Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là gì?
Khi khuấy một cốc nước bằng thìa, ta dễ dàng nhận thấy phần thìa chia cách giữa nước và không khí thường bị gãy. Điều này được gọi là hiện tượng khúc xạ ánh sáng, một hiện tượng thường gặp trong cuộc sống.
Khúc xạ là hiện tượng khi chùm tia sáng đi qua một mặt phân cách giữa hai môi trường truyền ánh sáng và bị đổi hướng đột ngột.
Hiện tượng khúc xạ ánh sáng xảy ra khi tia sáng truyền từ một môi trường trong suốt sang một môi trường trong suốt khác và bị gãy khúc tại mặt phân cách giữa hai môi trường.
Nguyên nhân gây ra khúc xạ ánh sáng
Khi ánh sáng đi qua các môi trường khác nhau, tốc độ của nó thay đổi, chứng tỏ môi trường là tác nhân ảnh hưởng quan trọng đến việc truyền ánh sáng.
Theo nghiên cứu khoa học, hiện tượng khúc xạ ánh sáng có hai nguyên nhân: thay đổi tốc độ và góc tới của tia. Khi ánh sáng bị khúc xạ nhiều hơn, nghĩa là nó đã bị ảnh hưởng bởi môi trường, làm tăng hoặc giảm tốc độ.
Lượng khúc xạ ánh sáng cũng sẽ tăng khi góc tới lớn hơn, nhưng khi góc tới là 90 độ so với bề mặt pháp tuyến, ánh sáng sẽ chậm lại và không thay đổi hướng.
Ví dụ, khi đặt một ống hút nghiêng vào trong một cốc nước, phần ánh sáng phản xạ từ ống hút sẽ bị khúc xạ tại mặt phân cách giữa không khí và chất lỏng, và ta sẽ nhìn thấy ống hút dường như nghiêng đi một phần.
Định luật khúc xạ ánh sáng
Các khái niệm góc tới, góc khúc xạ, tia tới và tia khúc xạ được sử dụng để phát biểu Định luật khúc xạ.
i và r lần lượt là góc giữa tia sáng và pháp tuyến của mặt phẳng phân cách hai môi trường. n1 và n2 lần lượt là chiết suất của môi trường 1 và môi trường 2.
Công thức này phát biểu định luật khúc xạ ánh sáng, cho biết sự khúc xạ của ánh sáng phụ thuộc vào góc tới và chiết suất của hai môi trường.
Tia ánh sáng sau khi bị khúc xạ luôn nằm trong một mặt phẳng và ở phía bên kia pháp tuyến so với tia ban đầu. Mặt phẳng tới là mặt phẳng được tạo thành bởi tia tới và pháp tuyến. Với hai môi trường trong suốt cụ thể, tỉ lệ giữa sin i và sin r là một hằng số không thay đổi. Tỉ lệ giữa sin góc tới (sin i) và sin góc khúc xạ (sin r) luôn không đổi.
sin i / sin r = n1 / n2 = const
Ứng dụng hiện tượng khúc xạ ánh sáng
Hiện tượng khúc xạ ánh sáng có thể giải thích một hiện tượng thú vị trong tự nhiên, đó là việc chúng ta quan sát bầu trời đêm đầy sao lấp lánh. Khi nhìn lên bầu trời đêm, các ngôi sao lấp lánh được nhìn thấy là do ánh sáng từ chúng bị khúc xạ và gãy khúc nhiều lần khi truyền từ không gian ngoài khí quyển vào khí quyển trái đất. Điều này làm cho ánh sáng của các ngôi sao không tập trung mà phân tán, tạo nên hiệu ứng lấp lánh và lung linh.
Trong hoạt động đánh bắt cá, khi người đánh cá dùng cây lao để ném cá xuống nước, họ không ném trực tiếp vào con cá mà nhắm vào một vị trí hơi xa hơn. Điều này làm cho hình ảnh của con cá trong nước bị khúc xạ và thay đổi hướng. Do đó, mắt thường không thể nhận biết chính xác vị trí thực sự của cá. Vị trí của cá trong nước và hình ảnh mà mắt nhìn thấy là khác nhau. Những người có kinh nghiệm sẽ không nhắm vào hình ảnh ảo của con cá mà mắt nhìn thấy, mà sẽ nhắm vào vị trí xa hơn để đảm bảo việc đánh bắt thành công.
Chiết suất môi trường và công thức khúc xạ ánh sáng
Chiết suất tỉ đối
Chiết suất tương đối giữa hai môi trường bất kỳ có thể được xác định bằng công thức sau:
n21 = n2 / n1
sin i / sin r = n21
hay n1 . sin i = n2 . sin r
và n1 / sin r = n2 / sin i
Trong đó:
– n21 là tỉ số chiết suất giữa môi trường 2 và môi trường 1
– n1 là chiết suất tuyệt đối trong môi trường 1
– n2 là chiết suất tuyệt đối trong môi trường 2
– sin i là sin góc tới
– sin r là sin góc khúc xạ
Chiết suất tuyệt đối
Chiết suất tuyệt đối của một môi trường là tỉ số giữa tốc độ truyền ánh sáng trong môi trường đó và trong chân không (có giá trị bằng 1), được xác định bằng công thức:
n = 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, có giá trị c = 3.10^8 m/s
– v là tốc độ truyền ánh sáng trong môi trường đang xét, đơn vị m/s
Vì tốc độ truyền ánh sáng trong môi trường luôn nhỏ hơn tốc độ truyền ánh sáng trong chân không, nên giá trị v luôn nhỏ hơn c. Do đó, chiết suất tuyệt đối của mọi chất đều lớn hơn 1. n>1
Tính thuận nghịch của sự truyền ánh sáng
Một tia sáng từ không khí truyền vào môi trường vào nước và bị khúc xạ tại vị trí mặt phân cách. Trường hợp nếu đảo ngược hướng ánh sáng để ánh sáng đi từ nước ra không khí, tia tới sẽ trở thành RI và xuất hiện các tia khúc xạ sẽ là IS. Do đó, ánh sáng luôn truyền ngược lại theo một hướng di chuyển.
Đây là tính chất đối nghịch của quá trình truyền ánh sáng. Tính chất này cũng thể hiện sự truyền thẳng và sự phản xạ. Từ tính chất này, ta có thể suy ra công thức tỷ lệ nghịch giữa hai chiết suất tỉ đối: n12 = 1 / n21
Hiện tượng khúc xạ ánh sáng được tìm thấy và hiển thị ở nhiều môi trường. Ngoài ra con người cũng đã vận dụng thành công hiện tượng này vào thực tiễn. Vì thế nếu bạn đang tìm hiểu hiện tượng khúc xạ ánh sáng thì hãy theo dõi Tuấn Hưng Phát để có thêm nhiều kiến thức bổ ích nhé.
