Góc khúc xạ là gì? Hiện tượng liên quan đến khúc xạ ánh sáng
Một trong những định luật quan trọng của sự truyền sóng ánh sáng trong các chất trong suốt là định luật khúc xạ, được người Hà Lan Snell đưa ra vào đầu thế kỷ 17. Các tham số xuất hiện trong công thức toán học của hiện tượng khúc xạ là chiết suất và góc khúc xạ. Bài viết này xem xét cách các phương tiện khác nhau hoạt động khi đi qua bề mặt.
Hiện tượng khúc xạ là gì?
Tính chất cơ bản của bất kỳ sóng điện từ nào là chuyển động thẳng trong một không gian đồng nhất (đồng nhất). Khi xảy ra bất kỳ sự không đồng nhất nào, sóng sẽ có độ lệch lớn hơn hoặc nhỏ hơn so với đường thẳng. Sự không đồng nhất này có thể là sự hiện diện của lực hấp dẫn mạnh hoặc trường điện từ trong một vùng không gian nhất định. Trong bài viết này, những trường hợp này sẽ không được xem xét mà sẽ đặc biệt chú ý đến tính không đồng nhất liên quan đến chất này.
Hiệu ứng khúc xạ của một tia sáng trong công thức cổ điển của nó có nghĩa là một sự thay đổi mạnh mẽ từ hướng chuyển động thẳng này của tia này sang hướng khác khi đi qua một bề mặt phân định hai môi trường trong suốt khác nhau.
Các ví dụ sau thỏa mãn định nghĩa nêu trên:
- sự chuyển chùm tia từ không khí sang nước;
- từ thủy tinh đến nước;
- từ nước đến kim cương, v.v.
Tại sao hiện tượng này xảy ra?
Lý do duy nhất cho hiệu ứng được mô tả là sự khác biệt về tốc độ di chuyển sóng điện từ trong hai môi trường khác nhau. Nếu không có sự khác biệt như vậy hoặc không đáng kể thì khi đi qua giao diện, chùm tia sẽ giữ nguyên hướng truyền ban đầu.
Các phương tiện trong suốt khác nhau có mật độ vật lý khác nhau, Thành phần hóa học, nhiệt độ. Tất cả những yếu tố này đều ảnh hưởng đến tốc độ ánh sáng. Ví dụ, hiện tượng ảo ảnh là hậu quả trực tiếp của sự khúc xạ ánh sáng trong các lớp không khí bị nung nóng đến các nhiệt độ khác nhau gần bề mặt trái đất.
Các định luật khúc xạ chính
Có hai trong số những định luật này và bất kỳ ai cũng có thể kiểm tra chúng nếu chúng được trang bị thước đo góc, con trỏ laser và một mảnh kính dày.
Trước khi xây dựng chúng, cần giới thiệu một số ký hiệu. Chiết suất được viết bằng ký hiệu n i , trong đó i xác định môi trường tương ứng. Góc tới được ký hiệu bằng ký hiệu θ 1 (theta một), góc khúc xạ là θ 2 (theta hai). Cả hai góc đều được đo tương đối không phải với mặt phẳng giao diện mà là bình thường với nó.
Định luật số 1. Pháp tuyến và hai tia (θ 1 và θ 2) nằm trong cùng một mặt phẳng. Định luật này hoàn toàn giống với định luật 1 về phản ánh.
Định luật số 2. Đối với hiện tượng khúc xạ, đẳng thức luôn đúng:
Tỷ lệ này dễ nhớ nhất ở dạng này. Trong các hình thức khác, nó có vẻ kém thuận tiện hơn. Dưới đây là hai lựa chọn khác để viết Luật số 2:
tội lỗi (θ 1) / tội lỗi (θ 2) = n 2 / n 1;
tội lỗi (θ 1) / tội lỗi (θ 2) = v 1 / v 2.
Với v i là tốc độ truyền sóng trong môi trường thứ i. Công thức thứ hai có thể dễ dàng thu được từ công thức thứ nhất bằng cách thay thế trực tiếp biểu thức cho n i:
Cả hai định luật này đều là kết quả của nhiều thử nghiệm và khái quát hóa. Tuy nhiên, chúng có thể thu được về mặt toán học bằng cách sử dụng cái gọi là nguyên lý thời gian tối thiểu hoặc nguyên lý Fermat. Ngược lại, nguyên lý Fermat lại bắt nguồn từ nguyên lý Huygens-Fresnel đối với các nguồn sóng thứ cấp.
