Ánh sáng, không khí và nước

28

Ánh sáng, không khí và nước

Khúc xạ khi truyền từ nước sang không khí

Trong hầu hết các cuốn sách vật lý, khi nói về sự khúc xạ ánh sáng, đều có một bức vẽ mô tả nước, nguồn ánh sáng chính xác bên trong nó và các tia phát ra từ nguồn và khúc xạ ở ranh giới nước-không khí. Ví dụ, như trong Hình 158 trong sách giáo khoa vật lý lớp 10 (“Vật lý 10”, M., “Prosveshchenie”, 1981). Nhưng, tất nhiên, sẽ thú vị hơn nhiều khi thực hiện thí nghiệm và quan sát hiện tượng đó hơn là vẽ.

Trước hết, hãy làm đèn chiếu sáng thích hợp. Lấy một lọ nhựa đục có đường kính 40-50 mm và cao 20-30 mm. Trên thành lọ, dùng lưỡi cưa sắt tạo một loạt các khe giống hệt nhau, cân bằng với nhau, rộng khoảng 1-1,5 mm. Bạn sẽ nhận được một nhà ở cho ánh sáng.

Ở phần dưới của tấm hình chữ nhật (làm bằng nhôm hoặc nhựa), khoan một lỗ có đường kính bằng đường kính của ổ cắm bóng đèn cho đèn pin. Một bề mặt của tấm được phủ màu trắng. (Cách dễ nhất để làm điều này là phun lên bề mặt một lớp men nitro màu trắng, loại men này được bán dưới dạng bình xịt.) Hoặc đơn giản là dán một tờ giấy trắng lên đĩa.

Hàn các dây dẫn vào bóng đèn, đặt nó vào lỗ và

Bôi trơn ổ cắm bóng đèn từ mặt sau của tấm bằng nhựa dẻo. Lớp phủ này sẽ cố định bóng đèn vào tấm đồng thời cách nhiệt phần tiếp giáp của bóng đèn với dây dẫn.

Nối dây dẫn của bóng đèn với pin đèn pin. Đặt vỏ đã sản xuất lên bóng đèn sao cho bóng đèn nằm trên trục của nó và gắn vỏ vào tấm. Trên bề mặt trắng của đĩa, quan sát các tia sáng phát ra từ đèn chiếu sáng với góc không quá l. Bạn có thể phải điều chỉnh một chút vị trí của vỏ hoặc sửa các vết nứt trên tường của nó. Thuận tiện nhất là cố định vỏ tư thế vào đĩa bằng nhựa dẻo.

Tất nhiên, nếu bạn muốn chế tạo một thiết bị quan trọng hơn (chẳng hạn như dành cho lớp học vật lý ở trường), bạn sẽ phải nghĩ ra và thực hiện một cách gắn vỏ đáng tin cậy hơn. Nhưng trước khi bạn làm điều đó, hãy thử tùy chọn đơn giản nhất được mô tả ở đây.

Sau khi thiết bị được tạo ra, hãy tiến hành thử nghiệm. Hạ tấm có đèn chiếu sáng vào bình chứa nước sao cho tấm được đặt thẳng đứng. Tốt nhất nên sử dụng bình có thành trước bằng phẳng, chẳng hạn như bể cá. Qua bức tường trong suốt của bình, bạn sẽ quan sát thấy đường đi của các tia sáng gần giống như trong Hình 1 (ở đây 1 là bình đựng nước, 2 là đèn chiếu sáng, 3 là tấm có bề mặt trắng).

Nếu bạn đã chế tạo thiết bị và quan sát thấy hiện tượng này thì hãy thực hiện những thay đổi đơn giản nhất. Dùng bút chì đánh dấu lên bề mặt

Hình 1.

29

Điển hình là vị trí của mặt nước, vị trí của các tia sáng phát ra từ mặt nước và vị trí của các tia sáng ở một khoảng cách nhất định so với mặt nước.

