TRẢI NGHIÊM SÁNG TẠO VẬT LÝ: CÁC HIỆN TƯỢNG TỰ NHIÊN VÀ CÂU HỎI THỰC TẾ CHƯƠNG KHÚC XẠ ÁNH SÁNG VẬT LÍ 11 THPT

CÁC HIỆN TƯỢNG TỰ NHIÊN VÀ CÂU HỎI THỰC TẾ
CHƯƠNG KHÚC XẠ ÁNH SÁNG- VẬT LÍ 11 THPT
A/ KHÚC XẠ ÁNH SÁNG
I. Các hiện tượng tự nhiên
1. Vầng hào quang
Giới thiệu:

Vầng hào quang hình thành do ánh sáng chiếu qua các đám mây tầng cao chứa tinh
thể băng. Đôi khi trên vầng hào quang có một vài chỗ sáng hơn hẳn, tạo thành "các Mặt Trời
giả". Hiện tượng này cũng xuất hiện ở mặt trăng hoặc những hành tinh sáng, ví dụ như sao
Kim.
Giải thích: Ánh sáng chiếu qua các đám mây tầng cao chứa tinh thể băng nên bị khúc xạ.


2. Mây dạ quang
Giới thiệu:

Mây dạ quang xuất hiện vào lúc chiều ta khi Mặt Trời đã lặn. Những đám mây này sẽ
làm cả bầu trời rực sáng mà không cần bất cứ nguồn năng lượng nào.
Giải thích: Mây dạ quang là những đám mây ở tầng cao khí quyển bị khúc xạ ánh sáng mặt
trời.
3. Tia chớp lục
Giới thiệu:


Đây là hiện tượng quang học xảy ra rất ngắn ngay sau hồng hơn (lúc mặt trời lặn
hồn tồn) hoặc trước bình minh. Nó chỉ xuất hiện 1 tới 2 giây ngay trên đỉnh Mặt Trời hoặc
giống như tia chớp xanh lá cây phóng lên từ điểm Mặt Trời lặn.
Giải thích: Nguyên nhân chủ yếu gây ra hiện tượng này là ánh sáng bị khúc xạ.
4. Cầu vồng
Giới thiệu:

Cầu vồng là hiện tượng thiên nhiên tuyệt đẹp. Khi khoa học chưa phát triển, cầu vồng
cũng đã khiến cho con người tin rằng khi cầu vồng xuất hiện ẩn chứa điều kỳ diệu và huyền
bí. Trong sách Kinh Thánh Sáng Thế của Thiên Chúa Giáo có ghi chép lại rằng Thiên Chúa
đặt cầu vồng trên bầu trời sau trận Đại Hồng Thủy và nói với ơng Noah rằng "đây là dấu
hiệu của một giao ước mới giữa Thiên Chúa và Trái Đất". Còn đối với người
Hy Lạp cổ đại, họ cho rằng cầu vồng chính là nữ thần Iris. Và qua nhiều thế kỷ, các tư tưởng
khoa học vĩ đại khác nhau từ Aristotle đến Rene Descartes đều tìm cách để lý giải cho hiện
tượng cầu vồng tuyệt đẹp này.


Cầu vồng hình trịn.
Cầu vồng thực chất có hình trịn. Tuy nhiên, chỉ các phi công khi ở trong điều kiện đặc
biệt trên bầu trời mới nhìn thấy hình trịn hồn hảo của nó. Góc độ của ánh sáng Mặt Trời
khi đi qua các hạt nước trong khơng khí khiến chúng ta chỉ thấy một hình vịng cung nếu
nhìn từ mặt đất.
Giải thích:
Cầu vồng được tạo ra bởi những giọt nước lơ lửng trong khơng khí sau một
trận mưa. Các giọt nước có mật độ lớn hơn mật độ của các phân tử khơng khí xung quanh,
chúng ta biết rằng ánh sáng mặt trời đi thẳng nhưng sẽ bị lệch khi đi qua ranh giới các chất
có mật độ khác nhau vì vậy khi ánh sáng mặt trời chiếu qua chúng, chúng giống như các
lăng kính nhỏ, uốn cong ánh sáng. Đó là hiện tượng khúc xạ. Như vậy những giọt nước
ở trong khơng khí có thể làm khúc xạ tia sáng Mặt trời, nhưng với điều kiện tia nắng phải bắt


gặp giọt nước dưới một góc tương đối nhỏ, gọi là góc lệch của cầu vồng (khoảng 40 độ so
với mặt đất).
Điều đó giải thích tại sao ta lại nhìn thấy cầu vồng vào buổi sáng hoặc buổi chiều, chứ
không bao giờ vào buổi trưa. Thật thú vị khi bạn nhìn thấy cầu vồng khi đang trên máy bay,

bạn sẽ thấy nó có hình chiếc đĩa hơn là hình vịng cung.
5. Cầu vồng trắng (cầu vồng sương mù)
Giới thiệu:

Cầu vồng trắng xuất hiện tại Brookline, Massachusetts, Mỹ, tháng
9/2014. (Ảnh: Eileen Claffey).


Cầu vồng trắng có thể được quan sát trong lớp sương mù mỏng khi
Mặt Trời chiếu sáng. Do những giọt nước trong sương mù rất nhỏ nên cầu
vồng trắng chỉ có màu sắc mờ nhạt hoặc khơng màu.
Một số cầu vồng trắng có độ tương phản rất thấp. Nếu muốn quan
sát cầu vồng trắng ta phải tìm kiếm những thay đổi ánh sáng nhỏ trong
nền sương mù. Mặt Trời phải ở độ cao khoảng 30-40°, hoặc phải đứng
trên một ngọn đồi cao, nơi sương mù và cầu vồng trắng có thể nhìn thấy
từ trên xuống. Cầu vồng trắng có kích thước lớn như một cầu vồng thông
thường nhưng rộng hơn rất nhiều.
Giải thích:
Cầu vồng sương mù, hay cầu vồng trắng, được tạo ra bởi cơ chế
tương tự như cầu vồng bình thường. Cầu vồng thường xuất hiện khi khơng
khí tràn ngập các giọt nước mưa. Cầu vồng trắng luôn đối diện với Mặt
Trời, nhưng nó hình thành nhờ những giọt nước nhỏ trong lớp sương mù
hoặc đám mây chứ không phải các hạt mưa lớn hơn.
6. Cầu vồng Mặt Trăng
Giới thiệu:


Hình ảnh cầu vồng Mặt Trăng, hiện tượng xảy ra khi ánh trăng khúc xạ từ các hạt nước lơ
lửng trong khơng khí, được ghi lại trên bầu trời đêm của nước Anh.
Cầu vồng Mặt Trăng nhạt hơn cầu vồng bình thường bởi ánh trăng yếu hơn ánh sáng

Mặt Trời. Màu sắc của nó khó nhìn thấy bằng mắt thường nhưng có thể hiện ra trong ảnh
chụp phơi sáng.
Giải thích:
Giống như cầu vồng thường gặp, cầu vồng Mặt Trăng xuất hiện khi ánh sáng được
khúc xạ từ những hạt nước lơ lửng trong khơng khí. Điểm khác biệt đó là Mặt Trăng khơng
tự phát ra ánh sáng. Vì thế, đó là ánh sáng từ Mặt Trời phản chiếu trên bề mặt Mặt Trăng và
khúc xạ các hạt nước trong không khí.


II. Các câu hỏi thực tế
Câu 1: Vì sao khi một thanh hoặc một que thẳng cắm nghiêng trong một cốc nước,
thanh khơng cịn thẳng nữa, mà nghiêng đi một góc khác? Khi rút ống hút ra khỏi cốc,
hoặc cắm thẳng đứng ống hút vào cốc, ta không quan sát thấy hiện tượng trên nữa.

Giải thích:
Ánh sáng bị khúc xạ khi nó đi ra khỏi nước, mang lại ảo giác là các vật trong nước
hình như vừa méo mó vừa trơng gần hơn so với thực tế. Trước tiên sóng phải truyền qua
nước, rồi truyền qua mặt phân giới thủy tinh-nước và cuối cùng truyền vào khơng khí. Sóng
ánh sáng đến từ các mặt (trước và sau) của ống bị lệch ở mức độ nhiều hơn so với sóng đến
từ chính giữa ống, khiến nó trơng có vẻ lớn hơn thực tế.
Câu 2: Vì sao ta nhìn thấy hiện tượng bầu trời đêm đầy sao lấp lánh?


