SGK Vật Lí 11 - Bài 28. Lăng kính

28 Lăng KÍNH
Lăng kính là bộ phận chính của máy quang phổ, một dụng cụ dùng để phân tích ánh sáng.
Lăng kính tán sắc ánh sáng
Đỏ
Tím
I - CẤU TẠO CỦA LĂNG KÍNH
Lăng kính là một khôi chất trong suốt, đồng chất (thuỷ tinh, nhựa.:.), thường có dạng lăng trụ tam giác (Hình 28.1).
Khi sử dụng lăng kính, chùm tia sáng hẹp được chiếu truyền qua lăng kính trong một mặt phẳng vuông góc với cạnh của khối lăng trụ. Do đó, lăng kính được biểu diễn bằng tam giác tiết diện thẳng (Hình 28.2).
Các phần tử của lãng kính gồm : cạnh, đáy, hai mặt bên.
Về phương diện quang học, một lăng kính được đặc trưng bởi :
. Góc chiết quang A ;
• Chiết suất n.
Ta sẽ khảo sát lãng kính đặt trong không khí.
II - ĐƯỜNG TRUYỀN CỦA TIA SÁNG QUA LĂNG KÍNH
1. Tác dụng tán sắc ánh sáng trắng
Ớ lóp 9, ta đã biết, ánh sáng trắng (ánh sáng mặt trời) gồm nhiều ánh sáng màu và lăng kính có tác dụng phân tích chùm sáng trắng truyền qua nó thành nhiều chùm sáng màu khác nhau (Hình 28.3).
Đó là sự tán sắc ánh sáng bởi lăng kính do Niu-tơn khám phá ra năm 1669.
Dưới đây, ta chỉ xét sự truyền của một chùm tia sáng hẹp đơn sắc (có một màu nhất định) qua một lăng kính.
2. Đường truyển của tia sáng qua lăng kính
Chiếu đến mặt bên của lăng kính một chùm tia sáng hẹp đơn sắc SI như ở Hình 28.4.
Tại I: tia khúc xạ lệch gần pháp tuyến, nghĩa là lệch về phía đáy lăng kính. BI
Tại J : tia khúc xạ lệch xa pháp tuyến, tức là cũng lệch về đáy lăng kính.
Vậy, khi có tia ló ra khỏi lăng kính thì tia ló bao giờ cũng lệch về đáy lăng kính so với tia tới.
Góc tạo bởi tia ló và tia tới gọi là góc lệch D của tia sáng khi truyền qua lăng kính.
Ill	- CÁC CÔNG THỨC LĂNG KÍNH
Xét đường truyền của tia sáng qua lăng kính như ở Hình 28.4.
Áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng và một số định lí hình học về góc, ta thiết lập được các công thức lăng kính sau đây :
sinij = nsinrj ; A = rx + r2 sini2 = nsinr,; D = il + i2—A (28.1)
A
Hình 28.4
BI Tại sao khi ánh sáng truyền từ không khí vào lăng kính, luôn có sự khúc xạ và tia khúc xạ lệch gần pháp tuyến hơn so với tia tới ?
Ghi chú :
Nếu các góc /ị và A nhỏ (< 10°) thì các công thức này có thể viết :
/| = ni\ ; /2 = Zỉr2 Â = /j + z2
D = (n - 1)A
Hãy thiết lập các công thức lăng kính.
Bài tập ví dụ
Một lăng kính thuỷ tinh có chiết suất n = 1,41 =	. Tiết
diện thẳng của lăng kính là tam giác đều ABC. Chiếu một tia sáng nằm trong mặt phảng của tiết diện thẳng, tới AB với góc tới í'ị = 45°. Xác định đường truyền của tia sáng.
Hình 28.6 Máy quang phổ
Ghi chú : Ngày nay, phần lớn máy quang phổ dùng cách tử thay vì dùng lăng kính.
