Sản phẩm dạy học dự án môn Vật lýChương trình Vật lý lớp 11, năm 2013,Trường THPT Hương Vinh, Thừa Thiên Huế
Bốn thế kỷ trước CN, Euclide đã biết định luật phản xạ trên mặt phẳng: góc của tia tới tạo với pháp tuyến của mặt phẳng bằng góc của tia phản xạ với chính pháp tuyến đó. Archimède (khoảng 287-212 TCN) đã chứng minh được rằng có thể tập trung toàn bộ ánh sáng tới vào tiêu điểm của gương nếu gương này có dạng parabol. Như vậy, người Hy Lạp đã biết làm chủ kỹ thuật chế tạo gương. Trên thực tế, Archimède đã thiêu rụi hạm đội La Mã đang vây hãm thành phố Syracuse bằng cách dùng các gương parabol khổng lồ tập trung ánh sáng mặt trời lên tàu địch.
Đang xem: Thí nghiệm khúc xạ ánh sáng
Sau đó, trong nhiều thế kỉ, người ta đã lưu ý tới một sự thật khá kì quặc, nhưng lại hiển nhiên. Đặt một cái thanh vào trong bát nước thì thấy cái thanh này dường như không còn là một vật nguyên vẹn nữa, mà trông cứ như bị cắt làm đôi; sự “bẽ gãy” này là do sự khúc xạ ánh sáng đã làm cho phần bị chìm dưới nước trông cứ như không gắn với phần nằm trên mặt nước.
Ánh sáng bị khúc xạ khi nó đi ra khỏi nước đã mang lại ảo giác là các vật trong nước hình như bị gãy khúc tại mặt phân cách và các vật vừa trông được nâng lên cao hơn so với thực tế mà người ta quan sát thấy ( như hình ảnh con cá trong nước hoặc hiện tượng đáy hồ trông thì cạn nhưng khi xuống lại thấy sâu hơn ta tưởng)
Người Hy Lạp cũng đã biết đến hiện tượng khúc xạ từ rất sớm. Ngay từ thế kỷ thứ I sau CN, trong cuốn Quang học, Ptolémée đã miêu tả thí nghiệm đã từng được Euclide nhắc đến . Đặt một cái bát to lên bàn và thả xuống đáy bát một đồng tiền xu. Hãy ngồi ở một chỗ sao cho bạn không thể nhìn thấy đồng tiền xu nếu không hơi nhổm người lên. Nghĩa là đồng xu đã nằm ngoài tầm mắt của bạn. Sau đó hãy đổ nước từ từ vào trong bát. Mức nước tăng lên và, đến một lúc nào đó, bạn sẽ nhìn thấy đồng xu mà không phải nhổm người lên. Sở dĩ bạn nhìn thấy đồng xu là nhờ khúc xạ ánh sáng: không có nước, các tia sáng xuất phát từ đồng xu không đi vào mắt; có nước, tia sáng bị lệch về phía đáy và đi vào mắt nên bạn có thể nhìn thấy nó.
Sau đó, nhà bác học Arập Alhazen đã đưa ra một lý thuyết về khúc xạ ánh sáng vào năm 1000, nhưng không phải bằng ngôn ngữ toán học. Cho đến năm 1621, Nhà vật lí Willebrord Snell (Hà Lan) đã khám phá ra định luật của sự khúc xạ ánh sang nhưng ông không công bố khám phá của mình bởi do tâm trạng chán ngán vì Snell chưa bao giờ phát hiện được nguyên nhân cho hiệu ứng khúc xạ này. Và vào năm 1637, René Descartes (Pháp) cũng đã tìm ra quy luật của sự khúc xạ và công bố những khám phá của ông về định luật phản xạ và khúc xạ. Ông đã phát hiện ra định luật khúc xạ Snell một cách độc lập, nhưng là người đầu tiên công bố nó. Bởi thế, định luật khúc xạ còn gọi là định luật Snen- Đề-các.
 |
| Snell |
 |
| Descartes |
Khi ánh sáng đi qua mặt phân cách giữa hai môi trường truyền sáng, thì một trong hai hiện tượng sẽ xảy ra: hoặc là nó nảy trên bề mặt của vật để quay lại phía sau, và người ta nói ánh sáng bị phản xạ (chẳng hạn, khi bạn nhìn mình trong gương, thì chính ánh sáng của cơ thể bạn được phản xạ bởi gương đi vào trong mắt bạn); hoặc là ánh sáng đi vào môi trường mới trong suốt bằng cách thay đổi hướng, và người ta nói ánh sáng bị khúc xạ. Như vậy, khúc xạ là hiện tượng chùm tia sáng bị đổi phương đột ngột khi đi qua mặt phân cách hai môi trường truyền ánh sáng.Định nghĩa khúc xạ ánh sáng là một định nghĩa về hiện tượng và các em học sinh có thể bắt gặp nhiều về hiện tượng này trong cuộc sống.
Tuy nhiên, khi ánh sáng truyền từ chất này sangchất khác, nó sẽ truyền thẳng đi mà không có sự thay đổi hướng khi nó trực giaovới ranh giới giữa hai chất. Ví dụ, một chùm ánh sáng chạm tới tấm thủy tinhdày theo phương thẳng đứng sẽ không bịkhúc xạ.
 |
| Ánh sáng đi thẳng khi truyền xiên góc qua mặt phân cách giữa 2 môi trường |
Chùm tia sáng xuất phát tới mặt phân cách giữa hai môi trường gọi là chùm tia tới ( incident ray), chùm tia sáng bị đổi phương khi qua mặt phân cách giữa hai môi trường gọi là chùm tia khúc xạ ( refracted ray), mặt phân cách giữa hai môi trường là mặt lưỡng chất, hệ hai môi trường truyền sáng phân cách bằng mặt phẳng gọi là lưỡng chất phẳng.
Xem thêm: Hạt Mạng Âm Tường Panasonic Chất Lượng, Giá Tốt, Nhân Mạng Rj45 Cat6 Panasonic
Chúng ta chỉ nghiên cứu hiện tượng khúc xạ ở mặt phân cách là phẳng và cũng cần lưu ý cho học sinh rằng bên cạnh hiện tượng khúc xạ vẫn còn hiện tượng phản xạ nếu mặt phân cách là phẳng. hai hiện tượng này xảy ra đồng thời khi một tia sáng đập vào mặt phân cách giữa hai môi trường. Cường độ sáng của hai tia này khác nhau và thay đổi theo góc tới, nhưng sự phân chia năng lượng giữa chúng vẫn tuân theo định luật bảo toàn năng lượng. Để minh họa cho điều này, hãy xem sự mô phỏng sau:
Để nghiên cứu hiện tượng khúc xạ về mặt định lượng, nhà thiên văn và địa lí Hy Lạp cổ đại Ptolemy đã cố gắng giải thích bằng toán học lượng bẻ cong (khúc xạ) xảy ra, nhưng quy luật mà ông đề xuất sau này được xác định là không xác thực.
Nhà toán học Arập Alhazen cũng đã đưa ra một lý thuyết về khúc xạ ánh sáng vào năm 1000, nhưng không phải bằng ngôn ngữ toán học. Tuy nhiên, trực giác của ông đã tỏ ra đúng đắn. Ông đã cho ánh sáng một vận tốc hữu hạn và thừa nhận ra rằng vận tốc ánh sáng phụ thuộc vào môi trường mà nó đi qua . Alhazen tách vận tốc ánh sáng làm hai thành phần: một vuông góc với mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt, chẳng hạn không khí và nước, và một song song với mặt phân cách ấy; ông nghĩ rằng thành phần song song của tia sáng chậm hơn thành phần nằm vuông góc khi ánh sáng đi vào một môi trường chiết quang hơn (như từ không khí vào nước), làm cho ánh sáng bị lệch về phía pháp tuyến của của mặt phân cách. Ông đã nghiên cứu và thấy được hai góc khúc xạ và góc tới có quan hệ nhưng không xác định được giữa chúng có quan hệ như thế nào.
Trong những năm 1600, nhà toán học người Hà Lan Willebrord Snell đã thành công trong việc phát triển một quy luật định nghĩa một giá trị liên hệ với tỉ số của góc tới và góc khúc xạ, sau này được gọi là sức bẻ cong hay chiết suất của chất. Trong thực tế, một chất càng có khả năng bẻ cong hay làm khúc xạ ánh sáng, người ta nói nó có chiết suất càng lớn. Cái que trong nước trông có vẻ bị bẻ cong vì các tia sáng xuất phát từ que bị bẻ cong đột ngột tại mặt phân giới nước-không khí trước khi đi tới mắt chúng ta. Với tâm trạng chán ngán, Snell chưa bao giờ phát hiện được nguyên nhân cho hiệu ứng khúc xạ này và ông đã không công bố kết qủa của mình.
Sau đó, năm 1937 Descartes cũng đã độc lập tìm ra rằng tỉ số sin góc tới và góc khúc xạ là một hắng số như Snell đã tìm ra. Tuy Snell là người đầu tiên tìm ra định luât khúc xạ nhưng Descartes lại là người đầu tiên công bố nó.
Tiến hành thí nghiệm1 : Chiếu một chùm tia sáng song song hẹp SI (coi như một tia sáng) vào mặt phân cách giữa không khí và nước, đựng trong một bể nhỏ có thành bằng thuỷ tinh phẳng, thẳng đứng. Tia tới SI nghiêng trên mặt phân cách. Ta sẽ thấy có một phần chùm tia sáng đi xuyên vào trong nước; nhưng tại điểm tới I, tia sáng bị gẫy khúc. Trong thí nghiệm trên, ta đặt bảng gỗ vuông góc với mặt nước và thay đổi góc tới sao cho tia tới SI quét là là mặt bảng. Ta sẽ thấy tia khúc xạ IK cũng quét là là mặt bảng đó. Như vậy, tia khúc xạ và tia tới luôn luôn nằm trong cùng một mặt phẳng vuông góc với mặt phân cách. Mặt phẳng này chính là mặt phẳng tới. Nó chứa tia tới SI và pháp tuyến IN của mặt phân cách ở điểm tới.
Xem thêm: Giá Bộ Thắng Đĩa Trước Honda Bao Nhiêu? Những Điều Cần Biết Để Mua Bộ Thắng Đĩa Chất Lượng
Tiến hành thí nghiệm 2: Trên một tấm kính mờ, đặt một bản trụ D bằng chất rắn trong suốt, ví dụ bằng thủy tinh. Trên tấm kính có một vòng tròn chia độ C . Chiếu mội tia sáng SI (tới điểm I là tâm của bán trụ) là là trên mặt phẳng tấm kính , đường đi của ánh sáng có thể quan sát trên mặt phẳng này.