Khám phá chi tiết về Công Thức Tính Góc Khúc Xạ ánh sáng trong vật lý lớp 11. Bài viết này bao gồm định nghĩa, công thức, kiến thức mở rộng và bài tập minh họa giúp bạn nắm vững kiến thức và áp dụng hiệu quả.
1. Định Nghĩa Hiện Tượng Khúc Xạ Ánh Sáng
Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng tia sáng bị lệch phương (gãy khúc) khi truyền xiên góc qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt có chiết suất khác nhau. Nguyên nhân của hiện tượng này là do sự thay đổi tốc độ truyền ánh sáng khi ánh sáng chuyển từ môi trường này sang môi trường khác.
Chiết suất tuyệt đối (n) của một môi trường là tỉ số giữa vận tốc ánh sáng trong chân không (c) và vận tốc ánh sáng trong môi trường đó (v):
Ảnh minh họa công thức tính chiết suất tuyệt đối, thể hiện mối liên hệ giữa tốc độ ánh sáng trong chân không và môi trường.
Chiết suất tuyệt đối đặc trưng cho khả năng làm giảm tốc độ và gây ra sự gãy khúc của tia sáng khi truyền từ môi trường này sang môi trường khác.
Ví dụ, khi ta nhìn một chiếc bút chì cắm trong cốc nước, phần bút chì ngập trong nước có vẻ bị gãy khúc so với phần bên ngoài không khí. Đây là một ví dụ điển hình của hiện tượng khúc xạ ánh sáng.
Ảnh minh họa bút chì bị gãy khúc khi cắm vào nước, thể hiện rõ hiện tượng khúc xạ ánh sáng tại mặt phân cách giữa không khí và nước.
Các khái niệm quan trọng:
- Góc tới (i): Góc tạo bởi tia tới và pháp tuyến tại điểm tới trên mặt phân cách.
- Góc khúc xạ (r): Góc tạo bởi tia khúc xạ và pháp tuyến tại điểm tới trên mặt phân cách.
- Pháp tuyến: Đường thẳng vuông góc với mặt phân cách tại điểm tới.
Định luật khúc xạ ánh sáng:
- Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới (mặt phẳng chứa tia tới và pháp tuyến) và ở phía bên kia pháp tuyến so với tia tới.
- Đối với hai môi trường trong suốt nhất định, tỉ số giữa sin của góc tới (sin i) và sin của góc khúc xạ (sin r) là một hằng số. Hằng số này được gọi là chiết suất tỉ đối (n21) của môi trường 2 đối với môi trường 1.
Ảnh minh họa định luật khúc xạ ánh sáng, chú thích rõ góc tới, góc khúc xạ, tia tới và tia khúc xạ.
Trong đó:
i: góc tớir: góc khúc xạn21: chiết suất tỉ đối của môi trường 2 đối với môi trường 1n1: chiết suất tuyệt đối của môi trường 1n2: chiết suất tuyệt đối của môi trường 2
Ảnh minh họa đường đi của tia sáng khi truyền từ không khí vào nước, thể hiện sự thay đổi góc và hướng của tia sáng.
Trong hình vẽ trên:
SI: Tia tớiI: Điểm tớiIK: Tia khúc xạPQ: Mặt phân cách giữa hai môi trườngNN': Pháp tuyếnGóc i: Góc tớiGóc r: Góc khúc xạ
2. Công Thức Tính Góc Khúc Xạ Chi Tiết
Từ định luật khúc xạ ánh sáng, ta có thể suy ra công thức tính góc khúc xạ như sau:
Ảnh minh họa công thức tính góc khúc xạ, nhấn mạnh vai trò của chiết suất hai môi trường và góc tới.
Trong đó:
i: góc tớir: góc khúc xạ (góc cần tìm)n21: chiết suất tỉ đối của môi trường 2 đối với môi trường 1n1: chiết suất tuyệt đối của môi trường 1n2: chiết suất tuyệt đối của môi trường 2
Đơn vị đo:
- Góc được đo bằng độ (°) hoặc radian (rad).
- Lưu ý quan trọng: Góc tới (i) và góc khúc xạ (r) phải có cùng đơn vị đo.
Cách chuyển đổi giữa độ và radian:
- 180° = π rad
- 1° = (π/180) rad
- 1 rad ≈ 57°17′
3. Mở Rộng Về Góc Khúc Xạ và Chiết Suất
- Nếu
n21 > 1: thìr < i. Tia khúc xạ lệch gần pháp tuyến hơn. Điều này xảy ra khi ánh sáng truyền từ môi trường có chiết suất nhỏ sang môi trường có chiết suất lớn hơn (ví dụ: từ không khí vào nước). - Nếu
n21 < 1: thìr > i. Tia khúc xạ lệch xa pháp tuyến hơn. Điều này xảy ra khi ánh sáng truyền từ môi trường có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn (ví dụ: từ nước ra không khí).
Trường hợp đặc biệt:
- Khi môi trường tới là không khí (n1 = 1) và môi trường khúc xạ có chiết suất n, công thức trở thành:
sin r = (1/n) * sin i - Khi môi trường tới có chiết suất n và môi trường khúc xạ là không khí (n2 = 1), công thức trở thành:
sin r = n * sin i
4. Bài Tập Ví Dụ Về Tính Góc Khúc Xạ
Bài 1: Một tia sáng truyền từ không khí (n1 = 1) vào nước (n2 = 1.33) với góc tới là 30°. Hãy tính góc khúc xạ.
Lời giải:
Áp dụng công thức định luật khúc xạ ánh sáng:
Ảnh minh họa công thức áp dụng cho bài toán cụ thể, giúp người đọc dễ hình dung cách áp dụng công thức vào bài tập.
sin r = (n1/n2) * sin i = (1/1.33) * sin 30° ≈ 0.376
r ≈ arcsin(0.376) ≈ 22°
Vậy, góc khúc xạ là khoảng 22°.
Bài 2: Một tia sáng đi từ nước (n1 = 1.33) sang thủy tinh (n2 = 1.5) với góc tới là 60°. Tính góc khúc xạ.
Lời giải:
Áp dụng công thức định luật khúc xạ ánh sáng:
Ảnh minh họa công thức áp dụng cho bài toán với các giá trị chiết suất cụ thể, giúp người đọc hiểu rõ cách sử dụng công thức.
sin r = (n1/n2) * sin i = (1.33/1.5) * sin 60° ≈ 0.767
r ≈ arcsin(0.767) ≈ 50.09°
Vậy, góc khúc xạ là khoảng 50°09′.
Hy vọng qua bài viết này, bạn đã nắm vững công thức tính góc khúc xạ và có thể áp dụng để giải các bài tập liên quan.
