nghiên cứu chương trình Phần “khúc xạ ánh sáng”

A MỞ ĐẦU Quang hình học phần Quang học dùng phương pháp hình học để giải thích tượng liên quan đến ánh sáng Quang hình học không giải thích chất tượng quang học mà dựa quan niệm túy hình học để nghiên cứu Vì vấn đề nêu có ý nghĩa mặt hình học ý nghĩa vật lý Lý thuyết quang hình học giải thích thành công tượng phản xạ khúc xạ ánh sáng Tuy nhiên để nghiên cứu số tượng khác giai thoa, nhiễu xạ ánh sáng… Không thể dùng lý thuyết này, mà ta phải dùng lý thuyết quang học sóng, xét ánh sáng sóng Phần “Khúc xạ ánh sáng” đề cập vấn đề liên quan đến tượng phản xạ khúc xạ ánh sáng Kiến thức chương khái niệm chiết suất tỉ đối, chiết suất tuyệt đối, tượng khúc xạ ánh sáng, định luật khúc xạ ánh sáng, nguyên lý thuận nghịch truyền ánh sáng; góc tới giới hạn, góc khúc xạ giới hạn, điều kiện xảy phản xạ toàn phần, ứng dụng tượng phản xạ toàn phần để chế tạo sợi quang học cáp quang… B NỘI DUNG Khúc xạ ánh sáng 1.1 Tia sáng – chùm sáng –điểm sáng – nguồn sáng 1.1.1 Tia sáng Trong môi trường suốt đồng tính mặt quang học tia sáng đường truyền lượng đường thẳng vuông góc với mặt đầu sóng ánh sáng Nếu môi trường không đồng tính mặt quang học, ví dụ tia sáng truyền lớp khí 1.1.2 Chùm sáng Tập hợp vô số tia sáng tạo thành chùm sáng Nếu tia sáng xuất phát từ điểm, hay gặp điểm tập hợp tia sáng tạo thành chùm đồng quy Chùm đồng quy chùm phân kì, chùm hội tụ chùm song song Chùm tia song song trường hợp đặt biệt tia đồng quy ứng với sóng phẳng hệ quang học có tác dụng biến đổi chùm tia sáng rọ vào chúng hệ quang học không làm tính đồng quy chùm tia sáng, hệ quang học coi lý tưởng hệ quang học thực có sai sót, chùm đồng quy qua hệ không chùm đồng quy Lưu ý: Khái niệm tia sáng hình thành từ chùm sáng thực cho truyền qua lỗ hẹp ta hình dung lỗ hẹp chùm sáng gần với tia sáng Tuy nhiên nghiên cứu tượng nhiễu xạ ánh sáng ta thấy rằng, lỗ hẹp ddeeesn mức đó, mức chùm sáng qua lỗ , không bị thu hẹp mà rộng Vì cách giảm kích thước lỗ sáng để tách riêng tia sáng Như biết góc φ ứng với cực tiểu nhiễu xạ thứ chùm tia sáng qua lỗ tròn có đường kính D xấc định biểu thức : sinφ~ λ/ D vậy, trường hợp λ = 0, ta coi tượng nhiễu xạ, coi tia sáng đường thẳng hình học đó, tia sáng khái niệm toán học, ý nghĩa vật lý 1.1.3 Điểm sáng Khái niệm điểm sang mô hình Nôm na, điểm sáng vật phát sáng có kích thước vô bé so với khoảng cách mà ta ngiên cứu 1.1.4 Nguồn sáng Nguồn sáng vật tự phát ánh sáng Nguồn sáng thường dùng xếp thành ba loại sau: - Nguồn dùng nhiệt, phát sáng nhờ có nhiệt độ cao, mặt trời, đèn điện dây tốc, ản - Đèn phóng điện 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) nguồn sáng loại đặc biệt, sử dụng phổ biến để chiếu sáng, mà thường dùng làm nguồn xạ đơn sắc số ứng dụng đặc biệt 1.2 Ảnh thực Ảnh ảo Vật thực Vật ảo Nếu hệ quang học lý tưởng, tia sáng xuất phát từ điểm P sau qua quanghệ cắt điểm P’, điểm ảnh quang học điểm sáng P Ảnh gọi thực tia sáng qua quang hệ cắt điểm P’ , ảnh ảo P’ đường kéo dài tia sáng theo hướng ngược lại Ảnh thực hứng màn, quan sát ảnh ảo cách Điểm sáng P Là vật thực thấu kính hay gương, chùm tia xuất phát từ P vào thấu kính phân kì Là vật ảo thấu kính (hay gương) nhận chùm tia hội tụ, mà đường kéo dài tia sáng chùm cắt điểm P 1.3 Các 1.3.1 định luật quang