Phần Hai. QUANG HÌNH HỌC

CHƯƠNG VI. KHÚC XẠ ÁNH SÁNG

Bài 26. KHÚC XẠ ÁNH SÁNG

A. TÓM TẮT LÍ THUYẾT

I. Sự khúc xạ ánh sáng

1. Hiện tượng khúc xạ ánh sáng

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

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

- 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.

$\large \frac{sini}{sinr}$ = hằng số

II. Chiết suất của môi trường

1. Chiết suất tỉ đối

Tỉ số không đổi $\large \frac{sini}{sinr}$ trong hiện tượng khúc xạ được gọi là chiết suất tỉ đối $n_{21}$ của môi trường (2), (chứa tia khúc xạ) đối với môi trường (1) (chứa tia tới):

$\large \frac{sini}{sinr}$ = $n_{21}$

- Nếu $n_{21}$ > 1 thì r < i: Tia khúc xạ bị lệch lại gần pháp tuyến hơn.

Ta nói môi trường (2) chiết quang hơn môi trường (1).

- Nếu $n_{21}$ < 1 thì r > i: Tia khúc xạ bị lệch xa pháp tuyến hơn. Môi trường (2) chiết quang kém môi trường (1).

2. Chiết suất tuyệt đối

- Chiết suất tuyệt đối (thường gọi tắt là chiết suất) của một môi trường là chiết suất tỉ đối của môi trường đó đối với chân không.

- Chân không có chiết suất là 1. Không khí có chiết suất xấp xỉ bằng 1. Mọi môi trường trong suốt đều có chiết suất tuyệt đối lớn hơn 1. Có thể thiết lập được hệ thức:

$n_{21}$ = $\large \frac{n_{2}}{n_{1}}$

trong đó:

$n_{2}$ là chiết suất (tuyệt đối) của môi trường (2)

$n_{1}$ là chiết suất (tuyệt đối) của môi trường (1).

- Vậy công thức của định luật khúc xạ có thể viết theo dạng đối xứng:

$n_{1}$sini = $n_{2}$sinr

III. Tính thuận nghịch của sự truyền ánh sáng

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

Đây là tính thuận nghịch của sự truyền ánh sáng.

Từ tính thuận nghịch, ta suy ra:

$n_{21}$ = $\large \frac{1}{n_{21}}$

Tính thuận nghịch này cũng biểu hiện ở sự truyền thẳng và sự phản xạ.

B. MỘT SỐ VẤN ĐỀ CẦN LƯU Ý

1. Định nghĩa được hiện tượng khúc xạ ánh sáng.

2. Nắm được các khái niệm: góc tới, góc khúc xạ, mặt phẳng tới, chiết quang hơn, kém chiết quang, chiết suất tỉ đối, chiết suất tuyệt đối (Phân biệt sự khác nhau giữa chiết suất tỉ đối và chiết suất tuyệt đối).

3. Phát biểu được định luật khúc xạ ánh sáng. Viết và vận dụng được biểu thức của định luật khúc xạ ánh sáng (dưới nhiều dạng khác nhau).

4. Hiểu và trình bày được tính thuận nghịch về chiều truyền của ánh sáng.

5. Hiểu và vẽ được (một cách định tính) đường đi của tia sáng từ môi trường này sang môi trường khác, lưu ý khi chiết mất lớn thì góc nhỏ và ngược lại.

6. Cần lưu ý là khi góc nhỏ, ta có biểu thức của định luật khúc xạ ánh sáng có thể viết là $\small n_{1}i_{1}\approx n_{2}i_{2}$, hay $\small n_{1}i=n_{2}r$. Lúc này $\small tani\approx sini$

C. ĐỀ BÀI TẬP

Bài 1

Sự khúc xạ ánh sáng là hiện tượng

A. gãy khúc của tia sáng khi gặp mặt phân cách giữa hai môi trường.

B. đổi phương của tia sáng tại mặt phân cách giữa hai môi trường.

C. đổi phương đột ngột của tia sáng khi gặp mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt.

D. các tia sáng ngay khi xuyên qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt thì đột ngột đổi phương

Bài 2

Trong hiện tượng khúc xạ ánh sáng, phát biểu nào sau đây sai?

