SGK Vật Lí 11 - Bài 26. Khúc xạ ánh sáng

26 Khúc XẠ ÁNH SÁNG
Ớ lóp 9, ta đã bước đầu tìm hiểu hiện tượng khúc xạ ánh sáng về mặt định tính.
Trong bài học sau đây, chúng ta sẽ kháo sát đầy đú hon hiện tượng này về mặt định lượng.
Hình 26.1
Do hiện tượng khúc xạ ánh sáng, ta thấy thìa trong cốc như bị gãy 0 ' mặt nước.
Xnen (Willebrord Snell) giáo sư toán và vặt lí tại Đại học Lây-đen (Leyden), người đã khám phá ra đình luật khúc xạ ánh sáng đóng thời vói Đé-các (Descartes).
162
I - Sự KHÚC XẠ ÁNH SÁNG
Hiện tượng khúc xạ ánh sáng
Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng lệch phương (gãy) của các tia sáng khi truyền xiên góc qua mặt phàn cách giữa hai mõi trường trong suốt khác nhau.
Định luật khúc xạ ánh sáng Ở Hình 26.2, ta gọi :
Sỉ : tia tới ; I: điểm tới ;
N'ỈN : pháp tuyến với mặt phân cách tại ỉ ;
ỈR : tia khúc xạ ;
i : góc tới ; r : góc khúc xạ.
11 -VẬTLl 11C-B
Khi thay đổi góc tới i, thực nghiệm cho kết quả sau đây, được gọi là định luật khúc xạ ánh sáng :
- Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới (tạo bởi tia tới và pháp tuyến) và ở phía bên kia pháp tuyến so vói tia tói. .
- Với hai môi trường trong suổt nhất định, tỉ số giữa'sin góc tới (sini) và sin góc khúc xạ (sinr) luôn không đổi:
-= = hằng sô	(26.1)
sinr	v '
II - CHIẾT SUẤT CỦA MÔI TRƯỜNG
Chiết suất tỉ đôi
,	... sin/ ,	......	,, z
Tí sô không đôi —— trong hiện tượng khúc xạ
sin/-
được gọi là chiết suất tỉ đối n2X của môi trường (2), (chứa tia khúc xạ) đối vói môi trường (1) (chứa tia tới):
sin/
sinr
= «21
(26.2)
Thước đo độ
s
Đèn chiếu laze
Khối nhựa bán trụ trong suốt
Hình 26.3
Dụng cụ đo các góc / và r để' nghiệm lại định luật khúc xạ ánh sáng.
Nếu /Ỉ,J > 1 thì /- < /: Tia khúc xạ bị lệch lại gần pháp tuyến hơn. Ta nói môi trường (2) chiết quang hơn môi trường (1).
Nếu /ĩ21 /: Tia khúc xạ bị lệch xa pháp tuyến hơn. Môi trường (2) chiết quang kém môi trường (1).
Chiết suất tuyệt đối
Chiết suất tuyệt đối (thường gọi tắt là chiết suất) của một môi trường là chiết suất tỉ đôi của môi trường đó đôi với chân không.
Như vậy, chiết suất của chân không là 1.
/'
r
sin/
sinr
0°
0°
0
0
10°
6,5° -.
0,174
0,113
20°
13°
0,342
0,225
30°
19,5°
0,500
0,334
40°
25,5°
0,643
0,431
50°
31°
0,766
0,515
60°
35°
0,866
0,574
70°
39°
0,940
0,629
80°
41,5°
0,985
0,663
Bảng 26.1
Kết quả đo góc tới / và góc khúc xạ r tương ứng trong thi nghiệm ở Hình 26.3.
Chiết suất của không khí là 1,000293 (rất gần với chiết suất của chân không) nên thường được tính tròn là 1, nếu không cần độ chính xác cao.
r
50°
trong đó :
Hình 26.4
Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của góc r vào góc i theo Bảng 26.1
Hình 26.5
Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của sinr vào sini theo Bảng 26.1
Hl Viết công thức của định luật khúc xạ với các góc nhỏ (< 10°).
Áp dụng định luật khúc xạ cho trường hợp / = 0° Kết luận.
