Chiết suất của một số môi trường

Khái niệm: Phản xạ toàn phần là hiện tượng phản xạ toàn bộ tia sáng tới, xảy ra ở mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt.

Khi có phản xạ toàn phần thì không còn tia khúc xạ.

Chú thích: 

$i_{gh}$: góc giới hạn của phản xạ toàn phần 

$n_1$: chiết suất của môi trường (1) chứa tia tới 

$n_2$: chiết suất của môi trường (2) chứa tia khúc xạ

Ứng dụng của hiện tượng phản xạ toàn phần:

- Hiện tượng phản xạ toàn phần được ứng dụng làm cáp quang dùng truyền thông tin và nội soi trong y học.

+ Cáp quang: Là bó sợi quang.

+ Sợi quang: Cấu tạo: Gồm 2 phần chính.

$·$ Phần lõi: Bằng thủy tinh hoặc chất dẻo trong suốt có chiết suất $n_1$.

$·$ Phần vỏ bao quanh có chiết suất $n_2 (n_2<n_1)$.

- Ưu điểm của cáp quang:

+ Truyền được dung lượng tín hiệu lớn, nhỏ, nhẹ dễ vận chuyển và dễ uốn.

+ Ít bị nhiễu bởi trường điện từ ngoài, bảo mật tốt.

Điều kiện có phản xạ toàn phần

a/Phát biểu: Để có phản xạ toàn phần thì phải thỏa mãn được hai điều kiện.

- Ánh sáng truyền từ một môi trường tới môi trường chiết quang kém hơn.

- Góc tới lớn hơn hoặc bằng góc giới hạn.

b/Điều kiện: $\left\{\begin{array}{l}{n}_1>n_2\\ i\ge i_{gh}\end{array}\right.$

Chú thích

$n_1$: chiết suất môi trường tới (1)

$n_2$: chiết suất của môi trường lúc sau (2)  ( ánh sáng được truyền ánh sáng từ môi trường truyền (1) )

$i$: góc tới

$i_{gh}$: góc giới hạn của phản xạ toàn phần

c/Ứng dụng: cáp quang dùng trong truyền thông tin liên lạc, ống nội soi dùng trong y tế, ...

Khái niệm: Lăng kính là một khối chất trong suốt, đồng chất (thủy tinh, nhựa,...), thường có dạng lăng trụ tam giác.

Các phần tử của lăng kính gồm: cạnh, đáy, hai mặt bên.

Về phương diện quang học, một lăng kính được đặc trưng bởi:

- Góc chiết quang $A$.

- Chiết suất $n$.

Chú thích: 

$i_1$: góc tới; $r_1$: góc khúc xạ của $i_1$

$i_2$: góc ló; $r_2$: góc khúc xạ của $i_1$

$n$: chiết suất

Lưu ý:

Trong trường hợp góc nhỏ thì: $\sin i\approx i$, $\sin r\approx r$.

Do đó: $i_1=n{r}_1$ và $i_2=n{r}_2$

Khái niệm: Góc tạo bởi tia ló và tia tới gọi là góc lệch $D$ của tia sáng khi truyền qua lăng kính.

Chú thích:

$D$: góc lệch

$i_1$: tia tới; $i_2$: tia ló

$A$: góc chiết quang

Chú thích:

$n$: chiết suất của chất làm thấu kính

$n\text{'}$: chiết suất của môi trường đặt thấu kính

$R_{1, }{R}_2$: bán kính hai mặt của thấu kính

Quy ước:

$R>0$: mặt lõm

$R<0$: mặt lồi

$R=\infty$: mặt phẳng

Công thức lăng kính:

$$\begin{gathered} \sin \left(i\right)=n\sin \left(r\right) \\ \sin \left(i\text{'}\right)=n\sin \left(r\text{'}\right) \\ r+r\text{'}=A \\ D=i+i\text{'}-A=i-A+arc\sin \left(n\sin \left(A-arc\sin \left(\frac{\sin \left(i\right)}{n}\right)\right)\right) \end{gathered}$$

Với n là chiết suất của môi trường với ánh sáng đó

Khi góc nhỏ : $D=\left(n-1\right)A$

Công thức lăng kính:

$$\begin{gathered} \sin \left(i\right)=n\sin \left(r\right) \\ \sin \left(i\text{'}\right)=n\sin \left(r\text{'}\right) \\ r+r\text{'}=A \\ D=i+i\text{'}-A=i-A+arc\sin \left(n\sin \left(A-arc\sin \left(\frac{\sin \left(i\right)}{n}\right)\right)\right) \end{gathered}$$

góc nhỏ : 

$$\begin{gathered} i=nr , i\text{'}=nr\text{'} \\ D=\left(n-1\right)A \end{gathered}$$

