Khúc xạ hay chiết xạ là thuật ngữ thường được dùng nhằm để chỉ hiện tượng ánh sáng đổi hướng khi đi qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt có chiết suất khác nhau. Vậy khúc xạ ánh sáng là gì? Nguyên nhân nào gây ra hiện tượng này, các ứng dụng của nó trong thực tế ra sao?
Mục lục bài viết
1. Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là gì?
Khúc xạ ánh sáng được hiểu cơ bản chính là sự uốn cong của sóng khi truyền từ môi trường này sang môi trường khác. Khúc xạ sẽ biểu thị sự thay đổi vận tốc (tốc độ) của sóng. Là sự bẻ cong ánh sáng (nó cũng xảy ra với âm thanh, nước và các sóng khác) khi nó truyền từ môi trường này sang môi trường khác.
Sự uốn cong của sóng khi truyền từ môi trường này sang môi trường khác này giúp chúng ta phát minh ra thấu kính, kính lúp, lăng kính. Ngay cả đôi mắt của chúng ta cũng phụ thuộc vào hiện tượng này. Nếu không có khúc xạ, chúng ta sẽ không thể tập trung ánh sáng vào võng mạc.
Góc tới, góc phản xạ trong hiện tượng khúc xạ ánh sáng:
Trong sự khúc xạ ánh sáng, góc tới được hiểu là góc được hợp bởi tia tới và pháp tuyến của mặt phẳng. Khác với góc tới là góc phản xạ. Góc phản xạ là góc được hợp bởi tia phản xạ cùng với pháp tuyến của mặt phẳng.
Sự khúc xạ của tia sáng:
Nhìn vào hiện tượng khúc xạ ánh sáng, ta có thể thấy có hai trường hợp xuất hiện. Nếu xét ở trên hai môi trường là không khí và nước, tia sáng sẽ có những điểm xuất phát khác nhau. Cũng chính bởi vì thế ta xét khi tia sáng truyền từ không khí sang nước. Và một trường hợp khác là khi tia sáng truyền từ nước sang không khí.
Nếu tia sáng truyền từ không khí sang nước, ta sẽ thấy hiện tượng sau. Tia khúc xạ sẽ được nằm ở trong mặt phẳng tới. Ngoài ra, góc khúc xạ sẽ nhỏ hơn góc tới.
Nếu như tia sáng truyền từ môi trường nước sang môi trường không khí. Tia khúc xạ sẽ nằm trong mặt phẳng tới (tương tự như trường hợp trên). Góc khúc xạ sẽ lớn hơn góc tới (ngược với trường hợp trên).
Định nghĩa khúc xạ:
Khúc xạ hay còn được gọi là chiết xạ. Chúng là cụm từ được sử dụng để chỉ ra hiện tượng ánh sáng đổi hướng khi đi qua những mặt phân cách giữa hai môi trường. Môi trường ở đây phải đảm bảo là trong suốt, và có chiết suất khác nhau.
Chúng ta cũng sẽ có thể hiểu rằng, đây là hiện tượng đổi hướng đường đi của bức xạ điện từ. Nhiều người sẽ gọi đây là các sóng nói chung, lan truyền bên trong các môi trường không hoàn toàn đồng nhất. Thế nên, hiện tượng này xảy ra cũng sẽ có thể giải thích cho hiện tượng bảo toàn động lượng hoặc hiện tượng bảo toàn năng lượng. Vận tốc pha của sóng thay đổi bởi sự thay đổi của môi trường. Thế nhưng khác với vận tốc, tần số của nó lại không thay đổi. Điều này đã được quan sát kỹ lưỡng và cực kỳ rõ ràng khi mà sóng truyền từ môi trường này sang môi trường khác. Điều kiện kèm theo là góc tới phải khác góc 0 độ.
Sự khúc xạ ánh sáng:
Với hiện tượng khúc xạ ánh sáng, thì ta nhận thấy đây là hiện tượng quan sát thường gặp nhất. Bất cứ loại sóng nào cũng có thể khúc xạ được khi nó tương tác ở trong môi trường. Có thể thấy rằng, khi sóng âm truyền từ môi trường nọ sang môi trường kia, các sóng nước sẽ di chuyển được theo một độ sâu khác nhau.
Định luật Snell đã nêu rất rõ về các hiện tượng khúc xạ này. Ông phát biểu riêng với trường hợp cặp môi trường, một sóng với một tần số duy nhất. Lúc này, ông cho rằng, tỷ lệ sin của góc tới và góc khúc xạ, sẽ có sự tương đương với tỷ số của vận tốc pha bên trong hai môi trường. Ngoài ra, chúng còn tương đương với chiết suất tương đối của hai môi trường này.
2. Nguyên nhân gây ra khúc xạ ánh sáng:
Nguyên nhân gây ra khúc xạ ánh sáng đó là:
Như chúng ta đều đã biết ánh sáng có tốc độ khoảng 299.792.678 m/s trong môi trường chân không. Nhưng khi ánh sáng chiếu vào những môi trường khác nhau thì tốc độ sẽ thay đổi nhanh hay chậm phụ thuộc vào từng môi trường nhất định. Vậy nguyên nhân gây ra là ánh sáng đó chính là do sự thay đổi tốc độ và môi trường.
Có hai yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng khúc xạ bao gồm:
– Thay đổi tốc độ: Nếu một chất làm cho ánh sáng tăng tốc hoặc chậm hơn, nó sẽ khúc xạ (uốn cong) nhiều hơn.
