Nội dung kiến thức phần “Khúc xạ ánh sáng”, Vật lí 11

2.1. Phân tích nội dung kiến thức chủ đề Khúc xạ ánh sáng

2.1.2. Nội dung kiến thức phần “Khúc xạ ánh sáng”, Vật lí 11

2.1.2.1 Định luật khúc xạ ánh sáng

Theo chƣơng trình giáo dục phổ thơng mơn Vật lí lớp 11, chủ đề “Khúc xạ ánh sáng” gồm có 2 nội dung nhƣ sau

- Hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng. Định luật khúc xạ ánh sáng. Chiết suất - Hiện tƣợng phản xạ toàn phần. Cáp quang. Ảo ảnh

Nội dung kiến thức nói trên đƣợc thể hiện trong sách giáo khoa Vật lí lớp 11 (cơ bản) hiện hành gồm có 4 tiết

Tiết 52: Khúc xạ ánh sáng

Tiết 53: Bài tập về khúc xạ ánh sáng Tiết 54: Phản xạ toàn phần

Tiết 55: Bài tập về hiện tƣợng phản xạ toàn phần

2.1.2.1 Định luật khúc xạ ánh sáng

a. Hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng

Định nghĩa:Hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng là hiện tƣợng chùm tia sáng bị

đổi phƣơng đột ngột khi đi qua mặt phân cách hai môi trƣờng truyền ánh sáng. Chúng ta chỉ nghiên cứu hiện tƣợng khúc xạ ở mặt phân cách là phẳng.Ở đây, cần lƣu ý rằng bên cạnh hiện tƣợng khúc xạ vẫn có hiện tƣợng phản xạ nếu mặt phân cách là phẳng. Hai hiện tƣợng này xảy ra đồng thời khi một tia sáng đập vào mặt phân cách của hai môi trƣờng.

Hệ hai môi trƣờng truyền sáng phân cách bằng mặt phẳng đƣợc gọi là lƣỡng chất phẳng. Mặt phân cách hai môi trƣờng là mặt lƣỡng chất.

b. Định luật khúc xạ ánh sáng

Định luật

- Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới.

- Tia tới và tia khúc xạ nằm ở hai bên pháp tuyến tại điểm tới.

- Đối với hai môi trường trong suốt nhất định, tỉ số giữa sin của góc tới và sin của góc khúc xạ là một hằng số. sin sin i n r 

Hằng số n tuỳ thuộc vào môi trƣờng khúc xạ (môi trƣờng chứa tia khúc xạ) và môi trƣờng tới (môi trƣờng chứa tia tới). Cơng thức của định luật có thể viết dƣới dạng:

sini  nsinr

Trong trƣờng hợp góc tới có giá trị bé (i  100) thì r cũng có giá trị bé. Khi đó: sini  i;sinr  ithì i  nr.

- Nếu n > 1 ta nói mơi trƣờng mơi trƣờng khúc xạ chiết quang hơn môi trƣờng tới thì sini > sinr hay i > r. Trong trƣờng hợp này, khi đi qua mặt phân cách, tia khúc xạ đi gần pháp tuyến hơn tia tới.

- Nếu n < 1 ta nói mơi trƣờng mơi trƣờng khúc xạ chiết quang kém hơn mơi trƣờng tới thì sini < sinr hay i < r. Trong trƣờng hợp này, khi đi qua mặt phân cách, tia khúc xạ đi xa pháp tuyến hơn tia tới.

c. Chiết suất của môi trƣờng

Hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng gây ra do vận tốc truyền sóng của ánh sáng khác nhau trong các mơi trƣờng khác nhau. Bằng ngun lí Huyghen, ngƣời ta giải thích khi đập vào mặt phân cách, vì vận tốc truyền sóng ánh sáng khác nhau nên mặt đầu sóng đổi phƣơng, do đó phƣơng truyền của tia sáng bị gãy khúc tại mặt phân cách. 2 1 21 1 2 n v n n v  

Trong đó v1, v2 là vận tốc truyền sóng ánh sáng trong mơi trƣờng 1 và 2. n21đƣợc gọi là chiết suất tỉ đối của môi trƣờng 2 với môi trƣờng 1.

n1, n2 là chiết suất tuyệt đối của môi trƣờng 1 và môi trƣờng 2.

