phân tích chương trình vật lý phổ thông phần quang hinh học

Do đó, quang hình học là các kết quả gần đúng của các phương trình Maxwellkhi bước sóng của ánh sáng nhỏ hơn nhiều so với các vật thể mà sóng gặp phải.” [1] “Quang hình học là một phương

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

Học phần:

NGHIÊN CỨU CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝPHỔ THÔNG

Nội dung báo cáo: PHẦN QUANG HÌNH HỌC

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: PGS TS LÊ CÔNG TRIÊM

NHÓM XI: NGUYỄN HUY CƯỜNG

CHÂU THỊ BÍCH NGỌC

LÊ THỊ DIỄM MY

CHUYÊN NGÀNH: LL&PP DẠY HỌC VẬT LÝ K24

Huế, tháng 3 năm 2016

MỤC LỤC Trang

A Mở đầu………4

B Nội dung……… 5

1 Các khái niệm cơ bản của quang hình học……… 5

1.1 Nguồn sáng Vật sáng Điểm sáng……… 5

1.2 Tia sáng và chùm tia sáng……… 5

1.3 Ảnh thật và ảnh ảo Vật thật vật ảo ……… ……5

1.4 Môi trường quang học………6

1.4.1 Môi trường trong suốt……….6

1.4.2 Môi trường đồng tính và không đồng tính……… 6

1.4.3 Môi trường đẳng hướng và không đẳng hướng……… 6

2 Các định luật cơ bản của quang hình học………6

2.1 Định luật về sự truyền thẳng của ánh sáng………6

2.2 Định luật về tác dụng độc lập của ảnh sáng……… 7

2.3 Định luật phản xạ ánh sáng……… 7

2.3.1 Hiện tượng phản xạ ánh sáng……… 7

2.3.2 Định luật phản xạ ánh sáng……….7

2.3.3 Nguyên lí Huyghens với hiện tượng phản xạ ánh sáng……… 7

2.4 Định luật khúc xạ ánh sáng……… 9

2.4.1 Hiện tượng khúc xạ ánh sáng……… 9

2.4.2 Định luật khúc xạ ánh sáng……….9

2.4.3 Chiết suất của môi trường……….12

2.4.3.1 Chiết suất tuyệt đối……… 12

2.4.3.2 Chiết suất tỉ đối………12

2.4.3.3 Hệ thức liên hệ giữa chiết suất tuyệt đối và chiết suất tỉ đối………… 13

2.4.3.4 Đặc điểm của chiết suất môi trường………13

2.4.4 Hiện tượng phản xạ toàn phần……… 14

2.4.4.1 Sự truyền ánh sáng vào môi trường chiết quang hơn……… 14

2.4.4.2 Sự truyền ánh sáng vào môi trường chiết quang kém hơn……… 15

2.4.4.3 Hiện tượng phản xạ toàn phần……….16

2.4.4.4 Ứng dụng của hiện tượng phản xạ toàn phần……… 16

3 Sự tạo ảnh của vật……… 18

3.1 Ảnh của vật qua gương phẳng……… 18

3.1.1 Gương phẳng……….18

3.1.2 Ảnh của vật qua gương phẳng……… 18

3.2 Ảnh của vật qua gương cầu……… 19

3.2.1 Gương cầu……….19

3.2.2 Cách vẽ ảnh của một điểm tạo bởi gương cầu……… 20

3.2.3 Tính chất của ảnh tạo bởi gương cầu………20

3.2.3.1 Gương cầu lõm……… 20

3.2.3.2 Gương cầu lồi……….20

3.2.4 Công thức gương cầu………21

3.2.5 Tiêu điểm gương cầu Công thức Newton………22

3.2.6 Thị trường của gương………23

3.3 Ảnh của vật qua lưỡng chất phẳng……….23

3.3.1 Lưỡng chất phẳng……….23

3.3.2 Ảnh của vật qua lưỡng chất phẳng……… 24

3.4 Lăng kính………24

3.4.1 Định nghĩa………24

3.4.2 Đường đi của tia sáng qua lăng kính………25

3.4.3 Các công thức lăng kính……… 25

3.5 Thấu kính mỏng……… 26

3.5.1 Định nghĩa………26

3.5.2 Hình dạng và phân loại……….26

3.5.3 Các yếu tố của thấu kính……… 27

3.5.4 Tiêu điểm Tiêu diện Tiêu cự……… 27

3.5.5 Đường đi của tia sáng qua thấu kính và ảnh của một vật được tạo bởi thấu kính……… 28