Lấy tấm ra khỏi nước, lau khô và dùng bút chì dọc theo thước vẽ đường đi của tia sáng từ các khe của đèn chiếu sáng đến bề mặt giữa môi trường rồi đi vào không khí. Đánh dấu tuyến tính giao diện và tại các điểm mà dầm rơi xuống, khôi phục các đường vuông góc cho giao diện đó. Đo các góc tới và khúc xạ khác nhau của ánh sáng bằng một bộ chuyển đổi và dựa trên các kết quả thí nghiệm này, tìm giá trị trung bình của chiết suất của nước.

Phản xạ từ nước nóng

Trong một bình lớn chứa nước lạnh (đây có thể là lọ thủy tinh đặt trên một tờ giấy trắng hoặc một cái chậu có ngôi nhà màu trắng), hãy hạ thấp lon thiếc, chẳng hạn như lon cà phê, và bằng cách nào đó cố định nó ở vị trí thẳng đứng (Hình 2). Bình càng lớn thì càng tốt (chúng tôi đã sử dụng bình có đường kính 80 mm và chiều cao 120 mm, và đây là những kích thước tối thiểu phù hợp cho thí nghiệm).

Đun sôi nước, đổ nhanh nước sôi vào lọ rồi nhìn từ trên xuống qua lớp nước trong một chiếc bình lớn dọc theo mặt bên của lọ - bạn sẽ thấy nó bằng thiếc như một tấm gương.

Trải nghiệm chiết xuất đặc biệt hiệu quả khi bề mặt lon có màu đen. Nếu bạn không thể tìm thấy một chiếc lọ như vậy, hãy lấy bất kỳ chiếc lọ nào và bọc nó trong giấy đen từ túi ảnh (ví dụ: giấy có thể được cố định bằng băng dính). Khi đổ nước nóng vào lọ, tờ giấy sẽ sáng bóng.

Rõ ràng là trong trải nghiệm này có sự phản chiếu hoàn toàn ánh sáng. Câu hỏi đặt ra là tại sao điều này lại xảy ra.

Có lẽ ánh sáng đang bị phản xạ từ một lớp không khí trên bề mặt lon? Hóa ra là không. Chất lỏng và giấy được làm ẩm tốt bằng nước để không tạo thành khuôn thoáng khí.

Có chuyện gì vậy? Lặp lại lần nữa. Bây giờ, trước khi lũ lụt

Hình 2.

đổ nước sôi vào lọ, nhúng ngón tay vào nước lạnh gần thành bình lớn. Sau khi đổ nước sôi vào lọ, hãy di chuyển ngón tay của bạn lại gần lọ - bạn sẽ cảm thấy nhiệt độ của nước tăng dần. Tiếp tục quan sát, và bạn sẽ tin rằng sự phản xạ toàn phần của ánh sáng sẽ biến mất khi mọi thứ chỉ theo hướng xuyên tâm của bình rộng nóng lên gần bằng nhiệt độ.

Vậy đó là câu trả lời! Sự phản xạ hoàn toàn trong điều kiện của thí nghiệm này xảy ra do nước ở bình ngoài nóng lên không đều. Gần một bình nước sôi, nhiệt độ nước có hướng nhất và mật độ thấp nhất. Khi bạn di chuyển ra khỏi bình, nhiệt độ của nước giảm và mật độ của nó tăng lên. Đồng thời, mật độ quang học của nước cũng tăng lên, hay nói cách khác là chiết suất của nó tăng lên. Ánh sáng, bão hòa ánh sáng, dần dần di chuyển từ vùng có mật độ quang cao hơn sang vùng có mật độ quang thấp hơn, đó là lý do tại sao người ta quan sát thấy sự phản xạ hoàn toàn của nó.

Không giống như nhiều thí nghiệm phản xạ toàn phần, trong trường hợp này không có ranh giới rõ ràng giữa các môi trường có mật độ quang học khác nhau, do đó, không có sự phản xạ ánh sáng theo nghĩa chặt chẽ của từ này. Ánh sáng trong môi trường kém quang học có sự thay đổi nổi về mật độ quang lan truyền theo đường cong (như trong Hình 2), uốn cong trong vùng có giá trị chiết suất cao.