Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là gì? Định luật và bài tập ví dụ

24 Tháng Tư, 2023 0 Huongttms

Chúng ta bắt gặp hiện tượng khúc xạ ánh sáng khá phổ biến trong cuộc sống hàng ngày. Ví dụ về hiện tượng khúc xạ ánh sáng điển hình nhất là hiện tượng cầu vồng. Vậy hiện tượng khúc xạ ánh sáng là gì? Bài viết sau đây sẽ giải thích cụ thể nhất về hiện tượng này, cùng với các bài tập minh họa cực dễ hiểu.

Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là gì?

Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là hiện tượng tia sáng được truyền từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác. Trong quá trình tia sáng truyền đi, chúng bị gãy khúc ngày mặt phân cách ở giữa hai môi trường, tạo nên hiện tượng khúc xạ.

Hình ảnh chiếc ống hút bị gãy khúc khi cắm vào cốc nước

Hình ảnh chiếc ống hút bị gãy khúc khi cắm vào cốc nước

Định luật khúc xạ ánh sáng

Định luật khúc xạ ánh sáng được phát biểu như sau:

  • Tia khúc xạ luôn nằm trong mặt phẳng tới và nằm mặt bên kia pháp tuyến so với tia tới. Mặt phẳng tới là mặt phẳng được tạo thành bởi tia tới và pháp tuyến.
  • Với hai môi trường trong suốt nhất định, tỉ số giữa sin góc tới (sin i) và sin góc khúc xạ (sin r) luôn là hằng số không đổi.

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

Hình ảnh minh họa định luật khúc xạ ánh sáng

Hình ảnh minh họa định luật khúc xạ ánh sáng

Trong đó:

  • SI là tia tới.
  • I là điểm tới.
  • N’IN là pháp tuyến của mặt phân cách tại I.
  • IR là tia khúc xạ.
  • i là góc tới (góc giữa tia sáng đi từ môi trường 1 đến mặt phẳng phân cách và pháp tuyến của mặt phẳng phân cách giữa hai môi trường).
  • r là góc khúc xạ (góc giữa tia sáng đi từ mặt phân cách đến môi trường 2 và pháp tuyến của mặt phẳng phân cách giữa 2 môi trường).
  • n1 là chiết suất của MT 1.
  • n2 là chiết suất của MT 2.

Chú ý: 

  • Nếu góc nhỏ chưa đến 10º thì n1.i=n2.r.
  • Nếu i = 0, r = 0 thì hiện tượng khúc xạ ánh sáng sẽ không xảy ra

Góc tới, góc phản xạ của hiện tượng khúc xạ ánh sáng là gì?

Trong hiện tượng khúc xạ ánh sáng, góc tới là góc được hợp bởi tia tới và pháp tuyến của mặt phẳng. Ngược với góc tới là góc phản xạ. Góc phản xạ là góc được hợp bởi tia phản xạ với pháp tuyến của mặt phẳng. 

Sự khúc xạ của tia sáng

Nhìn vào hiện tượng khúc xạ ánh sáng, có thể thấy rằng sẽ có 2 trường hợp xuất hiện. Nếu xét ở trên 2 môi trường là không khí và nước, tia sáng sẽ có những điểm xuất phát khác nhau. Do đó, ta xét khi tia sáng truyền từ môi trường không khí sang nước. Và một trường hợp khác là khi tia sáng truyền từ môi trường nước sang không khí.

+ Khi tia sáng được truyền từ không khí sang môi trường nước:

– Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới

– Góc khúc xạ nhỏ hơn góc tới

+ Khi tia sáng truyền được từ môi trường nước sang không khí

– Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới

– Góc khúc xạ lớn hơn góc tới

Nguyên nhân gây ra hiện tượng khúc xạ ánh sáng

Ánh sáng có tốc độ khoảng 299.792.678 m/s ở môi trường chân không. Nhưng khi ánh sáng chiếu vào các môi trường khác nhau thì tốc độ sẽ thay đổi nhanh chậm phụ thuộc vào từng môi trường nhất định. Vậy nguyên nhân chính là do sự thay đổi tốc độ và môi trường.

