Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là gì? Công thức tính khúc xạ ánh sáng (chi tiết nhất)

Bài viết Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là gì? Công thức tính khúc xạ ánh sáng với phương pháp giải chi tiết giúp học sinh ôn tập, biết cách làm bài tập Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là gì? Công thức tính khúc xạ ánh sáng.

Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là gì? Công thức tính khúc xạ ánh sáng (chi tiết nhất)

(199k) Xem Khóa học Vật Lí 12 KNTTXem Khóa học Vật Lí 12 CDXem Khóa học Vật Lí 12 CTST

1. Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là gì?

Thực tế khi pha một cốc nước và dùng thìa khuấy, chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy ở mặt phân cách giữa nước và không khí phần thìa dường như bị gãy. Đây chính là hiện tượng khúc xạ ánh sáng thường gặp trong thực tế.

Khúc xạ là hiện tượng chùm tia sáng bị đổi phương đột ngột khi đi qua mặt phân cách giữa hai môi trường truyền ánh sáng.

Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là hiện tượng tia sáng truyền từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác bị gãy khúc tại mặt phân cách giữa hai môi trường.

2. Định luật khúc xạ ánh sáng là gì?

Định luật khúc xạ được phát biểu thông qua các khái niệm góc tới, góc khúc xạ, tia tới, tia khúc xạ.

Hình minh họa 1

Ở hình vẽ trên, ta có:

- I là điểm tới, SI là tia tới

- IK là tia khúc xạ

- Đường NN' vuông góc với mặt phân cách được gọi là pháp tuyến tại điểm tới

- Góc SIK là góc tới, ký hiệu là i

- Góc KIN' là góc khúc xạ, ký hiệu là r

- Mặt phẳn chứa tia tới SI và pháp tuyến NN' là mặt phẳng tới.

Khi đó định luật khúc xạ ánh sáng được phát biểu dựa trên ba ý chính như sau:

- Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới (tạo bởi tia tới và pháp tuyến)

- Tia tới và tia khúc xạ nằm ở hai bên pháp tuyến tại điểm tới

- Đối với hai môi trường trong suốt nhất định, tỷ số giữa sin của góc tới và sin của góc khúc xạ là một hẳng số (gọi là n)

$\frac{\sin i}{\sin r}$= n = const

+ Nếu n > 1 thì môi trường khúc xạ được gọi là chiết quang hơn (có chiết suất lớn hơn) môi trường tới. Tia khúc xạ gần pháp tuyến hơn so với tia tới (tia sáng bị bẻ gập vào) và:

+ Nếu n < 1 thì môi trường khúc xạ được gọi là chiết quan kém môi trường (có chiết suất nhỏ hơn) tới. Khi đó tia khúc xạ xa pháp tuyến hơn so với tia tới (toa sáng bị bẻ ra ngoài)

Hình minh họa 2

3. Sự khúc xạ của ánh sáng khi truyền từ nước sang không khí và ngược lại

Khi tia sáng truyền từ không khí sang nước:

- Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới

- Góc khúc xạ nhỏ hơn góc tới

Khi tia sáng truyền được từ nước sang không khí:

- Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới

- Góc khúc xạ lớn hơn góc tới

4. Chiết suất

Chiết suất tượng trưng cho độ lớn nhỏ của tốc độ truyền của ánh sáng trong môt môi trường nhất định.

4.1. Chiết suất tỉ đối

Chiết suất tỉ đối giữa 2 môi trường bất kỳ được xác định bằng công thức:

n₂₁ = $\frac{n_2}{n_1}$; $\frac{\sin i}{\sin r}=n_{21}$

hay n₁.sin i = n₂.sin r và $\frac{n_1}{\sin r}=\frac{n_2}{\sin i}$

Trong đó:

- n₂₁ là chiết suất tỷ đối của môi trường 2 đối với môi trường 1

- n₁ là chiết suất tuyệt đối của môi trường 1

- n₂ là chiết suất tuyệt đối của môi trường 2

- sin i là sin góc tới

- sin r là sin góc khúc xạ

Nếu góc tới nhỏ hơn 10 độ thì sin i

4.1. Chiết suất tuyệt đối

Chiết suất tuyệt đối của một môi trường là chiết suất tỷ đối của môi trường đó đối với chân không ( có độ lớn = 1) được xác định bằng công thức:

$n=\frac{c}{v}$

Trong đó:

- n là chiết suất tuyệt đối của môi trường đang xét

- c là tốc độ truyền ánh sáng trong chân không, giá trị c = 3.10¹⁸m/s

- v là tốc độ truyền ánh sáng trong môi trường đang xét, đơn vị m/s

Vì tốc độ của ánh sáng truyền đi trong các môi trường bao giờ cũng nhỏ hơn tốc độ truyền ánh sáng trong môi trường chân không (không có các vật thể cản trở) do đó v luôn nhỏ hơn c và chiết suất tuyệt đối của mọi chất đều lớn hơn 1.

n > 1

5. Tính thuận nghịch của khúc xạ ánh sáng

Một tia sáng đi từ không khí vào nước và khúc xạ tại mặt phân cách. Nếu đảo chiều ánh sáng cho ánh sáng đi từ nước ra không khí, theo hình minh họa 1, thì tia tới lại là RI và tia khúc xạ khi đó là IS. Như vậy, ánh sáng truyền đi theo đường nào thì cũng truyền ngược lại theo đường đó.

