Lý thuyết và bài tập mối quan hệ giữa góc tới và góc khúc xạ

Trong thế giới của quang học, mối quan hệ giữa góc tới và góc khúc xạ là một trong những khái niệm cơ bản nhưng lại mang lại những hiểu biết sâu sắc về cách ánh sáng lan truyền trong các môi trường khác nhau. Từ các hiện tượng phản xạ ánh sáng đến việc giải thích vì sao màu sắc của bầu trời ban ngày và hoàng hôn thay đổi, mối quan hệ này là chìa khóa để hiểu sâu hơn về cách ánh sáng tương tác với môi trường xung quanh. Sự thay đổi góc khúc xạ theo góc tới Khi ánh sáng chuyển từ không khí sang thủy tinh: Góc khúc xạ nhỏ hơn góc tới Khi góc tới tăng (giảm), góc khúc xạ cũng tăng (giảm) Các nhà khoa học đã thực hiện nhiều thí nghiệm về hiện tượng khúc xạ. Khi chiếu ánh sáng từ không khí vào các môi trường khác nhau như thạch anh, nước đá, rượu, dầu, kết quả vẫn được xác nhận là đúng. Quan hệ giữa góc tới và góc khúc xạ Khi ánh sáng di chuyển từ không khí sang các môi trường trong suốt rắn, lỏng khác nhau, góc khúc xạ luôn nhỏ hơn góc tới và ngược lại. Khi góc tới tăng (hoặc giảm), góc khúc xạ cũng tăng (hoặc giảm) theo. Khi góc tới là 0°, góc khúc xạ cũng là 0°, điều này chỉ ra rằng ánh sáng không bị gãy khi chuyển qua giữa hai môi trường. Phương pháp giải bài tập Vẽ tia khúc xạ khi ánh sáng đi từ một môi trường trong suốt sang một môi trường trong suốt khác Cách vẽ tia khúc xạ khi ánh sáng đi từ một môi trường trong suốt sang một môi trường trong suốt khác. Quá trình thực hiện như sau: Bước đầu tiên là vẽ tia tới và xác định điểm tới, là nơi tia tới gặp mặt phân cách giữa hai môi trường. Tiếp theo, vẽ pháp tuyến tại điểm tới, là đoạn thẳng vuông góc với mặt phân cách giữa hai môi trường. Tia khúc xạ sau đó được vẽ ở phía bên kia của pháp tuyến, mặc dù không cần phải chính xác, nhưng tuân theo quy tắc sau: Khi ánh sáng truyền từ không khí vào môi trường trong suốt rắn, lỏng…, góc khúc xạ sẽ nhỏ hơn góc tới. Ngược lại, khi ánh sáng truyền từ môi trường trong suốt rắn, lỏng… ra không khí, góc khúc xạ sẽ lớn hơn góc tới. Sự thay đổi của góc khúc xạ theo góc tới – Dựa vào mối quan hệ giữa góc tới và góc khúc xạ: Khi góc tới tăng (hoặc giảm), góc khúc xạ cũng tăng (hoặc giảm) theo. Khi góc tới bằng 0°, góc khúc xạ cũng bằng 0, đồng nghĩa với việc ánh sáng không bị gãy khúc khi đi qua hai môi trường. Bài tập Bài tập tự luận Câu 1: Trang 111 SGK Vật Lý lớp 9 trình bày một thí nghiệm như minh họa ở hình 41.1. Khi góc tới đạt 60º, ta cắm một đinh ghim tại điểm A với góc NIA là 60º. Tiếp theo, đặt mắt ở phía cạnh cong của miếng thủy tinh sao cho khi nhìn qua khe I, ta có thể nhìn thấy điểm A. Sau đó, di chuyển đinh ghim A’ đến vị trí sao cho nó che khuất cả khe I và đinh ghim A. Chúng ta cần chứng minh rằng đường nối các vị trí A, I và A’ là đường truyền của tia sáng từ đinh ghim A tới mắt. Lời giải: Khi nhìn qua khe I và nhìn thấy được điểm A, điều đó có nghĩa là ánh sáng từ đinh ghim A không bị khe I chắn ngang, tức là I và A nằm trên một đường truyền của tia sáng từ đinh ghim A. Sau đó, di chuyển đinh ghim A’ đến vị trí sao cho nó che khuất cả khe I và đinh ghim A. Điều này có nghĩa là mắt chỉ nhìn thấy được đinh ghim A’ mà không thấy được khe I và điểm A. Do đó, ánh sáng từ I và A bị đinh ghim A’ che khuất và không đến được mắt. Vậy, kết luận là đường nối các vị trí A, I và A’ là đường truyền của tia sáng từ đinh ghim A tới mắt. Câu 2: a) Nêu nhận xét về đường truyền của tia sáng từ môi trường không khí vào thủy tinh. Chỉ ra tia tới, góc khúc xạ, tia khúc xạ, góc tới. Đo độ lớn góc khúc xạ sau đó ghi vào bảng 1. b) Khi góc tới bằng 45º, 30º, 0º. Tiến hành thí nghiệm theo từng bước tương tự như trên. Vẽ đường truyền của tia sáng từ đinh ghim tới mắt trong mỗi trường hợp đó, đo các góc khúc xạ tương ứng sau đó ghi lại vào bảng 1. Lời giải: a) Khi tia sáng truyền từ môi trường không khí vào thủy tinh, Góc khúc xạ nhỏ góc khúc xạ. D) Khi góc tới < góc khúc xạ. Trả lời: Khi góc tới bằng 0º, tức là góc tới trùng với trục pháp tuyến của mặt phân cách hai môi trường, góc khúc xạ sẽ cũng bằng 0º, dẫn đến tia khúc xạ và tia tới trùng nhau. → Đáp án A Câu 2: Thông tin nào sau đây là sai khi một người nhìn thấy viên sỏi ở dưới đáy một chậu cây chứa đầy nước? A) Tia sáng từ viên sỏi đến mắt truyền theo đường gấp khúc. B) Tia sáng từ viên sỏi đến mắt truyền theo đường thẳng. C) Ảnh của viên sỏi nằm ở trên vị trí thực của viên sỏi. D) Tia sáng truyền từ viên sỏi tới mắt có góc tới < góc khúc xạ. Trả lời: Tia sáng từ viên sỏi đến mắt truyền theo đường gấp khúc, chứ không phải theo đường thẳng. → Đáp án B Câu 3: Khi một đồng tiền xu được đặt ở trong chậu và mắt nhìn từ bên ngoài vào, việc nhìn thấy đồng xu xảy ra nhờ vào hiện tượng nào? A) Sự truyền thẳng ánh sáng. B) Sự phản xạ ánh sáng. C) Sự phản xạ toàn phần. D) Sự khúc xạ ánh sáng. Trả lời: Do hiện tượng khúc xạ ánh sáng khi tia sáng từ đồng xu truyền qua mặt nước ra ngoài không khí, vì vậy mắt mới nhìn thấy được đồng xu. → Đáp án D Câu 4: Khi tia sáng từ một bóng đèn trong bể cá chiếu lên trên, xiên góc vào với mặt nước và ló ra bên ngoài không khí, điều gì xảy ra với góc khúc xạ so với góc tới? A) Góc khúc xạ sẽ lớn hơn so với góc tới. B) Góc khúc xạ sẽ bằng với góc tới. C) Góc khúc xạ sẽ nhỏ hơn so với góc tới D) Cả ba trường hợp A, B và C đều có thể xảy ra. Trả lời: Khi tia sáng đi từ môi trường nước sang không khí, góc khúc xạ sẽ lớn hơn góc tới. → Đáp án A Câu 5: Một con cá vàng đang bơi trong bể cá làm bằng thủy tinh trong suốt. Một người nhìn thấy con cá qua thành bể. Tia sáng từ con cá tới mắt người đó đã phải chịu bao nhiêu lần khúc xạ? A) Không lần nào B) Một lần C) Hai lần D) Ba lần Trả lời: Tia sáng từ con cá bơi trong nước trải qua hai lần khúc xạ, một lần từ nước qua thành bể, và một lần từ thành bể qua không khí tới mắt người. → Đáp án C