Có 2 yếu tố chính ảnh hưởng đến hiện tượng khúc xạ bao gồm:

-Thay đổi tốc độ: Nếu 1 chất làm cho ánh sáng tăng tốc hoặc giảm tốc độ, nó sẽ khúc xạ (uốn cong) nhiều hơn.

-Góc của tia tới: Nếu ánh sáng đi vào môi trường ở góc lớn hơn, lượng khúc xạ sẽ nhiều hơn. Mặt khác, nếu ánh sáng đi vào môi trường có góc vuông 90° so với bề mặt, ánh sáng vẫn sẽ chậm lại, nhưng nó sẽ không bị đổi hướng.

Chiết suất môi trường và công thức khúc xạ ánh sáng

Chiết suất tỉ đối

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

Theo đó:

  • Nếu n21 < 1 thì r > i: Tia khúc xạ sẽ bị lệch xa trục pháp tuyến hơn, ta nói môi trường 2 có chiết quang kém hơn môi trường 1.
  • Nếu n21 > 1 thì r < i: Tia khúc xạ sẽ bị lệch gần pháp tuyến hơn, ta nói môi trường 2 có chiết quang tốt hơn môi trường 1.

Dưới đây là bảng chiết suất tỉ đối của một số môi trường thường sử dụng khi vận dụng vào giải bài tập mà các bạn học sinh nên ghi nhớ

Chất rắn (20độC) Chiết suất Chất rắn (20độC) Chiết suất
Kim cương

Thủy tinh crao

Thủy tinh flin

Nước đá

2,419

1,464 ÷ 1,532

1,603 ÷ 1,865

1,309

Muối ăn (NaCl)

Hổ phách

Polistiren

Saphia

1,544

1,546

1,590

1,768

Chất lỏng (20độC) Chiết suất Chất lỏng (20độC) Chiết suất
Nước

Benzen

1,333

1,501

Rượu etylic

Glixerol

1,361

1,473

Chất khí (0 độ C, 1atm) Chiết suất Chất khí (0 độ C, 1atm) Chiết suất
Không khí 1,000293 Khí cacbonic 1,00045

Chiết suất tuyệt đối

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

Ta có hệ thức:

Trong đó:

  • n2 là chiết suất tuyệt đối của MT 2.
  • n1 là chiết suất tuyệt đối của MT 1.

Ứng dụng của hiện tượng khúc xạ ánh sáng

Hiện tượng khúc xạ ánh sáng giúp giới nghiên cứu khoa học thiên văn biết cách chỉnh sửa các loại ống kính thiên văn để quan sát các hành tinh, các ngôi sao ngoài vũ trụ mà không bị hiện tượng khúc xạ ánh sáng cản trở. Trước đây, việc quan sát thường bị sai lệch do  hiện tượng khúc xạ ánh sáng truyền từ không gian qua khí quyển Trái Đất.

Bài tập về hiện tượng khúc xạ ánh sáng

Câu 1:  Khi cắm 1 ống hút trong cốc nước, ống hút đó không còn thẳng mà nghiêng góc khác? Khi rút ống ra khỏi cốc, không còn thấy hiện tượng trên. Hãy giải thích?

Trả lời:

Khi cắm ống hút xuống nước thì ánh sáng bị khúc xạ vì truyền qua nước, tạo ảo giác vật trong nước bị gãy khúc, méo mó. Sóng ánh sáng truyền đến mặt (trước và sau) ống hút  bị lệch nhiều hơn so với sóng đến từ chính giữa ống, khiến cho hình ảnh trong nước và hình ảnh thực tế có sự khác nhau.

Câu 2: Giữa bầu trời đêm có các vì sao đang tỏa sáng? Giải thích hiện tượng trên?