Với n là chiết suất của môi trường với ánh sáng đó

$∆D=D_{tím}-D_{đỏ}=\left(n_{tím}-n_{đỏ}\right)A$

Bước 1: Xác định góc $r\text{'}$ của ánh sáng có chiết suất n trong lăng kính

Bước 2 : Xác định góc giới hạn của ánh sáng chiết suất n 

$i_{gh}$với ánh sáng có chiết suất n $i_{gh}=arc\sin \left(\frac{1}{n}\right)$

$r\text{'}<i_{gh}$ : Ánh sáng n bị ló

$r\text{'}>i_{gh}$: Ánh sáng n bị ló ra ngoài

$r\text{'}=i_{gh}$: Tia ló đi theo mặt phân cách

Bước 3: So sánh chiết suất của các màu

$n_{tím}>...>n>...>n_{đỏ}$

$\Rightarrow {i_{gh}}_{tím}<...<i_{gh}<...<{i_{gh}}_{đỏ}$

Ánh sáng có chiết suất từ : $n_{tím}\to n$ sẽ bị phản xạ

Ánh sáng có chiết suất từ : $n\to n_{đỏ}$ sẽ bị ló

Khi góc lệch đạt cực tiểu : $r=r\text{'}=\frac{A}{2}$.$i=i\text{'}$.$D=2i-A$

$i=arc\sin \left(n\sin \frac{A}{2}\right)$

Gỉa sử ban đầu ánh sáng $n_1$ chiếu qua lăng kính. ta phải quay lăng kính như thế nào để ánh sáng $n_2$ có góc lệch cực tiểu

Để ánh sáng $n_2$ có góc lệch cực tiểu và giữ hướng tia tới

$i_2=arc\sin \left(n_2\sin \frac{A}{2}\right)$

Khi $i_2>i_1$ : thì lăng kính quay sang phải 

Khi $i_2<i_1$: thì lăng kính quay sang trái

Với góc quay: $\alpha =\left|i_2-i_1\right|=\left|arc\sin \left(n_2\sin \frac{A}{2}\right)-i_1\right|$

Trong trường hợp ban đầu ánh sáng $n_1$ đạt cực tiểu

$\alpha =\left|i_2-i_1\right|=\left|arc\sin \left(n_2\sin \frac{A}{2}\right)-arc\sin \left(n_1\sin \frac{A}{2}\right)\right|$

Khi góc nhỏ :

$$\begin{gathered} D_{đỏ}=\left(n_{đỏ}-1\right)A \\ {D}_{tím}=\left(n_{tím}-1\right)A \end{gathered}$$

Khi đó bề rộng quang phổ trên màn:

$\sin \left(x\right)\approx \tan \left(x\right)\approx x$

$∆x=h\left(\tan \left(D_{tìm}\right)-\tan \left(D_{đỏ}\right)\right)=h.A\left(n_{tím}-n_{đỏ}\right)$

 Do $n_{tím}>n_{đỏ}$nên nếu tia màu đỏ bị phản xạ thì các tia còn lại cũng đều bị phản xạ.

Xét $i_{g{h}_{đỏ}}=arc\sin \left(\frac{1}{n_{đỏ}}\right)$ để xr phản xạ : $r{\text{'}}_{đỏ}=arc\sin \left(\frac{1}{n_{đỏ}}\right)$

Mà 

$$\begin{gathered} r+r\text{'}=A \\ \Rightarrow r_{đỏ}=A-r{\text{'}}_{đỏ}<A-arc\sin \left(\frac{1}{n_{đỏ}}\right) \end{gathered}$$

Và 

$$\begin{gathered} \left\{\begin{array}{l}{r}_{đỏ}<A-arc\sin \left(\frac{1}{n_{đỏ}}\right)\\ \sin \left(i\right)=n_{đỏ}\sin \left(r_{đỏ}\right)\end{array}\right. \\ \Rightarrow i<arc\sin \left(n_{đỏ}\sin \left(A-arc\sin \left(\frac{1}{n_{đỏ}}\right)\right)\right) \end{gathered}$$

Trong công thức ta dùng radian

Mở rộng nếu chùm sáng có những chiết suất bất kì ta chọn ánh sáng có chiết suất thấp nhất.

