nghiên cứu chương trình Phần “khúc xạ ánh sáng”

MỞ ĐẦU Quang hình học là một phần của Quang học trong đó dùng phương pháp hình học để giải thích các hiện tượng liên quan đến ánh sáng.. Kiến thức cơ bản của chương là các khái niệm về c

A. MỞ ĐẦU

Quang hình học là một phần của Quang học trong đó dùng phương pháp hình học để

giải thích các hiện tượng liên quan đến ánh sáng Quang hình học không giải thích bản chất của các hiện tượng quang học mà chỉ dựa trên quan niệm thuần túy hình học để nghiên cứu Vì vậy vấn đề nêu ra chỉ có ý nghĩa về mặt hình học hơn ý nghĩa vật lý

Lý thuyết quang hình học đã giải thích thành công cả hiện tượng như phản xạ và khúc xạ ánh sáng Tuy nhiên để nghiên cứu một số hiện tượng khác như giai thoa, nhiễu xạ ánh sáng… Không thể dùng

lý thuyết này, mà ta phải dùng lý thuyết quang học sóng, trong đó xét ánh sáng như một sóng

Phần “Khúc xạ ánh sáng” đề cập các vấn đề liên quan đến hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng Kiến thức cơ bản của

chương là các khái niệm về chiết suất tỉ đối, chiết suất tuyệt đối, hiện tượng khúc xạ ánh sáng, định luật khúc xạ ánh sáng, nguyên lý thuận nghịch của sự truyền ánh sáng; góc tới giới hạn, góc khúc xạ giới hạn, điều kiện xảy ra phản xạ toàn phần, ứng dụng của hiện tượng phản xạ toàn phần để chế tạo sợi quang học và cáp quang…

B. NỘI DUNG

1. Khúc xạ ánh sáng

1.1. Tia sáng – chùm sáng –điểm sáng – nguồn sáng

1.1.1. Tia sáng

Trong môi trường trong suốt và đồng tính về mặt quang học tia sáng là đường truyền của năng lượng hay là đường thẳng vuông góc với mặt đầu sóng ánh sáng Nếu trong môi trường không đồng tính về mặt quang học, ví dụ như tia sáng truyền trong lớp khí quyển

1.1.2. Chùm sáng

Tập hợp của vô số tia sáng tạo thành chùm sáng Nếu các tia sáng xuất phát từ một điểm, hay gặp nhau tại một điểm thì tập hợp của các tia sáng đó tạo thành chùm đồng quy Chùm đồng quy có thể

là chùm phân kì, chùm hội tụ và chùm song song

Chùm tia song song là một trường hợp đặt biệt của tia đồng quy nó ứng với một sóng phẳng mọi hệ quang học có tác dụng biến đổi các chùm tia sáng rọ vào chúng nếu hệ quang học không làm mất tính đồng quy của các chùm tia sáng, thì hệ quang học đó được coi là lý tưởng nhưng hệ quang học thực bao giờ cũng có sai sót, do đó một chùm đồng quy qua hệ không còn là chùm đồng quy

Lưu ý:

Khái niệm tia sáng được hình thành từ một chùm sáng thực cho truyền qua một lỗ hẹp ta hình dung rằng nếu lỗ càng hẹp thì chùm

sáng càng gần với tia sáng Tuy nhiên khi nghiên cứu hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng thì ta thấy rằng, khi lỗ hẹp ddeeesn một mức nào

đó, quá mức đó chùm sáng đi qua lỗ , chẳng những không bị thu hẹp

mà còn rộng ra Vì vậy không thể bằng cách giảm kích thước của lỗ sáng để tách riêng một tia sáng

Như đã biết góc φ ứng với cực tiểu nhiễu xạ thứ nhất của chùm tia sáng đi qua lỗ tròn có đường kính D được xấc định bởi biểu thức : sinφ~ λ/ D như vậy, chỉ trong trường hợp λ = 0, khi đó ta coi như không có hiện tượng nhiễu xạ, và mới có thể coi tia sáng như một đường thẳng hình học do đó, tia sáng chỉ là một khái niệm toán học, không có ý nghĩa vật lý