H Hãy áp dụng công thức của định luật khúc xạ cho sự khúc xạ liên tiếp vào nhiều môi trường có chiết suất lần lượt là nv n2,... nn và có các mặt phân cách song song với nhau. Nhận xét.
Mjsini = /z2sinr	(26.4)
Mọi môi trường trong suốt đều có chiết suất tuyệt đối lớn hơn 1.
Có thể thiết lập được hệ thức :
_ nĩ
"21 -	(26.3)
n2 là chiết suất (tuyệt đối) của môi trường (2); Uị là chiết suất (tuyệt đối) của môi trường (1).
s'
Vậy công thức của định luật khúc xạ có thể viết theo dạng đối xúng : m ;	; CE
- TÍNH THUẬN NGHỊCH CỦA sự TRUYỀN ÁNH SÁNG
Thí nghiệm cho thấy : Ở Hình 26.2, nếu đảo chiều, cho ánh sáng truyền từ nước ra không khí theo tia RI thì nó khúc xạ vào không khí theo tia IS. Như vậy, ánh sáng truyền đi theo đường nào thì cũng truyền ngược lại theo đường đó.
Đây là tính thuận nghịch của sự truyền ánh sáng.
Từ tính thuận nghịch, ta suy ra :
"12=^7	(26-5>
Tính thuận nghịch này cũng biểu hiện ở sự truyền thẳng và sự phản xạ.
Bài tập ví dụ
Tia sáng truyền từ một chất trong suốt có chiết suất « tới mặt phân cách với môi trường không khí. Góc khúc xạ trong không khí là 60°. Tia phản xạ ở mặt phân cách có phương vuông góc với tia khúc xạ (Hình 26.6). Tính chiết suất rt. Giải
Theo đề bài : /' + /■ = 90°
Ta suy ra : /' + r = 90°
Áp dụng định luật khúc xạ : nsin/ - sim-
	,	 sin r
Từ đó : n = -y—- sin;
Vì sin/ = COS/-, nên : n = tan/-
Thay Số, ta được : // = tan 60° = Võ = 1,73.
R
Hình 26.6
Ghì chú : Nguyên nhân của hiện tượng khúc xạ là sự thay đổi tốc độ truyền ánh sáng. Người ta thiết lập được hệ thức về chiết suất tuyệt đối n của một môi trường như sau :
c
n = — u
trong đó :
c là tốc độ ánh sáng trong chân không; V là tốc độ ánh sáng trong môi trường.
Chất rắn (20°C)
Chiết suất
Chất rắn (20°C)
Chiết suất
Kim cương
2,419
Muối ãn (NaCI)
1,544
Thuỷ tinh crao
1,464- 1,532 .
Hổ phách
1,546
Thuỷ tinh flin
1,603- 1,865
Polistiren
1,590
Nước đá
1,309
Xaphia
1,768
Chất lỏng (20°C)
Chiết suất
Chất lỏng (20°C)
Chiết suất
Nước
1,333
Rượu ẽtilic
1,361
Benzen
1,501
Glixerol
1,473
Chất khí (0°C; 1 atm)
Chiết suất
Chất khí ■ (0°C ; 1 atm)
Chiết suất
Không khí
1,000293
Khí cacbonic
1,00045
Bảng 26.2. Chiết suất của một số mõi trường(1)
Định luật khúc xạ ánh sáng :
Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới và ở phía bên kia pháp tuyên so với tia tới.
Với hai môi trường trong suốt nhất định, tỉ sô giữa sin góc tới (sin/) và sin góc khúc xạ (sinr) luôn không đổi:
sin/ . i
•	= hang sô
sinr
(1) Xác định với ánh sáng vàng do natri phát ra (xem bài Lăng kính).
Chiết suất:
sin/
Chiẽt suẵt tỉ đõi: n,. = ——
sinr
Chiết suất tuyệt đối:
+ Chiết suất ti đối đôi với chân không n2
+ Ta có : n21 = — ni
KỆ Công thức của định luật khúc xạ ánh sáng viết dưới.dạng đối xứng : fijSin/ = n2sinr.
