2.2. Thiết kế một số bài tập Vật lí thực tiễn thuộc chương “Sóng ánh sáng”
2.2.4. Bài tập Vật lí tìm hiểu thực tiễn
Bài 1: Đèn huỳnh quang là một thiết bị phát sáng sử dụng điện không thể
thiếu trong mỗi hộ gia đình. Thế nhưng em có biết thực chất điện khơng làm phát sáng bóng đèn mà chỉ có tác dụng phóng điện giữa hai điện cực ở hai đầu bóng đèn làm phát ra một loại tia.
- Em hãy nêu những ưu điểm của đèn huỳnh quang so với các loại đèn khác. - Em hãy cho biết loại tia đó có tính chất gì và tìm hiểu người ta sử dụng những tính chất đó để giúp ích gì trong cuộc sống con người?
Hình 2.16. Đèn huỳnh quang Trả lời Trả lời
Đèn huỳnh quang gồm điện cực (vonfram), vỏ đèn và lớp vỏ được phủ một lớp bột huỳnh quang bên trong (hợp chất chủ yếu là Phốtpho). Ngoài ra, người ta cịn bơm vào đèn một ít hơi thủy ngân và khí trơ (neon, argon…) để làm tăng độ bền của điện cực và tạo ánh sáng màu. Nguyên lí làm việc của đèn: Khi đóng điện, hiện tượng phóng điện giữa hai điện cực làm phát ra tia tử ngoại. Tia tử ngoại tác dụng vào lớp bột huỳnh quang làm đèn phát sáng.
Ưu điểm của đèn huỳnh quang: ít tỏa nhiệt ra mơi trường, cho hiệu suất phát sáng cao hơn nhiều so với đèn sợi đốt và lại có tuổi thọ cao hơn, tiết kiệm điện hơn, ...
Tính chất và ứng dụng của tia tử ngoại:
- Tác dụng mạnh lên phim ảnh, làm ion hóa khơng khí và nhiều chất khí khác → xử lý hóa chất, ...
- Kích thích sự phát quang của nhiều chất → tìm vết nứt trên bề mặt kim loại, chế tạo đèn huỳnh quang, ...
- Bị thủy tinh, nước, ... hấp thụ mạnh → dùng thủy tinh để chắn tia tử ngoại làm hại mắt, ...
- Có một số tác dụng sinh lý → khử trùng nước, thực phẩm, dụng cụ y tế, chữa trị ung thư...
- Có thể gây ra hiện tượng quang điện → máy đo cường độ tia tử ngoại
Bài 2: Xông hơi là một phương pháp hữu hiệu giúp cơ thể thư giãn, giảm bớt
căng thẳng, mệt mỏi sau ngày làm việc mệt mỏi, đặc biệt là xông hơi hồng ngoại. - Xơng hơi hồng ngoại có những lợi ích gì cho sức khỏe?
- Em hãy cho biết tia hồng ngoại có tính chất gì và người ta sử dụng những tính chất ấy như thế nào để giúp ích trong cuộc sống con người?
Hình 2.17. Phịng xơng hơi hồng ngoại Trả lời Trả lời
Phịng xơng hơi hồng ngoại được áp dụng cơng nghệ tiên tiến hiện đại nhất là phương pháp xông hơi bằng cách sử dụng nhiệt của ánh sáng hồng ngoại để làm nóng cơ thể nó cung cấp vitamin D làm đẹp da, giúp thư giãn tinh thần cho cho người sử dụng. Phịng xơng hơi tia hồng ngoại có vai trị như tia nắng mặt trời nhưng khơng phải tia tử ngoại, khác với sức nóng thơng thường chỉ tác dụng bên ngoài da, tia hồng ngoại tác động sâu vào các mô mỡ bên trong giúp tẩy độc cơ thể, đốt cháy mỡ thừa, làm sạch lỗ chân lông, giảm mụn trứng cá, làm sạch máu, tốt cho hệ tim mạch. Ngoài ra, tia hồng ngoại còn giúp cơ thể tổng hợp vitamin D, tăng cường canxi, tái tạo sụn, chống thối hóa khớp. Những người xơng hơi bằng tia hồng ngoại thường xuyên khoảng 2-3 lần một tuần có thể giảm nguy cơ đột quỵ ở mức tối đa.
