Bài học

Ôn tập tổng hợp: Khúc xạ ánh sáng

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em hệ thống lại toàn bộ kiến thức khúc xạ ánh sáng — hiện tượng khúc xạ, mối quan hệ góc tới/góc khúc xạ, chiết suất, phản xạ toàn phần — và giải được một bài toán tổng hợp nhiều bước theo đúng phong cách đề kiểm tra.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài này ôn lại toàn bộ bốn chương đã học: hiện tượng khúc xạ và cách vẽ đường truyền (Chương 1), quy luật góc tới – góc khúc xạ (Chương 2), chiết suất và định luật khúc xạ (Chương 3), phản xạ toàn phần và ứng dụng (Chương 4) — không nhắc lại chi tiết từng phần, chỉ định hướng ôn tập.

Khởi động

Một đề kiểm tra tổng hợp thường không hỏi riêng lẻ từng khái niệm, mà ghép nhiều khái niệm vào một bài toán duy nhất. Em đã sẵn sàng nối các mảnh kiến thức lại với nhau chưa?

Kiến thức trọng tâm

Chiết suất $n$ là đại lượng đặc trưng mức độ chiết quang của một môi trường; định luật khúc xạ $n_1 \sin i = n_2 \sin r$ cho phép tính chính xác góc khúc xạ hoặc suy ngược ra chiết suất khi biết cặp góc. Khi ánh sáng đi từ môi trường chiết quang hơn ra môi trường kém chiết quang hơn, nếu góc tới đạt tới góc tới hạn ( $\sin i_{gh} = n_2/n_1$ ) trở lên thì xảy ra phản xạ toàn phần — không còn tia khúc xạ, toàn bộ ánh sáng bị giữ lại trong môi trường ban đầu.

Ba mảnh kiến thức này giải thích trọn vẹn nhiều hiện tượng quen thuộc: đũa gãy trong nước và độ sâu biểu kiến đến từ khúc xạ; cáp quang, kim cương lấp lánh và ảo ảnh trên đường nhựa nóng đến từ phản xạ toàn phần.

Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng tia sáng đổi hướng khi truyền từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác, khác hẳn phản xạ vốn bật ánh sáng về đúng môi trường cũ. Góc tới và góc khúc xạ luôn đo so với pháp tuyến; khi góc tới tăng thì góc khúc xạ cũng tăng, và cả hai cùng bằng 0° khi ánh sáng chiếu vuông góc mặt phân cách. Chiết suất $n$ là đại lượng đặc trưng mức độ chiết quang của một môi trường; định luật khúc xạ $n_1 \sin i = n_2 \sin r$ cho phép tính chính xác góc khúc xạ hoặc suy ngược ra chiết suất khi biết cặp góc. Khi ánh sáng đi từ môi trường chiết quang hơn ra môi trường kém chiết quang hơn, nếu góc tới đạt tới góc tới hạn ($\sin i_{gh} = n_2/n_1$) trở lên thì xảy ra phản xạ toàn phần — không còn tia khúc xạ, toàn bộ ánh sáng bị giữ lại trong môi trường ban đầu. Ba mảnh kiến thức này giải thích trọn vẹn nhiều hiện tượng quen thuộc: đũa gãy trong nước và độ sâu biểu kiến đến từ khúc xạ; cáp quang, kim cương lấp lánh và ảo ảnh trên đường nhựa nóng đến từ phản xạ toàn phần.

Ví dụ

Bài toán tổng hợp: chiết suất, góc tới hạn và phản xạ toàn phần

1
Ánh sáng truyền từ không khí ( $n_1=1$ ) vào một chất lỏng chưa biết tên với góc tới $i = 50°$ , đo được góc khúc xạ $r = 30°$ (biết $\sin 50° \approx 0{,}766$ ). (a) Tính chiết suất chất lỏng. (b) Tính góc tới hạn khi ánh sáng đi ngược lại, từ chất lỏng ra không khí. (c) Nếu sau đó ánh sáng trong chất lỏng chiếu tới mặt phân cách với góc tới 60°, có xảy ra phản xạ toàn phần không?
Ánh sáng truyền từ không khí ($n_1=1$) vào một chất lỏng chưa biết tên với góc tới $i = 50°$, đo được góc khúc xạ $r = 30°$ (biết $\sin 50° \approx 0{,}766$). (a) Tính chiết suất chất lỏng. (b) Tính góc tới hạn khi ánh sáng đi ngược lại, từ chất lỏng ra không khí. (c) Nếu sau đó ánh sáng trong chất lỏng chiếu tới mặt phân cách với góc tới 60°, có xảy ra phản xạ toàn phần không?
2
Ta có $n_2 = \dfrac{n_1 \sin i}{\sin r} = \dfrac{1 \times 0{,}766}{0{,}5} \approx 1{,}53$ .
Ta có $n_2 = \dfrac{n_1 \sin i}{\sin r} = \dfrac{1 \times 0{,}766}{0{,}5} \approx 1{,}53$.
3
Ánh sáng đi ngược lại từ chất lỏng ( $n_1' = 1{,}53$ ) ra không khí ( $n_2' = 1$ ): $\sin i_{gh} = \dfrac{1}{1{,}53} \approx 0{,}653$ , nên $i_{gh} \approx 40{,}8°$ .
Ánh sáng đi ngược lại từ chất lỏng ($n_1' = 1{,}53$) ra không khí ($n_2' = 1$): $\sin i_{gh} = \dfrac{1}{1{,}53} \approx 0{,}653$, nên $i_{gh} \approx 40{,}8°$.
4
So sánh góc tới đã cho (60°) với góc tới hạn vừa tính (40,8°): vì $60° > 40{,}8°$ , và ánh sáng đang đi từ chất lỏng (chiết quang hơn) ra không khí (kém chiết quang hơn), nên thỏa cả hai điều kiện phản xạ toàn phần.
So sánh góc tới đã cho (60°) với góc tới hạn vừa tính (40,8°): vì $60° > 40{,}8°$, và ánh sáng đang đi từ chất lỏng (chiết quang hơn) ra không khí (kém chiết quang hơn), nên thỏa cả hai điều kiện phản xạ toàn phần.
5
Vậy: (a) chiết suất chất lỏng $\approx 1{,}53$ ; (b) góc tới hạn $\approx 40{,}8°$ ; (c) ở góc tới $60°$ , ánh sáng bị phản xạ toàn phần — không có tia khúc xạ nào ló ra không khí.
Vậy: (a) chiết suất chất lỏng $\approx 1{,}53$; (b) góc tới hạn $\approx 40{,}8°$; (c) ở góc tới $60°$, ánh sáng bị phản xạ toàn phần — không có tia khúc xạ nào ló ra không khí.

