6. Giả thuyết khoa học
2.3. Soạn thảo hệ thống bài tập thí nghiệm về khúc xạ ánh sáng
xạ ánh sáng
Bài 1. Dùng kim nhỏ để ghim ba ống 1, 2, 3 lại với nhau như hình vẽ.
Xoay ống 1 và ống 2 đi cùng một góc so với ống 3 để chúng cùng nằm trên
một đường thẳng.
Đưa dụng cụ vào một chậu chứa nước có miệng khá rộng, sao cho ống 3 vuông góc với mặt nước và nước ngập tới đinh ghim.
a) Hãy dự đoán hiện tượng sẽ quan sát được khi nhìn ống nhựa 1 từ phía trên cốc nước.
b) Để quan sát thấy ống 1 và ống 2 thẳng hàng thì phải xoay ống 2 như thế nào ?
Hãy làm thí nghiệm để kiểm tra.
a) b)
Hình 2.1
Lời giải
Do hiện tượng khúc xạ ánh sáng khi ánh sáng đi từ nước ra không khí, nó bị đổi phương từ mặt phân cách. Nếu nhìn ống 1 trong nước ta có cảm giác như ống được nâng cao hơn (Hình 2.1). Vậy muốn hai đoạn ống tiếp tục thẳng
hàng ta phải xoay ống 2 một góc .
Chú ý
– ống càng nhỏ hiện tượng quan sát được càng rõ.
3 2 1 4 1 3 2
– ống 3 cắm vuông góc với mặt nước và giữ cố định ở trong nước. – Khi làm thí nghiệm thì mặt nước thật phẳng lặng.
Bài 2.
Cho các dụng cụ: Một tấm bìa cát tông trắng, phẳng, một hộp kim và một thước đo góc, làm thế nào để đo được chiết suất của một bản thuỷ tinh ? Làm thí nghiệm và tính chiết suất đó.
Lời giải
Hình 2.2
– Kẻ hai đường thẳng a và b vuông góc với nhau trên tấm bìa cát tông trắng.
– Đặt bản thủy tinh lên tờ bìa sao cho cạnh dài của bản thủy tinh trùng với đường thẳng a. Cắm kim số 1 ngay sát mép thủy tinh và tại chỗ giao của hai đường thẳng.
– Cắm tiếp kim số 2 ngay sát bản thủy tinh.
– Nâng tấm gỗ lên ngang tầm mắt và quan sát các kim 1 và 2 từ phía A bên kia của tấm thủy tinh.
– Cắm kim số 3 sao cho kim này che khuất ảnh của hai kim 1 và 2 khi nhìn qua bản thủy tinh. Thí nghiệm được bố trí theo hình 2.2.
– Rút khối thủy tinh ra, nối các điểm cắm kim. Lần lượt đo các góc hợp các đường thẳng nối các kim với đường thẳng b. Đó chính là cặp góc tới và góc khúc xạ của tia sáng đi từ không khí vào bản thủy tinh (hoặc ngược lại). a b 1 3 2
– Tính chiết suất của chất tạo bản thủy tinh theo công thức: sin i n sin r Chú ý
– Làm thí nghiệm nhiều lần với các góc tới và góc khúc xạ khác nhau. – Làm thí nghiệm nhẹ nhàng để tránh xê dịch bản thủy tinh.
– Các kim cắm thật vuông góc với mặt phẳng của tấm bìa. – Quan sát các kim từ hai phía.
– Đặt mắt sát bảng khi quan sát các kim. Bài 3.
Cho các dụng cụ: Một tấm gỗ mềm, trên mặt tấm gỗ ở khoảng giữa dựng hai đường thẳng vuông góc với nhau, một hộp kim, một thước đo góc và một chậu nước, làm thế nào để đo được chiết suất của nước trong chậu ? Làm thí nghiệm và tính chiết suất đó.
Lời giải
– Cắm lên đường thẳng a các kim 1, 2, 3 và cắm kim 4 về một phía đường thẳng a.
– Nhúng miếng gỗ vào chậu nước sao cho các kim 1, 2, 3 nằm ngay sát mặt nước.
– Nhìn nghiêng từ trên xuống theo hướng của kim 2, 4 và tìm vị trí cắm kim 5 sao cho ảnh của các kim 2 và 4 nằm trong
1 2 3 1 5 b a Hình 2.3
nước bị che khuất bởi kim 5. Thí nghiệm được bố trí theo hình 2.3.
– Lấy tấm gỗ ra khỏi nước và nối các điểm cắm kim 2, 4, 5.
– Lần lượt đo các góc hợp bởi các đường thẳng nối giữa các kim với đường thẳng a. Ta được cặp góc tới và góc khúc xạ của tia sáng khi đi từ không khí vào nước (hoặc ngược lại).
