Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là gì? Phát biểu định luật?

1. Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là gì?

Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng khi đi qua hai mặt phân cách hai môi trường truyền ánh sáng thì chùm tia sáng bị đổi phương đột ngột. Dễ hiểu hơn là: Hiện tượng khúc xạ ánh sáng chính là hiện tượng ánh sáng bị gãy khúc khi truyền xiên góc giữa 2 môi trường trong suốt. Đây cũng có thể coi là sự thay đổi do vận tốc, tốc độ dẫn đến bẻ cong ánh sáng khi truyền từ các môi trường khác nhau.

Nguyên nhân của hiện tượng khúc xạ ánh sáng là từ đâu?

Khi ánh sáng chiếu vào môi trường khác nhau thì sẽ có vận tốc khác nhau, điều đó chứng tỏ môi trường là một tác nhân ảnh hưởng nghiêm trọng đến việc truyền ánh sáng. Theo nghiên cứu khoa học, hiện tượng khúc xạ ánh sáng do 02 nguyên nhân:

– Một là: Tốc độ bị thay đổi. Khi ánh sáng bị khúc xạ (hay còn gọi là uốn cong) nhiều hơn nghĩa là nó đã bị chất khiến làm cho tăng tốc hoặc chậm hơn.

– Hai là: Góc của tia tới. Lượng khúc xạ ánh sáng cũng sẽ nhiều hơn khi đi vào góc lớn hơn. Nhưng khi ánh sáng đi vào góc 90 độ so với bề mặt pháp tuyến thì ánh sáng sẽ chậm lại và không thay đổi hướng.

Ví dụ: Lấy một chiếc cốc thủy tinh chứa đầy nước sau đó đặt một chiếc ống hút nằm nghiêng vào bên trong cốc nước. Quan sát ta sẽ thấy phần ánh sáng phản xạ truyền từ ống hút không còn được truyền thẳng mà đã bị gãy khúc tại mặt phân cách giữa hai môi trường là không khí và chất lỏng. Chính bởi điều này mà khi đặt ống hút vào cốc nước và quan sát ta lại nhìn thấy chiếc ống hút dường như đã bị nghiêng đi một phần.

Giải thích hiện tượng:

Mắt ta có thể quan sát được mọi vật là nhờ có ánh sáng và ánh sáng thì luôn truyền theo một đường thẳng. Khi ta nhìn một vật (không phải là nguồn sáng) mà ánh sáng từ nguồn sáng phát ra chiếu đến vật đó thì tùy thuộc vào góc độ, màu sắc của nguồn sáng mà mắt ta sẽ quan sát được những hình dạng khác nhau của vật cần quan sát.

2. Định luật khúc xạ ánh sáng là gì?

Trong đó:

– i là góc giữa tia sáng đi từ môi trường 1 đến mặt phẳng phân cách và pháp tuyến của mặt phẳng phân cách 2 môi trường.

– r là góc giữa tia sáng đi từ mặt phân cách đến môi trường 2 và pháp tuyến của mặt phẳng phân cách hai môi trường.

– n1 chính là chiết suất của môi trường 1.

– n2 sẽ là chiết suất của môi trường 2.

Với công thức trên ta có thể phát biểu thành định luật khúc xạ ánh sáng được diễn giải 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 tạo thành bởi tia tới và pháp tuyến. Với 2 môi trường trong suốt nhất định, tỉ số giữa sin i và sin r là một hằng số. Tỉ lệ giữa sin góc tới (sin i) và sin góc khúc xạ (sin r) luôn không đổi.

sin i / sin r = n /n = const

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:

Do chiết suất của các môi trường khác nhau là khác nhau nên tốc độ truyền ánh sáng trong các môi trường là khác nhau. Chiết suất theo định nghĩa Vật Lý là tỉ số giữa tốc độ ánh sáng trong chân không và tốc độ pha của bức xạ điện từ trong vật liệu. Chiết suất này thường được ký hiệu là n. Vận tốc của ánh sáng khi nó lan truyền qua vật liệu trong suốt như thủy tinh hoặc không khí thường nhỏ hơn c. Tỷ số giữa c và vận tốc v của ánh sáng truyền qua vật liệu sẽ được gọi là chỉ số chiết suất n của vật liệu.

Có thể thấy, chiết suất của môi trường trong khúc xạ ánh sáng có hai loại, đó là chiết suất tỉ đối và chiết suất tuyệt đối. Vậy chiết suất tỉ đối là gì? Chiết suất tuyệt đối là gì?

