Trong cuộc sống hằng ngày, chúng ta thường xuyên bắt gặp hiện tượng khúc xạ ánh sáng, đặc biệt trong các trường hợp có sự quan sát đối với mặt phân cách giữa nước và không khí. Tuy nhiên, không phải ai cũng có thể hiểu rõ và lý giải được hiện tượng này. Những kiến thức trong bài viết sau đây sẽ giúp các em tìm hiểu một cách chính xác nhất về hiện tượng khúc xạ ánh sáng.
Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là gì?
Ví dụ: Đổ đầy nước vào một chiếc bình thủy tinh trong suốt. Sau đó, dùng một chiếc đũa đặt trong chiếc bình đựng nước đó sao cho chiếc đũa nằm theo hướng nghiêng.
Khi quan sát chiếc đũa, ta sẽ thấy được phần ánh sáng phản xạ được truyền từ đũa không còn đi theo một đường thẳng mà đã bị gãy khúc ngay tại mặt phân cách có sự khác biệt giữa nước và không khí.
Vì vậy mà khi quan sát chiếc đũa trong cốc nước, chúng ta nhìn thấy chiếc đũa có vẻ đã bị nghiêng đi một phần.
Phân tích hiện tượng: Mắt ta có thể nhìn thấy được mọi vật là do có ánh sáng truyền từ vật tới mắt. Mặt khác, ánh sáng thì luôn được truyền theo một đường thẳng.
Khi ta nhìn một vật (vật không phải là nguồn sáng) thì phụ thuộc vào màu sắc, góc độ của nguồn sáng mà ta sẽ có thể quan sát được những hình dạng khác nhau của mỗi vật.
Ví dụ trên chính là một ví dụ điển hình của hiện tượng khúc xạ ánh sáng.
Như vậy hiện tượng khúc xạ ánh sáng được định nghĩa là hiện tượng tia sáng truyền từ môi trường trong suốt này đến môi trường trong suốt khác và bị gãy khúc khi truyền xiên góc tại mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt, có chiết suất khác nhau.
Định luật khúc xạ ánh sáng
Định luật khúc xạ ánh sáng được giải thích như sau:
-
Tia khúc xạ luôn nằm trong mặt phẳng tới và ở phía bên kia pháp tuyến so với tia tới. Mặt phẳng tới là mặt phẳng được tạo thành bởi pháp tuyến và tia tới.
-
Xét 2 môi trường trong suốt nhất định, tỉ lệ giữa sin góc khúc xạ (sin r) và sin góc tới (sin i) luôn không đổi (là một hằng số)
Biểu thức được biểu diễn:
sin(i)/sin(r) = n2/n1 = hằng số
Trong đó:
-
SI là tia tới.
-
I là điểm tới.
-
N’IN là pháp tuyến với mặt phân cách tại I.
-
IR là tia khúc xạ.
-
i là góc tới (là góc giữa tia sáng đi từ môi trường 1 đến mặt phẳng phân cách và pháp tuyến của mặt phẳng phân cách giữa 2 môi trường).
-
r là góc khúc xạ (là góc giữa tia sáng đi từ mặt phân cách đến môi trường 2 và pháp tuyến của mặt phẳng phân cách giữa hai môi trường).
-
n1 chính là chiết suất của môi trường 1.
-
n2 sẽ là chiết suất của môi trường 2.
Chú ý:
-
Nếu góc nhỏ chưa tới 10º thì n1.i=n2.r.
-
Nếu i = 0, r = 0 thì hiện tượng khúc xạ không xảy ra
Chiết suất của môi trường
Chiết suất trong Vật Lý được định nghĩa là tỉ số giữa tốc độ ánh sáng trong chân không và tốc độ pha của bức xạ điện từ trong vật liệu.
Trong tính toán, chiết suất này thường được ký hiệu là n.
Vận tốc của ánh sáng khi được truyền qua các mặt phân cách trong suốt như không khí hoặc thủy tinh thường nhỏ hơn c.
