Vật lý 11. Chương VI. Bài 26: Khúc xạ ánh sáng

I. Tóm tắt lý thuyết:

A. SỰ KHÚC XẠ ÁNH SÁNG

1. Hiện tượng khúc xạ ánh sáng

Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng lệch phương (gãy) của các tia sáng khi truyền xiên góc qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt khác nhau.

2. Định luật khúc xạ ánh sáng

Từ hình vẽ trên ta có:

SI: tia tới; I: điểm tới

N'IN: pháp tuyến với mặt phân cách tại I

IR: tia khúc xạ

i: góc tới; r: góc khúc xạ.

Khi thay đổi góc tới i, thực nghiệm cho kết quả sau đây được gọi là định luật khúc xạ ánh sáng:

• Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới (tạo bởi tia tới và tia pháp tuyến) và ở phía bên kia pháp tuyến so với tia tới.
• Với hai môi trường trong suốt nhất định, tỉ số giữa sin góc tới (\[{\sin i}\]) và sin góc khúc xạ (\[{\sin r}\]) luôn không đổi \[\frac{{\sin i}}{{\sin r}}\] = hằng số.

B. CHIẾT SUẤT CỦA MÔI TRƯỜNG

1. Chiết suất tỉ đối

Tỉ số không đổi \[\frac{{\sin i}}{{\sin r}}\] trong hiện tượng khúc xạ được gọi là chiết suất tỉ đối n₂₁ của môi trường (2), (chứa tia khúc xạ) đối với môi trường (1) (chứa tia tới)

\[\frac{{\sin i}}{{\sin r}} = {n_{21}}\]

• Nếu n₂₁ > 1 thì r < i: Tia khúc xạ bị lệch lại gần pháp tuyến hơn. Ta nói môi trường (2) chiết quang hơn môi trường (1).
• Nếu n₂₁ < 1 thì r > i: Tia khúc xạ bị lệch xa pháp tuyến hơn. Môi trường (2) chiết quang kém hơn môi trường (1).

2. Chiết suất tuyệt đối

Chiết suất tuyệt đối (thường gọi tắt là chiết suất) của môi trường là chiết suất tỉ đối của môi trường đó đối với chân không.

Như vậy chiết suất của chân không là 1.

Chiết suất của không khí là 1,000293 nên thường được làm tròn là 1, nếu không cần độ chính xác cao.

Mọi môi trường trong suốt đều có chiết suất tuyệt đối lớn hơn 1.

Có thể thiết lập được hệ thức: \[{n_{21}} = \frac{{{n_2}}}{{{n_1}}}\].

Trong đó

• n₂ là chiết suất tuyệt đối của môi trường (2).
• n₁ là chiết suất tuyệt đối của môi trường (1).

Chiết suất tuyệt đối của một môi trường liên hệ với vận tốc: \[n = \frac{C}{v}\], trong đó C là vận tốc ánh sáng trong chân không, v là vận tốc ánh sáng trong môi trường.

Chiết suất của không khí được tính gần đúng bằng 1, còn mọi môi trường trong suốt khác đều có chiết suất lớn hơn 1.

Dạng đối xứng của định luật khúc xạ là \[{n_1}\sin i = {n_2}\sin r\].

C. TÍNH THUẬN NGHỊCH CỦA SỰ TRUYỀN ÁNH SÁNG.

Nếu đảo chiều, cho ánh sáng truyền từ nước ra không khí theo tia RI thì nó khúc xạ vào không khí theo tia IS. Như vậy ánh sáng truyền đi theo đường nào thì cũng truyền ngược lại theo đường đó. Đây chính là tính thuận nghịch của sự truyền ánh sáng.

Từ tính thuận nghịch, ta suy ra: \[{n_{12}} = \frac{1}{{{n_{21}}}}\].

Tính thuận nghịch này cũng biểu hiện ở sự truyền thẳng và sự phản xạ.