4.1. Chiết suất tỉ đối:

Trong định luật khúc xạ ánh sáng, tỉ số không đổi sini/sinr kí hiệu là n21 được gọi là chiết suất tỉ đối của môi trường 2 (môi trường chứa tia khúc xạ) đối với môi trường 1 (môi trường chứa tia tới).

Theo đó:

– Nếu n21 < 1 thì r > i: Tia khúc xạ bị lệch xa trục pháp tuyến hơn, ta nói môi trường 2 chiết quang kém hơn môi trường 1.

– Nếu n21 > 1 thì r < i: Tia khúc xạ bị lệch gần pháp tuyến hơn, ta nói môi trường 2 chiết quang tốt hơn môi trường 1.

Bảng chiết suất tỉ đối của một số môi trường:

Chất rắn (20oC)	Chiết suất	Chất rắn (20oC)	Chiết suất
Kim cương Thủy tinh crao Thủy tinh flin Nước đá	2,419 1,464 ÷ 1,532 1,603 ÷ 1,865 1,309	Muối ăn (NaCl) Hổ phách Politiren Xaphia	1,544 1,546 1,590 1,768
Chất lỏng (20oC)	Chiết suất	Chất lỏng (20oC)	Chiết suất
Nước Benzen	1,333 1,501	Rượu etylic Glixerol	1,361 1,473
Chất khí (0oC, 1atm)	Chiết suất	Chất khí (0oC, 1atm)	Chiết suất
Không khí	1,000293	Khí cacbonic	1,00045

4.1. Chiết suất tuyệt đối:

Chiết suất tuyệt đối của một môi trường là chiết suất tỉ đối của môi trường đó đối với môi trường chân không. Chiết suất của môi trường chân không bằng 1. Mọi môi trường trong suốt khác đều có chiết suất lớn hơn 1.

Giữa chiết suất tỉ đối n21 của môi trường 2 đối với môi trường 1 và các chiết suất tuyệt đối n2 và n1 của chúng sẽ có hệ thức: n21 = n2n1

Ngoài ra, người ta đã chứng minh được rằng: Chiết suất tuyệt đối của các môi trường trong suốt tỉ lệ nghịch với vận tốc truyền ánh sáng trong các môi trường đó: n2n1=v1v2

Do đó, nếu môi trường 1 là chân không thì ta có: n1 = 1 và v1 = c = 3.108m/s => Kết quả: n2=cv2

Vì vận tốc truyền ánh sáng trong các môi trường đều nhỏ hơn vận tốc truyền ánh sáng trong chân không, do vậy chiết suất tuyệt đối của các môi trường luôn luôn lớn hơn 1.

Ý nghĩa của chiết suất tuyệt đối: Chiết suất tuyệt đối của môi trường trong suốt cho biết vận tốc truyền ánh sáng trong môi trường đó nhỏ hơn vận tốc truyền ánh sáng trong chân không bao nhiêu lần.

Ta có thể thiết lập được hệ thức:

Trong đó:

n2 là chiết suất tuyệt đối của môi trường 2.

n1 là chiết suất tuyệt đối của môi trường 1.

Mối liên hệ giữa chiết suất tuyệt đối của một môi trường và vận tốc:

Trong đó:

c là vận tốc ánh sáng trong chân không (c = 3.108 m/s).

v là vận tốc ánh sáng trong môi trường đang xét.

Lưu ý:

Chiết suất của chân không là 1.

Chiết suất của không khí = 1,000293 và thường được làm tròn = 1.

Các môi trường trong suốt khác đều có chiết suất tuyệt đối lớn hơn 1.

Một vài hệ thức khác của định luật khúc xạ ánh sáng mà các em cần ghi nhớ:

Công thức khúc xạ ánh sáng: n1sini = n2sinr

– Nếu i và r nhỏ hơn 10 độ thì sini ≈ i; sinr ≈ r → n1i = n2r .

– Nếu i = 0, r = 0 thì không xảy ra hiện tượng khúc xạ.

5. Tính thuận nghịch của khúc xạ ánh sáng:

Sự truyền ánh sáng có tính thuận nghịch nghĩa là ánh sáng truyền đi theo đường nào thì cũng truyền ngược lại theo đường đó.

