I. LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM

1. Cấu tạo của lăng kính

Lăng kính là một khối chất trong suốt, đồng chất (thủy tinh, nhựa…), được giới hạn bởi hai mặt phẳng không song song, thường có dạng lăng trụ hình tam giác.

Các phần tử của lăng kính:

• Hai mặt phẳng giới hạn gọi là mặt bên của lăng kính.
• Giao tuyến của hai mặt bên gọi là cạnh của lăng kính.
• Mặt đối diện với cạnh gọi là đáy của lăng kính.
• Góc $A$ hợp bởi hai mặt bên gọi là góc chiết quang (hay góc ở đỉnh).
• Mặt phẳng vuông góc với cạnh gọi là mặt phẳng tiết diện chính.

Về phương diện quang học, một lăng kính được đặc trưng bởi hai thông số: góc chiết quang $A$ và chiết suất $n$ của chất làm lăng kính.

2. Hiện tượng tán sắc ánh sáng

Khi chiếu một chùm ánh sáng trắng hẹp (từ đèn sợi đốt hoặc Mặt Trời) qua lăng kính, trên màn hứng phía sau ta thu được một dải màu liên tục từ đỏ đến tím. Dải màu này gọi là quang phổ của ánh sáng trắng. Hiện tượng này gọi là hiện tượng tán sắc ánh sáng.

Tán sắc ánh sáng là hiện tượng chùm sáng trắng bị phân tách thành nhiều chùm sáng đơn sắc có màu khác nhau khi đi qua lăng kính.

Bảy màu cơ bản trong quang phổ ánh sáng trắng (theo thứ tự): đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm, tím.

Bản chất của hiện tượng: Ánh sáng trắng không phải là một loại ánh sáng đơn lẻ, mà là tổng hợp của vô số ánh sáng đơn sắc có màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím. Lăng kính có tác dụng tách riêng các chùm sáng màu này — mỗi chùm đi theo một phương khác nhau — vì chiết suất của lăng kính đối với mỗi màu là khác nhau.

Ánh sáng đơn sắc:

Ánh sáng đơn sắc là ánh sáng có một màu nhất định và không bị tán sắc khi đi qua lăng kính.

Khi chiếu ánh sáng qua tấm kính lọc sắc (chỉ cho qua một màu) rồi đến lăng kính, ánh sáng không bị tách thành nhiều màu nữa — chứng tỏ đó là ánh sáng đơn sắc.

3. Sự truyền ánh sáng đơn sắc qua lăng kính

Xét lăng kính có chiết suất $n$ đặt trong không khí. Tia sáng đơn sắc SI chiếu tới mặt bên AB:

• Tại mặt AB (không khí → lăng kính): tia sáng bị khúc xạ, lệch gần pháp tuyến hơn (vì đi từ môi trường chiết suất nhỏ sang lớn, $r_1 < i_1$).
• Tia khúc xạ IJ truyền trong lăng kính đến mặt bên AC.
• Tại mặt AC (lăng kính → không khí): tia sáng bị khúc xạ lần nữa, lệch xa pháp tuyến hơn (vì đi từ môi trường chiết suất lớn sang nhỏ, $r_2 > i_2$).
• Tia ló JR đi ra ngoài lăng kính.

Kết quả: Khi tia sáng truyền từ không khí qua lăng kính rồi ra lại không khí, tia ló luôn bị lệch về phía đáy so với tia tới.

Góc lệch $D$: là góc hợp bởi tia tới SI và tia ló JR.

Giải thích tán sắc: Chiết suất lăng kính khác nhau với mỗi ánh sáng đơn sắc — chiết suất lớn nhất với tia tím, nhỏ nhất với tia đỏ. Chiết suất càng lớn thì tia sáng bị lệch càng nhiều. Do đó, tia tím bị lệch nhiều nhất, tia đỏ bị lệch ít nhất → các tia tách rời nhau trên màn, tạo thành dải quang phổ.

