Khúc xạ ánh sáng là một trong những hiện tượng vật lý thú vị nhất mà các bạn thường xuyên gặp trong đời thực. Ví dụ như cầu vòng, chiếc đũa bị cong khi bỏ vào ly nước… Vậy nguyên nhân nào gây ra hiện tượng này, các ứng dụng của nó trong thực tế. Hãy cùng mình tìm hiểu nha.

Khúc xạ ánh sáng là gì?

Khúc xạ ánh sáng là sự uốn cong của sóng khi truyền từ môi trường này sang môi trường khác. Khúc xạ biểu thị sự thay đổi vận tốc (tốc độ) của sóng. Là sự bẻ cong ánh sáng (nó cũng xảy ra với âm thanh, nước và các sóng khác) khi nó truyền từ môi trường này sang môi trường khác.

Sự uốn cong này giúp chúng ta phát minh ra thấu kính, kính lúp, lăng kính. Ngay cả đôi mắt của chúng ta cũng phụ thuộc vào hiện tượng này. Nếu không có khúc xạ, chúng ta sẽ không thể tập trung ánh sáng vào võng mạc.

Nguyên nhân gây ra khúc xạ ánh sáng

Như ta đã biết ánh sáng có tốc độ khoảng 299.792.678 m/s trong môi trường chân không. Nhưng khi ánh sáng chiếu vào những môi trường khác nhau thì tốc độ sẽ thay đổi nhanh hay chậm phụ thuộc vào từng môi trường nhất định. Vậy nguyên nhân gây ra là ánh sáng thay đổi tốc độ và môi trường.

2 yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng khúc xạ gồm:

  • Thay đổi tốc độ: Nếu một chất làm cho ánh sáng tăng tốc hoặc chậm hơn, nó sẽ khúc xạ (uốn cong) nhiều hơn.
  • Góc của tia tới: Nếu ánh sáng đi vào chất ở góc lớn hơn, lượng khúc xạ cũng sẽ nhiều hơn. Mặt khác, nếu ánh sáng đi vào môi trường có góc bằng 90° so với bề mặt, ánh sáng vẫn sẽ chậm lại, nhưng nó sẽ không thay đổi hướng.
Nguyên nhân gây ra khúc xạ ánh sáng
Nguyên nhân gây ra khúc xạ ánh sáng

Chỉ số khúc xạ của một số chất trong suốt

  • Không khí: chỉ số khúc xạ = 1.
  • Nước: Có chỉ số khúc xạ = 1.33.
  • Ly thủy tinh: Là 1.5.
  • Kim cương: 2.4.
  • Rượu etylic: 1.362.

Công thức tính chỉ số khúc xạ

Chỉ số khúc xạ (n) của môi trường là tỷ lệ giữa tốc độ ánh sáng trong chân không (c) với tốc độ ánh sáng trong môi trường đó (v). Do đó, n có thể được tính bằng công thức:

  •   n = c/v

Điều này có nghĩa rằng chỉ số khúc xạ của môi trường càng cao thì tốc độ ánh sáng xuyên qua nó càng chậm. Điều này có nghĩa là mật độ quang của môi trường tăng khi chỉ số khúc xạ của nó tăng.

Ngoài ra chỉ số khúc xạ còn được tính bằng công thức sau:

  •  n = sin i/sin r

Trong đó sini là góc tới, còn sinr là góc khúc xạ.

Ứng dụng hiện tượng khúc xạ ánh sáng

Hiện tượng này là cơ sở để các nhà khoa học tạo ta nhiều loại thấu kính, lăng kính phục vụ cho nhiều ngành khoa học khác nhau.

Thấu kính

Một thấu kính chỉ đơn giản là một khối cong bằng thủy tinh hoặc nhựa. Có nhiều loại thấu kính gồm:

  • Kính lúp: Là loại thấu kính đơn giản nhất, giúp quan sát các vật có kích thước nhỏ mà mắt thường khó quan sát được
  • Thấu kính hội tụ: Mỗi tia sáng đi vào một thấu kính hội tụ (lồi) khúc xạ vào bên trong khi nó đi vào thấu kính và đi vào lại khi nó rời đi. Những khúc xạ này làm cho các tia sáng song song lan ra, truyền trực tiếp ra khỏi một tiêu điểm tưởng tượng.
Áng sáng khi đi qua thấu kính hôi tụ
Áng sáng khi đi qua thấu kính hôi tụ
  • Thấu kính phân kỳ: Mỗi tia sáng đi vào một thấu kính phân kỳ khúc xạ ra bên ngoài khi nó đi vào thấu kính và hướng ra ngoài một lần nữa khi nó rời đi. Những khúc xạ này làm cho các tia sáng song song lan ra, truyền trực tiếp ra khỏi một tiêu điểm tưởng tượng.

Lăng kính

Isaac Newton đã thực hiện một thí nghiệm nổi tiếng sử dụng một khối thủy tinh hình tam giác gọi là lăng kính. Ông sử dụng ánh sáng mặt trời chiếu xuyên qua cửa sổ để tạo ra một dải màu ở phía đối diện căn phòng.

Thí nghiệm này cho thấy ánh sáng trắng thực sự được tạo ra từ tất cả các màu sắc của cầu vồng. Bảy màu này gồm: đỏ, cam, vàng, xanh lá cây, xanh dương, chàm và tím.

Newton đã chỉ ra rằng mỗi màu này không thể biến thành các màu khác. Ông cũng cho thấy rằng chúng có thể được kết hợp lại để tạo ra ánh sáng trắng một lần nữa.

Giải thích cho các màu tách ra là ánh sáng được tạo thành từ sóng. Ánh sáng đỏ có bước sóng dài hơn ánh sáng tím. Chỉ số khúc xạ của ánh sáng đỏ trong thủy tinh hơi khác so với ánh sáng tím. Ánh sáng tím chậm hơn nhiều so với ánh sáng đỏ, vì vậy nó bị khúc xạ ở một góc lớn hơn.

Hiện tượng khúc xạ này đã giúp chúng ta phát minh ra kính hiển vi, kính thiên văn… giúp quan sát được nhiều vật thể có kích thước vô vùng nhỏ như tế bào, vi khuẩn. Hoặc phát hiện nhiều hành tinh mới trong vũ trụ.