Tỷ số giữa c và vận tốc v của ánh sáng truyền qua vật liệu phân cách sẽ được gọi là chỉ số chiết suất n của vật liệu.
Chiết suất tỉ đối
Trong định luật khúc xạ ánh sáng, tỉ số sin(i)/sin(r) là một hằng số, kí hiệu là n21 được gọi là chiết suất tỉ đối của môi trường chứa tia khúc xạ (môi trường 2) đối với môi trường chứa tia tới (môi trường 1).
Biểu thức xác định: sin(i)/sin(r) = n21
Chiết suất tỉ đối cho biết:
-
Nếu n21 < 1, thì i < r: Tia khúc xạ bị lệch xa trục pháp tuyến hơn, suy ra môi trường (2) chiết quang kém hơn môi trường (1).
-
Nếu n21 > 1 thì i > r: Tia khúc xạ bị lệch gần pháp tuyến hơn, ta nói môi trường (2) chiết quang tốt hơn môi trường (1).
Chiết suất tuyệt đối
Chiết suất tuyệt đối (hay gọi ngắn gọi là chiết suất) của một môi trường được định nghĩa là chiết suất tỉ đối của môi trường đó đối với môi trường chân không.
Được biết, chiết suất của môi trường chân không bằng 1, chiết suất của môi trường không khí là 1,000293 và thường được làm tròn bằng 1.
Tất cả các môi trường trong suốt khác đều có chiết suất lớn hơn 1.
Hệ thức biểu diễn chiết xuất của một môi trường: c/v = n
Trong đó:
-
c: là vận tốc ánh sáng chân không (c = 3.10^8 m/s).
-
v: là vận tốc ánh sáng trong môi trường được xét.
Hệ thức biểu diễn mối liên hệ giữa chiết suất tỉ đối và vận tốc truyền ánh sáng trong các môi trường: n = n21 = n2/n1
Một số bài tập vận dụng
Bài 1: Tia sáng đi từ nước có chiết suất 4/3 sang thủy tinh có chiết suất 1,5. Tính góc khúc xạ và góc lệch D tạo bởi tia khúc xạ và tia tới, biết góc tới i = 30º
Hướng dẫn giải:
Theo đề bài ta có: n1=4/3, n2=1,5, i = 30º.
Áp dụng công thức: n1.sin(i) = n2.sin(r)
4/3.sin (30º) = 1,5.sin(r)
r ≈ 26,4º
D = i – r = 30º – 26,4º = 3,6º
Bài 2: Tia sáng truyền từ nước và khúc xạ ra không khí. Tia khúc xạ và tia phản xạ ở mặt nước vuông góc với nhau. Nước có chiết suất là 4/3. Góc tới của tia sáng là bao nhiêu (làm tròn số)?
Hướng dẫn giải:
Theo đề bài ta có: n1=4/3, n2=1, i’ + r = i + r = 90º
Áp dụng công thức: n1.sin(i) = n2.sin(r)
4/3.sin (i) = sin(r)
4/3.sin(i) = cos(i) (do tia khúc xạ và tia phản xạ vuông góc ở mặt nước)
tan(i) = 3/4
i ≈ 37º
Bài 3: Một tia sáng truyền từ môi trường A vào môi trường B dưới góc tới 12º thì góc khúc xạ là 8º. Tốc độ ánh sáng trong môi trường B là 2,8.108 m/s. Tốc độ ánh sáng trong môi trường A là bao nhiêu?
Hướng dẫn giải:
Ta có: n = c/v
n(A) . sin (12º ) = n(B) . sin (8º)
Tính thuận nghịch của sự truyền ánh sáng
Ánh sáng truyền đi theo đường nào thì cũng truyền ngược lại theo đường đó.
Từ đó ta có được hệ thức: n12 = 1/n21
Lưu ý: Tính thuận nghịch cũng biểu hiện ở sự phản xạ và sự truyền thẳng.
