Bài học

Vẽ đường truyền ánh sáng qua mặt phân cách

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em vẽ đúng hình biểu diễn tia tới, pháp tuyến và tia khúc xạ qua một mặt phân cách phẳng, xác định đúng góc tới và góc khúc xạ trên hình, và áp dụng được tính thuận nghịch của chiều truyền ánh sáng.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước đã cho em biết tia tới, tia khúc xạ, pháp tuyến, góc tới và góc khúc xạ là gì. Bài này đi vào một kĩ năng cụ thể hơn: dựng đúng hình vẽ theo đúng quy ước, để từ hình vẽ có thể đọc ra được góc tới, góc khúc xạ và phía lệch của tia sáng.

Khởi động

Khi thợ lặn nhìn một vật đặt trên bờ từ dưới nước, ảnh của vật mà thợ lặn thấy lệch đi so với vị trí thật. Muốn giải thích chính xác hiện tượng này, em cần vẽ đúng đường truyền của tia sáng qua mặt nước — không thể vẽ tùy tiện theo cảm tính.

Kiến thức trọng tâm

Quy ước vẽ hình khúc xạ gồm ba bước: vẽ mặt phân cách bằng nét liền; vẽ pháp tuyến bằng nét đứt, vuông góc với mặt phân cách ngay tại điểm tới I; rồi vẽ tia tới SI đi từ nguồn sáng tới I, và tia khúc xạ IK ở phía bên kia mặt phân cách.

Về phía lệch của tia khúc xạ, có một quy tắc dễ nhớ: khi ánh sáng đi từ môi trường kém chiết quang (như không khí) sang môi trường chiết quang hơn (như nước, thủy tinh), tia khúc xạ bị lệch gần pháp tuyến hơn so với tia tới — tức là góc khúc xạ nhỏ hơn góc tới (r < i). Ngược lại, khi ánh sáng đi từ môi trường chiết quang hơn ra môi trường kém chiết quang hơn, tia khúc xạ lệch xa pháp tuyến hơn, góc khúc xạ lớn hơn góc tới (r > i).

Đường truyền ánh sáng còn có một tính chất gọi là tính thuận nghịch: nếu đảo ngược chiều truyền, cho ánh sáng đi đúng theo tia khúc xạ IK ngược trở lại, thì ánh sáng sẽ truyền đúng theo đường KI rồi ra ngoài đúng theo đường IS ban đầu. Nói cách khác, đường truyền ánh sáng qua một hệ quang học không phụ thuộc vào chiều truyền — đảo chiều thì ánh sáng đi lại đúng con đường cũ.

Kĩ năng vẽ hình khúc xạ không chỉ để làm đẹp bài kiểm tra: một hình vẽ đúng tỉ lệ và đúng quy ước giúp em đọc ra ngay môi trường nào chiết quang hơn chỉ bằng cách so sánh độ lệch của tia khúc xạ so với pháp tuyến, mà không cần đo đạc hay tính toán gì thêm.

Quy ước vẽ hình khúc xạ gồm ba bước: vẽ mặt phân cách bằng nét liền; vẽ **pháp tuyến** bằng nét đứt, vuông góc với mặt phân cách ngay tại điểm tới I; rồi vẽ tia tới SI đi từ nguồn sáng tới I, và tia khúc xạ IK ở phía bên kia mặt phân cách. Về phía lệch của tia khúc xạ, có một quy tắc dễ nhớ: khi ánh sáng đi từ môi trường kém chiết quang (như không khí) sang môi trường chiết quang hơn (như nước, thủy tinh), tia khúc xạ bị lệch **gần** pháp tuyến hơn so với tia tới — tức là góc khúc xạ nhỏ hơn góc tới (r < i). Ngược lại, khi ánh sáng đi từ môi trường chiết quang hơn ra môi trường kém chiết quang hơn, tia khúc xạ lệch **xa** pháp tuyến hơn, góc khúc xạ lớn hơn góc tới (r > i). Đường truyền ánh sáng còn có một tính chất gọi là **tính thuận nghịch**: nếu đảo ngược chiều truyền, cho ánh sáng đi đúng theo tia khúc xạ IK ngược trở lại, thì ánh sáng sẽ truyền đúng theo đường KI rồi ra ngoài đúng theo đường IS ban đầu. Nói cách khác, đường truyền ánh sáng qua một hệ quang học không phụ thuộc vào chiều truyền — đảo chiều thì ánh sáng đi lại đúng con đường cũ. Kĩ năng vẽ hình khúc xạ không chỉ để làm đẹp bài kiểm tra: một hình vẽ đúng tỉ lệ và đúng quy ước giúp em đọc ra ngay môi trường nào chiết quang hơn chỉ bằng cách so sánh độ lệch của tia khúc xạ so với pháp tuyến, mà không cần đo đạc hay tính toán gì thêm.

