Bài 4. Khúc xạ ánh sáng
Trang bìa
Trang bìa
Ảnh
BÀI 4. KHÚC XẠ ÁNH SÁNG
Mở đầu
Câu hỏi
Đặt cây bút chì vào một bát nước như hình bên. Vì sao ta thấy cây bút chì dường như bị gãy tại mặt nước?
Ảnh
Ánh sáng từ phần bút chì trong nước không còn chiếu thẳng vào mắt ta mà bị gãy khúc, lệch hướng truyền sáng khi đi ra khỏi mặt nước rồi mới truyền vào mắt ta. Từ đó ta nhìn thấy cây bút như bị gãy tại mặt nước
1.Hiện tượng khúc xạ ánh sáng
1.1.Lý thuyết
Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng lệch phương (gãy) của các tia sáng khi truyền xiên góc qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt khác nhau
Định nghĩa:
Ảnh
Ta có: SI là tia tới. +) I là điểm tới. +) N’IN là pháp tuyến với mặt phân cách tại I. +) IR là tia khúc xạ. +) IS’ là tia phản xạ. +) i là góc tới, r là góc khúc xạ.
1.2.Tiến hành thí nghiệm
Tiến hành thí nghiệm (Hình 4.1) và nêu nhận xét về đường đi của tia sáng từ không khí vào nước.
Ảnh
- Trong môi trường nước và không khi, tia sáng truyền thẳng. - Tại mặt phân cách giữa hai môi trường không khí và nước, tia sáng truyền bị lệch khỏi phương truyền ban đầu tại mặt nước.
1.3.Hiện tuợng khúc xạ ánh sáng
Hiện tượng nào sau đây liên quan đến sự khúc xạ ánh sáng? - Tia sáng mặt trời bị hắt trở lại môi trường cũ khi gặp mặt nước. - Tia sáng mặt trời bị lệch khỏi phương truyền ban đầu khi đi từ không khí vào nước.
Trả lời: - Tia sáng mặt trời bị hắt trở lại môi trường cũ khi gặp mặt nước ⇒Liên quan tới hiện tượng phản xạ ánh sáng. - Tia sáng mặt trời bị lệch khỏi phương truyền ban đầu khi đi từ không khí vào nước ⇒Liên quan đến sự khúc xạ ánh sáng.
1.4.Liên hệ thực tế
Ảnh
Thảo luận nhóm phân tích hiện tượng khúc xá ánh sáng trong hình:
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.
2.Định luật khúc xạ ánh sáng
2.1.Lý thuyết
Định luật khúc 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)
Định nghĩa:
2.1.Biểu thức
Biểu thức được biểu diễn:
LATEX((sini)/(sinr))=
LATEX((n2)/(n1))=
hằng số
Ảnh
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 . n1 chính là chiết suất của môi trường 1. n2 sẽ là chiết suất của môi trường 2.
2.3. Tiến hành thí nghiệm
Tiến hành thí nghiệm (Hình 4.3) và cho biết tia khúc xạ và tia tới nằm cùng một bên hay khác bên của pháp tuyến.
Ảnh
Tia khúc xạ và tia tới nằm ở hai bên khác nhau của pháp tuyến.
2.4.Tỉ số góc
Hoàn thành Bảng 4.1, từ đó nêu nhận xét về tỉ số
LATEX((sini)/(sinr)) khi góc tới i thay đổi
Ảnh
Trả lời:
Ảnh
Nhận xét về tỉ số LATEX((sini)/(sinr)) khi góc tới i thay đổi: tỉ số LATEX((sini)/(sinr)) xấp xỉ bằng nhau
3.Chiết suất của môi trường
3.1.Lý thuyết
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.
Lý thuyết:
3.2.Chỉ số chiết suất
Ảnh
3.3.Chiết suất tỉ đối
Trong định luật khúc xạ ánh sáng, tỉ số LATEX((sini)/(sinr)) 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).
Chiết suất tỉ đối
Biểu thức xác định:
LATEX((sini)/(sinr))= 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).
3.4.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.
Định nghĩa:
Hệ thức biểu diễn chiết xuất của một môi trường:
LATEX(c/v)=n
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.
3.5.Luyện tập 1
Cho biết tốc độ ánh sáng truyền trong không khí là 300 000 km/s; trong thủy tinh là 197 368 km/s. Hãy tính chiết suất của thủy tinh.
Chiết suất của thủy tinh là:
n21= LATEX((v1)/(v2)) = LATEX(300000/197368)= 1,52
Trả lời:
3.6.Luyện tập 2
Trả lời câu hỏi đã nêu ở phần Mở đầu bài học
Các tia sáng xuất phát từ phần đầu bút chì nằm trong nước, truyền thẳng trong nước nhưng bị khúc xạ ngay tại mặt phân cách giữa nước và không khí, rồi truyền thẳng đến mắt người quan sát ở môi trường không khí. Nên mắt người quan sát sẽ nhìn thấy ảnh của đầu bút chì nằm gần mặt nước hơn, cảm giác dường như bút chì bị gãy tại mặt nước.
Ảnh
3.7.Vận dụng
Vì sao khi đứng trên thành hồ bơi, ta lại thấy đáy hồ bơi có vẻ gần mặt nước hơn so với thực tế?
Các tia sáng xuất phát từ đáy hồ bơi, truyền thẳng trong nước, nhưng bị khúc xạ ngay tại mặt phân cách giữa nước và không khí rồi truyền thẳng đến mắt người quan sát ở môi trường không khí. Do vậy, mắt người quan sát sẽ nhìn thấy ảnh của đáy hồ bơi có vẻ gần mặt nước hơn so với thực tế.
Ảnh
4.Bài tập về nhà
Bài tập 1
Bài 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 = 30º
Hướng dẫn giải: Theo đề bài ta có: n1=4/3, n2=1,5, i = 30º. Áp dụng công thức: n1.sin(i) = n2.sin(r) 4/3.sin (30º) = 1,5.sin(r) r ≈ 26,4º D = i – r = 30º – 26,4º = 3,6º
Dặn dò
Dặn dò
Ảnh
Dặn dò:
Các về hoàn thành bài tập và nộp lại cho lớp trưởng nhé!
Cảm ơn
Ảnh