Đặc điểm của Luật số 2
n 1 * sin (θ 1) = n 2 * sin (θ 2).
Có thể thấy rằng chỉ số n 1 (môi trường quang học đặc trong đó tốc độ ánh sáng giảm đi rất nhiều) càng lớn thì θ 1 sẽ càng gần pháp tuyến (hàm số sin (θ) tăng đơn điệu trên đoạn ).
Các chỉ số khúc xạ và tốc độ chuyển động của sóng điện từ trong môi trường là các giá trị được lập bảng được đo bằng thực nghiệm. Ví dụ, n là 1,00029 đối với không khí, 1,33 đối với nước, 1,46 đối với thạch anh và khoảng 1,52 đối với thủy tinh. Ánh sáng làm chậm chuyển động của nó rất nhiều trong kim cương (gần 2,5 lần), chiết suất của nó là 2,42.
Các hình đã cho nói rằng bất kỳ sự chuyển tiếp nào của chùm tia từ môi trường được đánh dấu vào không khí sẽ đi kèm với sự tăng góc (θ 2 >θ 1). Khi thay đổi hướng của tia sáng thì kết luận ngược lại là đúng.
Chiết suất phụ thuộc vào tần số của sóng. Các số liệu trên cho các môi trường khác nhau tương ứng với bước sóng 589 nm trong chân không ( màu vàng). Đối với ánh sáng xanh, những con số này sẽ cao hơn một chút và đối với ánh sáng đỏ – thấp hơn.
Điều đáng chú ý là góc tới chỉ bằng chùm tia trong một trường hợp duy nhất, khi các chỉ số n 1 và n 2 giống nhau.
Chùm tia truyền từ không khí vào thủy tinh hoặc nước
Có hai trường hợp đáng xem xét cho từng môi trường. Bạn có thể lấy ví dụ về góc tới 15 o và 55 o ở ranh giới giữa thủy tinh và nước với không khí. Góc khúc xạ trong nước hoặc thủy tinh có thể được tính bằng công thức:
θ 2 = arcsin (n 1 / n 2 * sin (θ 1)).
Thứ Tư đầu tiên ở trong trường hợp này là không khí, nghĩa là n 1 = 1,00029.
Thay các góc tới đã biết vào biểu thức trên, ta có:
- đối với nước:
(n 2 = 1,33): θ 2 = 11,22 o (θ 1 = 15 o) và θ 2 = 38,03 o (θ 1 = 55 o);
- đối với kính:
(n 2 = 1,52): θ 2 = 9,81 o (θ 1 = 15 o) và θ 2 = 32,62 o (θ 1 = 55 o).
Dữ liệu thu được cho phép chúng tôi rút ra hai kết luận quan trọng:
- Vì góc khúc xạ từ không khí vào thủy tinh nhỏ hơn đối với nước nên thủy tinh thay đổi hướng chuyển động của tia sáng mạnh hơn một chút.
- Góc tới càng lớn thì chùm tia càng lệch khỏi hướng ban đầu.
Ánh sáng truyền từ nước hoặc thủy tinh vào không khí
Thật thú vị khi tính toán tại sao góc bằng nhau khúc xạ cho trường hợp ngược lại như vậy. Công thức tính vẫn giữ nguyên như đoạn trước, chỉ có điều bây giờ chỉ số n 2 = 1,00029, tức là tương ứng với không khí. Nó sẽ làm việc bên ngoài
- khi chùm tia di chuyển ra khỏi nước:
(n 1 = 1,33): θ 2 = 20,13 o (θ 1 = 15 o) và θ 2 = không tồn tại (θ 1 = 55 o);
- khi di chuyển một chùm thủy tinh:
(n 1 = 1,52): θ 2 = 23,16 o (θ 1 = 15 o) và θ 2 = không tồn tại (θ 1 = 55 o).