Giải thích:


Vào những buổi đêm khi nhìn lên trời bạn thấy được các "vì sao" lấp lánh, ngun
nhân của nó là do ánh sáng từ các ngôi sao bị khúc xạ (gãy khúc) nhiều lần khi truyền từ
không gian xuyên qua bầu khí quyển của trái đất.

Câu 3: Vì sao chậu thau đựng đầy nước, khi nhìn nghiêng thấy nước trở thành nơng
hơn?
Giải thích:
Trong cùng một loại môi trường, ánh sáng bao giờ cũng truyền theo đường thẳngđường ngắn nhất. Song nó từ một loại mơi trường đi vào một mơi trường khác, ví dụ như từ
khơng khí vào nước, hoặc từ nước vào khơng khí, do tốc độ truyền của ánh sáng trong hai
loại môi trường đó khác nhau, trên mặt phân cách của hai môi trường, ánh sáng sẽ bị cong
lại, đi theo một đường gấp khúc. Loại hiện tượng này của ánh sáng gọi là khúc xạ ánh sáng.
Chậu nước của bạn trông thấy biến thành nơng đi chính là do khúc xạ của ánh sáng gây nên.

Câu 4: Vì sao người đánh cá khi dùng cái xiên để xỉa cá, người ấy quyết không xỉa thẳng
vào con cá mà anh ta nhằm vào chỗ hơi xa và sâu hơn?
Giải thích:


Dưới khe suối có con cá nhỏ, tia sáng từ thân cá phản xạ ra, đến mặt phân cách giữa
nước và khơng khí liền đổi hướng truyền theo đường thẳng, nó gấp nghiêng với mặt nước
một góc. Cái đập vào mắt chúng ta chính là tia sáng đã gấp khúc đổi hướng. Song con mắt
không cảm nhận được, vẫn cứ tưởng rằng tia sáng đó theo đường thẳng chiếu tới, và ngộ
nhận ảnh ảo do tia sáng đã bị đổi hướng đó tạo ra con cá thật. Như vậy vị trí của cá trong
nước nhìn có vẻ nơng hơn. Do vậy người đánh cá có kinh nghiệm khi dùng cái xiên để xỉa
cá, người ấy quyết không xỉa thẳng vào con cá, vì rằng đó chỉ là ảnh ảo của cá. Chắc chắn
anh ta nhằm vào chỗ hơi xa và sâu hơn một chút dùng sức đâm tới.

Ảnh ảo quan sát thấy do khúc xạ
B/ PHẢN XẠ TOÀN PHẦN
I. Các hiện tượng tự nhiên: Ảo ảnh
Giới thiệu:

Hình ảnh một vật, cảnh vật hoặc bầu trời sẽ xuất hiện giống y đúc cảnh thật ở một nơi
khác, nhưng đương nhiên đó chỉ là ảo ảnh. Hiện tượng này thường được thấy trên các bề mặt
nóng, như mặt đường hoặc sa mạc.
Giải thích: Ảo ảnh xuất hiện khi ánh sáng bị phản xạ toàn phần trên mặt phân cách
giữa lớp khơng khí lạnh (có chiết suất lớn) và lớp khơng khí nóng (có chiết suất nhỏ).
Sự phân thành lớp khơng khí nóng và lạnh đặc biệt phổ biến ở khu vực sa mạc, đại
dương, và mặt đường trải nhựa.
Hiệu ứng ảo ảnh thực tế được mường tượng phụ thuộc vào lớp khơng khí lạnh nằm trên
lớp khơng khí nóng (hình a). Một loại ảo ảnh xuất hiện dưới dạng ảnh ảo lộn ngược nằm
ngay phía dưới vật thật và xảy ra khi lớp khơng khí nóng ở gần mặt đất hoặc mặt nước bị
chặn lại bởi lớp không khí lạnh, đậm đặc hơn nằm phía trên. Ánh sáng từ vật truyền xuống
lớp khơng khí nóng gần kề mặt đất (hoặc mặt nước) bị khúc xạ trở lên phía đường chân trời.


Tại một số điểm, ánh sáng đạt tới góc tới hạn đối với khơng khí nóng, và bị bẻ cong trở lên
bởi sự phản xạ toàn phần, kết quả là ảnh ảo xuất hiện phía bên dưới vật.

