17/09/2016 04:29 CH | 1393

HIỆN TƯỢNG TÁN SẮC ÁNH SÁNG

Trước khi vào bài, ta hãy nhắc lại một số kiến thức về Quang học đã được học trong chương trình Vật Lý 11 và vài khái niệm về sóng điện từ đã biết trong các bài trước của chương trình Vật Lý 12


1. Chiết suất tuyệt đối của một môi trường trong suốt là đại lượng n được tính bằng công thức

Trong đó:

  • n là chiết suất tuyệt đối của môi trường đang xét (gọi vắn tắt là chiết suất)
  • c = 3.108 m/s là vận tốc của ánh sáng trong chân không.
  • v là vận tốc truyền của ánh sáng trong môi trường đang xét.

Chú ý:

  • Trong chân không thì v = c , trong không khí thì v  c nên chiết suất tuyệt đối n của chân không và của không khí thường được lấy cùng giá trị là n = 1
  • Các môi trường khác (không phải chân không và không khí) có v < c nên chiết suất tuyệt đối n của các môi trường trong suốt này lớn hơn 1.

2. Bước sóng ánh sáng trong chân không là  trong đó f là tần số của ánh sáng đang xét. (Trong bài sau, ta sẽ chứng minh được ánh sáng là một loại sóng điện từ nên công thức tính bước sóng ánh sáng giống như công thức tính bước sóng của sóng điện từ).

3. Bước sóng ánh sáng trong một môi trường trong suốt có chiết suất n là    (Vì ánh sáng có tính chất sóng nên tần số của ánh sáng không đổi khi truyền từ môi trường này sang môi trường khác).

Vì    nên ta có thể suy được: 

4. Sự khúc xạ ánh sáng xảy ra khi một tia sáng (đơn sắc) truyền xiên góc tới mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt có chiết suất khác nhau.

Công thức của định luật khúc xạ ánh sáng là n1.sini = n2.sinr

Nhận xét:

  • Nếu n2 > n1 thì r < i: Tia khúc xạ lệch về phía gần pháp tuyến hơn tia tới (ví dụ như khi tia sáng truyền từ không khí vào nước)
  • Nếu n2 < n1 thì r > i: Tia khúc xạ lệch ra xa pháp tuyến hơn tia tới (ví dụ như khi tia sáng truyền từ nước ra không khí)

5. Hiện tượng phản xạ toàn phần xảy ra khi tia sáng truyền theo hướng từ môi trường có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn (n1 > n2) và toàn bộ tia sáng tới bị phản xạ trở lại môi trường thứ nhất, không có tia khúc xạ.

Điều kiện để xảy ra phản xạ toàn phần là

    • Tia sáng phải truyền theo hướng từ môi trường chiết suất lớn sang môi trường chiết suất nhỏ hơn: n1> n2
    • Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới giới hạn: i > igh
    • Công thức tính igh là   < 1

Trong thực tế không xảy ra trường hợp tia khúc xạ nằm sát mặt phân cách như hình vẽ. Tuy nhiên, về phương diện lý thuyết ta có thể xem như điều này có xảy ra. Khi r = 90o thì hiện tượng phản xạ toàn phần bắt đầu (nhưng chưa) xảy ra.

6. Lăng kính là một khối chất trong suốt hình lăng trụ có tiết diện thẳng là một tam giác. Góc hợp bởi hai mặt bên gọi là góc chiết quang A.

Chú ý:

  • Mặt bên thứ nhất là mặt bên mà tia tới gặp lăng kính.
  • Mặt bên thứ hai là mặt bên mà tia ló đi ra khỏi lăng kính sau khi bị khúc xạ lần thứ hai.
  • Mặt thứ ba của lăng kính là mặt đáy của lăng kính.

