Trong các nhận định sau về hiện tượng khúc xạ, nhận định không đúng là?

1. Trong các nhận định sau về hiện tượng khúc xạ, nhận định không đúng là:

A. Tia khúc xạ nằm ở môi trường thứ 2 tiếp giáp với môi trường chứa tia tới

B. Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng chứa tia tới và pháp tuyến

C. Khi góc tới bằng 0, góc khúc xạ cũng bằng 0

D. Góc khúc xạ luôn bằng góc tới

Chọn Đáp án D:

Khi ánh sáng truyền từ môi trường có chiết suất n1 sang môi trường có chiết suất n2 thì n1.sin i = n2.sin r.

Do  (trừ trường hợp tia sáng truyền thẳng i = 0 => r = 0)

2. Khái quát về hiện tượng khúc xạ ánh sáng:

Ví dụ: Đổ đầy nước vào một chiếc bình thủy tinh trong suốt. Sau đó, dùng một chiếc đũa đặt trong chiếc bình đựng nước đó sao cho chiếc đũa nằm theo hướng nghiêng. 

Khi quan sát chiếc đũa, ta sẽ thấy được phần ánh sáng phản xạ được truyền từ đũa không còn đi theo một đường thẳng mà đã bị gãy khúc ngay tại mặt phân cách có sự khác biệt giữa nước và không khí. 

Vì vậy mà khi quan sát chiếc đũa trong cốc nước, chúng ta nhìn thấy chiếc đũa có vẻ đã bị nghiêng đi một phần. 

Phân tích hiện tượng: Mắt ta có thể nhìn thấy được mọi vật là do có ánh sáng truyền từ vật tới mắt. Mặt khác, ánh sáng thì luôn được truyền theo một đường thẳng. 

Khi ta nhìn một vật (vật không phải là nguồn sáng) thì phụ thuộc vào màu sắc, góc độ của nguồn sáng mà ta sẽ có thể quan sát được những hình dạng khác nhau của mỗi vật.

Ví dụ trên chính là một ví dụ điển hình của hiện tượng khúc xạ ánh sáng. 

-> Hiện tượng khúc xạ ánh sáng được định nghĩa là hiện tượng tia sáng truyền từ môi trường trong suốt này đến môi trường trong suốt khác và bị gãy khúc khi truyền xiên góc tại mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt, có chiết suất khác nhau.

Nguyên nhân gây hiện tượng khúc xạ ánh sáng:

Khi ánh sáng đi qua các môi trường khác nhau, tốc độ của nó thay đổi, chứng tỏ môi trường là tác nhân ảnh hưởng quan trọng đến việc truyền ánh sáng. Theo nghiên cứu khoa học, hiện tượng khúc xạ ánh sáng có hai nguyên nhân: thay đổi tốc độ và góc tới của tia. Khi ánh sáng bị khúc xạ nhiều hơn, nghĩa là nó đã bị ảnh hưởng bởi môi trường, làm tăng hoặc giảm tốc độ. Lượng khúc xạ ánh sáng cũng sẽ tăng khi góc tới lớn hơn, nhưng khi góc tới là 90 độ so với bề mặt pháp tuyến, ánh sáng sẽ chậm lại và không thay đổi hướng.

Ví dụ, khi đặt một ống hút nghiêng vào trong một cốc nước, phần ánh sáng phản xạ từ ống hút sẽ bị khúc xạ tại mặt phân cách giữa không khí và chất lỏng, và ta sẽ nhìn thấy ống hút dường như nghiêng đi một phần.

Định luật khúc xạ ánh sáng:

– 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 được tạo thành bởi pháp tuyến và tia tới.

– Xét 2 môi trường trong suốt nhất định, tỉ lệ giữa sin góc khúc xạ (sin r) và sin góc tới (sin i) luôn không đổi (là một hằng số)

Biểu thức được biểu diễn:  sin(i)/sin(r) = n2/n1 = hằng số

Trong đó:

– SI là tia tới.

– I là điểm tới.

– N’IN là pháp tuyến với mặt phân cách tại I.

– IR là tia khúc xạ.

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

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

– n1 chính là chiết suất của môi trường 1.

– n2 sẽ là chiết suất của môi trường 2.