Hình 28.7
Hĩ
Giải
Tại / (luôn có tia khúc xạ), ta có :
sin/] = nsin/'j
sin 45°	1
sinr, =
n	2
/j = 30°
Tại J :	r2 = 60° - 30° = 30°
Áp dụng tính thuận nghịch của sự truyền ánh sáng, ta suy ra ở J có tia khúc xạ với góc khúc xạ là : /2 - 45ọ.
- CÔNG DỤNG CỦA LĂNG KÍNH
Lăng kính có nhiều công dụng trong khoa học và kĩ thuật. Có thể kể :
Máy quang phổ
Lãng kính là bộ phận chính của máy quang phổ (Hình 28.6).
Máy này phân tích ánh sáng từ nguồn phát ra thành các thành phần đơn sắc, nhờ đó xác định được cấu tạo của nguồn sáng.
Máy quang phổ có thể gồm một hoặc hai lăng kính.
Lăng kính phản xạ toàn phần
Lăng kính phản xạ toàn phần là lăng kính thuỷ tinh có tiết diện thẳng là một tam giác vuông cân (Hình 28.7). Lăng kính phản xạ toàn phần được sử dụng để tạo ảnh thuận chiều (ống nhòm, máy ảnh...). I5E
re Giải thích sự phản xạ toàn phần ở hai mặt bên của lăng kính ở Hình 28.7. '
Một lăng kính được đặc trứng bời góc chiết quang A và chiết suất n. Tia ló ra khỏi lăng kính luôn lệch về đáy lăng kính so với tia tới. Công thức lăng kính :	sin/^ = nsinr,
sin/'2 = nsinr2 4 = r1+r2 o = i-Ị + i2 - A
Lăng kính là bộ phận chính của máy quang phổ.
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP
Lãng kính là gì ? Nêu cấu tạo và các đặc trưng quang học của lãng kính.
Trình bày tác dụng của lăng kính đối với sự truyén ánh sáng qua nó. Xét hai trường họp :
Ánh sáng đơn sắc ;
Ánh sáng trắng.
Nêu các công dụng của lăng kính.
Có ba trường hợp truyền tia sáng qua lăng kính như Hình 28.8.
Hình 28.8
ở (các) trường họp nào sau. đây, lăng kính không làm lệch tia ló về phía đáy ?
Trường họp ©.
Hai trường họp © và ©.
c. Ba trường hợp ©, ©và ©.
D. Không trường họp nào.
Cho tia sáng truyền tới lãng kính nhu Hình 28.9.
Chiết suất n của lăng kính có giá trị nào sau đây ? (Tính tròn với một chữ sô' thập phân).
A. 1,4.	B. 1,5.
c. 1,7.	D. KhácA, B, c.
7. Lăng kính thuỷ tinh có tiết diện thẳng là tam giác cân ABC đỉnh A Một tia sáng đon sắc được chiếu vuông góc tói mặt bên AB. Sau hai lán phản xạ toàn phấn trên hai mặt AC và AB, tia sáng ló ra khỏi đáy BC theo phưong vuông góc vói BC.
Vè đường truyén của tia sáng và tính góc chiết quang A.
Tim điều kiện mà chiết suất n cùa lăng kính phải thoả mãn.
Sự tạo thành cầu vồng
Em có biết ?
CẦU VỒNG
Trước và sau cơn mưa, hoặc bên cạnh thác nước, không khí chứa rất nhiều những giọt nước nhó hình cầu. Ánh sáng từ Mặt Trời khúc xạ vào bên trong mỗi giọt nước, phán xạ ở mặt cầu phân cách nước với không khí rồi khúc xạ trớ ra (Hình 28.10).
Qua hai lần khúc xạ vào và ra khỏi giọt nước, các chùm ánh sáng màu bị tách rời nhau. Đứng ớ vị trí thích họp, mắt ta nhận được các chùm sáng màu này theo một hình vòng cung. Đó là cầu vồng (Hình 28.11).
Do được tạo thành như trình bày ở trên mà cầu vồng luôn xuất hiện ở phía ngược với Mặt Trời và thành vòng cung, có hướng nhìn từ mắt tạo góc 41 ° -ỉ- 42° so với phương ánh sáng tới của Mặt Trời.
Hình 28.11 Cầu vồng