3.5.6 Công thức thấu kính……….29

3.5.7 Hệ thấu kính……….32

3.5.8 Ứng dụng của thấu kính……… 32

4 Mắt và các dụng cụ quang học……… 33

4.1 Mắt……… 33

4.1.1 Cấu tạo quang học của mắt……… 33

4.1.2 Sự điều tiết của mắt……… 34

4.1.3 Các tật của mắt và cách khắc phục……… 35

4.1.4 Góc trong và năng suất phân li……….36

4.1.5 Sự lưu ảnh của mắt……… 36

4.2 Kính lúp……… 37

4.2.1 Cấu tạo và công dụng……… 37

4.2.2 Sự tạo ảnh bởi kính lúp………37

4.2.3 Số bội giác của kính lúp……… 38

4.3 Kính hiển vi………38

4.3.1 Cấu tạo và cách sử dụng……… 39

4.3.2 Sự tạo ảnh bởi kính hiển vi……… 40

4.3.3 Số bội giác của kính hiển vi……….40

4.3.4 Năng suất phân giải của kính hiển vi………41

4.4 Kính thiên văn………42

4.4.1 Cấu tạo và sử dụng………42

4.4.2 Sự tạo ảnh bởi kính thiên văn………42

4.4.3 Số bội giác……….43

4.4.4 Năng suất phân giải của kính thiên văn……….43

C Kết luận……….45

TÀI LIỆU THAM KHẢO

A MỞ ĐẦU

“Sự truyền các sóng ánh sáng được mô tả bằng các phương trình Maxwell Lờigiải của các phương trình này trong những điều kiện vật lí cho trước sẽ xác định đượccác vectơ E và B ở mỗi điểm Việc giải các phương trình Maxwell có thể là khókhăn và thường thì thông tin chi tiết mà nó cung cấp là không cần thiết Thông tinthường cần đến, có được nhờ một phương pháp đơn giản hơn gọi là quang hình học, có

từ trước khi ánh sáng được biết như là một sóng điện từ

Do đó, quang hình học là các kết quả gần đúng của các phương trình Maxwellkhi bước sóng của ánh sáng nhỏ hơn nhiều so với các vật thể mà sóng gặp phải.” [1] “Quang hình học là một phương pháp gần đúng dựa trên khái niệm về các tiasáng riêng lẻ, độc lập với nhau và tuân theo các định luật phản xạ và khúc xạ đã biết.”[2]

Dựa vào các định luật cơ bản về các tia sáng , quang hình học nghiên cứu cách

vẽ đường truyền của ánh sáng và sự tạo thành ảnh trong các môi trường bằng phươngpháp hình học nhằm mục đích cuối cùng là xây dựng lí thuyết về các dụng cụ quanghọc : các dụng cụ tạo ảnh, các dụng cụ chiếu sáng, các dụng cụ dùng trong nghiên cứukhoa học,…

B NỘI DUNG

1 Các khái niệm cơ bản của quang hình học

1.1 Nguồn sáng Vật sáng Điểm sáng

Nguồn sáng là các vật phát ra ánh sáng Ví dụ: Mặt Trời, ngọn lửa…

Vật sáng là các vật không phát ra ánh sáng, nhưng chúng phản xạ hoặc tán xạ ánhsángtừ các nơi chiếu đến chúng Ví dụ: Mặt Trăng, cây cối và nhà cửa ngoài nắng,… Điểm sáng là một nguồn sáng hoặc vật sáng không có kích thước Điểm sáng làmột mô hình được xây dựng khi nguồn sáng hoặc vật sáng có kích thước rất bé so vớikhoảng cách mà ta nghiên cứu

1.2 Tia sáng và chùm tia sáng

Tia sáng là một mô hình Mô hình tia sáng được hình thành từ một chùm sáng thựccho truyền qua một lỗ hẹp ta hình dung rằng nếu lỗ càng hẹp thì chùm sáng càng gầnvới tia sáng Tuy nhiên khi nghiên cứu hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng thì ta thấy rằng,khi lỗ hẹp đến một mức nào đó, quá mức đó chùm sáng đi qua lỗ , chẳng những không

bị thu hẹp mà còn rộng ra Vì vậy không thể bằng cách giảm kích thước của lỗ sáng đểtách riêng một tia sáng

Như đã biết góc φ ứng với cực tiểu nhiễu xạ thứ nhất của chùm tia sáng đi qua lỗtròn có đường kính D được xấc định bởi biểu thức : sinφ~ λ/ D như vậy, chỉ trongtrường hợp λ = 0, khi đó ta coi như không có hiện tượng nhiễu xạ, và mới có thể coi tiasáng như một đường thẳng hình học do đó, tia sáng chỉ là một khái niệm thuần túytoán học

Chùm sáng là một tập hợp của vô số tia sáng

1.3 Ảnh thật và ảnh ảo Vật thật và vật ảo

Nếu hệ quang học là lý tưởng, thì các tia sáng xuất phát từ một điểm P sau khi quaquanghệ sẽ cắt nhau tại một điểm P’, điểm này là ảnh quang học của điểm sáng P.Ảnh được gọi là thật nếu các tia sáng qua quang hệ cắt nhau tại điểm P’ , ảnh này là

