Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta thường gặp hiện tượng khúc xạ ánh sáng , nhất là trong trường hợp quan sát được mặt phân cách giữa nước và không khí. Tuy nhiên, không phải ai cũng có thể hiểu và giải thích được hiện tượng này. Những kiến thức trong bài viết dưới đây sẽ giúp bạn tìm hiểu một cách chính xác nhất về hiện tượng khúc xạ ánh sáng.
Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là gì?
Ví dụ: Đổ đầy nước vào một lọ thủy tinh trong suốt. Sau đó, dùng chiếc đũa đặt vào thau nước sao cho chiếc đũa nghiêng theo hướng nghiêng.
Khi quan sát đũa, chúng ta sẽ thấy ánh sáng phản xạ truyền từ đũa không còn theo đường thẳng nữa mà đã đứt đoạn ngay tại mặt phân cách có sự chênh lệch giữa nước và không khí.
Vì vậy, khi soi chiếc đũa trong cốc nước, ta thấy dường như chiếc đũa đã bị nghiêng đi một phần.
Phân tích hiện tượng : Mắt ta nhìn được mọi vật là do ánh sáng truyền từ vật đến mắt. Mặt khác, ánh sáng luôn truyền theo đường thẳng.
Khi nhìn vào một vật thể (vật thể không phải là nguồn sáng), tùy thuộc vào màu sắc và góc độ của nguồn sáng, chúng ta sẽ quan sát được các hình dạng khác nhau của từng vật thể.
Ví dụ trên là một ví dụ điển hình của hiện tượng khúc xạ ánh sáng.
Như vậy, hiện tượng khúc xạ ánh sáng được định nghĩa là hiện tượng tia sáng truyền từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác và bị gãy khi truyền lệch một góc tại mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt có chiết suất khác nhau. .
Định luật khúc xạ ánh sáng
Định luật khúc xạ ánh sáng được giải thích như sau:
-
Tia khúc xạ luôn nằm trong mặt phẳng tới và nằm bên kia pháp tuyến với tia tới. Mặt phẳng tới là mặt phẳng tạo bởi pháp tuyến và tia tới.
-
Xét hai môi trường trong suốt nhất định, tỉ số giữa sin góc khúc xạ (sin r) và sin góc tới (sin i) luôn không đổi (là một hằng số).
Biểu thức được hiển thị:
sin(i)/sin(r) = n2/n1 = hằng số
Phía trong:
-
SI là tia tới.
-
Tôi là đích đến.
-
N’IN là pháp tuyến của giao diện tại I.
-
IR là tia khúc xạ.
-
i là góc tới (là góc giữa tia sáng truyền từ môi trường 1 đến mặt phẳng phân cách và pháp tuyến với mặt phẳng phân cách 2 môi trường).
-
r là góc khúc xạ (là góc giữa tia sáng truyền từ mặt phân cách tới môi trường 2 và pháp tuyến với mặt phẳng phân cách 2 môi trường).
-
n1 là chiết suất của môi trường 1.
-
n2 sẽ là chiết suất của môi trường 2.
Chú ý:
-
Nếu góc nhỏ hơn 10º thì n1.i=n2.r.
-
Nếu i = 0, r = 0 thì không xảy ra hiện tượng khúc xạ
Chiết suất của môi trường
Chỉ số khúc xạ trong vật lý được định nghĩa là tỷ lệ 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.
Tốc độ ánh sáng khi truyền qua các mặt phân cách trong suốt như không khí hoặc thủy tinh thường nhỏ hơn c.
Tỉ số giữa c và vận tốc v của ánh sáng truyền qua vật liệu phân cách sẽ được gọi là chiết suất n của vật liệu.
Chiết suất đối ứng
Theo 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 khúc xạ. đến (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 lệch xa hơn so với pháp tuyến nên môi trường (2) chiết quang kém hơn môi trường (1).
-
Nếu n21 > 1 thì i > r: Tia khúc xạ lệch về gần pháp tuyến, ta nói môi trường (2) chiết quang hơn môi trường (1).
chiết suất tuyệt đối
Chiết suất tuyệt đối (hay gọi tắt là chiết suất) của một môi trường được định nghĩa là chiết suất tỉ đối của môi trường đó đối với chân không.
Biết chiết suất của chân không là 1, chiết suất của không khí là 1,000293 và thường được làm tròn thành 1.
Tất cả các phương tiện trong suốt khác có chiết suất lớn hơn 1.
Mối quan hệ biểu diễn trích xuất của một phương tiện: c/v = n
Phía trong:
-
c: là vận tốc ánh sáng trong chân không (c = 3.10^8 m/s).
