Khúc xạ ánh sáng là gì? Cách lý giải và ứng dụng thực tế

Khúc xạ ánh sáng là gì?

Khúc xạ ánh sáng được định nghĩa là hiện tượng các tia sáng bị lệch phương (bị gãy) khi truyền xiên góc qua mặt phân cách của 2 môi trường trong suốt khác nhau. Hay còn được gọi là sự uốn cong của sóng khi bị truyền từ môi trường này sang môi trường khác. Khúc xạ biểu thị cho sự thay đổi vận tốc hoặc tốc độ của sóng. Là sự bẻ cong của ánh sáng khi truyền từ môi trường này sang môi trường khác.

Để hiểu rõ hơn, chúng ta hãy cùng tìm hiểu một ví dụ sau: Khi ta đổ đầy nước vào một ly thủy tinh, sau đó đặt một chiếc thìa nằm nghiêng trong cốc nước. Khi đó, ta có thể quan sát thấy phần ánh sáng phản xạ từ thân bút không được truyền thẳng mà bị gãy khúc tại mặt phân cách giữa 2 môi trường đó là nước và không khí.

Nguyên nhân gây ra khúc xạ ánh sáng

Trên thực tế khi ánh sáng chiếu vào trong môi trường khác nhau thì sẽ có vận tốc khác nhau. Điều này chứng tỏ môi trường là một tác nhân làm ảnh hưởng đến ánh sáng. Vậy nên có thể giải thích hiện tượng khúc xạ ánh sáng xảy ra do hai nguyên nhân sau:

• Tốc độ bị thay đổi: Khi ánh sáng bị khúc xạ (uốn cong) nhiều hơn có nghĩa là nó đã bị chất khiến làm cho tăng tốc hoặc chậm hơn.
• Góc của tia tới: Lượng khúc xạ ánh sáng cũng sẽ nhiều hơn khi đi vào góc lớn hơn. Nhưng khi ánh sáng đi vào môi trường có góc bằng 90 độ so với bề mặt pháp tuyến thì ánh sáng sẽ đi chậm lại và không làm thay đổi hướng.

Định luật khúc xạ ánh sáng

Định luật khúc xạ ánh sáng được trình bày như sau:

Tia khúc xạ luôn nằm trong mặt phẳng tới và ở phía bên kia pháp tuyến so với tia tới. Mặt phẳng tới chính là mặt phẳng tạo thành bởi tia tới và pháp tuyến.

Trong hai môi trường trong suốt nhất định, tỉ số giữa sin i và sin r là một hằng số. Tỉ lệ giữa sin góc tới (sin i) và sin góc khúc xạ (sin r luôn không đổi)

Trong đó:

• SI là tia tới.
• I là điểm tới.
• N’IN là pháp tuyến với mặt phân cách tại I.
• IR là tia khúc xạ.
• i là góc tới.
• r là góc khúc xạ.

Chiết suất của môi trường

Trong nội dung bài viết “khúc xạ ánh sáng”, chúng ta hãy cùng đi tìm hiểu chiết suất môi trường được chia thành hai đó là chiết suất tỉ đối và chiết suất tuyệt đối.

Chiết suất tỉ đối

Trong định luật khúc xạ ánh sáng, tỉ số không đổi sini/sinr kí hiệu là n₂₁ được gọi là chiết tỉ đối của môi trường 2 (môi trường chứa tia khúc xạ) đối với môi trường 1 (môi trường chứa tia tới).

Trong đó:

• Nếu n21 < 1 thì r > i: Tia khúc xạ bị lệch xa trục pháp tuyến hơn, khi đó ta nói môi trường 2 chiết quang kém hơn môi trường 1.
• Nếu n21 > 1 thì r < i: Tia khúc xạ bị lệch gần pháp tuyến hơn, do đó môi trường 2 chiết quang tốt hơn môi trường 1.