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP
Thẻ' nào là hiện tượng khúc xạ ánh sáng ? Phát biểu định luật khúc xạ ánh sáng.
Chiết suất tỉ đối n21 của mối trường (2) đổi với môi trường (1) là gì ?
Chiết suất (tuyệt đối) n của một môi truờng là gì ?
Viết hệ thức liên hệ giữa chiết suất tỉ đối và chiết suất tuyệt đối.
Thế nào là tính thuận nghịch của sự truyền ánh sáng ?
,, 1 Chứng tỏ : n12 = ——.
n21
..... 4	... ,
Nước có chiết suất là ~. Chiết suất của không khí đối với nước là bao nhiêu ?
Tia s/.
Tia S/ c. Tia S3Ỉ.
D. Sự;
S2Ĩ ; S3Ỉ đều có thể là tia tới.
Tia sáng
truyền từ nước và khúc xạ ra không khí. Tia
khúc xạ và tia phản xạ ở mặt nước )	,	...	.' .....	..... 4
vuông góc với nhau. Nước có chiết suất là
O
Góc tới của tia sáng là bao nhiêu (tính tròn số) ? A. 37°.	B. 42°.	c. 53°.
D. Một giá trị khác A, B, c.
Có ba môi trường trong suốt ©, ©, ©. Vói cùng góc tới /, một tia sáng khúc xạ nhu Hình 26.8 khi truyền từ © vào © và từ © vào ©.
Một tia sáng truyền đến mặt thoáng của nuóc. Tia này cho một tia phản xạ ở mặt thoáng và một tia khúc xạ.
Người vẽ các tia sáng này quên ghi lại chiều truyền trong Hình 26.7. Tia nào dưới đây là tia tới ?
lóó
vẫn với góc tới /', khi tia sáng truyến từ © vào © thì góc khúc xạ là bao nhiêu (tính tròn só) ? A. 22°. B. 31°.
c. 38°. D. Không tính được, vì thiếu yếu tó.
Một cái thuớc đuọc cắm thẳng đúng vào bình nuớc có đáy phẳng, ngang. Phán thuớc nhô khỏi mặt nuớc là 4 cm. Chếch ở trên có một ngọn đèn. Bóng của thuóc trên mặt nuớc dài 4 cm và ở đáy dài 8 cm.
Tính chiều sâu của nuớc trong binh. Chiết
,	. ,. 4
suất của nuớc là 2 ■
Một tia sáng đuọc chiếu đến điểm giũa của mặt trên một khối lập phuong trong suốt, chỉết suất n = 1,50 (Hình 26.9). Tim góc tới / lớn •nhất để tia khúc xạ vào trong khối còn gặp mặt đáy của khối.
Hình 26.9
Hình 26.10
Bấn thé nào để mũi tên trúng con cá ?
HS2 sin/ r?2
Do	— =
HS, sinr n.
HS2 HS}
Vậy :
z n'2 "1 Nếu nhìn từ không khí vào nước thì
(26.6)
n2 = 1 ; nì = Do đó HS2 - — HS-ị.
Ánh được “nâng” lên gần mặt nước so với vật.
Em có biết ?
sự TẠO ÁNH QUA LƯỠNG CHẤT PHANG
Trong đời sống, ta thường gặp trường họp nhìn ảnh cúa một vật do khúc xạ ánh sáng mà có, chẳng hạn như nhìn một con cá bơi lội trong hồ nước, nhìn hòn sói ớ đáy suối,... (Hình 26.10).
Khi đó, ánh sáng đã khúc xạ qua mặt phắng phân cách hai môi trường trong suốt. Hệ hai môi trường này tạo thành một lưỡng chất phẳng.
Ảnh của vật được tạo bởi một chùm tia sáng rất hẹp đi vào mắt. Nếu quan sát theo phương vuông góc với mặt phắng phân cách, ta có thế thiết lập được công thức xác định vị trí ánh (công thức của lưỡng chất phắng).
Thật vậy, theo Hình 26.11, ta có :
HI - HS2tahr~ H52sinr
= HS-ịtarũ ~ HS-ịSÌrứ