Cắm một chiếc đũa vào cốc nước, ta thấy nó như bị gãy khúc ở mặt nước. Hiện tượng đó là khúc xạ ánh sáng — ánh sáng đổi hướng khi truyền xiên góc qua mặt phân cách hai môi trường trong suốt.
Xe đi từ đường nhựa sang bùn
Trong vật lý
Tia sáng khúc xạ
Trong đời thường
Bánh xe lệch hướng khi một bên chạm vùng trơn
Khi một bánh xe xuống vùng bùn chậm hơn, xe bị quay lái. Tương tự, phần sóng ánh sáng đi chậm lại trước khiến cả tia sáng đổi hướng.
- Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới (mặt phẳng chứa tia tới và pháp tuyến).
- Tia sáng đi từ không khí vào nước (chiết quang hơn) thì góc khúc xạ nhỏ hơn góc tới.
- Tia sáng đi từ nước ra không khí thì góc khúc xạ lớn hơn góc tới.
- Nếu tia tới vuông góc với mặt phân cách (i = 0), tia sáng truyền thẳng, không khúc xạ.
Thí nghiệm tương tác — hãy làm theo từng bước
- 1Tăng dần góc tới i và quan sát góc khúc xạ r.
- 2Nhận xét: khi đi từ không khí vào nước, r luôn nhỏ hơn i.
- 3Đảo chiều: cho ánh sáng đi từ nước ra không khí, quan sát r lớn hơn i.
- 4Khi i = 0, tia sáng truyền thẳng — không bị khúc xạ.
Khúc xạ ánh sáng
- Tia tới
- Tia khúc xạ
- Tia phản xạ (phản xạ toàn phần)
- Góc tới i
- 40°
- Góc khúc xạ r
- 28.9°
- So sánh i và r
- r < i
Khi ánh sáng đi từ không khí vào nước, góc khúc xạ nhỏ hơn góc tới. Đi ngược lại (nước → không khí) thì r lớn hơn i, và có thể xảy ra phản xạ toàn phần.
Suy nghĩ một chút
Vì sao người bơi nhìn lên mặt nước thấy mọi vật bên ngoài như nằm trong một vòng tròn sáng?
Khúc xạ ánh sáng quanh em
Khúc xạ giải thích nhiều ảo giác thị giác và là nguyên lí của kính, mắt kính, ống nhòm.
Chiếc đũa cắm vào cốc nước trông như bị gãy
Ánh sáng phản xạ từ phần đũa trong nước đi qua mặt nước bị khúc xạ (lệch hướng) trước khi tới mắt. Mắt ta "kéo thẳng" tia sáng này ngược trở lại nên thấy phần đũa trong nước lệch đi — tạo ảo giác gãy khúc.
Lý thuyết của bài: Ánh sáng đổi hướng khi qua mặt phân cách nước–không khí.
Hồ nước trông "nông" hơn thực tế
Ánh sáng từ đáy hồ khúc xạ khi lên mặt nước, khiến mắt ước lượng vị trí đáy cao hơn so với thật. Vì vậy hồ trông nông hơn, và đây cũng là lí do không nên lội xuống chỗ nước trông "cạn" — nguy hiểm vì thực tế sâu hơn.
Lý thuyết của bài: Khúc xạ làm ảnh của vật dưới nước nâng lên gần mặt nước.
Kính cận, kính viễn, kính lúp hoạt động được
Thấu kính làm ánh sáng khúc xạ khi đi qua, hội tụ (hoặc phân kì) các tia để tạo ảnh rõ trên võng mạc. Mắt cận/viễn là do ảnh rơi sai vị trí, và kính có độ cong phù hợp bù lại sự lệch đó.
Lý thuyết của bài: Khúc xạ qua mặt cong của thấu kính tạo ảnh.
Ảo ảnh trên đường nhựa nóng (bóng nước)
Lớp không khí sát mặt đường nóng có chiết suất khác lớp trên, khiến ánh sáng từ trời bị khúc xạ liên tục và bẻ cong, tạo ảo giác có vũng nước phản chiếu. Đây là hiện tượng khúc xạ liên tục trong môi trường có chiết suất thay đổi.
Lý thuyết của bài: Khúc xạ khi ánh sáng truyền qua các lớp môi trường chiết suất khác nhau.
Đáy bể bơi trông nhấp nhô, gợn sóng khi mặt nước dao động
Khi mặt nước gợn, góc tới tại mỗi điểm thay đổi liên tục, nên tia khúc xạ cũng đổi hướng liên tục. Mỗi điểm đáy được ta nhìn ở một vị trí hơi lệch khác nhau, tạo cảm giác đáy bể nhấp nhô.
Lý thuyết của bài: Góc tới thay đổi → hướng khúc xạ thay đổi.
Vì sao góc tới và góc khúc xạ lại liên hệ bởi n₁sin i = n₂ sin r?
Trực giác:Ánh sáng truyền nhanh hay chậm tuỳ môi trường. Khi "một nửa mặt sóng" của chùm sáng chậm lại do gặp môi trường chiết quang hơn, cả tia sáng bị quay hướng — giống bánh xe bên trơn khiến xe lệch lái.
- 1Trong một môi trường, ánh sáng truyền thẳng với tốc độ v. Mỗi môi trường có chiết suất n = c/v (c là tốc độ ánh sáng trong chân không).
- 2Khi tia sáng tới mặt phân cách, phần mặt sóng chạm môi trường mới trước sẽ đổi tốc độ trước, khiến hướng truyền của cả chùm tia quay đi.
- 3Hình học của mặt sóng trước và sau khi qua mặt phân cách cho mối liên hệ giữa sin của hai góc và tốc độ hai môi trường: sin i / sin r = v₁ / v₂.
- 4Thay v₁ = c/n₁ và v₂ = c/n₂ vào: sin i / sin r = n₂ / n₁, biến đổi thành n₁ sin i = n₂ sin r (định luật Snell).
- 5Hệ quả: nếu n₂ > n₁ (đi vào môi trường chiết quang hơn) thì sin r < sin i, tức r < i — tia lệch về phía pháp tuyến. Khi i = 0 thì r = 0, tia truyền thẳng.
Ý nghĩa: n₁sin i = n₂sin r nói rằng hướng tia sáng thay đổi theo tỉ số chiết suất (tức tỉ số tốc độ ánh sáng) của hai môi trường. Đây là định luật cốt lõi của quang hình học, là cơ sở chế tạo thấu kính và giải thích các ảo giác khúc xạ.