1.1.3. Điểm sáng

Khái niệm điểm sang cũng là một mô hình Nôm na, điểm sáng là một vật phát sáng có kích thước vô cùng bé so với khoảng cách mà ta ngiên cứu

1.1.4. Nguồn sáng

Nguồn sáng là một vật tự nó phát ra ánh sáng

Nguồn sáng thường dùng có thể xếp thành ba loại sau:

- Nguồn dùng nhiệt, phát sáng nhờ có nhiệt độ cao, như mặt trời, đèn điện dây tốc, ản

- Đèn phóng điện trong chất khí: tia lửa điện (tia điện cao thế), hồ quang áp suất thấp (đèn thủy ngân, đèn natri), đèn phóng điện qua khí loãng (đèn neon)…

- Đèn huỳnh quang ( đèn ống)

Máy phát lượng tử (laser) là một nguồn sáng loại đặc biệt, nhưng ít được sử dụng phổ biến để chiếu sáng, mà thường chỉ được dùng làm nguồn bức xạ đơn sắc trong một số ứng dụng đặc biệt

1.2. Ảnh thực Ảnh ảo Vật thực Vật ảo

Nếu hệ quang học là lý tưởng, thì các tia sáng xuất phát từ một điểm P sau khi qua quanghệ sẽ cắt nhau tại một điểm P’, điểm này là ảnh quang học của điểm sáng P

Ảnh được gọi là thực nếu các tia sáng qua quang hệ cắt nhau tại điểm P’ , ảnh này là ảo nếu P’ là đường kéo dài của các tia sáng theo hướng ngược lại Ảnh thực có thể hứng được trên màn, nhưng không thể quan sát ảnh ảo bằng cách đó

Điểm sáng P Là vật thực đối với một thấu kính hay gương, nếu chùm tia xuất phát từ P đi vào thấu kính là phân kì Là vật ảo nếu thấu kính (hay gương) nhận được một chùm tia hội tụ, mà đường kéo dài của các tia sáng trong chùm cắt nhau tại điểm P

1.3. Các định luật cơ bản của quang hình học

1.3.1. Định luật về sự truyền thẳng của ánh sáng

Trong môi trường trong suốt đồng tính và đẳng hướng thì ánh sáng truyền theo đường thẳng

Ta biết rằng, theo nguyên lí truyền thẳng ánh sáng trong một môi trường đồng tính về

quang học (chiết suất của môi trường như nhau tại mọi điểm) ánh sáng truyền theo đường

thẳng, nghĩa là khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm cho trước

Định luật về sự truyền thẳng của ánh sáng được vận dụng để giải thích các hiện tượng : sự xuất hiện các vùng bóng đen và nủa tối; nhật thực, nguyệt thực …

1.3.2. Định luật về tác dụng độc lập của tia sáng

Tác dụng của các chùm tia sáng khác nhau thì độc lập với nhau, nghĩa là tác dụng của

một chùm sáng này không phụ thuộc vào sự có mặt hay không của chùm khác

1.3.3. Định luật phản xạ ánh sáng.

Hiện tượng tia sáng bị đổi hướng trở lại môi trường cũ khi gặp một

bề mặt nhẵn gọi là hiện tượng phản xạ ánh sáng

Nếu mặt ngăn cách hoàn toàn nhẵn bóng để sự phản xạ tuân theo đúng định luật phản xạ (i=i’) thì sự phản xạ gọi là phản xạ gương

Tia phản xạ nằm trong mặt phẳng tới ( tức là mặt phẳng chứa tia tới và pháp tuyến )

Góc phản xạ bằng góc tới (i’=i)