Đối với góc θ 1 = 55 o không thể xác định được θ 2 tương ứng. Điều này là do thực tế là nó đã hơn 90 o. Tình trạng này được gọi là phản xạ toàn phần trong môi trường chiết quang.
Hiệu ứng này được đặc trưng bởi các góc tới tới hạn. Chúng có thể được tính bằng cách đánh đồng sin (θ 2) với sự thống nhất trong Định luật số 2:
θ 1c = arcsin(n2/n1).
Thay các chỉ số của thủy tinh và nước vào biểu thức này, chúng ta nhận được:
- đối với nước:
(n1 = 1,33): θ 1c = 48,77 o;
- đối với kính:
(n1 = 1,52): θ 1c = 41,15 o.
Bất kỳ góc tới nào lớn hơn giá trị thu được cho môi trường trong suốt tương ứng sẽ dẫn đến hiệu ứng phản xạ toàn phần từ giao diện, nghĩa là chùm khúc xạ sẽ không tồn tại.
Ở các phần trước chúng ta đã nghiên cứu hiện tượng phản xạ ánh sáng. Bây giờ chúng ta hãy làm quen với hiện tượng thứ hai, trong đó các tia thay đổi hướng truyền của chúng. Hiện tượng này là khúc xạ ánh sáng tại mặt phân cách giữa hai môi trường. Hãy xem các bức vẽ về cá đuối và bể cá ở § 14-b. Chùm tia laser phát ra thẳng, nhưng khi chạm tới vách kính của bể cá, chùm tia đã đổi hướng - khúc xạ.
Do khúc xạ ánh sáng gọi là sự thay đổi phương của tia sáng tại mặt phân cách giữa hai môi trường, tại đó ánh sáng truyền vào môi trường thứ hai(so sánh với sự phản ánh). Ví dụ, trong hình chúng ta đã mô tả các ví dụ về sự khúc xạ của chùm ánh sáng ở ranh giới giữa không khí và nước, không khí và thủy tinh, nước và thủy tinh.
Từ việc so sánh các hình vẽ bên trái, có thể suy ra rằng một cặp môi trường thủy tinh không khí khúc xạ ánh sáng mạnh hơn một cặp môi trường không khí-nước. So sánh các hình vẽ bên phải, có thể thấy rằng khi truyền từ không khí sang thủy tinh, ánh sáng bị khúc xạ mạnh hơn khi truyền từ nước sang thủy tinh. Đó là, các cặp môi trường, trong suốt đối với bức xạ quang học, có chiết suất khác nhau, đặc trưng bởi chỉ số khúc xạ tương đối Nó được tính bằng công thức ở trang tiếp theo nên có thể đo được bằng thực nghiệm. Nếu chân không được chọn làm môi trường đầu tiên thì sẽ thu được các giá trị sau:
Các giá trị này được đo ở 20°C đối với ánh sáng vàng. Ở nhiệt độ khác hoặc màu ánh sáng khác, các chỉ báo sẽ khác (xem § 14-h). Nhìn vào bảng chất lượng, chúng tôi lưu ý: Chiết suất càng khác xa đơn vị thì góc lệch của chùm tia khi truyền từ chân không sang môi trường càng lớn. Vì chiết suất của không khí gần bằng 1 nên ảnh hưởng của không khí đến sự truyền ánh sáng trên thực tế là không thể nhận thấy được.
Định luật khúc xạ ánh sáng.Để xem xét luật này, chúng tôi giới thiệu các định nghĩa. Góc giữa tia tới và đường vuông góc với mặt phân cách giữa hai môi trường tại điểm gãy của tia sáng sẽ được gọi là góc tới(Một). Tương tự, góc giữa tia khúc xạ và đường vuông góc với mặt phân cách giữa hai môi trường tại điểm giao nhau của tia sáng sẽ gọi là góc khúc xạ(g).