Chứng minh ta có : $n_{đỏ}<...<n_{tím}$ $\Rightarrow i_{g{h}_{đỏ}}>..>i_{g{h}_{tím}}$

Vậy ánh sáng sẽ bị phản xạ hết $i>i_{g{h}_{đỏ}}$

Khi ánh sáng đi từ môi trường kk vào môi trường n:

Theo định luật khúc xạ ta có : $\left\{\begin{array}{l}\sin \left(i\right)=n_1\sin \left(r_1\right)\\ \sin \left(i\right)=n_2\sin \left(r_2\right)\end{array}\right.$

Gỉa sử $n_2>n_1$

Khi đó góc lệch : $∆D=r_1-r_2$

Khi tìm giữa góc lệch tia đỏ và tia tím :

$∆D=r_{đỏ}-r_{tím}=arc\sin \left(\frac{\sin \left(i\right)}{n_{đỏ}}\right)-arc\sin \left(\frac{\sin \left(i\right)}{n_{tím}}\right)$

Nếu ban đầu $i=0 thì ∆D=0$ ánh sáng không bị tách.

Khi ánh sáng đi từ môi trường n ra không khí:

Th1 : $i<arc\sin \left(\frac{1}{n_{tím}}\right)$

Theo định luật khúc xạ ta có : $\left\{\begin{array}{l}{n}_{đỏ}\sin \left(i\right)=\sin \left(r_{đỏ}\right)\\ n_{tím}\sin \left(i\right)=\sin \left(r_{tím}\right)\end{array}\right.$

Khi đó góc lệch : $∆D=r_2-r_1$

Khi tìm giữa góc lệch tia đỏ và tia tím :

$∆D=r_{tím}-r_{đỏ}=arc\sin \left(n_{tím}\sin \left(i\right)\right)-arc\sin \left(n_{đỏ}\sin \left(i\right)\right)$

Nếu ban đầu $i=0 thì ∆D=0$ ánh sáng không bị tách.

Trường hợp tia bị phản xạ : $i>arc\sin \left(\frac{1}{n_{tím}}\right)$

Tia tím bị phản xạ toàn phần

$∆D=\frac{\mathrm{\pi }}{2}-i+r_{đỏ}=\frac{\mathrm{\pi }}{2}-i+arc\sin \left(n_{đỏ}\sin \left(i\right)\right)$

Trường hợp tia bị phản xạ : $i=arc\sin \left(\frac{1}{n_{tím}}\right)$

Lúc này tia tím nằm trên mpc

$∆D=\frac{\mathrm{\pi }}{2}-i-r_{đỏ}=\frac{\mathrm{\pi }}{2}-i-arc\sin \left(n_{đỏ}\sin \left(i\right)\right)$

Ban đầu cho góc tới i và chiết suất của các ánh sáng đơn sắc :$n_1 ; n_2;n_3$

Xác định chiết suất của ánh sáng bị phản xạ với góc tới i

$$\begin{gathered} \sin \left(i_{gh}\right)=\sin \left(i\right)=\frac{1}{n} \\ \Rightarrow n=\frac{1}{\sin \left(i\right)} \end{gathered}$$

Khi có ánh sáng đơn sắc 

$$\begin{gathered} n_1>n \\ \Rightarrow i_{g{h}_1}<i_{gh} \end{gathered}$$

Khi đó ánh sáng $n_1$ bị phản xạ

Khi có ánh sáng đơn sắc 

$$\begin{gathered} n_2<n \\ \Rightarrow i_{g{h}_2}>i_{gh} \end{gathered}$$

Khi đó ánh sáng $n_2$ bị ló

Gỉa sử ánh sáng ở mặt phân cách có chiết suất n:

$i_{gh }=arc\sin \left(\frac{1}{n}\right)$

Ta lại có : $n_{đỏ}<n<n_{tím}$

$\Rightarrow i_{g{h}_{đỏ}}>i_{gh}>i_{g{h}_{tím}}$

Vậy ánh sáng có chiết suất từ n đến $n_{tím}$ bị phản xạ

ánh sáng có chiết suất từ $n_{đỏ}$ đến trước ánh sáng n  bị phản xạ

Bản mỏng có bề dày e , ta chiếu ánh sáng tới với góc i:

Chiều dài quang phổ ở đáy dưới bản mỏng:

$∆x=e\left(\tan \left(r_{đỏ}\right)-\tan \left(r_{tím}\right)\right)$

Khoảng cách giữa hai tia :

$$\begin{gathered} sin\left(\alpha \right)=\frac{d}{∆x} \\ \Rightarrow d=e\left(\tan \left(r_{đỏ}\right)-\tan \left(r_{tím}\right)\right).\cos \left(i\right) \end{gathered}$$

$i\text{'}=\frac{\lambda \text{'}D}{a}=\frac{i}{n}=\frac{\lambda D}{an}$

Với $i\text{'}$ : Khoảng vân của hệ trong môi trường chiết suất n $\left(mm\right)$

