Bài 5. Sự khúc xạ ánh sáng qua thấu kính trang 28, 29, 30 Khoa học tự nhiên 9 Cánh diều: Ánh sáng mặt trời khi chiếu tới Trái Đất không có khả năng làm cháy lá khô...

Câu hỏi:

Ánh sáng mặt trời khi chiếu tới Trái Đất không có khả năng làm cháy lá khô. Nhưng nếu ta dùng kính lúp tập trung ánh sáng tại một điểm (hình 5.1) thì có thể làm cháy lá khô. Trong trường hợp này, ánh sáng truyền qua kính lúp như thế nào?

Hình 5.1. Dùng kính lúp tập trung ánh sáng

Hướng dẫn giải :

Sử dụng kiến thức đã có về ánh sáng khi đi qua thấu kính hội tụ (Khi chiếu chùm tia sáng song song tới các thấu kính khác nhau đặt trong không khí, ta thấy: • Thấu kính có rìa mỏng cho các tia ló tập trung tại một điểm (hội tụ) (hình 5.5a). Thấu kính này được gọi là thấu kính hội tụ.) và vận dụng kiến thức đã có về kính lúp là thấu kính hội tụ và ánh sáng hội tụ lại thì cường độ chiếu sáng sẽ lớn nên sẽ đốt cháy được lá khô.

Lời giải chi tiết :

Khi ánh sáng mặt trời chiếu trực tiếp lên Trái Đất, nó lan tỏa trên một diện tích rộng, làm ấm dần không khí và môi trường xung quanh. Điều này không đủ để tạo ra nhiệt độ cần thiết để cháy lá khô, vì nó được phân tán trên một diện tích lớn.

Tuy nhiên, khi bạn sử dụng kính lúp để tập trung ánh sáng vào một điểm nhỏ, đối với lá khô, ánh sáng được tập trung mạnh mẽ tại điểm đó. Điều này gây ra tăng nhiệt độ tại điểm tập trung, có thể đủ để làm cháy lá khô.

Vì kính lúp là thấu kính hội tụ, nên khi ánh sáng đi qua nó sẽ hội tụ tại 1 điểm và chiếu sáng lên một diện tích nhỏ hơn, làm tăng cường năng lượng tại điểm tập trung và tạo ra nhiệt độ cao hơn.

Câu hỏi:

Kể một số thấu kính được sử dụng trong đời sống mà em biết.

Hướng dẫn giải :

Sử dụng kiến thức về khái niệm thấu kính (Thấu kính là một khối trong suốt, giới hạn bởi hai mặt cong hoặc một mặt phẳng một mặt cong (hình 5.2). Trong chủ đề này, ta chỉ tìm hiểu thấu kính đặt trong không khí. Xét theo hình dạng, ta có thể chia thấu kính thành hai loại: thấu kính rìa mỏng (phần rìa của thấu kính mỏng hơn phần ở giữa) và thấu kính rìa dày (phần rìa của thấu kính dày hơn phần ở giữa).) và tìm hiểu và quan sát các hiện tượng xung quang để đưa ra một số thấu kính được sử dụng trong đời sống mà em biết.

Lời giải chi tiết :

Một số thấu kính phổ biến được sử dụng trong đời sống hàng ngày:

+ Kính cận

+ Kính lão

+ Kính lúp

+ Kính hiển vi

+ Ống kính máy ảnh

+ Kính áp tròng

+ Kính mát

+ Kính hồng ngoại

+ Kính chống tia UV

Câu hỏi:

Ngoài cách phân loại thấu kính thành thấu kính rìa mỏng và thấu kính rìa dày, dựa vào thí nghiệm, em có thể phân loại thấu kính theo cách nào?

Hướng dẫn giải :

Sử dụng kiến thức và so sánh ánh sáng ló ra sau thấu kính khi chiếu chùm tia sáng song song tới các thấu kính khác nhau đặt trong không khí, ta thấy:

• Thấu kính có rìa mỏng cho các tia ló tập trung tại một điểm (hội tụ) (hình 5.5a). Thấu kính này được gọi là thấu kính hội tụ.

• Thấu kính rìa dày cho các tia ló tách ra xa nhau (phân kì) (hình 5.5b). Thấu kính này được gọi là thấu kính phân kì.

Từ đó, học sinh phân chia được 2 loại theo thí nghiệm chiếu chùm tia sáng qua thấu kính.

Lời giải chi tiết :

Dùng thấu kính hứng ánh sáng Mặt Trời hoặc ánh sáng ngọn đèn đặt ở xa lên màn hứng. Nếu chùm sáng đó hội tụ trên màn thì đó là TKHT. Nếu chùm tia sáng song song sau khi đi qua thấu kính sẽ bị phân tán ra thì đó là TKPK.

