10. Cấu chúc luận văn
2.1.2. Những định luật cơ bản của quang hình học
2.1.2.1. Định luật truyền thẳng của ánh sáng
“Trong một môi trường đồng tính, ánh sáng truyền theo đuờng thẳng”
Thực vậy, trong môi trường đồng tính, chiết suất n bằng nhau tại mọi điểm. Quang lộ cực trị cũng có nghĩa là quãng đường (hình học) cực trị. Mặt
khác, trong hình học ta đã biết: đường thẳng là đường ngắn nhất nối liền hai
a) ảnh thật P’
P’
b) ảnh ảo P’ P’
P
vật thật P (đối với thấu kính L) vật ảo P (đối với thấu kính L) P
2.1.2.2. Định luật về tác dụng độc lập của các chùm tia sáng
Định luật này được phát biểu như sau: Tác dụng của các chùm sáng
khác nhau là độc lập với nhau, nghĩa là tác dụng của một chùm sáng này
không phụ thuộc vào sự có mặt hay không của các chùm sáng khác.
2.1.2.3. Nguyên lý về tính thuật nghịch
của chiều truyền ánh sáng
Nếu ACB là một đường truyền
ánh sáng (một tia sáng) thì trên đường đó có thể cho ánh sáng đi từ A đến B
hoặc từ B đến A (hình bên).
2.1.2.4. Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng.
Khi cho một chùm sáng tới gặp mặt phân
cách giữa hai mội trường trong suốt đồng tính (chẳng hạn giữa không khí và nước), thì người
ta thấy có hiện tượng chùm sáng bị tách làm hai
phần: phần bị đổi hướng trở lại môi trường cũ
gọi là phần phản xạ; và phần bị gãy khúc (đổi hướng đột ngột) ở mặt phân cách đi vào môi
trường hai gọi là phần khúc xạ(hình bên). Đó là
hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng.
Góc hợp bởi tia tới SI và pháp tuyến IN với mặt phản xạ gọi là góc tới
i; góc hợp bởi tia phản xạ IS’
và pháp tuyến IN gọi là góc phản xạ i’
; góc hợp
bởi tia khúc xạ IR và pháp tuyến IN’
gọi là góc khúc xạ r.
Sự phản xạ và khúc xạ tuân theo hai định luật sau đây:
* Định luật phản xạ ánh sáng: Tia phản xạ nằm trong mặt phẳng tới
(mặt phẳng chứa tia tới và pháp tuyến với mặt phản xạ vẽ từ điểm tới) và góc phản xạ bằng góc tới: i’ = - i (1) S S R N N I i i' r B C A Hình 2.4: Tính thuận nghịch
Người ta quy ước: góc được tính từ pháp tuyến được xem là dương nếu
ta quay pháp tuyến đến gặp tia sáng theo chiều ngược chiều kim đồng hồ, ngược lại là âm.
* Định luật khúc xạ ánh sáng: Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới và tỉ số giữa sin của góc tới và sin của góc khúc xạ là một đại lượng không đổi đối với hai môi trường đã cho trước:
21 sin sin n r i = (2)
Đại lượng không đổi n21 đượng gọi là chiết suất tỉ đối của môi trường 2 đối với môi trường 1.
Từ (2) ta thấy, nếu n21 > 1 thì r < i, tia khúc xạ gần pháp tuyến hơn. Ngược lại, nếu n21 < 1, thì r > i, tia khúc xạ lệch ra xa pháp tuyến hơn, trong trường hợp này môi trường 2 kém chiết quang hơn môi trường 1.
2.1.2.5. Hiện tượng phản xạ toàn phần
Ta xét hai môi trường 1 và 2 có chiết suất là n1 và n2. Nếu n1 < n2 thì r < i và mọi tia tới đều cho tia khúc xạ.
Nếu n1 > n2 thì r > i, trong trường hợp nay không phải mọi tia tới đều
cho tia khúc xạ. Khi góc tới i đạt giá trị igh nào đó, thì góc phản xạ r = π/2.
Khi đó tia khúc xạ nằm trùng với mặt phẳng phân cách giữa hai môi trường
(Hình bên). Khi i > igh thì toàn bộ tia sáng tới bị phản xạ và không còn tia khúc xạ nữa. Hiện tượng này gọi là hiện tượng phản xạ toàn phần. Góc igh
được gọi là góc tới giới hạn phản xạ toàn phần. Đối với một cặp môi trường cho trước ta có thể tính giá trị igh từ biểu thức của định luật khúc xạ. Thực
vậy, khi i = igh thì r = π/2, từ đó ta rút ra:
1 2 sin n n igh = (3) 2.1.2.6. Nguyên lý Fermat
Các định luật cơ bản của quang hình học mà ta nghiên cứu ở trên có thể
được phát biểu như sau: Trong vô số các đường đi khả dĩ từ điểm A đến điểm
B, ánh sáng sẽ truyền theo đường đi mà quang trình là cực tiểu.
Từ nguyên lý Femat, có thể suy ngay ra định luật truyền thẳng ánh sáng. Trong môi trường đồng tính, đường truyền ánh sáng mất ít thời gian
nhất (hay quang trình cực tiểu) chính là đường nối hai điểm A và B.