Đây chính là tính thuận nghich của sự truyền ánh sáng. Tính thuận nghịch này cũng biểu hiện sự truyền thẳng và sự phản xạ. Từ tính chất này, ta suy ra công thức về sự tỷ lệ nghịch giữa 2 chiết suất tỷ đối:

$n_{12}=\frac{1}{n_{21}}$

6. Ứng dụng của hiện tượng khúc xạ ánh sáng

Hiện tượng khúc xạ ánh sáng có thể được sử dụng để giải thích một hiện tượng kỳ thú trong tự nhiên đó là khi chúng ta nhìn thấy bầu trời đêm đầy sao lấp lánh. Vào những buổi đêm khi nhìn lên trởi sở dĩ chúng ta thấy được các vì sao lập lánh là bởi ánh sáng từ các ngôi sao bị khúc xạ và gãy khúc nhiều lần khi truyền từ không gian ngoài bầu khí quyển vào bầu khí quyền của trái đất. Chính vì vậy, các tia sáng không tụ lại mà tỏa ra, khiến các vì sao trở nên lấp lánh, lung linh.

Trong đánh bắt, khi người đánh cá dùng lao phóng cá dưới nước thì họ sẽ không phóng trực tiếp vào con cá mà lại nhắm vào chỗ hơi xa hơn. Sở dĩ hình ảnh con cá mà ta thấy trong nước chính là tia sáng bị gấp khúc đổi hướng. Như vậy, mắt thường không thể nhận biết vị trí thật của cá. Vị trí của cá trong nước và hình ảnh mắt thường nhìn thấy khác nhau. Người có kinh nghiệm sẽ không phóng cao vào hình ảnh con cá mà mắt họ nhìn thấy (ảo ảnh của con cá) mà sẽ phóng hơi xa hơn.

7. Các dạng khúc xạ ánh sáng

Dạng 1: Áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng

1. Phương pháp giải

- Áp dụng công thức định luật khúc xạ: $\frac{\sin i}{\sin r}=n_{21}$ với $n_{21}=\frac{n_2}{n_1}$

- Chiết suất của môi trường: $n=\frac{c}{v}$

Dạng 2: Xác định ảnh của một vật qua lưỡng chất phẳng

1. Lí thuyết

Khái niệm: Lưỡng chất phẳng là hệ hai môi trường trong suốt phân cách nhau bởi một mặt phẳng.

Ảnh của vật tạo bởi lưỡng chất phẳng: Vật thật cho ảnh ảo, vật ảo cho ảnh thật.

Công thức lưỡng chất phẳng: (chỉ xét chùm tia hẹp từ vật tới gần vuông góc với mặt phân cách hai môi trường; như vật mới thỏa điều kiện tương điểm)

2. Phương pháp giải

Để dựng ảnh của một vật qua mặt phân cách giữa hai môi trường bằng mặt khúc xạ cần phải dựng:

- Bước 1: Dựng hai chùm tia tới

+ Tia 1 truyền thẳng với góc tới i = 0

+ Tia 2 tia tới có góc tới i≠0

- Bước 2: Dựng tia khúc xạ bởi 2 tia nói trên rồi kéo dài 2 tia khúc xạ này cắt nhau tại một điểm thì đó là ảnh của vật.

- Vật thật đi qua lưỡng chất phẳng cho ta ảnh ảo (ta nói ảnh và vật luôn có bản chất trái ngược nhau).

- Sơ đồ tạo ảnh qua lưỡng chất phẳng: $S_{n_1}\stackrel{LCP{S}^{\text{'}}}{\to }{n}_2$

Ta có công thức: $\frac{SH}{n_1}=\frac{S^{\text{'}}H}{n_2}$

Áp dụng công thức lưỡng chất phẳng: $\frac{d^{\text{'}}}{d}=\frac{n_2}{n_1}$

Dạng 3: Khúc xạ qua bản mặt song song

1. Lí thuyết

Khái niệm: Bản (hai) mặt song song là lớp môi trường trong suốt giới hạn bởi hai mặt phẳng song song với nhau, chẳng hạn một tấm kính.

Đường đi của tia sáng: Tia sáng truyền qua bản mặt song song không đổi phương (tia ló ra khỏi bản mặt song song với tia tới).

Sự tạo ảnh với bản mặt song song: Xét chùm tia sáng tới hẹp gần vuông góc với mặt bản; n là chiết suất tỉ đối của chất làm bản đối với môi trường xung quanh bản.

- Vật thật cho ảnh ảo, vật ảo cho ảnh thật.

- Ảnh có độ lớn (độ cao) bằng vật.

Khoảng cách vật - ảnh (độ dịch chuyển của ảnh so với vật theo chiều truyền ánh sáng).Độ dời ngang của tia sáng (Khoảng cách giữa tia tới và tia ló)Vậy: Một vật AB đứng trước một bản mặt song song, thì bản cho một ảnh khác bản chất vật, bằng vật, cùng chiều vật nhưng bị dịch chuyển theo chiều truyền tia sáng.

