Sách bài tập KHTN 9 Bài 3 (Cánh diều): Khúc xạ ánh sáng và phản xạ toàn phần

Giải SBT KHTN 9 Bài 3: Khúc xạ ánh sáng và phản xạ toàn phần

Bài 3.1 trang 11 Sách bài tập KHTN 9: Khi một phần chiếc đũa bị nhúng trong nước, ta thấy chiếc đũa như bị gãy khúc tại mặt phân cách là do

A. hiện tượng truyền thẳng ánh sáng.

B. hiện tượng phản xạ ánh sáng.

C. hiện tượng tạo bóng đen sau vật chắn.

D. hiện tượng khúc xạ ánh sáng.

Lời giải:

Đáp án đúng là: D

Khi một phần chiếc đũa bị nhúng trong nước, ta thấy chiếc đũa như bị gãy khúc tại mặt phân cách là do hiện tượng khúc xạ ánh sáng.

Bài 3.2 trang 11 Sách bài tập KHTN 9: Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là

A. hiện tượng tia sáng bị uốn cong khi đi từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác.

B. hiện tượng tia sáng bị gãy khúc tại mặt phân cách khi chiếu xiên góc từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác.

C. hiện tượng tia sáng khi bị gãy khúc tại mặt phân cách khi chiếu vuông góc từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác.

D. hiện tượng tia sáng bị biến mất tại mặt phân cách khi đi từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác.

Lời giải:

Đáp án đúng là: B

Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng tia sáng bị gãy khúc tại mặt phân cách khi truyền xiên góc từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác.

Bài 3.3 trang 12 Sách bài tập KHTN 9: Trong hiện tượng khúc xạ ánh sáng giữa hai môi trường xác định, chọn phát biểu sai khi nói về mối liên hệ giữa góc tới i và góc khúc xạ r.

A. Khi góc tới tăng thì góc khúc xạ tăng.

B. Tỉ số giữa góc tới và góc khúc xạ là một hằng số.

C. Tỉ số giữa sin góc tới và sin góc khúc xạ là một hằng số.

D. Khi góc tới i = 0° thì góc khúc xạ r = 0°.

Lời giải:

Đáp án đúng là: B

Trong định luật khúc xạ ánh sáng cho biết tỉ số giữa góc tới và góc khúc xạ là một hằng số.

Bài 3.4 trang 12 Sách bài tập KHTN 9: Khi truyền trong chân không, ánh sáng có tốc độ là 300 000 km/s. Biết chiết suất của thuỷ tinh với ánh sáng đỏ là 1,5. Ánh sáng đỏ truyền trong thuỷ tinh với có tốc độ là

A. 150 000 km/s.

B. 200 000 km/s.

C. 300 000 km/s .

D. 450 000 km/s.

Lời giải:

Đáp án đúng là: B

Chiết suất của môi trường được tính bằng biểu thức sau: $n=\frac{c}{v}$

Từ biểu thức trên, ta có: $v=\frac{c}{n}=\frac{300000}{1,5}=200000km/s.$

Vậy ánh sáng đỏ truyền trong thuỷ tinh với có tốc độ là 200 000 km/s.

Bài 3.5 trang 12 Sách bài tập KHTN 9: Chiếu ánh sáng từ môi trường l sang môi trường 2 (hình 3.1).

Chọn phát biểu không đúng.

Hình 3.1. Ánh sáng truyền từ môi trường 1 sang môi trường 2

A. SI là tia tới, IS’ là tia phản xạ, IR là tia khúc xạ.

B. SI là tia phản xạ, IS’ là tia tới, IR là tia khúc xạ.

C. Môi trường 1 có chiết suất nhỏ hơn môi trường 2.

D. Cường độ sáng của tia SI lớn hơn cường độ sáng của tia IS’ và tia IR.

Lời giải:

Đáp án đúng là: B

Chiếu ánh sáng từ môi trường l sang môi trường 2 (hình 3.1) thì:

- SI là tia tới, IS’ là tia phản xạ, IR là tia khúc xạ.

- Môi trường 1 có chiết suất nhỏ hơn môi trường 2.

- Cường độ sáng của tia SI lớn hơn cường độ sáng của tia IS’ và tia IR.

