Thí nghiệm về hiện tượng phản xạ và khúc xạ

Khúc xạ thường được giải thích theo thuật ngữ của lý thuyết sóng ánh sáng và được dựa trên thực tế là ánh sáng đi nhanh trong một số môi trường này hơn là trong các môi trường khác.. Khi

pháp tuyến

Thí nghiệm về hiện tượng Phản xạ và Khúc xạ

Ứng dụng:

Luật phản xạ, các gương phẳng và cong, luật khúc

xạ, các hệ số khúc xạ và tán sắc.

DataStudio files: IndexOfRefraction.ds

Danh mục thiết bị

BAO GỒM

1 Nguồn sáng quang học cơ bản OS-8470

KHÔNG BAO GỒM, NHƯNG YÊU

CẦU CÓ

1 Thước đo góc

1 Thước

Phần mềm DataStudio Lite

Giới thiệu

Mục đích của bài này là khẳng định bằng thực nghiệm Định luật phản xạ, đối với các gương phẳng, lõm, và lồi Các bài cũng sẽ sử dụng Định luật Phản xạ (Định luật Snell) để xác định hệ số khúc xạ của một miếng acrylic Nguồn sáng quang học cơ bản được sử dụng để sinh ra một chùm sáng đơn

Bộ dụng cụ quang học tia bao gồm tất cả các gương và các miếng acrylic mà sẽ được sử dụng

Lý thuyết

Định luật phản xạ

Khi một tia sáng rọi vào một gương phẳng,

tia sáng phản chiếu ra khỏi gương và thay

đổi hướng đi của nó Theo quy ước, hướng

của một tia sáng được biểu diễn là góc mà

tia sáng tạo với một đường pháp tuyến

(thẳng góc) với bề mặt, như hình minh

họa

normal

angle of incidence, i

angle of reflection, r

Góc tới là góc giữa pháp tuyến và tia tới; góc phản xạ là góc giữa pháp tuyến và tia phản xạ Định luật phản xạ phát biểu rằng góc tới bằng với góc phản xạ:

r

góc tới góc phản xạ

Khúc xạ và Hệ số khúc xạ

Khúc xạ là sự làm cong đường đi của tia sáng khi nó đi xuyên từ một

vật liệu này qua một vật liệu khác Ví dụ thông thường nhất về khúc

xạ là sự làm cong ánh sáng khi nó đi từ nước đến không khí, gây ra

các vật ngập chìm hiện ra thay thế từ các vị trí thực của chúng

Khúc xạ thường được giải thích theo thuật ngữ của lý thuyết sóng

ánh sáng và được dựa trên thực tế là ánh sáng đi nhanh trong một số

môi trường này hơn là trong các môi trường khác Khi một tia sáng

đi xuyên qua không khí rọi vào bề mặt của một miếng thủy tinh với

một góc, một bên của mặt trước sóng đi vào thủy tinh trước bên kia

và nó làm chậm lại, trong khi bên kia tiếp tục di chuyển với vận tốc

ban đầu của nó cho đến khi nó cũng đi đến cốc thủy tinh Kết quả là,

tia sáng uốn cong bên trong cốc

Tia ban đầu được gọi là tia tới; tia uốn cong được gọi là tia khúc xạ Các hướng của chúng được xác định bằng góc với pháp tuyến, như hình minh họa

Vận tốc tại một môi trường trong suốt đã cho truyền các sóng ánh sáng có liên quan đến mật độ quang của nó (không được nhầm lẫn với mật độ khối lượng) Các vật liệu được phân loại bởi hệ số

khúc xạ của chúng Hệ số khúc xạ, n, của một môi trường trong suốt là tỷ số của vận tốc ánh sáng trong chân không, c, với vận tốc ánh sáng trong môi trường:

[Pt 2 Xác định hệ số khúc xạ]

Nói chung, một tia bị khúc xạ theo hướng pháp tuyến khi nó đi vào một môi trường đặc hơn và hướng ra từ pháp tuyến khi nó đi vào một môi trường ít đặc hơn, như hình minh họa

incident ray

refracted ray

original path

angle of refraction, r

angle of incidence, i

normal

denser medium

incident ray

refracted ray original path

angle of refraction, r

angle of incidence, i

normal

denser medium

v c

n 

Định luật Khúc xạ (Định luật Snell)

