TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC VOÕ TRÖÔØNG TOAÛN
KHOA DƯỢC

BÀI GIẢNG MÔN HỌC
VẬT LÝ 2
Đơn vị biên soạn:
KHOA DƯỢC
XÁC NHẬN BCN KHOA DƯỢC
Hậu Giang – Năm 2018
112
PHẦN THỨ TƯ: QUANG HỌC
Quang học là môn học nghiên cứu về ánh sáng.
Trong phần này chúng ta sẽ nghiên cứu các hiện tượng quang học nhằm hiểu rõ
bản chất của ánh sáng, đồng thời sẽ cung cấp những kiến thức cần thiết về việc ứng
dụng những định luật quang học trong kỹ thuật và đời sống.
CHƯƠNG 1
CƠ SỞ CỦA QUANG HÌNH HỌC. DỤNG CỤ QUANG HỌC
1. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA QUANG HÌNH HỌC
Quang hình học dựa trên bốn định luật cơ bản sau đây:
1.1. Định luật về sự truyền thẳng của ánh sáng:
Định luật được phát biểu.
Trong một môi trường trong suốt đồng tính và đẳng hướng, ánh sáng truyền
theo đường thẳng.
Khi nghiên cứu hiện tượng nhiễu xạ ta sẽ thấy định luật này có giới hạn ứng dụng
của nó. Khi ánh sáng truyền qua những lỗ thật nhỏ hoặc gặp những chướng ngại vật
kích thước nhỏ vào cỡ bước sóng ánh sáng thì định luật trên không còn đúng nữa.
1.2. Định luật về tác đụng độc lập của các tia sáng:
Định luật được phát biểu:
Tác dụng của các chùm sáng khác nhau thì độc lập với nhau. Nghĩa là, tác
dụng của một chùm sáng này không phụ thuộc vào sự có mặt hay không của các
chùm sáng khác.
1.3. Hai định luật của Đêcac (Descartes):
Thực nghiệm xác nhận rằng, khi tia sáng OI tới mặt phân cách hai môi trường
trong suốt, đồng tính và đẳng hướng thì tia sáng bị tách thành hai tia: tia phản xạ IR1
và tia khúc xạ IR2 (Hình 18.1). Chúng tuân theo hai định luật sau đây:
1.3.1. Định luật Đêcac thứ nhất- định luật phản xạ:
Tia phản xạ nằm trong mặt phẳng tới (tức là mặt phẳng chứa tia tới và pháp tuyến
IN) và góc tới bằng góc phản xạ.
113
1.3.2. Định luật Đêcac thứ hai - định luật khúc xạ.
Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới và tỷ số
giữa sin góc tới và sin góc khúc xạ là một số
không đổi.
n2-l là một số không đổi, phụ thuộc vào bản
chất của hai môi trường, được gọi là chiết suất tỉ
đối của môi trường 2 đối với môi trường 1.
Nếu n2-l > l thì i2 < i1, tia khúc xạ gặp pháp tuyến và môi trường 2 được gọi là chiết
quang hơn môi trường 1. Ngược lại, nếu n2-l < l thì i2 > i1, tia khúc xạ lệch xa pháp
tuyến hơn và môi trường 2 kém chiết quang hơn môi trường 1.
1.3.3. Chiết suất tỉ đối và chiết suất tuyệt đối:
Nếu gọi v1 và v2 là vận tốc ánh sáng trong môi trường 1 và 2, từ thực nghiệm
chứng tỏ:
Ngoài chiết suất tỉ đối, người ta còn định nghĩa chiết suất tuyệt đối của một môi
trường: Chiết suất tuyệt đối của môi trường là chiết suất tỉ đối của môi trường đó đối
với chân không.
Nếu gọi v là vận tốc ánh sáng trong môi trường, c là vận tốc ánh sáng trong chân
không và n là biết suất tuyệt đối của môi trường thì căn cứ vào (3) ta có:
Đối với không khí v ≈ c nên n ≈ 1
Ta tìm mối liên hệ giữa chiết suất tỉ đối của hai môi trường và chiết suất tuyệt đối
của chúng. Từ (3) có thể viết:
Nếu môi trường thứ nhất là không khí thì n1 ≈ 1 và n2-l ≈ n2. Do đó có thể coi chiết
suất tuyệt đối của một môi trường là chiết suất tỉ đối của môi trường đó là đối với
không khí.
