Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là gì? Định luật, công thức

Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là kiến thức quan trọng của môn vật lý lớp 11, nhưng đây là phần kiến thức khá trừu tượng và khó hiểu. Hãy cùng chúng tôi khám phá đầy đủ về hiện tượng khúc xạ ánh sáng qua bài viết dưới đây.

Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là gì?

Thế nào là hiện tượng khúc xạ ánh sáng là điều các em học sinh rất quan tâm. Theo đó, khúc xạ ánh sáng là hiện tượng các tia sáng bị lệch phương khi truyền xiên góc qua một mặt phân cách của hai môi trường trong suốt khác nhau. Đây cũng có thể là do sự thay đổi vận tốc, tốc độ dẫn đến ánh sáng bị bẻ xong khi truyền từ các môi trường khác nhau.

Bạn có thể hiểu rõ hơn về định luật khúc xạ ánh sáng qua ví dụ sau: Ta đổ đầy nước vào một ly thủy tinh rồi đặt một chiếc ống hút nằm nghiêng trong cốc nước. Khi quan sát, ta sẽ thấy được phần ánh sáng phản xạ từ thân bút không truyền thẳng mà bị gãy khúc ở mặt phân cách giữa 2 môi trường, đó là nước và không khí.

Nguyên nhân gây ra khúc xạ ánh sáng

Khi ánh sáng chiếu vào môi trường khác nhau sẽ có vận tốc khác nhau, chứng tỏ môi trường chính là một tác nhân quan trọng ảnh hưởng đến ánh sáng. Hiện tượng khúc xạ ánh sáng xảy ra do hai nguyên nhân sau:

Tốc độ bị thay đổi: Khi ánh sáng bị khúc xạ nhiều hơn có nghĩa là nó đã bị biến chất làm cho tăng tốc nhiều hơn hoặc chậm hơn. 

Góc của tia tới: Lượng khúc xạ ánh sáng sẽ nhiều hơn khi đi vào góc lớn hơn. Khi ánh sáng đi vào môi trường có góc = 90° so với bề mặt pháp tuyến thì ánh sáng sẽ bị chậm lại và không đổi hướng.

Phát biểu định luật khúc xạ ánh sáng

Tia khúc xạ luôn nằm trong mặt phẳng tới và nằm ở phía bên kia pháp tuyến so với tia tới. Mặt phẳng tới chính là mặt phẳng tạo thành bởi pháp tuyến và tia tới. 

Với 2 môi trường trong suốt nhất định thì tỉ số giữa sin i và sin r chính là một hằng số. Tỉ lệ giữa sin của góc tới (sin i) và sin góc khúc xạ (sin r) luôn luôn không đổi.

sini / sinr = hằng số

Dưới đây là hình ảnh minh họa của định luật khúc xạ ánh sáng.

Trong đó:

• SI là tia tới.
• I là điểm tới.
• N’IN chính là pháp tuyến với mặt phân cách tại I.
• IR là tia khúc xạ.
• i là góc tới.
• r là góc khúc xạ.

Xem thêm: Công suất điện là gì? Đơn vị, công thức tính công suất điện

Chiết suất của môi trường

Chiết suất tỉ đối

Trong hiện tượng khúc xạ ánh sáng, tỉ số không đổi sini/sinr được kí hiệu là n21 và được gọi là chiết suất tỉ đối của môi trường 2 (là môi trường chứa tia khúc xạ) và môi trường 1 (là môi trường chứa tia tới).

Theo đó:

Nếu n21 < 1 thì r > i thì tia khúc xạ bị lệch xa trục pháp tuyến hơn, môi trường 2 chiết quang kém hơn môi trường 1.

Nếu n21 > 1 thì r < i thì tia khúc xạ bị lệch gần pháp tuyến hơn, môi trường 2 chiết quang tốt hơn môi trường 1.

Dưới đây là bảng chiết suất tỉ đối của một số loại môi trường

Chiết suất tuyệt đối

Chiết suất tuyệt đối của một môi trường chính là chiết suất tỉ đối của môi trường đó với môi trường chân không. Chiết suất của môi trường chân không sẽ bằng 1. Còn mọi môi trường trong suốt khác sẽ có chiết suất lớn hơn 1.

Ta thiết lập được hệ thức:

n 21 = n2 / n1

Trong đó:

n2: Chính là chiết suất tuyệt đối của môi trường 2.

n1: Chính là chiết suất tuyệt đối của môi trường 1.

Mối liên hệ giữa chiết suất tuyệt đối của vận tốc với 1 môi trường: 

n = c / v

Trong đó:

c: Chính là vận tốc ánh sáng trong chân không (c = 3.108 m/s).

v: Chính là vận tốc ánh sáng trong môi trường đang xét.

Lưu ý:

Chiết suất của chân không chính là 1.

Chiết suất của không khí = 1,000293, thường được làm tròn = 1.

Các môi trường trong suốt khác sẽ có chiết suất tuyệt đối lớn hơn 1.

Bạn cần ghi nhớ một vài hệ thức khác của định luật khúc xạ ánh sáng: 

Công thức khúc xạ ánh sáng đó là: n1sini = n2sinr.

Nếu như i và r nhỏ hơn 10° thì sini ≈ i; sinr ≈ r → n1i = n2r .

Nếu i = 0, r = 0 thì hiện tượng khúc xạ ánh sáng sẽ không xảy ra.

Tính thuận nghịch của sự truyền ánh sáng

Sự truyền ánh sáng có tính thuận nghịch, có nghĩa là ánh sáng truyền đi theo đường nào thì cũng sẽ truyền ngược lại theo đường đó.