Trả lời:

Buổi tối trời quang mây, nhìn lên bầu trời thấy nhiều vì sao đang tỏa sáng, do ánh sáng từ các ngôi sao này truyền đi bị khúc xạ (gãy khúc) vì truyền từ không gian đến bầu khí quyển sau đó mới đến mắt người xem nên ta nhìn thấy các ngôi sao đang tỏa sáng.

Câu 3: Giải thích hiện tượng cầu vồng 

Trả lời:

Cầu vồng là hình ảnh phản chiếu của ánh sáng Mặt Trời xuyên những giọt nước trong không khí, chính là hiện tượng khúc xạ ánh sáng.

Hiện tượng cầu vồng sinh ra do khúc xạ ánh sáng

Hiện tượng cầu vồng sinh ra do khúc xạ ánh sáng

Ánh sáng Mặt Trời là một hỗn hợp nhiều màu sắc hòa trộn vào nhau mà mắt chúng ta không thể phân biệt được. Chỉ khi được chiếu qua lăng kính chính là các giọt nước sau mưa, các tia ánh sáng bị bẻ cong hay còn gọi là khúc xạ để tạo thành một dải màu sắc gọi là quang phổ. Bởi các tia màu đỏ bị bẻ cong ít nhất, rồi đến các tia màu cam, vàng, xanh lá, xanh lam và cuối cùng là tia màu tím sẽ bị bẻ cong nhiều nhất, tạo ra dải cầu vồng

Câu 4. Tia sáng truyền từ nước có chiết suất 4/3 sang môi trường thủy tinh có chiết suất 1,5. Tính góc khúc xạ và góc lệch D tạo ra bởi tia khúc xạ và tia tới, biết góc tới i = 30độ.

Lời giải:

Ta có: n1=4/3, n2=1,5, i=30độ

Áp dụng công thức: n1.sini = n2.sinr

<=> 4/3.sin 30 = 1,5.sinr

<=>r ≈ 26,4 độ

=> D = i – r = 30 độ – 26,4 độ = 3,6 độ

Câu 5: Tia sáng truyền từ môi trường nước và khúc xạ ra không khí. Tia khúc xạ và tia phản xạ ở mặt nước sẽ vuông góc với nhau. Nước có chiết suất là 4/3. Tính Góc tới của tia sáng (làm tròn)?

Lời giải:

Ta có: n1=4/3, n2=1, i’ + r = i + r = 90 độ

Áp dụng công thức: n1.sini = n2.sinr

<=> 4/3.sini = sinr

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

<=> tani = 3/4

<=> i ≈ 37độ

Câu 6: Một thước kẻ được cắm thẳng đứng vào bình đựng nước có đáy phẳng ngang. Phần thước nhô ra khỏi mặt nước dài 4 cm. Chếch phía trên có 1 ngọn đèn. Bóng của thước trên mặt nước dài 4cm và ở dưới đáy dài 8 cm. Tính chiều sâu của mực nước trong bình biết chiết suất của nước là 4/3.

Hình minh họa:

Lời giải

Ta có:

Phần thước kẻ nhô khỏi mặt nước: SA = 4cm

Bóng của thước kẻ trên mặt nước: AI = 4cm

Bóng của thước kẻ ở đáy: BC = 8cm.

Chiều sâu của mực nước trong bình: IH

Ta có: BC = BH + HC

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

Ta có: ∆IAS vuông tại A và SA = AI

=> ∆IAS vuông cân tại A

=> góc AIS = i = 45độ

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

sini = nsinr

<=> sin45độ = 4/3sinr

<=> sinr = 3/4.sin 45

<=> r = 30 độ

Xét ΔIHC vuông tại H, ta có:

tanr = HC/IH

<=> IH = HC/tan r ≈ 6,4cm

Trên đây là toàn bộ những tổng kết quan trọng nhất về nội dung định luật khúc xạ ánh sáng. Các bạn học sinh cần hiểu và ghi nhớ nội dung kiến thức này để áp dụng vào giải các bài tập liên quan cũng như lý giải các hiện tượng khúc xạ ánh sáng bắt gặp trong đời sống hàng ngày. 

Bài viết liên quan