Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là gì? Định luật khúc xạ ánh sáng
Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là một hiện tượng đặc trưng trong Vật lý học khi ánh sáng di qua mặt
phân cách giữa 2 môi trường trong suốt. Hiện tượng này được phát biểu dưới dạng một định luật sẽ
được Luật Minh Khuê trình bày trong bài viết dưới đây
Mục lục bài viết
1. Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là gì?
Thực tế khi pha một cốc nước và dùng thìa khuấy, chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy ở mặt phân cách
giữa nước và không khí phần thìa dường như bị gãy. Đây chính là hiện tượng khúc xạ ánh sáng
thường gặp trong thực tế.
Khúc xạ là hiện tượng chùm tia sáng bị đổi phương đột ngột khi đi qua mặt phân cách giữa hai môi
trường truyền ánh sáng.
Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là hiện tượng tia sáng truyền từ môi trường trong suốt này sang môi
trường trong suốt khác bị gãy khúc tại mặt phân cách giữa hai môi trường.
2. Định luật khúc xạ ánh sáng là gì?
Định luật khúc xạ được phát biểu thông qua các khái niệm góc tới, góc khúc xạ, tia tới, tia khúc xạ.
Hình minh họa 1
Ở hình vẽ trên, ta có:
- I là điểm tới, SI là tia tới
- IK là tia khúc xạ
- Đường NN' vuông góc với mặt phân cách được gọi là pháp tuyến tại điểm tới
- Góc SIK là góc tới, ký hiệu là i
- Góc KIN' là góc khúc xạ, ký hiệu là r
- Mặt phẳn chứa tia tới SI và pháp tuyến NN' là mặt phẳng tới.
Khi đó định luật khúc xạ ánh sáng được phát biểu dựa trên ba ý chính như sau:
- Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới (tạo bởi tia tới và pháp tuyến)
- Tia tới và tia khúc xạ nằm ở hai bên pháp tuyến tại điểm tới
- Đối với hai môi trường trong suốt nhất định, tỷ số giữa sin của góc tới và sin của góc khúc xạ là một hẳng số (gọi là n)
sin i / sin r = n = const
+ Nếu n > 1 thì môi trường khúc xạ được gọi là chiết quang hơn (có chiết suất lớn hơn) môi trường
tới. Tia khúc xạ gần pháp tuyến hơn so với tia tới (tia sáng bị bẻ gập vào) và:
+ Nếu n < 1 thì môi trường khúc xạ được gọi là chiết quan kém môi trường (có chiết suất nhỏ hơn) tới.
Khi đó tia khúc xạ xa pháp tuyến hơn so với tia tới (toa sáng bị bẻ ra ngoài)
Hình minh họa 2
3. Sự khúc xạ của ánh sáng khi truyền từ nước sang không khí và ngược lại
Khi tia sáng truyền từ không khí sang nước:
- Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới
- Góc khúc xạ nhỏ hơn góc tới
Khi tia sáng truyền được từ nước sang không khí:
- Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới
- Góc khúc xạ lớn hơn góc tới 4. Chiết suất
Chiết suất tượng trưng cho độ lớn nhỏ của tốc độ truyền của ánh sáng trong môt môi trường nhất định.
4.1. Chiết suất tỉ đối
Chiết suất tỉ đối giữa 2 môi trường bất kỳ được xác định bằng công thức: n21 = n2 / n1 sin i / sin r = n21
hay n1 . sin i = n2 . sin r
và n1 / sin r = n2 / sin i Trong đó:
- n21 là chiết suất tỷ đối của môi trường 2 đối với môi trường 1
- n1 là chiết suất tuyệt đối của môi trường 1
- n2 là chiết suất tuyệt đối của môi trường 2
- sin i là sin góc tới
- sin r là sin góc khúc xạ
Nếu góc tới nhỏ hơn 10 độ thì sin i
4.1. Chiết suất tuyệt đối
Chiết suất tuyệt đối của một môi trường là chiết suất tỷ đối của môi trường đó đối với chân không (
có độ lớn = 1) được xác định bằng công thức: n = c / v Trong đó:
- n là chiết suất tuyệt đối của môi trường đang xét
- c là tốc độ truyền ánh sáng trong chân không, giá trị c = 3.10^18 m/s
- v là tốc độ truyền ánh sáng trong môi trường đang xét, đơn vị m/s
Vì tốc độ của ánh sáng truyền đi trong các môi trường bao giờ cũng nhỏ hơn tốc độ truyền ánh sáng
trong môi trường chân không (không có các vật thể cản trở) do đó v luôn nhỏ hơn c và chiết suất tuyệt
đối của mọi chất đều lớn hơn 1. n > 1
5. Tính thuận nghịch của khúc xạ ánh sáng
Một tia sáng đi từ không khí vào nước và khúc xạ tại mặt phân cách. Nếu đảo chiều ánh sáng cho ánh
sáng đi từ nước ra không khí, theo hình minh họa 1, thì tia tới lại là RI và tia khúc xạ khi đó là IS. Như
vậy, ánh sáng truyền đi theo đường nào thì cũng truyền ngược lại theo đường đó.