Từ tính chất này ta có hệ thức:

n12 = 1 / n21

Ứng dụng hiện tượng khúc xạ ánh sáng

Khúc xạ giúp các loại kính hiển vi, kính thiên văn có thể quan sát được các tế bào, vi khuẩn hoặc những vật vô cùng nhỏ… thậm chí bạn còn nhờ đó bà quan sát được cả các hành tinh khác trong vũ trụ. 

Kính lúp: giúp mắt thường có thể quan sát các vật nhỏ mà bình thường chúng ta không thể nhìn thấy.

Thấu kính hội tụ: Mỗi tia sáng sẽ đi ra rồi rời đi tạo thành các tia sáng song song và lan ra.

Lăng kính.

Bài tập về khúc xạ ánh sáng

Bài tập trắc nghiệm

Bài 1: Hiện tượng khúc xạ là hiện tượng …

1. ánh sáng bị giảm cường độ khi truyền qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt.
2. ánh sáng bị gãy khúc khi truyền xiên góc qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt.
3. ánh sáng bị thay đổi màu sắc khi truyền qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt.
4. ánh sáng bị hắt lại môi trường cũ khi truyền tới mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt.

Đáp án: b

Bài 2: Trong hiện tượng khúc xạ ánh sáng, góc khúc xạ … góc tới.

1. nhỏ hơn
2. lớn hơn
3. nhỏ hơn hoặc lớn hơn
4. lớn hơn hoặc bằng

Đáp án: c

Bài 3: Với một tia sáng đơn sắc, chiết suất tuyệt đối của nước là n1, của thuỷ tinh là n2. Chiết suất tỉ đối của nước đối với thuỷ tinh là …

1. n12 = n2/n1.
2. n21 = n2 – n1.
3. n12 = n1/n2.
4. n12 = n1 – n2.

Đáp án: c

Bài 4: Chọn ý sai

1. Chiết suất tuyệt đối của một môi trường luôn luôn nhỏ hơn 1.
2. Chiết suất tuyệt đối của chân không bằng 1.
3. Chiết suất tuyệt đối của một môi trường không nhỏ hơn 1.
4. Chiết suất là đại lượng không có đơn vị.

Đáp án: a

Bài 5: Một cái cọc cắm thẳng đứng trên sông, nửa bên trong nửa bên ngoài nước. Một cái cọc khác cùng chiều dài được cắm thẳng đứng trên bờ. Bóng của cọc cắm thẳng đứng dưới sông sẽ …

1. ngắn hơn bóng của cọc cắm trên bờ nếu Mặt Trời lên cao và dài hơn bóng của cọc cắm trên bờ nếu Mặt Trời xuống thấp.
2. dài hơn bóng của cọc cắm trên bờ.
3. bằng với bóng của cọc cắm trên bờ.
4. ngắn hơn bóng của cọc cắm trên bờ.

Đáp án: d

Bài tập tự luận

Bài 1: Tia sáng đi từ nước có chiết suất 4/3 sang thủy tinh có chiết suất 1,5. Tính góc khúc xạ và góc lệch D tạo bởi tia khúc xạ và tia tới, biết góc tới i = 30o.

Lời giải:

Theo đề bài ta có: n1=4/3, n2=1,5, i=30o

Áp dụng công thức: n1.sini = n2.sinr

<=> 4/3.sin30 = 1,5.sinr

<=>r ≈ 26,4o

=> D = i – r = 30o – 26,4o = 3,6o

Bài 2: Tia sáng truyền từ nước và khúc xạ ra không khí. Tia khúc xạ và tia phản xạ ở mặt nước vuông góc với nhau. Nước có chiết suất là 4/3. Góc tới của tia sáng là bao nhiêu (tính tròn số)?

Lời giải:

Theo đề bài ta có: n1=4/3, n2=1, i’ + r = i + r = 90o

Áp dụng công thức: n1.sini = n2.sinr

<=> 4/3.sini = sinr

<=> 4/3.sini = cosi (do tia phản xạ và tia khúc xạ vuông góc ở mặt nước)

<=> tani = 3/4

<=> i ≈ 37o

Bài 3: Một cái thước được cắm thẳng đứng vào bình đựng nước có đáy phẳng ngang. Phần thước nhô khỏi mặt nước dài 4 cm. Chếch ở phía trên có một ngọn đèn. Bóng của thước trên mặt nước dài 4cm và ở đáy dài 8 cm. Tính chiều sâu của nước trong bình. Chiết suất của nước là 4/3.

Lời giải:

Theo đề bài, ta có:

Phần thước nhô khỏi mặt nước: SA = 4cm

Bóng của thước trên mặt nước: AI = 4cm

Bóng của thước ở đáy: BC = 8cm.

Chiều sâu của nước trong bình: IH

Ta có: BC = BH + HC

<=> HC = BC – BH = BC – AI = 8 – 4 = 4cm.

Ta có: ∆IAS vuông tại A và có SA = AI

=> ∆IAS vuông cân tại A

=> góc AIS = i = 45o

Áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng, ta có:

sini = nsinr

<=> sin45o = 4/3sinr

<=> sinr = 3/4.sin45

<=> r = 30o

Xét ΔIHC vuông tại H, ta có:

tanr = HC/IH

<=> IH = HC/tan r ≈ 6,4cm

Trên đây là các kiến thức về hiện tượng khúc xạ ánh sáng là gì mà caunang.com.vn chia sẻ với bạn. Hy vọng bài viết này sẽ giúp nắm rõ phần kiến thức về khúc xạ ánh sáng và thành tạo các bài tập.