Tính chất và ứng dụng của tia hồng ngoại:
- Có thể gây ra một số phản ứng hóa học → chế tạo phim ảnh để chụp ảnh vào ban đêm, chụp ảnh bề mặt Trái Đất từ vệ tinh, ...
- Tia hồng ngoại có thể biến điệu → chế tạo điều khiển từ xa, ...
- Có thể gây ra hiện tượng quang điện trong → thiết bị đóng mở tự động, ...
Bài 3: Nếu đã từng đi máy bay, chắc chắn bạn sẽ phải đi qua khu vực quét an
ninh. Ở bước này nhân viên sân bay sẽ quét hành lý để đảm bảo khơng có vật dụng kim loại nào được mang lên máy bay. Nhờ có máy quét tia X, người ta thấy được bên trong hành lý mà không cần mở để đảm bảo riêng tư. Tại sao tia X có thể làm được như thế? Em hãy cho biết tia X có tính chất gì và người ta sử dụng những tính chất ấy như thế nào để giúp ích trong cuộc sống con người?
Hình 2.18. Máy kiểm tra an ninh Trả lời Trả lời
Tia X có khả năng đâm xun, có thể xun qua giấy, vải, gỗ thậm chí cả kim loại. Chính vì thế, người ta dùng tia X để kiểm tra hành lý của hành khách mà vẫn đảm bảo tính riêng tư.
Tính chất và ứng dụng của tia X:
- Tính chất nổi bật của tia X là khả năng đâm xuyên → kiểm tra an ninh ở máy bay, nghiên cứu cấu trúc vật rắn, chụp ảnh xương người, ...
- Tác dụng lên phim ảnh, ion hóa khơng khí → chiếu điện, chụp điện, ...
- Tia hồng ngoại có thể làm phát quang nhiều chất → kiểm tra chất lượng vật đúc, tìm các vết nứt, các bọt khí bên trong các vật kim loại, ...
- Có tác dụng sinh lý mạnh → chữa bệnh ung thư, diệt khuẩn, hủy diệt tế bào, ...
Bài 4: Những cơng nhân làm việc ở lị luyện kim, lị luyện thủy tinh phải đeo
người cơng nhân đó phải đeo loại kính này. Nêu một vài ví dụ trong thực tiễn tia hồng ngoại gây hại cho con người và cách chúng ta khắc phục nó.
Hình 2.19. Lị luyện kim Trả lời Trả lời
Lò luyện kim, lị luyện thủy tinh có nhiệt độ cao. Cường độ tia hồng ngoại phát ra ở các lò luyện kim hay luyện thủy tinh rất mạnh. Tia hồng ngoại có thể làm khơ mắt. Chính vì vậy, những cơng nhân làm việc trong các lị ấy phải đeo loại kính chống tia hồng ngoại để bảo vệ mắt.
Tác hại của tia hồng ngoại và cách khắc phục:
- Mặt trời là nguồn phát ra tia hồng ngoại rất lớn → nếu nhìn thẳng vào Mặt trời có thể gây ra bệnh khơ mắt, đục thủy tinh thể, viêm giác mạc, ...
- Dùng đèn hồng ngoại chữa bệnh mang lại những lợi ích như cải thiện lưu thơng máu. Nhiệt từ đèn hồng ngoại giúp giãn các mạch máu dẫn đến lưu thông máu tốt hơn, giảm căng thẳng và thư giãn cơ. Tuy nhiên, nếu sử dụng quá lâu cũng gây các nguy cơ tiềm ẩn và các phản ứng phụ như chấn thương mắt có thể xảy ra khi nhìn vào ánh sáng hồng ngoại trực tiếp. Ngồi ra, có thể đổ mồ hơi do nhiệt. Điều này không gây quá nhiều nguy hiểm, nhưng gây mất nước hoặc các phản ứng khó chịu cho da quá nhạy cảm, có thể gây kích ứng da. Khoảng cách giữa đèn và việc sử dụng kéo dài (hơn 10-15 phút) có thể làm nóng da quá mức và làm cho da trở nên đỏ, kích thích, viêm. → Vì vậy, ta tránh chiếu đèn q lâu. Ngồi ra, khi chiếu đèn ta nên nhắm mắt hoặc đeo mặt nạ ... Người lao động gần nguồn bức xạ hồng ngoại
phải có bảo hộ lao động như: mặc quần áo bằng sợi bơng (cotton), đeo kính lọc khi hàn điện hay hàn bằng khí đất đèn, người quan sát lị nóng chảy dùng thêm kính hấp thụ nhiệt
Bài 5: Để quan sát thấy ánh sáng giao thoa, nhà bác học Thomas Young đã
phải tạo ra hai khe sáng sát nhau rất tinh vi và thiết kế các dụng cụ thí nghiệm một cách rất cẩn thận, chi tiết. Thí nghiệm giao thoa ấy gọi là giao thoa ánh sáng với hai khe hẹp. Thực tế, hiện tượng giao thoa ánh sáng có thể được quan sát rất nhiều trong tự nhiên (không chỉ qua hai khe sáng hẹp). Em hãy tìm một số ví dụ về hiện tượng giao thoa ánh sáng trong tự nhiên và giải thích.
