Vật lý lớp 11: Những công thức quan trọng về định luật khúc xạ ánh sáng

1. Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là gì?

Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng khi chùm tia sáng thay đổi phương di chuyển khi đi qua mặt phân cách giữa hai môi trường có chỉ số khúc xạ khác nhau. Ánh sáng sẽ thay đổi hướng khi chuyển từ môi trường này sang môi trường khác, dẫn đến sự bẻ cong ánh sáng tại biên giới hai môi trường. Hiện tượng này rất quan trọng trong quang học và được áp dụng rộng rãi trong các thiết bị quang học và công nghệ liên quan đến ánh sáng.

Dưới đây là một số ví dụ về hiện tượng khúc xạ ánh sáng:

- Khúc xạ trong gương phẳng: Khi ánh sáng chiếu vào một gương phẳng, nó bị khúc xạ và phản chiếu lại. Gương phẳng là một ví dụ đơn giản về khúc xạ ánh sáng trong đời sống hàng ngày.

- Khúc xạ trong thấu kính: Khi ánh sáng đi qua một thấu kính, nó sẽ bị khúc xạ và thay đổi hướng để tạo ra hình ảnh rõ nét trên võng mạc mắt, giúp cải thiện khả năng nhìn.

- Khúc xạ ánh sáng mặt trời trong nước: Khi ánh sáng mặt trời xuyên qua mặt nước (như hồ hoặc biển), nó sẽ bị khúc xạ khi chuyển qua biên giới nước và không khí, tạo ra các hình ảnh phản chiếu như đám mây ảo, cầu vồng, hoặc hình ảnh mặt trời trên mặt nước.

- Khúc xạ ánh sáng qua prisma: Khi ánh sáng đi qua một prisma, nó bị khúc xạ và phân tách thành các màu sắc khác nhau, tạo ra một dải màu. Nguyên tắc này là cơ sở để tạo ra màu sắc trong hình ảnh và thiết bị quang học như kính lúp và quang phổ kế.

- Khúc xạ ánh sáng qua tinh thể: Tinh thể có khả năng khúc xạ ánh sáng theo các hướng khác nhau, tạo ra hiệu ứng sáng và bóng trong các tinh thể quý giá như kim cương.

Các ví dụ này cho thấy khúc xạ ánh sáng là một hiện tượng thiết yếu trong quang học và có nhiều ứng dụng quan trọng trong cuộc sống và nghiên cứu khoa học.

Hiện tượng khúc xạ ánh sáng chứng tỏ sự thay đổi và phân tách ánh sáng trong các thiết bị quang học như ống kính, gương và prisma. Trong ống kính, ánh sáng bị khúc xạ qua thấu kính để tạo hình ảnh rõ nét, và chất lượng hình ảnh phụ thuộc vào cách ánh sáng tương tác với thấu kính. Gương phản chiếu ánh sáng khi nó chiếu vào mặt gương, được sử dụng rộng rãi trong đời sống và thiết bị quang học. Prisma phân tách ánh sáng thành các màu sắc, nguyên tắc này là cơ sở của việc tạo phổ màu và quang phổ học. Trong mắt, các phần tử quang học như giác mạc và thủy tinh thể sử dụng khúc xạ để tạo ra hình ảnh sắc nét. Hiện tượng này cũng ứng dụng trong thiết kế quang học, như máy chiếu, ống nhòm và hệ thống giao tiếp quang học. Tóm lại, khúc xạ ánh sáng là nguyên tắc quan trọng trong nhiều ứng dụng quang học và nghiên cứu khoa học.

2. Công thức của định luật khúc xạ ánh sáng

- Định luật khúc xạ ánh sáng:

+ Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới (tạo bởi tia tới và pháp tuyến) và nằm ở phía bên kia pháp tuyến so với tia tới.

+ Đối với hai môi trường trong suốt cụ thể, tỷ lệ giữa sin góc tới (sini) và sin góc khúc xạ (sinr) luôn luôn giữ nguyên.

