Hình ảnh trong thấu kính, hoạt động của các dụng cụ như kính hiển vi và kính thiên văn, hiện tượng cầu vồng và nhận thức đánh lừa về độ sâu của một vùng nước đều là những ví dụ về hiện tượng khúc xạ ánh sáng. Các luật mô tả hiện tượng này được thảo luận trong bài viết này.
Hiện tượng khúc xạ
Trước khi xem xét các định luật khúc xạ ánh sáng trong vật lý, chúng ta hãy làm quen với bản chất của chính hiện tượng đó.
Như bạn đã biết, nếu môi trường đồng nhất tại tất cả các điểm trong không gian, thì ánh sáng sẽ di chuyển trong nó theo một đường thẳng. Sự khúc xạ của con đường này xảy ra khi một chùm ánh sáng đi qua một góc của mặt phân cách giữa hai vật liệu trong suốt, chẳng hạn như thủy tinh và nước hoặc không khí và thủy tinh. Di chuyển đến một phương tiện đồng nhất khác, ánh sáng cũng sẽ chuyển động theo đường thẳng, nhưng nó sẽ hướng theo một góc nào đó so với quỹ đạo của nó trong phương tiện đầu tiên. Đây là hiện tượng khúc xạ của chùm ánh sáng.
Video dưới đây minh họa hiện tượng khúc xạ khi sử dụng thủy tinh làm ví dụ.
Điểm quan trọng ở đây là góc tới trênmặt phẳng giao diện. Giá trị của góc này quyết định xem sẽ quan sát được hiện tượng khúc xạ hay không. Nếu chùm tia rơi vuông góc với bề mặt thì khi truyền vào môi trường thứ hai, nó sẽ tiếp tục chuyển động dọc theo cùng một đường thẳng. Trường hợp thứ hai, khi không xảy ra hiện tượng khúc xạ, là các góc tới của chùm tia đi từ môi trường quang học đậm đặc hơn đến môi trường ít đặc hơn, lớn hơn giá trị tới hạn nào đó. Trong trường hợp này, năng lượng ánh sáng sẽ bị phản xạ hoàn toàn trở lại môi trường đầu tiên. Hiệu ứng cuối cùng được thảo luận bên dưới.
Định luật khúc xạ đầu tiên
Nó cũng có thể được gọi là quy luật của ba đường trong một mặt phẳng. Giả sử có một chùm sáng A rơi vào mặt phân cách giữa hai vật liệu trong suốt. Tại điểm O, chùm khúc xạ và bắt đầu chuyển động dọc theo đường thẳng B, không tiếp tục A. Nếu ta khôi phục N vuông góc với mặt phẳng phân cách đến điểm O thì định luật 1 cho hiện tượng Sự khúc xạ có thể được xây dựng như sau: chùm tia tới A, pháp tuyến N và chùm khúc xạ B nằm trong cùng một mặt phẳng, vuông góc với mặt phẳng phân cách.
Luật đơn giản này không rõ ràng. Công thức của nó là kết quả của việc tổng hợp các dữ liệu thực nghiệm. Về mặt toán học, nó có thể được suy ra bằng cách sử dụng cái gọi là nguyên tắc Fermat hoặc nguyên tắc về thời gian ít nhất.
Định luật khúc xạ thứ hai
Giáo viên vật lý ở trường thường giao cho học sinh nhiệm vụ sau: "Xây dựng định luật khúc xạ ánh sáng." Chúng tôi đã xem xét một trong số chúng, bây giờ hãy chuyển sang phần thứ hai.
Biểu thị góc giữa tia A và tia N vuông góc là θ1, góc giữa tia B và N sẽ được gọi là θ2. Chúng ta cũng tính đến tốc độ của chùm A trong môi trường 1 là v1, tốc độ của chùm B trong môi trường 2 là v2. Bây giờ chúng ta có thể đưa ra một công thức toán học của định luật thứ 2 cho hiện tượng đang được xem xét:
sin (θ1) / v1=sin (θ2) / v2.
Công thức này do Snell người Hà Lan có được vào đầu thế kỷ 17 và hiện mang họ của ông.
Một kết luận quan trọng sau biểu thức: tốc độ truyền ánh sáng trong môi trường càng lớn thì chùm sáng càng xa pháp tuyến (góc sin càng lớn).
Khái niệm chiết suất của môi trường
Công thức Snell trên hiện được viết ở dạng hơi khác, tiện lợi hơn khi giải các bài toán thực tế. Thật vậy, tốc độ v của ánh sáng trong vật chất, mặc dù nhỏ hơn tốc độ trong chân không, vẫn là một giá trị lớn mà khó có thể làm việc được. Do đó, một giá trị tương đối đã được đưa vào vật lý, đẳng thức được trình bày bên dưới:
n=c / v.
Ở đây c là tốc độ của chùm tia trong chân không. Giá trị của n cho thấy giá trị của c lớn hơn giá trị của v trong vật liệu bao nhiêu lần. Nó được gọi là chiết suất của vật liệu này.
Có tính đến giá trị đã nhập, công thức của định luật khúc xạ ánh sáng sẽ được viết lại dưới dạng sau:
sin (θ1)n1=sin (θ2)n2.
Vật liệu có giá trị lớn n,được gọi là dày đặc về mặt quang học. Khi đi qua nó, ánh sáng giảm tốc độ của nó n lần so với cùng một giá trị đối với không gian không có không khí.
Công thức này cho thấy chùm tia sẽ nằm gần với bình thường hơn trong môi trường có mật độ quang học cao hơn.
Ví dụ, chúng ta lưu ý rằng chiết suất đối với không khí gần như bằng một (1, 00029). Đối với nước, giá trị của nó là 1,33.
Phản xạ toàn phần trong môi trường quang học dày đặc
Hãy thực hiện thí nghiệm sau: hãy bắt đầu một chùm ánh sáng từ cột nước hướng tới bề mặt của nó. Vì nước đặc hơn không khí về mặt quang học (1, 33>1, 00029) nên góc tới θ1sẽ nhỏ hơn góc khúc xạ θ2. Bây giờ, chúng ta sẽ tăng dần θ1, tương ứng, θ2cũng sẽ tăng lên, đồng thời sự bất bình đẳng θ1 <θ2luôn đúng.
Sẽ có một lúc khi θ1<90ovà θ2=90o. Góc θ1này được gọi là quan trọng đối với một cặp môi trường nước và không khí. Bất kỳ góc tới nào lớn hơn góc này sẽ dẫn đến không có phần nào của chùm tia đi qua mặt phân cách nước-không khí vào một môi trường ít đặc hơn. Toàn bộ tia ở ranh giới sẽ bị phản xạ toàn phần.
Tính toán góc tới tới hạn θcđược thực hiện theo công thức:
θc=arcsin (n2/ n1).
Đối với nước phương tiện vàphát sóng lúc đó là 48, 77o.
Lưu ý rằng hiện tượng này không thể đảo ngược, tức là khi ánh sáng chuyển động từ không khí sang nước, không có góc tới hạn.
Hiện tượng được mô tả được sử dụng trong hoạt động của các sợi quang học và cùng với sự phân tán ánh sáng là nguyên nhân dẫn đến sự xuất hiện của cầu vồng sơ cấp và thứ cấp khi trời mưa.
