Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng vật lý quen thuộc khi ánh sáng truyền từ môi trường này sang môi trường khác và bị lệch hướng. Hiện tượng này không chỉ thú vị mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn.
Khúc xạ ánh sáng là gì?
Khúc xạ ánh sáng là gì? Đơn giản mà nói, khúc xạ ánh sáng là hiện tượng tia sáng bị lệch hướng (bẻ cong) khi truyền xiên góc từ một môi trường trong suốt này sang một môi trường trong suốt khác.
Hãy tưởng tượng thế này: Ánh sáng như một người chạy bộ. Khi người đó chạy trên đường nhựa (một môi trường) thì tốc độ ổn định. Nhưng nếu đột ngột rẽ sang một bãi cát (môi trường khác), tốc độ sẽ thay đổi, và hướng chạy cũng có thể bị lệch đi. Ánh sáng cũng vậy, khi gặp một môi trường có chiết suất khác, nó sẽ thay đổi vận tốc và kết quả là bị "bẻ cong" đường đi.
>>> Xem thêm tại: Công thức tính lực và ý nghĩa các đại lượng liên quan
Tại sao ánh sáng lại bị khúc xạ?
Lý do chính khiến ánh sáng bị khúc xạ là do tốc độ truyền của ánh sáng thay đổi khi đi từ môi trường này sang môi trường khác. Mỗi môi trường trong suốt (như không khí, nước, thủy tinh, kim cương...) có một đặc tính riêng gọi là chiết suất.
Chiết suất (n) là một đại lượng đặc trưng cho khả năng làm giảm tốc độ truyền của ánh sáng trong môi trường đó.
+ Chiết suất càng lớn, tốc độ ánh sáng truyền trong môi trường đó càng nhỏ và ngược lại.
+ Chiết suất của chân không được quy ước bằng 1. Chiết suất của không khí gần bằng 1. Chiết suất của nước khoảng 1.33, thủy tinh khoảng 1.5.
Khi tia sáng truyền từ môi trường có chiết suất này sang môi trường có chiết suất khác:
+ Nếu truyền từ môi trường kém chiết quang sang môi trường chiết quang hơn (ví dụ: từ không khí vào nước): Tia khúc xạ sẽ lệch gần pháp tuyến hơn so với tia tới.
+ Nếu truyền từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường kém chiết quang hơn (ví dụ: từ nước ra không khí): Tia khúc xạ sẽ lệch xa pháp tuyến hơn so với tia tới.
Pháp tuyến ở đây là đường thẳng vuông góc với mặt phân cách giữa hai môi trường tại điểm tia sáng tới.
>>> Xem thêm tại: Lực hấp dẫn là gì? Khám phá sức hút vô hình quanh ta!
Định luật khúc xạ ánh sáng
Để định lượng hiện tượng này, nhà vật lý người Hà Lan Willebrord Snellius đã đưa ra Định luật khúc xạ ánh sáng, thường được gọi là Định luật Snell. Định luật này phát biểu rằng:
+ Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng chứa tia tới và pháp tuyến tại điểm tới.
+ Tỉ số giữa sin của góc tới và sin của góc khúc xạ là một hằng số đối với hai môi trường trong suốt nhất định. Hằng số này chính là tỉ số giữa chiết suất của môi trường thứ hai và chiết suất của môi trường thứ nhất.
Công thức của định luật Snell là:
n1sini=n2sinr
Trong đó:
+ n1: Chiết suất của môi trường chứa tia tới.
+ n2: Chiết suất của môi trường chứa tia khúc xạ.
+ i: Góc tới (góc tạo bởi tia tới và pháp tuyến).
+ r: Góc khúc xạ (góc tạo bởi tia khúc xạ và pháp tuyến).
Định luật này là nền tảng quan trọng trong vật lý quang học, giúp chúng ta tính toán chính xác đường đi của ánh sáng và thiết kế các dụng cụ quang học.
Ứng dụng của hiện tượng khúc xạ ánh sáng trong đời sống
Hiện tượng khúc xạ ánh sáng không chỉ là một khái niệm vật lý mà còn có rất nhiều ứng dụng quan trọng trong cuộc sống và công nghệ của chúng ta:
Kính mắt và kính áp tròng: Đây là ứng dụng phổ biến nhất. Kính sử dụng nguyên lý khúc xạ để điều chỉnh đường đi của ánh sáng, giúp người có tật khúc xạ (cận thị, viễn thị, loạn thị) nhìn rõ hơn.
Thấu kính máy ảnh, ống nhòm, kính hiển vi, kính thiên văn: Tất cả các dụng cụ này đều hoạt động dựa trên sự kết hợp của nhiều thấu kính để hội tụ hoặc phân kỳ ánh sáng, tạo ra hình ảnh phóng đại hoặc thu nhỏ.
Sợi cáp quang: Dùng để truyền tín hiệu internet, điện thoại với tốc độ cao. Sợi cáp quang hoạt động dựa trên hiện tượng phản xạ toàn phần bên trong (một trường hợp đặc biệt của khúc xạ).
Cầu vồng: Khi ánh sáng mặt trời đi qua những giọt nước mưa, nó bị khúc xạ và phân tích thành các màu sắc khác nhau, tạo nên dải cầu vồng rực rỡ.
Ảo ảnh trên sa mạc (Mirage): Khi không khí ở gần mặt đất rất nóng, chiết suất của không khí sẽ thay đổi, tạo ra ảo ảnh như có vũng nước ở phía xa.
Hiểu rõ hiện tượng khúc xạ ánh sáng giúp chúng ta lý giải được nhiều hiện tượng tự nhiên như chiếc đũa bị cong trong nước hay cầu vồng sau mưa. Đây là kiến thức nền tảng quan trọng trong vật lý học.