Ảo ảnh và ảnh bóng mờ
Một dạng ảo ảnh khác, gọi là bóng mờ, xảy ra khi khơng khí nóng nằm trên lớp khơng
khí lạnh, và thường xuất hiện với những đối tượng kích thước lớn trên mặt nước có thể vẫn
cịn tương đối lạnh khi khơng khí phía trên nước bị nung nóng vào ban ngày (hình b). Các
tia sáng đi từ vật, như con tàu trên mặt nước, truyền lên trên qua khơng khí lạnh đi vào
khơng khí nóng bị khúc xạ trở xuống hướng về ngang tầm nhìn của người quan sát. Khi đó
các tia có vẻ xuất phát từ một vật ở phía trên và hình như “nổi lờ mờ” phía trên vị trí thực
của nó.
II. Các câu hỏi thực tế


Câu 1: Có thể dẫn ánh sáng đi theo những ống cong, như dẫn nước, được khơng?
Giải thích: Được, dựa vào sự phản xạ toàn phần.

Ta xét thanh trong suốt bằng thuỷ tinh, hoặc chất dẻo, uốn cong và rọi một chùm tia
sáng hẹp vào một đầu ống.
Chiếc suất và độ cong của thanh đã được lựa chọn để cho các tia sáng tới thành bên
của thanh dưới những góc lớn hơn góc giới hạn phản xạ tồn phần. Do đó, tới chỗ cong, tia
sáng liên tiếp bị phản xạ tồn phần và cuối cùng, đi theo thanh mà ló ra ở đầu kia. Thanh như
thế đã hướng chùm sáng đi theo nó, và được gọi là ống dẫn sáng hay sợi quang.
Trong thực tế, sợi quang được làm bằng một bó sợi chất dẻo, để cho mềm và dễ uốn
theo ý muốn.
Sợi quang gồm hai phần chính: Phần lõi trong suốt bằng thủy tinh siêu sạch có chiết
suất lớn n1. Phần vỏ bọc cũng trong suốt, bằng thủy tinh có chiết suất n2 nhỏ hơn phần lõi.


Câu 2: Tại sao trời mùa hè, lúc trưa nắng trên đường nhựa khơ ráo, nhìn từ xa mặt
đường nhựa như có nước ?
Giải thích: Các đường nhựa có màu thẫm, nên bị hun nóng dưới ánh nắng Mặt Trời. Lớp
khơng khí ở kề sát mặt đường nhựa bị đốt nóng. Các tia sáng phản xạ tồn phần trên lớp
khơng khí sát mặt đường và đi vào mắt. Vì vậy, mặt đường mờ đục từ xa trông tựa như một
mặt nước đánh bóng và phản chiếu các vật ở xa.
Câu 3: Tại sao kim cương sáng lấp lánh ?


Giải thích:
Kim cương sáng lấp lánh do phản xạ tồn phần. Sở dĩ kim cương lại có nhiều màu lấp
lánh vì kim cương có chiết suất lớn (khoảng 2,4) lớn hơn so với chiết suất 1,5 của thủy tinh
thông thường, ánh sáng ban ngày có thể phản xạ tồn phần với góc giới hạn phản xạ tồn
phần nhỏ và có thể phản xạ toàn phần nhiều lần qua các mặt trong tinh thể kim cương rồi
mới ló ra ngồi tạo độ lấp lánh. Lúc đó do hiện tượng tán sắc các màu của quang phổ ánh
sáng trắng được phân tán, vì thế trơng kim cương ta thấy có nhiều màu sắc.
Câu 4: Vì sao người thợ lặn có thể quan sát hình ảnh phản xạ của chú rùa biển trên mặt

phân cách giữa mặt biển và khơng khí ?


Giải thích: Nhờ hiện tượng phản xạ tồn phần, người thợ lặn có thể quan sát hình ảnh phản
xạ của chú rùa biển này trên mặt phân cách giữa mặt biển và khơng khí.
Câu 5: Nêu các ứng dụng của cáp quang
a. Cáp quang dùng trong y học
- Trong y học người ta dùng những bó sợi quang để quan sát những bộ phận bên trong
cơ thể. Đó là phương pháp nội soi.


b. Cáp quang dùng trong công nghệ thông tin
- Trong công nghệ thông tin cáp quang được dùng để truyền các dữ liệu.


c. Cáp quang dùng trong nghệ thuật