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.

Hình 3.3 là một ví dụ về hiện tượng khúc xạ ánh sáng.

II. ĐỊNH LUẬT KHÚC XẠ ÁNH SÁNG

1. Chiết suất của môi trường

Từ các thí nghiệm cho biết, khi truyền trong chân không, tốc độ của ánh sáng là 299 792 458 m/s (có thể lấy gần đúng 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). Bảng 3.1 cho biết tốc độ ánh sáng trong một số môi trường.

Để so sánh tốc độ của ánh sáng khi truyền trong môi trường với tốc độ ánh sáng khí 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 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 3.4.

• 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.

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.

\(\dfrac{sini}{sinr}=\dfrac{n_2}{n_1}\)

Từ các thí nghiệm, người ta đã rút ra kết luận rằng tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới và ở phía bên kia pháp tuyến so với tia tới.

Hai kết luận trên là nội dung của định luật khúc xạ ánh sáng đã được hai nhà vật lí Snell và Descartes tìm ra vào đầu thế ki XVII.

III. HIỆN TƯỢNG PHẢN XẠ TOÀN PHẦN

Ở hình 3.6, dùng đèn chiếu chùm sáng tới mặt nước. Các tia sáng không bị khúc xạ ra môi trường không khí mà chỉ phản xạ tại mặt nước.

Dựa vào định luật khúc xạ ánh sáng và các thí nghiệm, giá trị góc tới hạn được xác định bằng công thức 

\(sini_{th}=\dfrac{n_2}{n_1}\)

Với n₁ và n₂ lần lượt là chiết suất của môi trường chứa tia tới và môi trường chứa tia khúc xạ.

Nhiều thí nghiệm tương tự đã cho thấy, hiện tượng phản xạ toàn phần xảy ra khi:

• Tia sáng đi từ môi trường chiết suất lớn sang môi trường chiết suất nhỏ hơn.
• Góc tới lớn hơn hoặc bằng góc tới hạn.