Khái niệm và công thức Khúc xạ ánh sáng – Vật lý 12

Khi quan sát một chiếc thìa bên trong cốc nước, ta sẽ có cảm giác như chiếc thìa bị gãy. Nhưng thực tế, chiếc thìa vẫn nguyên vẹn. Đây là một ví dụ điển hình về khúc xạ ánh sáng. Vậy hiện tượng khúc xạ ánh sáng là gì? Bài viết sau của Marathon Education sẽ giải thích hiện tượng này, cũng như giúp các em hiểu rõ hơn về định luật và công thức khúc xạ ánh sáng liên quan.

>>> Xem thêm:

• Lý Thuyết Vật Lý 12 Về Tán Sắc Ánh Sáng
• Vật Lý 12: Quang Phổ Là Gì Và Các Loại Quang Phổ

Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là gì?

Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng các tia sáng bị lệch phương (bị gãy) khi truyền xiên góc qua mặt phân cách của 2 môi trường trong suốt khác nhau.

Ví dụ về hiện tượng khúc xạ ánh sáng: Ta đổ đầy nước vào một chiếc ly thủy tinh sau đó đặt một chiếc ống hút nằm nghiêng ở trong cốc nước. Khi quan sát, ta sẽ thấy phần ánh sáng phản xạ từ thân bút không còn truyền thẳng mà đã bị gãy khúc tại mặt phân cách giữa 2 môi trường là nước và không khí.

Định luật khúc xạ ánh sáng

Định luật khúc xạ ánh sáng được diễn giải 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 tạo thành bởi tia tới và pháp tuyến.
• Với 2 môi trường trong suốt nhất định, tỉ số giữa sin i và sin r là một hằng số. Tỉ lệ giữa sin góc tới (sin i) và sin góc khúc xạ (sin r) luôn không đổi.

\frac{sini}{sinr}=\text{hằng số}

Dưới đây là hình ảnh minh họa định luật khúc xạ ánh sáng.

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.
• r là góc khúc xạ.

Chiết suất môi trường và công thức khúc xạ ánh sáng

Chiết suất tỉ đối

Trong định luật khúc xạ ánh sáng, tỉ số không đổi sini/sinr kí hiệu là n₂₁ được gọi là chiết suất tỉ đối của môi trường 2 (môi trường chứa tia khúc xạ) đối với môi trường 1 (môi trường chứa tia tới).

Theo đó:

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

Dưới đây là bảng chiết suất tỉ đối của một số môi trường mà các em nên ghi nhớ

Chiết suất tuyệt đối

Chiết suất tuyệt đối của một môi trường là chiết suất tỉ đối của môi trường đó đối với môi trường chân không. Chiết suất của môi trường chân không bằng 1. Mọi môi trường trong suốt khác đều có chiết suất lớn hơn 1.

Ta có thể thiết lập được hệ thức:

n_{21}=\frac{n_2}{n_1}

Trong đó:

• n₂ là chiết suất tuyệt đối của môi trường 2.
• n₁ là chiết suất tuyệt đối của môi trường 1.

Mối liên hệ giữa chiết suất tuyệt đối của một môi trường và vận tốc:

n=\frac{c}{v}

Trong đó:

• c là vận tốc ánh sáng trong chân không (c = 3.10⁸ m/s).
• v là vận tốc ánh sáng trong môi trường đang xét.

Lưu ý:

• Chiết suất của chân không là 1.
• Chiết suất của không khí = 1,000293 và thường được làm tròn = 1.
• Các môi trường trong suốt khác đều có chiết suất tuyệt đối lớn hơn 1.
• Một vài hệ thức khác của định luật khúc xạ ánh sáng mà các em cần ghi nhớ:
  • Công thức khúc xạ ánh sáng: n₁sini = n₂sinr
  • Nếu i và r nhỏ hơn 10 độ thì sini ≈ i; sinr ≈ r → n₁i = n₂r .
  • Nếu i = 0, r = 0 thì không xảy ra hiện tượng khúc xạ.

Tính thuận nghịch của sự truyền ánh sáng

Sự truyền ánh sáng có tính thuận nghịch nghĩa là ánh sáng truyền đi theo đường nào thì cũng truyền ngược lại theo đường đó.

Từ tính chất này các em sẽ có hệ thức:

n_{12}=\frac{1}{n_{21}}

Bài tập về khúc xạ ánh sáng lớp 11

Bài tập trắc nghiệm

Bài tập 1: Hiện tượng khúc xạ là hiện tượng …

a. ánh sáng bị giảm cường độ khi truyền qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt.

b. ánh sáng bị gãy khúc khi truyền xiên góc qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt.

c. ánh sáng bị thay đổi màu sắc khi truyền qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt.

d. ánh sáng bị hắt lại môi trường cũ khi truyền tới mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt.

