Thả một vật thuỷ tinh chịu nhiệt (borosilicat) vào cốc dầu ăn hoặc dầu em bé, phần nhúng trong dầu gần như biến mất. Lý do: thuỷ tinh borosilicat và các loại dầu này có chiết suất gần bằng nhau, khoảng 1,47, nên ánh sáng đi qua ranh giới dầu – thuỷ tinh không bị bẻ cong hay hắt lại. Đây là thí nghiệm "tàng hình" rẻ nhất, an toàn nếu có người lớn cầm phần thuỷ tinh, và cho thấy tận mắt nguyên lý khớp chiết suất.
Cần chuẩn bị gì
- Một cốc hoặc bình thuỷ tinh trong làm vật chứa, càng thẳng thành càng dễ quan sát.
- Vật thuỷ tinh borosilicat nhỏ để thả vào: đũa khuấy thuỷ tinh, ống nghiệm, cốc đong thí nghiệm. Bộ đồ thí nghiệm hoá học ở trường thường làm bằng loại này. Một số đồ nướng bánh chịu nhiệt cũng vậy, nhưng cần đọc nhãn — xem mục bên dưới.
- Dầu: dầu ăn thực vật (dầu đậu nành, dầu hạt cải), hoặc dầu em bé (dầu khoáng tinh khiết). Glycerin mua ở hiệu thuốc cũng dùng được, chiết suất cũng quanh 1,47.
- Khăn giấy, khay lót để hứng dầu rơi vãi.
- Một vật thuỷ tinh thường (ly uống nước, viên bi thuỷ tinh) để so sánh.
Lưu ý an toàn
- Người lớn cầm và thả đồ thuỷ tinh. Không dùng thuỷ tinh có vết mẻ, vết nứt.
- Thả nhẹ, nghiêng cốc, để vật trượt theo thành. Thả rơi mạnh có thể nứt đáy cốc.
- Dầu đổ ra sàn rất trơn. Làm trên khay, lau ngay chỗ rơi.
- Không nếm, không đun nóng dầu. Thí nghiệm này không cần nhiệt.
- Xong việc, đừng đổ dầu xuống bồn rửa: thấm bằng giấy rồi bỏ vào thùng rác, hoặc giữ lại trong lọ kín làm thí nghiệm lần sau.
Các bước làm
- Lau khô vật thuỷ tinh. Giọt nước bám vào sẽ tạo ranh giới nước – dầu, lộ rõ thành vệt.
- Rót dầu vào cốc chứa thật chậm, theo thành cốc, để không tạo bọt. Bọt khí là kẻ thù số một của thí nghiệm, vì mỗi bọt là một mặt không khí – dầu chênh chiết suất lớn.
- Để yên vài phút cho bọt nổi lên và tan.
- Nhúng từ từ đũa thuỷ tinh hoặc ống nghiệm vào. Quan sát phần ngập dầu.
- Thử với vật thuỷ tinh thường để so sánh.
- Nếu có ống nghiệm, rót dầu vào cả bên trong ống trước khi thả. Ống rỗng chứa không khí sẽ lộ ra như một cái bóng bạc.
Bạn sẽ thấy gì, và vì sao
| Quan sát | Giải thích |
|---|---|
| Phần đũa borosilicat ngập dầu gần như biến mất, chỉ còn đường viền rất mờ | Chiết suất dầu và thuỷ tinh gần bằng nhau, ánh sáng đi qua ranh giới gần như không đổi hướng |
| Phần đũa phía trên mặt dầu vẫn rõ | Ở đó ranh giới là không khí – thuỷ tinh, chênh lệch lớn |
| Ly uống nước thông thường vẫn thấy khá rõ trong dầu | Thuỷ tinh soda-lime có chiết suất khoảng 1,52, chênh với dầu đủ để lộ |
| Viền mờ có ánh màu vàng hoặc xanh nhạt | Chiết suất của dầu và thuỷ tinh chỉ khớp ở một màu; các màu khác vẫn lệch chút ít |
| Ống nghiệm rỗng trông như ống bạc | Không khí bên trong gây phản xạ toàn phần ở mặt trong của ống |
| Nhãn chữ in trên đồ thuỷ tinh vẫn nổi lên lơ lửng | Lớp mực in không phải thuỷ tinh, có chiết suất và màu riêng |
Viền màu: hiệu ứng Christiansen
Viền màu mờ kể trên có tên riêng. Năm 1884, nhà vật lý Đan Mạch Christian Christiansen nhận thấy khi trộn bột thuỷ tinh vào chất lỏng có chiết suất gần bằng, hỗn hợp chỉ trong suốt với một màu nhất định — màu mà ở đó hai chiết suất khớp đúng — còn các màu khác bị tán xạ. Kết quả là hỗn hợp trông như kính lọc màu. Hiện tượng được gọi là hiệu ứng Christiansen và từng được dùng làm bộ lọc ánh sáng. Viền màu trong cốc dầu của bạn là phiên bản nhỏ của nó.
Vì sao có đồ thuỷ tinh "không biến mất"
Nhiều người làm thí nghiệm này thấy thất bại và tưởng mình làm sai. Thường lý do nằm ở loại thuỷ tinh:
- Thuỷ tinh soda-lime (ly, chai, cửa sổ) có chiết suất khoảng 1,52. Không khớp với dầu ăn.
- Thuỷ tinh borosilicat có chiết suất khoảng 1,47. Khớp tốt.
- Một số đồ "chịu nhiệt" bán ngoài thị trường thực ra là thuỷ tinh soda-lime đã tôi cứng. Tên thương hiệu không đảm bảo loại thuỷ tinh. Đồ thí nghiệm có ghi "borosilicate" hoặc "3.3" thì chắc ăn hơn.
Dầu cũng khác nhau: dầu đã dùng chiên rán có màu và cặn, làm giảm độ trong. Dầu mới, màu nhạt cho kết quả tốt nhất. Nhiệt độ thay đổi cũng làm chiết suất dầu xê dịch nhẹ, nên kết quả buổi sáng và buổi chiều có thể hơi khác.
Biến thể với nước: hạt ngậm nước
Hạt ngậm nước (hydrogel, hay gọi "hạt nở", "hạt thạch") là phiên bản dùng nước. Hạt khô nhỏ như hạt tiêu, ngâm vài giờ nở to bằng viên bi, và vì hơn chín phần mười là nước nên gần như tan biến khi thả vào cốc nước trong.
Cảnh báo quan trọng: các cơ quan an toàn sản phẩm ở nhiều nước đã cảnh báo về hạt ngậm nước vì trẻ nhỏ có thể nuốt hoặc nhét vào tai, mũi; trong cơ thể hạt tiếp tục nở và có thể gây tắc ruột nguy hiểm. Không để hạt này trong tầm tay trẻ nhỏ. Nếu nghi trẻ đã nuốt, đưa đi khám ngay. Với trẻ nhỏ, thí nghiệm dầu ăn và đũa thuỷ tinh do người lớn cầm an toàn hơn.
Biến thí nghiệm thành bài học
Để thí nghiệm không dừng ở "ồ, mất rồi", có thể đặt thêm câu hỏi cho trẻ hoặc tự hỏi:
- Thử nước thay dầu. Đũa có biến mất không? Vì sao? (Nước 1,33, chênh nhiều với thuỷ tinh.)
- Thử pha nước với đường đặc. Nước đường đặc có chiết suất cao hơn nước thường, đũa có mờ đi hơn không?
- Chiếu đèn pin từ bên cạnh. Viền đũa có hiện ra rõ hơn không?
- Vẽ lại hoặc chụp ảnh từng bước, ghi tên loại dầu, loại thuỷ tinh, kết quả.
Câu hỏi thứ hai cho thấy một ý quan trọng: chiết suất có thể điều chỉnh bằng cách pha trộn. Các nhà khoa học cũng làm như vậy khi cần chất lỏng khớp chiết suất với một mẫu vật cụ thể.
Góc nhìn hôm nay: khớp chiết suất trong phòng thí nghiệm thật
Thứ bạn vừa làm trong bếp được dùng nghiêm túc ở nhiều nơi. Kính hiển vi độ phóng đại cao dùng dầu soi kính nhỏ giữa vật kính và lam kính, khớp chiết suất với thuỷ tinh để thu được nhiều ánh sáng hơn. Ngành sinh học thần kinh có các kỹ thuật "làm trong" mô: xử lý mô não chuột cho trong suốt rồi ngâm trong dung dịch khớp chiết suất, để nhìn sâu vào bên trong mà không cần cắt lát. Ngành đá quý dùng chất lỏng có chiết suất biết trước để phân biệt các loại đá.
Muốn đi tiếp, hãy hỏi thầy cô vật lý về định luật Snell, hoặc xem các video thí nghiệm khúc xạ của những bảo tàng khoa học lớn. Cùng một ý tưởng — làm ánh sáng không nhận ra có ranh giới — là nền của mọi giấc mơ tàng hình.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao thuỷ tinh biến mất trong dầu ăn?
Vì thuỷ tinh borosilicat và dầu ăn có chiết suất gần bằng nhau, khoảng 1,47. Ánh sáng đi qua ranh giới không bị bẻ cong hay hắt lại, nên mắt không thấy được mép thuỷ tinh.
Vì sao ly thuỷ tinh nhà tôi không biến mất trong dầu?
Ly uống nước thường làm bằng thuỷ tinh soda-lime, chiết suất khoảng 1,52, chênh đủ với dầu để vẫn thấy. Cần thuỷ tinh borosilicat như đồ thí nghiệm.
Dùng dầu gì để làm thí nghiệm thuỷ tinh biến mất?
Dầu ăn thực vật mới, màu nhạt như dầu đậu nành, dầu hạt cải, hoặc dầu em bé. Glycerin ở hiệu thuốc cũng được. Rót chậm để tránh bọt khí.
Thí nghiệm này có an toàn cho trẻ không?
An toàn nếu người lớn cầm và thả đồ thuỷ tinh, làm trên khay để tránh trơn trượt. Không để trẻ nhỏ chơi với hạt ngậm nước vì có nguy cơ nuốt phải.
Hiệu ứng Christiansen là gì?
Là hiện tượng hỗn hợp thuỷ tinh và chất lỏng khớp chiết suất chỉ trong suốt với một màu, các màu khác bị tán xạ, do Christian Christiansen mô tả năm 1884. Viền màu mờ quanh thuỷ tinh trong dầu là biểu hiện nhỏ của hiệu ứng này.
