Hiện tượng khúc xạ ánh sáng xảy ra khi tia sáng truyền từ môi trường này sang môi trường khác có chiết suất khác nhau. Khi Chiếu Một Tia Sáng Từ Không Khí Vào Nước, tia sáng sẽ bị đổi hướng, tức là bị khúc xạ. Bài viết này sẽ đi sâu vào phân tích hiện tượng này, cung cấp các công thức, ví dụ minh họa và ứng dụng thực tế.
Khi tia sáng truyền từ không khí (chiết suất gần bằng 1) vào nước (chiết suất n > 1), tốc độ ánh sáng giảm và tia sáng bị lệch về phía pháp tuyến. Góc giữa tia khúc xạ và pháp tuyến gọi là góc khúc xạ, luôn nhỏ hơn góc tới.
Định luật khúc xạ ánh sáng được biểu diễn bằng công thức:
$n_1 sin(i) = n_2 sin(r)$
Trong đó:
- $n_1$: Chiết suất của môi trường tới (không khí)
- $n_2$: Chiết suất của môi trường khúc xạ (nước)
- $i$: Góc tới (góc giữa tia tới và pháp tuyến)
- $r$: Góc khúc xạ (góc giữa tia khúc xạ và pháp tuyến)
Ví dụ, khi chiếu một tia sáng từ không khí vào nước với góc tới 30 độ, và chiết suất của nước là 4/3, ta có thể tính góc khúc xạ như sau:
$1 sin(30) = (4/3) sin(r)$
$sin(r) = (3/4) sin(30) = (3/4) (1/2) = 3/8$
$r = arcsin(3/8) approx 22.02$ độ
Như vậy, góc khúc xạ khi chiếu một tia sáng từ không khí vào nước trong trường hợp này là khoảng 22.02 độ.
Vận tốc của ánh sáng trong nước cũng thay đổi so với vận tốc trong không khí. Vận tốc ánh sáng trong môi trường có chiết suất n được tính bằng công thức:
$v = c/n$
Trong đó:
- $v$: Vận tốc ánh sáng trong môi trường
- $c$: Vận tốc ánh sáng trong chân không (khoảng 3.10^8 m/s)
- $n$: Chiết suất của môi trường
Khi chiếu một tia sáng từ không khí vào nước, vận tốc ánh sáng trong nước sẽ nhỏ hơn vận tốc ánh sáng trong không khí. Ví dụ, nếu chiết suất của nước là 4/3, vận tốc ánh sáng trong nước là:
$v = (3 10^8) / (4/3) = 2.25 10^8$ m/s
Góc lệch D giữa tia tới và tia khúc xạ được tính bằng công thức:
$D = |i – r|$
Trong ví dụ trên, góc lệch là:
$D = |30 – 22.02| = 7.98$ độ
Hiện tượng khúc xạ ánh sáng có nhiều ứng dụng trong đời sống và khoa học, ví dụ như:
- Thấu kính: Ứng dụng khúc xạ ánh sáng để hội tụ hoặc phân kỳ ánh sáng, tạo ra ảnh.
- Lăng kính: Tách ánh sáng trắng thành các màu sắc khác nhau dựa trên sự khác biệt về chiết suất của các màu.
- Hiện tượng ảo ảnh: Ánh sáng bị khúc xạ khi đi qua các lớp không khí có nhiệt độ khác nhau, tạo ra ảo ảnh trên sa mạc hoặc đường nhựa nóng.
- Sợi quang: Truyền dẫn ánh sáng dựa trên hiện tượng phản xạ toàn phần, một trường hợp đặc biệt của khúc xạ.
Hiểu rõ về hiện tượng chiếu một tia sáng từ không khí vào nước và các yếu tố ảnh hưởng đến nó là rất quan trọng trong việc nghiên cứu và ứng dụng các nguyên lý quang học.