN VÀ CÂU HỎI THỰC TẾ CHƯƠNG KHÚC XẠ ÁNH SÁNG- VẬT LÍ 11 THPT A/ KHÚC XẠ ÁNH SÁNG I Các hiện tượng tự nhiên 1 Vầng hào quang Giới thiệu: Vầng hào quang hình thành do ánh sáng chiếu qua các đám mây tầng cao chứa tinh thể băng Đôi khi trên vầng hào quang có một vài chỗ sáng hơn hẳn, tạo thành "các Mặt Trời giả" Hiện tượng này cũng xuất hiện ở mặt trăng hoặc những hành tinh sáng, ví dụ như sao Kim Giải thích: Ánh sáng chiếu qua các đám mây tầng cao chứa tinh thể băng nên bị khúc xạ 2 Mây dạ quang Giới thiệu: Mây dạ quang xuất hiện vào lúc chiều ta khi Mặt Trời đã lặn Những đám mây này sẽ làm cả bầu trời rực sáng mà không cần bất cứ nguồn năng lượng nào Giải thích: Mây dạ quang là những đám mây ở tầng cao khí quyển bị khúc xạ ánh sáng mặt trời 3 Tia chớp lục Giới thiệu: Đây là hiện tượng quang học xảy ra rất ngắn ngay sau hoàng hôn (lúc mặt trời lặn hoàn toàn) hoặc trước bình minh Nó chỉ xuất hiện 1 tới 2 giây ngay trên đỉnh Mặt Trời hoặc giống như tia chớp xanh lá cây phóng lên từ điểm Mặt Trời lặn Giải thích: Nguyên nhân chủ yếu gây ra hiện tượng này là ánh sáng bị khúc xạ 4 Cầu vồng Giới thiệu: Cầu vồng là hiện tượng thiên nhiên tuyệt đẹp Khi khoa học chưa phát triển, cầu vồng cũng đã khiến cho con người tin rằng khi cầu vồng xuất hiện ẩn chứa điều kỳ diệu và huyền bí Trong sách Kinh Thánh Sáng Thế của Thiên Chúa Giáo có ghi chép lại rằng Thiên Chúa đặt cầu vồng trên bầu trời sau trận Đại Hồng Thủy và nói với ông Noah rằng "đây là dấu hiệu của một giao ước mới giữa Thiên Chúa và Trái Đất" Còn đối với người Hy Lạp cổ đại, họ cho rằng cầu vồng chính là nữ thần Iris Và qua nhiều thế kỷ, các tư tưởng khoa học vĩ đại khác nhau từ Aristotle đến Rene Descartes đều tìm cách để lý giải cho hiện tượng cầu vồng tuyệt đẹp này Cầu vồng hình tròn Cầu vồng thực chất có hình tròn Tuy nhiên, chỉ các phi công khi ở trong điều kiện đặc biệt trên bầu trời mới nhìn thấy hình tròn hoàn hảo của nó Góc độ của ánh sáng Mặt Trời khi đi qua các hạt nước trong không khí khiến chúng ta chỉ thấy một hình vòng cung nếu nhìn từ mặt đất Giải thích: Cầu vồng được tạo ra bởi những giọt nước lơ lửng trong không khí sau một trận mưa Các giọt nước có mật độ lớn hơn mật độ của các phân tử không khí xung quanh, chúng ta biết rằng ánh sáng mặt trời đi thẳng nhưng sẽ bị lệch khi đi qua ranh giới các chất có mật độ khác nhau vì vậy khi ánh sáng mặt trời chiếu qua chúng, chúng giống như các lăng kính nhỏ, uốn cong ánh sáng Đó là hiện tượng khúc xạ Như vậy những giọt nước ở trong không khí có thể làm khúc xạ tia sáng Mặt trời, nhưng với điều kiện tia nắng phải bắt gặp giọt nước dưới một góc tương đối nhỏ, gọi là góc lệch của cầu vồng (khoảng 40 độ so với mặt đất) Điều đó giải thích tại sao ta lại nhìn thấy cầu vồng vào buổi sáng hoặc buổi chiều, chứ không bao giờ vào buổi trưa Thật thú vị khi bạn nhìn thấy cầu vồng khi đang trên máy bay, bạn sẽ thấy nó có hình chiếc đĩa hơn là hình vòng cung 5 Cầu vồng trắng (cầu vồng sương