-
v: là vận tốc ánh sáng trong môi trường đang xét.
Hệ thức giữa chiết suất tỉ đối và tốc độ ánh sáng trong môi trường được biểu diễn như sau: n = n21 = n2/n1
Một số bài tập thực hành
Bài tập 1: Một tia sáng truyền từ nước có chiết suất 4/3 sang thủy tinh có chiết suất 1,5. Tính góc khúc xạ và độ 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 vào không khí. Các tia khúc xạ và phản xạ ở mặt nước vuông góc với nhau. Nước có chiết suất 4/3. Góc tới của tia sáng (tròn) là bao nhiêu?
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) (vì tia khúc xạ và tia phản xạ vuông góc với mặt nước)
tan(i) = 3/4
tôi 37º
Bài 3: Một tia sáng truyền từ môi trường A sang môi trường B với góc tới 12º thì góc khúc xạ là 8º. Tốc độ ánh sáng trong môi trường B là 2,8.108 m/s. Vận tốc ánh sáng trong môi trường A là bao nhiêu?
Hướng dẫn giải:
Ta có: n = c/v
n(A) . tội lỗi (12º ) = n(B) . tội lỗi (8º)
Sự đảo ngược của truyền ánh sáng
Ánh sáng đi theo bất kỳ hướng nào nó đi theo cùng một hướng.
Từ đó ta được hệ thức: n12 = 1/n21
Lưu ý : Tính thuận nghịch cũng biểu hiện ở phản xạ và truyền thẳng.
Các ứng dụng của khúc xạ ánh sáng
Vào thời kỳ đầu, khi ngành thiên văn học mới tạo ra kính thiên văn, việc quan sát các vật thể ở xa bị ảnh hưởng đáng kể bởi hiện tượng khúc xạ ánh sáng truyền từ vũ trụ vào Trái đất qua không gian. qua bầu khí quyển.
Nhờ định luật khúc xạ, các nhà vật lý và thiên văn học đã có thể điều chỉnh các thấu kính của kính viễn vọng một cách dễ dàng, giúp quan sát hình ảnh rõ nét hơn.
Trong thời đại hiện nay, để loại bỏ hoàn toàn hiện tượng khúc xạ ánh sáng, các nhà khoa học đã đặt một kính thiên văn ngoài vũ trụ.
Bên cạnh đó, nhờ học thuyết về hiện tượng khúc xạ ánh sáng, nhân loại có thể hiểu rõ tại sao khi quan sát trên bầu trời đêm, chúng ta có thể nhìn thấy những ngôi sao lấp lánh. Bởi vì vào ban đêm, khi bạn nhìn lên bầu trời tối, bạn sẽ thấy ánh sáng từ các vì sao bị khúc xạ nhiều lần khi truyền từ không gian và xuyên qua bầu khí quyển vào Trái đất.
Bài tập khúc xạ ánh sáng vật lý 11
Dưới đây là các bài tập trắc nghiệm giúp các em củng cố lại kiến thức vừa học trong bài khúc xạ ánh sáng.
Câu 1: Hoàn thành phát biểu sau: “Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là hiện tượng tia sáng khi truyền từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác thì tia sáng nằm … ở mặt phân cách giữa hai môi trường đó”
A. Gãy xương.
B. uốn cong
C. Dừng lại
D. Quay lại
Trả lời: a.
Giải thích: Theo lí thuyết, hiện tượng khúc xạ ánh sáng là hiện tượng tia sáng khi truyền từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác thì tia sáng bị gãy khúc ở mặt phân cách giữa hai môi trường đó.
Bài 2: Trong hiện tượng khúc xạ ánh sáng. So với góc tới, góc khúc xạ
A. Nhỏ hơn.
B. Lớn hơn hoặc bằng.
C. Lớn hơn.
D. Nhỏ hơn hoặc lớn hơn.
Trả lời: Đ.
Giải thích: Trong hiện tượng khúc xạ ánh sáng. So với góc tới, góc khúc xạ nhỏ hơn hay lớn hơn phụ thuộc vào chiết suất của môi trường.
Bài 3: Theo định luật khúc xạ
A. Tia khúc xạ và tia tới cùng nằm trong một mặt phẳng.
B. Góc khúc xạ luôn khác 0.
C. Góc tới tăng bao nhiêu thì góc khúc xạ tăng bấy nhiêu.
D. Góc tới luôn lớn hơn góc khúc xạ.
Trả lời: a.