Khi ánh sáng bị khúc xạ, các định luật sau luôn tuân theo: định luật khúc xạ ánh sáng: 1. Tia tới, tia khúc xạ và đường vuông góc với mặt phân cách giữa các môi trường tại điểm uốn của tia nằm trong cùng một mặt phẳng. 2. Tỉ số giữa sin của góc tới và sin của góc khúc xạ là một giá trị không đổi không phụ thuộc vào các góc:
Một cách giải thích định tính về định luật khúc xạ ánh sáng cũng được sử dụng: Khi ánh sáng truyền vào môi trường chiết quang hơn, chùm tia bị lệch vuông góc với mặt phân cách giữa môi trường đó. Và ngược lại.
Nguyên lý thuận nghịch của tia sáng. Khi ánh sáng bị phản xạ hoặc khúc xạ, tia tới và tia phản xạ luôn có thể hoán đổi cho nhau. Nó có nghĩa là đường đi của tia sáng sẽ không thay đổi nếu hướng của chúng thay đổi theo hướng ngược lại. Nhiều thí nghiệm đã xác nhận: trong trường hợp này, “quỹ đạo” của các tia không thay đổi (xem hình vẽ).
Đề tài thi thống nhất: định luật khúc xạ ánh sáng, phản xạ toàn phần.
Tại mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt, cùng với sự phản xạ ánh sáng, người ta quan sát thấy sự khúc xạ- Ánh sáng truyền sang môi trường khác làm thay đổi hướng truyền của nó.
Hiện tượng khúc xạ của tia sáng xảy ra khi nghiêng rơi trên giao diện (mặc dù không phải lúc nào cũng vậy - hãy đọc tiếp về phản xạ nội toàn phần). Nếu tia rơi vuông góc với bề mặt thì sẽ không có hiện tượng khúc xạ - trong môi trường thứ hai tia sẽ giữ nguyên hướng và cũng sẽ vuông góc với bề mặt.
Định luật khúc xạ (trường hợp đặc biệt).
Chúng ta sẽ bắt đầu với trường hợp đặc biệt khi một trong các phương tiện truyền thông là không khí. Đây chính xác là tình huống xảy ra trong phần lớn các vấn đề. Chúng ta sẽ thảo luận trường hợp đặc biệt tương ứng của định luật khúc xạ và chỉ khi đó chúng ta mới đưa ra công thức tổng quát nhất của nó.
Giả sử một tia sáng truyền trong không khí rơi xiên xuống bề mặt thủy tinh, nước hoặc một môi trường trong suốt khác. Khi truyền vào môi trường, chùm tia bị khúc xạ và đường đi xa hơn của nó được biểu diễn trên Hình 2. 1 .
Tại điểm va chạm, một đường vuông góc được vẽ ra (hoặc, như người ta cũng nói, Bình thường) lên bề mặt môi trường. Chùm tia, như trước đây, được gọi là tia tới, góc hợp bởi tia tới và pháp tuyến là góc tới. Ray là tia khúc xạ; Góc giữa tia khúc xạ và pháp tuyến của bề mặt được gọi là góc khúc xạ.
Bất kỳ môi trường trong suốt nào cũng được đặc trưng bởi một đại lượng gọi là Chỉ số khúc xạ môi trường này. Chỉ số khúc xạ môi trường khác nhau có thể được tìm thấy trong các bảng. Ví dụ, đối với thủy tinh và đối với nước. Nói chung, trong mọi môi trường; Chiết suất chỉ bằng 1 trong chân không. Do đó, trong không khí, đối với không khí, chúng ta có thể giả sử với độ chính xác vừa đủ trong các bài toán (trong quang học, không khí không khác lắm so với chân không).
Định luật khúc xạ (chuyển tiếp môi trường không khí) .
1) Tia tới, tia khúc xạ và pháp tuyến của bề mặt vẽ tại điểm tới nằm trong cùng một mặt phẳng.
2) Tỉ số giữa sin của góc tới và sin của góc khúc xạ bằng chiết suất của môi trường:
. (1)
Vì từ hệ thức (1) suy ra , tức là góc khúc xạ nhỏ hơn góc tới. Nhớ: truyền từ không khí vào môi trường thì tia sáng sau khi khúc xạ sẽ tiến gần tới pháp tuyến.