mù) Giới thiệu: Cầu vồng trắng xuất hiện tại Brookline, Massachusetts, Mỹ, tháng 9/2014 (Ảnh: Eileen Claffey) Cầu vồng trắng có thể được quan sát trong lớp sương mù mỏng khi Mặt Trời chiếu sáng Do những giọt nước trong sương mù rất nhỏ nên cầu vồng trắng chỉ có màu sắc mờ nhạt hoặc không màu Một số cầu vồng trắng có độ tương phản rất thấp Nếu muốn quan sát cầu vồng trắng ta phải tìm kiếm những thay đổi ánh sáng nhỏ trong nền sương mù Mặt Trời phải ở độ cao khoảng 30-40°, hoặc phải đứng trên một ngọn đồi cao, nơi sương mù và cầu vồng trắng có thể nhìn thấy từ trên xuống Cầu vồng trắng có kích thước lớn như một cầu vồng thông thường nhưng rộng hơn rất nhiều Giải thích: Cầu vồng sương mù, hay cầu vồng trắng, được tạo ra bởi cơ chế tương tự như cầu vồng bình thường Cầu vồng thường xuất hiện khi không khí tràn ngập các giọt nước mưa Cầu vồng trắng luôn đối diện với Mặt Trời, nhưng nó hình thành nhờ những giọt nước nhỏ trong lớp sương mù hoặc đám mây chứ không phải các hạt mưa lớn hơn 6 Cầu vồng Mặt Trăng Giới thiệu: Hình ảnh cầu vồng Mặt Trăng, hiện tượng xảy ra khi ánh trăng khúc xạ từ các hạt nước lơ lửng trong không khí, được ghi lại trên bầu trời đêm của nước Anh Cầu vồng Mặt Trăng nhạt hơn cầu vồng bình thường bởi ánh trăng yếu hơn ánh sáng Mặt Trời Màu sắc của nó khó nhìn thấy bằng mắt thường nhưng có thể hiện ra trong ảnh chụp phơi sáng Giải thích: Giống như cầu vồng thường gặp, cầu vồng Mặt Trăng xuất hiện khi ánh sáng được khúc xạ từ những hạt nước lơ lửng trong không khí Điểm khác biệt đó là Mặt Trăng không tự phát ra ánh sáng Vì thế, đó là ánh sáng từ Mặt Trời phản chiếu trên bề mặt Mặt Trăng và khúc xạ các hạt nước trong không khí II Các câu hỏi thực tế Câu 1: Vì sao khi một thanh hoặc một que thẳng cắm nghiêng trong một cốc nước, thanh không còn thẳng nữa, mà nghiêng đi một góc khác? Khi rút ống hút ra khỏi cốc, hoặc cắm thẳng đứng ống hút vào cốc, ta không quan sát thấy hiện tượng trên nữa Giải thích: Ánh sáng bị khúc xạ khi nó đi ra khỏi nước, mang lại ảo giác là các vật trong nước hình như vừa méo mó vừa trông gần hơn so với thực tế Trước tiên sóng phải truyền qua nước, rồi truyền qua mặt phân giới thủy tinh-nước và cuối cùng truyền vào không khí Sóng ánh sáng đến từ các mặt (trước và sau) của ống bị lệch ở mức độ nhiều hơn so với sóng đến từ chính giữa ống, khiến nó trông có vẻ lớn hơn thực tế Câu 2: Vì sao ta nhìn thấy hiện tượng bầu trời đêm đầy sao lấp lánh? Giải thích: Vào những buổi đêm khi nhìn lên trời bạn thấy được các "vì sao" lấp lánh, nguyên nhân của nó là do ánh sáng từ các ngôi sao bị khúc xạ (gãy khúc) nhiều lần khi truyền từ không gian xuyên qua bầu khí quyển của trái đất Câu 3: Vì sao chậu thau đựng đầy nước, khi nhìn nghiêng thấy nước trở thành nông hơn? Giải thích: Trong cùng một loại môi trường, ánh sáng bao giờ cũng truyền theo đường thẳngđường ngắn nhất Song nó từ một loại môi trường đi vào một môi trường khác, ví dụ như từ không khí vào nước, hoặc từ nước vào không khí, do tốc độ truyền của ánh sáng trong hai loại môi trường đó khác nhau, trên mặt phân cách của hai môi trường, ánh sáng sẽ bị cong lại, đi theo một đường gấp khúc Loại hiện tượng này của ánh sáng gọi là khúc xạ ánh sáng Chậu nước của bạn trông thấy biến thành nông đi chính là do khúc xạ của ánh sáng gây nên Câu 4: Vì sao người đánh cá khi dùng cái xiên để xỉa cá, người ấy quyết không xỉa thẳng vào con cá mà anh ta nhằm vào chỗ hơi xa và sâu hơn? Giải thích: 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 đường thẳng, nó gấp nghiêng với mặt nước một góc Cái đập vào mắt chúng ta chính là tia sáng đã gấp khúc đổi hướng Song con mắt không cảm nhận được, vẫn cứ tưởng rằng tia sáng đó theo đường thẳng chiếu tới, và ngộ nhận ảnh ảo do tia sáng đã bị đổi hướng đó tạo ra con cá thật Như vậy vị trí của cá trong nước nhìn có vẻ nông hơn Do vậy người đánh cá có kinh nghiệm khi dùng cái xiên để xỉa cá, người ấy quyết không xỉa thẳng vào con cá, vì rằng đó chỉ là ảnh ảo của cá Chắc chắn anh ta nhằm vào chỗ hơi xa và sâu hơn một chút dùng sức đâm tới Ảnh ảo quan sát thấy do khúc xạ B/ PHẢN XẠ TOÀN PHẦN I Các hiện tượng tự nhiên: Ảo ảnh Giới thiệu: Hình ảnh một vật, cảnh vật hoặc bầu trời sẽ xuất hiện giống y đúc cảnh thật ở một nơi khác, nhưng đương nhiên đó chỉ là ảo ảnh Hiện tượng này thường được thấy trên các bề mặt nóng, như mặt đường hoặc sa mạc Giải thích: Ảo ảnh xuất hiện khi ánh sáng bị phản xạ toàn phần trên mặt phân cách giữa lớp không khí lạnh (có chiết suất lớn) và lớp không khí nóng (có chiết suất nhỏ) Sự phân thành lớp không khí nóng và lạnh đặc biệt phổ biến ở khu vực sa mạc, đại dương, và mặt đường trải nhựa Hiệu ứng ảo ảnh thực tế được mường tượng phụ thuộc vào lớp không khí lạnh nằm trên lớp không khí nóng (hình a) Một loại ảo ảnh xuất hiện dưới dạng ảnh ảo lộn ngược nằm ngay phía dưới vật thật và xảy ra khi lớp không khí nóng ở gần mặt đất hoặc mặt nước bị chặn lại bởi lớp không khí lạnh, đậm đặc hơn nằm phía trên Ánh sáng từ vật truyền xuống lớp không khí nóng gần kề mặt đất (hoặc mặt nước) bị khúc xạ trở lên phía đường chân trời Tại một số điểm, ánh sáng đạt tới góc tới hạn đối với không khí nóng, và bị bẻ cong trở lên bởi sự phản xạ toàn phần, kết quả là ảnh ảo xuất hiện phía bên dưới vật Ảo ảnh và ảnh bóng mờ Một dạng ảo ảnh khác, gọi là bóng mờ, xảy ra khi không khí nóng nằm trên lớp không khí lạnh, và thường xuất hiện với những đối tượng kích thước lớn trên mặt nước có thể vẫn còn tương đối lạnh khi không khí phía trên nước bị nung nóng vào ban ngày (hình b) Các tia sáng đi từ vật, như con tàu trên mặt nước, truyền lên trên qua không khí lạnh đi vào không khí nóng bị khúc xạ trở xuống hướng về ngang tầm nhìn của người quan sát Khi đó các tia có vẻ xuất phát từ một vật ở phía trên và hình như “nổi lờ mờ” phía trên vị trí thực của nó II Các câu hỏi thực tế Câu 1: Có thể dẫn ánh sáng đi theo những ống cong, như dẫn nước, được không? Giải thích: Được, dựa