2. Phương pháp giải

- Vẽ ảnh tạo bởi hai bảm mặt song song

- Áp dụng công thức bản mặt song song để giải yêu cầu bài toán

8. Bài tập vận dụng

Câu 1: Một tia sáng truyền từ môi trường A vào môi trường B dưới góc tới 12^o thì góc khúc xạ là 8^o. 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?

Lời giải

Ta có:

Câu 2: Một bể chứa có thành cao 70cm và đáy phẳng dài 100cm. Biết độ cao mực nước trong bể là 40cm, chiết suất của nước là $\frac{4}{3}$. Ánh nắng chiếu vào theo phương nghiêng góc 30^o so với phương ngang thì độ dài bóng của thành bể tạo được ở đáy bể là bao nhiêu?

Lời giải

Theo đề bài, HI=40cm, AM=70-40=30cm

Biểu diễn trên hình vẽ:

Theo định luật khúc xạ ánh sáng, ta có:

Sini=nsinr với i = 90^o - 30^o = 60^o

$\to \sin r=\frac{\sin i}{n}=\frac{\sin 60°}{\frac{4}{3}}=\frac{3\sqrt{3}}{8}$

$\to r=40°30\text{'}$

Ta có:

Bóng của thành bể tạo thành dưới đáy bể là: CR = CH + HR $\approx$ 86cm

Câu 3: Mắt người và cá cùng cách mặt nước 75cm, cùng nằm trên một mặt phẳng vuông góc với mặt nước. Biết chiết suất của nước là n = $\frac{4}{3}$. Cá thấy người cách mình bao nhiêu?

Lời Giải

Khi cá nhìn thấy người thì tia sáng từ người đến mắt cá:

+ Gọi M là mắt thật và M’ là ảnh của mắt nười mà cá nhìn thấy.

Từ hình vẽ, ta có:

Vậy con cá sẽ nhìn thấy mắt người cách mắt nó đoạn: 75 + 100 = 175cm

Câu 4: Một bản mặt song song có bề dày 10cm, chiết suất n=1,2 được đặt trong không khí. Ảnh S’ của S qua bản mặt song song cách S một đoạn là:

Lời giải

Ta thấy tia ló I₂R song song với tia tới SI₁, giao của đường kéo dài của tia I₂R cắt tia sáng SJ tại S’, S’ là ảnh của S qua bản mặt.

Tứ giác SS^'MI₁ là hình bình hành suy ra SS^' = I₁M

Xét hai tam giác vuông MNI₂ và I₁NI₂, ta có:

NI₂ = I₁N.tan r₁ = MN.tan i₁ (do góc NMI₂ = i₁) suy ra MN = I₁N.$\frac{\tan r_1}{\tan i_1}$

Vì ta xét góc tới i₁ rất nhỏ nên góc r₁ cũng rất nhỏ nên tan i₁ ≈ sin i₁ và tan r₁ ≈ sin r₁

$\to$MN = I₁N.$\frac{\tan r_1}{\tan i_1}$≈$e.\frac{\sin r_1}{\sin i_1}=e.\frac{1}{n}$

Theo định luật khúc xạ tại I1I1, ta có khoảng cách giữa vật và ảnh là:

SS^' = I₁M = I₁N - MN = e - $\frac{e}{n}$= 10 - $\frac{10}{1,2}=\frac{5}{3}$≈ 1,67cm

Câu 5: Một bản mặt song song có bề dày 16cm, chiết suất n=1,5 được đặt trong không khí. Chiếu tới bản một tia sáng với góc tới bằng 40^o. Khoảng cách giữa phương của tia tới và tia ló là bao nhiêu?

Lời giải

Bề dày e=16cm; chiết suất n=1,5.

Áp dụng công thức định luật khúc xạ ánh sáng, ta có: sin i₁ = n.sin r₁

$\to$ sin r₁ = sin i₁.n

=$\frac{\sin 40°}{1,5}\to r_1=25°22\text{'}$

Từ hình vẽ, khoảng cách giữa giá của tia ló và tia tới bằng đường cao I₂H của tam giác vuông I₁I₂H. Ta có:

I₂H = I₁I₂. sin $I_2\widehat{I_1}H$ = I₁I₂.sin(i₁ - r₁)

Vậy khoảng cách giữa phương của tia ló và tia tới là khoảng 4,47cm

(199k) Xem Khóa học Vật Lí 12 KNTTXem Khóa học Vật Lí 12 CDXem Khóa học Vật Lí 12 CTST

Xem thêm các dạng bài tập Vật Lí sách mới hay, chi tiết khác:

• Điện tích điểm là gì? Công thức tính điện tích điểm

• Lực đàn hồi là gì? Công thức tính lực đàn hồi

• Lực kế là gì? Công thức tính lực kế

• Lực từ là gì? Công thức tính lực từ

• Nhiệt năng là gì? Công thức tính nhiệt năng

• Quán tính là gì? Công thức tính quán tính

---