MỤC TIÊU
- Thực hiện thí nghiệm chứng tỏ được khi truyền từ môi trường này sang môi trường khác, tia sáng có thể bị khúc xạ (bị lệch khỏi phương truyền ban đầu).
- Thực hiện được thí nghiệm để rút ra và phát biểu được định luật khúc xạ ánh sáng.
- Nêu được chiết suất có giá trị bằng tỉ số tốc độ ánh sáng trong không khí (hoặc chân không) với tốc độ ánh sáng trong môi trường.
- Vận dụng được biểu thức n = sin i / sin r trong một số trường hợp đơn giản.
- Vận dụng kiến thức về sự khúc xạ ánh sáng, giải thích được một số hiện tượng đơn giản thường gặp trong thực tế.
TÓM TẮT KIẾN THỨC
Khởi động
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?
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
Thí nghiệm tìm hiểu hiện tượng khúc xạ ánh sáng
1.1. Chuẩn bị: hộp nhựa trong chứa nước, nguồn sáng laser, tấm nhựa.
1.2. Tiến hành thí nghiệm:
- Bước 1: Bố trí thí nghiệm như Hình 4.1.
- Bước 2: Chiếu tia sáng sát bề mặt tấm nhựa để tạo ra một vết sáng trên tấm nhựa từ không khí theo phương xiên góc đến mặt nước. Quan sát đường đi của tia sáng.
1.3. Kết quả thí nghiệm: khi truyền từ không khí sang nước, tia sáng bị lệch khỏi phương truyền ban đầu tại mặt nước.
Thực hiện thí nghiệm với các cặp môi trường trong suốt khác nhau, người ta vẫn thu được kết quả tia sáng bị lệch khỏi phương truyền ban đầu tại mặt phân cách giữa hai môi trường. Hiện tượng này gọi là hiện tượng khúc xạ ánh sáng.
Củng cố kiến thức
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 truyển ban đầu khi đi từ không khí vào nước.
- Tia sáng mặt trời bị hắt trở lại môi trường cũ khi gặp mặt nước: hiện tượng phản xạ ánh sáng.
- Tia sáng mặt trời bị lệch khỏi phương truyển ban đầu khi đi từ không khí vào nước: hiện tượng khúc xạ ánh sáng.
=> Hiện tượng liên quan đến sự khúc xạ ánh sáng là hiện tượng tia sáng mặt trời bị lệch khỏi phương truyền ban đầu khi đi từ không khí vào nước.
Ghi nhớ
Khi truyền từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác, tia sáng có thế bị khúc xạ (bị lệch khỏi phương truyền ban đầu) tại mặt phân cách giữa hai môi trường.
Hình 4.2 mô tả đường đi của tia sáng từ không khí vào nước.
Trong đó:
- PQ : mặt phân cách giữa hai môi trường.
- SI : tia tới.
- I : điểm tới.
- IR : tia khúc xạ.
- NN' : pháp tuyến tại điểm tới I.
- i = SIN : góc tới.
- r = RIN' : góc khúc xạ.
Mặt phẳng chứa tia tới và pháp tuyến tại điểm tới được gọi là mặt phẳng tới.
2. Định luật khúc xạ ánh sáng
Thí nghiệm tìm hiểu định luật khúc xạ ánh sáng
2.1. Chuẩn bị: hộp nhựa trong chứa nước, nguôn sáng laser, tấm nhựa có in vòng tròn chia độ.
2.2. Tiến hành thí nghiệm:
- Bước 1: Bố trí thí nghiệm như Hình 4.3.
- Bước 2: Chiếu tia tới sát bề mặt tầm nhựa để tạo ra một vết sáng trên tấm nhựa hướng đến tâm của vòng tròn chia độ dưới góc tới 60°. Điều chỉnh nguồn sáng sao cho tia tới và tia khúc xạ cùng nằm trên mặt phẳng tới.
- Bước 3: Thay đổi các giá trị của góc tới i lần lượt là 45°, 30°, 20° (các tia sáng ở cùng một bên pháp tuyến). Ghi giá trị góc khúc xạ r tương ứng theo mẫu Bảng 4.1.
