Hiện tượng khúc xạ ánh sáng – Khái niệm, định luật, ứng dụng

Hiện tượng khúc xạ ánh sáng có thể khiến cho nhiều người trầm trồ bởi tính ứng dụng thực tế của nó thật sự rất đa dạng. Bên cạnh đó, để có thể vận dụng tốt hiện tượng này trong đời sống hoặc trong học tập, bạn cần phải biết về khái niệm cũng như các định luật liên quan đến hiện tượng này.

Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là hiện tượng ra sao?

Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là một trong những thuật ngữ về hiện tượng ánh sáng đổi hướng khi đi qua mặt phân cách hai môi trường có chiết suất khác nhau. Thông thường thì chúng ta có thể dễ dàng thấy được hiện tượng này như hình bên dưới.

Nếu như nhìn theo góc độ rộng hơn thì hiện tượng này không chỉ được ứng dụng trong trường hợp ánh sáng mà còn ở bức xạ điện từ hay các sóng. Cụ thể là, khi các bức xạ hay các sóng đi qua các môi trường không đồng nhất, chúng sẽ đổi hướng.

Lý giải cho hiện tượng này, nhiều nhà khoa học nói rằng nó được dựa trên nguyên lý bảo toàn động lượng và năng lượng. Để dễ hiểu hơn thì do ở các môi trường có các chiết suất khác nhau, do đó mà ánh sáng, bức xạ hay sóng phải thay đổi để cân bằng.

Ngày nay, chúng ta có thể dễ dàng thấy được hiện tượng này thông qua các phát minh như thấu kính, lăng kính, kính lúp. Khi tia sáng đi qua các công cụ này, nó sẽ bị đổi hướng để tạo thành các chùm tia hội tụ hay phân tán theo cách đặt cách khác nhau.

Định luật hiện tượng khúc xạ ánh sáng là gì?

Trong hiện tượng khúc xạ, có một vài thứ mà ta cần phải biết như góc tới, góc phản xạ và chiết suất của các môi trường. Cụ thể hơn, góc tới là góc được tạo bởi tia tới và pháp tuyến, còn góc phản xạ được tạo bởi tia phản xạ và pháp tuyến.

Hiện tượng khúc xạ qua từng môi trường

Tùy từng loại môi trường với chiết xuất khác nhau mà các góc tới và góc phản xạ cũng được hình thành khác nhau. Nhà khoa học Snell đã nghiên cứu về hiện tượng này và cho ra một định luật rằng:

Tỷ lệ lượng giác sin giữa góc tới và góc phản xạ được đánh giá là gần bằng với tỷ số của vận tốc pha nằm bên trong hai môi trường. Hơn nữa, nó còn gần bằng với chiết suất tương đối của những môi trường này.

Đồng thời, chúng ta cũng có được các định luật về hiện tượng này dựa vào những nhà phát biểu và nghiên cứu của nhà khoa học trên. Cụ thể là tia khúc xạ nằm trong một mặt phẳng được tạo ra bởi tia pháp tuyến và tia tới và ở bên kia thì pháp tuyến so với tia tới.

Chi tiết về cách tính

Chưa dừng lại ở đó, đối với trường hợp hai môi trường trong suốt nhất định thì tỉ lệ giữa sin góc tới (được gọi là sin i) và sin góc khúc xạ (được gọi là sin r) không đổi. Nó được tổng kết thành công thức: sini/sinr = const.

Đi kèm với đó là một công thức được sử dụng để tính chỉ số khúc xạ. Trong đó, chỉ số khúc xạ được ký hiệu là n, tỷ lệ tốc độ ánh sáng trong chân không ký là c và tốc độ ánh sáng trong môi trường là v, công thức đó là: n = c/v.

Không những có thể sử dụng công thức trên để tính chỉ số khúc xạ, bạn cũng có thể tính được bằng công thức n = sini/sinr. Trong đó, sini là tỉ số lượng giác sin của góc và ngược lại sinr là tỉ số lượng giác sin của góc phản xạ.

Chiết suất của môi trường được hiểu như thế nào?