Từ tính chất này các em sẽ có hệ thức:

6. Ứng dụng của hiện tượng khúc xạ ánh sáng:

Ứng dụng hiện tượng khúc xạ ánh sáng: Trong thiên văn học, thời kỳ đầu khi kính thiên văn mới được chế tác, việc quan sát các vật thể ở xa bị ảnh hưởng bởi hiện tượng khúc xạ ánh sáng khi ánh sáng truyền từ không gian xuyên qua bầu khí quyển vào trong trái đất. Nhờ hiện tượng khúc xạ ánh sáng mà giới khoa học thiên văn biết cách chỉnh sửa các loại ống kính thiên văn để quan sát các ngôi sao, hành tinh ngoài vũ trụ mà không bị hiện tượng khúc xạ ánh sáng cản trở, các nhà vật lí thiên văn đã có thể vi chỉnh các ống kính thiên văn để hình ảnh quan sát được rõ hơn. Trước kia việc quan sát bị sai lệch do hiện tượng khúc xạ ánh sáng truyền từ không gian qua khí quyển Trái Đất.
Ngày nay để loại bỏ hoàn toàn hiện tượng khúc xạ ánh sáng, các khoa học đã đặt hẳn một chiếc kính thiên văn 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.

7. Một số bài tập vận dụng về định luật khúc xạ ánh sáng:

Câu 1: Vì sao khi một thanh hoặc một que thẳng cắm nghiêng trong một cốc nước, thanh không còn thẳng nữa, mà nghiêng đi một góc khác? Khi rút ống hút ra khỏi cốc, hoặc cắm thẳng đứng ống hút vào cốc, ta không quan sát thấy hiện tượng trên nữa?

Giải thích:

Ánh sáng bị khúc xạ khi nó đi ra khỏi nước, mang lại ảo giác là các vật trong nước hình như vừa méo mó vừa trông gần hơn so với thực tế. Trước tiên sóng phải truyền qua nước, rồi truyền qua mặt phân giới thủy tinh-nước và cuối cùng truyền vào không khí. Sóng ánh sáng đến từ các mặt (trước và sau) của ống bị lệch ở mức độ nhiều hơn so với sóng đến từ chính giữa ống, khiến nó trông có vẻ lớn hơn thực tế.

Câu 2: Vì sao ta nhìn thấy hiện tượng bầu trời đêm đầy sao lấp lánh?

Giải thích:

Vào những buổi đêm khi nhìn lên trời bạn thấy được các “vì sao” lấp lánh, nguyên nhân của nó là do ánh sáng từ các ngôi sao bị khúc xạ (gãy khúc) nhiều lần khi truyền từ không gian xuyên qua bầu khí quyển của trái đất.

Câu 3: Vì sao chậu thau đựng đầy nước, khi nhìn nghiêng thấy nước trở thành nông hơn?

Giải thích:

Trong cùng một loại môi trường, ánh sáng bao giờ cũng truyền theo đường thẳng-đường ngắn nhất. Song nó từ một loại môi trường đi vào một môi trường khác, ví dụ như từ không khí vào nước, hoặc từ nước vào không khí, do tốc độ truyền của ánh sáng trong hai loại môi trường đó khác nhau, trên mặt phân cách của hai môi trường, ánh sáng sẽ bị cong lại, đi theo một đường gấp khúc. Loại hiện tượng này của ánh sáng gọi là khúc xạ ánh sáng. Chậu nước của bạn trông thấy biến thành nông đi chính là do khúc xạ của ánh sáng gây nên.

Câu 4: Tại sao người đánh cá dùng lao phóng cá dưới nước lại không phóng trực tiếp vào con cá mà lại nhắm vào chỗ hơi xa hơn?

Trả lời: Hình ảnh mà ta nhìn thấy cá trong nước chính là tia sáng bị gấp khúc đổi hướng. Như vậy mắt thường không thể nhận biết vì vậy mà vị trí của cá thật dễ bị nhầm tưởng. Vị trí của cá trong nước và hình ảnh mắt thường nhìn thấy khác nhau. Người có kinh nghiệm quyết không phòng lao vào con cá vì đó chỉ là ảnh ảo của cá. Nếu phóng vào chỗ hơi xa hơn chắc chắn sẽ trúng.

Câu 5: 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.

Lời giải:

Theo đề bài ta có: n1=4/3, n2=1,5, i=30o

Áp dụng công thức: n1.sini = n2.sinr

<=> 4/3.sin30 = 1,5.sinr

<=>r ≈ 26,4o

=> D = i – r = 30o – 26,4o = 3,6o

Câu 6: 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 (tính tròn số)?

Lời giải:

Theo đề bài ta có: n1=4/3, n2=1, i’ + r = i + r = 90o

Áp dụng công thức: n1.sini = n2.sinr

<=> 4/3.sini = sinr.