Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là gì? Định luật và bài tập ví dụ

Khúc xạ ánh sáng là một trong những hiện tượng quang học quan trọng của ngành vật lý học. Nhờ hiện tượng này, người ta đã giải thích và nghiên cứu được nhiều vấn đề phức tạp khác. Vậy hiện tượng khúc xạ ánh sáng là gì, hãy cùng đi tìm câu trả lời thông qua bài viết sau nhé.

Định nghĩa hiện tượng khúc xạ ánh sáng là gì?

Khúc xạ ánh sáng được định nghĩa là hiện tượng bẻ cong của sóng ánh sáng khi nó truyền qua mặt phân cách của hai môi trường trong suốt có chiết suất khác nhau.

Một số ví dụ về hiện tượng khúc xạ ánh sáng là:

• Các ngôi sao lấp lánh trên bầu trời đêm do hiện tượng khúc xạ ánh sáng.
• Nước ở hồ bơi trông nông hơn so với thực tế do ánh sáng chiếu xuống đáy hồ bơi bị uốn cong tại các bề mặt khác nhau.
• Sự hình thành cầu vồng trên bầu trời cũng là do khúc xạ ánh sáng.

Những khái niệm cần biết khi nghiên cứu khúc xạ ánh sáng:

• Điểm tới- Một điểm trên bề mặt tại đó xảy ra hiện tượng quang học được gọi là điểm tới. 
• Pháp tuyến- Đường pháp tuyến được thể hiện bằng một đường chấm được vẽ vuông góc với bề mặt của vật liệu khúc xạ, trong một biểu đồ tia.
• Tia tới – Các tia sáng chiếu vào bề mặt khúc xạ, ở mặt phân tách của hai môi trường được gọi là Tia tới.
• Tia khúc xạ – Tia sáng bị bẻ cong sau khi truyền vào một môi trường khác được gọi là Tia khúc xạ.
• Góc tới – Đây là góc giữa tia tới và pháp tuyến. Nó được đại diện bởi ∠i.
• Góc khúc xạ – Đây là góc giữa tia khúc xạ và pháp tuyến. Nó được biểu diễn bằng ∠r.

Định luật phản xạ ánh sáng là gì? Nội dung lý thuyết và bài tập

Định luật khúc xạ ánh sáng

Định luật khúc xạ ánh sáng gồm 2 ý chính được phát biểu như sau.

• Tia khúc xạ luôn nằm trong mặt phẳng tới nhưng ở phía bên kia của pháp tuyến so với tia tới. Mặt phẳng tới là mặt phẳng được tạo thành từ tia tới và pháp tuyến.
• Tỷ số giữa sin của góc tới và sin của góc khúc xạ luôn là một hằng số với 2 môi trường trong suốt nhất định. (Định luật Snell)

Các công thức của hiện tượng khúc xạ ánh sáng

Dựa vào định luật khúc xạ ánh sáng, người ta rút ra các công thức về chiết xuất cũng như các góc khúc xạ ánh sáng.

Công thức chiết xuất

Chiết xuất còn được gọi là chỉ số khúc xạ cho phép chúng ta biết ánh sáng truyền nhanh như thế nào trong môi trường vật chất. Đối với một vật liệu hoặc môi trường nhất định, chiết suất được coi là tỷ số giữa tốc độ ánh sáng trong chân không (c) với tốc độ ánh sáng trong môi trường (v) mà nó truyền đi. Chỉ số khúc xạ của một môi trường được biểu thị bằng n nhỏ và có công thức như sau:

n = c / v

Trong đó:

c là tốc độ của ánh sáng trong môi trường chân không

v là tốc độ ánh sáng trong môi trường truyền đến

Công thức định luật Snell

Theo định luật Snell, tỷ số giữa sin của góc tới và sin của góc khúc xạ là một hằng số, đối với bất kỳ ánh sáng có màu nhất định hoặc đối với bất kỳ cặp môi trường nhất định nào. Giá trị không đổi được gọi là chiết suất của môi trường thứ hai đối với môi trường thứ nhất.

sini / sinr = v1 / v2 = n2 / n1

Trong đó

i và r là góc tới và góc khúc xạ,

n là chiết suất và n1 và n2 là chiết suất của môi trường 1 và 2, và

v1 và v2 lần lượt là tốc độ ánh sáng trong môi trường 1 và 2.

Cầu vồng là gì? Tại sao có hiện tượng cầu vồng xảy ra?

Đặc điểm chính của hiện tượng khúc xạ ánh sáng

• Khi bất cứ thứ gì làm gián đoạn sóng ánh sáng, nó sẽ gây ra hiện tượng khúc xạ ánh sáng. Ánh sáng cũng di chuyển chủ yếu dưới dạng sóng.
• Tần số ánh sáng không thay đổi khi truyền từ môi trường này sang môi trường khác, nhưng vận tốc và bước sóng ánh sáng thay đổi.
• Tia sáng bị uốn cong khi truyền từ môi trường quang học này sang môi trường quang học khác có chiết suất thay đổi được. Đối với một cặp môi trường cụ thể, tỉ số giữa sin của góc tới và sin của góc khúc xạ là không đổi.
• Nguyên nhân gây ra hiện tượng khúc xạ ánh sáng: Tốc độ ánh sáng thay đổi khi chiếu qua các môi trường khác nhau. Bởi ở mỗi môi trường vật chất sẽ có kết cấu, mật độ các phân tử khác nhau. Chính sự thay đổi tốc độ truyền ánh sáng đã gây ra hiện tượng khúc xạ ánh sáng.