vào sự phản xạ toàn phần Ta xét thanh trong suốt bằng thuỷ tinh, hoặc chất dẻo, uốn cong và rọi một chùm tia sáng hẹp vào một đầu ống Chiếc suất và độ cong của thanh đã được lựa chọn để cho các tia sáng tới thành bên của thanh dưới những góc lớn hơn góc giới hạn phản xạ toàn phần Do đó, tới chỗ cong, tia sáng liên tiếp bị phản xạ toàn phần và cuối cùng, đi theo thanh mà ló ra ở đầu kia Thanh như thế đã hướng chùm sáng đi theo nó, và được gọi là ống dẫn sáng hay sợi quang Trong thực tế, sợi quang được làm bằng một bó sợi chất dẻo, để cho mềm và dễ uốn theo ý muốn Sợi quang gồm hai phần chính: Phần lõi trong suốt bằng thủy tinh siêu sạch có chiết suất lớn n1 Phần vỏ bọc cũng trong suốt, bằng thủy tinh có chiết suất n2 nhỏ hơn phần lõi Câu 2: Tại sao trời mùa hè, lúc trưa nắng trên đường nhựa khô ráo, nhìn từ xa mặt đường nhựa như có nước ? Giải thích: Các đường nhựa có màu thẫm, nên bị hun nóng dưới ánh nắng Mặt Trời Lớp không khí ở kề sát mặt đường nhựa bị đốt nóng Các tia sáng phản xạ toàn phần trên lớp không khí sát mặt đường và đi vào mắt Vì vậy, mặt đường mờ đục từ xa trông tựa như một mặt nước đánh bóng và phản chiếu các vật ở xa Câu 3: Tại sao kim cương sáng lấp lánh ? Giải thích: Kim cương sáng lấp lánh do phản xạ toàn phần Sở dĩ kim cương lại có nhiều màu lấp lánh vì kim cương có chiết suất lớn (khoảng 2,4) lớn hơn so với chiết suất 1,5 của thủy tinh thông thường, ánh sáng ban ngày có thể phản xạ toàn phần với góc giới hạn phản xạ toàn phần nhỏ và có thể phản xạ toàn phần nhiều lần qua các mặt trong tinh thể kim cương rồi mới ló ra ngoài tạo độ lấp lánh Lúc đó do hiện tượng tán sắc các màu của quang phổ ánh sáng trắng được phân tán, vì thế trông kim cương ta thấy có nhiều màu sắc Câu 4: Vì sao người thợ lặn có thể quan sát hình ảnh phản xạ của chú rùa biển trên mặt phân cách giữa mặt biển và không khí ? Giải thích: Nhờ hiện tượng phản xạ toàn phần, người thợ lặn có thể quan sát hình ảnh phản xạ của chú rùa biển này trên mặt phân cách giữa mặt biển và không khí Câu 5: Nêu các ứng dụng của cáp quang a Cáp quang dùng trong y học - Trong y học người ta dùng những bó sợi quang để quan sát những bộ phận bên trong cơ thể Đó là phương pháp nội soi b Cáp quang dùng trong công nghệ thông tin - Trong công nghệ thông tin cáp quang được dùng để truyền các dữ liệu c Cáp quang dùng trong nghệ thuật ... phân cách hai môi trường, ánh sáng bị cong lại, theo đường gấp khúc Loại tượng ánh sáng gọi khúc xạ ánh sáng Chậu nước bạn trơng thấy biến thành nơng khúc xạ ánh sáng gây nên Câu 4: Vì người ? ?ánh. .. trí thực II Các câu hỏi thực tế Câu 1: Có thể dẫn ánh sáng theo ống cong, dẫn nước, khơng? Giải thích: Được, dựa vào phản xạ toàn phần Ta xét suốt thuỷ tinh, chất dẻo, uốn cong rọi chùm tia sáng. .. chụp phơi sáng Giải thích: Giống cầu vồng thường gặp, cầu vồng Mặt Trăng xuất ánh sáng khúc xạ từ hạt nước lơ lửng khơng khí Điểm khác biệt Mặt Trăng khơng tự phát ánh sáng Vì thế, ánh sáng từ