Ánh sáng đi thẳng trong một môi trường đồng nhất, nhưng khi đi từ không khí vào nước hay ngược lại, nó đổi hướng ở mặt phân cách. Hiện tượng ấy gọi là khúc xạ, và nó giải thích vì sao chiếc đũa trong cốc nước trông như gãy, vì sao đáy bể nước trông nông hơn thực tế. Tất cả có thể thấy bằng một chiếc cốc trong và một bình nước.
Bài gồm bốn thí nghiệm khúc xạ đơn giản, một thí nghiệm đối chứng với gương phẳng để phân biệt phản xạ và khúc xạ, và một phần đo đạc nhỏ để biến quan sát thành số liệu. Cuối bài là cách dùng AI hỏi về đường đi của tia sáng mà không bị cho sẵn kết luận.
Khúc xạ là gì và vài lưu ý an toàn với ánh sáng
Ánh sáng truyền trong nước chậm hơn trong không khí. Khi một chùm sáng đi xiên qua mặt nước, phần chùm chạm nước trước bị chậm lại trước, làm cả chùm đổi hướng, giống như một hàng người đi chéo từ đường nhựa xuống bãi cát: người bước xuống cát trước bị chậm lại, cả hàng xoay hướng. Nếu chùm sáng đi vuông góc với mặt nước thì không đổi hướng.
Mắt và não của chúng ta luôn giả định ánh sáng đi thẳng từ vật tới mắt. Vì vậy khi tia sáng đã bị bẻ hướng ở mặt nước, ta thấy vật ở một vị trí khác với vị trí thật. Mọi thí nghiệm dưới đây đều xoay quanh ý này: vật không đổi chỗ, chỉ có đường đi của ánh sáng thay đổi.
Về an toàn: không nhìn thẳng vào mặt trời, kể cả qua cốc nước hay kính lúp; không dùng kính lúp hội tụ nắng lên giấy hay da; không chiếu đèn pin mạnh hay bút laser vào mắt người. Nên dùng cốc nhựa trong thay cho cốc thuỷ tinh mỏng khi làm với trẻ nhỏ, và đặt mọi thứ trên khay để nước tràn không lan xa.
Dụng cụ cần có: một cốc nhựa trong hình trụ, một cốc sứ hoặc cốc không trong suốt, một bình nước, một đôi đũa hoặc bút chì, một đồng xu, giấy trắng, bút dạ, thước kẻ, một chiếc gương nhỏ.
Thí nghiệm 1: đồng xu tự hiện ra khi rót nước
Thí nghiệm này cần hai người: một người nhìn, một người rót. Nó cho thấy khúc xạ có thể đưa ánh sáng từ một vật đang bị che khuất tới mắt.
- Đặt đồng xu ở giữa đáy cốc sứ, đặt cốc lên bàn.
- Người quan sát nhìn vào cốc từ phía trên, rồi từ từ lùi đầu ra xa và hạ thấp xuống cho đến khi thành cốc vừa che khuất đồng xu. Giữ nguyên vị trí đầu.
- Người thứ hai rót nước thật chậm vào cốc, rót sát thành để đồng xu không bị xô đi.
- Khi mực nước dâng lên, người quan sát thấy đồng xu dần hiện ra, dù đầu không hề di chuyển.
- Ghi lại mực nước lúc đồng xu bắt đầu hiện và lúc thấy trọn đồng xu.
Giải thích: khi chưa có nước, ánh sáng từ đồng xu đi thẳng lên và bị thành cốc chặn, không tới được mắt. Khi có nước, ánh sáng từ đồng xu đi ra khỏi mặt nước thì bị bẻ lệch về phía mặt nước, thấp xuống hơn, nên vượt qua được mép cốc và tới mắt. Não ta tưởng ánh sáng đi thẳng nên thấy đồng xu như được nâng lên cao hơn vị trí thật.
Thí nghiệm 2: chiếc đũa gãy và đáy nước nông hơn thật
Đặt chiếc đũa nghiêng trong cốc nhựa trong đã rót nước tới khoảng hai phần ba. Nhìn từ phía bên, ngang tầm mặt nước, chiếc đũa trông như bị gãy ở mặt nước, phần dưới lệch sang một bên. Nhìn từ trên xuống, phần đũa trong nước trông ngắn lại và nhô lên. Rút đũa ra, nó vẫn thẳng nguyên.
Hiện tượng này có một hệ quả đời thường rất quan trọng: đáy bể nước, hồ bơi, ao, sông luôn trông nông hơn thực tế. Khi nhìn gần như thẳng từ trên xuống mặt nước, độ sâu ta cảm nhận xấp xỉ bằng độ sâu thật chia cho chiết suất của nước, vốn khoảng 1,33. Ví dụ tính: nước sâu 20 cm trông như chỉ sâu khoảng 15 cm; một chỗ sâu 1,6 m trông như chỉ khoảng 1,2 m. Nhìn xiên thì đáy còn trông nông hơn nữa.
