Bài 4. Khúc xạ ánh sáng

1. HIỆN TƯỢNG KHÚC XẠ ÁNH SÁNG

Thí nghiệm tìm hiểu hiện tượng khúc xạ ánh sáng

Chuẩn bị: hộp nhựa trong chứa nước, nguồn sáng laser, tấm nhựa. Tiến hành thí nghiệm:

- Bước 1: Bố trí thí nghiệm

- Bước 2: Chiếu tia sáng sát bề mặt tấm nhựa để tạo ra một vết sáng trên tấm nhựa từ không khí theo phương xiên góc đến mặt nước. Quan sát đường đi của tia sáng.

- Kết quả thí nghiệm trên cho thấy khi truyền từ không khí sang nước, tia sáng bị lệch khỏi phương truyền ban đầu tại mặt nước.

- Thực hiện thí nghiệm với các cặp môi trường trong suốt khác nhau, người ta vẫn thu được kết quả tia sáng bị lệch khỏi phương truyềnban đầu tại mặt phân cách giữa hai môi trường. Hiện tượng này gọi là hiện tượng khúc xạ ánh sáng.

Hình dưới mô tả đường đi của tia sáng từ không khí vào nước.

Trong đó:

+ PQ: mặt phân cách giữa hai môi trường.

+ SI: tia tới.

+ I: điểm tới.

+ IR: tia khúc xạ.

+ NN': pháp tuyến tại điểm tới I.

+ i = SIN: góc tới.

+ r = RIN': góc khúc xạ.

- Mặt phẳng chứa tia tới và pháp tuyến tại điểm tới được gọi là mặt phẳng tới. Khi truyền từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác, tia sáng có thể bị khúc xạ (bị lệch khỏi phương truyền ban đầu) tại mặt phân cách giữa hai môi trường.

2. ĐỊNH LUẬT KHÚC XẠ ÁNH SÁNG

Thí nghiệm tìm hiểu định luật khúc xạ ánh sáng

Chuẩn bị: hộp nhựa trong chứa nước, nguồn sáng laser, tấm nhựa có in vòng tròn chia độ.

Tiến hành thí nghiệm:

- Bước 1: Bố trí thí nghiệm

- Bước 2: Chiếu tia tới sát bề mặt tấm nhựa để tạo ra một vết sáng trên tấm nhựa hướng đến tâm của vòng tròn chia độ dưới góc tới 60°. Điều chỉnh nguồn sáng sao cho tia tới và tia khúc xạ cùng nằm trên mặt phẳng tấm nhựa (mặt phẳng tới).

- Bước 3: Thay đổi các giá trị của góc tới i lần lượt là 45°, 30°, 20° (các tia sáng ở cùng một bên pháp tuyến). Ghi giá trị góc khúc xạ r tương ứng theo mẫu

Kết quả thí nghiệm trên cho thấy khi góc tới i tăng (hoặc giảm) thì góc khúc xạ r cũng tăng (hoặc giảm) theo nhưng tỉ số sin i/sin r luôn không đổi.

Khi thực hiện thí nghiệm với các cặp môi trường trong suốt khác, người ta đều thấy kết luận trên vẫn đúng.

- Định luật khúc xạ ánh sáng:

+ Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới và ở bên kia pháp tuyến so với tia sáng tới.

+ Đối với hai môi trường trong suốt nhất định, tỉ số giữa sin góc tới (sin i) và sin góc khúc xạ (sin r) là một hằng số.

sin i/sin = hằng số

3. CHIẾT SUẤT CỦA MÔI TRƯỜNG

Tìm hiểu chiết suất của môi trường

- Theo lí thuyết về ánh sáng, chiết suất n của một môi trường trong suốt được xác định bằng tỉ số giữa tốc độ của ánh sáng trong chân không (hoặc không khí) với tốc độ ánh sáng trong môi trường đó.

n = c/v

Trong đó c = 300 000 km/s là tốc độ của ánh sáng trong chân không (hoặc không khí), u là tốc độ của ánh sáng trong môi trường đó.

- Như vậy, chiết suất n của một môi trường cho biết tốc độ ánh sáng truyền trong môi trường đó nhỏ hơn bao nhiêu lần so với tốc độ ánh sáng trong chân không. Chiết suất tỉ đối của môi trường 2 đối với môi trường 1 bằng tỉ số giữa các tốc độ truyền ánh sáng v₁ và v₂ trong môi trường 1 và môi trường 2 tương ứng.

n₂₁ = v₁/v₂ = n₂/n₁

Trong đó n₁, n₂ lần lượt là chiết suất của môi trường 1 và môi trường 2.

- Với hai môi trường trong suốt nhất định, tỉ số giữa sin góc tới và sin góc khúc xạ là hằng số: sin i/sin = n₂₁

Hằng số n, được là gọi chiết suất tỉ đối của môi trường chứa tia khúc xạ (môi trường 2) đối với môi trường chứa tia tới (môi trường 1).

- Chiết suất của một môi trường có giá trị bằng tỉ số tốc độ ánh sáng trong chân không (hoặc không khí) với tốc độ ánh sáng trong môi trường đó.

Vận dụng định luật khúc xạ ánh sáng trong một số trường hợp đơn giản

Ví dụ 1: Biết góc tới i, góc khúc xạ r, tính chiết suất n.

Một tia sáng truyền từ không khí dưới góc tới i = 30° vào thuỷ tinh. Biết góc khúc xạ r = 19^o. Tính chiết suất của thuỷ tinh.

Dữ kiện: i = 30^o, r = 19^o.

Lời giải

Ta có:

sin i/sin r = n ⇒ n = sin 30^o/sin 19^o = 1,53

Ví dụ 2: Hiện tượng “nâng ảnh” do khúc xạ ánh sáng.

Nhúng một ống hút AB vào cốc nước như Hình 4.4. Các tia sáng xuất phát từ đầu A, truyền trong nước, khúc xạ ở mặt phân cách nước – không khí rồi truyền đến mắt người quan sát. Mắt nhìn tia khúc xạ thấy đầu A của ống hút dường như nằm ở vị trí A', gần mặt nước hơn.

Hiện tượng này thường gặp trong thực tế.