1.3. Kết quả thí nghiệm: khi góc tới i tăng (hoặc giảm) thì góc khúc xạ r cũng tăng (hoặc giảm) theo nhưng tỉ số sin i / sin r luôn không đổi.
Khi thực hiện thí nghiệm với các cặp môi trường trong suốt khác, người ta đểu thấy kết luận trên vẫn đúng.
Ghi nhớ
Định luật khúc xạ ánh sáng:
- Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới và ở bên kia pháp tuyến so với tia sáng tới.
- Đối với hai môi trường trong suốt nhất định, tỉ số giữa sin góc tới (sin i) và sin góc khúc xạ (sin r) là một hằng số.
3. Chiết suất của môi trường
3.1. Tìm hiểu chiết suất của môi trường
Theo lí thuyết về ánh sáng, chiết suất n của một môi trường trong suốt được xác định bằng tỉ số giữa tốc độ của ánh sáng trong chân không (hoặc không khí) với tốc độ ánh sáng trong môi trường đó.
\[n = \frac{c}{v}\]
Trong đó c = 300 000 km/s là tốc độ của ánh sáng trong chân không (hoặc không khí), v là tốc độ của ánh sáng trong môi trường đó.
Như vậy, chiết suất n của một môi trường cho biết tốc độ ánh sáng truyền trong môi trường đó nhỏ hơn bao nhiêu lần so với tốc độ ánh sáng trong chân không. Chiết suất tỉ đối của môi trường 2 đối với môi trường 1 bằng tỉ số giữa các tốc độ truyền ánh sáng v1 và v2 trong môi trường 1 và môi trường 2.
\[{n_{21}} = \frac{{{v_1}}}{{{v_2}}} = \frac{{{n_2}}}{{{n_1}}}\]
Trong đó n1, n2 là chiết suất của môi trường 1 và môi trường 2.
Với hai môi trường trong suốt nhất định, tỉ số giữa sin góc tới và sin góc khúc xạ là hằng số:
\[\frac{{\sin i}}{{\sin r}} = {n_{21}}\]
Hằng số n21 được là gọi chiết suất tỉ đối của môi trường chứa tia khúc xạ (môi trường 2) đối với môi trường chứa tia tới (môi trường 1).
Ghi nhớ
Chiết suất của một môi trường có giá trị bằng tỉ số tốc độ ánh sáng trong chân không (hoặc không khí) với tốc độ ánh sáng trong môi trường đó.
Củng cố kiến thức
Cho biết tốc độ ánh sáng truyền trong không khí là 300 000 km/s; trong thuỷ tinh là 197 368 km/s. Hãy tính chiết suất của thuỷ tinh.
Chiết suất của thủy tinh là:
\[{n_{21}} = \frac{{{v_1}}}{{{v_2}}} = \frac{{300000}}{{197368}} = 1,52\]
3.2. Vận dụng định luật khúc xạ ánh sáng trong một số trường hợp đơn giản
Ví dụ 1: Biết góc tới i, góc khúc xạ r, tính chiết suất n.
Một tia sáng truyền từ không khí dưới góc tới i = 30° vào thuỷ tinh. Biết góc khúc xạ r = 19°.
Tính chiết suất của thuỷ tinh.
Ta có: \[n = \frac{{\sin i}}{{\sin r}} = \frac{{\sin {{30}^o}}}{{\sin {{19}^o}}} = 1,54\]
Ví dụ 2: Hiện tượng “nâng ảnh” do khúc xạ ánh sáng.
Nhúng một ống hút AB vào cốc nước như Hình 4.4. Các tia sáng xuất phát từ đẩu A, truyền trong nước, khúc xạ ở mặt phân cách nước - không khí rồi truyền đến mắt người quan sát. Mắt nhìn tia khúc xạ thấy đầu A của ống hút như nằm ở vị trí A', gẩn mặt nước hơn.
Hiện tượng này thường gặp trong thực tế.
Vận dụng kiến thức
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.
Củng cố kiến thức
Trả lời câu hỏi đã nêu ở phần Mở đầu bài học.
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?
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.
BÀI TẬP
Đang cập nhật
