Hiện tượng Khúc xạ ánh sáng Công thức và Định luật, Chiết suất tuyệt đối, tỉ đối của môi trường - Vật lý 11 bài 26

Vì vậy trong bài viết này, chúng ta sẽ khảo sát hiện tượng khúc xạ ánh sáng về mặt định lượng? công thức và định luật khúc xạ ánh sáng? Chiết suất tỉ đối và chiết suất tuyệt đối của môi trường.

I. Sự khúc xạ ánh sáng

1. Hiện tượng khúc xạ ánh sáng

- Định nghĩa: Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là hiện tượng lệch phương (gãy) của các tia sáng khi truyền xiên góc qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt khác nhau.

2. Định luật khúc xạ ánh sáng

• Như hình trên, ta gọi:

 SI: Tia tới; I: Điểm tới

 N’IN: Pháp tuyến với mặt phân cách tại I

 IR: Tia khúc xạ

 i: Góc tới;  r: Góc khúc xạ

• Nội dung định luật khúc xạ ánh sáng:

- Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới (tạo bởi tia tới và pháp tuyến) và ở phía bên kia pháp tuyến so với tia tới.

- Với hai môi trường trong suốt nhất định, tỉ số giữa sin góc tới (sini) và sin góc khúc xạ (sinr) luôn không đổi:

  (const = hằng số)

II. Chiết suất của môi trường

1. Chiết suất tỉ đối

• Tỉ số không thay đổi, phụ thuộc vào bản chất của hai môi trường được gọi là chiết suất tỉ đối của môi trường chứa tia khúc xạ (môi trường 2) đối với môi trường chứa tia tới (môi trường 1):

• n₂₁ được gọi là chiết suất tỉ đối của môi trường 2 so với môi trường 1.

- Nếu n₂₁ > 1: Tia khúc xạ lệch lại gần pháp tuyến hơn, môi trường 2 chiết quang hơn môi trường 1.

- Nếu n₂₁ < 1: Tia khúc xạ lệch ra xa pháp tuyến hơn, môi trường 2 kém chiết quang hơn môi trường 1.

2. Chiết suất tuyệt đối

• Chiết suất tuyệt đối của một môi trường là chiết suất tỉ đối của môi trường đó đối với chân không.

- Chiết suất của chân không: n = 1

- Chiết suất của không khí: n = 1,000293

• Như vậy, chiết suất tỉ đối của hai môi trường là:

- Trong đó:

 n₂₁: chiết suất tỉ đối của môi trường 2 so với môi trường 1.

 n₁: chiết suất tuyệt đối của môi trường 1

 n₂: chiết suất tuyệt đối của môi trường 2

• Công thức của định luật khúc xạ: 

III. Tính thuận nghịch của sự truyền ánh sáng

- Ánh sáng truyền đi theo đường nào thì cũng truyền ngược lại theo đường đó

- Từ tính thuận nghịch ta có:  

IV. Bài tập về khúc xạ ánh sáng

* Bài 1 trang 166 SGK Vật Lý 11: Thế nào là hiện tượng khúc xạ ánh sáng? Phát biểu định luật khúc xạ ánh sáng.

° Lời giải bài 1 trang 166 SGK Vật Lý 11: 

+ Hiện tượng khúc xạ ánh sáng:

Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng lệch phương (gãy) của tia sáng khi truyền xiên góc tới qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt khác nhau.

+ Định luật khúc xạ ánh sáng.

- Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới (tạo bởi tia tới và pháp tuyến) và ở bên kia pháp tuyến so với tia tới (hình vẽ)

- Với hai môi trường trong suốt nhất định thì tỉ số giữa góc sin góc tới (sini) với sin gọc khúc xạ (sin r) luôn không đổi:

* Bài 2 trang 166 SGK Vật Lý 11: Chiết suất tỉ đối n₂₁ của môi trường (2) đối với môi trường (1) là gì?

° Lời giải bài 2 trang 166 SGK Vật Lý 11: 

- Chiết suất tỉ đối n₂₁ của môi trường (2) đối với môi trường (1) là tỉ đối giữa sin với góc tới (sini) với sin góc khúc xạ (sinr)

- Chiết suất tỉ đối n₂₁ của môi trường (2) đối với môi trường (1) được tính bằng tỉ số chiết suất tuyệt đối của môi trường (2) đối môi trường (1) hay tỉ số vận tốc ánh sáng truyền trong môi trường (1) đối với môi trường (2).

* Bài 3 trang 166 SGK Vật Lý 11: Chiết suất (tuyệt đối) n của một số môi trường là gì? Viết hệ thức liên hệ giữa chiết suất tỉ đối và chiết suất tuyệt đối.

° Lời giải bài 3 trang 166 SGK Vật Lý 11: 

- Chiết suất tuyệt đối của một môi trường là tỉ số vận tốc ánh sáng c trong chân không so với vận tốc ánh sáng v trong môi trường đó.