– Tính chiết suất của nước theo công thức: sin i
n
sin r
Chú ý
– Làm thí nghiệm nhiều lần với các cặp góc tới và góc khúc xạ khác nhau.
– Tiến hành thí nghiệm với các góc trong môi trường nước nhỏ hơn
43o, để tránh hiện tượng phản xạ toàn phần.
– Cố định tấm gỗ trong nước sao cho mặt phẳng tấm gỗ luôn vuông góc với mặt thoáng nước.
– Cắm các kim thật vuông góc với mặt phẳng tấm gỗ. – Đặt mắt sát tấm gỗ.
Bài 4. Có một chiếc cốc thuỷ tinh hình trụ. Người ta cắt lấy một dải băng dính màu đen và một dải băng dính màu trắng có cùng chiều rộng. Hai dải băng dính này có cùng chiều dài và đều bằng một nửa chu vi của cốc.
Chia đôi dải băng dính màu đen và cắt tạo thành một khe hẹp ở chính giữa.
Dùng thước kẻ và compa để chia độ ở dải băng dính trắng, lấy vạch số
a) b) Hình 2.4
Dán hai dải băng này vào thành ngoài của cốc và ôm lấy toàn bộ thành hình tròn sao cho vạch số 0 của dải băng giấy và khe hẹp của dải băng dính ở vị trí chính diện nhau.
Đặt cốc lên mặt bàn phẳng phía trước ngọn nến đang cháy sao cho khe hẹp quay về phía ngọn nến (Chiều cao của ngọn nến cao bằng với chiều cao của khe hẹp) (Hình 2.4b).
Rót từ từ nước vào trong cốc cho tới khi mực nước trong cốc cao ngang chính giữa vòng tròn hai dải băng.
a) Ban đầu xoay cốc để hai vạch sáng cùng nằm tại vạch số 0. Làm thí nghiệm từ từ xoay cốc, mô tả quan sát được hiện tượng quan sát được. Hãy giải thích.
b) Dựa vào thí nghiệm trên, làm thế nào để đo được chiết suất của nước trong cốc ? Tính chiết suất đó.
Lời giải
– Khi tia sáng truyền từ không khí qua khe hẹp vào trong nước, phần nửa khe hẹp phía trên không bị ngập nước nên tia sáng vẫn truyền thẳng tạo thành nửa vạch sáng phía thành đối diện. Nửa phần khe dưới bị ngập nước nên khi tia sáng đi qua khe sẽ bị khúc xạ tạo thành nửa vạch sáng ở phía dưới thành đối diện.
0 90o
– Do mặt phân cách là mặt cầu nên khi ta xác định được góc ở tâm của hai tia sáng (tia truyền thẳng và tia khúc xạ) sẽ xác định được góc tới và góc khúc xạ tương ứng.
– Tính chiết suất của nước theo công thức: sin i
n
sin r
Chú ý
– Làm thí nghiệm nhiều lần với các cặp góc tới và góc khúc xạ khác nhau.
– Khe sáng phải tạo ra hẹp. – Độ chia phải chính xác.
– Mực nước trong cốc cao ngang khoảng giữa của vòng tròn dải băng. – Di chuyển vị trí của nến một cách từ từ để thấy được sự thay đổi vị trí của các vạch sáng tương ứng.
– Thí nghiệm phải làm ở nơi tối.
Bài 5. Đổ gần đầy nước vào một cốc nhựa trong suốt (hoặc chai nhựa nhẵn) hình hộp chữ nhật hoặc hình trụ. Cắt một tấm bìa có chiều cao bằng khoảng 2/3 chiều cao của cốc nước, rồi đặt sát thành cốc nước.
Đặt một ngọn nến nhỏ đang cháy ở gần thành đối diện của cốc nước. Toàn bộ hệ thống được đặt trên mặt bàn nằm ngang. Đặt mắt trên mặt bàn và nhìn cốc nước phía trên tấm bìa từ dưới lên (Hình 2.5). Hãy dự đoán hiện tượng mà ta sẽ quan sát được khi ta đưa ngọn nến ra xa hoặc lại gần cốc. Làm thí nghiệm kiểm tra dự đoán.
Lời giải
Nhiều tia sáng từ ngọn lửa nến sau khi khúc xạ ở thành cốc rồi đến mặt phân cách nước – không khí. Bằng cách điều chỉnh ngọn nến ra xa hoặc lại gần thành cốc, góc tới của các tia sáng khi gặp mặt phân cách sẽ lớn hơn góc giới hạn. Hiện tượng phản xạ toàn phần xảy ra, các tia sáng quay trở lại môi trường nước và khúc xạ ở thành cốc đối diện. Do đó, ta nhìn thấy ảnh lộn ngược của ngọn lửa, dường như ngọn lửa như lơ lửng trong không khí.
Chú ý
– Đường kính của cốc càng lớn thì càng dễ quan sát.