Thứ tự chiết suất: $n_{đỏ} < n_{da cam} < n_{vàng} < n_{lục} < n_{lam} < n_{chàm} < n_{tím}$

4. Màu sắc của vật

Màu sắc mà ta nhìn thấy của một vật phụ thuộc vào ánh sáng mà vật đó phản xạ vào mắt ta.

Nguyên tắc:

• Dưới ánh sáng trắng, vật có màu nào thì nó phản xạ ánh sáng màu đó vào mắt ta, và hấp thụ những ánh sáng màu còn lại. Ví dụ: vật màu vàng phản xạ ánh sáng vàng, hấp thụ các màu khác.
• Vật màu trắng phản xạ tất cả các ánh sáng màu.
• Vật màu đen hấp thụ tất cả các ánh sáng màu, không phản xạ ánh sáng nào. Ta nhận ra vật đen vì nó đứng cạnh các vật có màu sắc khác.
• Ban đêm, khi không có nguồn sáng, ta không nhìn thấy màu sắc nào (mọi vật đều tối).

Ví dụ: Bông hoa hướng dương — cánh hoa phản xạ ánh sáng vàng (ta thấy vàng), lá phản xạ ánh sáng lục (ta thấy xanh), nhụy phản xạ ánh sáng nâu.

Tấm lọc màu: Chiếu ánh sáng trắng qua tấm lọc màu (kính màu, giấy bóng màu), tấm lọc hấp thụ ít ánh sáng cùng màu với nó nhưng hấp thụ mạnh các ánh sáng màu khác → ánh sáng truyền qua gần như là ánh sáng đơn sắc.

II. PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC DẠNG BÀI TẬP

Dạng 1: Đường đi của tia sáng qua lăng kính

Phương pháp:

• Tia sáng đi từ không khí vào lăng kính → khúc xạ lệch gần pháp tuyến ($r_1 < i_1$).
• Tia sáng đi từ lăng kính ra không khí → khúc xạ lệch xa pháp tuyến ($r_2 > i_2$).
• Tia ló luôn lệch về phía đáy lăng kính so với tia tới.
• Áp dụng định luật khúc xạ tại mỗi mặt: $n_1 \sin i = n_2 \sin r$.
• Khi tăng dần góc tới từ nhỏ, góc lệch $D$ giảm đến một giá trị cực tiểu rồi tăng lại.

Ví dụ 1: Hình vẽ nào chỉ đúng đường đi của tia sáng qua lăng kính đặt trong không khí? (Hình A, B, C, D)

Lời giải:

Khi lăng kính đặt trong không khí ($n_{lăng kính} > n_{không khí}$), tia ló luôn bị lệch về phía đáy so với tia tới. Ta xét từng hình:

• Hình nào có tia ló đi về phía đáy lăng kính → đúng.
• Hình nào có tia ló đi về phía đỉnh hoặc đi thẳng → sai.

Đáp số: Chỉ hình B là đúng (tia ló lệch về phía đáy ở cả 4 trường hợp bố trí lăng kính khác nhau, hình nào thỏa mãn thì chọn).

Ví dụ 2: Một lăng kính thủy tinh có chiết suất $n = 1{,}5$. Tiết diện chính là tam giác đều ($A = 60°$). Chiếu tia sáng đơn sắc tới mặt bên AB với góc tới $i_1 = 45°$. Vẽ đường truyền tia sáng qua lăng kính.