Nhƣ vậy, chiết suất tuyệt đối của các môi trƣờng trong suốt tỉ lệ nghịch với vận tốc truyền ánh sáng trong các mơi trƣờng đó.

Chiết suất tuyệt đối của một môi trƣờng là chiết suất tỉ đối của mơi trƣờng đó đối với chân khơng (thông thường chiết suất tuyệt đối gọi tắt là chiết suất).

Theo định nghĩa thì chiết suất của mơi trƣờng 1 và môi trƣờng 2 lần lƣợt là: 1 2 1 1 , c c n n v v  

d. Tính thuận nghịch trong sự truyền ánh sáng

Nếu ánh sáng truyền từ S tới R giả sử theo đƣờng truyền là SJIKR, thì khi truyền ngƣợc lại theo tia RK đƣờng truyền là RKJIS. Đó là tính truyền thuận nghịch của ánh sáng

2.1.2.2 Hiện tượng phản xạ toàn phần

Xét tia sáng đi từ mơi trƣờng có chiết suất n1 sang một mơi trƣờng có chiết suất n2 nhỏ hơn. Trong trƣờng hợp này ta có góc khúc xạ r > i (góc khúc xạ lớn hơn góc tới).

Cho góc tới i tăng dần thì góc khúc xạ r cũng tăng dần và ln ln lớn góc tới i. Khi r đạt giá trị lớn nhất là 900 thì góc tới i cũng có giá trị lớn nhất là igh, ta có: 0 1sin gh 2sin 90 n i  n Suy ra: 2 1 sinigh n n 

Thí nghiệm cho thấy, trong trƣờng hợp này nếu góc tới i nhỏ hơn góc igh , tia sáng tới mặt lƣỡng chất có một phần bị phản xạ, phần kia bị khúc xạ đi vào môi trƣờng thứ hai

Nếu góc tới i > igh thì tồn bộ ánh sáng sẽ bị phản xạ, khơng có tia khúc xạ vào môi trƣờng thứ hai (vì khơng thể xảy ra trƣờng hợp r > 900). Hiện tƣợng này gọi là hiện tƣợng phản xạ toàn phần.

Vậy: Khi ánh sáng truyền từ mơi trƣờng có chiết suất lớn hơn sang mơi trƣờng có chiết suất nhỏ hơn và có góc tới i lớn hơn góc giới hạn igh, thì sẽ xảy ra hiện tƣợng phản xạ tồn phần, trong đó mọi tia sáng đều bị phản xạ, khơng có tia khúc xạ.

Tuy nhiên, về điều kiện xảy ra hiện tƣợng phản xạ tồn phần, ta vẫn nói là i  igh, dấu bằng hiểu theo nghĩa là trƣờng hợp giới hạn.

2.1.2.3 Ứng dụng của hiện tượng phản xạ toàn phần

Hiện tƣợng phản xạ toàn phần đƣợc sử dụng rộng rãi trong thực tế, nhƣ chế tạo kính tiềm vọng, chế tạo sợi quang học và ứng dụng để giải thích hiện tƣợng cầu vồng (cũng liên quan đến hiện tƣợng phản xạ tồn phần) v.v...

a. Kính tiềm vọng

Kính tiềm vọng là một bộ phận quan trọng của tàu ngầm. Kính tiềm vọng của tàu ngầm giúp cho thủy thủ đồn tàu có thể thấy bên trên của mặt nƣớc khi tàu ngầm bị chìm dƣới nƣớc. Kính tiềm vọng là các cơng cụ quan trọng ở các tàu chiến, tàu tuần dƣơng và các tàu chiến bọc thép. Nhiều cuộc khảo sát về nguyên tử sẽ khơng đƣợc thực hiện đƣợc nếu khơng có sự trợ giúp của kính viễn vọng.