-Góc của tia tới: Nếu ánh sáng đi vào chất ở góc lớn hơn, lượng khúc xạ cũng sẽ nhiều hơn. Mặt khác, nếu ánh sáng đi vào môi trường có góc bằng 90° so với bề mặt, ánh sáng vẫn sẽ chậm lại, nhưng nó sẽ không thay đổi hướng.
Chỉ số khúc xạ:
Chỉ số khúc xạ của một số chất trong suốt đó là:
– Không khí: chỉ số khúc xạ = 1.
– Nước: Có chỉ số khúc xạ = 1.33.
– Ly thủy tinh: Là 1.
– Kim cương: 2.4.
– Rượu etylic: 1.362.
3. Định luật khúc xạ ánh sáng:
Ta có một số kí hiệu như sau:
– SI: tia tới.
– I: điểm tới.
– N’IN: pháp tuyến với mặt phân cách tại I.
– IR: tia khúc xạ.
– i: góc tới.
– r: góc khúc xạ.
Nội dung định luật khúc xạ ánh sáng:
– Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới (là mặt phẳng được tạo bởi tia tới và pháp tuyến) và ở phía bên kia pháp tuyến so với tia tới.
– Với hai môi trường trong suốt nhất định, tỉ số giữa sin góc tới (sin i) và sin góc khúc xạ (sin r) sẽ luôn không đổi, theo công thức sau: Sini/sinr = const
Công thức tính chỉ số khúc xạ:
Chỉ số khúc xạ (n) của môi trường là tỷ lệ giữa tốc độ ánh sáng trong chân không (c) với tốc độ ánh sáng trong môi trường đó (v). Cũng chính bởi vì thế n có thể được tính bằng công thức: n = c/v
Điều này xảy ra cũng có nghĩa rằng chỉ số khúc xạ của môi trường càng cao thì tốc độ ánh sáng xuyên qua nó càng chậm. Điều này có nghĩa là mật độ quang của môi trường tăng khi chỉ số khúc xạ của nó tăng.
Ngoài ra chỉ số khúc xạ còn được tính bằng công thức sau: n = sin i/sin r.
Trong đó sini là góc tới, còn sinr là góc khúc xạ.
4. Ứng dụng hiện tượng khúc xạ ánh sáng:
Hiện tượng khúc xạ ánh sáng này cũng chính là cơ sở để các chủ thể là những nhà khoa học tạo ta nhiều loại thấu kính, lăng kính phục vụ cho nhiều ngành khoa học khác nhau.
– Thấu kính:
Một thấu kính chỉ đơn giản là một khối cong bằng thủy tinh hoặc nhựa. Có nhiều loại thấu kính gồm:
+ Kính lúp: Là loại thấu kính đơn giản nhất, giúp quan sát các vật có kích thước nhỏ mà mắt thường khó quan sát được
+ Thấu kính hội tụ: Mỗi tia sáng đi vào một thấu kính hội tụ (lồi) khúc xạ vào bên trong khi nó đi vào thấu kính và đi vào lại khi nó rời đi. Những khúc xạ này làm cho các tia sáng song song lan ra, truyền trực tiếp ra khỏi một tiêu điểm tưởng tượng.
+ Thấu kính phân kỳ: Mỗi tia sáng đi vào một thấu kính phân kỳ khúc xạ ra bên ngoài khi nó đi vào thấu kính và hướng ra ngoài một lần nữa khi nó rời đi. Những khúc xạ này làm cho các tia sáng song song lan ra, truyền trực tiếp ra khỏi một tiêu điểm tưởng tượng.
– Lăng kính:
Isaac Newton đã thực hiện một thí nghiệm rất nổi tiếng cho đến tận ngày nay đó là ông Isaac Newton đã sử dụng một khối thủy tinh hình tam giác gọi là lăng kính. Nhà bác học sử dụng ánh sáng mặt trời chiếu xuyên qua cửa sổ tạo ra một dải màu ở phía đối diện căn phòng.
Thí nghiệm này được thực hành cho thấy ánh sáng trắng thực sự là được tạo ra từ tất cả các màu sắc của cầu vồng. Bảy màu này gồm: đỏ, cam, vàng, xanh lá cây (lục), xanh dương (lam), chàm và tím.
Isaac Newton cũng đã chỉ ra rằng mỗi màu này không thể biến thành các màu khác. Ông Isaac Newton cũng cho thấy chúng có thể được kết hợp lại để từ đó có thể tạo thành ánh sáng trắng một lần nữa.
Giải thích cho các màu tách ra đó chính là ánh sáng được tạo thành từ sóng. Ánh sáng đỏ thì có bước sóng dài hơn ánh sáng tím. Chỉ số khúc xạ n của ánh sáng đỏ trong thủy tinh cũng hơi khác so với ánh sáng tím. Ánh sáng tím chậm hơn so với ánh sáng đỏ, vì vậy loại ánh sáng này sẽ bị khúc xạ ở một góc lớn hơn.
Hiện tượng khúc xạ ánh sáng này xảy ra cũng đã giúp chúng ta phát minh ra kính hiển vi, kính thiên văn và rất nhiều các lĩnh vực khác nữa của đời sống xã hội. Bên cạnh đó, hiện tượng khúc xạ ánh sáng này xảy ra còn giúp con người quan sát được nhiều vật thể có kích thước vô cùng nhỏ như các tế bào, vi khuẩn… Thậm chí nó còn được ứng dụng trong việc phát hiện nhiều hành tinh trong vũ trụ.