Ta có thể hiểu một cách đơn giản rằng chiết suất của môi trường (hay còn được gọi là chiết tuyệt đổi) tức là chiết suất tỉ đối của nó đối với môi trường chân không. Trong đó, nó sẽ được đại diện cho tốc độ hay khả năng gãy khúc của từng tia sáng.

Khi thực hiện các bài tập liên quan đến chiết suất của một môi trường nhất định, bạn có thể tra cứu các chỉ số này qua internet. Một vài chỉ số mà có thể bạn sẽ thường gặp như chỉ số của nước là 4/3, rượu etylic là 1,361.

Đồng thời, chúng ta cũng có một công thức thường gặp liên quan đến chiết suất, góc tới và góc khúc xạ của hiện tượng này. Công thức đó được thể hiện như sau: n1.sini = n2.sinr, trong đó n1 và n2 lần lượt là chiết suất của từng môi trường 1 và môi trường 2.

Bên cạnh đó, bạn có thể khám phá thêm một vài công thức chuyên sâu hơn như:

• Công thức tính thuận nghịch của khả năng truyền ánh sáng: n12 = 1/n21.
• Công thức tính góc giới hạn phản xạ toàn phần: sinigh = n2/n1.
• Công thức liên quan đến lăng kính: sini1 = nsinr1, sini2 = nsinr2.
• Cùng một vài công thức chuyên sâu hơn để tính bước sóng ánh sáng như n = A + B/lamđa^2,…

Ứng dụng hiện tượng khúc xạ ánh sáng ra sao?

Nhìn chung, với khả năng làm thay đổi hướng của ánh sáng, hiện tượng này được sử dụng để chế tạo nhiều loại thấu kính khác nhau. Trong đó, có một số loại được sử dụng để hỗ trợ tầm nhìn cho những người mắc phải các tật cận thị, viễn thị hay loạn thị.

Thường thì các thấu kính mà nhiều người thường tạo ra được chia thành 3 loại là kính lúp, thấu kính hội tụ và thấu kính phân kỳ. Với mỗi loại thấu kính, chúng ta có thể ứng dụng đặc điểm của chúng vào nhiều mục đích khác nhau.

Ứng dụng kính lúp trong sinh hoạt thường ngày

Đơn giản như kính lúp, đây là loại kính được sử dụng để quan sát những vật có kích thước không quá lớn hoặc hơi khó nhìn. Khi sử dụng loại kính này để quan sát, ta sẽ thấy hình ảnh được truyền qua kính sẽ trở nên to rõ và dễ nhìn hơn bình thường.

Hầu như có khá nhiều bộ môn khoa học ngoài kia thường xuyên sử dụng loại kính này để quan sát các sự vật, hiện tượng. Tuy nhiên, để có thể thu được hình ảnh to rõ nhất có thể khi sử dụng loại kính này, bạn nên đặt ở một khoảng cách phù hợp.

Đặc biệt, có một công dụng của kính lúp mà có thể nhiều người đã bỏ qua đó chính sử dụng để đốt một vật nào đó. Cụ thể là, bạn có thể đặt kính sao cho ánh sáng mặt trời đi qua nó và tạo thành chùm tia hội tụ, khi đó sức nóng của ánh sáng sẽ khiến vật bốc cháy.

Tuy nhiên, công dụng này chỉ được thể hiện dưới góc nhìn khoa học chứ không mang tính ứng dụng thực tế. Bởi thay vì đốt nóng các vật bằng kính lúp thì bạn có thể sử dụng nhiều công cụ khác để thực hiện việc này đơn giản và nhanh hơn.

Ứng dụng của thấu kính phân kỳ trong đời sống

Thường thì loại thấu kính này sẽ được ứng dụng nhiều nhất cho việc hỗ trợ người mắc tật viễn thị có thể nhìn rõ hơn. Đồng thời, một vài công cụ kỹ thuật cũng sử dụng loại kính này để quan sát như kính hiển vi, kính thiên văn, kính viễn vọng.