Chiết suất liên quan trực tiếp đến tốc độ truyền ánh sáng trong một môi trường nhất định. Tốc độ này luôn tốc độ ít hơnánh sáng trong chân không: . Và hóa ra là
. (2)
Chúng ta sẽ hiểu tại sao điều này xảy ra khi chúng ta nghiên cứu quang học sóng. Bây giờ, hãy kết hợp các công thức. (1 và 2) :
. (3)
Vì chiết suất của không khí rất gần bằng 1 nên chúng ta có thể giả sử rằng tốc độ ánh sáng trong không khí xấp xỉ bằng tốc độ ánh sáng trong chân không. Hãy tính đến điều này và nhìn vào công thức. (3) , chúng tôi kết luận: tỉ số giữa sin của góc tới và sin của góc khúc xạ bằng tỉ số giữa tốc độ ánh sáng trong không khí và tốc độ ánh sáng trong môi trường.
Tính thuận nghịch của tia sáng.
Bây giờ chúng ta hãy xem xét đường đi ngược lại của chùm tia: khúc xạ của nó khi truyền từ môi trường vào không khí. Nguyên tắc hữu ích sau đây sẽ giúp chúng ta ở đây.
Nguyên lý thuận nghịch của tia sáng. Đường đi của chùm tia không phụ thuộc vào việc chùm tia truyền theo hướng tiến hay lùi. Di chuyển theo hướng ngược lại, chùm tia sẽ đi theo cùng một đường như hướng về phía trước.
Theo nguyên lý thuận nghịch, khi chuyển từ môi trường sang không khí, chùm tia sẽ đi theo cùng một quỹ đạo như trong quá trình chuyển đổi tương ứng từ không khí sang môi trường (Hình 2). 2 từ hình. 1 là hướng của chùm tia đã thay đổi theo hướng ngược lại.
Vì hình học không thay đổi nên công thức (1) sẽ giữ nguyên: tỉ số giữa sin của góc và sin của góc vẫn bằng chiết suất của môi trường. Đúng vậy, bây giờ các góc đã thay đổi vai trò: góc trở thành góc tới và góc khúc xạ.
Trong mọi trường hợp, bất kể chùm tia truyền đi như thế nào - từ không khí đến môi trường hoặc từ môi trường sang không khí - thì quy tắc đơn giản sau đây vẫn được áp dụng. Chúng ta lấy hai góc - góc tới và góc khúc xạ; tỉ số giữa sin của góc lớn và sin của góc nhỏ bằng chiết suất của môi trường.
Bây giờ chúng ta đã chuẩn bị đầy đủ để thảo luận về định luật khúc xạ trong trường hợp tổng quát nhất.
Định luật khúc xạ (trường hợp tổng quát).
Cho ánh sáng truyền từ môi trường 1 có chiết suất sang môi trường 2 có chiết suất. Một môi trường có chiết suất cao gọi là về mặt quang học dày đặc hơn; do đó, môi trường có chiết suất nhỏ hơn được gọi là về mặt quang học ít đậm đặc hơn.
Chuyển từ môi trường chiết quang kém sang môi trường chiết quang hơn, chùm sáng sau khi khúc xạ sẽ tiến gần đến bình thường hơn (Hình 3). Trong trường hợp này, góc tới lớn hơn góc khúc xạ: .
 |
| Cơm. 3. |
Ngược lại, khi chuyển từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường chiết quang kém hơn, chùm tia sẽ lệch xa hơn bình thường (Hình 4). Ở đây góc tới nhỏ hơn góc khúc xạ:
 |
| Cơm. 4. |
Hóa ra cả hai trường hợp này đều được bao hàm bởi một công thức - luật chung khúc xạ, có giá trị đối với hai môi trường trong suốt bất kỳ.
Định luật khúc xạ.
1) Tia tới, tia khúc xạ và pháp tuyến của mặt phân cách giữa hai môi trường vẽ tại điểm tới, nằm trong cùng một mặt phẳng.
2) Tỉ số giữa sin của góc tới và sin của góc khúc xạ bằng tỉ số chiết suất của môi trường thứ hai với chiết suất của môi trường thứ nhất:
. (4)
Dễ dàng thấy rằng định luật khúc xạ được xây dựng trước đây đối với sự chuyển tiếp của môi trường không khí là một trường hợp đặc biệt của định luật này. Thật ra, thay công thức (4) ta có công thức (1).