ảo nếu P’ là đường kéo dài của các tia sáng theo hướng ngược lại Ảnh thật có thểhứng được trên màn, nhưng không thể quan sát ảnh ảo bằng cách đó

Điểm sáng P là vật thật đối với một thấu kính hay gương, nếu chùm tia xuất phát từ

P đi vào thấu kính là phân kì Vật ảo nếu thấu kính (hay gương) nhận được một chùmtia hội tụ, mà đường kéo dài của các tia sáng trong chùm cắt nhau tại điểm P

1.4 Môi trường quang học

1.4.1 Môi trường trong suốt

Môi trường trong suốt là môi trường không có tâm tán xạ, tức là không có các hạtchất vẩn và có hệ số hấp thụ ánh sáng rất nhỏ Tuy nhiên môi trường có thể trong suốtđối với ánh sáng có bước sóng này nhưng lại không trong suốt với ánh sáng có bướcsóng khác Môi trường trong suốt có thể có thể không có màu (trong suốt đối với toàn

bộ ánh sáng nhìn thấy) hoặc có màu nhất định (trong suốt đối với một vùng ánh sángnhất định) Ví dụ một số môi trường trong suốt: tấm kính trong suốt màu đỏ, màu lục,cốc nước trong suốt không màu

1.4.2 Môi trường đồng tính và không đồng tính

Môi trường đồng tính là môi trường có chiết suất không thay đổi

Môi trường không đồng tính là môi trường có chiết suất thay đổi chậm từ điểm nàyđến điểm khác Ánh sáng hay bức xạ điện từ di chuyển trong môi trường như vậy sẽ đitheo không đi theo đường thẳng mà là đi theo đường cong hoặc bị hội tụ hay phân kỳ

1.4.3 Môi trường đẳng hướng và không đẳng hướng

Môi trường đẳng hướng là môi trường mà chiết suất không phụ thuộc vào hướngphân cực và phương chiếu của ánh sáng

Môi trường không đẳng hướng là môi trường mà chiết suất phụ thuộc vào hướngphân cực và phương chiếu của ánh sáng

2 Các định luật cơ bản của quang hình học

2.1 Định luật về sự truyền thẳng của ánh sáng

Định luật này được phát biểu: “Trong một môi trường trong suốt đồng tính vàđẳng hướng ánh sáng truyền theo đường thẳng”

Khi nghiên cứu hiện tượng nhiễu xạ, ánh sáng truyền qua lỗ nhỏ hoặc gặp vật cókích thước nhỏ vào cỡ bước sóng ánh sáng thì định luật này không còn đúng nữa

2.2 Định luật về tác dụng độc lập của các tia sáng

Định luật này được phát biểu: “Tác dụng của các chùm tia sáng khác nhau thì độc lậpvới nhau, nghĩa là tác dụng của một chùm sáng này không phụ thuộc vào sự có mặthay không của các chùm sáng khác”

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 đãthiêu rụi hạm đội La Mã đang vây hãm thành phố Syracuse bằng cách dùng các gươngparabol khổng lồ tập trung ánh sáng mặt trời lên tàu địch

Định luật phản xạ ánh sáng:

“- Tia phản xạ nằm trong mặt phẳng tới và ở bên kia pháp

tuyến so với tia tới

- Góc phản xạ bằng góc tới”

2.3.3 Nguyên lí Huyghens với định luật phản xạ ánh sáng

Người đầu tiên đề ra thuyết sóng ánh sáng có sức thuyết

phục là nhà vật lí người Hà Lan Christian Huyghens năm

1678

Lý thuyết của Huyghens giải thích được những định luật về phản xạ và khúc xạ theothuyết sóng và ý nghĩa vật lí của chiết suất.

Lý thuyết sóng của Huyghens dựa trên sự dựng hình cho phép chúng ta xác địnhmột mặt sóng cho trước sau một thời gian sẽ ở đâu nếu chúng ta biết vị trí ban đầu của

nó Cách vẽ này dựa trên nguyên lí Huyghens phát biểu như sau: “Mọi điểm trên mặtsóng đều dùng làm nguồn điểm của các sóng cầu thứ cấp Sau một thời gian t vị trímới của mặt sóng sẽ là bao hình của tất cả sóng thứ cấp trên”

Suy từ nguyên lí Huyghens ra định luật phản xạ ánh sáng

Chiếu một chùm tia sáng song song vào một mặt phản xạ phẳng, dưới góc tới i Cácmặt sóng ánh sáng vuông góc với các tia sáng , nên cũng làm với mặt phản xạ một góc

i Ta vẽ các tia sáng nằm trong một dải sáng vuông góc với mặt phản xạ và vết của mộtmặt sóng IJ trên dải sáng này

