📖 Bài 5: Khúc xạ ánh sáng - lớp 9

💡 Bài 5: Khúc xạ ánh sáng

A. Hiện tượng khúc xạ ánh sáng

Định nghĩa: Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng tia sáng khi truyền từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác bị gãy khúc (lệch khỏi phương truyền ban đầu) tại mặt phân cách giữa hai môi trường.
Các khái niệm và quy ước cơ bản:
(Lồng ghép Hình 5.1 và Hình 5.2 - Đường truyền của chùm tia sáng) Thí nghiệm chiếu chùm sáng từ không khí vào khối bán trụ bằng thuỷ tinh trong suốt cho thấy:
- I là điểm tới; SI là tia tới; IK là tia khúc xạ.
- NN' là pháp tuyến (đường vuông góc với mặt phân cách tại điểm tới I).
- Góc $\widehat{SIN}$ là góc tới, kí hiệu là $i$.
- Góc $\widehat{K'IN'}$ là góc khúc xạ, kí hiệu là $r$.
- Mặt phẳng chứa tia tới SI và pháp tuyến NN' được gọi là mặt phẳng tới.

Hình 5.2 - Đường truyền của chùm tia sáng) Thí nghiệm chiếu chùm sáng từ không khí vào khối bán trụ bằng thuỷ tinh trong suốt cho thấy:

B. Định luật khúc xạ ánh sáng Từ các thí nghiệm đo đạc, người ta rút ra định luật sau:

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: $$\frac{\sin i}{\sin r} = \text{hằng số} = n_{21}$$.

C. Chiết suất của môi trường

1. Chiết suất tỉ đối ($n_{21}$): Là tỉ số $\frac{\sin i}{\sin r}$ trong hiện tượng khúc xạ, gọi là chiết suất tỉ đối của môi trường 2 (chứa tia khúc xạ) đối với môi trường 1 (chứa tia tới). Biểu thức: $n_{21} = \frac{n_2}{n_1}$.
(Lồng ghép Hình 5.3 và Hình 5.5 - Chiều truyền ánh sáng qua hai môi trường)
- Nếu $n_{21} > 1$ (suy ra $r < i$): Tia khúc xạ lệch gần pháp tuyến hơn so với tia tới (Ví dụ: tia sáng truyền từ không khí vào nước).
- Nếu $n_{21} < 1$ (suy ra $r > i$): Tia khúc xạ lệch xa pháp tuyến hơn so với tia tới (Ví dụ: tia sáng truyền ngược từ nước ra ngoài không khí).
2. Chiết suất tuyệt đối ($n$): (Thường gọi tắt là chiết suất) là chiết suất tỉ đối của môi trường đó đối với chân không.
- Công thức: $n = \frac{c}{v}$.
- Trong đó: $c$ là tốc độ ánh sáng trong chân không ($c \approx 3.10^8$ 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 1,00029, nên trong các tính toán thông thường ta lấy tròn bằng 1.

Từ Bài 5, em cần ghi nhớ các kiến thức trọng tâm sau:

Hiện tượng tia sáng truyền từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác bị gãy khúc tại mặt phân cách gọi là hiện tượng khúc xạ ánh sáng.
Định luật khúc xạ ánh sáng: Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới và ở phía bên kia pháp tuyến. Tỉ số $\frac{\sin i}{\sin r} = \text{hằng số} = n_{21}$.
Công thức tính chiết suất tỉ đối: $n_{21} = \frac{n_2}{n_1}$.
Công thức tính chiết suất tuyệt đối: $n = \frac{c}{v}$.

Vẽ được đường đi của tia sáng khi truyền từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác khi biết góc tới và chiết suất của các môi trường.
Tính được chiết suất tỉ đối giữa hai môi trường và chiết suất của các góc khúc xạ.
Giải thích được một số hiện tượng quen thuộc trong thực tiễn như ống hút gãy khúc, vị trí vật dưới nước,...

Dựa vào hiện tượng khúc xạ ánh sáng, em có thể giải thích các hiện tượng kì thú trong đời sống: Hiện tượng đồng xu

Hiện tượng đồng xu "hiện hình" (Lồng ghép Hình 5.6): Đặt một đồng xu vào đáy một chiếc cốc rỗng, ta đứng ở một góc mà thành cốc vừa che khuất đồng xu (không nhìn thấy). Khi đổ từ từ nước vào cốc, ánh sáng đi từ đồng xu (trong nước) truyền ra ngoài không khí bị lệch xa pháp tuyến (do đi từ môi trường chiết suất lớn ra môi trường chiết suất nhỏ $n_{21} < 1$). Tia khúc xạ này lọt vào mắt ta, tạo cảm giác như ảnh của đồng xu được nâng lên cao hơn so với đáy cốc, giúp ta nhìn thấy đồng xu.

Ống hút bị gãy khúc: Tương tự, khi cắm ống hút nghiêng vào một cốc nước, nhìn từ bên ngoài ta sẽ thấy phần ống hút nằm dưới mặt nước như bị gãy lệch đi so với phần trên không khí.

Đánh giá sai độ sâu của hồ bơi: Khi quan sát từ trên bờ xuống một hồ nước trong, hiện tượng khúc xạ khiến mắt ta nhìn thấy ảnh của đáy hồ cao hơn so với vị trí thực tế của nó. Do đó, một hồ bơi hoặc khe suối trông có vẻ rất nông nhưng khi bước xuống lại sâu hơn em tưởng tượng rất nhiều.