Đối với nhiều bạn học sinh, chương Khúc xạ ánh sáng của môn Vật lý thật sự là một cơn ác mộng với mớ kiến thức khó nhằn và vô cùng rắc rối. Bài viết này sẽ tổng hợp lại cho bạn toàn bộ khái niệm, ứng dụng và phương pháp giải các dạng bài tập về Khúc xạ ánh sáng, chúng ta cùng tìm hiểu nhé.
Contents
1. Các khái niệm cơ bản về Khúc xạ ánh sáng
Hiện tượng Khúc xạ ánh sáng được giải thích là khi bức xạ điện từ ở dưới dạng ánh sáng khả kiến, được truyền từ một chất hoặc môi trường này sang môi trường khác ( chênh lệch Chiết xuất tỉ đối giữa 2 môi trường), sóng ánh sáng có thể sẽ trải qua một hiện tượng đó là khúc xạ, được biểu lộ bởi sự bẻ cong hoặc thay đổi hướng truyền sáng.
Hiệu ứng Khúc xạ là nguyên nhân gây ra rất nhiều hiện tượng quen thuộc như uốn cong của một vật chìm trong nước và ảo ảnh trên sa mạc. Khúc xạ ánh sáng khả kiến là một đặc trưng của thấu kính, đặc biệt là liên quan đến việc chế tạo một thấu kính đơn lẻ hoặc một cả một hệ thấu kính. Ở thấu kính lồi đơn giản thì sóng ánh sáng phản xạ từ vật thể thu gom bởi thấu kính sẽ khúc xạ về phía trước trục chính và hội tụ vào tiêu điểm phía sau.
Có thể thấy khúc xạ ánh sáng mà một hiện tượng Vật lý đang và đã diễn ra khá phổ biến khắp mọi nơi ở trong cuộc sống. Chính vì vậy chúng ta cần tìm hiểu và giải thích nguyên nhân của nó để tư duy và vận dụng một cách có ích vào cuộc sống hàng ngày.
2. Ứng dụng của hiện tượng Khúc xạ ánh sáng
Trong thời kì đầu, khi mà trong ngành Thiên văn học mới cho ra đời loại Kính thiên văn dùng để quan sát các vật thể ở xa thì việc quan sát thường bị ảnh hưởng bới những hiện tượng khúc xạ ánh sáng khi mà ánh sáng tuyền từ không gian xuyên qua bầu khí quyển để vào trong trái đất. Nhờ phát hiện và giải thích được định luật khúc xạ mà các Nhà vật lý thiên văn đã có thể chỉnh sửa các loại ống kính giúp quán sát được rõ nét và sinh động hơn.
Ngày nay để loại bỏ hoàn toàn và triệt để hiện tượng khúc xạ ánh sáng khi quan sát bầu trời thì các nhà khoa học đã đặt kính thiên văn ngoài không gian. Từ lý thuyết khúc xạ ánh sáng chúng ta cũng có thể giải thích vì sao khi nhìn lên bầu trời vào ban đêm sẽ thấy đầy sao lấp lánh. Vì vào những buổi đêm khi mà nhìn lên trời tối bạn sẽ thấy được ánh sáng từ các ngôi sao bị khúc xạ nhiều lần khi truyền từ không gian và xuyên qua bầu khí quyển của trái đất.
3. Hướng dẫn giải bài tập về Khúc xạ ánh sáng
Dạng 1: Áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng
Định nghĩa chiết suất: Chiết suất của một môi trường là tỷ số giữa tốc độ ánh sáng trong chân không với tốc độ pha của bức xạ môi trường đang xét.
Công thức: N = C / V
Trong đó:
– C là tốc độ ánh sáng trong không khí
– V là tốc độ ánh sáng trong môi trường đang xét
– N là chiết suất của môi trường đang xét
Hệ quả: Chiết suất của không khí và chân không (nkk = nck = 1) là nhỏ nhất. Chiết suất của các môi trường khác đều lơn hơn 1.
Chiết suất tỉ đối: Là tỷ lệ chiết suất giữa hai môi trường khác nhau mà ánh sáng đang xét truyền qua.
Công thức: N21 = N2/ N1 = V1/ V2
Định luật Khúc xạ ánh sáng:
– Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới, ở phía bên kia của pháp tuyến so với tia tới.
– Khi đi qua hai môi trường trong suốt nhất định, tỉ số của sin góc tới i và sin góc khúc xạ r không đổi
sin i / sin r = N21= N2/ N1
Một số điểm cần phải lưu ý
– Nguồn sáng: là vật phát ra tia sáng bao gồm nguồn trực tiếp (mặt trời, đèn,…) và nguồn gián tiếp (nguồn nhận ánh sáng và phản lại ánh sáng vào mắt ta)
– Mắt ta nhìn thấy vật khi có ánh sáng từ vật trực tiếp đến măt hoặc khúc xạ ánh sáng đến mắt ta.
– Mắt nhìn vật và mắt nhìn ảnh
+ Nếu giữa mắt và vật chung một môi trường và có ánh sáng đi từ vật đến mắt, thì mắt nhìn vật.