- Hệ thức liên hệ giữa chiết suất tỉ đối và chiết suất tuyệt đối:

* Bài 4 trang 166 SGK Vật Lý 11: Thế nào là tính thuận nghịch của sự truyền ánh sáng?

Chứng tỏ: 

Nước có chiết suất là 4/3. Chiết suất của không khí đối với nước là bao nhiêu?

° Lời giải bài 4 trang 166 SGK Vật Lý 11: 

• Tính thuận nghịch về chiều truyền tia sáng: Nếu AB là một đường truyền ánh sáng, trên đường đó, ánh sáng có thể đi từ A đến B hoặc B đến A. Tức là ánh sáng truyền đi theo chiều nào thì cũng truyền ngược lại theo đường đó.

• Chứng tỏ: 

- Theo công thức định luật khúc xạ, ta có:  

- Nên:

• Chiết suất của không khí đối với nước:

* Bài 5 trang 166 SGK Vật Lý 11: Một tia sáng truyền đến mặt thoáng của nước. Tia này có một tia phản xạ ở mặt thoáng và tia khúc xạ.

Người vẽ các tia sáng này quên ghi lại chiều truyền trong hình 26.7. Tia nào dưới đây là tia tới?

A. Tia S₁I    B. Tia S₂I    C. Tia S₃I    D. Tia S₁I,S₂I, S₃I đều có thể là tia tới.

° Lời giải bài 5 trang 166 SGK Vật Lý 11: 

• Chọn đáp án:  B. Tia S₂I

- Vì tia tới và tia khúc xạ phải nằm ở hai bên của pháp tuyến.

* Bài 6 trang 166 SGK Vật Lý 11: Tia sáng truyền từ nước và khúc xạ ra không khí. Tia khúc xạ và tia phản xạ ở mặt nước vuông góc với nhau. Nước có chiết suất là 4/3. Góc tới của tia sáng là bao nhiêu (tính tròn số)?

A. 37^o    B. 42^o     C. 53^o    D. Một giá trị khác A, B, C.

° Lời giải bài 6 trang 166 SGK Vật Lý 11: 

• Chọn đáp án: A. 37^o

- Áp dụng định luật khúc xạ ánh sán:  và

- Mặt khác, theo đề bài, tia khúc xạ và tia phản xạ vuông góc, tức là:

- Vậy  

* Bài 7 trang 166 SGK Vật Lý 11: Có ba môi trường trong suốt (1), (2), (3). Cùng góc tói i, một tia sáng khúc xạ như hình 26.8 khi truyền từ (1) vào (2) và từ (1) vào (3). Vẫn với góc tới i, khi tia sáng truyền từ (2) vào (3) thì góc khúc xạ là bao nhiêu?

A. 22^o     B. 31^o     C. 38^o     D. Không tính được.

° Lời giải bài 7 trang 166 SGK Vật Lý 11: 

• Chọn đáp án: D. Không tính được.

- Khi tia sáng truyền từ môi trường (1) vào môi trường (2): n₁sini = n₂sin45 (1)

- Khi tia sáng truyền từ môi trường (1) vào môi trường (3): n₁sini = n₃sin30 (2)

- Từ (1) và (2) ta có: n₂sin45 = n₃sin30 suy ra 

- Khi tia sáng truyền từ môi trường (2) vào môi trường (3) ta có:

 n₂sini = n₃sinr 

- Do góc tới i chưa biết nên không tính được góc khúc xạ r khi tia sáng truyền từ (2) vào (3).

* Bài 8 trang 167 SGK Vật Lý 11: Một cái thước được cắm thẳng đứng vào bình đựng nước có đáy phẳng ngang. Phần thước nhô khỏi mặt nước dài 4 cm. Chếch ở phía trên có một ngọn đèn. Bóng của thước trên mặt nước dài 4cm và ở đáy dài 8 cm. Tính chiều sâu của nước trong bình. Chiết suất của nước là 4/3.

° Lời giải bài 8 trang 167 SGK Vật Lý 11: 

- Ta có: Phần thước nhô khỏi mặt nước: SA = 4cm

 Bóng của thước trên mặt nước: AI = 4cm

 Bóng của thước ở đáy: BC = 8cm.

 Chiều sâu của nước trong bình: IH

 BC = BH + HC ⇒ HC = BC - BH = BC - AI = 8 - 4 = 4cm.

+ ∆IAS vuông tại A, có SA = AI ⇒ ∆IAS vuông cân tại A

- Áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng, ta có:

- Xét ΔIHC vuông tại H, ta có:

 Bài 9 trang 167 SGK Vật Lý 11: Một tia sáng được chiếu đến điểm giữa của mặt trên một khối lập phương trong suốt, chiết suất n = 1,50  (Hình 29.6). Tính góc tới i lớn nhất để tia khúc xạ vào trong khối còn gặp mặt đáy của khối.

° Lời giải bài 9 trang 167 SGK Vật Lý 11: 

- Gọi độ dài cạnh hình lập phương là a

- Theo định luật khúc xạ ánh sáng, ta có:1.sini = n.sinr khi i_max thì r_max

- Từ hình vẽ, ta có: