Bài tập khúc xạ qua bản mặt song song và cách giải - Vật Lí lớp 11

Bài tập khúc xạ qua bản mặt song song và cách giải

Với Bài tập khúc xạ qua bản mặt song song và cách giải Vật Lí lớp 11 gồm đầy đủ phương pháp giải, ví dụ minh họa và bài tập trắc nghiệm có lời giải chi tiết sẽ giúp học sinh ôn tập, biết cách làm dạng bài tập khúc xạ qua bản mặt song song từ đó đạt điểm cao trong bài thi môn Vật Lí lớp 11.

I. Lí thuyết

1, Sự khúc xạ ánh sáng

- Hiện tượng khúc xạ ánh sáng: Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng lệch phương (gãy) của các tia sáng khi truyền xiên góc qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt khác nhau.

Ở hình trên ta có:

SI là tia tới

I là điểm tới

N’IN là pháp tuyến với mặt phân cách tại I

IR là tia khúc xạ

i là góc tới, r là góc khúc xạ

- Định luật khúc xạ ánh sáng:

+ Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới (tạo bởi tia tới và pháp tuyến) và ở phía bên kia pháp tuyến so với tia tới.

+ Với hai môi trường trong suốt nhất định, tỉ số giữa sin góc tới (sin i) và sin góc khúc xạ (sin r) luôn không đổi:

2, Chiết suất của môi trường

Chiết suất tỉ đối: Tỉ số không đổi trong hiện tượng khúc xạ được gọi là chiết suất tỉ đối n₁₂ của môi trường (2) chứa tia khúc xạ đối với môi trường (1) chứa tia tới:

+ Nếu n₁₂ > 1 thì r < i: Tia khúc xạ bị lệch lại gần pháp tuyến hơn. Ta nói môi trường (2) chiết quang hơn môi trường (1)

+ Nếu n₁₂ < 1 thì r > i: Tia khúc xạ bị lệch xa pháp tuyến hơn. Môi trường (2) chiết quang kém hơn môi trường (1)

Chiết suất tuyệt đối: (thường gọi tắt là chiết suất) của một môi trường là chiết suất tỉ đối của môi trường đó đối với chân không. Trong đó:

+ Chiết suất của chân không là 1.

+ Chiết suất của không khí gần bằng 1.

+ Các môi trường trong suốt khác đều có chiết suất tuyệt đối lớn hơn 1.

Hệ thức giữa chiết suất tỉ đối và chiết suất tuyệt đối:. Trong đó:

n₁ là chiết suất tuyệt đối của môi trường (1)

n₂ là chiết suất tuyệt đối của môi trường (2)

Như vậy, biểu thức khác của định luật khúc xạ ánh sáng: n₁sin i = n₂ sin r

3, Liên hệ giữa chiết suất tỉ đối và vận tốc truyền ánh sáng

Chiết suất của môi trường:

Hệ thức giữa chiết suất tỉ đối và vận tốc truyền ánh sáng trong các môi trường:

Trong đó:

c = 3.10⁸m/s là vận tốc ánh sáng trong chân không.

v là vận tốc ánh sáng trong môi trường có chiết suất n.

Trường hợp i và r nhỏ hơn 10⁰ thì: sini ≈ i; sin r ≈ r. Khi đó ta có: n₁.i = n₂.r

Trường hợp i = 0⁰; r = 0⁰ thì tia sáng đi vuông góc với mặt phân cách (không xảy ra hiện tượng khúc xạ).

4, Tính thuận nghịch của sự truyền ánh sáng.

Ánh sáng truyền đi theo đường nào thì cũng truyền ngược lại theo đường đó:

Chú ý: Tính thuận nghịch cũng biểu hiện ở sự truyền thẳng và sự phản xạ.

