Thiết bị nghiên cứu khúc xạ ánh sáng

18

Thiết bị nghiên cứu khúc xạ ánh sáng

Hiện tượng khúc xạ ánh sáng tại mặt phân cách của hai môi trường chỉ được nghiên cứu chi tiết ở lớp 10. Tuy nhiên, hiện tượng này là một yếu tố tự nhiên mà tất cả độc giả của chúng tôi tất nhiên đã gặp phải nó vài lần.
Bài viết này mô tả cách bạn có thể độc lập chế tạo một thiết bị để thực hiện toàn bộ khúc xạ ánh sáng.

Nếu một tia sáng rơi vào mặt phân cách giữa hai môi trường thì tia tới, tia khúc xạ và đường vuông góc với mặt phân cách vẽ qua điểm phân chia tia sáng đều nằm trong cùng một mặt phẳng; trong trường hợp này, tỉ số giữa sin của góc chia α và sin của góc khúc xạ β là không đổi đối với hai môi trường này:

$$\frac{\sin \alpha}{\sin \beta} = n.$$

Đây là định luật khúc xạ ánh sáng; giá trị không đổi n được gọi là chiết suất tương đối hoặc chiết suất của môi trường thứ hai so với môi trường thứ nhất:

$$n = \frac{n_2}{n_1}.$$

Với sự trợ giúp của thiết bị thể hiện trong Hình 1, một số thử nghiệm tổng thể có thể được thực hiện để xác nhận định luật khúc xạ ánh sáng.

Nhưng trước tiên, về bản thân thiết bị. Phần chính của nó là bộ phát âm. Ví dụ, nó có thể được dán lại với nhau bằng nhựa hoặc thủy tinh, hoặc bạn có thể sử dụng hộp làm sẵn từ một số loại vật liệu.

Hình 1.

19

Hình 2.

Kiểm tra 1. Nếu khung được lắp đặt ở góc 45° so với phương thẳng đứng thì điểm $A$ (Hình 2) sẽ nhìn thấy được trong tầm nhìn (dọc theo hai sợi tóc), trùng với vạch chia 52 m của thang milimet, tức là $a = 52$ mm. Chiều cao $h$ trục quay của khung cũng là 52 mm. Do đó, kinh nghiệm xác nhận rằng trong một môi trường đồng nhất, ánh sáng truyền thẳng.

Thử nghiệm 2. Đổ nước vào cầy ngang mức trục của khung. Terrier, với cùng vị trí của khung như trong thử nghiệm đầu tiên, không phải điểm $A$, mà là điểm $B$, nằm ở khoảng cách $b < a$, sẽ được nhìn thấy qua tầm nhìn (xem Hình 2). Điều này có nghĩa là một tia sáng có hướng $BO$ trong nước, vượt qua ranh giới nước-không khí, bị khúc xạ và truyền trong không khí theo hướng $OC$. Nói cách khác, góc $\alpha$ mà tia tới tạo từ pháp tuyến đến mặt phân cách không bằng góc $\beta$ của tia khúc xạ.

Kiểm tra 3. Đặt khung ngắm theo chiều dọc. Đồng thời, qua tầm nhìn dưới nước, bạn có thể nhìn thấy phần đầu của thang đo - số chia bằng 0 của nó. Điều này có nghĩa là nếu góc tới là $\alpha = 0$ thì góc khúc xạ là $\beta = 0$. Hay nói cách khác, nếu một tia sáng vuông góc với mặt phân cách của hai môi trường thì nó không bị khúc xạ. Đây là một trường hợp đặc biệt quan trọng của định luật khúc xạ, không nên quên.

Bài kiểm tra 4. Hãy xác định chiết suất của nước so với không khí. Để làm điều này, chúng tôi cài đặt khung ở một góc nhất định, ví dụ: ở góc 30°. Đây cũng sẽ là góc khúc xạ $\beta$ đối với một tia sáng truyền từ nước sang không khí. Vạch chia tỷ lệ thứ 21 sẽ được hiển thị qua ống kính, tức là $b = 21$ mm (xem Hình 2).

Hãy tìm sin của góc tới $\alpha$:

$$\sin \alpha = \frac{b}{\sqrt{b^2 + h^2}} = 0,37.$$

Sin của góc khúc xạ

$$\sin \beta = \sin 30^\circ = 0,5.$$

Theo định luật khúc xạ ánh sáng

$$\frac{\sin \alpha}{\sin \beta} = \frac{n_2}{n_1},$$

trong đó $n_2/n_1$ là chiết suất của không khí (môi trường thứ hai) so với nước (môi trường thứ nhất). Do đó chiết suất của nước so với không khí

$$n = \frac{n_1}{n_2} = \frac{\sin \beta}{\sin \alpha} = 1,33.$$

Sử dụng thiết bị đề xuất, có thể xác định được góc giới hạn phản xạ toàn phần đối với nước. Lần này khung ngắm được đặt ở một góc gần 90°. Để ngăn không cho cân hiển thị ở đáy bình, tốt hơn nên tăng kích thước của thiết bị lên 2-3 lần.

Bạn cũng có thể tiến hành thí nghiệm không phải với nước tinh khiết mà bằng dung dịch đường hoặc muối và nghiên cứu sự phụ thuộc của chiết suất vào nồng độ của dung dịch.