– Chỉ di chuyển ngọn nến trong một khoảng nhỏ trước thành cốc. Bài 6.
Một chiếc cốc thuỷ tinh có thành trong suốt chứa có chứa nước và một chiếc phễu thuỷ tinh (Hình 2.6).
a) Bịt kín đầu dưới cuống phễu rồi từ từ nhúng phễu vào cốc sao cho phần phễu ngập hoàn toàn trong nước.
Mô tả hiện tượng quan sát được khi nhìn thẳng phần phễu hình nón từ trên xuống. Giải thích hiện tượng.
b) Vẫn đặt mắt quan sát như phần a). Nếu bây giờ không bịt đầu dưới cuống phễu nữa thì sẽ quan sát được hiện tượng như thế nào ? Làm thí nghiệm kiểm tra dự đoán.
Lời giải
– Do cuống phễu ở phía trên được bịt chặt nên phần bên trong hình nón là không khí. Khi các tia sáng tới gặp mặt ngoài hình nón đi vào không
khí thỏa mãn hiện tượng phản xạ toàn phần (với những góc tới lớn hơn 43o) nên bị đổi phương tại mặt nón.
– Khi nhìn phần hình nón từ phía trên, mắt người đón nhận được các tia phản xạ toàn phần nhiều và đều từ khắp mặt nón, ta có cảm giác toàn bộ phần hình nón có màu sáng bạc.
– Nếu không bịt đầu trên của cuống phễu thì nước sẽ vào trong phễu như vậy sẽ không xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần nữa nên chỉ nhìn thấy phễu to hơn và gần mặt nước hơn do hiện tượng khúc xạ ánh sáng.
Chú ý
– Để dễ quan sát hiện tượng hơn, ta đặt cốc trên một cuốn sổ bìa đen, bao bọc xung quanh thành cốc bằng một tờ giấy trắng.
Bài 7. Nhúng nghiêng một ống thủy tinh rỗng vào một cốc thủy tinh chứa gần đầy nước sao cho đáy ống chạm vào đáy cốc và miệng ống thì nằm ở phía trên.
a) Nhìn dọc theo thành ống thủy tinh từ phía trên (A). Mô tả hiện tượng quan sát được và hãy giải thích.
b) Cuộn một đoạn giấy màu thành hình trụ và luồn nó vào trong ống thủy tinh tới sát đáy ống, rồi lại nhúng ống thủy tinh vào cốc nước. Hãy dự đoán hiện tượng sẽ quan sát được khi lại nhìn dọc theo thành ống thủy tinh từ phía trên (A) (Hình 2.7). Tiến hành thí nghiệm kiểm tra dự đoán.
c) Rút đoạn giấy màu ra khỏi ống thủy tinh. Hãy dự đoán các hiện tượng sẽ quan sát được khi nhìn dọc theo thành ống từ phía trên (A) trong hai trường hợp:
A
– Đổ nước vào trong ống cho tới nửa chiều cao của mực nước trong cốc.
– Đổ nước vào trong ống cho tới khi mặt nước trong ống ngang với mặt nước trong cốc. Làm thí nghiệm kiểm tra dự đoán.
Lời giải
a) Do hiện tượng khúc xạ ánh sáng, ta thấy phần ống nghiệm ngập trong nước như được nâng lên. Mặt khác do hiện tượng phản xạ toàn phần ở thành ống, ta lại thấy thành ống nghiệm sáng lóa như được mạ bạc.
b) Do hiện tượng phản xạ toàn phần, ta thấy thành ống nghiệm sáng như được mạ bạc và không nhìn thấy cuộn giấy màu.
c) Do hiện tượng phản xạ toàn phần, ta thấy như có thủy ngân nổi trên mặt nước.
Khi mặt nước trong ống ngang với mặt nước trong cốc thì không còn hiện tượng phản xạ toàn phần nên sự sáng lóa không còn nữa, chỉ thấy phần ống nghiệm ngập trong nước như được nâng lên.
Chú ý
– Mắt đặt cách mặt thoáng từ 20 đến 30cm. – Chọn ống nghiệm có đường kính vừa phải.
Bài 8. a) Một lăng kính bằng thuỷ tinh đặt trong không khí. Hỏi: Nếu chiếu một chùm tia sáng hẹp qua lăng kính thì tia sáng sẽ lệch về phía nào của lăng kính ?
b) Bây giờ, dùng lăng kính bên trong là không khí, rồi nhúng lăng kính ngập hoàn toàn vào trong nước. Hỏi, nếu chiếu một chùm sáng hẹp vào trong nước rồi qua lăng kính thì tia sáng sẽ bị lệch về phía nào của lăng kính ? Hãy làm thí nghiệm kiểm tra dự đoán.
