Bài 3. Khúc xạ ánh sáng và phản xạ toàn phần

I. Hiện tượng khúc xạ ánh sáng

Khi đi từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác, tia sáng có thể bị gãy khúc tại mặt phân cách giữa hai môi trường (bị lệch khỏi phương truyền ban đầu). Hiện tượng này được gọi là hiện tượng khúc xạ ánh sáng.

II. Định luật khúc xạ ánh sáng

1. Chiết suất của môi trường

Khi truyền trong chân không, tốc độ của ánh sáng là \(c\) ≈ 3.108 m/s.

Khi truyền trong môi trường khác, tốc độ của ánh sáng v luôn nhỏ hơn tốc độ của ánh sáng trong chân không \(c\) (\(v\) < \(c\)). 

Để so sánh tốc độ của ánh sáng khi truyền trong môi trường với tốc độ ánh sáng khi truyền trong chân không, người ta đưa ra đại lượng chiết suất của môi trường.

Chiết suất n của môi trường có giá trị bằng tỉ số giữa tốc độ ánh sáng truyền trong chân không và tốc độ ánh sáng truyền trong môi trường đó.

\(n\) = \(\dfrac{c}{v}\)

Các môi trường đều có chiết suất lớn hơn 1, trong đó, chiết suất của không khí gần đúng bằng 1.

2. Định luật khúc xạ ánh sáng

Khi nghiên cứu về hiện tượng khúc xạ ánh sáng, ta sử dụng các quy ước như hình bên dưới.

• SI là tia tới, I là điểm tới.
• A, B và I thuộc mặt phân cách giữa hai môi trường.
• MN là pháp tuyến của mặt phân cách tại điểm tới I.
• IR là tia khúc xạ.
• i là góc tới, r là góc khúc xạ (góc tạo bởi tia khúc xạ và pháp tuyến).

Nội dung định luật khúc xạ ánh sáng:

• Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới và ở phía bên kia pháp tuyến so với tia tới.
• Với hai môi trường trong suốt nhất định, tỉ số sin góc tới và sin góc khúc xạ là một hằng số. Hằng số này bằng tỉ số chiết suất môi trường chứa tia khúc xạ n₂ và chiết suất môi trường chứa tia tới n₁.

\(\dfrac{\sin i}{\sin r}\) = \(\dfrac{n_2}{n_1}\)

III. Hiện tượng phản xạ toàn phần

Khi góc tới lớn hơn một giá trị nào đó thì ta chỉ thấy tia phản xạ (toàn bộ tia tới bị phản xạ tại mặt phân cách giữa hai môi trường). Hiện tượng này được gọi là hiện tượng phản xạ toàn phần.

Khi bắt đầu không nhìn thấy tia khúc xạ thì góc tới trong trường hợp này là góc tới hạn i_th. Giá trị góc tới hạn được xác định bằng công thức:

sin i_th = \(\dfrac{n_2}{n_1}\)

Trong đó, \(n_1\) và \(n_2\) lần lượt là chiết suất của môi trường chứa tia tới và môi trường chứa tia khúc xạ.

Điều kiện xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần:

• Tia sáng đi từ môi trường có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn (\(n_1\) > \(n_2\)).
• Góc tới lớn hơn hoặc bằng góc tới hạn (i ≥ i_th).