Phân loại khúc xạ ánh sáng

Dựa theo môi trường mà ánh sáng truyền qua, có thể chia hiện tượng khúc xạ ánh sáng thành hai loại chính.

• Sự khúc xạ từ một môi trường đến môi trường có chiết suất lớn hơn- Khi tia sáng truyền từ môi trường có chiết suất nhỏ sang môi trường có chiết suất lớn, tia sáng bị bẻ cong về phía pháp tuyến. Do đó góc khúc xạ nhỏ hơn góc tới. Ví dụ: Trong trường hợp khi tia sáng truyền từ không khí sang nước hoặc từ không khí sang thủy tinh, nó sẽ uốn cong hướng về phía pháp tuyến. Đó là vì lý do mà tốc độ của tia sáng giảm trong khi truyền từ không khí sang thủy tinh hoặc nước.

• Khúc xạ từ một môi trường sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn- Khi tia sáng truyền từ môi trường có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất nhỏ, tia sáng bị uốn cong hướng ra ngoài so với pháp tuyến. Do đó, góc khúc xạ lớn hơn hơn góc tới. Ví dụ: Trong trường hợp khi tia sáng truyền từ nước sang không khí hoặc thủy tinh sang không khí thì tia sáng bị bẻ cong ra ngoài so với pháp tuyến. Tốc độ của tia sáng lớn hơn khi truyền từ thủy tinh hoặc nước sang không khí.

Những nhân tố ảnh hưởng đến khúc xạ ánh sáng

Có một vài nhân tố ảnh hưởng đến khúc xạ ánh sáng mà bạn cần lưu ý như sau:

• Mật độ các phân tử của môi trường: Mật độ của môi trường ảnh hưởng đến sự khúc xạ của ánh sáng. Khi mật độ của môi trường thấp, hiện tượng khúc xạ ánh sáng yếu. Môi trường có mật độ các phân tử dày đặc hơn sẽ khúc xạ ánh sáng mạnh hơn vì nó làm chậm vận tốc ánh sáng gây ra hiện tượng khúc xạ.
• Nhiệt độ và áp suất: Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất là do sự khác biệt về chiết suất của không khí ở môi trường có độ cao lớn hơn và thấp hơn. Ở độ cao lớn, nơi có nhiệt độ và áp suất thấp, mật độ không khí thấp và do đó nó khúc xạ ánh sáng ít hơn nhiều so với những nơi ở độ cao thấp hơn có áp suất cao và nhiệt độ vừa phải.
• Bước sóng của ánh sáng: Ánh sáng có 7 màu khác nhau và mỗi màu lại có một bước sóng riêng biệt. Các màu ánh sáng có bước sóng thấp khúc xạ ít hơn, các màu ánh sáng có bước sóng cao hơn khúc xạ nhiều hơn.

Công thức tính thể tích khối trụ và bài tập có giải

Những ứng dụng của hiện tượng khúc xạ ánh sáng

Hiện tượng khúc xạ ánh sáng có rất nhiều ứng dụng trong tự nhiên và đời sống con người. Trong tự nhiên, sự hình thành của cầu vồng và ảo ảnh là do sự khúc xạ của ánh sáng. Cầu vồng hình thành khi ánh sáng đi qua các giọt nhỏ trong không khí ẩm. Ánh sáng bị khúc xạ và tạo thành cầu vồng.

Trong cuộc sống của con người, hiện tượng khúc xạ ánh sáng đóng một vai trò quan trọng. Nó có nhiều ứng dụng trong quang học và công nghệ hình ảnh. Một số ứng dụng là:

• Kính lõm và kính lồi khúc xạ được sử dụng để điều chỉnh các tật khúc xạ của mắt người
• Các mắt mèo trên cửa ra vào, kính lúp, ống nhòm, máy ảnh, thấu kính trong máy chiếu… đều là những thiết bị sử dụng nguyên lý khúc xạ ánh sáng.

Bài tập ví dụ hiện tượng khúc xạ ánh sáng

Một tia sáng truyền từ môi trường nước sang môi trường không khí, tia khúc xạ vuông góc với tia phản xạ ở mặt nước. Biết chiết suất của nước là 4/3, hãy tính giá trị của góc tới?

Lời giải: 

Theo bài ra ta có n1=4/3, n2=1, i’ + r = i + r = 90o

Áp dụng công thức theo định luật khúc xạ ánh sáng: n1.sini = n2.sinr

=> 4/3.sini = sinr

Do tia khúc xạ và tia phản xạ vuông góc ở mặt nước => 4/3.sini = cosi 

<=> tani = 3/4

Vậy góc tới i có giá trị gần bằng 37 độ.

Bài viết đã giới thiệu về hiện tượng khúc xạ ánh sáng, các đặc điểm, biểu thức của khúc xạ ánh sáng. Đây là một trong những hiện tượng quan trọng trong ngành vật lý học và là lý thuyết cơ bản trong bộ môn vật lý. Hy vọng sau khi đọc xong bài viết, bạn đã có thêm những kiến thức quý bổ ích về hiện tượng này.