Khi sóng ánh sáng ở mép dưới lan đến điểm I trên mặt phản xạ thì sóng ở mép trênvẫn còn ở J

Sau khoảng thời gian

'

JJ t c

Ta hãy vẽ đoạn J’I’, tiếp xúc với vòng tròn

tâm I tại I’ Ta phải chứng minh hai tam

giác vuông IJJ’ và II’J’ bằng nhau và hai

tam giác vuông IMM’ và ImM’ bằng nhau

Từ đó suy ra MM’=mM’ và

M’M’’=IJ’-MM’ Như vậy M’M’’ là một bán kính của

vòng tròn tâm M’ và J’I’ tiếp xúc với vòng tròn tâm M’ Tương tự J’I’ cũng tiếp xúcvới vòng tròn tâm N’

Rõ ràng là J’I’ là vết của mặt sóng phản xạ trên mặt phẳng hình vẽ; II’, M’M’’,N’N’’… là các tia sáng phản xạ Ta thấy ngay: tia phản xạ nằm trong mặt phẳng tới vàgóc phản xạ bằng góc tới

hơn và công bố vào năm 1637 Vì vậy định luật khúc xạ ánh sáng còn được gọi là định

luật Snell-Descartes Tuy nhiên ở khu vực các nước nói tiếng Anh, định luật khúc xạ

ánh sáng gọi là định luật Snell Còn ở khu vực các nước nói tiếng Pháp thì định luậtkhúc xạ ánh sáng gọi là định luật Descartes

Khi tia sáng SI tới mặt phân cách phẳng giữa hai môi trường trong suốt 1 và 2 tại Ithì một phần tia sáng phản xạ trở lại môi

trường 1 theo đường IS’; một phần tia sáng

thay đổi hướng đi vào môi trường 2 theo

đường IR

Cường độ sáng của hai tia này là khác

nhau thay đổi theo góc tới nhưng sự phân chia

năng lượng của tia phản xạ và tia khúc xạ tuân

theo định luật bảo toàn năng lượng

Khi tia sáng đến mặt phân cách của hai môi trường trong suốt đồng tính và đẳnghướng mà bị khúc xạ vào môi trường thứ hai thì nó tuân theo định luật khúc xạ

Định luật khúc xạ ánh sáng (Định luật Snell-Descartes)

“ Tia tới và tia khúc xạ cùng nằm trong mặt phẳng tới (mặt phẳng chứa tia tới vàpháp tuyến với mặt phân cách vẽ từ điểm tới) và ở phía bên kia pháp tuyến so với tiatới

Tỉ số giữa sin góc tới và sin góc khúc xạ là một đại lượng không đổi đối với hai môitrường quang học cho trước”

2 21

1

sin

s inr

n i

Khi n21>1thì i > r: tia khúc xạ lại gần pháp tuyến

Khi n21<1thì i < r: tia khúc xạ lệch xa pháp tuyến

Nguyên nhân của hiện tượng khúc xạ đó làsự thay đổi tốc độ truyền ánh sáng từ môi trường này sang môi trường khác Nói cách khác vận tốc ánh sáng trong môi

trường khác nhau thì khác nhau Bằng lí thuyết Huyghens, ta có thể giải thích khi đập

vào mặt phân cách giữa hai môi trường vì vận tốc truyền khác nhau nên mặt đầu sóng

sẽ bị đổi phương do đó phương truyền của tia sáng bị gãy khúc tại mặt phân cách

Suy từ nguyên lí Huyghens ra định luật khúc xạ ánh sáng

Ba giai đoạn của một số mặt sóng tại mặt phân cách giữa không khí (môi trường 1)

và thủy tinh (môi trường 2) được mô tả như hình Chúng ta chọn tùy ý những mặt sóngtrong chùm tới cách nhau một khoảng 1 bằng bước sóng trong môi trường 1 Gọi vậntốc của ánh sáng trong không khí là v1 còn trong thủy tinh là v2 chúng ta thừa nhận

  để cho một sóng thứ cấp Huyghens truyền từ điểm e

trên hình (b) đến điểm c bằng thời gian

2 2

Hệ thức này cho thấy bước sóng ánh sáng

ở các môi trường khác nhau tỉ lệ thuận với

vận tốc ánh sáng ở trong môi trường ấy

Mặt sóng khúc xạ sẽ tiếp tuyến với cung

có bán kính 2 mà tâm là h Do c nằm ở mặt

sóng mới nên tiếp tuyến cung phải qua điểm

ấy Chú ý rằng 2 , góc giữa sóng khúc xạ và

mặt phân cách cũng chính là góc khúc xạ

Đối với các tam giác vuông hce và hcg chúng ta có thể viết:

1 1sin

v



và 2 2

c n v

   hay n1sin1 n2sin2 Đó chính là định luật khúc xạ

2.4.3 Chiết suất của môi trường

2.4.3.1 Chiết suất tuyệt đối

Chiết suất tuyệt đối của môi trường được định nghĩa bằng tỉ số của vận tốc ánh sángtrong chân không và vận tốc trong môi trường vật chất

c n v



Với vận tốc ánh sáng truyền trong chân không c = 3.108m/s

Chiết suất tuyệt đối của môi trường thường được gọi đơn giản là chiết suất của môitrường Với ánh sáng nhìn thấy thì tia sáng truyền đi trong môi trường trong suốt chậmhơn so với trong chân không nên chiết suất tuyệt đối bao giờ cũng lớn hơn một (n > 1)

Ý nghĩa: Chiết suất tuyệt đối của môi trường cho biết vận tốc truyền ánh sáng trong

môi trường đó nhỏ hơn vận tốc truyền ánh sáng trong chân không bao nhiêu lần Tuynhiên, tại một số điều kiện nhất định, (như gần hấp thụ cộng hưởng hay đối với tia X),thì chiết suất n có thể nhỏ hơn 1 Các nghiên cứu gần đây cho thấy có thể tồn tại chiếtsuất âm Hiện tượng này rất hiếm gặp, mới thấy ở các vật liệu meta (metamaterials) đã

mở ra cho khoa học kỹ thuật khả năng chế tạo các thấu kính hoàn hảo

2.4.3.2 Chiết suất tỉ đối

Chiết suất của hai môi trường được định nghĩa bằng tỉ số của vận tốc ánh sáng trongmôi trường thứ hai và vận tốc ánh sáng trong môi trường thứ nhất.

2 12 1

v n v



hay

1 21 2

v n v



Hệ thức giữa các chiết suất tỉ đối n12 và n21 là: 21 12

1

n n



Ngoài ra theo định luật khúc xạ ánh sáng, chiết suất tỉ đối còn được tính bằng tỉ số

giữa sin của góc tới và sin của góc khúc xạ 21

2.4.3.3 Hệ thức liên hệ giữa chiết suất tỉ đối và chiết suất tỉ đối

Chiết suất tuyệt đối của môi trường 1: 1 1

c n v



Chiết suất tuyệt đối của môi trường 2: 2 2

c n v

12

n n

n 

Tính chiết quang của một môi trường là một đặc trưng liên quan đến chiết suất củamôi trường đó: chiết suất càng lớn thì môi trường càng chiết quang

Nếu n21> 1 thì n2> n1, nghĩa môi trường 1 kém chiết quang hơn môi trường 2

Nếu n21< 1 thì n2< n1, nghĩa môi trường 1 chiết quang hơn môi trường 2

2.4.3.4 Đặc điểm của chiết suất môi trường

Chiết suất của môi trường phụ thuộc vào bước sóng hay tần số của ánh sáng Sau

đây là bảng số liệu chiết suất của các môi trường ứng với các bước sóng khác nhau

Môi trường n F (λ=486,1nm)λ=486,1nm) n D (λ=486,1nm)λ=589,3nm) n C (λ=486,1nm)λ=656,3nm)

Nước

Thủy tinh crao

1,33711,522

1,33301,517

1,33111,514

Thủy tinh flin

Kim cương

1,6822,435

1,6662,417

1,6582,410

Với bước sóng ngắn chiết suất của môi trường lớn hơn đối với ánh sáng có bước

sóng dài hơn Sự phụ thuộc chiết suất vào bước sóng của ánh sáng chứng tỏ ánh

sáng có bước sóng khác nhau sẽ có tốc độ khác nhau trong môi trường đang xét và

bị khúc xạ dưới những góc khác nhau khi đi qua mặt phân cách giữa hai môi trường Do vậy chùm sáng gồm nhiều thành phần có bước sóng khác nhau thì do sự

khúc xạ khác nhau tại mặt phân cách giữa hai môi trường sẽ bị tách thành các thànhphần khác nhau (Hiện tượng tán sắc ánh sáng) Ví dụ: khi chùm tia sáng trắng gồmnhiều ánh sáng đơn sắc có bước sóng khác nhau tương ứng với các màu khác nhau: đỏ,cam, vàng, lục, lam, chàm, tím truyền qua lăng kính thủy tinh Thì chùm tia sáng trắng

bị phân tích ra thành nhiều chùm tia màu, chùm tia tím bị khúc xạ nhiều nhất, chùm tia