Đường đi của tia sáng qua lăng kính sau hai lần khúc xạ và không bị phản xạ toàn phần như sau:

Trong hình vẽ:

  • 11 là góc tới
  • i2 là góc ló, cũng là góc khúc xạ ở lần khúc xạ thứ hai.
  • r1 là góc khúc xạ của tia sáng ở lần khúc xạ thứ nhất.
  • r2 là góc tới của tia sáng ở lần khúc xạ thứ hai.
  • D là góc lệch của tia ló so với tia tới (xét về phương diện hướng truyền)

Xét trường hợp tia sáng bị khúc xạ 2 lần khi truyền qua lăng kính như hình trên, ta có các công thức lăng kính như sau:

  • sini1 = nsinr1
  • D = i1 + i2 - A
  • A = r1 + r2
  • sini2 = nsinr2

Chú ý:

  • Trong công thức trên ta gọi n là chiết suất của lăng kính, là chiết suất tương đối của chất làm lăng kính so với môi trường xung quanh.
  • Nếu lăng kính đặt trong không khí thì chiết suất n của lăng kính cũng là chiết suất tuyệt đối của chất làm lăng kính.
  • Với lăng kính góc nhỏ (góc tới i1 và góc chiết quang A đều nhỏ hơn 10o) ta có công thức gần đúng sau đây (thường dùng trong các bài tập về Tán Sắc Ánh Sáng mà sắp xét đến ở phần sau):
    • i1 = nr1
    • D = (n - 1)A
    • A = r1 + r2
    • i2 = nr2

HIỆN TƯỢNG TÁN SẮC ÁNH SÁNG

I. Thí nghiệm Niutơn về sự tán sắc ánh sáng

Chiếu một chùm hẹp ánh sáng Mặt Trời vào mặt bên thứ nhất của lăng kính thì ở mặt bên kia ta thu được một chùm tia ló. Hứng chùm tia ló này bằng một màn M đặt vuông góc với chùm tia ló ta thu được dải màu như cầu vồng: Đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím. Tia đỏ bị lệch ít nhất, tia tím bị lệch nhiều nhất.

Hiện tượng này được gọi là hiện tượng tán sắc ánh sáng.

 

 

Hình vẽ trong tiết diện thẳng của lăng kính giúp hiểu rõ hơn hình trên:

Trong hình vẽ này, ta hãy giả thiết trong chùm ánh sáng trắng chỉ gồm có 7 thành phần đơn sắc là đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím thì trên màn ảnh ta sẽ thu được 7 chấm sáng có màu tương ứng. Tuy nhiên, vì trong ánh sáng trắng gồm có vô số ánh sáng đơn sắc có màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím mà trên màn ta thu được dải màu như cầu vồng chứ  không phải chỉ là các chấm màu như trên.

Hình ảnh cầu vồng mà ta thường thấy trên bầu trời có dạng như sau:

II. Kết quả rút ra được từ thí nghiệm về tán sắc ánh sáng của Niutơn

Để cho đơn giản, ta hãy xét trường hợp lăng kính góc nhỏ.

Góc lệch của một tia sáng đơn sắc khi truyền qua lăng kính là D = (n - 1)A.

Vì A không đổi nên:

    • Tia đỏ bị lệch ít nhất chứng tỏ chiết suất của thủy tinh làm lăng kính đối với ánh sáng đỏ là nhỏ nhất.
    • Tia tím bị lệch nhiều nhất chứng tỏ chiết suất của thủy tinh làm lăng kính đối với ánh sáng tím làlớn nhất.
    • Các tia khác có góc lệch trung gian nên chiết suất của thủy tinh làm lăng kính cũng có giá trị trung gian giữa hai giá trị trên.

Từ đó ta có thể rút ra kết luận:

    • Chiết suất của một môi trường trong suốt phụ thuộc vào màu sắc của ánh sáng truyền qua nó.
    • Chiết suất của môi trường đối với ánh sáng đỏ là nhỏ nhất, đối với ánh sáng tím là lớn nhất.

nđỏ < ncam < nvàng < nlục < nlam < nchàm < ntím

III. Ánh sáng đơn sắc - Ánh sáng trắng

Bằng 2 thí nghiệm khác, Niutơn rút ra được 2 kết luận sau:

  • Ánh sáng đơn sắc là ánh sắng có một màu nhất định và không bị tán sắc khi bị khúc xạ (như khi truyền qua lăng kính chẳng hạn).
  • Ánh sáng trắng là hỗn hợp của vô số ánh sáng đơn sắc có màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím. 

ẢNH ĐẸP

Tin vnexpress: Cater News hôm 24/2/2012 đưa tin Peter Gude, một người Hà Lan chuyên săn lùng vòi rồng, cùng các đồng nghiệp phát hiện cảnh tượng hiếm tại bang Colorado, Mỹ. Vòi rồng xuất hiện ở vị trí cách cầu vồng vài km.

Vòi rồng xuất hiện cách cầu vồng vài km. Ảnh: Peter Gude