Lời giải:

Bước 1: Tại mặt AB — tia sáng đi từ không khí ($n_1 = 1$) vào lăng kính ($n_2 = 1{,}5$):

$$\sin i_1 = n \cdot \sin r_1$$

$$\sin 45° = 1{,}5 \cdot \sin r_1$$

$$\sin r_1 = \dfrac{\sin 45°}{1{,}5} = \dfrac{0{,}707}{1{,}5} \approx 0{,}471$$

$$r_1 \approx 28{,}1°$$

Bước 2: Tính góc tới tại mặt AC. Trong tam giác đều: $A = 60°$, và từ hình học:

$$r_1 + i_2 = A \quad \Rightarrow \quad i_2 = 60° – 28{,}1° = 31{,}9°$$

Bước 3: Tại mặt AC — tia sáng đi từ lăng kính ($n_1 = 1{,}5$) ra không khí ($n_2 = 1$):

$$n \cdot \sin i_2 = \sin r_2$$

$$1{,}5 \times \sin 31{,}9° = \sin r_2$$

$$\sin r_2 = 1{,}5 \times 0{,}528 = 0{,}793$$

$$r_2 \approx 52{,}4°$$

Vì $\sin r_2 < 1$ nên có tia ló ra khỏi lăng kính. Tia ló lệch về phía đáy.

Đáp số: $r_1 \approx 28{,}1°$; $i_2 \approx 31{,}9°$; $r_2 \approx 52{,}4°$. Tia ló ra khỏi lăng kính, lệch về phía đáy.

Dạng 2: Tán sắc ánh sáng — Chiết suất các màu đơn sắc

Phương pháp:

• Ánh sáng trắng qua lăng kính → bị tán sắc thành 7 màu.
• Ánh sáng đơn sắc qua lăng kính → không bị tán sắc, chỉ bị lệch.
• Chiết suất lăng kính: $n_{đỏ} < n_{cam} < n_{vàng} < n_{lục} < n_{lam} < n_{chàm} < n_{tím}$.
• Tia tím bị lệch nhiều nhất (chiết suất lớn nhất), tia đỏ bị lệch ít nhất (chiết suất nhỏ nhất).
• Khi chiếu ánh sáng gồm nhiều màu xiên vào mặt nước hoặc lăng kính → các tia bị khúc xạ với góc khác nhau → tách rời.

Ví dụ 3: Chiếu xiên một chùm sáng hẹp gồm ánh sáng vàng và lam từ không khí vào mặt nước. So sánh góc khúc xạ của tia vàng và tia lam.

Lời giải:

Chiết suất nước đối với ánh sáng lam lớn hơn chiết suất đối với ánh sáng vàng: $n_{lam} > n_{vàng}$.

Theo định luật khúc xạ ($\sin i = n \cdot \sin r$), với cùng góc tới $i$: chiết suất $n$ càng lớn thì $\sin r$ càng nhỏ → $r$ càng nhỏ.

→ Tia lam có góc khúc xạ nhỏ hơn tia vàng, tức tia lam bị lệch nhiều hơn so với tia vàng.

Đáp số: Tia khúc xạ vàng bị lệch ít hơn tia khúc xạ lam.

Ví dụ 4: Một chùm ánh sáng Mặt Trời hẹp chiếu xiên xuống mặt nước trong bể. Vệt sáng ở đáy bể có đặc điểm gì?

Lời giải:

Ánh sáng Mặt Trời là ánh sáng trắng, gồm nhiều ánh sáng đơn sắc. Khi chiếu xiên vào mặt nước, mỗi thành phần đơn sắc bị khúc xạ với góc khác nhau (do chiết suất nước khác nhau với mỗi màu) → các tia tách rời → vệt sáng ở đáy bể có nhiều màu (hiện tượng tán sắc).

Tuy nhiên, khi chiếu vuông góc vào mặt nước ($i = 0°$), mọi tia đều truyền thẳng → không có tán sắc → vệt sáng có màu trắng.

Đáp số: Vệt sáng có nhiều màu khi chiếu xiên, có màu trắng khi chiếu vuông góc.

Dạng 3: Màu sắc của vật — Hấp thụ và phản xạ ánh sáng

Phương pháp:

• Vật có màu gì → phản xạ ánh sáng màu đó, hấp thụ các màu còn lại.
• Vật trắng → phản xạ mọi màu.
• Vật đen → hấp thụ mọi màu, không phản xạ.
• Khi chiếu ánh sáng màu X vào vật màu Y: nếu Y phản xạ được X thì ta thấy vật có màu X; nếu Y hấp thụ X thì ta thấy vật gần như tối (đen).

