Khúc xạ ánh sáng và phản xạ toàn phần SVIP

I. Hiện tượng khúc xạ ánh sáng

Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là hiện tượng tia sáng bị gãy khúc (bị lệch khỏi phương truyền ban đầu) tại mặt phân cách khi truyền từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác.

Ví dụ: Quan sát đường truyền của chùm tia sáng khi truyền từ không khí vào thủy tinh.

II. Định luật khúc xạ ánh sáng

1. Chiết suất của môi trường

Để so sánh tốc độ của ánh sáng khi truyền trong môi trường với tốc độ ánh sáng khi truyền trong chân không, người ta đưa ra đại lượng chiết suất của môi trường, kí hiệu là \(n.\)

\(n=\dfrac{c}{v}\)

Trong đó:

• \(c\) là tốc độ ánh sáng trong chân không ($c=3.10^8\,m/s$);
• \(v\) là tốc độ ánh sáng trong môi trường.

Lưu ý: Chiết suất của chân không là 1, chiết suất của không khí là 1,0029 nên thường được tính tròn là 1 nếu không cần độ chính xác cao.

2. Định luật khúc xạ ánh sáng

 Từ hình vẽ, quy ước:

• SI là tia tới, I là điểm tới;
• A, B và I thuộc mặt phân cách giữa hai môi trường;
• MN là pháp tuyến của mặt phân cách tại điểm tới I;
• IR là tia khúc xạ;
• \(i\) là góc tới, \(r\) là góc khúc xạ (góc tạo bởi tia khúc xạ và pháp tuyến).

Nội dung định luật khúc xạ ánh sáng:

• Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới và ở phía bên kia pháp tuyến so với tia tới.
• Với hai môi trường trong suốt nhất định, tỉ số giữa sin của góc tới ($sin\,i$) và sin của góc khúc xạ ($sin\,r$) luôn không đổi:

$\dfrac{\sin i}{\sin r}$ = hằng số

II. Hiện tượng phản xạ toàn phần

Đường truyền ánh sáng đi từ bản bán trụ thủy tinh ra không khí được mô tả ở hình dưới đây:

Hiện tượng phản xạ toàn phần là hiện tượng phản xạ toàn bộ tia tới, xảy ra ở mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt.

Khi có tia khúc xạ, ta có: $n_1sin\,i=n_2sin\,r$.

• Suy ra: $sin\,r=\dfrac{n_1}{n_2}sin\,i$.
• Nếu \(n_1>n_2\) thì: $sin\,r>sin\,i$, do đó \(r>i\). Tia khúc xạ lệch xa pháp tuyến hơn so với tia tới.

Khi tăng góc tới \(i\) thì góc khúc xạ \(r\) cũng tăng \(\left(r>i\right)\). Khi \(r\) bằng \(90^o\) thì \(i\) đạt giá trị \(i_{th}\) gọi là góc tới hạn phản xạ toàn phần. Khi đó ta có:

$n_1sin\,i_{th}=n_2sin90^o$

$sin\,i_{th}=\dfrac{n_2}{n_1}$

Lưu ý: Khi \(i\ge i_{th}\) thì không có tia khúc xạ, toàn bộ tia sáng bị phản xạ ở mặt phân cách. Đó là hiện tượng phản xạ toàn phần.

Điều kiện để có phản xạ toàn phần

• Ánh sáng truyền từ môi trường có chiết suất \(n_1\) tới môi trường có chiết suất \(n_2\) với \(n_1>n_2\).
• Góc tới lớn hơn hoặc bằng góc tới hạn: \(i\ge i_{th}\).

Mở rộng: Tìm hiểu hoạt động của cáp quang

Cáp quang là bó sợi quang. Mỗi sợi quang là một dây trong suốt có tính dẫn sáng nhờ phản xạ toàn phần.

Cấu tạo: Sợi quang có lõi làm bằng thủy tinh hoặc chất dẻo trong suốt có chiết suất \(n_1\), được bao quanh bằng một lớp vỏ có chiết suất \(n_2< n_1\).

Hoạt động: 

• Xét tia tới $SI$ đến điểm $I$ trên tiết diện MN của sợi quang. Tia này bị khúc xạ khi đi vào sợi quang.
• Tia khúc xạ tới mặt tiếp xúc giữa lõi và lớp vỏ tại \(I_1\) dưới góc tới \(i>i_{th}\) và bị phản xạ toàn phần. Hiện tượng phản xạ như vậy được lặp lại nhiều lần liên tiếp tại các điểm \(I_2,...\)

Ứng dụng: Trong công nghệ thông tin, sợi quang được dùng để truyền dữ liệu.

1. Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng tia sáng bị gãy khúc tại mặt phân cách khi truyền xiên góc từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác.

2. Chiết suất của môi trường có giá trị bằng tỉ số giữa tốc độ của ánh sáng trong chân không và tốc độ của ánh sáng trong môi trường đó.

\(n=\dfrac{c}{v}\)

Trong đó, \(c\) là tốc độ ánh sáng truyền trong chân không, đơn vị đo là m/s; \(v\) là tốc độ ánh sáng truyền trong môi trường, đơn vị đo là m/s.

3. Định luật khúc xạ ánh sáng:

• Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới và ở phía bên kia pháp tuyến so với tia tới.
• Tỉ số sin góc tới \(i\) và sin góc khúc xạ \(r\) là một hằng số. Hằng số này bằng tỉ số giữa chiết suất của môi trường chứa tia khúc xạ \(n_2\) và chiết suất của môi trường chứa tia tới \(n_1\): 

$\dfrac{sin\,i}{sin\,r}=\dfrac{n_2}{n_1}$

4. Điều kiện để xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần:

• Ánh sáng đi từ môi trường có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn.
• Góc tới \(i\) lớn hơn hoặc bằng góc tới hạn \(i_{th}\). Trong đó, góc \(i_{th}\) được xác định bằng công thức:

$sin\,i_{th}=\dfrac{n_2}{n_1}$