Đây chính là tính thuận nghich của sự truyền ánh sáng. Tính thuận nghịch này cũng biểu hiện sự
truyền thẳng và sự phản xạ. Từ tính chất này, ta suy ra công thức về sự tỷ lệ nghịch giữa 2 chiết suất tỷ đối: n12 = 1 / n21
6. Ứng dụng của hiện tượng khúc xạ ánh sáng
Hiện tượng khúc xạ ánh sáng có thể được sử dụng để giải thích một hiện tượng kỳ thú trong tự nhiên
đó là khi chúng ta nhìn thấy bầu trời đêm đầy sao lấp lánh. Vào những buổi đêm khi nhìn lên trởi sở dĩ
chúng ta thấy được các vì sao lập lánh là bởi ánh sáng từ các ngôi sao bị khúc xạ và gãy khúc nhiều lần
khi truyền từ không gian ngoài bầu khí quyển vào bầu khí quyền của trái đất. Chính vì vậy, các tia sáng
không tụ lại mà tỏa ra, khiến các vì sao trở nên lấp lánh, lung linh.
Trong đánh bắt, khi người đánh cá dùng lao phóng cá dưới nước thì họ sẽ không phóng trực tiếp vào
con cá mà lại nhắm vào chỗ hơi xa hơn. Sở dĩ hình ảnh con cá mà ta thấy trong nước chính là tia sáng
bị gấp khúc đổi hướng. Như vậy, mắt thường không thể nhận biết vị trí thật của cá. Vị trí của cá trong
nước và hình ảnh mắt thường nhìn thấy khác nhau. Người có kinh nghiệm sẽ không phóng cao vào
hình ảnh con cá mà mắt họ nhìn thấy (ảo ảnh của con cá) mà sẽ phóng hơi xa hơn.
7. Một số bài tập vận dụng về định luật khúc xạ ánh sáng
Câu hỏi 1: (Câu C7 trang 110 Sách giáo khoa Vật lý 9): Phân biệt các hiện tượng khúc xạ và phản xạ ánh sáng?
Hướng dẫn trả lời:
Hiện tượng phản xạ ánh sáng
Hiện tượng khúc xạ ánh sáng
- Tia tới gặp mặt phân cách giữa hai môi trường trong
- Tia tới gặp mặt phân cách giữa 2 môi trường trong suốt bị gãy khúc tại mặt phân cách và tiếp tục đi vào
suốt bị hắt trở lại môi trường trong suốt cũ.
môi trường trong suốt thứ hai.
- Góc khúc xạ không bằng góc tới, lớn hơn hay nhỏ
- Góc phản xạ bằng góc tới.
hơn tùy thuộc vào dung môi.
Câu hỏi 2: (Câu C8 trang 110 Sách giáo khoa Vật lý 9): Giải thích hiện tượng nêu ra sau: Đặt mắt nhìn
theo một chiếc đũa thẳng từ đầu trên, ta không nhìn thấy đầu dưới của đũa. GIữ nguyên vị trí đặt
mắt, đổ nước vào bát, liệu có nhìn thấy đầu dưới của đữ không?
Hướng dẫn trả lời:
- Khi chưa đổ nước vào bát, ta không nhìn thấy đầu dưới của chiếc đũa.
- Trong không khí, ánh sáng chỉ có thể đi theo đường thẳng từ đầu đũa đến mắt nên bị chặn bởi thân
đũa cũng có hình dạng một đường thẳn. DO đó, tia sáng này không truyền đến được mắt.
- Giữ nguyên vị trí đặt mắt và đũa, đổ nước vào bát tới một vị trí nào đó, ta lại nhìn thấy đầu đũa.
- Khi đũa gặp mặt phân cách giữa môi trường không khí và nước, tia sáng truyền từ đầu đũa đến mắt
bị bẻ gãy và không còn là một đường thẳng. KHi đó, tia sáng không bị chắn bởi thân đũa, và có thể
đến được mắt. Mắt ta nhìn thấy đầu đũa là do vậy.
Câu hỏi 3: Chiếu 1 tia sáng từ nước ra không khí. Góc hợp bởi giữa tia phản xạ và pháp tuyến là 60 độ. Tính góc tới? Hướng dẫn giải:
Ta có: n1 = 4/3, n2 = 1
Áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng:
sin i / sin r = n2 / n1
=> sin i = (n2 / n1) / sin r = 3/4 => i = 53,9 độ