đỏ bị khúc xạ ít nhất

Bảng số liệu chiết suất của một số chất

Kim cương

Thủy tinh flin

Thủy tinh crao

Nước đá

2,421,603 ÷ 1,8651,464 ÷ 1,5321,309

Muối ăn

Hổ pháchPolistrienXaphia

1,5441,5461,5901,768

Nước

Bazen

1,3331,501

Rượu êtilicGlixerol

1,3611,473

Chiết suất không khí ở điều kiện tiêu chuẩn là 1,000293 nên nếu không đòi hỏi độchính xác cao thì có thể coi chiết suất không khí bằng chiết suất của chân không nkk =1

2.4.4 Hiện tượng phản xạ toàn phần

2.4.4.1 Sự truyền ánh sáng vào môi trường chiết quang hơn (n1< n2)

Khi n1< n2 thì i > r: tia khúc xạ lại gần pháp tuyến và môi trường (2) chiết quanghơn môi trường (1)

Khi góc tới i tăng dần thì góc khúc xạ r cũng tăng dần nhưng luôn luôn nhỏ hơn i.Góc i có thể lấy các giá trị từ 00 tới 900

Đối với tia S1I vuông góc với mặt phân cách: một phần của tia sáng bị phản xạ trởlại, phần còn lại đi qua mặt phân cách không đổi phương

Đối với tia S2I: một phần của tia sáng phản xạ trở lại theo đường IS2’, phần còn lạikhúc xạ theo đường IR2

Đối với tia S3I có góc tới đạt giá trị lớn nhất bằng 900: không còn có tia phản xạ, chỉcòn tia khúc xạ có góc khúc đạt một giá trị giá trị lớn nhất là rgh gọi là góc khúc xạ giớihạn được tính như sau

Áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng: n1sin900 = n2sinrgh

2 1

sini gh n

n

Như vậy, trong trường hợp ánh sáng đi từ môi trường có chiết suất nhỏ hơn sang

môi trường có chiết suất lớn hơn thì luôn luôn có tia khúc xạ trong môi trường thứ hai

2.4.4.2 Sự truyền ánh sáng vào môi chiết quang kém hơn (λ=486,1nm)n 1 > n 2 )

Khi ánh sáng truyền từ môi trường có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất

nhỏ hơn n1> n2 thì i < r ( tia khúc xạ đi lệch xa pháp tuyến hơn):Ví dụ: ánh sáng truyền

từ thủy tinh ra không khí, nước sang không khí, từ thuỷ tinh sang không khí, từ thuỷtinh sáng nước, …

r

rgh

i I

n1

n2

i’

S2’

Khi góc tới tăng thì góc khúc xạ tăng Theo định luật bảo toàn năng lượng thì nănglượng của tia tới được phân bố cho tia phản xạ và tia khúc xạ Nên khi góc tới càngtăng thì cường độ của tia phản xạ càng tăng và cường độ của tia sáng khúc xạ cànggiảm

Khi góc khúc xạ đạt đến giá trị cực đại 900, tức là cường độ của tia sáng khúc xạgiảm đến không thì góc tới đạt giá trị igh gọi là góc tới giới hạn thỏa mãn định luậtkhúc xạ

Như vậy, khi tia sáng truyền từ môi trường có chiết quang hơn sang môi trường

có chiết quang kém, tia sáng chỉ cho tia phản xạ, không cho tia khúc xạ khi nó tới mặt

phân cách dưới một góc lớn hơn hoặc bằng góc tới giới hạn Hiện tượng đó gọi là hiện

tượng phản xạ toàn phần.

2.4.4.3 Hiện tượng phản xạ toàn phần

Phản xạ toàn phần là hiện tượng trong đó toàn bộ tia sáng tới mặt phân cách hai môitrường trong suốt chỉ cho tia phản xạ, không cho tia khúc xạ

Điều kiện xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần

- Ánh sáng truyền từ môi trường có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất nhỏhơn n1> n2

- Góc tới phải lớn hơn hoặc bằng góc giới hạn i ≥ igh

Dấu “=” ở đây chỉ trường hợp giới hạn, hiện tượng phản xạ toàn phần bắt đầu xảyra

2.4.4.4 Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần

Lăng kính phản xạ toàn phần

Lăng kính phản xạ toàn phần là khối thủy tinh hình lăng trụ đứng, có tiết diệnthẳng là một tam giác vuông cân

Có 2 cách sử dụng lăng kính phản xạ

toàn phần:

- Chiếu tia tới vuông góc với mặt bên, tia

sáng đi trong lăng kính sẽ phản xạ toàn phần

trên mặt huyền của lăng kính

- Chiếu tia tới vuông góc với mặt huyền của lăng kính, tia sáng sẽ bị phản xạtoàn phần lần liên tiếp trên hai mặt bên

Cáp quang gồm nhiều bó sợi quang

ghép và hàn nối với nhau Từ những năm 60

của thế kỉ trước, người ta đã chế tạo được

những bó sợi gồm 100 sợi mỗi milimét

Hiện nay, con số này đã đạt đến mức

50.000 sợi cho 3mm đường kính cáp.