Bài 3.6 trang 12 Sách bài tập KHTN 9: Trong các phát biểu ở bảng dưới đây, phát biểu nào đúng, phát biểu nào sai? Nếu phát biểu là sai, viết lại để được phát biểu đúng.

Lời giải:

1 – S; 2 – Đ; 3 – S; 4 – Đ; 5 – S.

Viết lại:

1. Khi truyền trong một môi trường trong suốt, đồng tính, ánh sáng sẽ truyền thẳng.

3. Khi ánh sáng đi từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác thì có thể xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần, khi đó không có tia khúc xạ.

5. Khi ánh sáng đi từ nước tới mặt phân cách giữa nước và không khí, chỉ xuất hiện tia khúc xạ đi vào không khí khi góc tới nhỏ hơn góc tới hạn phản xạ toàn phần.

Bài 3.7 trang 13 Sách bài tập KHTN 9: Vẽ tiếp đường truyền của tia sáng khi nó đến gặp mặt phân cách giữa hai môi trường trong các trường hợp sau.

Lời giải:

Biều diễn pháp tuyến là đường nét đứt, dựa vào đặc điểm chiết suất của các môi trường để so sánh góc khúc xạ với góc tới (nếu chiết suất của môi trường chứa tia tới lớn hơn môi trường chứa tia khúc xạ thì góc tới nhỏ hơn góc khúc xạ và ngược lại).

Bài 3.8 trang 13 Sách bài tập KHTN 9: Tia sáng đỏ chiếu từ không khí đến mặt nước với góc tới i = 60°. Biết chiết suất của nước với tia sáng đỏ là 1,325. Tìm góc khúc xạ.

Lời giải:

Áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng:

$\frac{\sin i}{\mathrm{s}\text{inr}}=\frac{n_2}{n_1}\Rightarrow \mathrm{s}\text{inr}=\frac{n_1.\sin i}{n_2}$

Với n₁ = 1; n₂ = 1,325; i = 60^o, thay số ta tính được: sin r = 0,654, sử dụng máy tính (ấn Shift sin 0,654 =) ta có r = 40,844^o.

Bài 3.9 trang 13 Sách bài tập KHTN 9: Một bóng đèn được đặt dưới bể nước rộng, ở độ sâu 50 cm. Biết chiết suất của nước với ánh sáng đèn là 1,332. Tìm diện tích tối thiểu của một tấm chắn sáng được đặt trên mặt nước sao cho người ở phía trên không nhìn thấy bóng đèn ở bất kì vị trí đặt mắt nào.

Lời giải:

Để người phía trên không nhìn thấy bóng đèn ở bất kì hướng nhìn nào, tấm chắn phải chắn hoàn toàn các tia sáng khúc xạ ra khỏi mặt nước ứng với các tia tới từ đèn. Khi đó, tấm chắn tối thiểu có hình tròn và mép của nó là điểm ứng với góc tới hạn (hình 3).

Ta có: $\sin i_{th}=\frac{n_2}{n_1}$ với n₁ = 1,332; n₂ = 1 ta tính được i_th = 48,66^o.

Theo hình, bán kính tối thiểu của tấm chắn là OI, ta có OI = OS.tan 48,66^o = 56,82 (cm).

Từ đó, ta tính được diện tích tối thiểu của tấm chắn là S = $\pi R^2$= 10 144,33 (cm²).

Bài 3.10 trang 13 Sách bài tập KHTN 9: Tia laser được chiếu từ đèn tới bản bán trụ thuỷ tinh như hình 3.3.

a) Mô tả và giải thích đường truyền của các tia sáng ở hình 3.3.

b) Dựa vào kết quả ở hình 3.3, hãy tính:

- Chiết suất của thuỷ tinh làm bản bán trụ.

- Góc tới hạn phản xạ toàn phần của thuỷ tinh.

Hình 3.3. Tia laser chiếu tới bản bán trụ

Lời giải:

a) - Từ đèn, tia sáng đi thẳng từ không khí vào thuỷ tinh để đến tâm O của bản bán trụ (do chiều tới tâm bản bán trụ nên tại mặt phân cách giữa không khí và thuỷ tinh có góc tới bằng 0^o).

