Bài học

Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là gì

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em nhận biết được hiện tượng khúc xạ ánh sáng khi ánh sáng truyền từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác, gọi đúng tên các yếu tố tia tới, tia khúc xạ, pháp tuyến, điểm tới, và phân biệt được khúc xạ với phản xạ ánh sáng.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở lớp 7, em đã học định luật truyền thẳng ánh sáng: trong một môi trường trong suốt và đồng tính, ánh sáng truyền theo đường thẳng. Em cũng đã học phản xạ ánh sáng trên gương phẳng, với góc phản xạ luôn bằng góc tới. Bài này xét một tình huống khác hẳn: điều gì xảy ra khi tia sáng không dừng lại ở mặt gương mà tiếp tục xuyên qua, đi từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác?

Khởi động

Nhúng một chiếc đũa nghiêng vào cốc nước trong, rồi nhìn từ trên xuống. Phần đũa ở dưới nước như bị gãy khúc ngay tại mặt nước, dù chiếc đũa vẫn hoàn toàn thẳng. Mắt em không hề nói dối — vậy điều gì đã đánh lừa mắt?

Kiến thức trọng tâm

Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng tia sáng bị đổi hướng đột ngột khi truyền từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác, tại mặt phân cách giữa hai môi trường đó. Điểm tia sáng gặp mặt phân cách gọi là điểm tới (kí hiệu I). Đường thẳng vuông góc với mặt phân cách tại I gọi là pháp tuyến. Tia sáng đi tới I gọi là tia tới (SI); tia sáng tiếp tục truyền sau khi đổi hướng gọi là tia khúc xạ (IK). Góc hợp bởi tia tới và pháp tuyến là góc tới (i); góc hợp bởi tia khúc xạ và pháp tuyến là góc khúc xạ (r). Tia tới, pháp tuyến và tia khúc xạ luôn nằm trong cùng một mặt phẳng, gọi là mặt phẳng tới.

Khúc xạ khác phản xạ ở một điểm cốt lõi: phản xạ là ánh sáng bị bật ngược lại đúng môi trường ban đầu, còn khúc xạ là ánh sáng vẫn xuyên qua mặt phân cách để tiếp tục truyền sang môi trường thứ hai, chỉ có hướng truyền bị lệch đi. Trong thực tế hai hiện tượng này gần như luôn xảy ra đồng thời tại một mặt phân cách: một phần năng lượng ánh sáng phản xạ trở lại, phần còn lại khúc xạ truyền tiếp. Khi nhìn một mặt hồ, em vừa thấy cảnh vật phản chiếu (phản xạ), vừa nhìn xuyên được xuống đáy hồ nếu nước đủ trong (khúc xạ) — cả hai đang diễn ra cùng lúc.

**Khúc xạ ánh sáng** là hiện tượng tia sáng bị đổi hướng đột ngột khi truyền từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác, tại mặt phân cách giữa hai môi trường đó. Điểm tia sáng gặp mặt phân cách gọi là **điểm tới** (kí hiệu I). Đường thẳng vuông góc với mặt phân cách tại I gọi là **pháp tuyến**. Tia sáng đi tới I gọi là **tia tới** (SI); tia sáng tiếp tục truyền sau khi đổi hướng gọi là **tia khúc xạ** (IK). Góc hợp bởi tia tới và pháp tuyến là **góc tới** (i); góc hợp bởi tia khúc xạ và pháp tuyến là **góc khúc xạ** (r). Tia tới, pháp tuyến và tia khúc xạ luôn nằm trong cùng một mặt phẳng, gọi là mặt phẳng tới. Khúc xạ khác phản xạ ở một điểm cốt lõi: phản xạ là ánh sáng bị bật ngược lại đúng môi trường ban đầu, còn khúc xạ là ánh sáng vẫn xuyên qua mặt phân cách để tiếp tục truyền sang môi trường thứ hai, chỉ có hướng truyền bị lệch đi. Trong thực tế hai hiện tượng này gần như luôn xảy ra đồng thời tại một mặt phân cách: một phần năng lượng ánh sáng phản xạ trở lại, phần còn lại khúc xạ truyền tiếp. Khi nhìn một mặt hồ, em vừa thấy cảnh vật phản chiếu (phản xạ), vừa nhìn xuyên được xuống đáy hồ nếu nước đủ trong (khúc xạ) — cả hai đang diễn ra cùng lúc.