Ví dụ 5: Một quả bóng có màu vàng dưới ánh sáng Mặt Trời. Đặt quả bóng trong phòng tối, lần lượt chiếu ánh sáng đỏ, rồi ánh sáng lục vào quả bóng. Ta sẽ thấy quả bóng có màu gì trong mỗi trường hợp?

Lời giải:

Dưới ánh sáng Mặt Trời (trắng), quả bóng có màu vàng → quả bóng phản xạ ánh sáng vàng và hấp thụ các màu khác.

• Chiếu ánh sáng đỏ: Quả bóng chỉ phản xạ tốt ánh sáng vàng, không phản xạ tốt ánh sáng đỏ → ta thấy quả bóng gần như tối (đen) hoặc rất mờ.
• Chiếu ánh sáng lục: Tương tự, quả bóng hấp thụ ánh sáng lục → ta thấy quả bóng gần như tối (đen).

Đáp số: Trong cả hai trường hợp, quả bóng gần như có màu tối (đen) vì nó không phản xạ được ánh sáng đỏ hay lục.

Ví dụ 6: Vì sao lá cây thường có màu lục dưới ánh sáng Mặt Trời?

Lời giải:

Ánh sáng Mặt Trời là ánh sáng trắng, gồm nhiều ánh sáng đơn sắc. Khi chiếu vào lá cây, lá cây hấp thụ hầu hết các ánh sáng màu khác (đặc biệt là đỏ và lam — dùng cho quang hợp) và phản xạ chủ yếu ánh sáng màu lục vào mắt ta. Vì vậy, ta nhìn thấy lá cây có màu lục.

III. SƠ ĐỒ TƯ DUY

1. Cấu tạo lăng kính

• 1.1. Khối chất trong suốt, đồng chất, dạng lăng trụ tam giác
• 1.2. Các phần tử: mặt bên, cạnh, đáy, góc chiết quang $A$
• 1.3. Đặc trưng quang học: góc chiết quang $A$ và chiết suất $n$

2. Hiện tượng tán sắc ánh sáng

• 2.1. Ánh sáng trắng qua lăng kính → dải 7 màu: đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm, tím
• 2.2. Ánh sáng trắng = tổng hợp vô số ánh sáng đơn sắc
• 2.3. Lăng kính tách riêng các chùm sáng màu theo phương khác nhau
• 2.4. Nguyên nhân: chiết suất khác nhau với mỗi màu ($n_{tím} > n_{đỏ}$)

3. Đường truyền tia sáng qua lăng kính

• 3.1. Tia sáng bị khúc xạ hai lần (vào và ra lăng kính)
• 3.2. Tia ló luôn lệch về phía đáy so với tia tới
• 3.3. Góc lệch $D$ = góc hợp bởi tia tới và tia ló
• 3.4. Tia tím lệch nhiều nhất, tia đỏ lệch ít nhất

4. Ánh sáng đơn sắc

• 4.1. Có một màu nhất định
• 4.2. Không bị tán sắc khi đi qua lăng kính
• 4.3. Có thể tạo bằng tấm lọc màu

5. Màu sắc của vật

• 5.1. Phụ thuộc vào ánh sáng vật phản xạ và hấp thụ
• 5.2. Vật màu X → phản xạ ánh sáng X, hấp thụ các màu khác
• 5.3. Vật trắng → phản xạ mọi màu; Vật đen → hấp thụ mọi màu

IV. SAI LẦM THƯỜNG GẶP

Cô Trần Thị Thanh Thảo

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Khoa Học Tự Nhiên THCS

Trình độ: Cử nhân Sư phạm KHTN, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ Tin học, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 6+ năm kinh nghiệm tại Trường THCS Nguyễn Siêu