Ví dụ

Bài toán tổng hợp: độ sâu biểu kiến và phản xạ toàn phần

1
Một hòn sỏi nằm ở đáy hồ sâu thực tế 2 m, chiết suất nước 1,33. (a) Người đứng trên bờ nhìn gần vuông góc thấy đáy hồ có vẻ sâu bao nhiêu? (b) Nếu ánh sáng phản chiếu từ hòn sỏi đi tới mặt nước với góc tới 55° (lớn hơn góc tới hạn nước – không khí khoảng 48,8°), người đó có nhìn thấy hòn sỏi theo hướng đó không?
2
Áp dụng $h' \approx h/n = 2/1{,}33 \approx 1{,}50$ m.
Áp dụng $h' \approx h/n = 2/1{,}33 \approx 1{,}50$ m.
3
Vì góc tới 55° lớn hơn góc tới hạn 48,8°, và ánh sáng đang đi từ nước (chiết quang hơn) ra không khí (kém chiết quang hơn), nên thỏa điều kiện phản xạ toàn phần tại hướng đó.
4
Vậy: (a) đáy hồ trông sâu khoảng 1,50 m dù thực tế sâu 2 m; (b) theo hướng góc tới 55°, ánh sáng từ hòn sỏi bị phản xạ toàn phần tại mặt nước, không ló ra ngoài được — người quan sát ở hướng đó sẽ KHÔNG nhìn thấy hòn sỏi mà chỉ thấy mặt nước phản chiếu như gương.

Sai lầm thường gặp

Trong bài toán tổng hợp nhiều bước, sai lầm phổ biến nhất là nhầm chiều $n_1$ , $n_2$ giữa các câu — mỗi câu phải xác định lại rõ ánh sáng đang đi từ đâu tới đâu trước khi thay số, không được giữ nguyên vai trò $n_1$ , $n_2$ từ câu trước.

Trong bài toán tổng hợp nhiều bước, sai lầm phổ biến nhất là nhầm chiều $n_1$, $n_2$ giữa các câu — mỗi câu phải xác định lại rõ ánh sáng đang đi từ đâu tới đâu trước khi thay số, không được giữ nguyên vai trò $n_1$, $n_2$ từ câu trước.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ — kết thúc khóa học

Khúc xạ: ánh sáng đổi hướng qua mặt phân cách, r tăng theo i. Chiết suất n: mức độ chiết quang, định luật $n_1 \sin i = n_2 \sin r$ . Phản xạ toàn phần: đi từ môi trường chiết quang hơn ra kém chiết quang hơn, $i \geq i_{gh}$ với $\sin i_{gh} = n_2/n_1$ . Ba ý này giải thích được hầu hết hiện tượng khúc xạ quen thuộc trong đời sống.

Khúc xạ: ánh sáng đổi hướng qua mặt phân cách, r tăng theo i. Chiết suất n: mức độ chiết quang, định luật $n_1 \sin i = n_2 \sin r$. Phản xạ toàn phần: đi từ môi trường chiết quang hơn ra kém chiết quang hơn, $i \geq i_{gh}$ với $\sin i_{gh} = n_2/n_1$. Ba ý này giải thích được hầu hết hiện tượng khúc xạ quen thuộc trong đời sống.

Hoàn thành khóa Khúc xạ ánh sáng, em đã có nền tảng vững để học tiếp Chương Thấu kính — nơi hiện tượng khúc xạ được vận dụng để tạo ảnh qua kính lúp, kính cận, kính viễn và nhiều dụng cụ quang học khác.