Giải thích: Theo định luật khúc xạ, tia khúc xạ và tia tới cùng nằm trong một mặt phẳng.
Bài tập 4: Khi một tia sáng truyền từ môi trường (1) có chiết suất n1 sang môi trường (2) có chiết suất n2 với góc tới i, góc khúc xạ là r. Chọn cách diễn đạt đúng:
A. n1.sin(r) = n2.sin(i).
B. n1.sin(i) = n2.sin(r).
C. n1.cos(r) = n2.cos(i).
D. n1.tan(r) = n2.tan(i).
Đáp án:B.
Giải: Theo định luật khúc xạ ta có n1.sin(i) = n2.sin(r).
Bài 5: Một tia sáng truyền từ môi trường này sang môi trường khác dọc theo pháp tuyến đến mặt phân cách thì góc khúc xạ là
A. 0º
B. 90 độ
C. bằng igh.
D. phụ thuộc vào chiết suất của hai môi trường.
Trả lời: a.
Giải thích: n1.sin(i) = n2.sin(r). Mà i = 0º, suy ra: r = 0º
Bài 6: Cho ánh sáng đơn sắc truyền từ môi trường (1) với tốc độ v1 sang môi trường (2) với tốc độ v2, biết v2 < v1 thì
A. tôi < r.
B. i > r.
C. sin(i)/sin(r) = v2/v1
D. n2.sin(i) = n1.sin(r).
Đáp án:B.
Giải thích: n=c/v => v2/v1 = n1/n2. Mà v2 < v1 => n1 < n2 => i > r
Bài 7: Khi có hiện tượng khúc xạ ánh sáng chuyển từ môi trường trong suốt ra không khí thì
A. góc tới i lớn hơn góc khúc xạ r.
B. góc tới i nhỏ hơn góc khúc xạ r.
C. góc tới i ngược pha với góc khúc xạ r.
D. tỉ số của sin(i) với sin(r) khả biến.
Đáp án:B.
Giải: n1.sin(i) = n2.sin(r), khi đi từ môi trường trong suốt ra không khí thì n1 > n2 ⇒ i < r.
Bài tập 8 : Trong trường hợp sau, tia sáng không truyền thẳng khi:
A. Truyền qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt có cùng chiết suất.
B. vuông góc với mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt.
C. Có phương đi qua tâm của một mặt cầu trong suốt.
D. Truyền xiên góc từ không khí vào viên kim cương.
Trả lời: Đ.
Giải thích: Khi truyền nghiêng một góc từ không khí sang kim cương, tia sáng bị gãy khúc do hiện tượng khúc xạ ánh sáng.
Bài tập 9: Một tia sáng truyền từ môi trường 1 sang môi trường 2 với góc tới và góc khúc xạ lần lượt là 45º và 30º. Kết luận nào sau đây không đúng?
A. Môi trường 2 đậm đặc hơn môi trường 1.
B. Phương của tia khúc xạ và phương của tia tới hợp với nhau một góc 15º
C. Luôn có tia khúc xạ với mọi góc tới.
D. Môi trường 1 chiết quang hơn môi trường 2.
Trả lời: Đ.
Giải thích: Theo định luật khúc xạ ta có n1. sin45º = n2.sin30º ⇒ n1 < n2 ⇒ môi trường 1 kém chiết quang hơn môi trường 2.
Bài 10: Một cái cọc cắm thẳng đứng dưới sông, nửa trong, nửa ngoài. Một chiếc cọc khác cùng chiều dài được cắm thẳng đứng trên bờ. Bóng cây cọc dọc sông sẽ
A. Dài hơn bóng cây cọc trên bờ.
B. Ngang với bóng cây cọc trên bờ.
C. Ngắn hơn bóng cây cọc trên bờ.
D. Ngắn hơn bóng cây cọc trên bờ nếu mặt trời ở trên cao và dài hơn bóng của cây cọc trên bờ nếu mặt trời ở dưới thấp.
Câu trả lời:
Giải thích: Khi được ánh sáng mặt trời chiếu vào, bóng của cây cọ trên sông ngắn hơn do tia sáng bị đứt khi qua sông và do n(kk) < n(nước) nên r luôn nhỏ hơn i. Vì vậy, cái bóng của chiếc cọc dưới đáy sông bao giờ cũng ngắn hơn.
Phần kết:
Trên đây là toàn bộ lý thuyết và bài tập thực hành liên quan đến bài khúc xạ ánh sáng. Hi vọng những thông tin mà manta.edu.vn vừa cung cấp sẽ giúp ích cho các bạn trong quá trình học tập và nghiên cứu môn Vật lý.