Trả lời
Màu sắc rực rỡ trên bong bóng xà phịng, đĩa CD, ... là những hiện tượng giao thoa ánh sáng trong tự nhiên.
- Bong bóng xà phịng: cơ chế tác động qua lại của màu sắc ở bọt xà phòng do sự phản xạ đồng thời ánh sáng từ cả mặt bên trong lẫn mặt bên ngồi của màng xà phịng cực kì mỏng. Hai bề mặt lại rất gần nhau (cách nhau chỉ vài µm) và ánh sáng phản xạ từ mặt bên trong vừa giao thoa tăng cường vừa giao thoa triệt tiêu với ánh sáng phản xạ từ mặt bên ngoài. Hiệu ứng giao thoa quan sát thấy là do ánh sáng phản xạ từ mặt bên trong của bọt phải truyền đi quãng đường xa hơn ánh sáng phản xạ từ mặt bên ngoài, và chiều dày khác nhau của màng xà phòng tạo ra sự chênh lệch tương ứng về khoảng cách mà các sóng ánh sáng phải truyền để tới được mắt người. Khi các sóng phản xạ từ mặt bên trong và mặt bên ngồi của màng xà phịng tái kết hợp, chúng sẽ giao thoa với nhau để hoặc là triệt tiêu hoặc là tăng cường một số bước sóng của ánh sáng trắng bằng sự giao thoa triệt tiêu hoặc giao thoa tăng cường. Kết quả là sự biểu hiện màu sắc rực rỡ có vẻ xoay chuyển theo bề mặt của bọt khi nó giãn ra hoặc co lại theo luồng gió thổi. Thật dễ dàng điểu chỉnh bọt xà phịng, hoặc đưa nó lại gần hoặc ra xa, làm cho màu sắc thay đổi, hay thậm chí làm biến mất hoàn toàn màu sắc. Nếu như khoảng cách tăng thêm truyền đi bởi sóng ánh sáng phản xạ từ mặt bên trong chính xác bằng với bước sóng của sóng phản xạ từ mặt bên ngồi, thì các sóng ánh sáng sẽ tái kết hợp tăng cường nhau, hình thành nên màu sáng. Trong những khu vực mà sóng khơng đồng bộ với nhau, cả chỉ một số phần nhỏ bước sóng, hiệu ứng giao thoa triệt tiêu sẽ xảy ra, làm suy yếu hoặc hủy mất ánh sáng phản xạ.
- Đĩa CD: Các rãnh ghi xoắn trôn ốc rất gần nhau trên đĩa compact hoặc đĩa video kĩ thuật số gồm một loạt hố và phần phẳng được sử dụng để mã hóa hiện trạng dạng số của chuỗi audio và/hoặc video ở trên đĩa. Sự định vị rất gần nhau của các rãnh ghi này bắt chước các đường siêu tinh tế có mặt trên cách tử nhiễu xạ nhằm tạo ra hiệu ứng màu sắc đẹp mắt giống như cầu vồng khi ánh sáng trắng thông thường bị phản xạ bởi bề mặt đó. Giống như bọt xà phịng, màu sắc tuyệt đẹp có nguyên nhân do sự giao thoa giữa các sóng ánh sáng phản xạ bật khỏi các rãnh lân cận nhau trên đĩa.
Bài 6: Nhìn vào hình ảnh sau đây và cho biết sự khác nhau giữa ba loại quang
phổ: quang phổ liên tục, quang phổ vạch phát xạ, quang phổ vạch hấp thụ. Em hãy tìm hiểu về các nguồn có thể phát ra và ứng dụng của từng loại quang phổ trong nghiên cứu khoa học và cuộc sống.
