KHTN 9 Bài 5: Khúc xạ ánh sáng

I. Hiện tượng khúc xạ và cách đo góc

Trong một môi trường trong suốt, đồng tính, tia sáng truyền theo đường thẳng. Khi truyền xiên góc qua mặt phân cách giữa hai môi trường có chiết suất khác nhau, tia sáng thường đổi phương tại mặt phân cách. Hiện tượng đó là khúc xạ ánh sáng.

Ví dụ, phần bút chì ngập trong cốc nước trông như lệch so với phần ở ngoài. Ánh sáng từ phần ngập nước đổi hướng khi đi ra không khí; mắt dựa vào các tia tới mắt nên nhận thấy vị trí biểu kiến khác vị trí thật. Bút chì không bị gãy tại mặt nước.

1. Các yếu tố trên hình vẽ

• I là điểm tia sáng gặp mặt phân cách.
• SI là tia tới; IR là tia khúc xạ truyền vào môi trường thứ hai.
• NN′ là pháp tuyến: đường thẳng vuông góc với mặt phân cách tại I.
• Góc tới i là góc giữa tia tới và pháp tuyến ở phía môi trường chứa tia tới.
• Góc khúc xạ r là góc giữa tia khúc xạ và pháp tuyến ở phía môi trường chứa tia khúc xạ.

Cả i và r đều đo với pháp tuyến. Nếu đề cho tia tới hợp với mặt phân cách góc 60° thì góc tới là 90° − 60° = 30°. Mũi tên trên tia cho biết môi trường nào là nơi ánh sáng đi từ và môi trường nào là nơi ánh sáng đi đến.

2. Quan sát và đo trong thí nghiệm

Dùng hộp đèn tạo chùm sáng hẹp, bản bán trụ trong suốt và bảng chia độ theo hướng dẫn của giáo viên. Đặt tâm mặt phẳng của bản bán trụ tại tâm bảng; chiếu tia tới điểm này, đánh dấu đường đi và đọc i, r. Thay đổi góc tới, giữ nguyên hai môi trường và loại ánh sáng rồi ghi các cặp góc. Với cách bố trí tia đi qua tâm bản bán trụ, tia ra ở mặt cong theo phương bán kính nên không bị lệch thêm tại mặt cong.

Trường hợp tia tới vuông góc mặt phân cách: i = 0° và r = 0°. Tia truyền thẳng qua mặt phân cách, dù tốc độ ánh sáng có thể thay đổi.

II. Chiết suất của môi trường

Chiết suất cho biết tốc độ ánh sáng trong một môi trường so với trong chân không. Với một loại ánh sáng xác định:

$n={\displaystyle \frac{c}{v}}$, trong đó $c\approx 3,0\times {10}^8\mathrm{m}/\mathrm{s}$.

• n: chiết suất của môi trường, không có đơn vị.
• c: tốc độ ánh sáng trong chân không.
• v: tốc độ ánh sáng trong môi trường đang xét, cùng đơn vị với c.

Trong những môi trường trong suốt thông thường đang học, n ≥ 1. Chân không có n = 1; không khí có n rất gần 1 nên bài tập thường lấy $n_{\text{không khí}}\approx 1$. Chiết suất của nước thường lấy khoảng 1,33; một loại thủy tinh trong bài tập có thể được cho n = 1,50. Giá trị cụ thể còn phụ thuộc vật liệu và màu ánh sáng.

Chiết suất càng lớn thì tốc độ ánh sáng trong môi trường càng nhỏ. Khi biết n, đổi công thức thành $v={\displaystyle \frac{c}{n}}$. Chẳng hạn n = 1,50 cho $v=2,0\times {10}^8\mathrm{m}/\mathrm{s}$.

Không dùng khối lượng riêng của vật liệu để thay cho chiết suất. Khi so sánh sự đổi hướng của tia sáng, cần so sánh n của hai môi trường, không chỉ dựa vào tên “rắn”, “lỏng” hay “khí”.

III. Định luật khúc xạ và cách vận dụng

Với ánh sáng đơn sắc truyền qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt, tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng chứa tia tới và pháp tuyến tại điểm tới, ở phía bên kia pháp tuyến so với tia tới. Các góc liên hệ với chiết suất bởi:

$n_1\sin i=n_2\sin r$.

Ở đây n₁ thuộc môi trường chứa tia tới và n₂ thuộc môi trường chứa tia khúc xạ. Khi i và r khác 0°, có thể viết ${\displaystyle \frac{\sin i}{\sin r}}={\displaystyle \frac{n_2}{n_1}}$. Nếu tia đi từ không khí vào môi trường có chiết suất n, lấy n₁ ≈ 1 thì $n\approx {\displaystyle \frac{\sin i}{\sin r}}$.

Khi tia đi từ môi trường chiết suất lớn sang môi trường chiết suất nhỏ, không phải mọi góc tới đều cho tia truyền qua. Điều kiện phản xạ toàn phần được học riêng ở Bài 6. Trong bài này, các phép tính góc khúc xạ đều xét trường hợp có tia khúc xạ.

Cách giải một bài tính

1. Vẽ mặt phân cách, pháp tuyến và mũi tên truyền sáng; ghi đúng n₁, n₂.
2. Đổi góc với mặt phân cách sang góc với pháp tuyến nếu cần.
3. Viết $n_1\sin i=n_2\sin r$, thay các dữ kiện rồi tìm đại lượng chưa biết.
4. Kiểm tra chiều lệch: đi vào môi trường n lớn hơn phải có r nhỏ hơn i, trừ trường hợp vuông góc.

Cần tránh: lấy góc với mặt phân cách làm i; đổi ${\displaystyle \frac{\sin i}{\sin r}}$ thành ${\displaystyle \frac{i}{r}}$; hoặc dùng tỉ số sin khi i = r = 0° vì khi đó xuất hiện phép chia 0 cho 0. Nếu dùng máy tính với số đo độ, chọn chế độ DEG.

Đường truyền ánh sáng có tính thuận nghịch: đảo chiều một tia theo đúng đường tia khúc xạ thì tia ló trở lại theo đường tia tới ban đầu, trong cùng điều kiện môi trường.

Câu tự kiểm 1

Tia tới hợp với mặt nước góc 35°. Góc tới bằng bao nhiêu? Vì sao không lấy i = 35°?

Câu tự kiểm 2

Một tia đi vuông góc từ không khí vào thủy tinh. Tia có đổi hướng không? Tốc độ có nhất thiết giữ nguyên không?