Nếu tia tới SI trùng với NI (i=0), thì i‘=0, tia phản xạ IR trùng với

IN : tia tới vuông góc trên mặt nhẵn , phản xạ trên trục chính

Nếu tia tới là RI thì tia phản xạ là tia IS: trong hiện tượng phản xạ, chiều truyền của tia sáng có tính thuận nghịch

Định luật phản xạ có nhiều ứng dụng quan trọng trong cuộc sống hằng ngày

1.3.4. Định luật khúc xạ ánh sáng

Hiện tượng khi ánh sáng truyền qua một mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt, tia sáng bị gãy khúc (đổi hướng đột ngột) ở mặt phân cách gọi là hiện tượng khúc xạ ánh sáng

Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới và tỉ số giữa sin góc tới và

sin góc khúc xạ là một số không đổi

21

sin sin

i n

r =

Nếu tia tới SI trùng với NI (i =0) ( r = 0), tia khúc xạ IR trùng với IN: tia tới vuông góc với mặt (P), truyền thẳng vào môi trường kia

- Nếu tia tới là RI, thì tia khúc xạ là IS: trong hiện tượng khúc xạ, chiều truyền của tia sáng có tính thuận nghịch

Hiện tượng khúc xạ ánh sáng gây ra do vận tốc truyền của ánh sáng khác nhau trong các môi trường khác nhau Bằng nguyên lý

Huyghen người ta giải thích khi đập vào mặt phân cách vì vận tốc truyền khác nhau nên mặt đầu sóng đổi phương do đó phương truyền của tia sáng bị gãy khúc tại mặt phân cách

Nếu gọi v1 và v2 là vận tốc ánh sáng trong môi trường 1 và môi trường 2 thì thực nghiệm chứng tỏ:

2 1 21

1 2

n

(1) gọi là chiết suất tỉ đối của môi trường 2 đối với môi trường 1, n1, n2 là chiết suất tuyệt đối của môi trường 1 và 2

Chiết suất tuyệt đối của cái môi trường trong suốt tỷ lệ ngịch với vận tốc truyền ánh sáng trong các môi trường đó

với c là vận tốc ánh sáng trong chân không, v là vận tốc truyền ánh sáng trong môi trường

Để chứng minh biểu thức (1):

Chiết suất tuyệt đối của môi trường 1 :

1 1

c n v

=

Chiết suất tuyệt đối của môi trường 2:

2 2

c n v

=

 Chiết suất tỉ đối của môi trường 2 đối với môi trường 1:

21

2

c

n

c

n

Vậy hệ thức liên hệ giữa chiết suất tỉ đối và chiết suất tuyệt đối:

2

21

1

n

n

n

=

Nếu môi trường thứ nhất là không khí thì n1 ≈ 1 và n21 ≈ n2 Do đó

có thể coi chiết suất tuyệt đối của một môi trường là chiết suất tỉ đối của môi trường đó đối với không khí

Định luật khúc xạ ánh sáng cũng được trình bày dưới dạng công

thức :

21

sin

sin

i

n

r =

Hoặc tổng quát hơn : n1.sin i= n2.sin i2 = …nn.sin nn

Luu ý khi nghiên cứu hiện tượng khúc xạ ánh sáng vẫn xảy ra hiện tượng phản xạ nếu mặt phân cách là phẳng Hai hiện tượng này thường xảy ra đồng thời khi một tia sáng đập vào mặt phân cách của hai môi trường Cường độ sáng hai tia này là khác nhau và thay đổi theo góc tới , nhưng sự phân chia năng lượng của tia phản xạ và khúc xạ tuân theo địh luật bảo toàn năng lượng

i

i’

r

1.3.5. Hiện tượng phản xạ toàn phần

Phản xạ toàn phần là hiện tượng trong đó toàn bộ tia sáng tới mặt phân cách hai môi trường trong suốt chỉ cho tia phản xạ, không cho tia

khúc xạ.