Có thể đo hiện tượng này tại nhà. Đặt đồng xu ở đáy một chậu nước sâu chừng 20 cm. Đặt một thước kẻ thẳng đứng bên ngoài thành chậu. Nhìn thẳng từ trên xuống, dùng ngón tay hoặc một chiếc kẹp đánh dấu trên thước chỗ mà bạn cảm thấy đồng xu đang nằm. Đọc độ sâu cảm nhận và so với độ sâu thật. Phép đo này khá thô vì mắt khó ước lượng, nên làm nhiều lần và lấy trung bình.
Đây là lý do người lớn luôn nhắc trẻ không nhảy xuống ao hồ khi chỉ nhìn bằng mắt thấy "nước nông". Vật lý khúc xạ giải thích một lời dặn an toàn mà nhiều người chỉ nghe như kinh nghiệm.
Thí nghiệm 3: mũi tên đổi chiều sau cốc nước tròn
Cốc nước hình trụ hoạt động gần giống một thấu kính hội tụ, nhưng chỉ theo chiều ngang. Thí nghiệm này rất hợp để mở đầu chương thấu kính.
- Vẽ một mũi tên nằm ngang, đậm, dài khoảng 5 cm lên tờ giấy trắng, chỉ sang phải.
- Đặt cốc nhựa trong hình trụ, rót đầy nước, lên bàn.
- Dựng tờ giấy sát phía sau cốc, nhìn qua cốc từ phía trước. Mũi tên vẫn chỉ sang phải, có thể trông to hơn.
- Từ từ kéo tờ giấy ra xa cốc. Đến một khoảng nào đó, mũi tên trông mờ đi rồi đột ngột chỉ sang trái.
- Dùng thước đo khoảng cách từ thành cốc tới tờ giấy lúc mũi tên vừa đổi chiều. Làm ba lần.
Nếu thay mũi tên ngang bằng mũi tên chỉ lên trên, bạn sẽ thấy nó không đổi chiều. Lý do: cốc tròn chỉ cong theo chiều ngang, còn theo chiều đứng thì thành cốc thẳng, nên chỉ có chiều ngang bị hội tụ và đảo. Khi vật nằm gần hơn tiêu điểm, ta thấy ảnh cùng chiều và lớn hơn; khi vật ở xa hơn tiêu điểm, ảnh bị đảo ngược.
Ghi số liệu mũi tên đổi chiều với các cốc khác cỡ (ví dụ giả định)
Thí nghiệm 3 trở nên thú vị hơn khi làm với cốc có đường kính khác nhau. Bảng là ví dụ giả định về cách ghi; số liệu thật của bạn sẽ khác tuỳ cốc và độ chính xác khi quan sát.
| Vật chứa nước | Đường kính (cm) | Khoảng cách giấy tới thành cốc lúc đổi chiều, trung bình ba lần (cm) |
|---|---|---|
| Cốc nhỏ | 6 | khoảng 3,2 |
| Cốc vừa | 8 | khoảng 4,1 |
| Lọ thuỷ tinh to | 10 | khoảng 5,3 |
Quy luật dễ thấy: cốc càng to thì phải kéo giấy càng xa mới thấy mũi tên đổi chiều. Với vật chứa đầy nước có thành mỏng, tính toán quang học cho thấy khoảng này xấp xỉ bằng bán kính cốc, nên số đo của bạn có thể quanh nửa đường kính. Học sinh cấp ba có thể nhờ giáo viên kiểm chứng điều này bằng công thức khúc xạ qua mặt cong.
Nếu số đo không theo quy luật này, kiểm lại ba điều: cốc đã đầy nước tới trên vị trí mũi tên chưa, thành cốc có quá dày hay có hoa văn không, và mắt có giữ cùng một khoảng cách tới cốc trong các lần đo không.
Đối chứng với gương: phân biệt phản xạ và khúc xạ
Vì sao cần đối chứng. Học sinh hay gộp mọi hiện tượng "ảnh lạ" vào một chữ ánh sáng. Làm thêm một thí nghiệm với mặt phản xạ ngay sau các thí nghiệm khúc xạ giúp thấy rõ hai hiện tượng khác nhau thế nào: phản xạ là ánh sáng bật trở lại môi trường cũ, khúc xạ là ánh sáng đi qua mặt phân cách sang môi trường khác và đổi hướng.
Đo vị trí ảnh qua tấm kính trong. Gương thường không cho nhìn ra phía sau, nên thay bằng một tấm kính hoặc tấm mica trong dựng đứng; tấm trong vừa phản xạ một phần ánh sáng vừa cho nhìn xuyên. Đặt một cục tẩy trước tấm kính, rồi dịch một cục tẩy giống hệt ở phía sau cho tới khi nhìn từ nhiều góc nó đều trùng với ảnh. Đo hai khoảng cách tới tấm kính: chúng gần bằng nhau, và ảnh có kích thước bằng vật.
Ảnh trong gương không đảo như cốc nước. Với cốc nước tròn, mũi tên ngang đảo chiều khi giấy ở xa. Với gương phẳng, dù đặt mũi tên xa hay gần, ảnh vẫn chỉ đối xứng với vật qua mặt gương, không có khoảng cách nào làm ảnh đột ngột đổi chiều. So sánh hai kết quả này là cách nhớ lâu sự khác nhau giữa gương phẳng và thấu kính.
