Xác định khúc xạ

“Khúc xạ là sự thay đổi hướng của sóng truyền từ môi trường này sang môi trường khác”.

Khúc xạ ánh sáng là một trong những hiện tượng phổ biến nhất được quan sát, nhưng các sóng khác như sóng âm thanh và sóng nước cũng bị khúc xạ. Sự khúc xạ làm cho chúng ta có thể có các dụng cụ quang học như kính lúp, thấu kính và lăng kính. Đó cũng là do sự khúc xạ của ánh sáng mà chúng ta có thể tập trung ánh sáng vào võng mạc của chúng ta.

Nguyên nhân của khúc xạ

Thay đổi tốc độ dẫn đến thay đổi hướng

Tia sáng khúc xạ bất cứ khi nào nó truyền đi một góc vào môi trường có chiết suất khác nhau. Sự thay đổi tốc độ này dẫn đến sự thay đổi hướng. Ví dụ, hãy xem xét không khí đi vào nước. Tốc độ ánh sáng giảm dần khi nó tiếp tục truyền đi theo một góc khác.

Sự khúc xạ của ánh sáng trong thủy tinh được thể hiện trong hình trên. Khi ánh sáng truyền từ không khí vào thủy tinh, ánh sáng sẽ chuyển động chậm lại và đổi hướng một chút. Khi ánh sáng truyền từ chất ít đặc hơn sang chất đậm đặc hơn, ánh sáng khúc xạ sẽ uốn cong hơn về phía pháp tuyến. Nếu sóng ánh sáng tiếp cận ranh giới theo phương vuông góc với nó, thì tia sáng không khúc xạ mặc dù tốc độ thay đổi.

Định luật khúc xạ ánh sáng

Định luật khúc xạ phát biểu rằng:

• Tia khúc xạ tia tới và pháp tuyến đối với mặt phân cách của hai phương tiện tại điểm tới đều nằm trên cùng một mặt phẳng.
• Tỉ số giữa sin của góc tới và sin của góc khúc xạ là một hằng số. Đây còn được gọi là định luật khúc xạ Snell.

  s tôi nTôis tôi nr= c o n s t a n t

Chỉ số khúc xạ là gì?

Chỉ số khúc xạ, còn được gọi là chỉ số khúc xạ mô tả tốc độ ánh sáng truyền qua vật liệu.

Chỉ số khúc xạ là không có thứ nguyên. Đối với một vật liệu nhất định, chiết suất là tỷ số giữa tốc độ ánh sáng trong chân không (c) và tốc độ ánh sáng trong môi trường (v). Nếu chiết suất của một môi trường được biểu thị bằng n, thì chiết suất của nó được cho bởi công thức sau:

Dựa vào chiết suất của môi trường, tia sáng thay đổi hướng của nó, hoặc nó bị uốn cong tại chỗ tiếp giáp ngăn cách hai môi trường. Nếu tia sáng truyền từ môi trường này sang môi trường khác có chiết suất cao hơn thì nó bị uốn cong về phía pháp tuyến, nếu tia sáng đi ra khỏi pháp tuyến.

Sự khúc xạ ánh sáng trong cuộc sống thực

• Mirage và lờ mờ là ảo ảnh quang học là kết quả của sự khúc xạ ánh sáng.
• Bể bơi luôn trông nông hơn so với thực tế vì ánh sáng từ đáy bể bơi uốn cong trên bề mặt do khúc xạ ánh sáng.
• Sự hình thành cầu vồng là một ví dụ về hiện tượng khúc xạ khi tia nắng bẻ cong qua các hạt mưa tạo thành cầu vồng.
• Khi ánh sáng trắng đi qua lăng kính, nó bị tách thành các màu thành phần của nó – đỏ, cam, vàng, lục, lam và tím do khúc xạ ánh sáng.

Các ứng dụng của khúc xạ ánh sáng

Khúc xạ có nhiều ứng dụng trong quang học và công nghệ. Một số ứng dụng nổi bật được liệt kê dưới đây:

• Một thấu kính sử dụng sự khúc xạ để tạo ra hình ảnh của một vật thể cho các mục đích khác nhau, chẳng hạn như phóng đại.
• Kính đeo của những người có thị lực khiếm khuyết sử dụng nguyên lý khúc xạ.
• Khúc xạ được sử dụng trong lỗ nhìn trộm của cửa nhà, máy ảnh, máy chiếu phim và kính thiên văn.

Các vấn đề đã được giải quyết khúc xạ

1. Ánh sáng truyền trong không khí đi vào một sợi quang có chiết suất 1,44.
a) Tia sáng bị bẻ cong theo hướng nào?
b) Nếu góc tới ở một đầu của sợi quang là 22 ^o thì góc khúc xạ là bao nhiêu?

Giải pháp:
a) Tia sáng truyền từ môi trường hiếm hơn (không khí) sang môi trường đặc hơn (sợi quang học), do đó tia khúc xạ sẽ uốn cong về phía pháp tuyến.
b) Góc khúc xạ có thể được tính như sau:
Cho không khí là môi trường 1 và sợi quang là môi trường 2. Do đó, n ₁ = 1,00, n ₂ = 1,44, và θ ₁ = 22 ^o .
Bây giờ, thay các giá trị trong phương trình như sau:
(1.00) sin 22 ^o = 1.44 sin θ ₂ .
sin θ ₂ = (1,00 / 1,44) sin 22 ^o = 0,260
θ ₂ = sin ^-1 (0,260) = 15 ^o

2. Ánh sáng truyền qua sợi quang đến đầu sợi quang và thoát ra ngoài không khí. Nếu góc tới ở cuối ống là 30 ^o . Khi đó góc khúc xạ bên ngoài sợi quang sẽ là bao nhiêu?

Giải pháp:
Cho sợi là môi trường 1 và môi trường không khí 2. Do đó, n ₁ = 1,44, n ₂ = 1,00, và θ, ₁ = 30 ^o . Thay các giá trị trong phương trình, ta được
(1.44) sin 30 ^o = 1.00 sin θ ₂
sin θ ₂ = (1.44 / 1.00) sin 30 ^o = 1.44 (0.500) = 0.720
θ ₂ = sin ^-1 (0.720) = 46 ^o
Lần này chúng ta nhận thấy rằng góc khúc xạ lớn hơn góc tới. Điều này cho thấy rằng ánh sáng đang bị bẻ cong khỏi mức bình thường khi nó đi vào một vật liệu hiếm hơn