Cả bó sợi chỉ bằng cái kim tiêm, trong

đó có những sợi đưa ánh sáng từ ngoài

vào và có những sợi thu và truyền hình

ảnh ra

Cấu tạo sợi quang

Mỗi sợi quang gồm hai phần chính:

+ Phần lõi trong suốt làm bằng thuỷ tinh siêu sạch có chiết suất lớn (n1)

+ Phần vỏ bọc cũng trong suốt làm bằng thuỷ tinh chiết suất n2< n1

Trong công nghệ sợi quang được phân thành hai loại: sợi đơn mốt và sợi đa mốt

Lăng kính phản xạ toàn phần trong ống nhòm

Sợi đơn mốt (single mode; monomode) có phần lõi đường kính 10μm và phần vỏm và phần vỏ

có đường kính 125μm và phần vỏm Phần lõi hẹp có công dụng giảm được hiện tượng trải rộng

xung ánh sáng Hiện tượng này làm cho thời gian truyền qua sợi khác nhau, ảnh hưởng đến tín hiệu thu được ở đầu ra Do đó, trong loại sợi đơn mốt, các tia sáng gần

như truyền song song với trục của sợi Nhược điểm của loại sợi đơn mốt là: chế tạo

tốn kém, năng lượng nhỏ nên tín hiệu yếu Vì trong quá trình truyền, cường độ cácxung ánh sáng bị hấp thụ do các tạp chất lẫn vào thuỷ tinh và sự phân bố bất thườngcủa các nguyên tử ở mối nối

Sợi đa mốt (λ=486,1nm)multimode) có phần lõi đường kính khoảng 50μm và phần vỏm và phần vỏ có

đường kính 125μm và phần vỏm Khi truyền trong loại này, xung ánh sáng bị trải rộng cho đườngtruyền khác nhau tùy góc tới ở đầu vào Sợi đa mốt có ưu điểm là năng lượng truyền đilớn (cường độ xung ánh sáng ló giảm không đáng kể)

Nhược điểm của loại sợi này là đường truyền ngắn và do có sự khúc xạ ánh sáng ở

đầu vào tách riêng các ánh sáng màu trong ánh sáng trắng, mà chiết suất thay đổitheo màu sắc nên đường truyền của mỗi ánh sáng màu khác nhau nên thời gian truyềnqua cáp thay đổi tùy theo ánh sáng màu, vì vậy tín hiệu nhận được sẽ méo Trong kỹthuật, bằng cách dùng chất liệu có chiết suất giảm dần (graded index) thay cho chiếtsuất giảm nhảy bậc (step index), khắc phục được các nhược điểm trên của loại sợi đamốt, làm cho đường truyền dài hơn và tín hiệu nhận được bớt méo

Gương phẳng là gương có bề mặt là một phần của mặt phẳng hay không có mặt cong,

từ một tấm kính và đằng sau được tráng một lớp bạc phản xạ tốt hơn nên có thể phản

xạ lại toàn bộ ánh sáng

Ví dụ: Gương soi, mặt thoáng chất lỏng yên tĩnh,

3.1.2 Ảnh của vật qua gương phẳng

Giả sử ta có một điểm vật P đặt trước gương phẳng G Ảnh P’ của P cho bởi gươngtheo thực nghiệm, đối xứng với P qua gương phẳng Ngoài ra, nếu vật thực thì ảnh ảo,

và ngược lại

Trường hợp vật không phải là một điểm thì ta có ảnh của vật là tập hợp các ảnh của

các điểm trên vật Ảnh và vật đối xứng với nhau qua mặt phẳng của gương, chúngkhông thể chồng khít lên nhau trừ khi vật có một tính đối xứng đặc biệt nào đó

Vật và ảnh còn có tính chất đổi chỗ cho nhau Nghĩa là nếu ta hội tụ một chùm tia sángtới gương G (có đường kéo dài của các tia đồng qui tại P’) thì chùm tia phản xạ sẽ hội

tụ tại P (Tính chất truyền trở lại ngược chiều)

Hai điểm P và P’ được gọi là hai điểm liên hợp

Đối với các gương phản xạ, không gian vật thực và không gian ảnh thực trùng nhau vànằm trước mặt phản xạ

3.2 Ảnh của vật qua gương cầu

- Trục chính OC của gương: là đường nối tâm và đỉnh của gương.

