Đây là bản xem thử. Phiên bản đầy đủ trong ứng dụng có bài tập, AI chấm ngay và theo dõi tiến độ học.
Bài học
Khúc xạ ánh sáng — ôn tập hiện tượng và quan hệ góc
Mục tiêu bài học
Sau bài này, em giải thích được hiện tượng khúc xạ ánh sáng khi truyền qua mặt phân cách hai môi trường trong suốt, xác định đúng chiều lệch của tia khúc xạ, và đọc hiểu được mối quan hệ giữa góc tới và góc khúc xạ qua bảng số liệu thí nghiệm.
Kiến thức nền cần nhớ
Ở phần quang học đầu chương trình, em đã học khái niệm tia tới, tia khúc xạ, pháp tuyến, và nhận biết hiện tượng khúc xạ qua các ví dụ quen thuộc (đũa như bị gãy khúc trong cốc nước, cá trông có vẻ nông hơn độ sâu thật). Bài này ôn tập và đi sâu vào quan hệ định lượng giữa hai góc.
Khởi động
Khi cắm một chiếc đũa vào cốc nước rồi nhìn nghiêng, ta thấy đũa như bị gãy khúc tại mặt nước. Ánh sáng không hề đổi hướng đột ngột theo kiểu "gãy" — vậy điều gì thực sự xảy ra với tia sáng tại đó?
Kiến thức trọng tâm
Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng tia sáng bị đổi phương truyền khi đi qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt khác nhau (ví dụ không khí và nước, không khí và thuỷ tinh). Ba yếu tố cần nắm: tia tới là tia sáng đi tới mặt phân cách; tia khúc xạ là tia sáng đã đổi phương sau khi qua mặt phân cách; pháp tuyến là đường thẳng vuông góc với mặt phân cách tại điểm tới. Góc tới $i$ là góc giữa tia tới và pháp tuyến; góc khúc xạ $r$ là góc giữa tia khúc xạ và pháp tuyến.
Quy luật lệch: khi ánh sáng truyền từ môi trường kém chiết quang (không khí) sang môi trường chiết quang hơn (nước, thuỷ tinh), tia khúc xạ lệch lại GẦN pháp tuyến hơn so với tia tới, nghĩa là $r < i$. Ngược lại, khi ánh sáng truyền từ môi trường chiết quang hơn ra môi trường kém chiết quang hơn (nước ra không khí), tia khúc xạ lệch XA pháp tuyến hơn, tức $r > i$. Có một trường hợp đặc biệt: khi tia tới vuông góc với mặt phân cách ($i = 0°$), ánh sáng truyền thẳng, không bị khúc xạ ($r = 0°$).
Chính vì tia sáng đổi phương tại mặt nước theo quy luật này mà mắt ta nhìn thấy chiếc đũa như gãy, và nhìn thấy con cá ở vị trí nông hơn vị trí thật của nó dưới nước — ảnh mắt thu được là do não bộ ngoại suy theo đường thẳng của tia khúc xạ đi vào mắt, chứ không theo đường đi thật (có khúc xạ) của ánh sáng.
Quy luật lệch gắn liền với khái niệm chiết quang: môi trường nào làm ánh sáng đi chậm hơn (như nước, thuỷ tinh so với không khí) được gọi là chiết quang hơn, và luôn là nơi tia khúc xạ lệch gần pháp tuyến. Nhờ quy tắc này, chỉ cần so sánh $i$ và $r$ đo được trong một thí nghiệm, ta có thể suy ngược lại môi trường nào chiết quang hơn mà không cần biết trước tên môi trường — đây chính là cách các nhà khoa học từng xác định tính chất quang học của những chất mới.
Số liệu thí nghiệm cho thấy r luôn nhỏ hơn i khi ánh sáng đi từ không khí (kém chiết quang) vào nước (chiết quang hơn)
Ví dụ
Xác định chiều lệch của tia khúc xạ
1
Chiếu một tia sáng từ không khí vào nước với góc tới $i = 45°$. Biết góc khúc xạ đo được là $32°$. Hãy cho biết tia khúc xạ lệch gần hay xa pháp tuyến hơn so với tia tới.