Chú ý: 

– Nếu góc nhỏ chưa tới 10º thì n1.i=n2.r.

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

Chiết suất của môi trường:

Chiết suất trong Vật Lý được định nghĩa là tỉ số giữa tốc độ ánh sáng trong chân không và tốc độ pha của bức xạ điện từ trong vật liệu. 

Trong tính toán, chiết suất này thường được ký hiệu là n. 

Vận tốc của ánh sáng khi được truyền qua các mặt phân cách trong suốt như không khí hoặc thủy tinh thường nhỏ hơn c. 

Tỷ số giữa c và vận tốc v của ánh sáng truyền qua vật liệu phân cách sẽ được gọi là chỉ số chiết suất n của vật liệu.

Chiết suất tỉ đối:

Trong định luật khúc xạ ánh sáng, tỉ số sin(i)/sin(r) là một hằng số, kí hiệu là n21 được gọi là chiết suất tỉ đối của môi trường chứa tia khúc xạ (môi trường 2) đối với môi trường chứa tia tới (môi trường 1).

Biểu thức xác định: sin(i)/sin(r) = n21

Chiết suất tỉ đối cho biết:

– Nếu n21 < 1, thì i < r: Tia khúc xạ bị lệch xa trục pháp tuyến hơn, suy ra môi trường (2) chiết quang kém hơn môi trường (1).

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

Chiết suất tuyệt đối:

Chiết suất tuyệt đối (hay gọi ngắn gọi là chiết suất) của một môi trường được định nghĩa là chiết suất tỉ đối của môi trường đó đối với môi trường chân không. 

Được biết, chiết suất của môi trường chân không bằng 1, chiết suất của môi trường không khí là 1,000293 và thường được làm tròn bằng 1. 

Tất cả các môi trường trong suốt khác đều có chiết suất lớn hơn 1.

Hệ thức biểu diễn chiết xuất của một môi trường: c/v = n

Trong đó:

– c: là vận tốc ánh sáng chân không (c = 3.10^8 m/s).

– v: là vận tốc ánh sáng trong môi trường được xét.

Hệ thức biểu diễn mối liên hệ giữa chiết suất tỉ đối và vận tốc truyền ánh sáng trong các môi trường: n = n21 = n2/n1

3. Một số bài tập vận dụng:

Bài 1: 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

Hướng dẫn giải:

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

Áp dụng công thức: n1.sin(i) = n2.sin(r)

4/3.sin (30º) = 1,5.sin(r)

r ≈ 26,4º

D = i – r = 30º – 26,4º = 3,6º

Bài 2: 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 (làm tròn số)?

Hướng dẫn giải:

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

Áp dụng công thức: n1.sin(i) = n2.sin(r)

4/3.sin (i) = sin(r)

4/3.sin(i) = cos(i) (do tia khúc xạ và tia phản xạ vuông góc ở mặt nước)

tan(i) = 3/4

i ≈ 37º

Bài 3: Một tia sáng truyền từ môi trường A vào môi trường B dưới góc tới 12º thì góc khúc xạ là 8º. Tốc độ ánh sáng trong môi trường B là 2,8.108 m/s. Tốc độ ánh sáng trong môi trường A là bao nhiêu?

Hướng dẫn giải:

Ta có: n = c/v

n(A) . sin (12º ) = n(B) . sin (8º)

4. Ứng dụng hiện tượng khúc xạ ánh sáng:

Trong các khoảng thời kỳ đầu, khi mà ngành Thiên văn học vừa mới chế tạo ra được kính thiên Văn thì quá trình quan sát các vật thể ở xa đã bị ảnh hưởng đáng kể bởi hiện tượng khúc xạ ánh sáng truyền từ không gian vào Trái Đất xuyên qua bầu khí quyển.  Nhờ vào định luật khúc xạ mà các nhà Vật lý, thiên văn học đã có thể điều chỉnh được các ống kính thiên văn một cách dễ dàng, giúp việc quan sát hình ảnh trở nên rõ nét hơn. Trong thời đại hiện nay, để loại bỏ được hoàn toàn hiện tượng khúc xạ ánh sáng thì các nhà khoa học đã đặt hẳn một chiếc kính thiên văn bên 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.