- Tại mặt phân cách giữa thuỷ tinh và không khí, với góc tới i = 33^o, một phần tia sáng bị phản xạ và một phần tia sáng bị khúc xạ với góc khúc xạ r = 56^o.

b) Áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng:

$\frac{\sin i}{\mathrm{s}\text{inr}}=\frac{n_2}{n_1}$ với n₂ = 1, i = 33^o, r = 56^o. Ta tính được n₁ = 1,52.

Áp dụng công thức tính góc tới hạn:

$\sin i_{th}=\frac{n_2}{n_1}$ với n₁ = 1,52; n₂ = 1. Ta tính được i_th = 41,1^o.

Bài 3.11 trang 13 Sách bài tập KHTN 9: Một chiếc đũa được nhúng trong hộp thuỷ tinh đựng nước. Đặt mắt phía góc hộp, ta thấy có hai đoạn đũa ở dưới nước như hình 3.4.

Vận dụng định luật khúc xạ ánh sáng, sử dụng hình vẽ để giải thích hiện tượng này.

Hình 3.4. Chiếc đũa được nhúng trong hộp thuỷ tinh đựng nước

Lời giải:

Từ góc hộp nước, khi đặt mắt quan sát thì mắt sẽ nhận được hai chùm sáng khúc xạ tại hai mặt của hộp, mỗi chùm khúc xạ sẽ có đường kéo dài tạo ra một ảnh của chiếc đũa, nên ta thấy hai ảnh của chiếc đũa (hình 4).

Cụ thể, qua mặt 1 ta thấy ảnh S₁, qua mặt 2 ta thấy ảnh S₂.

Bài 3.12 trang 14 Sách bài tập KHTN 9: Chiếu ánh sáng từ môi trường 1 sang môi trường 2 (hình 3.5).

a) Dùng mũi tên kí hiệu hướng truyền của các tia sáng a, b, c.

b) Biết môi trường 1 là không khí, góc tới là 40° và góc khúc xạ là 30°. Biểu diễn các góc trong hình vẽ. Tìm chiết suất của môi trường 2.

Lời giải:

a) a là tia tới, b là tia phản xạ, c là tia khúc xạ (hình 5).

b) Áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng:

$\frac{\sin i}{\mathrm{s}\text{inr}}=\frac{n_2}{n_1}$ với n₁ = 1; i = 40^o; r = 30^o. Ta tính được n₂ = 1,3.

Lý thuyết KHTN 9 Bài 3: Khúc xạ ánh sáng và phản xạ toàn phần

I. Hiện tượng khúc xạ ánh sáng

Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là hiện tượng tia sáng bị gãy khúc tại mặt phân cách khi truyền xiên góc từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác.

II. Định luật khúc xạ ánh sáng

1. Chiết suất của môi trường

- Chiết suất của môi trường có giá trị bằng tỉ số giữa tốc độ của ánh sáng trong chân không và tốc độ của ánh sáng trong môi trường đó.

$n=\frac{c}{v}$

Trong đó:

+ c là tốc độ ánh sáng truyền trong chân không (m/s).

+ v là tốc độ ánh sáng truyền trong môi trường (m/s).

- Chiết suất môi trường chân không n_ck = 1; chiết suất của không khí $n_{kk}\approx 1$ .

- Các môi trường khác đều có chiết suất lớn hơn 1.

2. Định luật khúc xạ ánh sáng

Định luật khúc xạ ánh sáng:

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

- Tỉ số sin góc tới và sin góc khúc xạ r là một hằng số. Hằng số này bằng tỉ số giữa chiết suất của môi trường chứa tia khúc xạ n₂ và chiết suất của môi trường chứa tia tới n₁:

$\frac{\sin i}{\sin r}=\frac{n_2}{n_1}$

Trong đó:

+ SI là tia tới, I là điểm tới.

+ A, B và I thuộc mặt phân cách giữa hai môi trường.

+ MN là pháp tuyến của mặt phân cách tại điểm tới I.

+ IR là tia khúc xạ.

+ i là góc tới (góc tạo bởi tia tới và pháp tuyến).

+ r là góc khúc xạ (góc tạo bởi tia khúc xạ và pháp tuyến).

III. Hiện tượng phản xạ toàn phần

- Điều kiện xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần:

+ Ánh sáng đi từ môi trường có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn.

+ Góc tới i lớn hơn hoặc bằng góc tới hạn i_th. Trong đó, góc i_th được xác định bằng công thức:

$\sin i_{th}=\frac{n_2}{n_1}$