Câu hỏi:

- Dùng hình vẽ mô tả hiện tượng xảy ra.

- Thay thấu kính rìa dày bằng thấu kính rìa mỏng và lặp lại các bước thí nghiệm trên.

Hướng dẫn giải :

Quan sát hình ảnh đường đi của tia ló, sau đó mô phỏng lại bằng hình vẽ với 2 trường hợp.

Lời giải chi tiết :

Thấu kình rìa dày

Thấu kình rìa mỏng

Câu hỏi:

Theo em, kính lúp ở hình 5.1 là loại thấu kính nào?

Hướng dẫn giải :

Sử dụng kiến thức đã có về ánh sáng khi đi qua thấu kính hội tụ (Khi chiếu chùm tia sáng song song tới các thấu kính khác nhau đặt trong không khí, ta thấy: • Thấu kính có rìa mỏng cho các tia ló tập trung tại một điểm (hội tụ) (hình 5.5a). Thấu kính này được gọi là thấu kính hội tụ.) và vận dụng kiến thức đã có về kính lúp là thấu kính hội tụ và ánh sáng hội tụ lại thì cường độ chiếu sáng sẽ lớn nên sẽ đốt cháy được lá khô.

Lời giải chi tiết :

Kính lúp ở hình 5.1 là thấu kính hội tụ.

Vì kính lúp là thấu kính hội tụ, nên khi ánh sáng đi qua nó sẽ hội tụ tại 1 điểm và chiếu sáng lên một diện tích nhỏ hơn, làm tăng cường năng lượng tại điểm tập trung và tạo ra nhiệt độ cao hơn, từ đó có thể làm cháy lá khô.

Câu hỏi:

Tìm hiểu kính của bạn bị cận đang đeo và cho biết đó là loại thấu kính nào.

Hướng dẫn giải :

Học sinh tìm hiểu qua sách, báo và Internet và đưa ra được câu trả lời cho câu hỏi được nêu.

Lời giải chi tiết :

Bạn bị cận đang đeo thấu kính phân kì.

Câu hỏi:

Nêu cách xác định quang tâm và trục chính của thấu kính trên hình vẽ?

Hướng dẫn giải :

Sử dụng khái niệm về thấu kính và trục chính đã được nêu trong sách (Thấu kính có một điểm O mà mọi tia tới O đều truyền thẳng qua thấu kính. O được gọi là quang tâm của thấu kính và điểm này có thể coi là điểm chính giữa của thấu kính.

Đường thẳng đi qua O vuông góc với thấu kính được gọi là trục chính của thấu kính.

Ta có thể biểu diễn thấu kính, quang tâm và trục chính của thấu kính như hình 5.7.) từ đó rút ra được cách xác định quang tâm và trục chính của thấu kính trên hình vẽ.

Lời giải chi tiết :

Quang tâm O là điểm chính giữa của thấu kính.

Đường thẳng đi qua O vuông góc với thấu kính được gọi là trục chính của thấu kính.

Câu hỏi:

Dùng hình vẽ mô tả hiện tượng xảy ra và rút ra nhận xét về đường truyền của tia tới quang tâm thấu kính và tia song song với trục chính của thấu kính.

Hướng dẫn giải :

Dùng hình vẽ mô tả hiện tượng xảy ra và rút ra nhận xét về đường truyền của tia tới quang tâm thấu kính (truyền thẳng) và tia song song với trục chính của thấu kính (cắt trục chính tại tiêu điểm).

Lời giải chi tiết :

- Tia tới quang tâm O của thấu kính truyền thẳng.

- Tia tới song song với trục chính của thấu kính thì tia ló đi qua tiêu điểm của thấu kính.

Câu hỏi:

Tìm hiểu tiêu cự của thấu kính có phụ thuộc vào màu sắc ánh sáng không? Vì sao?

Hướng dẫn giải :

Vận dụng kiến thức về khái niệm về tiêu cự của thấu kính (Các tia tới song song với trục chính của thấu kính, cho tia ló cắt trục chính hoặc có đường kéo dài cắt trục chính tại điểm F. Điểm này được gọi là tiêu điểm chính của thấu kính. Khoảng cách từ tiêu điểm chính đến quang tâm OF = f được gọi là tiêu cự của thấu kính.) và tìm hiểu thêm qua sách, báo, Internet, từ đó rút ra được kết luận thấu kính sẽ phụ thuộc vào màu sắc ánh sáng vì xác định tiêu cự qua tia ló cắt trục chính. Tia ló đi qua sẽ phụ thuộc vào chiết suất của thấu kính đó, mà chiết suất của thấu kính sẽ phụ thuộc vào màu sắc ánh sáng chiếu tới.

Lời giải chi tiết :

Do chiết suất của thấu kính phụ thuộc vào màu sắc ánh sáng nên tiêu cự f của thấu kính phụ thuộc vào màu sắc ánh sáng chiếu tới nó.