Ví dụ

Giải thích vì sao chiếc đũa trong cốc nước như bị gãy

1
Một chiếc đũa cắm nghiêng vào cốc nước trong. Nhìn từ trên xuống, phần đũa dưới nước có vẻ bị gãy khúc ngay tại mặt nước. Hãy giải thích hiện tượng này.
2
Ánh sáng phản chiếu từ phần đũa nằm dưới nước phải đi qua mặt phân cách nước – không khí trước khi tới mắt. Tại mặt phân cách này, tia sáng bị khúc xạ, đổi hướng truyền so với đường đi ban đầu trong nước.
3
Mắt người có thói quen "dựng ngược" đường đi của tia sáng thành một đường thẳng để xác định vị trí vật. Vì tia sáng đã đổi hướng tại mặt nước, đường thẳng dựng ngược đó không trùng với vị trí thật của phần đũa dưới nước, khiến ảnh của đũa như bị lệch — tạo cảm giác đũa gãy khúc đúng tại mặt nước.
4
Chiếc đũa không hề cong hay gãy thật; chỉ có đường truyền ánh sáng từ nó tới mắt bị đổi hướng do khúc xạ, khiến mắt suy luận sai vị trí của phần đũa nằm dưới nước.

Ví dụ

Vì sao đáy hồ bơi trông có vẻ nông hơn thực tế

1
Nhiều người mới học bơi ước lượng đáy hồ bơi nông hơn hẳn so với độ sâu thật ghi trên biển báo. Hãy giải thích nguyên nhân vật lí của việc ước lượng sai này.
2
Ánh sáng phản chiếu từ đáy hồ phải truyền từ nước ra không khí để đến mắt người quan sát trên bờ. Tại mặt nước, chùm tia này bị khúc xạ, đổi hướng truyền.
3
Do mắt luôn suy ra vị trí vật bằng cách kéo dài ngược tia khúc xạ thành đường thẳng, trong khi tia sáng thật lại đi theo một đường gấp khúc tại mặt nước, ảnh của đáy hồ mà mắt "nhìn thấy" bị dựng ở vị trí nông hơn vị trí thật.
4
Đây chính là lí do các biển báo độ sâu hồ bơi luôn nhấn mạnh "độ sâu thực tế lớn hơn cảm nhận bằng mắt" — người bơi không nên chỉ tin vào ước lượng bằng mắt khi đánh giá độ sâu vùng nước lạ.

Sai lầm thường gặp

Nhiều học sinh nhầm khúc xạ với phản xạ vì cả hai đều làm ánh sáng "đổi hướng". Hãy phân biệt rạch ròi: phản xạ đưa ánh sáng bật ngược lại đúng môi trường cũ; khúc xạ đưa ánh sáng xuyên tiếp sang môi trường mới, chỉ đổi hướng truyền khi đi qua mặt phân cách.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Khúc xạ: ánh sáng đổi hướng khi xuyên qua mặt phân cách hai môi trường trong suốt khác nhau. Góc tới, góc khúc xạ đo so với pháp tuyến, không phải mặt phân cách. Khúc xạ khác phản xạ: khúc xạ truyền tiếp sang môi trường mới, phản xạ bật lại môi trường cũ.

Bài tiếp theo học cách vẽ đúng hình biểu diễn khúc xạ — quy tắc đặt pháp tuyến, xác định phía tia khúc xạ bị lệch, và một tính chất thú vị: đường truyền ánh sáng có thể đảo ngược được.