Bây giờ chúng ta hãy nhớ rằng chiết suất là tỷ số giữa tốc độ ánh sáng trong chân không và tốc độ ánh sáng trong một môi trường nhất định: . Thay thế điều này vào (4), chúng ta nhận được:
. (5)
Công thức (5) khái quát hóa một cách tự nhiên công thức (3). Tỉ số giữa sin của góc tới và sin của góc khúc xạ bằng tỉ số giữa tốc độ ánh sáng trong môi trường thứ nhất và tốc độ ánh sáng trong môi trường thứ hai.
Phản xạ nội toàn phần.
Khi tia sáng truyền từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường chiết quang kém hơn người ta quan sát thấy một hiện tượng thú vị - hoàn toàn phản ánh nội tâm. Chúng ta hãy tìm hiểu nó là gì.
Để rõ ràng, chúng ta giả sử rằng ánh sáng truyền từ nước vào không khí. Giả sử rằng ở độ sâu của hồ chứa có một nguồn điểm phát ra các tia sáng theo mọi hướng. Chúng ta sẽ xem xét một số tia này (Hình 5).
Chùm tia chạm vào mặt nước ở góc nhỏ nhất. Tia này bị khúc xạ một phần (tia) và một phần bị phản xạ trở lại nước (tia). Như vậy, một phần năng lượng của chùm tia tới được truyền sang chùm tia khúc xạ, phần năng lượng còn lại được truyền sang chùm tia phản xạ.
Góc tới của chùm tia lớn hơn. Chùm tia này cũng được chia thành hai chùm - khúc xạ và phản xạ. Nhưng năng lượng của chùm tia ban đầu được phân bổ giữa chúng khác nhau: chùm tia khúc xạ sẽ mờ hơn chùm tia (nghĩa là nó sẽ nhận được một phần năng lượng nhỏ hơn) và chùm tia phản xạ sẽ sáng hơn chùm tia tương ứng (nó sẽ nhận được phần năng lượng lớn hơn).
Khi góc tới tăng lên, người ta quan sát thấy mô hình tương tự: phần năng lượng của chùm tia tới dành cho chùm tia phản xạ ngày càng lớn hơn và phần năng lượng ngày càng nhỏ hơn dành cho chùm tia khúc xạ. Chùm tia khúc xạ ngày càng mờ đi và đến một lúc nào đó biến mất hoàn toàn!
Sự biến mất này xảy ra khi đạt tới góc tới tương ứng với góc khúc xạ. Trong tình huống này, chùm tia khúc xạ sẽ phải đi song song với mặt nước, nhưng không còn gì để đi - toàn bộ năng lượng của chùm tia tới truyền hoàn toàn vào chùm tia phản xạ.
Khi góc tới càng tăng thì chùm tia khúc xạ thậm chí sẽ không còn nữa.
Hiện tượng được mô tả là sự phản ánh nội bộ hoàn toàn. Nước không giải phóng các tia có góc tới bằng hoặc vượt quá một giá trị nhất định - tất cả các tia như vậy đều bị phản xạ hoàn toàn trở lại nước. Góc đó được gọi là góc giới hạn phản xạ toàn phần.
Giá trị có thể dễ dàng tìm thấy từ định luật khúc xạ. Chúng ta có:
Nhưng, do đó
Vì vậy, đối với nước, góc phản xạ toàn phần giới hạn bằng:
Hiện tượng hoàn thiện phản ánh nội tâm bạn có thể dễ dàng xem tại nhà. Đổ nước vào ly, nhấc ly lên và nhìn mặt nước ngay bên dưới qua thành ly. Bạn sẽ thấy bề mặt sáng bóng - do phản xạ toàn phần bên trong, nó hoạt động giống như một tấm gương.
Điều quan trọng nhất ứng dụng kỹ thuật phản xạ toàn phần là sợi quang. Tia sáng phóng vào bên trong cáp quang (hướng dẫn ánh sáng) gần như song song với trục của nó, rơi xuống bề mặt một góc lớn và bị phản xạ hoàn toàn vào dây cáp mà không bị mất năng lượng. Bị phản xạ nhiều lần, các tia truyền đi ngày càng xa hơn, truyền năng lượng trên một khoảng cách đáng kể. Truyền thông cáp quang được sử dụng, ví dụ, trong mạng truyền hình cáp và truy cập Internet tốc độ cao.