Câu hỏi:

Vẽ vào vở của em đường đi của hai tia tới thấu kính hội tụ tương ứng với hai tia ló ở hình 5.10.

Hình 5.10. Hai tia ló qua thấu kính

Hướng dẫn giải :

Sử dụng kiến thức về tính chất các tia sáng khi chiếu qua các thấu kính và quan sát hình 5.9, từ đó hoàn thành tia ló ở hình 5.10. (Các tia tới quang tâm O của thấu kính đều truyền thẳng. Đường đi của tia tới qua quang tâm, tia tới song song với trục chính của thấu kính được biểu diễn như hình 5.9.)

Lời giải chi tiết :

Câu hỏi:

Hình 5.11 biểu diễn tia tới một thấu kính được đặt trong hộp kín và tia ló tương ứng. Xác định loại thấu kính ở trong hộp kín và tiêu điểm của thấu kính đó.

Hình 5.11. Một tia tới và tia ló tương ứng qua thấu kính

Hướng dẫn giải :

Sử dụng kiến thức về tia ló ra sau thấu kính khi chiếu chùm tia sáng song song tới các thấu kính khác nhau đặt trong không khí và cách xác định tiêu điểm từ đó xác định loại thấu kính ở trong hộp kín và tiêu điểm của thấu kính đó tại hình 5.11.

• Thấu kính có rìa mỏng cho các tia ló tập trung tại một điểm (hội tụ) (hình 5.5a). Thấu kính này được gọi là thấu kính hội tụ.

• Thấu kính rìa dày cho các tia ló tách ra xa nhau (phân kì) (hình 5.5b). Thấu kính này được gọi là thấu kính phân kì.

Các tia tới song song với trục chính của thấu kính, cho tia ló cắt trục chính hoặc có đường kéo dài cắt trục chính tại điểm F. Điểm này được gọi là tiêu điểm chính của thấu kính. Khoảng cách từ tiêu điểm chính đến quang tâm OF = f được gọi là tiêu cự của thấu kính.

Lời giải chi tiết :

Nhận thấy, tia ló tách ra xa nhau khi đi qua thấu kính nên đây là thấu kính phân kì.

Câu hỏi:

Để tạo ra chùm sáng có phạm vi rộng và có cường độ sáng tương đối ổn định trên toàn bộ bề rộng của chùm sáng, người ta đã chế tạo ra thấu kính Fresnel (hình 5.12). Thấu kính này có một số ưu điểm: bề mặt thấu kính rộng nhưng lại mỏng làm thấu kính có khối lượng nhỏ đồng thời làm giảm phần ánh sáng bị thấu kính hấp thụ. Thấu kính này được chế tạo từ những phần mặt cầu trong suốt được mô tả ở hình 5.13a. Thấu kính này có cùng tiêu cự với thấu kinh ở hình 5.13b nhưng mỏng hơn rất nhiều.

Em hãy tìm hiểu và giải thích sự khúc xạ của các tia sáng qua thấu kính này.

Hình 5.12. Thấu kính Fresnel

a) Mặt cắt thấu kính Fresnel b) Mặt cắt thấu kính thông thường

Hình 5.13

Hướng dẫn giải :

Sử dụng kiến thức khúc xạ ánh sáng đã học và đặc điểm của thấu kính Fresnel đã nêu ở đề bài, học sinh vận dụng và kết hợp với kiến thức tìm hiểu qua sách, báo, Internet để giải thích sự khúc xạ của các tia sáng qua thấu kính Fresnel.

Lời giải chi tiết :

Khi ánh sáng chạm vào một bề mặt phẳng của thấu kính, nó sẽ bị khúc xạ, tức là thay đổi hướng di chuyển. Trong trường hợp của thấu kính Fresnel, bề mặt thấu kính được chia thành nhiều phần nhỏ có hình dạng như các răng cưa. Mỗi phần nhỏ này gây ra một lực khúc xạ nhỏ, và khi tổng hợp lại, chúng tạo ra một hình ảnh tương tự như thấu kính truyền thống.

Điều đặc biệt là bề mặt của thấu kính Fresnel được thiết kế để giảm bớt độ dày của thấu kính mà vẫn giữ được các tính chất khúc xạ cần thiết. Bằng cách này, thấu kính Fresnel có thể tập trung ánh sáng giống như thấu kính thông thường mà không cần có một thấu kính dày và nặng.

Nhờ vào cấu trúc đặc biệt này, thấu kính Fresnel không chỉ giúp giảm trọng lượng và kích thước của thấu kính mà còn giúp giảm lượng ánh sáng bị hấp thụ. Điều này làm cho chùm sáng trở nên rộng hơn và có cường độ sáng tương đối ổn định trên toàn bộ bề rộng của chùm sáng.