Định luật khúc xạ có liên hệ góc tới với góc khúc xạ Định luật được công nhận cho Willebrord Snell

và phát biểu rằng tỉ số của sin góc tới với sin góc khúc xạ, r, bằng với tỉ số của vận tốc ánh sáng

trong môi trường ban đầu, v i , với vận tốc ánh sáng trong môi trường khúc xạ, v r Định luật Snell được phát biểu thông thường hơn theo thuật ngữ các hệ số khúc xạ của môi trường tới và môi trường khúc xạ, hơn là các vận tốc ánh sáng trong các môi trường:

i

r r

i

n

n



 sin

sin



hoặc

r r i

Trong thí nghiệm này, hai môi trường khác nhau sẽ là không khí và acrylic Hệ số khúc xạ của không khí hơi lớn hơn 1, là hệ số khúc xạ của chân không, theo định nghĩa Đối với tất cả các tính toán của thí nghiệm này, hệ số khúc xạ của không khí sẽ được tính là n air 1 Định luật Snell đối

với mặt phân cách không khí-acrylic khi đó trở thành:

1.0sinair n acrylicsinacrylic Các góc air và acrylic sẽ dược đo và các giá trị của sinair sẽ được vẽ đồ thị đối với các giá trị của acrylic



sin Đồ thị sẽ là tuyến tính, và độ nghiêng của đường thẳng là hệ số khúc xạ của acrylic:

x m

y

n acrylic acrylic

air









sin

Tán sắc

Ánh sáng trắng bình thường là sự chồng các sóng với các bước sóng mở rộng qua phổ nhìn thấy được (từ đỏ đến tím) Vận tốc ánh sáng trong chân không cũng giống như đối với tất cả các màu của ánh sáng, nhưng vận tốc trong một vật liệu là khác đối với các bước sóng khác nhau Vì thế, hệ số khúc xạ của một vật liệu phụ thuộc vào bước sóng (màu) của ánh sáng mà đi xuyên qua vật liệu ấy,

và là một đặc tính của ánh sáng tới cũng như là một đặc tính của vật liệu Nếu một chùm tia sáng có chứa nhiều hơn một màu của ánh sáng, mỗi màu sẽ khúc xạ bởi một lượng khác nhau và mỗi mầu sẽ

đi ra khỏi vật liệu di chuyển theo một hướng khác Hiện tượng này gọi là sự tán sắc: sự chia tách của một chùm tia sáng thành các màu thành phần của nó bởi khúc xạ Khi ánh sáng trắng bình thường đi xuyên qua một vật liệu, sự tán sắc được quan sát thấy như là một cầu vồng lộ ra ở đầu kia

QUI TRÌNH A: Ánh sáng hắt ra từ một Gương phẳng

các tia sáng tốt hơn.

1. In m t b n sao c a trang Báo cáo thí nghi m mà có m u gủa trang Báo cáo thí nghiệm mà có mẫu gương phẳng "Flat Mirror ệm mà có mẫu gương phẳng "Flat Mirror ẫu gương phẳng "Flat Mirror ương phẳng "Flat Mirror ng ph ng "Flat Mirror ẳng "Flat Mirror Template" (trang 8) và đ t nó lên bàn Đ t c nh ph ng c a gặt nó lên bàn Đặt cạnh phẳng của gương ba mặt áp vào ặt nó lên bàn Đặt cạnh phẳng của gương ba mặt áp vào ạnh phẳng của gương ba mặt áp vào ẳng "Flat Mirror ủa trang Báo cáo thí nghiệm mà có mẫu gương phẳng "Flat Mirror ương phẳng "Flat Mirror ng ba m t áp vào ặt nó lên bàn Đặt cạnh phẳng của gương ba mặt áp vào hình minh h a.ọa

2. Đặt Nguồn sáng quang học cơ bản bằng phẳng trên tờ giấy Xoay núm để sinh ra một tia sáng đơn Chiếu tia dọc theo tia tới được minh họa