hình học Định luật truyền thẳng ánh sáng Trong môi trường suốt đồng tính đẳng hướng ánh sáng truyền theo đường thẳng Ta biết rằng, theo nguyên lí truyền thẳng ánh sáng môi trường đồng tính quang học (chiết suất môi trường điểm) ánh sáng truyền theo đường thẳng, nghĩa khoảng cách ngắn hai điểm cho trước Định luật truyền thẳng ánh sáng vận dụng để giải thích tượng : xuất vùng bóng đen nủa tối; nhật thực, nguyệt thực … 1.3.2 Định luật tác dụng độc lập tia sáng Tác dụng chùm tia sáng khác độc lập với nhau, nghĩa tác dụng chùm sáng không phụ thuộc vào có mặt hay không chùm khác 1.3.3 Định luật phản xạ ánh sáng Hiện tượng tia sáng bị đổi hướng trở lại môi trường cũ gặp bề mặt nhẵn gọi tượng phản xạ ánh sáng Nếu mặt ngăn cách hoàn toàn nhẵn bóng để phản xạ tuân theo định luật phản xạ (i=i’) phản xạ gọi phản xạ gương Tia phản xạ nằm mặt phẳng tới ( tức mặt phẳng chứa tia tới pháp tuyến ) Góc phản xạ góc tới (i’=i) Nếu tia tới SI trùng với NI (i=0), i‘=0, tia phản xạ IR trùng với IN : tia tới vuông góc mặt nhẵn , phản xạ trục Nếu tia tới RI tia phản xạ tia IS: tượng phản xạ, chiều truyền tia sáng có tính thuận nghịch Định luật phản xạ có nhiều ứng dụng quan trọng sống ngày 1.3.4 Định luật khúc xạ ánh sáng Hiện tượng ánh sáng truyền qua mặt phân cách hai môi trường suốt, tia sáng bị gãy khúc (đổi hướng đột ngột) mặt phân cách gọi tượng khúc xạ ánh sáng Tia khúc xạ nằm mặt phẳng tới tỉ số sin góc tới sin góc khúc xạ số không đổi sin i = n21 sin 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 - Nếu tia tới RI, tia khúc xạ IS: tượng khúc xạ, chiều truyền tia sáng có tính thuận nghịch Hiện tượng khúc xạ ánh sáng gây vận tốc truyền ánh sáng khác môi trường khác Bằng nguyên lý Huyghen người ta giải thích đập vào mặt phân cách vận tốc truyền khác nên mặt đầu sóng đổi phương phương truyền tia sáng bị gãy khúc mặt phân cách Nếu gọi v1 v2 vận tốc ánh sáng môi trường môi trường thực nghiệm chứng tỏ: n21 = n2 v1 = n1 v2 (1) gọi chiết suất tỉ đối môi trường môi trường 1, n1, n2 chiết suất tuyệt đối môi trường Chiết suất tuyệt đối môi trường suốt tỷ lệ ngịch với vận tốc truyền ánh sáng môi trường với c vận tốc ánh sáng chân không, v vận tốc truyền ánh sáng môi trường Để chứng minh biểu thức (1): n1 = c v1 n2 = c v2 Chiết suất tuyệt đối môi trường : Chiết suất tuyệt đối môi trường 2:  Chiết suất tỉ đối môi trường môi trường 1: c v1 n1 n2 n21 = = = c v2 n1 n2 Vậy hệ thức liên hệ chiết suất tỉ đối chiết suất tuyệt đối: n21 = n2 n1 Nếu môi trường thứ không khí n1 ≈ n21 ≈ n2 Do coi chiết suất tuyệt đối môi trường chiết suất tỉ đối môi trường không khí Định luật khúc xạ ánh sáng trình bày dạng công thức : sin i = n21 sin r Hoặc tổng quát : n1.sin i= n2.sin i2 = …nn.sin nn Luu ý nghiên cứu tượng khúc xạ ánh sáng xảy tượng phản xạ mặt phân cách phẳng Hai tượng thường xảy đồng thời tia sáng đập vào mặt phân cách hai môi trường Cường độ sáng hai tia khác thay đổi theo góc tới , phân chia lượng tia phản xạ khúc xạ tuân theo địh luật bảo toàn lượng 1.3.5 Hiện tượng phản xạ toàn phần Phản xạ toàn phần tượng toàn tia sáng tới mặt i’ phân cách hai môi trường suốt cho tia phản xạ, không cho tia i r khúc xạ Hình ảnh bên, góc khúc xạ lớn góc tới ighKhi r đạt giá trị cực đại 90o góc i đạt giá trị cục đại igh n1 sin igh = n2 sin 900 = n2 → sin igh = n2 = n21 n1 Nếu góc tói i> igh toàn ánh sáng bị phản xạ, tia khúc xạ Hiện tượng phản xạ toàn phần xảy ánh sáng truyền từ môi trường có chiết quang sáng môi trường có chiết quang ( n1 > n2) góc tới phải lớn góc giới hạn sin igh= n2/n1 tia sáng phản xạ tia khúc xạ Các tượng phản xạ khúc xạ có nhiều ứng dụng thực tế, ví dụ xác định vị trí phải ý đến khúc xạ ánh sang qua lớp không khí Các ảo ảnh quan sát vùng sa mạc hay đồng cỏ giải thích dựa tượng khúc xạ phản xạ toàn phần Nhờ uốn cong tia sáng nên số vật khuất xa đường chân trời nhìn thấy gần người quan sát Hiện tượng phản xạ toàn phần ánh sáng ứng dụng sợi quang học, thiết bị ngày có nhiều ứng dụng khoa học kĩ thuật đại Ngành quang học nghiên cứu sợi quang học gọi ngành quang học sợi 1.3.6 Hiện tượng khúc xạ thiên văn Hình Chúng ta quan sát tượng khúc xạ qua môi trường lớp Môi trường có chiết suất thay đổi theo phương x Giả sử môi trường gồm nhiều lớp có chiết suất biến thiên đặn n0 < n < n2 < n3 Các mặt ngăn chia lớp thẳng góc với trục x (hình 5) Vẽ tia sáng truyền qua lớp, ta đường gãy khúc Nếu chiết suất biến thiên cách liên tục, đường gãy khúc trở thành đường cong A’ Lớp khí bao quanh trái đất có mật độ giảm dần theo chiều cao, chiết suất giảm dần theo chiều cao môi trườnglớp Xét tia sáng từ A tới lớp khí tia sáng bị cong hình vẽ Người quan sát M có cảm giác ánh sáng đến từ phương A’S’, tiếp tuyến tia sáng thực M khúc xạ thiên văn Góc lệch phương thực AS phương biểu A’S’ gọi độ khúc xạ thiên văn TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Thế Khôi (tổng chủ biên), sách giáo khoa vật lý 11 nâng cao, NXB Giáo dục Nguyễn Thế Khôi (tổng chủ biên), sách giáo viên Vật lý 11 nâng cao , NXB Giáo dục Lương Duyên Bình (tổng chu biên), sách giáo khoa vật lý 11, NXB Giáo dục Lương Duyên Bình (tổng chu biên), sách giáo viên Vật lý 11 , NXB Giáo dục Bộ Giáo dục Đào tạo, Tài liệu bồi dưỡng giáo viên, Hà Nội, 2007 Bộ Giáo dục Đào tạo, Những vấn đề chung đổi giáo dục Trung học phổ thông, NXB Giáo dục Lê Công Triêm, Lê Thúc Tuấn, Bài giảng phân tích chương trình vật lý phổ thông, Đại học Sư phạm Huế Tham khảo trang web : http://baigiang.violet.vn/present/show/entry_id/368551 http://www.bachkhoatrithuc.vn/encyclopedia/252-26633365118890596526/Cong-cu Tuong-lai/Kinh-hien-vi-dien-tu.htm http://123doc.org/document/1272744-kinh-hien-vi-dien-tu-quetpotx.htm [...]...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... 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... 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 Hình 5 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... 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/252-26633365118890596526/Cong-cu ... Định luật khúc xạ ánh sáng trình bày dạng công thức : sin i = n21 sin r Hoặc tổng quát : n1.sin i= n2.sin i2 = …nn.sin nn Luu ý nghiên cứu tượng khúc xạ ánh sáng xảy tượng phản xạ mặt phân cách... tia phản xạ khúc xạ tuân theo địh luật bảo toàn lượng 1.3.5 Hiện tượng phản xạ toàn phần Phản xạ toàn phần tượng toàn tia sáng tới mặt i’ phân cách hai môi trường suốt cho tia phản xạ, không... phản xạ ánh sáng Hiện tượng tia sáng bị đổi hướng trở lại môi trường cũ gặp bề mặt nhẵn gọi tượng phản xạ ánh sáng Nếu mặt ngăn cách hoàn toàn nhẵn bóng để phản xạ tuân theo định luật phản xạ