Trong hình vẽ có:

+ SI đại diện cho tia tới

+ I là điểm nơi tia tới tiếp xúc

+ IK là tia bị khúc xạ

+ PQ là mặt phân cách giữa hai môi trường

+ NN’ là đường pháp tuyến

+ Góc i là góc tới tính từ tia tới đến pháp tuyến

+ Góc r là góc khúc xạ giữa tia khúc xạ và pháp tuyến

- Công thức của định luật khúc xạ ánh sáng

- Độ lệch giữa tia khúc xạ và tia tới:

D = | i - r |

- Tỉ số chiết suất:

n₂₁ = n₂ / n₁ = Sin_i / Sin_r = v₁ / v₂ = 1 / n₁₂

- Chiết suất tuyệt đối của môi trường:

n = c / v ≥ 1

- Khi tia khúc xạ vuông góc với tia phản xạ:

tan_i = n = n₂₁ = n₂ / n₁ = n_kx / n_toi

3. Bài tập về hiện tượng khúc xạ ánh sáng

Câu 1: Phát biểu nào dưới đây là đúng?

A. Vùng không gian trước gương nơi đặt vật chính là vùng quan sát của gương, mắt có thể nhìn thấy ảnh của vật qua gương dù vật ở vị trí nào.

B. Kích thước của vùng quan sát là giống nhau, nếu gương cầu lồi và gương phẳng có kích thước và vị trí đặt mắt giống nhau.

C. Kích thước của gương và vị trí đặt mắt phụ thuộc vào kích thước của vùng quan sát.

D. Vị trí của mắt không bị ảnh hưởng bởi kích thước của mặt cầu

Câu 2: Khi tia sáng chuyển từ một môi trường trong suốt sang một môi trường trong suốt khác tại mặt phân cách

A. Có thể xảy ra cả phản xạ và khúc xạ

B. Chỉ có phản xạ xảy ra, không có khúc xạ

C. Chỉ có khúc xạ xảy ra, không có phản xạ

D. Bao gồm cả phản xạ và khúc xạ

Câu 3: Định lý khúc xạ ánh sáng suy luận ra

A. Trong cùng một mặt phẳng tới, tia khúc xạ và tia tới nằm trên cùng một mặt phẳng

B. So với pháp tuyến tại điểm tới, tia khúc xạ và tia tới đều nằm về một phía

C. Góc khúc xạ lớn hơn góc tới

D. Theo hàm số bậc nhất, góc tới và góc phản xạ có mối quan hệ với nhau.

Câu 4: Nhận xét nào sau đây là không đúng về hiện tượng phản xạ toàn phần

A. Hiện tượng xảy ra tại mặt phân cách giữa hai môi trường

B. Góc tới và góc phản xạ đều bằng nhau

C. Độ sáng của tia tới và tia phản xạ là như nhau

D. Phản xạ toàn phần chỉ xảy ra dưới các điều kiện cụ thể, còn phản xạ gương có thể xảy ra ở mọi góc tới.

Câu 5: Chiết suất tuyệt đối của một môi trường là gì?

A. Chiết suất tương đối so với môi trường không khí

B. Xác định mức độ khúc xạ của tia sáng trong môi trường đó

C. Cho biết ánh sáng truyền trong môi trường đó chậm hơn bao nhiêu lần so với trong chân không

D. Là chiết suất tương đối so với chân không

Câu 6: Khi tia sáng đơn sắc từ nước chiếu vào không khí theo góc nghiêng thì

A. Tại mặt phân cách luôn có cả tia khúc xạ và tia phản xạ

B. Cường độ của tia tới bằng cường độ của tia ló trong không khí

C. Có thể không xuất hiện tia ló trong không khí

D. Luôn có ánh sáng phản xạ ra ngoài

Câu 7: Cáp quang được chế tạo từ

A. Kim loại

B. Nhựa

C. Thủy tinh

D. Hợp kim

Bài tập luyện tập

Câu 1: Với chiết suất n = 1,5 và bề dày 6 cm của một mặt phẳng song song với không khí, điểm sáng S cách bản 20 cm. Ảnh S' của S sẽ cách bản mặt song song một khoảng bao nhiêu?

Câu 2: Khi góc tới là 120 độ thì góc khúc xạ là 80 độ khi tia sáng truyền từ môi trường A sang môi trường B. Tốc độ ánh sáng trong môi trường B là 1,8 x 10^8 m/s. Vậy tốc độ ánh sáng trong môi trường A là bao nhiêu?

Câu 3: Tia sáng truyền trong không khí đến mặt phân cách với chất lỏng có n = √3. Tia phản xạ và tia khúc xạ vuông góc với nhau. Tính góc tới?

Câu 4: Khi chiếu một tia sáng từ không khí có chiết suất 1 vào nước với góc tới 30 độ, hãy tính góc khúc xạ, biết rằng chiết suất của nước là 1,34.