II. Bài tập minh hoạ:

Bài 1: Một bể chứa có thành cao 80cm và đáy phẳng dài 120cm. Biết độ cao mực nước trong bể là 60cm, chiết suất của nước là \[\frac{4}{3}\]. Ánh nắng chiếu theo phương nghiêng góc 30° so với phương ngang thì độ dài bóng của thành bể tạo được ở đáy bể là bao nhiêu?

Giải

Theo đề bài HI = 60cm. AM = 80 – 60 = 20cm

Ta có: \[\sin i = n\sin r\] với i = 90 – 30 = 60° (hình vẽ)

\[ \Rightarrow \sin r = \frac{{\sin i}}{n} = \frac{{\sin 60^\circ }}{{\frac{4}{3}}} = \frac{{3\sqrt 3 }}{8} \Rightarrow r = 40,5^\circ \]

\[\tan \widehat {IAM} = \frac{{IM}}{{AM}} \Rightarrow IM = CH = AM.\tan \widehat {IAM} = 20.\tan 60^\circ = 20\sqrt 3 cm\]

\[\tan \widehat {RIH} = \frac{{HR}}{{IH}} \Rightarrow HR = IH.\tan \widehat {RIH} = 60.\tan 40,5^\circ = 51,25cm\]

Bóng của thành bể tạo thành dưới đáy bể là: CR = CH + HR = 85,9cm

Bài 2: Một điểm sáng O nằm trong chất lỏng có chiết suất n, cách mặt chất lỏng một đoạn 12cm, phát ra chùm ánh sáng hẹp đến gặp mặt phân cách với không khí tại điểm B với góc tới rất nhỏ, tia ló truyền theo phương BE. Đặt mắt trên phương BE nhìn thấy ảnh ảo O’ của O dường như cách mặt chất lỏng một khoảng 10cm. chiết suất của chất lỏng đó là bao nhiêu?

Bài 3: Một người nhìn một hòn sỏi nhỏ O nằm ở đáy một bể nước sâu 1,2m theo phương gần vuông góc với mặt nước. Biết chiết suất của nước là 4/3. Người này thấy ảnh O’ của O nằm cách mặt nước một khoảng bằng bao nhiêu?

Bài 4: Một người nhìn một hòn sỏi nhỏ O nằm cách đáy một bể nước sau theo phương gần vuông góc với mặt nước. Người này thấy ảnh O’ của O nằm cách mặt nước một khoảng bằng 1,2m. Biết chiết suất của nước là 4/3. Độ sâu của nước trong bể là bao nhiêu?

Bài 5: Một bản mặt song song có bề dày 10cm, chiết suất n = 1,5 được đặt trong không khí. Chiếu tới bản một tia sáng với góc tời bằng 45°. Khoảng cách giữa phương của tia tới và tia ló là bao nhiêu?

Bài 6: Một bản mặt song song có bề dày 6cm, chiết suất n = 1,5 được đặt trong không khí. Ảnh S’ của S qua bản mặt song song cách S một đoạn là bao nhiêu?

Bài 7: Chiếu ánh sáng từ không khí vào nước có chiết suất n = 4/3 . Nếu góc khúc xạ r là 30° thì góc tới i là bao nhiêu?

Bài 8: Một tia sáng truyền từ môi trường A vào môi trường B dưới góc tới 9° thì góc khúc xạ là 8°. Khi góc tới là 60° thì góc khúc xạ là bao nhiêu?

Bài 9: Tốc độ ánh sáng trong chân không là 3.10⁸ m/s. Kim cương có chiết suất 2,42. Tốc độ truyền ánh sáng trong kim cương là bao nhiêu?

Bài 10: Một tia sáng truyền từ môi trường A vào môi trường B dưới góc tới 9° thì góc khúc xạ là 8°. Tốc độ ánh sáng trong môi trường B là 2.10⁵ km/s. Tốc độ ánh sáng trong môi trường A là bao nhiêu?