4.1. Các khái niệm và định luật cơ bản của quang học hình học
Định luật phản xạ ánh sáng.Định luật phản xạ thứ nhất:
tia tới và tia phản xạ nằm trong cùng một mặt phẳng vuông góc với mặt phản xạ, phục hồi tại điểm tia tới.
Định luật phản xạ thứ hai:
góc tới bằng góc phản xạ (xem hình 8).
α - góc tới, β - góc phản xạ.
Định luật khúc xạ ánh sáng. Chỉ số khúc xạ.
Định luật khúc xạ thứ nhất:
tia tới, tia khúc xạ và đường vuông góc tái hiện tại điểm tới của mặt phân cách nằm trong cùng một mặt phẳng (xem Hình 9). 
Định luật khúc xạ thứ hai:
tỉ số giữa sin của góc tới và sin của góc khúc xạ là một giá trị không đổi đối với hai môi trường đã cho và được gọi là chiết suất tương đối của môi trường thứ hai so với môi trường thứ nhất. 
Chiết suất tương đối cho biết tốc độ ánh sáng trong môi trường thứ nhất khác tốc độ ánh sáng trong môi trường thứ hai bao nhiêu lần: 
Phản xạ toàn phần.
Nếu ánh sáng truyền từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường chiết quang kém hơn, thì nếu điều kiện α > α 0 được đáp ứng, trong đó α 0 là góc giới hạn của phản xạ toàn phần, thì ánh sáng sẽ không đi vào môi trường thứ hai. Nó sẽ được phản ánh hoàn toàn khỏi giao diện và vẫn ở phương tiện đầu tiên. Trong trường hợp này, định luật phản xạ ánh sáng có mối quan hệ sau: 
4.2. Các khái niệm và định luật cơ bản của quang học sóng
Sự can thiệp là quá trình chồng chất các sóng từ hai hoặc nhiều nguồn lên nhau, nhờ đó năng lượng sóng được phân phối lại trong không gian. Để phân phối lại năng lượng sóng trong không gian, nguồn sóng cần phải kết hợp. Điều này có nghĩa là chúng sẽ phát ra các sóng có cùng tần số và độ dịch pha giữa các dao động của các nguồn này sẽ không thay đổi theo thời gian.Tùy thuộc vào độ lệch đường đi (∆) tại điểm chồng chéo của các tia, nhiễu tối đa hoặc tối thiểu. Nếu độ lệch đường đi của các tia từ các nguồn cùng pha ∆ bằng một số nguyên bước sóng mλ (tôi - số nguyên), thì đây là mức nhiễu tối đa:
nếu có số nửa sóng lẻ thì mức nhiễu tối thiểu là:
Nhiễu xạ gọi là độ lệch truyền sóng so với hướng thẳng hoặc sự xâm nhập của năng lượng sóng vào vùng bóng hình học. Nhiễu xạ được quan sát rõ ràng trong trường hợp kích thước của vật cản và lỗ mà sóng truyền qua tương xứng với bước sóng.
Một trong những dụng cụ quang học dùng tốt để quan sát nhiễu xạ ánh sáng là cách tử nhiễu xạ.Đó là một tấm kính trên đó khoảng cách bằng nhau Các nét kim cương được áp dụng lẫn nhau. Khoảng cách giữa các nét - hằng số mạng d. Các tia đi qua cách tử bị nhiễu xạ ở mọi góc có thể. Thấu kính thu thập các tia tới có cùng góc nhiễu xạ tại một trong các điểm của mặt phẳng tiêu cự. Đến ở một góc độ khác - ở những điểm khác. Khi xếp chồng lên nhau, các tia này tạo ra hình ảnh nhiễu xạ cực đại hoặc cực tiểu. Các điều kiện để quan sát cực đại trong cách tử nhiễu xạ có dạng:
Ở đâu tôi- số nguyên, λ - bước sóng (xem hình 10).