A. Khi góc tới tăng thì góc khúc xạ giảm.

B. Khi tia tới vuông góc mặt phân cách hai môi trường thì tia khúc xạ cùng phương với tia tới.

C. Khi ánh sáng đi từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường chiết quang kém hơn thì góc khúc xạ lớn hơn góc tới.

D. Tỉ số giữa sin góc khúc xạ với sin góc tới luôn không đổi đối với hai môi trường trong suốt nhất định.

Bài 3

Điều nào sau đây không đúng khi phát biểu về hiện tượng khúc xạ ánh sáng?

A. Tia sáng truyền thẳng khi có phương vuông góc với mặt phân cách hai môi trường.

B. Tia sáng truyền thẳng góc mặt phân cách hai môi trường có chiết suất bằng nhau.

C. Tia khúc xạ lệch gần đường pháp tuyến hơn tia tới.

D. Tỉ số sin góc tới và sin góc khúc xạ là chiết suất tỉ đối của môi trường chứa tia khúc xạ đối với môi trường chứa tia tới.

Bài 4

Trong các phát biểu sau, phát biểu nào sai?

A. Về phương diện quang học, một cách gần đúng, không khí được coi là chân không.

B. Chiết suất tuyệt đối của một môi trường là chiết suất tỉ đối của môi trường đó đối với không khí.

C. Chiết suất tuyệt đối của mọi môi trường trong suốt đều lớn hơn 1.

D. Chiết suất tuyệt đối của môi trường càng lớn thì vận tốc ánh sáng trong môi trường đó càng nhỏ.

Bài 5

Một người thợ lặn ở dưới nước nhìn thấy Mặt Trời ở độ cao 60° so với đường chân trời cho biết chiết suất của nước là 4/3, độ cao thực của Mặt Trời so với đường chân trời.

A. 30°

B. 45°

C. 48°

D. 50°

Bài 6

Tia sáng truyền từ trong không khí đến gặp mặt thoáng của một chất lỏng có chiết suất n = $\sqrt{3}$. Hai tia phản xạ và khúc xạ vuông góc nhau. Góc tới là.

A. 30°

B. 45°

C. 50°

D. 60°

Bài 7

Một tia sáng được chiếu tới điểm giữa của mặt trời trên một khối lập phương trong suốt, chiết suất n = 1,5. Tìm góc tới lớn nhất để tia khúc xạ còn gặp mặt đáy của khối lập phương.

Bài 8

Chậu lập phương cạnh a có thành không trong suốt, chứa chất lỏng chiết suất n. Mắt người quan sát nhìn theo phương của đường chéo BD. Một điểm E trên đáy chậu, trong mặt phẳng thẳng đứng chứa BD và cách B đoạn b. Tìm độ cao x của chất lỏng trong chậu để mắt nhìn thấy được điểm E.

D. HƯỚNG DẪN GIẢI

Bài 1. D

Bài 2. A

Bài 3. C

Bài 4. B

Bài 5. C

Áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng:

$\large \frac{sini}{sinr}$ = n

⇒ sini = nsinr = $\large \frac{4}{3}$.sin30° = $\large \frac{2}{3}$

⇒ i = 42°

Độ cao thực của Mặt Trời: $\alpha$ = 90° – 42° = 48°

Bài 6. C

Ta có: i' + r = 90° ⇒ i + r = 90°

⇒ sinr = cosi

sini = nsinr

⇒ $\large \frac{sini}{sinr}$ = tgi = n = $\sqrt{3}$

⇒ i = 60°

Bài 7

Ta có: sini = nsinr

Khi i = $i_{max}$ thì r = $r_{max}$

Khi $r_{max}$ thì tia khúc xạ tới 1 đỉnh ở đáy của hình lập phương.

Gọi a là cạnh của hình lập phương.

sin $r_{max}$ = $\large \frac{HR}{IR}$

sin $r_{max}$ = $\large \frac{1}{\sqrt{3}}$

sin$i_{max}$ = n.sin$r_{max}$ = $\large \frac{\sqrt{3}}{2}$

⇒ $i_{max}$ = 60°

Bài 8

Ta phải có tia EI khúc xạ tại I và theo phương BD ⇒ x > b

Ta có: tan i = $\large \frac{x-b}{x}$ = 1 - $\large \frac{b}{x}$

hay: $\large \frac{sini}{cosi}$ = 1 - $\large \frac{b}{x}$

mà: sini = $\large \frac{1}{n}$.sinr