Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là gì? Giải đáp đầy đủ

Trong cuộc sống hằng ngày, chúng ta thường xuyên bắt gặp hiện tượng khúc xạ ánh sáng, đặc biệt trong các trường hợp có sự quan sát đối với mặt phân cách giữa nước và không khí. Tuy nhiên, không phải ai cũng có thể hiểu rõ và lý giải được hiện tượng này. Những kiến thức trong bài viết sau đây sẽ giúp các em tìm hiểu một cách chính xác nhất về hiện tượng khúc xạ ánh sáng.

Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là gì?

Ví dụ: Đổ đầy nước vào một chiếc bình thủy tinh trong suốt. Sau đó, dùng một chiếc đũa đặt trong chiếc bình đựng nước đó sao cho chiếc đũa nằm theo hướng nghiêng.

Khi quan sát chiếc đũa, ta sẽ thấy được phần ánh sáng phản xạ được truyền từ đũa không còn đi theo một đường thẳng mà đã bị gãy khúc ngay tại mặt phân cách có sự khác biệt giữa nước và không khí.

Có thể bạn quan tâm:

Vì vậy mà khi quan sát chiếc đũa trong cốc nước, chúng ta nhìn thấy chiếc đũa có vẻ đã bị nghiêng đi một phần.

Ví dụ về hiện tượng khúc xạ ánh sáng. (Ảnh: Sưu tầm Internet)

Phân tích hiện tượng: Mắt ta có thể nhìn thấy được mọi vật là do có ánh sáng truyền từ vật tới mắt. Mặt khác, ánh sáng thì luôn được truyền theo một đường thẳng.

Khi ta nhìn một vật (vật không phải là nguồn sáng) thì phụ thuộc vào màu sắc, góc độ của nguồn sáng mà ta sẽ có thể quan sát được những hình dạng khác nhau của mỗi vật.

Ví dụ trên chính là một ví dụ điển hình của hiện tượng khúc xạ ánh sáng.

Như vậy hiện tượng khúc xạ ánh sáng được định nghĩa là hiện tượng tia sáng truyền từ môi trường trong suốt này đến môi trường trong suốt khác và bị gãy khúc khi truyền xiên góc tại mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt, có chiết suất khác nhau.

Định luật khúc xạ ánh sáng

Định luật phản xạ ánh sáng được giải thích như sau:

Tia khúc xạ luôn nằm trong mặt phẳng tới và ở phía bên kia pháp tuyến so với tia tới. Mặt phẳng tới là mặt phẳng được tạo thành bởi pháp tuyến và tia tới.
Xét 2 môi trường trong suốt nhất định, tỉ lệ giữa sin góc khúc xạ (sin r) và sin góc tới (sin i) luôn không đổi (là một hằng số)

Biểu thức được biểu diễn:

sin(i)/sin(r) = n2/n1 = hằng số

Hình ảnh minh họa định luật khúc xạ ánh sáng. (Ảnh: Sưu tầm Internet)

Trong đó:

SI là tia tới.
I là điểm tới.
N’IN là pháp tuyến với mặt phân cách tại I.
IR là tia khúc xạ.
i là góc tới (là góc giữa tia sáng đi từ môi trường 1 đến mặt phẳng phân cách và pháp tuyến của mặt phẳng phân cách giữa 2 môi trường).
r là góc khúc xạ (là góc giữa tia sáng đi từ mặt phân cách đến môi trường 2 và pháp tuyến của mặt phẳng phân cách giữa hai môi trường).
n1 chính là chiết suất của môi trường 1.
n2 sẽ là chiết suất của môi trường 2.

Chú ý:

Nếu góc nhỏ chưa tới 10º thì n1.i=n2.r.
Nếu i = 0, r = 0 thì hiện tượng khúc xạ không xảy ra

Chiết suất của môi trường

Chiết suất trong Vật Lý được định nghĩa là tỉ số giữa tốc độ ánh sáng trong chân không và tốc độ pha của bức xạ điện từ trong vật liệu.