II. Các dạng bài tập

Dạng 3: Khúc xạ qua bản mặt song song

1. Lí thuyết

Khái niệm: Bản (hai) mặt song song là lớp môi trường trong suốt giới hạn bởi hai mặt phẳng song song với nhau, chẳng hạn một tấm kính.

Đường đi của tia sáng: Tia sáng truyền qua bản mặt song song không đổi phương (tia ló ra khỏi bản mặt song song với tia tới).

Sự tạo ảnh với bản mặt song song: Xét chùm tia sáng tới hẹp gần vuông góc với mặt bản; n là chiết suất tỉ đối của chất làm bản đối với môi trường xung quanh bản.

- Vật thật cho ảnh ảo, vật ảo cho ảnh thật.

- Ảnh có độ lớn (độ cao) bằng vật.

Đường đi của tia sáng qua bản mặt song song được biểu diễn trong hình dưới đây:

Khoảng cách vật - ảnh (độ dịch chuyển của ảnh so với vật theo chiều truyền ánh sáng).

+ Nếu i rất nhỏ thì

Độ dời ngang của tia sáng (Khoảng cách giữa tia tới và tia ló)

với e là độ dày của bản mặt song song.

Vậy: Một vật AB đứng trước một bản mặt song song, thì bản cho một ảnh khác bản chất vật, bằng vật, cùng chiều vật nhưng bị dịch chuyển theo chiều truyền tia sáng.

2. Phương pháp giải

- Vẽ ảnh tạo bởi hai bảm mặt song song

- Áp dụng công thức bản mặt song song để giải yêu cầu bài toán

3. Ví dụ minh họa

Ví dụ 1: Một bản mặt song song có bề dày 10cm, chiết suất n=1,2 được đặt trong không khí. Ảnh S’ của S qua bản mặt song song cách S một đoạn là: (chọn đáp án gần đúng nhất).

A. 1cm

B. 1,5cm

C. 2cm

D. 2,5cm

Lời giải chi tiết

Ta thấy tia ló I₂R song song với tia tới SI₁, giao của đường kéo dài của tia I₂R cắt tia sáng SJ tại S’, S’ là ảnh của S qua bản mặt.

Tứ giác SS’MI₁ là hình bình hành suy ra SS’ = I₁M

Xét hai tam giác vuông MNI₂ và I₁NI₂, ta có:

NI₂ = I1N.tanr₁ = MN.tani₁ (do góc NMI₂ = i₁ ) suy ra

Vì ta xét góc tới i₁ rất nhỏ nên góc r₁ cũng rất nhỏ nên tan i₁ ≈ sin i₁ và tan r₁ ≈ sin r₁

Theo định luật khúc xạ tại I₁, ta có khoảng cách giữa vật và ảnh là:

Chọn đáp án B

Ví dụ 2: Một bản mặt song song có bề dày 16cm, chiết suất n=1,5 được đặt trong không khí. Chiếu tới bản một tia sáng với góc tới bằng 40⁰. Khoảng cách giữa phương của tia tới và tia ló là bao nhiêu?

A. 1,47cm

B. 2,47cm

C. 3,47cm

D. 4,47cm

Lời giải chi tiết

Bề dày e=16cm; chiết suất n=1,5.

Áp dụng công thức định luật khúc xạ ánh sáng, ta có: sin i₁ = n.sin r₁

Từ hình vẽ, khoảng cách giữa giá của tia ló và tia tới bằng đường cao I₂H của tam giác vuông.

Ta có: I₂H = I₁I₂. = I₁I₂.sin(i₁ - r₁)

Mà

Vậy khoảng cách giữa phương của tia ló và tia tới là khoảng 4,47cm

Chọn đáp án D.

3. Bài tập vận dụng

Bài 1: Tốc độ ánh sáng trong chân không là 3.10⁸ m/s. Một môi trường có chiết suất là 2,12. Tốc độ truyền ánh sáng trong môi trường đó là bao nhiêu? (chọn đáp án gần đúng nhất).