Hình 2.20. Các loại quang phổ Trả lời Trả lời
Sự khác nhau của ba loại quang phổ:
- Quang phổ liên tục: dải màu từ đỏ đến tím, nối liền nhau một cách liên tục - Quang phổ vạch phát xạ: gồm các vạch màu riêng lẻ, ngăn cách nhau bằng những khoảng tối
- Quang phổ vạch hấp thụ: trên nền quang phổ liên tục thiếu một số vạch màu và thay vào đó là những vạch tối.
Nguồn phát và ứng dụng của từng loại quang phổ trong nghiên cứu và cuộc sống:
- Quang phổ liên tục:
+ Nguồn phát: các chất rắn, lỏng, khí ở áp suất cao khi bị nung nóng
+ Ứng dụng: đo nhiệt độ của các vật ở xa như Mặt trời, các thiên thể, ... hoặc đo nhiệt độ của các lò luyện kim, ...
- Quang phổ vạch phát xạ:
+ Nguồn phát: các chất khí hoặc hơi ở áp suất thấp phát ra khi bị kích thích (khi nóng sáng hoặc khi có dịng điện phóng qua)
+ Ứng dụng: xác định cấu tạo hóa học, mẫu chất, tốc độ của các vật ở xa (xác định thiên thể ở xa được cấu tạo từ những loại nguyên tố nào, ...). Ứng dụng của quang phổ vạch phát xạ trong y học là đo phổ phát xạ của nguyên tử. Ba nguyên tố được y học sử dụng để đo sự phát xạ của nguyên tử đó là Natri, Kali và Liti. Người ta cũng dùng Natri, Kali và Liti cùng với cặp điện cực nhằm xác định bức xạ mà nhiệt độ thường không thể xảy ra sự phát xạ. Sự phát xạ của nguyên tử là cơ sở quan trọng để phân tích những tế bào kích thước 1mg/l. Ngồi ra, bằng các thiết bị phân tích, ta có thể xác định thành phần của một số nguyên tố có trong cơ thể như Lưu huỳnh, Sắt hay Photpho,… Sự phát triển của các thiết bị phân tích hiện đại hơn có thể cho biết các nguyên tố như Đồng, Kẽm, Nhôm hay Sắt trong máu. Điều này rất quan trọng trong việc theo dõi các đặc tính của hemoclialialyis hỗ trợ trong điều trị.
- Quang phổ vạch hấp thụ:
+ Nguồn phát: trên đường đi của nguồn phát quang phổ liên tục đặt một đám khí hay hơi có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nguồn phát quang phổ liên tục
+ Ứng dụng: nhận biết sự có mặt hay xuất hiện của một nguyên tố hóa học nào đó trong hỗn hợp hay hợp chất. Ngồi ra, quang phổ hấp thụ nguyên tử được biết đến là một trong những phương pháp quang phổ hay được dùng để định tính và định lượng trong hóa phân tích. Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) là một loại phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử được dùng để phân tích lượng nhỏ (lượng vết) các kim loại trong các loại vật mẫu khác nhau của các chất hữu cơ và vô cơ
Bài 7: “Ánh sáng phức tạp chiếu vào bề mặt môi trường trong suốt thì sẽ bị
tán sắc thành các ánh sáng đơn sắc” – đây là hiện tượng tán sắc ánh sáng. Nghe thì có vẻ đơn giản nhưng hiện tượng này lại có nhiều ứng dụng trong cuộc sống lắm đấy! Em hãy nêu nguyên nhân, một số ứng dụng của hiện tượng này và giải thích.
Trả lời
Nguyên nhân: ánh sáng trắng là hỗn hợp của nhiều ánh sáng đơn sắc, có màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím. Chiết suất của các mơi trường là khác nhau đối với các màu khác nhau, nhỏ nhất đối với màu đỏ và lớn nhất đối với màu tím.
Ứng dụng của hiện tượng tán sắc: máy phân tích quang phổ để phân tích một chùm ánh sáng đa sắc thành các thành phần đơn sắc. Cấu tạo của máy gồm 3 bộ phận chính: ống chuẩn trực, hệ tán sắc, buồng ảnh. Trong đó, hệ tán sắc gồm một hay nhiều lăng kính dùng để phân tích chùm sáng ra thành nhiều thành phần đơn sắc khác nhau. Ngoài ra, nhiều hiện tượng quang học trong khí quyển như cầu vồng, ... là ứng dụng của hiện tượng tán sắc ánh sáng.