Vì nước chiết quang hơn không khí, góc khúc xạ nhỏ hơn góc tới (r < i)

Ví dụ

Vẽ đường truyền ánh sáng đi từ không khí vào nước

1
Một tia sáng SI chiếu từ không khí tới mặt nước tại điểm I với góc tới i = 50°. Hãy nêu cách xác định phía và độ lớn tương đối của tia khúc xạ trên hình vẽ.
2
Ta có pháp tuyến NN' là đường thẳng vuông góc với mặt phân cách không khí – nước, đi qua điểm tới I. Góc tới i = 50° là góc giữa tia SI và pháp tuyến, đo về phía môi trường không khí.
3
Do ánh sáng đi từ không khí (kém chiết quang) sang nước (chiết quang hơn), tia khúc xạ IK phải lệch gần pháp tuyến hơn so với tia tới, nên góc khúc xạ r < 50°.
4
Vậy tia khúc xạ IK nằm ở phía bên kia mặt phân cách so với tia tới, làm với pháp tuyến một góc r nhỏ hơn 50°, và nằm cùng phía với tia tới so với pháp tuyến khi nhìn dọc mặt phân cách.

Ví dụ

Vẽ đường truyền ánh sáng đi từ nước ra không khí và vận dụng tính thuận nghịch

1
Một tia sáng truyền trong nước tới mặt phân cách nước – không khí tại điểm I với góc tới 25°, cho tia khúc xạ ra ngoài không khí. Nếu sau đó đảo ngược chiều, cho ánh sáng đi đúng theo tia khúc xạ vừa tìm được để truyền ngược vào nước, hãy mô tả đường đi mới của tia sáng.
2
Vì ánh sáng đi từ nước (chiết quang hơn) ra không khí (kém chiết quang hơn), tia khúc xạ lệch xa pháp tuyến hơn tia tới, nên góc khúc xạ lớn hơn 25°.
3
Khi đảo ngược chiều truyền, cho ánh sáng đi đúng theo đường tia khúc xạ cũ (từ không khí vào I), tia sáng sẽ khúc xạ và truyền tiếp đúng theo đường tia tới ban đầu trong nước, với góc tới mới đúng bằng góc khúc xạ cũ, và góc khúc xạ mới đúng bằng góc tới cũ là 25°.
4
Vậy tia sáng đi ngược lại đúng con đường cũ — minh họa rõ tính thuận nghịch của sự truyền ánh sáng qua mặt phân cách.

Sai lầm thường gặp

Nhiều học sinh vẽ pháp tuyến không vuông góc với mặt phân cách, hoặc đo góc tới/góc khúc xạ so với chính mặt phân cách thay vì so với pháp tuyến. Luôn kiểm tra pháp tuyến đã vuông góc mặt phân cách tại đúng điểm tới trước khi đo góc.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Vẽ khúc xạ đúng thứ tự: mặt phân cách → pháp tuyến vuông góc tại điểm tới → tia tới → tia khúc xạ. Vào môi trường chiết quang hơn: r < i. Ra môi trường kém chiết quang hơn: r > i. Đường truyền ánh sáng có tính thuận nghịch.

Bài trước và bài này mới cho em biết xu hướng lệch của tia khúc xạ. Chương tiếp theo đi sâu hơn: khi góc tới thay đổi liên tục, góc khúc xạ thay đổi theo quy luật nào?