2
Ta có $i = 45° > r = 32°$.
3
Ánh sáng truyền từ không khí (kém chiết quang) sang nước (chiết quang hơn) nên tia khúc xạ lệch GẦN pháp tuyến hơn tia tới, đúng như quy luật $r < i$ quan sát được ở đây.
4
Vậy tia khúc xạ lệch gần pháp tuyến hơn so với tia tới, phù hợp vì ánh sáng đi vào môi trường chiết quang hơn.
Ví dụ
Đọc bảng số liệu góc tới — góc khúc xạ
1
Một thí nghiệm đo được các cặp góc khi ánh sáng truyền từ không khí vào nước: $i = 30°$ thì $r = 22°$; $i = 45°$ thì $r = 32°$; $i = 60°$ thì $r = 40°$. (a) Nhận xét mối quan hệ giữa $i$ và $r$. (b) So sánh $r$ và $i$ tại mọi giá trị trong bảng, giải thích vì sao.
2
Quan sát bảng số liệu: khi $i$ tăng dần ($30° \to 45° \to 60°$) thì $r$ cũng tăng dần ($22° \to 32° \to 40°$), nhưng $r$ tăng chậm hơn $i$ — không tỉ lệ thuận.
3
Tại mọi cặp giá trị trong bảng đều có $r < i$, vì ánh sáng truyền từ không khí (kém chiết quang) sang nước (chiết quang hơn) nên tia khúc xạ luôn lệch gần pháp tuyến hơn tia tới.
4
Vậy $r$ luôn nhỏ hơn $i$ trong toàn bộ bảng, và $r$ tăng cùng chiều nhưng không tỉ lệ thuận với $i$ — đúng quy luật khúc xạ khi ánh sáng đi vào môi trường chiết quang hơn.
Ví dụ
Xác định môi trường chiết quang hơn qua so sánh hai góc
1
Một tia sáng truyền từ môi trường A sang môi trường B, đo được góc tới $i = 50°$ và góc khúc xạ $r = 60°$. Hỏi môi trường nào (A hay B) chiết quang hơn?
2
Ta có $r = 60° > i = 50°$, nghĩa là góc khúc xạ lớn hơn góc tới.
3
Tia khúc xạ lệch XA pháp tuyến hơn so với tia tới ($r > i$), điều này chỉ xảy ra khi ánh sáng truyền từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường kém chiết quang hơn — nghĩa là môi trường A chiết quang hơn môi trường B.
4
Vậy môi trường A chiết quang hơn môi trường B, dựa hoàn toàn vào việc so sánh $i$ và $r$ mà không cần biết trước tên của hai môi trường.
Sai lầm thường gặp
Nhiều học sinh nghĩ góc tới luôn bằng góc khúc xạ, nhầm với định luật phản xạ ánh sáng (nơi góc phản xạ MỚI bằng góc tới). Khúc xạ và phản xạ là hai hiện tượng khác nhau: phản xạ giữ nguyên góc, khúc xạ làm thay đổi góc.
Luyện tập có hướng dẫn
Luyện tập độc lập
Kiểm tra nhanh
Ghi nhớ
Khúc xạ là hiện tượng tia sáng đổi phương khi qua mặt phân cách hai môi trường; đi vào môi trường chiết quang hơn thì $r < i$, đi ra môi trường kém chiết quang hơn thì $r > i$; khi $i=0°$ tia truyền thẳng không đổi phương.
Bài tiếp theo áp dụng chính hiện tượng khúc xạ này vào thấu kính — dụng cụ dùng sự bẻ cong ánh sáng có kiểm soát để tạo ảnh.
Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng tia sáng bị đổi phương truyền khi đi qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt khác nhau (ví dụ không khí và nước, không khí và thuỷ tinh). Ba yếu tố cần nắm: tia tới là tia sáng đi tới mặt phân cách; tia khúc xạ là tia sáng đã đổi phương sau khi qua mặt phân cách; pháp tuyến là đường thẳng vuông góc với mặt phân cách tại điểm tới. Góc tới i là góc giữa tia tới và pháp tuyến; góc khúc xạ r là góc giữa tia khúc xạ và pháp tuyến.