Dưới đây là bảng chiết suất tỉ đối của một số môi trường

Chất rắn (20oC)	Chiết suất	Chất rắn (20oC)	Chiết suất
Kim cương Thủy tinh crao Thủy tinh flin Nước đá	2,419 1,464 ÷ 1,532 1,603 ÷ 1,865 1,309	Muối ăn (NaCl) Hổ phách Politiren Xaphia	1,544 1,546 1,590 1,768
Chất lỏng (20oC)	Chiết suất	Chất lỏng (20oC)	Chiết suất
Nước Benzen	1,333 1,501	Rượu etylic Glixerol	1,361 1,473
Chất khí (0oC, 1atm)	Chiết suất	Chất khí (0oC, 1atm)	Chiết suất
Không khí	1,000293	Khí cacbonic	1,00045

Chiết suất tuyệt đối

Chiết suất tuyệt đối của một môi trường là chiết suất tỉ đối của môi trường đó và môi trường chân không. Chiết suất trong môi trường chân không bằng 1, mọi mọi môi trường trong suốt khác đều có chiết suất lớn hơn 1.

Ta có thể thiết lập được một hệ thức như sau:

Trong đó:

• n2 là chiết suất tuyệt đối của môi trường 2.
• n1 là chiết suất tuyệt đối của môi trường 1.

Ta có mối liên hệ giữa chiết suất tuyệt đối của một môi trường và vận tốc được tính bằng công thức như sau:

Trong đó:

• c là vận tốc ánh sáng trong chân không (c = 3.108 m/s).
• v là vận tốc ánh sáng trong môi trường đang xét.

Dưới đây là một vài lưu ý khi tính toán:

• Chiết suất của môi trường chân không là 1.
• Chiết suất của môi trường không khí = 1,000293, thường được làm tròn =1.
• Các môi trường trong suốt khác đều có chiết suất tuyệt đối >1
• Một vài hệ thức khác của định luật khúc xạ ánh sáng như sau:
  • Công thức khúc xạ ánh sáng: n1sini = n2sinr
  • Nếu i và r nhỏ hơn 10 độ thì sini ≈ i; sinr ≈ r → n1i = n2r .
  • Nếu i = 0, r = 0 thì không xảy ra hiện tượng khúc xạ.

Tính thuận nghịch của sự truyền ánh sáng

Đối với sự truyền của ánh sáng cũng có tính thuận nghịch, điều này lý giải rằng ánh sáng truyền đi theo đường nào thì cũng truyền ngược lại theo đường đó.

Từ đó ta có hệ thức sau:

Ứng dụng hiện tượng khúc xạ ánh sáng

Không chỉ là một hiện tượng vật lý thú vị, mà khúc xạ ánh sáng còn được ứng dụng để tạo ra nhiều thiết bị trong các ngành khoa học như:

• Thấu kính: Đây là một loại dụng cụ có một khối cong bằng thủy tinh hoặc bằng nhựa. Nó được chia thành nhiều loại như:
• Kính lúp: Đây là loại cơ bản nhất được dùng để quan sát các vật có kích thước nhỏ mà mắt thường không quan sát được.
• Thấu kính hội tụ: Mỗi một tia sáng khi đi qua thấu kính hội tụ (lồi) khúc xạ vào bên trong khi nó đi vào trong thấu kính và đi vào lại khi nó rời đi. Những khúc xạ này khiến cho các tia sáng song song lan ra, truyền trực tiếp ra khỏi tiêu điểm tưởng tượng.
• Thấu kính phân kỳ: Mỗi một tia sáng khi đi qua thấu kính phân kì khúc xạ ra bên ngoài khi nó đi vào trong thấu kính và hướng ra ngoài một lần nữa khi nó chuẩn bị rời đi. Các khúc xạ sẽ làm cho các tia sáng song sóng lan truyền ra ngoài sau đó truyền trực tiếp ra khỏi điểm tưởng tượng.
• Lăng kính: Nhà bác học Isaac Newton đã thực hiện một thí nghiệm nổi tiếng với một khối thủy tinh hình tam giác được gọi là lăng kính. Đó là ông cho ánh sáng mặt trời chiếu xuyên qua cửa sổ để tạo thành một dải màu về phía đối diện căn phòng.

Quá thí nghiệm này cho thấy ánh sáng thực sự được tạo ra từ các màu sắc của cầu vồng. Bảy màu bao gồm: đỏ, cam, vàng, xanh lá cây, xanh dương, chàm và tím.

Trên đây là những thông tin về khúc xạ ánh sáng, một hiện tượng rất dễ dàng nhìn thấy trong tự nhiên. Mong rằng bài viết sẽ đem lại cho bạn nhiểu thông tin hữu ích. Mọi thắc mắc hay những đóng góp ý kiến vui lòng liên hệ với AME Group để được hỗ trợ.