Ứng dụng của khúc xạ ánh sáng
Trong các khoảng thời kỳ đầu, khi mà ngành Thiên văn học vừa mới chế tạo ra được kính thiên Văn thì quá trình quan sát các vật thể ở xa đã bị ảnh hưởng đáng kể bởi hiện tượng khúc xạ ánh sáng truyền từ không gian vào Trái Đất xuyên qua bầu khí quyển.
Nhờ vào định luật khúc xạ mà các nhà Vật lý, thiên văn học đã có thể điều chỉnh được các ống kính thiên văn một cách dễ dàng, giúp việc quan sát hình ảnh trở nên rõ nét hơn.
Trong thời đại hiện nay, để loại bỏ được hoàn toàn hiện tượng khúc xạ ánh sáng thì các nhà khoa học đã đặt hẳn một chiếc kính thiên văn bên ngoài không gian.
Bên cạnh đó, nhờ vào lý thuyết của hiện tượng khúc xạ ánh sáng mà nhân loại có thể hiểu rõ được vì sao khi quan sát trên bầu trời đêm, chúng ta có thể nhìn thấy được các ngôi sao lấp lánh. Bởi vào ban đêm, khi nhìn lên bầu trời tối, bạn sẽ nhìn được ánh sáng từ các ngôi sao bị khúc xạ nhiều lần khi truyền từ không gian và xuyên qua bầu khí quyển vào Trái Đất.
Xem thêm: Động cơ điện 1 chiều từ A-Z: Cấu tạo, nguyên lý hoạt động & ứng dụng (kiến thức vật lý 9)
Bài tập về khúc xạ ánh sáng vật lý 11
Dưới đây là các bài tập trắc nghiệm giúp các em củng cố kiến thức vừa được tìm hiểu trong bài Khúc xạ ánh sáng.
Câu 1: Hoàn thành câu phát biểu sau: “ Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là hiện tượng tia sáng khi truyền từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác, tia sáng bị … tại mặt phân cách giữa hai môi trường”
A. Gãy khúc.
B. Uốn cong
C. Dừng lại
D. Quay trở lại
Đáp án: A.
Giải thích: Theo lý thuyết, hiện tượng khúc xạ ánh sáng là hiện tượng tia sáng khi truyền từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác, tia sáng bị gãy khúc tại mặt phân cách giữa hai môi trường.
Bài 2: Trong hiện tượng khúc xạ ánh sáng. So với góc tới, góc khúc xạ
A. Nhỏ hơn.
B. Lớn hơn hoặc bằng.
C. Lớn hơn.
D. Nhỏ hơn hoặc lớn hơn.
Đáp án: D.
Giải thích: Trong hiện tượng khúc xạ ánh sáng. So với góc tới, góc khúc xạ nhỏ hơn hoặc lớn hơn tuỳ thuộc vào chiết suất của các môi trường.
Bài 3: Theo định luật khúc xạ thì
A. Tia khúc xạ và tia tới nằm trong cùng một mặt phẳng.
B. Góc khúc xạ bao giờ cũng khác 0.
C. Góc tới tăng bao nhiêu lần thì góc khúc xạ tăng bấy nhiêu lần.
D. Góc tới luôn luôn lớn hơn góc khúc xạ.
Đáp án: A.
Giải thích: Theo định luật khúc xạ thì tia khúc xạ và tia tới nằm trong cùng một mặt phẳng.
Bài 4: Khi tia sáng truyền từ môi trường (1) có chiết suất n1 sang môi trường (2) có chiết suất n2 với góc tới i thì góc khúc xạ là r. Chọn biểu thức đúng:
A. n1.sin(r) = n2.sin(i).
B. n1.sin(i) = n2.sin(r).
C. n1.cos(r) = n2.cos(i).
D. n1.tan(r) = n2.tan(i).
Đáp án: B.
Giải thích: Theo định luật khúc xạ ta có n1.sin(i) = n2.sin(r).