- Trục phụ: các đường thẳng khác qua tâm gương gọi là trục phụ

- Gương cầu lõm có mặt phản xạ hướng về tâm gương

- Gương cầu lồi có mặt phản xạ hướng ra xa tâm gương

3.2.2 Cách vẽ ảnh của một điểm (λ=486,1nm)vật) tạo bởi gương cầu

- Ảnh thật: trước gương, hứng được trên màn ảnh.

- Ảnh ảo: sau gương, không hứng được trên màn ảnh

- Để vẽ ảnh của một điểm (vật) qua gương ta cần vẽ hai trong 4 tia sau:

+ Tia tới song song với trục chính, cho tia phản xạ (hoặc đường kéo dài của tiaphản xạ) đi qua tiêu điểm chính F

+ Tia tới qua tiêu điểm F (hoặc có đường kéo dài qua tiêu điểm chính), cho tiaphản xạ song song với trục chính

+ Tia tới qua tâm gương, tia phản xạ đi ngược trở lại

+ Tia đi qua đỉnh gương, cho tia phản xạ đối xứng với tia tới qua trục chính

- Để xác định ảnh của một điểm, ta chỉ cần dùng hai trong ba tia trên Đối với vật, tachỉ cần xác định ảnh của một số điểm đặc biệt

3.2.3 Tính chất ảnh của vật tạo bởi gương cầu

3.2.3.1 Gương cầu lõm

- Vật thật trong khoảng OF: cho ảnh ảo, cùng chiều, lớn hơn vật

CR

O

- Vật thật ở tiêu điểm F: cho ảnh ở vô cực.

- Vật thật ở trong khoảng FC: cho ảnh thật, ngược chiều, lớn hơn vật

- Vật thật ở C: cho ảnh thật, ngược chiều, bằng vật

- Vật thật ở ngoài OC: cho ảnh thật, ngược chiều, nhỏ hơn vật

- Vật ở vô cực: cho ảnh thật rất nhỏ nằm tại F

3.2.3.2 Gương cầu lồi

- Vật thật luôn cho ảnh ảo, cùng chiều, nhỏ hơn vật.

- Vật ảo trong khoảng OF: cho ảnh thật, cùng chiều, lớn hơn vật

- Vật ảo trong khoảng FC: cho ảnh ảo, ngược chiều, lớn hơn vật

- Vật ảo ngoài khoảng OC: cho ảnh ảo, ngược chiều, nhỏ hơn vật

3.2.4 Công thức gương cầu:

Xét một điểm sáng P nằm trên quang trục của gương Ta xác định ảnh của P bằngcách tìm giao điểm P’ của hai tia phản xạ ứng với hai tia tới nào đó; ví dụ hai tia PO và

O P

Tuy nhiên nếu ta xét các gương cầu có góc khẩu độ θ nhỏ thì φ cũng nhỏ, cosφ ≈1 ,điểm T có thể coi là trùng với O Công thức trên trở thành:

Vậy muốn có ảnh rõ, góc khẩu độ của gương cầu phải nhỏ

Công thức trên có thể áp dụng cho gương cầu lồi hay lõm, vật và ảnh thực hay ảo.Thông thường người ta quy ước chiều dương là chiều truyền của ánh sáng tới

3.2.5 Tiêu điểm của gương cầu Công thức Newton (λ=486,1nm)Niuton)

Chiếu tới gương cầu một chùm tia sáng song song với trục chính Chùm tia phản xạhội tụ tại điểm F, điểm F được gọi là tiêu điểm của gương cầu

Đoạn OF được gọi là tiêu cự của gương

Chùm tia song song ứng với vật ở xa vô cực nên d = -∞, suy ra tiêu cự f = OF, chính là

d’ trong công thức (2.3), là R/2

f = R/2 (2.4)Với gương cầu lõm, ta có tiêu điểm thực Với gương cầu lồi, ta có tiêu điểm ảo

Ta cũng có thể lập công thức gương cầu bằng cách lấy F làm gốc của các khoảng cách

3.2.6.Thị trường của gương.

Thị trường của gương là khoảng không gian ở phía trước gương để nếu vật ởtrong

khoảng không gian này thì mắt sẽ nhìn thấy ảnh của nó qua gương

Trong hình trên, mắt người quan sát S đặt trước gương cầu lồi AOB điểm S’ làảnh của S cho bởi gương Thị trường của gương là khoảng không gian giới hạn bởihình nón đỉnh S’, các đường sinh tựatrên chu vi của gương Bất kì vật nào nằm trongthị trường đều có thể cho chùm tia sáng tới gương để phản xạ tới mắt S, do đó mắtnhìn thấy vật :

Thị trường của gương cầu lồi lớn hơn so với các loại gương khác (gương phẳng,gương lõm) có cùng kích thước, vì vậy thường được dùng làm gương nhìn sau trên cácloại xe

3.3 Ảnh của vật qua lưỡng chất phẳng

3.3.1 Lưỡng chất phẳng