Khi ánh sáng truyền từ không khí sang nước hoặc thuỷ tinh thì ta luôn thấy tia khúc xạ xuất hiện ở mặt phân cách giữa hai môi trường . Nếu ánh sáng truyền từ nước hoặc thuỷ tinh sang không khí thì có phải lúc nào ta cũng thấy tia khúc xạ

Để giải quyết câu hỏi này, chúng ta cần nhớ lại kiến thức về sự khúc xạ ánh sáng.

1. Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là gì?

Khi một tia sáng truyền từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác, tia sáng bị bẻ cong tại mặt phân cách giữa hai môi trường. Hiện tượng này gọi là sự khúc xạ ánh sáng.

Ta có thể biểu diễn tia sáng bằng các tia sáng (đường thẳng mang mũi tên chỉ chiều truyền ánh sáng).

2. Quan hệ giữa tia tới, tia khúc xạ và pháp tuyến

Tại mặt phân cách, ta kẻ một đường thẳng vuông góc với mặt phân cách tại điểm tới. Đường thẳng này gọi là pháp tuyến.

– Tia tới là tia sáng đi tới mặt phân cách.

– Tia khúc xạ là tia sáng đi qua mặt phân cách và tiếp tục truyền trong môi trường thứ hai.

– Góc tới là góc tạo bởi tia tới và pháp tuyến.

– Góc khúc xạ là góc tạo bởi tia khúc xạ và pháp tuyến.

3. Sự khúc xạ khi ánh sáng truyền từ không khí sang môi trường chiết quang hơn (nước, thuỷ tinh)

Trong trường hợp ánh sáng truyền từ không khí sang nước hoặc thuỷ tinh, chúng ta luôn thấy tia khúc xạ. Điều này là do nước và thuỷ tinh có chiết suất lớn hơn không khí. Chiết suất là đại lượng đặc trưng cho khả năng làm lệch đường truyền của tia sáng của một môi trường.

Khi ánh sáng đi từ môi trường có chiết suất nhỏ hơn sang môi trường có chiết suất lớn hơn, tia khúc xạ sẽ lệch về phía pháp tuyến. Nghĩa là, góc khúc xạ nhỏ hơn góc tới.

Nếu ký hiệu chiết suất của không khí là \(n_1\) và chiết suất của nước hoặc thuỷ tinh là \(n_2\), thì \(n_2 > n_1\). Theo định luật khúc xạ ánh sáng:

\( \frac{\sin i}{\sin r} = \frac{n_2}{n_1} \)

Với \(i\) là góc tới và \(r\) là góc khúc xạ.

Vì \(n_2 > n_1\), nên \( \frac{n_2}{n_1} > 1 \), suy ra \( \sin i > \sin r \). Do \(i\) và \(r\) là các góc nhọn, nên \(i > r\). Điều này chứng tỏ tia khúc xạ lệch về phía pháp tuyến.

4. Sự khúc xạ khi ánh sáng truyền từ môi trường chiết quang hơn sang không khí

Bây giờ, chúng ta xem xét trường hợp ngược lại: ánh sáng truyền từ nước hoặc thuỷ tinh sang không khí.

Trong trường hợp này, chúng ta không phải lúc nào cũng thấy tia khúc xạ. Tại sao lại như vậy?

Khi ánh sáng đi từ môi trường có chiết suất lớn hơn (nước, thuỷ tinh) sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn (không khí), tia khúc xạ sẽ lệch ra xa pháp tuyến. Nghĩa là, góc khúc xạ lớn hơn góc tới.

Nếu \(n_1\) là chiết suất của nước hoặc thuỷ tinh và \(n_2\) là chiết suất của không khí, thì \(n_1 > n_2\). Theo định luật khúc xạ ánh sáng:

\( \frac{\sin i}{\sin r} = \frac{n_2}{n_1} \)

Với \(i\) là góc tới và \(r\) là góc khúc xạ.

Vì \(n_1 > n_2\), nên \( \frac{n_2}{n_1} < 1 \), suy ra \( \sin i < \sin r \). Do \(i\) và \(r\) là các góc nhọn, nên \(i < r\). Điều này chứng tỏ tia khúc xạ lệch ra xa pháp tuyến.

Tuy nhiên, có một giới hạn cho góc khúc xạ \(r\). Góc khúc xạ luôn phải nhỏ hơn hoặc bằng 90 độ (\(r \le 90^\circ\)).

Khi góc tới \(i\) tăng lên, góc khúc xạ \(r\) cũng tăng lên. Sẽ có một giá trị góc tới \(i\) nào đó, mà tại đó góc khúc xạ \(r\) đạt giá trị cực đại là 90 độ. Giá trị góc tới này được gọi là góc giới hạn (hay góc giới hạn toàn phần), ký hiệu là \(i_{gh}\).

Khi góc tới \(i\) bằng hoặc lớn hơn góc giới hạn \(i_{gh}\) (\(i \ge i_{gh}\)), thì hiện tượng khúc xạ hoàn toàn không xảy ra nữa. Toàn bộ ánh sáng sẽ bị phản xạ trở lại môi trường ban đầu. Hiện tượng này gọi là phản xạ toàn phần.

Vậy, khi ánh sáng truyền từ nước hoặc thuỷ tinh sang không khí:

• Nếu góc tới \(i < i_{gh}\), ta sẽ thấy tia khúc xạ đi vào không khí.
• Nếu góc tới \(i \ge i_{gh}\), tia khúc xạ sẽ không xuất hiện, thay vào đó là hiện tượng phản xạ toàn phần.

Kết luận:

Không phải lúc nào ta cũng thấy tia khúc xạ khi ánh sáng truyền từ nước hoặc thuỷ tinh sang không khí. Điều này xảy ra khi góc tới lớn hơn hoặc bằng góc giới hạn của môi trường đó, dẫn đến hiện tượng phản xạ toàn phần.

Hy vọng các em đã hiểu rõ bài học hôm nay! Nếu có câu hỏi gì, các em cứ mạnh dạn hỏi thầy nhé!