I. Khúc Xạ Ánh Sáng Là Gì?
Hiện tượng khúc xạ ánh sáng xảy ra khi một tia sáng truyền từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác, và bị đổi hướng (gãy khúc) tại mặt phân cách giữa hai môi trường. Sự thay đổi hướng này là do sự thay đổi vận tốc của ánh sáng khi nó đi vào môi trường mới.
2. Định Luật Khúc Xạ Ánh Sáng
Định luật khúc xạ ánh sáng mô tả mối quan hệ định lượng giữa góc tới và góc khúc xạ, cũng như mối quan hệ giữa các tia sáng liên quan.
- Tia tới: Tia sáng ban đầu, chiếu tới mặt phân cách.
- Tia Khúc Xạ: Tia sáng sau khi bị đổi hướng khi đi qua mặt phân cách.
- Pháp tuyến: Đường thẳng vuông góc với mặt phân cách tại điểm tới.
- Góc tới (i): Góc hợp bởi tia tới và pháp tuyến.
- Góc khúc xạ (r): Góc hợp bởi tia khúc xạ và pháp tuyến.
Nội dung định luật:
-
Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới (mặt phẳng chứa tia tới và pháp tuyến).
-
Tia tới và tia khúc xạ nằm ở hai bên pháp tuyến tại điểm tới.
-
Đối với hai môi trường trong suốt nhất định, tỉ số giữa sin của góc tới và sin của góc khúc xạ là một hằng số, được gọi là chiết suất tỉ đối của môi trường thứ hai đối với môi trường thứ nhất:
(frac{{sin i}}{{{mathop{rm s}nolimits} {rm{inr}}}} = n)
Ảnh hưởng của Chiết Suất
Chiết suất ảnh hưởng trực tiếp đến góc khúc xạ. Nếu môi trường thứ hai có chiết suất lớn hơn môi trường thứ nhất (n > 1), tia khúc xạ sẽ gần pháp tuyến hơn so với tia tới (i > r). Ngược lại, nếu môi trường thứ hai có chiết suất nhỏ hơn (n < 1), tia khúc xạ sẽ xa pháp tuyến hơn (i < r).
II. Chiết Suất: Đo Lường Khả Năng Khúc Xạ
1. Chiết Suất Tỉ Đối
Chiết suất tỉ đối (n21) giữa hai môi trường là tỉ số giữa vận tốc ánh sáng trong môi trường thứ nhất (v1) và vận tốc ánh sáng trong môi trường thứ hai (v2):
({n_{21}} = frac{{{v_1}}}{{{v_2}}})
2. Chiết Suất Tuyệt Đối
Chiết suất tuyệt đối (n) của một môi trường là chiết suất tỉ đối của môi trường đó so với chân không. Nó được tính bằng tỉ số giữa vận tốc ánh sáng trong chân không (c) và vận tốc ánh sáng trong môi trường đó (v):
(n = frac{c}{v})
Vì vận tốc ánh sáng trong chân không là lớn nhất, chiết suất tuyệt đối của mọi môi trường luôn lớn hơn 1. Chiết suất tuyệt đối cho biết ánh sáng chậm đi bao nhiêu khi truyền trong môi trường đó so với chân không.
Công thức liên hệ giữa chiết suất tỉ đối và chiết suất tuyệt đối:
({n_{21}} = frac{{{n_2}}}{{{n_1}}})
Từ đó suy ra biểu thức định luật khúc xạ ánh sáng dưới dạng:
({n_1}sin i = {n_2}sin {rm{r}})
III. Tính Thuận Nghịch của Sự Truyền Ánh Sáng
Ánh sáng có tính thuận nghịch, nghĩa là nếu ánh sáng truyền từ điểm A đến điểm B theo một đường nhất định, thì ánh sáng cũng có thể truyền từ điểm B đến điểm A theo chính đường đó. Điều này có nghĩa là nếu ta đảo chiều tia sáng, nó sẽ đi theo đường ngược lại.
Từ tính thuận nghịch, ta suy ra: n12 = (frac{1}{n_{21}})
IV. Ứng Dụng Thực Tế của Khúc Xạ Ánh Sáng
Hiện tượng khúc xạ ánh sáng có rất nhiều ứng dụng trong đời sống và khoa học, bao gồm:
- Giải thích hiện tượng nhìn thấy các ngôi sao lấp lánh: Ánh sáng từ các ngôi sao bị khúc xạ nhiều lần khi truyền qua bầu khí quyển, tạo ra hiệu ứng lấp lánh.
- Thấu kính: Ứng dụng trong kính cận, kính viễn, kính lúp, máy ảnh, ống nhòm,…
- Lăng kính: Dùng để phân tích ánh sáng thành các thành phần màu sắc khác nhau.
- Sợi quang học: Truyền dẫn tín hiệu ánh sáng đi xa với độ suy hao thấp.