Quy luật lệch: khi ánh sáng truyền từ môi trường kém chiết quang (không khí) sang môi trường chiết quang hơn (nước, thuỷ tinh), tia khúc xạ lệch lại GẦN pháp tuyến hơn so với tia tới, nghĩa là r<i. Ngược lại, khi ánh sáng truyền từ môi trường chiết quang hơn ra môi trường kém chiết quang hơn (nước ra không khí), tia khúc xạ lệch XA pháp tuyến hơn, tức r>i. Có một trường hợp đặc biệt: khi tia tới vuông góc với mặt phân cách (i=0°), ánh sáng truyền thẳng, không bị khúc xạ (r=0°).
Chính vì tia sáng đổi phương tại mặt nước theo quy luật này mà mắt ta nhìn thấy chiếc đũa như gãy, và nhìn thấy con cá ở vị trí nông hơn vị trí thật của nó dưới nước — ảnh mắt thu được là do não bộ ngoại suy theo đường thẳng của tia khúc xạ đi vào mắt, chứ không theo đường đi thật (có khúc xạ) của ánh sáng.
Quy luật lệch gắn liền với khái niệm chiết quang: môi trường nào làm ánh sáng đi chậm hơn (như nước, thuỷ tinh so với không khí) được gọi là chiết quang hơn, và luôn là nơi tia khúc xạ lệch gần pháp tuyến. Nhờ quy tắc này, chỉ cần so sánh i và r đo được trong một thí nghiệm, ta có thể suy ngược lại môi trường nào chiết quang hơn mà không cần biết trước tên môi trường — đây chính là cách các nhà khoa học từng xác định tính chất quang học của những chất mới.
Chiếu một tia sáng từ không khí vào nước với góc tới i=45°. Biết góc khúc xạ đo được là 32°. Hãy cho biết tia khúc xạ lệch gần hay xa pháp tuyến hơn so với tia tới.
Ta có i=45°>r=32°.
Ánh sáng truyền từ không khí (kém chiết quang) sang nước (chiết quang hơn) nên tia khúc xạ lệch GẦN pháp tuyến hơn tia tới, đúng như quy luật r<i quan sát được ở đây.
Một thí nghiệm đo được các cặp góc khi ánh sáng truyền từ không khí vào nước: i=30° thì r=22°; i=45° thì r=32°; i=60° thì r=40°. (a) Nhận xét mối quan hệ giữa i và r. (b) So sánh r và i tại mọi giá trị trong bảng, giải thích vì sao.
Quan sát bảng số liệu: khi i tăng dần (30°→45°→60°) thì r cũng tăng dần (22°→32°→40°), nhưng r tăng chậm hơn i — không tỉ lệ thuận.
Tại mọi cặp giá trị trong bảng đều có r<i, vì ánh sáng truyền từ không khí (kém chiết quang) sang nước (chiết quang hơn) nên tia khúc xạ luôn lệch gần pháp tuyến hơn tia tới.
Vậy r luôn nhỏ hơn i trong toàn bộ bảng, và r tăng cùng chiều nhưng không tỉ lệ thuận với i — đúng quy luật khúc xạ khi ánh sáng đi vào môi trường chiết quang hơn.
Một tia sáng truyền từ môi trường A sang môi trường B, đo được góc tới i=50° và góc khúc xạ r=60°. Hỏi môi trường nào (A hay B) chiết quang hơn?
Ta có r=60°>i=50°, nghĩa là góc khúc xạ lớn hơn góc tới.
Tia khúc xạ lệch XA pháp tuyến hơn so với tia tới (r>i), điều này chỉ xảy ra khi ánh sáng truyền từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường kém chiết quang hơn — nghĩa là môi trường A chiết quang hơn môi trường B.
Vậy môi trường A chiết quang hơn môi trường B, dựa hoàn toàn vào việc so sánh i và r mà không cần biết trước tên của hai môi trường.
Khúc xạ là hiện tượng tia sáng đổi phương khi qua mặt phân cách hai môi trường; đi vào môi trường chiết quang hơn thì r<i, đi ra môi trường kém chiết quang hơn thì r>i; khi i=0° tia truyền thẳng không đổi phương.