Hình ảnh bên, góc khúc xạ lớn hơn góc tới Khi r đạt giá trị cực đại là 90o thì góc i cũng

đạt giá trị cục đại là igh

1

sin gh sin 90 sin gh n

n

Nếu góc tói i> igh thì toàn bộ ánh sáng sẽ bị

phản xạ, không có tia khúc xạ

Hiện tượng phản xạ toàn phần xảy ra khi ánh sáng truyền từ môi trường có chiết quang hơn sáng môi trường có chiết quang kém ( n1

> n2) và góc tới phải lớn hơn góc giới hạn sin igh= n2/n1 mọi tia sáng đều phản xạ không có tia khúc xạ

Các hiện tượng phản xạ và khúc xạ có nhiều ứng dụng trong thực

tế, ví dụ như khi xác định vị trí các ngôi sao phải chú ý đến sự khúc xạ của ánh sang qua các lớp không khí Các ảo ảnh quan sát được trên trong các vùng sa mạc hay đồng cỏ cũng được giải thích dựa trên hiện tượng

khúc xạ và phản xạ toàn phần Nhờ sự uốn cong của tia sáng nên một số vật ở khuất xa đường chân trời sẽ được nhìn thấy và hình như ở gần người quan sát hơn

Hiện tượng phản xạ toàn phần của ánh sáng được ứng dụng trong các sợi quang học, một thiết bị ngày càng có nhiều ứng dụng trong khoa học và kĩ thuật hiện đại Ngành quang học nghiên cứu về sợi quang học gọi là ngành quang học sợi

1.3.6. Hiện tượng khúc xạ thiên văn

Chúng ta hãy quan sát hiện tượng khúc xạ qua một môi trường lớp Môi trường này có chiết suất thay đổi theo phương x Giả sử môi trường gồm nhiều lớp có chiết suất biến thiên đều đặn

n0 < n < n2 < n3

Các mặt ngăn chia các lớp thẳng góc với trục x (hình 5) Vẽ tia sáng truyền qua các lớp, ta được một đường gãy khúc Nếu chiết suất biến thiên một cách liên tục, đường gãy khúc trên trở thành đường cong

Hình 5

A’

Lớp khí quyển bao quanh trái đất có mật độ giảm dần theo chiều cao,

do đó chiết suất cũng giảm dần theo chiều cao đó là một môi trườnglớp

Xét tia sáng từ ngôi sao A tới lớp khí quyển tia sáng bị cong như hình vẽ 6 Người quan sát ở M có cảm giác ánh sáng đến từ phương A’S’, tiếp tuyến của tia sáng thực tại M đó là sự khúc xạ thiên văn Góc lệch giữa phương thực AS và phương biểu A’S’ được gọi là độ khúc xạ thiên văn

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Nguyễn Thế Khôi (tổng chủ biên), sách giáo khoa vật lý 11 nâng cao, NXB Giáo dục

2 Nguyễn Thế Khôi (tổng chủ biên), sách giáo viên Vật lý 11 nâng cao , NXB Giáo dục

3 Lương Duyên Bình (tổng chu biên), sách giáo khoa vật lý 11, NXB Giáo dục

4 Lương Duyên Bình (tổng chu biên), sách giáo viên Vật lý 11 , NXB Giáo dục

5 Bộ Giáo dục và Đào tạo, Tài liệu bồi dưỡng giáo viên, Hà Nội, 2007

6 Bộ Giáo dục và Đào tạo, Những vấn đề chung về đổi mới giáo dục Trung học phổ thông, NXB Giáo dục

7 Lê Công Triêm, Lê Thúc Tuấn, Bài giảng phân tích chương trình vật

lý phổ thông, Đại học Sư phạm Huế

8 Tham khảo các trang web như :

http://baigiang.violet.vn/present/show/entry_id/368551

http://www.bachkhoatrithuc.vn/encyclopedia/252-26-633365118890596526/Cong-cu Tuong-lai/Kinh-hien-vi-dien-tu.htm

http://123doc.org/document/1272744-kinh-hien-vi-dien-tu-quet-potx.htm