Bài tập 2: Trong hiện tượng khúc xạ ánh sáng, góc khúc xạ … góc tới.

a. nhỏ hơn

b. lớn hơn

c. nhỏ hơn hoặc lớn hơn

d. lớn hơn hoặc bằng

Bài tập 3: Với một tia sáng đơn sắc, chiết suất tuyệt đối của nước là n₁, của thuỷ tinh là n₂. Chiết suất tỉ đối của nước đối với thuỷ tinh là …

a. n₁₂ = n₂/n₁.

b. n₂₁ = n₂ – n₁.

c. n₁₂ = n₁/n₂.

d. n₁₂ = n₁ – n₂.

Bài tập 4: Chọn ý sai

a. Chiết suất tuyệt đối của một môi trường luôn luôn nhỏ hơn 1.

b. Chiết suất tuyệt đối của chân không bằng 1.

c. Chiết suất tuyệt đối của một môi trường không nhỏ hơn 1.

d. Chiết suất là đại lượng không có đơn vị.

Bài tập 5: Một cái cọc cắm thẳng đứng trên sông, nửa bên trong nửa bên ngoài nước. Một cái cọc khác cùng chiều dài được cắm thẳng đứng trên bờ. Bóng của cọc cắm thẳng đứng dưới sông sẽ …

a. ngắn hơn bóng của cọc cắm trên bờ nếu Mặt Trời lên cao và dài hơn bóng của cọc cắm trên bờ nếu Mặt Trời xuống thấp.

b. dài hơn bóng của cọc cắm trên bờ.

c. bằng với bóng của cọc cắm trên bờ.

d. ngắn hơn bóng của cọc cắm trên bờ.

Đáp án bài tập trắc nghiệm khúc xạ ánh sáng lớp 11

Bài tập tự luận

Bài tập 1. Tia sáng đi từ nước có chiết suất 4/3 sang thủy tinh có chiết suất 1,5. Tính góc khúc xạ và góc lệch D tạo bởi tia khúc xạ và tia tới, biết góc tới i = 30^o.

Lời giải:

Theo đề bài ta có: n₁=4/3, n₂=1,5, i=30^o

Áp dụng công thức: n₁.sini = n₂.sinr

<=> 4/3.sin30 = 1,5.sinr

<=>r ≈ 26,4^o

=> D = i – r = 30^o – 26,4^o = 3,6^o

Bài tập 2: Tia sáng truyền từ nước và khúc xạ ra không khí. Tia khúc xạ và tia phản xạ ở mặt nước vuông góc với nhau. Nước có chiết suất là 4/3. Góc tới của tia sáng là bao nhiêu (tính tròn số)?

Lời giải:

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

Áp dụng công thức: n₁.sini = n₂.sinr

<=> 4/3.sini = sinr

<=> 4/3.sini = cosi (do tia khúc xạ và tia phản xạ vuông góc ở mặt nước)

<=> tani = 3/4

<=> i ≈ 37^o

Bài tập 3: Một cái thước được cắm thẳng đứng vào bình đựng nước có đáy phẳng ngang. Phần thước nhô khỏi mặt nước dài 4 cm. Chếch ở phía trên có một ngọn đèn. Bóng của thước trên mặt nước dài 4cm và ở đáy dài 8 cm. Tính chiều sâu của nước trong bình. Chiết suất của nước là 4/3.

Hình minh họa:

Lời giải

Theo đề bài, ta có:

Phần thước nhô khỏi mặt nước: SA = 4cm

Bóng của thước trên mặt nước: AI = 4cm

Bóng của thước ở đáy: BC = 8cm.

Chiều sâu của nước trong bình: IH

Ta có: BC = BH + HC

<=> HC = BC – BH = BC – AI = 8 – 4 = 4cm.

Ta có: ∆IAS vuông tại A và có SA = AI

=> ∆IAS vuông cân tại A

=> góc AIS = i = 45^o

Áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng, ta có:

sini = nsinr

<=> sin45^o = 4/3sinr

<=> sinr = 3/4.sin45

<=> r = 30^o

Xét ΔIHC vuông tại H, ta có:

tanr = HC/IH

<=> IH = HC/tan r ≈ 6,4cm

Tham khảo ngay các khoá học online của Marathon Education

Trong bài viết trên, Team Marathon Education đã chia sẻ đến các em những kiến thức về hiện tượng khúc xạ ánh sáng là gì, định luật và công thức khúc xạ ánh sáng một cách chi tiết và đầy đủ. Mong rằng những chia sẻ này sẽ giúp các em nắm vững kiến thức này và nhớ bài lâu hơn. 

Hãy liên hệ ngay với Marathon để được tư vấn nếu các em có nhu cầu học online nâng cao kiến thức nhé! Marathon Education chúc các em được điểm cao trong các bài kiểm tra và kỳ thi sắp tới!