Hai gương ghép góc. Đặt hai gương nhỏ đứng, chạm mép nhau thành một góc, để một vật nhỏ giữa hai gương. Góc 90 độ cho 3 ảnh, góc 60 độ cho 5 ảnh, góc 45 độ cho 7 ảnh. Quy luật: khi 360 chia cho góc ra một số chẵn, số ảnh bằng thương đó trừ một. Đếm ảnh ở từng góc, ghi vào bảng rồi tự tìm quy luật trước khi đọc dòng này.
Mặt nước có cả hai. Nhìn xiên vào cốc nước, bạn vừa thấy đồng xu dưới đáy nhờ khúc xạ, vừa thấy ánh đèn trần lấp loá trên mặt nước nhờ phản xạ. Hai hiện tượng xảy ra cùng lúc ở cùng một mặt phân cách, chỉ khác là ánh sáng đi tiếp hay quay lại.
Hỏi AI về đường đi của tia sáng mà không bị cho sẵn đáp án
Khúc xạ là phần mà vẽ hình quan trọng hơn công thức. AI không vẽ được trên giấy cùng bạn, nhưng có thể dẫn bạn vẽ từng bước bằng lời. Câu lệnh mẫu: "Em là học sinh lớp 9. Em muốn tự vẽ đường đi của tia sáng từ đồng xu dưới đáy cốc nước tới mắt. Hãy hướng dẫn em từng bước một, mỗi lần chỉ một bước, đợi em làm xong mới nói bước tiếp."
Để kiểm hiểu sau thí nghiệm: "Đặt cho em bốn câu hỏi về vì sao đáy ao trông nông hơn thật, từ dễ đến khó, đợi em trả lời từng câu." Nếu bạn trả lời sai, AI thường gợi ý lại, và quá trình đó giúp nhớ lâu hơn đọc lời giải.
Những chỗ cần kiểm lại khi AI giải thích: chiều lệch của tia sáng khi đi từ nước ra không khí, vốn lệch xa pháp tuyến hơn; phân biệt ảnh thật và ảnh ảo; con số chiết suất. Nếu AI nói khác sách, đối chiếu với hình vẽ trong sách giáo khoa và hỏi giáo viên. Với phép tính độ sâu biểu kiến, tự tính lại bằng máy tính, chú ý đơn vị.
Không cần gửi ảnh có người hay tên trường cho AI. Nếu muốn hỏi về một hiện tượng lạ trong lúc làm, mô tả bằng chữ: cốc gì, nước đầy bao nhiêu, nhìn từ góc nào, thấy gì. Mô tả kỹ cũng là một kỹ năng quan sát mà thí nghiệm muốn rèn.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao chiếc đũa trong cốc nước trông như bị gãy?
Ánh sáng từ phần đũa dưới nước đổi hướng khi đi qua mặt nước ra không khí. Mắt giả định ánh sáng đi thẳng nên thấy phần đũa dưới nước ở vị trí lệch so với thực tế, tạo cảm giác đũa bị gãy ngay tại mặt nước.
Đáy hồ bơi trông nông hơn thật bao nhiêu?
Khi nhìn gần thẳng từ trên xuống, độ sâu cảm nhận xấp xỉ độ sâu thật chia cho khoảng 1,33. Ví dụ nước sâu 1,6 m trông như khoảng 1,2 m. Nhìn xiên còn trông nông hơn, nên không bao giờ đánh giá độ sâu bằng mắt trước khi xuống nước.
Vì sao mũi tên sau cốc nước chỉ đảo trái phải mà không đảo trên dưới?
Cốc hình trụ chỉ cong theo chiều ngang nên chỉ hội tụ ánh sáng theo chiều ngang, giống thấu kính hội tụ theo một hướng. Theo chiều đứng, thành cốc thẳng nên ánh sáng không bị hội tụ, ảnh không bị đảo theo chiều đó.
Có thể dùng bút laser để thấy tia khúc xạ rõ hơn không?
Ở nhà không nên. Bút laser bán ngoài thị trường nhiều khi không ghi rõ công suất, chiếu vào mắt có thể gây tổn thương. Thí nghiệm với chùm sáng hẹp nên làm ở phòng thực hành của trường dưới hướng dẫn của giáo viên.
Phản xạ và khúc xạ khác nhau thế nào?
Phản xạ là ánh sáng gặp bề mặt rồi bật trở lại môi trường cũ, như ở gương. Khúc xạ là ánh sáng đi qua mặt phân cách sang môi trường khác và đổi hướng, như khi đi từ không khí vào nước. Thực tế ở mặt nước có cả hai hiện tượng cùng lúc.
Làm thí nghiệm khúc xạ cần mua dụng cụ gì không?
Không cần. Một cốc nhựa trong, một cốc sứ, nước, đồng xu, đôi đũa, giấy trắng, bút và thước là đủ cho cả bốn thí nghiệm. Chiếc gương nhỏ dùng cho phần đối chứng phản xạ cũng thường có sẵn trong nhà.