Khúc xạ ánh sáng – khi ánh sáng “đánh lừa” đôi mắt!

MỞ ĐẦU

Ánh sáng khi truyền qua hai môi trường trong suốt khác nhau (như không khí và nước, không khí và thủy tinh…) thường bị đổi hướng. Hiện tượng này được gọi là khúc xạ ánh sáng.

Ví dụ: Khi ta nhìn xuống một hồ nước trong suốt, ta thấy đáy hồ có vẻ nông hơn so với thực tế. Điều này xảy ra do hiện tượng khúc xạ ánh sáng.

Vậy, khúc xạ ánh sáng xảy ra như thế nào? Chúng tuân theo quy luật nào? Hãy cùng tìm hiểu

KHÁI NIỆM KHÚC XẠ ÁNH SÁNG

1. Định nghĩa

Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng tia sáng bị đổi hướng khi truyền xiên góc từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác có chiết suất khác nhau.

Lưu ý:

• Nếu ánh sáng truyền vuông góc với mặt phân cách giữa hai môi trường (góc tới bằng 0⁰), thì ánh sáng vẫn tiếp tục truyền thẳng, không bị khúc xạ.
• Khi ánh sáng truyền từ môi trường này sang môi trường khác mà không có sự thay đổi về vận tốc, hiện tượng khúc xạ không xảy ra.

2. Các đại lượng liên quan

• Tia tới: Tia sáng từ môi trường thứ nhất truyền đến mặt phân cách giữa hai môi trường.
• Tia khúc xạ: Tia sáng bị đổi hướng và tiếp tục truyền trong môi trường thứ hai.
• Góc tới (i): Góc tạo bởi tia tới và pháp tuyến tại điểm tới.
• Góc khúc xạ (r) Góc tạo bởi tia khúc xạ và pháp tuyến tại điểm tới.
• Pháp tuyến: Đường vuông góc với mặt phân cách tại điểm ánh sáng tới.

ĐỊNH LUẬT KHÚC XẠ ÁNH SÁNG

1. Nội dung định luật

Khúc xạ ánh sáng tuân theo hai quy tắc quan trọng:

1. Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng chứa tia tới và pháp tuyến tại điểm tới.
2. Tỉ số giữa sin của góc tới và sin của góc khúc xạ là một hằng số, được gọi là chiết suất tỉ đối của hai môi trường: 

Trong đó:

• i là góc tới
• r là góc khúc xạ,
• n​₂₁ là chiết suất tỉ đối của môi trường 2 so với môi trường 1.

2. Công thức chiết suất

Chiết suất tỉ đối giữa hai môi trường:

Chiết suất tuyệt đối của một môi trường được xác định bằng công thức:

Trong đó:

• n là chiết suất tuyệt đối của môi trường,
• c là vận tốc ánh sáng trong chân không (3 × 10⁸ m/s),
• v là vận tốc ánh sáng trong môi trường đó.

Một số giá trị chiết suất tuyệt đối phổ biến:

Môi trường	Chiết suất tuyệt đối (n)
Chân không	1.000
Không khí	≈1.0003
Nước	1.33
Thủy tinh	1.5 – 1.9
Kim cương	2.42

HỆ QUẢ CỦA ĐỊNH LUẬT KHÚC XẠ ÁNH SÁNG

1. Tia sáng bị bẻ cong theo hai hướng khác nhau

• Khi ánh sáng truyền từ môi trường có chiết suất nhỏ (n₁​) sang môi trường có chiết suất lớn hơn (n₂) (n₁ < n₂):
  • Góc khúc xạ nhỏ hơn góc tới (r < i).
  • Tia khúc xạ bị lệch về phía pháp tuyến.
  • Ví dụ: Ánh sáng từ không khí đi vào nước.
• Khi ánh sáng truyền từ môi trường có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn (n₁ > n₂​):
  • Góc khúc xạ lớn hơn góc tới (r > i).
  • Tia khúc xạ bị lệch ra xa pháp tuyến.
  • Ví dụ: Ánh sáng từ nước đi vào không khí.

2. Hiện tượng phản xạ toàn phần

Khi ánh sáng truyền từ môi trường có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn (n₁ > n₂), nếu góc tới vượt quá một giá trị giới hạn (i > i_gh), thì không có tia khúc xạ mà toàn bộ tia sáng bị phản xạ lại môi trường ban đầu. Đây gọi là hiện tượng phản xạ toàn phần.

• Góc giới hạn i​_gh được xác định theo công thức: (với n₁ > n₂​)

Ví dụ: Khi ánh sáng truyền từ thủy tinh ra không khí, nếu góc tới lớn hơn góc giới hạn, ánh sáng sẽ bị phản xạ hoàn toàn trong thủy tinh.

---

ỨNG DỤNG CỦA KHÚC XẠ ÁNH SÁNG

1. Trong cuộc sống hằng ngày

• Hiện tượng “đáy hồ cạn hơn so với thực tế” là do khúc xạ ánh sáng khi ánh sáng đi từ nước vào không khí.
• Ảo ảnh trên mặt đường nóng: Do không khí có mật độ khác nhau gây ra hiện tượng khúc xạ ánh sáng từ bầu trời xuống.

2. Trong công nghệ và y học

• Thấu kính: Ứng dụng trong kính lúp, kính cận, kính viễn, kính hiển vi, kính thiên văn.
• Lăng kính: Sử dụng để phân tán ánh sáng, tạo ra quang phổ.
• Cáp quang: Ứng dụng phản xạ toàn phần để truyền tín hiệu quang học với tốc độ cao trong viễn thông và y học (nội soi).

KẾT LUẬN

Định luật khúc xạ ánh sáng giúp chúng ta hiểu rõ cách ánh sáng bị bẻ cong khi truyền qua các môi trường khác nhau. Hiện tượng này không chỉ xuất hiện trong tự nhiên mà còn có rất nhiều ứng dụng thực tiễn trong khoa học và đời sống. Theo dõi Lý – Sumenki để cập nhật nhanh nhất những kiến thức bổ ích nha.