3. Dùng một thước kẻ để vạch ra tia phản xạ Vẽ một mũi tên trên tia để minh họa hướng đi của nó

4. Dùng thước đo góc để đo góc phản xạ, giữa đường pháp tuyến và tia phản xạ

5. Làm lại cho một tia tới có góc tới lớn hơn 45° Kẻ theo vạch cả hai tia tới và tia phản xạ

 Bảo đảm bạn luôn luôn chiếu ánh sáng vào cùng một điểm trên gương

 Dùng các bút chì màu khác nhau, nếu có sẵn, để phân biệt các lần thử nghiệm

6. Làm lại cho một tia tới có góc tới nhỏ hơn 45° Kẻ theo vạch cả hai tia tới và tia phản xạ

7. Tổng kết phép đo của bạn trong bảng số liệu

QUI TRÌNH B: Ánh sáng hắt ra từ một Gương lõm

1. In một bản copy trang Báo cáo thí nghiệm mà có mẫu gương lõm "Concave Mirror Template" (trang 9) và đặt nó lên bàn Đặt cạnh lõm của gương ba mặt áp vào hình minh họa

8. Lặp lại quá trình chiếu một tia tới và kẻ theo vạch tia phản xạ đối vói ba góc tới khác nhau

 Đảm bảo bạn luôn luôn chiếu ánh sáng vào cùng một điểm trên gương

9. Đo các tia tới và tia phản xạ và tổng kết các phép đo của bạn vào trong bảng số liệu

QUI TRÌNH C: Ánh sáng hắt ra từ một Gương lồi

1. In một bản copy trang Báo cáo thí nghiệm mà có mẫu gương lồi "Convex Mirror Template" (trang 10) và đặt nó lên bàn Đặt cạnh lồi của gương ba mặt áp vào hình minh họa

10. Lặp lại quá trình chiếu một tia tới và kẻ theo vạch tia phản xạ đối vói ba góc tới khác nhau

 Đảm bảo bạn luôn luôn chiếu ánh sáng vào cùng một điểm trên gương

11. Đo các tia tới và tia phản xạ và tổng kết các phép đo của bạn vào trong bảng số liệu

QUI TRÌNH D: Sự làm cong ánh sáng bằng Khúc xạ

1. In một bản copy của trang Báo cáo thí nghiệm mà

có mẫu hình thang "Acrylic Rhomboid Template"

(trang 11) và đặt nó lên bàn Đặt miếng hình thang

acrylic lên trên hình minh họa

2. Đặt nguồn sáng quang học cơ bản lên tờ giấy và

chiếu một tia sáng đơn dọc theo tia tới được minh

họa

3. K theo v ch tia mà ló ra t i m t kia c a ẻ theo vạch tia mà ló ra tại mặt kia của ạnh phẳng của gương ba mặt áp vào ạnh phẳng của gương ba mặt áp vào ặt nó lên bàn Đặt cạnh phẳng của gương ba mặt áp vào ủa trang Báo cáo thí nghiệm mà có mẫu gương phẳng "Flat Mirror

acrylic

4. Lấy miếng acrylic ra và nối hai tia để chỉ ra đường

đi mà ánh sáng đi theo khi ở bên trong acrylic

5. Vẽ mũi tên trên các tia để minh họa hướng đi

6. Phân tích mặt được ký hiệu ‘Mặt phân cách 1’: Đây

là đây là sự làm cong ánh sáng thứ nhất, khi nó đi từ

không khí vào acrylic

 Dùng thước đo góc để đo góc khúc xạ mà tia

sáng làm với đường pháp tuyến tại mặt phân

cách này Ghi nó vào Bảng số liệu

7. Phân tích mặt được ký hiệu ‘Mặt phân cách 2’: Đây là sự làm cong ánh sáng thứ hai, khi nó đi

từ bên trong acrylic quay trở lại vào không khí

 Tại điểm mà tia sáng thoát ra acrylic, dùng thước đo góc để vạch đường pháp tuyến với

bề mặt tại điểm đó Kéo dài đường đó đến bên trong của acrylic

 Dùng thước đo góc để đo các góc tới và góc khúc xạ đối với đường pháp tuyến tại mặt phân cách Ghi chúng vào trong Bảng số liệu