Chúng ta hãy xem hướng của chùm tia thay đổi như thế nào khi nó truyền từ không khí sang nước. Tốc độ ánh sáng trong nước nhỏ hơn trong không khí. Môi trường trong đó tốc độ truyền ánh sáng chậm hơn là môi trường chiết quang hơn.
Như vậy, mật độ quang của môi trường được đặc trưng bởi tốc độ truyền ánh sáng khác nhau.
Điều này có nghĩa là tốc độ truyền ánh sáng lớn hơn trong môi trường kém chiết quang hơn. Ví dụ, trong chân không tốc độ ánh sáng là 300.000 km/s và trong thủy tinh là 200.000 km/s. Khi chùm sáng chiếu vào bề mặt ngăn cách hai môi trường trong suốt có mật độ quang học khác nhau như không khí và nước, một phần ánh sáng bị phản xạ khỏi bề mặt này, phần còn lại xuyên qua môi trường thứ hai. Khi truyền từ môi trường này sang môi trường khác, tia sáng sẽ đổi hướng ở ranh giới của môi trường (Hình 144). Hiện tượng này được gọi là khúc xạ ánh sáng.
Cơm. 144. Khúc xạ ánh sáng khi một chùm tia truyền từ không khí sang nước
Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn sự khúc xạ ánh sáng. Hình 145 cho thấy: tia tới công ty cổ phần, tia khúc xạ OB và vuông góc với mặt phân cách giữa hai môi trường, vẽ tới điểm tới O. Góc AOS - góc tới (α), góc DOB - góc khúc xạ (γ).
Cơm. 145. Sơ đồ khúc xạ của tia sáng khi truyền từ không khí vào nước
Khi truyền từ không khí sang nước, một tia sáng đổi hướng đến gần CD vuông góc.
Nước là môi trường đậm đặc hơn không khí về mặt quang học. Nếu nước được thay thế bằng một môi trường trong suốt khác, đậm đặc hơn không khí thì tia khúc xạ cũng sẽ tiến tới đường vuông góc. Do đó, chúng ta có thể nói rằng nếu ánh sáng truyền từ môi trường chiết quang kém hơn sang môi trường chiết quang hơn thì góc khúc xạ luôn nhỏ hơn góc tới (xem Hình 145):
Một tia sáng vuông góc với mặt phân cách giữa hai môi trường truyền từ môi trường này sang môi trường kia mà không bị khúc xạ.
Khi góc tới thay đổi thì góc khúc xạ cũng thay đổi. Góc tới càng lớn thì góc khúc xạ càng lớn (Hình 146). Trong trường hợp này, mối quan hệ giữa các góc không được bảo toàn. Nếu chúng ta tính tỉ số giữa các sin của góc tới và góc khúc xạ thì nó không đổi.
Cơm. 146. Sự phụ thuộc của góc khúc xạ vào góc tới
Đối với bất kỳ cặp chất nào có mật độ quang học khác nhau, chúng ta có thể viết:
trong đó n là một giá trị không đổi không phụ thuộc vào góc tới. Nó được gọi là Chỉ số khúc xạ cho hai môi trường. Chiết suất càng cao thì tia khúc xạ càng mạnh khi truyền từ môi trường này sang môi trường khác.
Như vậy, hiện tượng khúc xạ ánh sáng xảy ra theo định luật sau: tia tới, tia khúc xạ và đường vuông góc với mặt phân cách giữa hai môi trường tại điểm tới của tia sáng nằm trong cùng một mặt phẳng.
Tỉ số giữa sin của góc tới và sin của góc khúc xạ là một giá trị không đổi đối với hai môi trường:
Ánh sáng bị khúc xạ trong bầu khí quyển Trái đất, vì vậy chúng ta nhìn thấy các ngôi sao và Mặt trời ở phía trên vị trí thực sự của chúng trên bầu trời.
Câu hỏi
- Hướng của chùm sáng (xem Hình 144) thay đổi như thế nào sau khi đổ nước vào bình?
- Những kết luận nào được rút ra từ các thí nghiệm về sự khúc xạ ánh sáng (xem hình 144, 145)?
- Những vị trí nào được thực hiện khi ánh sáng bị khúc xạ?
Bài tập 47