Trong tính toán, chiết suất này thường được ký hiệu là n.

Vận tốc của ánh sáng khi được truyền qua các mặt phân cách trong suốt như không khí hoặc thủy tinh thường nhỏ hơn c.

Tỷ số giữa c và vận tốc v của ánh sáng truyền qua vật liệu phân cách sẽ được gọi là chỉ số chiết suất n của vật liệu.

Chiết suất tỉ đối

Trong định luật khúc xạ ánh sáng, tỉ số sin(i)/sin(r) là một hằng số, kí hiệu là n21 được gọi là chiết suất tỉ đối của môi trường chứa tia khúc xạ (môi trường 2) đối với môi trường chứa tia tới (môi trường 1).

Biểu thức xác định: sin(i)/sin(r) = n21

Chiết suất tỉ đối cho biết:

Nếu n21 < 1, thì i < r: Tia khúc xạ bị lệch xa trục pháp tuyến hơn, suy ra môi trường (2) chiết quang kém hơn môi trường (1).
Nếu n21 > 1 thì i > r: Tia khúc xạ bị lệch gần pháp tuyến hơn, ta nói môi trường (2) chiết quang tốt hơn môi trường (1).

Chiết suất tuyệt đối

Chiết suất tuyệt đối (hay gọi ngắn gọi là chiết suất) của một môi trường được định nghĩa là chiết suất tỉ đối của môi trường đó đối với môi trường chân không.

Được biết, chiết suất của môi trường chân không bằng 1, chiết suất của môi trường không khí là 1,000293 và thường được làm tròn bằng 1.

Tất cả các môi trường trong suốt khác đều có chiết suất lớn hơn 1.

Hệ thức biểu diễn chiết xuất của một môi trường: c/v = n

Trong đó:

c: là vận tốc ánh sáng chân không (c = 3.10^8 m/s).
v: là vận tốc ánh sáng trong môi trường được xét.

Hệ thức biểu diễn mối liên hệ giữa chiết suất tỉ đối và vận tốc truyền ánh sáng trong các môi trường: n = n21 = n2/n1.

Ứng dụng của khúc xạ ánh sáng

Trong các khoảng thời kỳ đầu, khi mà ngành Thiên văn học vừa mới chế tạo ra được kính thiên Văn thì quá trình quan sát các vật thể ở xa đã bị ảnh hưởng đáng kể bởi hiện tượng khúc xạ ánh sáng truyền từ không gian vào Trái Đất xuyên qua bầu khí quyển.

Nhờ vào định luật khúc xạ mà các nhà Vật lý, thiên văn học đã có thể điều chỉnh được các ống kính thiên văn một cách dễ dàng, giúp việc quan sát hình ảnh trở nên rõ nét hơn.

Có thể bạn quan tâm:

Trong thời đại hiện nay, để loại bỏ được hoàn toàn hiện tượng khúc xạ ánh sáng thì các nhà khoa học đã đặt hẳn một chiếc kính thiên văn bên ngoài không gian.

Bên cạnh đó, nhờ vào lý thuyết của hiện tượng khúc xạ ánh sáng mà nhân loại có thể hiểu rõ được vì sao khi quan sát trên bầu trời đêm, chúng ta có thể nhìn thấy được các ngôi sao lấp lánh. Bởi vào ban đêm, khi nhìn lên bầu trời tối, bạn sẽ nhìn được ánh sáng từ các ngôi sao bị khúc xạ nhiều lần khi truyền từ không gian và xuyên qua bầu khí quyển vào Trái Đất.

Trên đây là toàn bộ lý thuyết và bài tập vận dụng liên quan đến bài học khúc xạ ánh sáng. Hy vọng các thông tin mà chúng tôi đã cung cấp sẽ giúp ích cho các bạn trong quá trình tìm hiểu và học tập môn Vật lý.