      $\lambda \text{'}$ : Bước sóng của ánh sáng trong môi trường chiết suất n $\left(\mu m\right)$

       $a$ : Khoảng cách giữa hai khe $\left(mm\right)$

     $\lambda$ : Bước sóng của ánh sáng trong môi trường không khí $\left(\mu m\right)$

     n : Chiết suất của môi trường 

     D: Khoảng cách từ màn đến màn chứa khe

Kết luận khoảng vân nhỏ đi n lần hệ vân bị thu hẹp

Toàn bộ hệ vân sẽ dịch chuyển về phía đặt bản mỏng 1 đoạn:

$∆x=\frac{\left(n-1\right)eD}{a}$

Với $∆x$ : độ dịch chuyển khoảng vân trung tâm $\left(mm\right)$

       n : Chiết suất của bản mỏng 

        e: Bề dày bản mỏng $\left(\mu m\right)$

       D: Khoảng cách từ màn đến màn chứa khe $\left(m\right)$

       a: Khoảng cách giữa hai khe $\left(mm\right)$

Tại mặt phân cách : $$\begin{gathered} \sin \left(i\right)=n_{đỏ}\sin \left(r_{đỏ}\right)\Rightarrow r_{đỏ}=arc\sin \left(\frac{\sin \left(i\right)}{n_{đỏ}}\right) \\ \sin \left(i\right)=n_{tím}\sin \left(r_{tím}\right)\Rightarrow r_{tím}=arc\sin \left(\frac{\sin \left(i\right)}{n_{tím}}\right) \end{gathered}$$

Góc lệch giữa tia phản xạ và tia khúc xạ $D=180°-i-r (D<180°)$

Định luật khúc xạ ánh sáng

$$\begin{gathered} \frac{\sin i}{\sin r}=\frac{n_2}{n_1} \\ \iff \frac{\sin i}{\sin \left(180°-i-D\right)}=\frac{n_2}{n_1} \\ \iff \frac{\sin i}{\sin \left(i+D\right)}=\frac{n_2}{n_1} \end{gathered}$$

Khi $D=90°$

$$\begin{gathered} \frac{\sin i}{\cos i}=\frac{n_2}{n_1} \\ \iff \tan i=\frac{n_2}{n_1} \end{gathered}$$

Góc lệch giữa tia tới và tia khúc xạ $D=\left|i-r\right| \left(D<90°\right)$

Bước 1: Kiểm tra $n_1,n_2$

Khi $n_1>n_2 :D=r-i$

Khi $n_1<n_2 : D=i-r$

Theo định luật khúc xạ

$$\begin{gathered} \frac{\sin i}{\sin r}=\frac{n_2}{n_1} \\ \iff \frac{\sin i}{\sin \left(i\pm D\right)}=\frac{n_2}{n_1} \end{gathered}$$

Xét ánh sáng chiếu với góc tới i 

+ Khi cột bằng chiều cao bể $h=l$

   $\tan r=\frac{L}{h}=\frac{S\text{'}H}{OH}$

+ Khi cột cao hơn chiều cao bể $h<l$

  Sẽ tạo thành bóng trên mặt nước $L_1$ và bóng dưới mặt nước $L_2$

  $L_1=\left(l-h\right).\tan i$ 

  $L_2=L_1+h\tan r=\left(l-h\right)\tan i+h\tan r$

Với $\sin r=\frac{n_1}{n_2}\sin i$

Độ rộng chùm tia trong môi trường 1:

$d=IJ.\cos i$

Độ rộng chùm tia trong môi trường 2:

$$\begin{gathered} \cos r=\frac{d\text{'}}{IJ} \\ \Rightarrow d\text{'}=IJ\cos r \end{gathered}$$

Mà 

$$\begin{gathered} \cos r=\sqrt{1-{\sin }^{2}r} \\ \cos i=\sqrt{1-{\sin }^{2}i} \end{gathered}$$

$d\text{'}=d.\frac{\cos r}{\cos i}=d\frac{\sqrt{1-{\sin }^{2}r}}{\sqrt{1-{\sin }^{2}i}}=d\frac{\sqrt{1-{\left(n_{12}\sin i\right)}^2}}{\sqrt{1-{\sin }^{2}i}}$

Với $n_{12}=\frac{n_1}{n_2}$

Góc lệch cực tiểu $D_{min}$ khi $i_1=i_2$ ,$r_1=r_2=\frac{A}{2}$

$D_{min}=2i-A$

$\sin \left(\frac{D_{min}+A}{2}\right)=n\sin \left(\frac{A}{2}\right)$