+ Nếu giữa mắt và vật khác môi trường thì khi đó, ta nhìn thấy ảnh.
– Các dựng ảnh của vật: Để vẽ ảnh của điểm, ta phải vẽ hai tia; tia tới vuông góc với mặt phân cách thì truyền thẳng và một tia tới có góc bất kỳ giao của hai tia khúc xạ là ảnh của vật
– Khi hai tia cắt nhau trực tiếp thì ta nhận được ảnh thật, khi hai tia không giao nhau trực tiếp thì là ảnh ảo. Ảnh ảo được vẽ bằng nét gạch đứt.
– Góc lệch D: là góc tạo bởi phương của tia tới và tia khúc xạ.
D=|i-r|
Nếu mặc phân cách hai môi trường là hình câu, pháp tuyến được xác định là đường thẳng nối điểm tới với tâm cầu.
– Công thức gần đúng: với các góc rất nhỏ (<100) có thể lấy gần đúng:
tan i≈sin i≈i (i lấy theo radian)
Dạng 2: Lưỡng chất phẳng
Xác định ảnh của một vật qua lưỡng chất phẳng
Khái niệm về lưỡng chất phẳng: lưỡng chất phẳng là hai môi trường có chiết suất n1 và n2.
Phương pháp xác định ảnh qua lưỡng chất phẳng:
– Đặt d= SH: là khoảng cách đo từ mặt phân cách đến vật.
– Đặt d’=S’H: là khoảng cách đo từ mặt phân cách đến ảnh.
Ta có công thức:
{∆SHI:tan i= HI.SH→sin i = HI.d ∆S’HI:tan r= HI.S’H→ sin r = HI.d Vậy: sin i / sin r = d’ / d
Ta có: N1.sin i = N2.sin r → sin i/ sin r = N2/ N1 Vậy: d’ / d = N2 / N1
Nếu N1 > N2 tức là ánh sáng đi từ môi trường có chiết quang hơn sang môi trường có chiết quang kém. Suy ra d’<d. Ảnh S’ nằm dưới vật S.
Nếu N1 < N2 tức là ánh sáng đi từ môi trường có chiết quang hơn sang môi trường có chiết quang kém. Suy ra d’>d. Ảnh S’ nằm trên vật S.
Dạng 3: Bản mặt song song
– Khái niệm về bán mặt song song: là lớp môi trường trong suốt, giới hạn bởi hai mặt phẳng song song với nhau.
– Tính chất của bán mặt song song:
+ Tia ló ra môi trường luôn với tia tới và bị lệch ra khỏi phương ban đầu.
+ Độ lớn của vật và ảnh bằng nhau.
– Công thức độ dịch chuyển của vật ảnh và độ dời ngang cho bản mặt song song là hệ thống hai lưỡng mặt phẳng.
+ Độ dời ảnh: Gọi S’ là anh của S qua bán mặt, độ dời ảnh là: δ=SS’
Ta có: δ = SS’= II’ = IH – I’H = e – I’H
Mà: JH = I’H.tan i = IH.tan r hay I’H.sin i = IH.sin r
→ IHI’H = sin i.sin r = n ⟹I’H = IH.n = e.n
Vậy: δ = SS’ = e.(1-1n)
Chú ý: Khoảng dời ảnh δ không bị phụ thuốc với vị trí đặt vật. Ảnh luôn dời theo chiều của ánh sáng tới.
– Độ dời ngang của tia sáng
Khi tia sáng đi qua bán mặt song song thì không đổi phương, nhưng có dời ngang. Độ dời ngang của tia sáng là khoảng cách của tia tới và tia ló: d = IM
Xét: ΔIJM: d = IM = IJ.sin(i-r)
Ta có ΔIJN: cos r = INIJ⟶IJ=INcos r = e.cos r
Vậy: d = e.sin(i-r).cos r
Dạng 4. Phản xạ toàn phần
– Định nghĩa của phản xạ toàn phần: phản xạ toàn phần là hiện tượng phản xạ toàn bộ tia sáng tới, xảy ra ở mặt phân cách của hai môi trường trong suốt.
– Điều kiện xảy ra phản xạ toàn phần:
+ Tia sáng chiếu tới phải truyền từ môi trường có chiết quang hơn, sang môi trường có chiếc quang kém
+ Góc tới i ≤ igh (igh là góc giới hạn toàn phần)
Trong đó: Sin igh = 1 /N
Để học tốt khúc xạ ánh sáng cần phải nắm rõ những dạng, những lý thuyết trên rồi áp dụng vào các bài tập. Gia Sư Việt hi vọng những chia sẻ vừa rồi sẽ giúp các em nắm bắt toàn bộ những khái niệm, ứng dụng và làm bài tập về Khúc xạ ánh sáng hiệu quả nhất.
Tham khảo thêm:
♦ Làm sao để học tốt chuyên đề “Điên nặng” môn Vật lý lớp 12?
♦ Dao động cơ học là gì? Kinh nghiệm làm bài thi về Dao động cơ