Bài 5: Một tia sáng truyền từ môi trường này sang môi trường khác dọc theo pháp tuyến của mặt phân cách thì góc khúc xạ là
A. 0º
B. 90º
C. bằng igh.
D. phụ thuộc vào chiết suất hai môi trường.
Đáp án: A.
Giải thích: n1.sin(i) = n2.sin(r). Mà i = 0º, suy ra: r = 0º
Bài 6: Cho ánh sáng đơn sắc truyền từ môi trường (1) với vận tốc v1 sang môi trường (2) với vận tốc v2, biết v2 < v1 thì
A. i < r.
B. i > r.
C. sin(i)/sin(r) = v2/v1
D. n2.sin(i) = n1.sin(r).
Đáp án: B.
Giải thích: n=c/v => v2/v1 = n1/n2. Mà v2 < v1 => n1 < n2 => i > r
Bài 7: Khi hiện tượng khúc xạ ánh sáng từ môi trường trong suốt ra không khí thì
A. góc tới i lớn hơn góc khúc xạ r.
B. góc tới i bé hơn góc khúc xạ r.
C. góc tới i nghịch biến góc khúc xạ r.
D. tỉ số sin(i) với sin(r) là thay đổi.
Đáp án: B.
Giải thích: n1.sin(i) = n2.sin(r), khi truyền từ môi trường trong suốt ra không khí thì n1 > n2 ⇒ i < r.
Bài 8: Trong trường hợp sau đây, tia sáng không truyền thẳng khi:
A. Truyền qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt có cùng chiết suất.
B. Tới vuông góc với mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt.
C. Có hướng đi qua tâm của một quả cầu trong suốt.
D. Truyền xiên góc từ không khí vào kim cương.
Đáp án: D.
Giải thích: Khi truyền xiên góc từ không khí vào kim cương thì tia sáng bị gãy khúc do hiện tượng khúc xạ ánh sáng.
Bài 9: Một tia sáng truyền từ môi trường 1 sang môi trường 2 với góc tới và góc khúc xạ lần lượt là 45º và 30º. Kết luận nào dưới đây không đúng?
A. Môi trường 2 chiết quang hơn môi trường 1.
B. Phương của tia khúc xạ và phương của tia tới hợp nhau một góc 15º
C. Luôn có tia khúc xạ với mọi góc tới.
D. Môi trường 1 chiết quang hơn môi trường 2.
Đáp án: D.
Giải thích: Theo định luật khúc xạ ta có n1. sin45º = n2.sin30º ⇒ n1 < n2 ⇒ môi trường 1 kém chiết quang hơn môi trường 2.
Bài 10: Một cái cọc cắm thẳng đứng trên sông, nửa bên trong nửa bên ngoài nước. Một cái cọc khác cùng chiều dài được cắm thẳng đứng trên bờ. Bóng của cọc cắm thẳng đứng dưới sông sẽ
A. Dài hơn bóng của cọc cắm trên bờ.
B. Bằng với bóng của cọc cắm trên bờ.
C. Ngắn hơn bóng của cọc cắm trên bờ.
D. Ngắn hơn bóng của cọc cắm trên bờ nếu Mặt Trời lên cao và dài hơn bóng của cọc cắm trên bờ nếu Mặt Trời xuống thấp.
Đáp án: C
Giải thích: Khi được chiếu sáng bởi ánh sáng Mặt Trời thì bóng của cọ cắm trên sông ngắn hơn vì tia sáng bị gãy khúc khi qua mặt sông và do n(kk) < n(nước) nên r luôn nhỏ hơn i. Vì vậy, bóng của cọc dưới đáy sông luôn ngắn hơn.
Lời kết:
Trên đây là toàn bộ lý thuyết và bài tập vận dụng liên quan đến bài học khúc xạ ánh sáng. Hy vọng các thông tin mà Wikihoc đã cung cấp sẽ giúp ích cho các em trong quá trình tìm hiểu và học tập môn Vật lý