Loại kính tiềm vọng đơn giản là một cái ống có khe hở ở gần mỗi đầu và hai tâm gƣơng nghiêng bên trong ống, mỗi gƣơng đối mặt với khe hở. Các gƣơng cần đặt nghiêng ở ngay bên phải để tia tới gƣơng đƣợc phản chiếu xuống ống tới của gƣơng kia và kế đó là tới mắt của ngƣời đang sử dụng kính tiềm vọng.

Kính tiềm vọng của các tàu chiến và tàu ngầm phức tạp hơn nhiều. Chúng có các lăng kính (prism) đê phản chiếu ánh sang trông thấy rõ ràng. Các ơng của kính tiềm vọng tàu ngầm có thể thấy đƣợc làm dài hơn hoặc ngắn hơn.

Để chế tạo một kính tiềm vọng thì cũng đơn giản. Điều quan trọng là phải có các tấm gƣơng tại góc vng.

b. Sợi quang

Ngun lí phản xạ tồn phần là cơ sở cho sự truyền ánh sáng trong sợi quang mang lại các ứng dụng trong y khoa nhƣ phép nội soi, truyền tín hiệu điện thoại mã hóa dƣới dạng xung ánh sáng, truyền thông tin qua internet...

c. Hiện tƣợng ảo ảnh

Hiện tƣợng phản xạ toàn phần và khúc xạ gây ra nhiều hiện tƣợng kì lạ trong thực tế, nhƣ là hiện tƣợng ảo ảnh. Sự phân thành lớp khơng khí nóng và lạnh đặc biệt phổ biến ở khu vực sa mạc, đại dƣơng, và mặt đƣờng trải nhựa gây ra ảo ảnh. Hiệu ứng ảo ảnh thực tế đƣợc mƣờng tƣợng phụ thuộc vào lớp khơng khí lạnh nằm trên lớp khơng khí nóng, hoặc ngƣợc lại. Một loại ảo ảnh xuất hiện dƣới dạng ảnh ảo lộn ngƣợc nằm ngay phía dƣới vật thật và xảy ra khi lớp khơng khí nóng ở gần mặt đất hoặc mặt nƣớc bị chặn lại bởi lớp khơng khí lạnh, đậm đặc hơn nằm phía trên. Ánh sáng từ vật truyền xuống lớp khơng khí nóng gần kề mặt đất (hoặc mặt nƣớc) bị khúc xạ trở lên phía đƣờng chân trời. Tại một số điểm, ánh sáng đạt tới góc tới hạn đối với khơng khí nóng, và bị bẻ cong trở lên bởi sự phản xạ nội toàn phần, kết quả là ảnh ảo xuất hiện phía bên dƣới vật.

Nhận thấy rằng, nội dung kiến thức, kĩ năng trong chủ đề này xoay quanh hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng vì hiện tƣợng phản xạ tồn phần về bản chất là trƣờng hợp riêng của hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng. Nhƣ vậy, vấn đề chung cần giải quyết trong chủ đề “Khúc xạ ánh sáng” là nghiên cứu về nguyên nhân hình thành, đặc điểm và ứng dụng của ánh sáng khi bị khúc xạ. Để thuận lợi cho việc áp dụng phƣơng pháp dạy học giải quyết vấn đề, có thể

thiết kế nội dung dạy học của chủ đề này thành một bài học nhƣ sau: - Tên bài học: Hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng

- Vấn đề cần giải quyết trong bài học này là: “Nguyên nhân làm ánh sáng bị khúc xạ là gì? Mối liên hệ giữa góc tới, góc phản xạ và chiết suất chứa tia tới, tia phản xạ là gì?”