8. Làm lại quá trình đối với một góc tới ban đầu lớn hơn 45° và sau đó đối với một góc tới ban đầu nhỏ hơn 45°

 Tốt nhất là in một mẫu mới cho mỗi thí nghiệm Dùng mẫu có sẵn Mẫu hình thang phụ

‘Extra Rhomboid Template’ cho những lần làm lại

 Dùng các bút chì màu khác nhau, nếu có sẵn, để phân biệt các lần thí nghiệm nếu làm tất

cả trong cùng một bản mẫu

9 Mở file DataStudio: Index of Refraction.ds.

10. Nhập các giá trị cho các góc trong không khí và các góc trong acrylic vào trong các bảng số liệu Lưu ý rằng không thành vấn đề nếu không khí hay acrylic là tới của mặt khúc xạ Chỉ cần nhớ rằng bạn nhập chúng vào đúng bảng: trong không khí ‘In AIR’ hoặc trong Acrylic ‘In ACRYLIC’

11. Chương trình phần mềm sẽ tính toán sin của các góc và sẽ tự động vẽ đồ thị sin đối vớiair

acrylic

sin Nhấn vào nút ‘Fit’ trên thanh công cụ đồ thị và chọn để làm một đường nối thẳng

‘Linear fit’ của dữ liệu

12. Độ nghiêng của đồ thị, m, sẽ được cho thấy trong một hộp Ghi giá trị độ nghiêng như giá trị

tính toán của bạn về hệ số khúc xạ của acrylic

QUI TRÌNH E: Quan sát tán sắc

Lưu ý: Phòng cần phải rất tối để cho các kết quả tốt nhất.

1. In một bản copy của trang Báo cáo thí nghiệm mà có mẫu thiết lập tán sắc "Dispersion Setup Template" và đặt nó lên bàn Đặt miếng hình thang acrylic lên trên hình minh họa

12. Đặt nguồn sáng quang học cơ bản trên giấy và và chiếu một tia sáng dọc theo tia tới được minh họa

13. Cẩn thận đánh dấu điểm mà tại đó tia thoát ra khỏi hình thang

14. Tia mà ló ra khỏi hình thang tại ‘Bề mặt tán sắc’ sẽ cho thấy sự tán sắc các màu từ đỏ đến tím (bạn hầu như sẽ nhìn thấy rõ nhất đỏ-đến-xanh, vì mắt bạn không nhạy lắm với màu tím)

 Cẩn thận vẽ một tia đi theo đường của ánh sáng màu đỏ, từ điểm đi ra đến mép của trang giấy Ký hiệu nó “Màu đỏ.”

 Cẩn thận vẽ một tia đi theo đường của ánh sáng màu xanh, từ điểm đi ra đến mép của trang giấy Ký hiệu tia này “Màu xanh.”

15. Lấy miếng acrylic ra và đánh dấu đường đi mà ánh sáng đi theo bên trong acrylic

16. Phân tích bề mặt tán sắc:

 Tại điểm thoát ra, dùng một thước đo góc để vẽ một đường pháp tuyến với bề mặt tán sắc

và mở rộng nó đến cả hai phía của bề mặt

 Đo góc mà ánh sáng đi bên trong acrylic tạo với pháp tuyến Đây sẽ là tia tới Ghi lại góc tới vào trong bảng số liệu

 Đo góc mà ánh sáng màu đỏ bị khúc xạ tạo với pháp tuyến Ghi lại góc vào trong bảng số liệu

 Đo góc mà ánh sáng màu xanh bị khúc xạ tạo với pháp tuyến Ghi lại góc vào trong bảng

số liệu

13. Sử dụng Định luật Snell (Pt 3) và n air 1 để tính hệ số khúc xạ của acrylic đối với ánh sáng

đỏ và đối với ánh sáng xanh Nhập các kết quả vào trong bảng

Báo cáo thí nghiệm: Phản xạ và Khúc xạ

Tên:

SỐ LIỆU QUI TRÌNH A:

Ánh sáng hắt ra từ một gương phẳng

GƯƠNG PHẲNG Góc tới

i



Góc phản xạ

r

 45°

Mẫu gương phẳng

45°

Flat Mirror Template

SỐ LIỆU QUI TRÌNH B:

Ánh sáng hắt ra từ một gương lõm

GƯƠNG LÕM

Mẫu gương lõm

Reflected rays

45°

Incident rays

Concave Mirror Template

SỐ LIỆU QUI TRÌNH C:

Ánh sáng hắt ra từ một gương lồi

GƯƠNG LỖI Góc tới

i



Góc phản xạ

r

 45°

Các tia phản xạ Các tia tới

Mẫu gương lồi

Reflected rays

45°

Incident rays

Convex Mirror Template

SỐ LIỆU QUI TRÌNH D:

Sự làm cong ánh sáng bằng Khúc xạ

KHÚC XẠ

MẶT PHÂN CÁCH 1 — Từ không khí vào acrylic MẶT PHÂN CÁCH 2 — Từ acrylic vào không khí

Mẫu hình thang Acrylic

tới trong không khí

Mặt phân cách 1

khúc xạ trong acrylic

tới trong acrylic

Mặt phân cách 2

khúc xạ trong không khí

Interface 1

45°

Acrylic Rhomboid Template

incident in air refracted in acrylic

Interface 2

incident in acrylic refracted in air

Extra Rhomboid Template:

Mẫu hình thang bổ sung:

tới trong không khí

Mặt phân cách 1

khúc xạ trong acrylic

tới trong acrylic

Mặt phân cách 2

khúc xạ trong không khí

Interface 1

incident in air refracted in acrylic

Interface 2

incident in acrylic refracted in air

SỐ LIỆU QUI TRÌNH E: Quan sát sự tán sắc

TÁN SẮC Tại bề mặt tán sắc

(Ánh sáng đi từ acrylic và không khí.) Hệ số khúc xạ của Acrylic

Góc tới

acrylic



Góc khúc xạ (trong không khí)

Bề mặt tới

Bề mặt tán sắc

Mẫu thiết lập tán sắc

Dispersion Setup Template

Dispersion interface Incident

interface

1 Theo Định luật Phản xạ, góc tới và góc phản xạ phải như nhau Trình bày: Thí nghiệm của bạn

cho thấy điều này như thế nào? Có thành vấn đề không nếu bề mặt phản xạ là phẳng hoặc bị cong? Tại sao?

2 Những nguồn không ổn định trên thí nghiệm đối với phần thí nghiệm này là gì?

CÂU HỎI QUI TRÌNH D: Sự làm cong ánh sáng bởi Khúc xạ

1 Tính vận tốc tại đó ánh sáng đi bên trong acrylic.

2 Nhìn vào mặt phân cách 1: Khi đi từ không khí vào acrylic, tia khúc xạ có bị uốn về phía hay rời

xa khỏi đường pháp tuyến không?

3 Nhìn vào mặt phân cách 2: Khi đi từ acrylic vào không khí, tia khúc xạ có bị uốn về phía hay rời

xa khỏi đường pháp tuyến không?

CÂU HỎI QUI TRÌNH E: Quan sát Tán xạ

Lưu ý: Ánh sáng đỏ là tấn số thấp, cuối bước sóng dài của phổ nhìn thấy được So với ánh sáng

xanh, có tấn số cao hơn và bước sóng ngắn hơn

1 Tính vận tốc tại đó ánh sáng màu đỏ đi xuyên qua acrylic.

2 Tính vận tốc tại đó ánh sáng màu xanh đi xuyên qua acrylic.

3 Cái nào bị uốn cong hơn về phía pháp tuyến, ánh sáng màu đỏ hay ánh sáng màu xanh?

4 Đối với màu ánh sáng nào thì hệ số khúc xạ cao hơn, đối với ánh sáng màu đỏ hay ánh sáng màu

xanh?

5 So sánh các hệ số khúc xạ của ánh sáng màu đỏ và xanh với hệ số khúc xạ của acrylic tính toán

được trong Qui trình D, tán xạ không được tính toán đến ở đâu

6 Kết luận:

 Tần số ánh sáng càng cao, thì vận tốc xuyên qua môi trường càng

 Tần số ánh sáng càng cao, thì hệ số khúc xạ của môi trường càng

 Chùm tia sáng đi xuyên qua một môi trường càng nhanh hơn, thì hệ số khúc xạ càng