Trong hiện tượng khúc xạ ánh sáng, khi một tia sáng truyền từ môi trường này sang môi trường khác, nó sẽ bị đổi hướng. Góc tạo bởi tia khúc xạ và pháp tuyến tại điểm tới được gọi là góc khúc xạ. Vậy, góc khúc xạ so với góc tới sẽ như thế nào?
Góc khúc xạ không phải lúc nào cũng nhỏ hơn hoặc lớn hơn góc tới. Mối quan hệ giữa chúng phụ thuộc vào 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.
-
Nếu ánh sáng truyền từ môi trường có chiết suất nhỏ sang môi trường có chiết suất lớn (ví dụ: từ không khí vào nước): Tốc độ ánh sáng giảm, tia khúc xạ sẽ bị “bẻ” lại gần pháp tuyến hơn. Do đó, góc khúc xạ nhỏ hơn góc tới.
-
Nếu ánh sáng truyền từ môi trường có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất nhỏ (ví dụ: từ nước ra không khí): Tốc độ ánh sáng tăng, tia khúc xạ sẽ bị “bẻ” ra xa pháp tuyến hơn. Do đó, góc khúc xạ lớn hơn góc tới.
Sự thay đổi góc khúc xạ so với góc tới được mô tả bởi định luật Snell (còn gọi là định luật khúc xạ ánh sáng):
n₁sin(θ₁) = n₂sin(θ₂)
Trong đó:
- n₁ là chiết suất của môi trường thứ nhất
- θ₁ là góc tới
- n₂ là chiết suất của môi trường thứ hai
- θ₂ là góc khúc xạ
Từ công thức trên, ta thấy rõ mối liên hệ giữa góc tới, góc khúc xạ và chiết suất của hai môi trường. Khi biết chiết suất của hai môi trường và góc tới, ta có thể tính được góc khúc xạ và ngược lại.
Một trường hợp đặc biệt là khi góc tới bằng 0 (tia sáng truyền vuông góc với mặt phân cách giữa hai môi trường). Khi đó, góc khúc xạ cũng bằng 0, và tia sáng truyền thẳng mà không bị đổi hướng. Tuy nhiên, tốc độ ánh sáng vẫn thay đổi khi truyền qua môi trường khác.
Ngoài chiết suất của môi trường, góc tới và góc khúc xạ còn liên quan đến hiện tượng phản xạ toàn phần. Phản xạ toàn phần xảy ra khi ánh sáng truyền từ môi trường có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất nhỏ, và góc tới lớn hơn một góc giới hạn nhất định (gọi là góc tới hạn). Khi đó, toàn bộ ánh sáng sẽ bị phản xạ trở lại môi trường ban đầu, và không có tia khúc xạ nào xuất hiện.
Hiểu rõ về mối quan hệ giữa góc tới, góc khúc xạ và chiết suất là rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ thiết kế thấu kính và quang học đến nghiên cứu các hiện tượng tự nhiên như ảo ảnh và cầu vồng.