1.3.4. Dạng đối xứng của định luật Đêcac.
Từ (2) và (5) có thể viết:
114
Biểu thức (6) là dạng đối xứng của định luật Đêcac
1.4. Hiện tượng phản xạ toàn phần.
Hai điều kiện để hiện tượng phản xạ toàn phần xảy ra:
- Thứ nhất là ánh sáng phải đi từ môi trường chiết quang mạnh sang môi trường
chiết quang kém hơn, thí dụ đi từ nước ra không khí. Khi đó ta có:
Ở đây vì n1 > n2 nên il < i2 , tức
là góc tới nhỏ hơn góc khúc xạ. Khi
tăng góc tới thì góc khúc xạ cũng
tăng, nhưng luôn luôn có i1 < i2.
Khi góc khúc xạ i2 = 900 thì góc
tới đến một giá trị gọi là góc tới tới
hạn (tg)
- Thứ hai là góc tới phải lớn hơn (hay tối thiểu là bằng) góc tới tới hạn, tức là:
Khi đó thì toàn bộ tia sáng đi tới mặt phân cách hai mối trường sẽ phản xạ trở lại
môi trường thứ nhất Hiện tượng này gọi là phản xạ toàn phần. Lúc đó ta có:
* Ứng dụng của hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng.
- Dựa vào hiện tượng khúc xạ và phản xạ toàn phần có thể giải thích được hiện
tượng các ảo ảnh quan sát được ở các vùng sa mạc hay đồng cỏ (Hình 1.3).
Nhờ sự uốn cong của tia sáng nên một số vật ở khuất xa dưới đường chân trời sẽ
được nhìn thấy và hình dung được như ở gần người quan sát hơn.
- Dựa vào tính chất khi gương
phẳng quay một góc α thì tia phản xạ
quay một góc 2α, người ta gắn một
gương phẳng vào khung treo của một
điện kế.
115
Khi có dòng điện một chiều chạy trong khung dây, khung dây sẽ quay kéo theo cả
gương cùng quay. Chiếu một chùm tia sáng vào gương, khi gương quay thì tia sáng
phản xạ sẽ quay một góc lớn gấp đôi, tức là đã tăng độ nhậy của điện kế. Đó là nguyên
tắc cấu tạo của điện kế gương.
Hiện tượng phản xạ toàn phần được ứng dụng để đổi chiều tia sáng trong các dụng
cụ quang học. Chiết suất của thuỷ tinh vào cỡ 1,5. Vì vậy góc tới tới hạn trên biên giới
thuỷ tinh - không khí cỡ ig ≈ 420, khi góc tới bằng 450 sẽ luôn luôn xảy ra hiện tượng
phản xạ toàn phần. Hình 1.4 biểu diễn các lăng kính phản xạ toàn phần.
Lăng kính phản xạ toàn phần được ứng dụng nhiều trong các dụng cụ quang học
như kính tiềm vọng, kính hiển vi, khúc xạ kế . Ngày nay hiện tượng phản xạ toàn phần
còn được ứng dụng trong cáp sợi quang (O.F = 0ptical Fibers).
Sợi quang học cấu tạo gồm hai lớp (xem hình 1.5), lõi có
chiết suất n1, vỏ có chiết suất n2, với điện kiện nl > n2. Khi cho
ánh sáng (tia laser) đi vào một đầu sợi quang (phấn lõi), ánh
sáng sẽ phản xạ toàn phần nhiều lần trong lõi mà không bị lọt
ra lớp vỏ, như vậy không mất mát (hay không đáng kể) năng
lượng và sẽ đi đến tận đầu kia của sợi quang.
Dựa vào tính chất chiết suất của các chất phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng chiếu
vào nó, người ta có thể giải thích hiện tượng tán sắc ánh sáng (thí dụ cầu vồng). Dựa
trên nguyên lý này, đã chế tạo ra các dụng cụ phân tích ánh sáng đa sắc (ánh sáng tự
nhiên) thành các ánh sáng đơn sắc, thí dụ như các lăng kính (bằng thuỷ tinh hay thạch
anh) dùng trong các máy quang phổ.
Chiết suất chất phụ thuộc vào bản chất của chất đó, vào bước sóng ánh sáng chiếu
vào nó, vào nhiệt độ khi đo, và với một số dung dịch, còn phụ thuộc vào nồng độ của
chất tan. Vì vậy việc xác định chỉ số khúc xạ (chiết suất) của một chất được dùng để
phân tích định tính và có thể cả định lượng chất đó.