– Chiếu chùm tia sáng hẹp qua lăng kính thủy tinh thì tia ló lệch về phía đáy lăng kính.
Hình 2.8
– Dùng lăng kính không khí, nhúng vào trong nước bằng cách dùng keo gắn vào thành bình. Nếu chiếu chùm tia sáng hẹp qua lăng kính, do chiết suất bên trong lăng kính nhỏ hơn chiết suất của môi trường ngoài nên theo định luật khúc xạ ánh sáng thì chùm tia ló lúc này không bị lệch về phía đáy lăng kính nữa mà lệch về phía đỉnh lăng kính (Hình 2.8).
Chú ý
– Khi chế tạo lăng kính thì các tấm kính phải mỏng. – Chùm sáng chiếu càng hẹp thì càng dễ quan sát. B i 9
Cho các dụng cụ: một lăng kính thủy tinh có tiết diện là một tam
giác đều, bốn chiếc kim, một bảng gỗ mềm dán giấy trắng kích thước 30 x 40cm, một thước kẻ và một compa.
Người ta tiến hành thí nghiệm như sau: Đặt lăng kính lên bảng gỗ dán
giấy trắng, dùng bút chì để vẽ đường bao quanh của lăng kính trên mặt giấy
Bỏ lăng kính ra, từ một điểm phía ngoài lăng kính nằm trên đường trung trực của cạnh đáy BC lấy làm tâm quay, dùng compa vẽ một cung tròn cắt 2 cạnh AB và BC của lăng kính tại hai điểm 1 và 2. Dùng kim cắm vuông góc lên mặt giấy tại hai vị trí này. Đặt lăng kính lên vị trí cũ.
– Đặt mắt phía bên cạnh AB của lăng kính (mắt sát bảng gỗ) và tìm vị trí để thấy kim 1 và ảnh của kim 2 che khuất nhau. Tìm vị trí cắm kim số 3 sao cho mắt quan sát thấy chúng nằm trên một “đường thẳng”.
– Xoay từ từ bảng gỗ (hoặc đặt mắt phía cạnh AC) và tìm vị trí để thấy kim 2 và ảnh của kim 1 che khuất nhau. Tìm vị trí cắm kim số 4 sao cho chúng vẫn che khuất nhau.
– Bỏ lăng kính ra nối các điểm cắm chân kim 1 và 3, 2 và 4. Đường kéo dài của chúng cắt nhau tại một điểm nằm trên đường trung trực cạnh BC và hợp thành một góc D. Thí nghiệm được mô tả trên hình 2.9.
a) Giải thích tại sao D chính là góc lệch cực tiểu của lăng kính (Dmin) ?
b) Từ thí nghiệm trên, hãy xây dựng phương án đo chiết suất của chất làm lăng kính ? Lời giải A B C 1 2 A B C 1 2 4 3 Dmin Hình 2.9 b) c) a)
Giả sử coi kim số 3 hoặc số 4 là một điểm sáng S đặt trước lăng kính. Từ S phát ra chùm sáng hẹp tới mặt bên của lăng kính. Qua mặt bên AB cho
tia sáng khúc xạ với góc khúc xạ là r1. Tia sáng này tiếp tục tới mặt bên AC
của lăng kính rồi khúc xạ ra ngoài. Chùm tia khúc xạ ra ngoài lăng kính bị lệch về phía đáy.
Xét đường đi của một tia sáng xuất phát từ S (Hình 2.10):
Do lăng kính có tiết diện ngang là một tam giác đều nên SI và S’I’ đối
xứng nhau qua mặt phẳng phân giác của góc chiết quang A. Nên khi đó ta có
góc lệch cực tiểu Dmin.
Làm thí nghiệm ta đo được góc lệch cực tiểu, từ đó tính được chiết suất của chất làm lăng kính theo công thức:
min D A sin( ) 2 n A sin 2 Chú ý – Làm thí nghiệm nhiều lần.
– Cắm kim thật vuông góc với mặt phẳng của bảng gỗ, các kim 1 và 2 cắm sát thành của lăng kính.
– Mỗi lần làm thí nghiệm cần kiểm tra lại bằng cách nhìn từ phía bên kia thành lăng kính. A B C I I’ S’ S Dmin Hình 2.10
B i 10.
Dựa vào bài 9, hãy chế tạo một lăng kính nước rồi đo chiết suất của nước qua lăng kính nước đó.
Lời giải
Dùng các tấm kính hoặc nhựa cắt thành các tấm kính (nhựa) phẳng, rồi dùng keo gắn chúng lại với nhau. Khi gắn xong dùng ống kim tiêm để bơm đầy nước vào trong lăng kính.
Chú ý
– Các tấm kính (nhựa) phải mỏng.
– Bơm đầy nước vào trong lăng kính, tránh bọt khí.
Bài 11. Không sờ tay để xác định độ dày, mỏng khác nhau của một