Nguyên nhân loại kính này được ứng dụng cho các trường hợp trên là nhờ vào việc nó có khả năng khuếch tán ánh sáng đi qua. Bất kỳ chùm tia sáng song song nào đi qua thấu kính này đều bị phân tán thành các chia rộng hơn.

Cụ thể là, khi bạn nhìn một vật thể gì đó qua kính hiển vi, bạn sẽ thấy nó to hơn bình thường rất nhiều lần. Bởi khi đó ánh sáng từ vật đó đi qua thấu kính phân kỳ đã được khuếch đại hơn bình thường, từ đó những vật nhỏ như các vi sinh vật cũng có thể nhìn rõ bằng loại kính này.

Ngoài ra, một vài công cụ khác cũng ứng dụng tính năng của thấu kính này như máy ảnh, mắt thần ở cửa ra vào. Có thể, chỉ với duy nhất khả năng phóng to hình ảnh, phân tán ánh sáng mà loại kình này có thể được ứng dụng trong khá nhiều thứ.

Ứng dụng thấu kính hội tụ trong đời sống thường ngày

Nếu như loại kính có khả năng phân tán ánh sáng kể trên được sử dụng cho người mắc tật viễn thị thì loại kính này sẽ được sử dụng  cho người cận thị. Bởi nó có khả năng giúp cho người không có khả năng nhìn xa có thể nhìn mọi thứ rõ hơn.

Lý giải cho điều này, ta có thể hiểu đơn giản là các hình ảnh đi qua mắt của người cận thị đã bị phân tán khá nhiều khiến cho mọi thứ trở nên mờ đi. Và nhiệm vụ của thấu kính hội tụ hay mắt kính cận là giúp cho các chùm tia này hội tụ để tạo thành hình ảnh rõ hơn.

Không chỉ có kính phân kỳ mới được sử dụng cho các thiết bị như kính thiên văn, kính lúp hay máy ảnh mà kính hội tụ cũng được sử dụng cho các thiết bị này. Bởi bên cạnh các tính năng phóng to vật thể thì các thiết bị này cũng cần thu hình ảnh nhỏ hơn.

Bởi các hình ảnh nhỏ hơn thường có xu hướng sẽ sắc nét hơn so với các hình ảnh được phóng ta nếu chúng ta đặt chúng ở khoảng cách phù hợp. Và cũng tương tự như ở đầu bài tôi có nhắc đến, loại kính này cũng được dùng để tạo lửa.

Điều gì đã tạo ra hiện tượng khúc xạ ánh sáng?

Để biết rõ hơn rằng tại sao xảy ra được hiện tượng này thì người ta phân loại nó ra thành 2 yếu tố cụ thể. Cụ thể là hiện tượng này sẽ được tạo thành nhờ vào sự thay đổi của tốc độ hoặc góc của tia tới.

Sự thay đổi tốc độ gây ra hiện tượng khúc xạ ánh sáng

Tùy vào từng trường hợp mà tốc độ của ánh sáng nhanh hay chậm mà tia sáng được khúc xạ có thể uốn cong ít hoặc nhiều hơn. Nếu tốc độ càng chậm thì độ uốn cong của nó sẽ càng lớn và ngược lại nếu càng tăng tốc thì độ uốn sẽ càng nhỏ.

Ảnh hưởng tia tới tạo ra khúc xạ ánh sáng

Khi một tia sáng đi vào một môi trường với góc lớn thì tia khúc xạ mà nó tạo ra cũng sẽ nhiều hơn bình thường. Trong trường hợp nó chỉ tạo ra một bằng 90 độ thì sẽ không có bất kỳ hiện tượng nào thay đổi.

Lời kết

Chắc chắn sau khi tìm hiểu về khái niệm hiện tượng khúc xạ ánh sáng cùng những định luật và tính ứng dụng của nó trong đời sống, không còn bất kỳ điều gì về hiện tượng này mà bạn chưa biết. Hy vọng bạn có thể vận dụng thật tốt những kiến thức này trong học tập hoặc trong đời sống thường ngày nhé!