Khi ánh sáng di chuyển từ một môi trường trong suốt này sang một môi trường trong suốt khác, ví dụ như Khi Tia Sáng Truyền Từ Nước Vào Không Khí Thì sẽ xảy ra hiện tượng khúc xạ ánh sáng. Hiện tượng này là sự thay đổi hướng của tia sáng khi nó truyền qua mặt phân cách giữa hai môi trường có chiết suất khác nhau.
Hiện tượng khúc xạ ánh sáng có thể quan sát dễ dàng trong cuộc sống hàng ngày. Chẳng hạn, khi bạn nhìn một chiếc ống hút cắm trong cốc nước, bạn sẽ thấy ống hút như bị gãy khúc tại mặt nước. Đó chính là do ánh sáng từ phần ống hút nằm dưới nước đã bị khúc xạ khi truyền lên mắt bạn.
Sự khúc xạ ánh sáng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó quan trọng nhất là góc tới và chiết suất của hai môi trường. Chiết suất là một đại lượng đặc trưng cho khả năng làm chậm tốc độ ánh sáng của một môi trường. Môi trường nào có chiết suất lớn hơn thì ánh sáng truyền qua môi trường đó sẽ chậm hơn.
Khi khi tia sáng truyền từ nước vào không khí thì, do nước có chiết suất lớn hơn không khí, nên tia sáng sẽ bị lệch ra xa pháp tuyến hơn. Pháp tuyến là đường thẳng vuông góc với mặt phân cách giữa hai môi trường tại điểm tới của tia sáng. Góc giữa tia tới và pháp tuyến gọi là góc tới, góc giữa tia khúc xạ và pháp tuyến gọi là góc khúc xạ.
Hiện tượng khúc xạ ánh sáng khi tia sáng đi từ môi trường nước (chiết suất cao) sang môi trường không khí (chiết suất thấp), tia khúc xạ lệch xa pháp tuyến hơn.
Công thức định luật khúc xạ ánh sáng được biểu diễn như sau:
n1 sin(i) = n2 sin(r)
Trong đó:
- n1 là chiết suất của môi trường tới (ví dụ: nước).
- n2 là chiết suất của môi trường khúc xạ (ví dụ: không khí).
- i là góc tới.
- r là góc khúc xạ.
Từ công thức trên, ta thấy khi tia sáng truyền từ nước vào không khí thì (n1 > n2), sin(r) sẽ lớn hơn sin(i), do đó góc r (góc khúc xạ) sẽ lớn hơn góc i (góc tới). Điều này có nghĩa là tia khúc xạ sẽ lệch ra xa pháp tuyến hơn so với tia tới.
Một trường hợp đặc biệt xảy ra khi tia sáng truyền từ nước vào không khí thì với góc tới đủ lớn, góc khúc xạ có thể đạt đến 90 độ. Khi đó, tia khúc xạ sẽ đi sát mặt phân cách giữa hai môi trường. Hiện tượng này gọi là hiện tượng phản xạ toàn phần.
Minh họa hiện tượng phản xạ toàn phần: khi góc tới đạt một giá trị đủ lớn, tia sáng sẽ không khúc xạ ra ngoài không khí mà bị phản xạ trở lại hoàn toàn vào trong nước.
Hiện tượng phản xạ toàn phần xảy ra khi:
- Ánh sáng truyền từ một môi trường có chiết suất lớn sang một môi trường có chiết suất nhỏ hơn.
- Góc tới lớn hơn hoặc bằng góc giới hạn phản xạ toàn phần (i ≥ igh). Góc giới hạn được tính bằng công thức: sin(igh) = n2/n1.
Hiện tượng phản xạ toàn phần có nhiều ứng dụng trong thực tế, ví dụ như trong cáp quang, giúp truyền tín hiệu đi xa mà không bị mất mát năng lượng. Ngoài ra, nó còn được ứng dụng trong các thiết bị quang học như lăng kính phản xạ toàn phần.
Tóm lại, khi tia sáng truyền từ nước vào không khí thì xảy ra hiện tượng khúc xạ ánh sáng, tia khúc xạ bị lệch ra xa pháp tuyến hơn so với tia tới. Nếu góc tới đủ lớn, có thể xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần. Hiểu rõ các hiện tượng này giúp chúng ta giải thích được nhiều hiện tượng quang học thú vị trong tự nhiên và ứng dụng chúng vào trong công nghệ.
