Trả lời nhanh
Khi ánh sáng truyền từ không khí vào nước thì tần số không đổi, còn vận tốc và bước sóng đều giảm n lần (n ≈ 1,33 với nước). Vì vậy phát biểu “bước sóng của ánh sáng tăng” là SAI. Tần số do nguồn quyết định nên không thay đổi khi qua môi trường khác.
Điền vào chỗ trống
Câu hỏi này thường được ra dưới dạng trắc nghiệm, với các phương án nói về bước sóng, tần số, vận tốc hoặc màu sắc. Bạn có thể nhớ nhanh bằng câu điền khuyết sau:
“Khi ánh sáng truyền từ không khí vào nước thì tần số ……… (không đổi), vận tốc ……… (giảm), bước sóng ……… (giảm), màu sắc ……… (không đổi).”
Trong các phương án thường gặp, câu “bước sóng của ánh sáng tăng” luôn sai. Ánh sáng đi vào môi trường chiết suất lớn hơn thì bước sóng chỉ có thể ngắn lại.
Giải thích vì sao
Gọi n là chiết suất của môi trường đối với ánh sáng đơn sắc đang xét. Ta có các quan hệ sau:
- Vận tốc trong môi trường: v = c/n. Với n > 1 thì v < c.
- Tần số f: do nguồn sáng quyết định, không đổi khi truyền qua mặt phân cách.
- Bước sóng: λ’ = v/f = (c/n)/f = λ/n, với λ = c/f là bước sóng trong không khí (chân không).
Nước có n ≈ 1,33 nên bước sóng trong nước chỉ còn khoảng 75% so với trong không khí. Nói cách khác, mỗi chu kì sóng “đi được quãng đường ngắn hơn”.
Ở mặt phân cách, các đỉnh sóng đến từ phía không khí phải “khớp” với các đỉnh sóng bên phía nước. Điều đó chỉ xảy ra khi số đỉnh sóng đến mỗi giây ở hai bên bằng nhau, tức là tần số bằng nhau.
Tại sao màu sắc không đổi?
Màu mà mắt cảm nhận gắn với tần số của ánh sáng, không gắn với bước sóng. Tia sáng đỏ đi từ không khí xuống nước vẫn là tia đỏ, dù bước sóng đã ngắn lại. Đây là lý do một vật màu đỏ chìm dưới nước vẫn có màu đỏ.
Lỗi hay gặp: nhìn thấy bước sóng giảm rồi kết luận ánh sáng đổi sang màu “tím hơn”. Thực tế màu không đổi, vì tần số không đổi.
Ví dụ tính toán (số liệu tự đặt)
Ánh sáng đơn sắc có bước sóng 600 nm trong không khí, truyền vào nước có n = 1,33.
- Bước sóng trong nước: λ’ = 600/1,33 ≈ 451 nm.
- Vận tốc trong nước: v = 3.108/1,33 ≈ 2,26.108 m/s.
- Tần số: f = c/λ = 3.108/(600.10-9) = 5.1014 Hz, và giữ nguyên trong nước. Kiểm tra: v/λ’ = 2,26.108/(451.10-9) ≈ 5.1014 Hz.
Nếu tia tới hợp pháp tuyến góc i = 45° thì theo định luật khúc xạ sin i = n sin r, ta có sin r = 0,7071/1,33 ≈ 0,532, nên r ≈ 32°. Tia khúc xạ bị bẻ lại gần pháp tuyến.
Bảng so sánh nhanh
| Đại lượng | Không khí → nước | Lý do |
|---|---|---|
| Tần số f | Không đổi | Do nguồn quyết định |
| Vận tốc v | Giảm n lần | v = c/n |
| Bước sóng λ | Giảm n lần | λ’ = λ/n |
| Màu sắc | Không đổi | Gắn với tần số |
| Góc so với pháp tuyến | Giảm (r < i) | n2 > n1 |
Mẹo nhớ
Hãy nhớ câu “f là của nguồn, v là của môi trường“. f không đổi, v đổi theo môi trường, nên λ = v/f đổi theo v. Môi trường “đặc quang” hơn (n lớn) thì v nhỏ, λ nhỏ.
Bài luyện tập
- Ánh sáng đỏ có bước sóng 0,75 μm trong không khí truyền vào thủy tinh có n = 1,5. Tính bước sóng và vận tốc trong thủy tinh.
Đáp án: λ’ = 0,75/1,5 = 0,5 μm; v = 3.108/1,5 = 2.108 m/s. - Một ánh sáng đơn sắc trong nước (n = 4/3) có bước sóng 0,45 μm. Bước sóng của nó trong không khí là bao nhiêu?
Đáp án: λ = n.λ’ = (4/3).0,45 = 0,6 μm. - Đúng hay sai: “Ánh sáng từ nước ra không khí thì tần số tăng.”
Đáp án: Sai, tần số vẫn không đổi; chỉ có vận tốc và bước sóng tăng n lần.
Câu hỏi thường gặp
Khi ánh sáng truyền từ không khí vào nước thì bước sóng tăng hay giảm?
Bước sóng giảm. Vì λ' = λ/n và chiết suất của nước n ≈ 1,33 lớn hơn 1, nên bước sóng trong nước ngắn hơn trong không khí.
Tần số ánh sáng có đổi khi vào nước không?
Không. Tần số do nguồn sáng quyết định nên giữ nguyên khi ánh sáng qua mặt phân cách giữa các môi trường.
Vì sao ánh sáng đi vào nước vẫn giữ nguyên màu?
Màu sắc gắn với tần số của ánh sáng. Tần số không đổi nên màu không đổi, dù bước sóng và vận tốc có giảm.
Công thức tính bước sóng ánh sáng trong môi trường có chiết suất n là gì?
λ' = λ/n, trong đó λ là bước sóng trong chân không (hoặc không khí). Vận tốc tương ứng là v = c/n.