Trong quang học, hiện tượng khúc xạ ánh sáng là một trong những hiện tượng cơ bản mà chúng ta thường gặp. Dù bạn đang sử dụng kính mắt, kính hiển vi hay thấu kính máy ảnh, tất cả những ứng dụng đó đều dựa vào định luật khúc xạ ánh sáng. Định lý này giúp chúng ta hiểu rõ cách ánh sáng thay đổi hướng khi đi từ một môi trường này sang môi trường khác có chỉ số khúc xạ khác nhau.
Vậy định luật khúc xạ ánh sáng là gì? Phát biểu và công thức của nó như thế nào? Hãy cùng tìm hiểu chi tiết trong bài viết dưới đây.
Định Luật Khúc Xạ Ánh Sáng Là Gì
Định luật khúc xạ ánh sáng là quy tắc mô tả sự thay đổi hướng của tia sáng khi nó đi từ môi trường này sang môi trường khác có chỉ số khúc xạ khác nhau. Khi ánh sáng đi từ môi trường này vào môi trường khác, tia sáng sẽ bẻ cong (hay khúc xạ) theo một góc nhất định.
Ánh sáng sẽ bị bẻ cong về phía pháp tuyến (đường vuông góc với mặt phẳng tại điểm chiếu) nếu đi vào môi trường có chỉ số khúc xạ cao hơn. Ngược lại, nếu ánh sáng đi từ môi trường có chỉ số khúc xạ cao vào môi trường có chỉ số khúc xạ thấp hơn, tia sáng sẽ bị bẻ cong ra xa khỏi pháp tuyến.
Phát Biểu Định Luật Khúc Xạ Ánh Sáng
Định lý khúc xạ ánh sáng được phát biểu như sau
Khi ánh sáng đi từ một môi trường trong suốt này vào môi trường trong suốt khác, góc khúc xạ tỉ lệ với góc tới, tỉ lệ này phụ thuộc vào chỉ số khúc xạ của các môi trường đó.
Cụ thể, tia tới, tia khúc xạ, pháp tuyến (đường vuông góc với bề mặt) đều nằm trong cùng một mặt phẳng. Chỉ số khúc xạ của mỗi môi trường quyết định độ bẻ cong của tia sáng khi nó đi qua môi trường đó.
Công Thức Định Luật Khúc Xạ Ánh Sáng
Công thức của định lý khúc xạ ánh sáng được mô tả qua định lý Snellius (còn gọi là định lý Snell) như sau
sin(i) / sin(r) = n2 / n1
Trong đó
-
i là góc tới (góc giữa tia sáng và pháp tuyến tại điểm chiếu)
-
r là góc khúc xạ (góc giữa tia sáng khúc xạ và pháp tuyến)
-
n1 là chỉ số khúc xạ của môi trường đầu tiên (môi trường mà tia sáng đi vào)
-
n2 là chỉ số khúc xạ của môi trường thứ hai (môi trường mà tia sáng đi ra)
Chú ý: Tia sáng luôn đi từ môi trường có chỉ số khúc xạ thấp (n1) vào môi trường có chỉ số khúc xạ cao (n2) hoặc ngược lại.
Định Luật Khúc Xạ Ánh Sáng Lớp 9
Trong chương trình vật lý lớp 9, định luật khúc xạ ánh sáng là một phần quan trọng trong chương quang học. Học sinh sẽ làm quen với các khái niệm sau
-
Môi trường trong suốt: Môi trường cho phép ánh sáng đi qua mà không bị cản trở (ví dụ như không khí, nước, thủy tinh, …)
-
Chỉ số khúc xạ: Là một đại lượng đặc trưng cho khả năng bẻ cong của ánh sáng khi đi qua môi trường đó.
-
Tia tới và tia khúc xạ: Tia sáng chiếu vào bề mặt và tia sáng thay đổi hướng sau khi đi qua bề mặt đó.
Học sinh cũng sẽ thực hành các bài tập về việc xác định góc khúc xạ, tính toán chỉ số khúc xạ của các môi trường và áp dụng định lý khúc xạ trong các hiện tượng quang học thường gặp.
Thí Nghiệm Định Luật Khúc Xạ Ánh Sáng
Để minh chứng cho định lý khúc xạ ánh sáng, chúng ta có thể thực hiện một thí nghiệm đơn giản sau
Dụng Cụ
-
Một chậu nước
-
Một miếng thủy tinh trong suốt
-
Một tia sáng (đèn pin hoặc ánh sáng mặt trời)
-
Một thước đo góc (protractor)
Các Bước Thực Hiện Thí Nghiệm
-
Đặt miếng thủy tinh lên mặt nước sao cho tia sáng có thể chiếu vào miếng thủy tinh.
-
Dùng đèn pin chiếu một tia sáng từ môi trường không khí vào miếng thủy tinh.
-
Đo góc tới (i) của tia sáng khi chiếu vào miếng thủy tinh.
-
Quan sát góc khúc xạ (r) của tia sáng khi đi qua miếng thủy tinh.
-
Áp dụng công thức sin(i) / sin(r) = n2 / n1 để tính toán chỉ số khúc xạ của thủy tinh.
Kết Quả Thí Nghiệm
Từ thí nghiệm này, bạn sẽ thấy rõ rằng ánh sáng sẽ bị bẻ cong khi đi vào môi trường có chỉ số khúc xạ khác với môi trường ban đầu. Mối quan hệ giữa góc tới và góc khúc xạ chính xác như định lý đã phát biểu.
Bài Tập Định Luật Khúc Xạ Ánh Sáng
Bài 1
Ánh sáng từ không khí (n1 = 1) chiếu vào mặt nước (n2 = 1.33) với góc tới i = 30°. Tính góc khúc xạ r.
Lời giải
Áp dụng công thức sin(i) / sin(r) = n2 / n1, ta có
sin(30°) / sin(r) = 1.33 / 1
=> 0.5 / sin(r) = 1.33
=> sin(r) = 0.5 / 1.33 ≈ 0.375
=> r = sin^(-1)(0.375) ≈ 22.02°
Vậy góc khúc xạ r ≈ 22.02°.
Bài 2
Tia sáng từ thủy tinh (n1 = 1.5) đi vào không khí (n2 = 1) với góc tới i = 45°. Tính góc khúc xạ r.
Lời giải
Áp dụng công thức sin(i) / sin(r) = n2 / n1, ta có
sin(45°) / sin(r) = 1 / 1.5
=> 0.707 / sin(r) = 0.667
=> sin(r) = 0.707 / 1.5 ≈ 0.471
=> r = sin^(-1)(0.471) ≈ 28.14°
Vậy góc khúc xạ r ≈ 28.14°.
Định luật khúc xạ ánh sáng là một nguyên lý cơ bản trong quang học, giúp chúng ta lý giải các hiện tượng như kính mắt, kính hiển vi và các thiết bị quang học khác. Hiểu rõ và vận dụng định lý này không chỉ có giá trị trong học tập mà còn ứng dụng rộng rãi trong công nghệ quang học từ việc thiết kế kính, máy ảnh đến các thiết bị khoa học tiên tiến.