KHTN 9 Bài 7: Lăng kính

I. Cấu tạo lăng kính và đường truyền ánh sáng

Lăng kính dùng trong bài là một khối vật liệu trong suốt, chẳng hạn thủy tinh, có tiết diện thẳng hình tam giác. Trên tiết diện ABC, hai cạnh AB và AC biểu diễn hai mặt khúc xạ; góc tạo bởi chúng là góc chiết quang A. Cạnh BC biểu diễn phần đáy theo cách gọi trong quang học.

Xét một tia sáng đi từ không khí qua mặt thứ nhất, truyền trong lăng kính rồi ló qua mặt thứ hai ra không khí. Giả sử chiết suất của lăng kính lớn hơn không khí, hai lần tới đều xiên và cách bố trí cho tia ló:

1. Ở mặt thứ nhất: ánh sáng đi vào môi trường có chiết suất lớn hơn nên tia khúc xạ lệch gần pháp tuyến tại điểm tới.
2. Bên trong lăng kính: tia sáng truyền thẳng nếu vật liệu đồng tính.
3. Ở mặt thứ hai: ánh sáng ra môi trường có chiết suất nhỏ hơn nên tia ló lệch xa pháp tuyến tại điểm ló.

Với cách đi qua hai mặt khúc xạ này, tia ló nhìn chung lệch về phía đáy lăng kính so với hướng tia tới. Hai pháp tuyến thuộc hai mặt khác nhau nên không được dùng chung một pháp tuyến cho cả hai lần khúc xạ.

Góc lệch là góc giữa hướng truyền của tia tới và tia ló. Khi vẽ, kéo dài hướng tia tới để so sánh với hướng tia ló; không lấy góc giữa tia ló và cạnh đáy làm góc lệch.

Một chùm đơn sắc đi qua lăng kính trong suốt đối với ánh sáng đó có thể bị đổi hướng, nhưng không tách thành dải gồm những màu khác. Sự đổi hướng của một tia đơn sắc và sự tách nhiều thành phần màu là hai việc cần phân biệt.

II. Tán sắc ánh sáng và ánh sáng đơn sắc

1. Quan sát dải màu

Cho một chùm ánh sáng trắng hẹp từ nguồn thích hợp đi qua lăng kính rồi hứng trên màn. Điều chỉnh lăng kính và màn theo hướng dẫn của giáo viên để nhận được dải màu rõ. Với nguồn ánh sáng trắng có phổ liên tục trong thí nghiệm, ta thấy các màu chuyển liên tục từ đỏ đến tím; thường gọi theo thứ tự đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm, tím.

Đó là hiện tượng tán sắc: các thành phần màu của chùm sáng bị tách theo những hướng khác nhau. Bảy tên màu là cách mô tả quen thuộc của một dải liên tục; dải này không chỉ gồm bảy tia hoặc bảy bước sóng rời rạc.

2. Vì sao lăng kính tách được các màu?

Ánh sáng trắng là sự kết hợp của nhiều thành phần ánh sáng màu. Trong thủy tinh thông thường ở vùng ánh sáng nhìn thấy, chiết suất phụ thuộc màu: đối với ánh sáng tím lớn hơn đối với ánh sáng đỏ. Vì vậy, khi cùng đi qua lăng kính trong một cách bố trí, các thành phần không bị lệch như nhau.

• Tia đỏ lệch ít nhất trong dải màu đang xét.
• Tia tím lệch nhiều nhất, gần phía đáy hơn so với tia đỏ trong hình thí nghiệm thông thường.
• Lăng kính tách các thành phần đã có trong chùm tới; nó không tự tạo ra những màu mới bằng cách “nhuộm” ánh sáng.

3. “Có màu” chưa đồng nghĩa với “đơn sắc”

Ánh sáng đơn sắc gồm một thành phần quang phổ xác định; có thể hiểu là một tần số xác định trong mô hình lí tưởng. Khi qua lăng kính, nó không bị phân tách thành những màu khác. Một chùm đỏ đơn sắc vẫn có thể bị khúc xạ và lệch hướng.

Ngược lại, một chùm mà mắt thấy có màu vẫn có thể gồm nhiều thành phần. Kính lọc màu thực tế thường truyền một vùng màu hẹp, chứ không bảo đảm chỉ còn đúng một thành phần đơn sắc. Vì thế, các bài tập cần kết luận chắc chắn sẽ nói rõ “đơn sắc” hoặc nêu mô hình của nguồn.

Ánh sáng Mặt Trời là nguồn có nhiều thành phần, tạo được dải quang phổ qua lăng kính. Không cần nhìn trực tiếp vào Mặt Trời để quan sát; dùng nguồn sáng và màn của bộ thí nghiệm trong lớp. Ánh sáng trắng tạo bằng cách phối hợp một số nguồn màu cũng có thể nhìn trắng, nên không suy rằng mọi nguồn sáng trắng đều có phổ hoàn toàn giống nhau.

III. Màu sắc của vật

Ta nhìn thấy một vật khi có ánh sáng từ vật truyền tới mắt. Với vật không tự phát sáng và không trong suốt, ánh sáng đó chủ yếu là phần ánh sáng chiếu tới được vật phản xạ hoặc tán xạ trở lại.

Màu quan sát được phụ thuộc đồng thời vào thành phần màu của nguồn chiếu và khả năng phản xạ, hấp thụ của vật. Vật không tự bổ sung một thành phần màu hoàn toàn không có trong nguồn chiếu, trong mô hình phản xạ thông thường đang xét.

Đổi nguồn chiếu có thể làm đổi màu nhìn thấy

Một tờ giấy trắng được chiếu chỉ bằng ánh sáng đỏ sẽ trông đỏ, vì phần ánh sáng nó phản xạ tới mắt là đỏ. Để xét một tấm bìa đỏ dưới ánh sáng lục, cần nêu rõ mô hình: nếu bìa chỉ phản xạ đỏ và hấp thụ hết ánh sáng lục, khi chỉ chiếu ánh sáng lục thì bìa trông đen trong mô hình lí tưởng; vật thật thường trông rất tối.

Cách suy luận gồm ba bước: xác định nguồn có những màu nào; xác định vật phản xạ được màu nào trong số đó; tìm ánh sáng thực sự đi vào mắt. Ví dụ, không thể kết luận “vật đỏ luôn nhìn đỏ” khi đổi sang một nguồn chỉ có màu khác.

Trong bóng tối hoàn toàn, vật không tự phát sáng không có ánh sáng phản xạ tới mắt nên ta không nhìn thấy nó. Với vật trong suốt có màu như một tấm kính lọc, ánh sáng truyền qua cũng góp phần quyết định màu quan sát được; khi đó phải xét đúng đường truyền ánh sáng đến mắt.

Câu tự kiểm 1

Mắt thấy một chùm sáng màu đỏ. Đã đủ căn cứ khẳng định chùm này đơn sắc chưa? Một chùm đỏ đơn sắc có thể bị lăng kính làm lệch hướng không?

Câu tự kiểm 2

Vì sao một áo trắng có thể trông xanh lục dưới đèn chỉ phát ánh sáng lục, còn trong bóng tối hoàn toàn ta không nhìn thấy áo?