Khúc xạ ánh sáng (Định luật Snell) và phản xạ toàn phần

Mục tiêu: Khảo sát định lượng định luật khúc xạ ánh sáng Snell n₁·sin(θ₁) = n₂·sin(θ₂), xác định góc giới hạn θ_gh = arcsin(n₂/n₁) và kiểm chứng điều kiện xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần.

Lý thuyết: Khi tia sáng đơn sắc truyền qua mặt phân cách phẳng giữa hai môi trường trong suốt có chiết suất tuyệt đối n₁ = c/v₁ và n₂ = c/v₂, góc tới θ₁ và góc khúc xạ θ₂ (đo so với pháp tuyến) tuân theo định luật Snell: n₁·sin(θ₁) = n₂·sin(θ₂). Nếu n₁ < n₂ thì θ₂ < θ₁ (tia khúc xạ lệch gần pháp tuyến). Nếu n₁ > n₂ thì θ₂ > θ₁ (tia khúc xạ lệch xa pháp tuyến); khi góc tới đạt θ_gh = arcsin(n₂/n₁) thì θ₂ = 90°, và khi θ₁ > θ_gh thì tia khúc xạ triệt tiêu hoàn toàn, xảy ra phản xạ toàn phần.

Giả thuyết: Nếu chiếu tia sáng từ môi trường có chiết suất lớn (như thủy tinh n₁ = 1,50 hoặc nước n₁ = 1,33) ra không khí (n₂ = 1,00) và tăng dần góc tới θ₁ vượt quá góc giới hạn arcsin(n₂/n₁), tia khúc xạ sẽ biến mất và toàn bộ tia sáng phản xạ ngược lại môi trường 1.

Biến độc lập: Góc tới θ₁ (°), chiết suất môi trường tới n₁ và chiết suất môi trường khúc xạ n₂

Biến phụ thuộc: Góc khúc xạ θ₂ (°), góc phản xạ θ'₁ (°), góc giới hạn θ_gh (°) và trạng thái phản xạ toàn phần

Biến kiểm soát: Chùm tia laser đơn sắc hẹp, mặt phân cách phẳng lý tưởng và tốc độ ánh sáng trong chân không c ≈ 3×10⁸ m/s

Dụng cụ: Nguồn phát tia laser đơn sắc gắn trên thước đo độ tròn 360°; Bán trụ trong suốt thay đổi được chiết suất (Không khí 1.00, Nước 1.33, Thủy tinh 1.50, Kim cương 2.42); Màn quan sát đường pháp tuyến, tia tới, tia phản xạ và tia khúc xạ

1. Bước 1: Đặt n₁ = 1.00 (không khí) và n₂ = 1.50 (thủy tinh), thay đổi góc tới θ₁ từ 15° đến 75° để kiểm chứng tỉ số sin(θ₁)/sin(θ₂) = n₂/n₁.
2. Bước 2: Đổi chiều truyền sáng với n₁ = 1.50 (thủy tinh) và n₂ = 1.00 (không khí), quan sát giá trị góc giới hạn θ_gh ≈ 41,8°.
3. Bước 3: Tăng góc tới θ₁ lớn hơn θ_gh để quan sát sự biến mất của tia khúc xạ và hiện tượng phản xạ toàn phần.

Hướng dẫn quan sát: Theo dõi góc hợp bởi tia tới, tia phản xạ và tia khúc xạ với đường pháp tuyến thẳng đứng; chú ý vạch báo góc giới hạn θ_gh khi n₁ > n₂.

Giải thích kết quả: Tỉ số sin(θ₁)/sin(θ₂) luôn bằng hằng số n₂/n₁ ở mọi góc tới còn tia khúc xạ. Khi n₁ > n₂ và θ₁ > arcsin(n₂/n₁), phương trình Snell cho sin(θ₂) > 1 nên không tồn tại tia khúc xạ, toàn bộ năng lượng chùm tia phản xạ lại môi trường 1.