Khúc xạ ánh sáng: Lý thuyết & Các dạng bài tập Lý thuyết Vật lý lớp 11

Khúc xạ ánh sáng là gì? Hiện tượng khúc xạ ánh sáng như thế nào? Mời các bạn hãy cùng Download.vn theo dõi bài viết dưới đây nhé.

Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng lệch phương (gãy) của các tia sáng khi truyền xiên góc qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt khác nhau. Hy vọng thông qua tài liệu này các bạn có thêm nhiều tư liệu tham khảo, trau dồi kiến thức để học tốt Vật lý lớp 11.

I. Hiện tượng khúc xạ ánh sáng

Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng lệch phương (gãy) của các tia sáng khi truyền xiên góc qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt khác nhau.

II. Định luật khúc xạ ánh sáng

- Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới (tạo bởi tia tới và pháp tuyến) và ở phía bên kia pháp tuyến so với tia tới.

-Với hai môi trường trong suốt nhất định, tỉ số giữa sin góc tới (sini) và sin góc khúc xạ (sinr) luôn không đổi:

Công thức: \(\frac{\sin\ i}{\sin\ r}\ =\ Hằng\ số\)

Công thức của định luật khúc xạ ánh sáng viết dưới dạng đối xứng: 

\(n_1\sin i\ =\ n_2\sin r\)

III. Chiết suất của môi trường

a) Chiết suất tỉ đối

Tỉ số không đổi \(\frac{Sin\ i}{Sin\ r}\) trong hiện tượng khúc xạ được gọi là chiết suất tỉ đối n₂₁ của môi trường (2) chứa tia khúc xạ đối với môi trường (1) chứa tia tới.

+ n₂₁ > 1 thì r < i: Tia khúc xạ bị lệch lại gần pháp tuyến hơn. Ta nói môi trường (2) chiết quang hơn môi trường (1).

+ n₂₁ < 1 thì r > i: Tia khúc xạ bị lệch xa pháp tuyến hơn. Môi trường (2) chiết quang kém môi trường (1).

b) Chiết suất tuyệt đối

- Chiết suất tuyệt đối (thường gọi tắt là chiết suất) của một môi trường là chiết suất tỉ đối của môi trường đó đối với chân không.

+ Chiết suất của chân không là 1.

+ Chiết suất của không khí gần bằng 1.

+ Các môi trường trong suốt khác đều có chiết suất tuyệt đối lớn hơn 1.

- Hệ thức giữa chiết suất tỉ đối và chiết suất tuyệt đối:

\(n\ _{21}=\ \frac{n_2}{n_1}\)

Trong đó:

n₁ là chiết suất tuyệt đối của môi trường (2)

n₂ là chiết suất tuyệt đối của môi trường (1)

Chú ý:

- Hệ thức giữa chiết suất tỉ đối và vận tốc truyền ánh sáng trong các môi trường:

\(n\ =\ n_{21}=\ \frac{v_1}{v2}\)

- Chiết suất của một môi trường: \(n\ =\ \frac{v}{c}\)

Trong đó:

c = 3.10⁸ m/s là vận tốc ánh sáng trong chân không.

v là vận tốc ánh sáng trong môi trường có chiết suất n.

- Biểu thức khác của định luật khúc xạ ánh sáng:

n₁sini = n₂sinr

+ Trường hợp i và r nhỏ hơn 10^o thì: sini ≈ i; sinr ≈ r

Ta có: n₁i = n₂r

+ Trường hợp i = 0^o, r = 0^o thì tia sáng đi vuông góc với mặt phân cách (không xảy ra hiện tượng khúc xạ).

III. Tính thuận nghịch của sự truyền ánh sáng

Ánh sáng truyền đi theo đường nào thì cũng truyền ngược lại theo đường đó:

\(n_{12\ }=\ \frac{1}{n\ _{21}}\)

Chú ý: Tính thuận nghịch cũng biểu hiện ở sự truyền thẳng và sự phản xạ.

IV. Bài tập khúc xạ ánh sáng

1. Tia sáng đi từ nước có chiết suất n₁= \(\frac{4}{3}\) sang thủy tinh có chiết suất n₂ = 1,5. Tính góc khúc xạ và góc lệch D tạo bởi tia khúc xạ và tia tới, biết góc tới i = 30⁰.

2. Tia sáng truyền trong không khí tới gặp mặt thoáng của chất lỏng có chiết suất n = \(\sqrt{3}\). Ta được hai tia phản xạ và khúc xạ vuông góc với nhau. Tính góc tới.

3. Một cây cọc dài được cắm thẳng đứng xuống một bể nước chiết suất n = \(\frac{4}{3}\). Phần cọc nhô ra ngoài mặt nước là 30 cm, bóng của nó trên mặt nước dài 40 cm và dưới đáy bể nước dài 190 cm. Tính chiều sâu của lớp nước.

4. Một cái máng nước sâu 30 cm rộng 40 cm có hai thành bên thẳng đứng. Lúc máng cạn nước thì bóng râm của thành A kéo dài tới đúng chân thành B đối diện. Người ta đổ nước vào máng đến một độ cao h thì bóng của thành A ngắn bớt đi 7 cm so với trước. Biết chiết suất của nước là n = \(\frac{4}{3}\). Tính h.

5. Một người ngồi trên bờ hồ nhúng chân vào nước trong suốt. Biết chiết suất của nước là n = \(\frac{4}{3}\).

a) Khoảng cách thực từ bàn chân người đó đến mặt nước là 36 cm. Hỏi mắt người đó cảm thấy bàn chân cách mặt nước bao nhiêu?

b) Người này cao 1,68 m, nhìn thấy một hòn sỏi dưới đáy hồ dường như cách mặt nước 1,5 m. Hỏi nếu đứng dưới hồ thì người ấy có bị ngập đầu không?.

6. Tính vận tốc của ánh sáng trong thủy tinh. Biết thủy tinh có chiết suất n = 1,6 và vận tốc ánh sáng trong chân không là c = 3.10⁸ m/s.

7. Tính vận tốc của ánh sáng truyền trong môi trường nước. Biết tia sáng truyền từ không khí với góc tới là i = 60⁰thì góc khúc xạ trong nước là r = 40⁰. Lấy vận tốc ánh sáng ngoài không khí c = 3.10⁸ m/s.

8. Tính góc giới hạn phản xạ toàn phần khi ánh sáng truyền từ thủy tinh sang không khí, từ nước sang không khí và từ thủy tinh sang nước. Biết chiết suất của thủy tinh là 1,5; của nước là .

9. Thả nổi trên mặt nước một đĩa nhẹ, chắn sáng, hình tròn. Mắt người quan sát đặt trên mặt nước sẽ không thấy được vật sáng ở đáy chậu khi bán kính đĩa không nhỏ hơn 20 cm. Tính chiều sâu của lớp nước trong chậu. Biết rằng vật và tâm đĩa nằm trên đường thẳng đứng và chiết suất của nước là n =\(\frac{4}{3}\)

10. Một tấm thủy tinh mỏng, trong suốt, chiết suất n₁= 1,5; có tiết diện là hình chử nhật ABCD (AB rất lớn so với AD), mặt đáy AB tiếp xúc với một chất lỏng có chiết suất n₂=\(\sqrt{2}\) . Chiếu tia sáng SI nằm trong mặt phẵng ABCD tới mặt AD sao cho tia tới nằm phía trên pháp tuyến ở điểm tới và tia khúc xạ trong thủy tinh gặp đáy AB ở điểm K. Tính giá trị lớn nhất của góc tới i để có phản xạ toàn phần tại K.

11. Tia sáng truyền từ nước và khúc xạ ra không khí. Tia khúc xạ và tia phản xạ ở mặt nước vuông góc nhau. Nước có chiết suất là 4/3. Hãy tính tròn số giá trị của góc tới.

12. Dùng tia sáng truyền từ thủy tinh và khúc xạ ra không khí. Tia khúc xạ và tia phản xạ ở mặt thủy tinh tạo với nhau 1 góc 90⁰, chiết suất của thủy tinh là 3/2. Hãy tính tròn số giá trị của góc tới.

13. Tia sáng đi từ không khí tới gặp mặt phân cách giữa không khí và môi trường trong suốt có chiết suất n dưới góc tới i = 45⁰. Góc hợp bởi tia khúc xạ và phản xạ là 105⁰. Hãy tính chiết suất của n ?

14. Một tia sáng truyền từ một chất lỏng ra ngoài không khí dưới góc 35⁰thì góc lệch giữa tia tới nối dài và tia khúc xạ là 25⁰. Tính chiết suất của chất lỏng.

15. Chiếu một tia sáng từ không khí vào thủy tinh có chiết suất 1,5. Hãy xác định góc tới sao cho: góc khúc xạ bằng nửa góc tới.

16. Một cái thước được cắm thẳng đứng vào bình nước có đáy phẳng, ngang. Phần thước nhô khỏi mặt nước là 4cm. Chếch ở trên có một ngọn đèn. Bóng của thước trên mặt nước dài 4cm, và ở đáy dài 8cm. Tính chiều sâu của nước trong bình, biết chiết suất của nước là 4/3.