A. 0,4.10⁵km/s

B. 0,9.10⁵km/s

C. 1,4.10⁵km/s

D. 1,9.10⁵km/s

Chọn đáp án C

Bài 2: Chiết suất tuyệt đối của một môi trường là chiết suất tỉ đối của môi trường đó so với:

A. Chân không

B. Dầu ăn

C. Không khí

D. Nước

Chọn đáp án A

Bài 3: Một điểm sáng O nằm trong chất lỏng có chiết suất n, cách mặt chất lỏng một đoạn 14cm, phát ra chùm ánh sáng hẹp đến gặp mặt phân cách với không khí tại điểm B với góc tới rất nhỏ, tia ló truyền theo phương BE. Đặt mắt trên phương BE nhìn thấy ảnh ảo O’ của O dường như cách mặt chất lỏng một khoảng 9cm. Chiết suất của chất lỏng đó là: (chọn đáp án gần đúng nhất)

A. 0,56

B. 0,86

C. 1,26

D. 1,56

Chọn đáp án D

Bài 4: Một bản mặt song song có bề dày 17cm, chiết suất n=1,45 được đặt trong không khí. Chiếu tới bản một tia sáng với góc tới bằng 30⁰. Khoảng cách giữa phương của tia tới và tia ló là bao nhiêu?

A. 2,1cm

B. 3,1cm

C. 4,1cm

D. 5,1cm

Chọn đáp án B

Bài 5: Một thợ lặn dưới nước nhìn thấy Mặt trời ở độ cao 70⁰ so với đường chân trời. Tính độ cao thực của Mặt trời (tạo một góc bao nhiêu độ với đường chân trời) biết chiết suất của nước là ? (chọn đáp án gần đúng nhất).

A. 42⁰

B. 52⁰

C. 62⁰

D. 72⁰

Chọn đáp án C

Bài 6: Một người quan sát một hòn sỏi như điểm sáng A ở đáy bể nước có chiều sâu h, theo phương gần vuông góc với mặt nước. Người ấy thấy hình như hòn sỏi được nâng lên gần mặt nước, theo phương thẳng đứng đến A’. Biết khoảng cách từ A’ đến mặt nước là 90cm. Tính chiều sâu của bể nước, cho nước có chiết suất là ?

A. 80cm

B. 100cm

C. 120cm

D. 140cm

Chọn đáp án C

Bài 7: Cho hai bản mặt song song bằng thủy tinh có bề dày e = 3,2cm, chiết suất n₁ = 1,25. Tính khoảng cách vật đến ảnh khi vật và bản đều đặt trong không khí?

A. 0,34cm

B. 0,44cm

C. 0,54cm

D. 0,64cm

Chọn đáp án D

Bài 8: Tính vận tốc của ánh sáng trong thủy tinh. Biết thủy tinh có chiết suất n = 1,8 và vận tốc ánh sáng trong chân không là c = 3.10⁸m/s ?

A. 1,53.10⁸m/s

B. 1,67.10⁸m/s

C. 1,9.10⁸m/s

D. 2,1.10⁸m/s

Chọn đáp án B

Bài 9: Một bản mặt song song có bề dày d = 12cm, chiết suất n = 1,2 đặt trong không khí. Chiếu tới bản một tia tới SI có góc tới 30⁰. Tính khoảng cách giữa tia tới và tia ló? (chọn đáp án gần đúng nhất)

A. 1,24cm

B. 2,24cm

C. 3,24cm

D. 4,24cm

Chọn đáp án A

Bài 10: Một bản mặt song song có bề dày d = 8cm, chiết suất n = 1,8 được đặt trong không khí. Vật là một điểm sáng S cách bàn 25cm. Xác định vị trí của ảnh (khoảng cách từ ảnh đến bản mặt song song)?

A. 20,4cm

B. 21,4cm

C. 22,4cm

D. 23,4cm

Chọn đáp án B