【Nhà xuất bản Nhân dân】Vật lý THPT, Chọn lựa Bắt buộc, Tập 1: Bí ẩn khúc xạ: Từ hiện tượng đời thường đến quy luật quang học hình học

Cây đũa bị gãy – Cánh cửa mở ra thế giới quang học

Khi bạn chĩa một chiếc đũa thẳng vào cốc nước theo góc nghiêng, đường thẳng ban đầu lại bị "gãy" một cách kỳ lạ tại mặt nước. Điều này không phải là phép màu, mà là do ánh sáng nhảy một điệu vũ uốn lượn tuyệt đẹp tại ranh giới giữa hai môi trường khác nhau.

Khiánh sáng đi từ môi trường thứ nhất tới bề mặt phân cách với môi trường thứ hai, năng lượng sẽ được phân bổ một cách thú vị:một phần ánh sáng sẽ quay trở lại môi trường thứ nhất, hiện tượng này gọi là phản xạ ánh sáng; cònmột phần ánh sáng khác sẽ đi vào môi trường thứ hai, hiện tượng này gọi là khúc xạ ánh sáng.

Nền tảng của quang học hình học: Định luật khúc xạ

Góc tới và góc khúc xạ:góc giữa tia tới và đường pháp tuyến $\theta_1$ được gọi là góc tới, còngóc giữa tia khúc xạ và đường pháp tuyến $\theta_2$ được gọi là góc khúc xạ.
Định luật khúc xạ (Định luật Snell): Tia khúc xạ, tia tới và đường pháp tuyến cùng nằm trong một mặt phẳng; tia khúc xạ và tia tới nằm về hai phía khác nhau của pháp tuyến; tỉ số sin của góc tới và sin của góc khúc xạ là hằng số.
Công thức cốt lõi: $$\frac{\sin \theta_1}{\sin \theta_2} = n_{12}$$
Tính chất thuận nghịch của đường đi ánh sáng: Hãy nhớ rằng,trong hiện tượng khúc xạ, đường đi của ánh sáng cũng có tính thuận nghịch. Điều đó nghĩa là nếu ánh sáng đi từ môi trường 2 ngược lại theo hướng tia khúc xạ ban đầu, nó sẽ quay trở lại theo đường đi ban đầu của tia tới.

Quang học sóng và nghiên cứu liên ngành

Ứng dụng hiện tượng giao thoa và hiệu ứng Doppler

Trong vật lý học, tính chất sóng của ánh sáng không chỉ thể hiện ở hiện tượng khúc xạ, mà còn ở hiện tượng giao thoa và dịch chuyển tần số. Dưới đây là hai nhiệm vụ dựa trên thực nghiệm và nghiên cứu lý thuyết.

Câu hỏi

Trong thí nghiệm giao thoa hai khe, điểm P trên màn quan sát có hiệu đường đi tới hai khe $S_1$ và $S_2$ là $7.5 \times 10^{-7}\,m$. Nếu chiếu ánh sáng có tần số $6.0 \times 10^{14}\,Hz$ vào hai khe, tại điểm P xuất hiện vân sáng hay vân tối? Hãy trình bày quá trình phân tích.

Câu trả lời:
1. Trước tiên, tính bước sóng của ánh sáng: $\lambda = c/f = (3.0 \times 10^8) / (6.0 \times 10^{14}) = 5.0 \times 10^{-7}\,m$. 2. Tính tỷ số giữa hiệu đường đi và bước sóng: $\Delta r / \lambda = (7.5 \times 10^{-7}) / (5.0 \times 10^{-7}) = 1.5$. 3. Kết luận phân tích: Do hiệu đường đi bằng 1,5 lần bước sóng (tức là 3 nửa bước sóng, là bội số lẻ của nửa bước sóng), theo nguyên lý cộng hưởng của các sóng đồng pha, dao động tại điểm P bị suy yếu, do đó xuất hiện vân tối.

Câu hỏi

[Bài tập viết] Tìm kiếm từ khóa "Hiệu ứng Doppler" trên công cụ tìm kiếm internet, tìm hiểu các ứng dụng và viết một bài giới thiệu ngắn để trao đổi.

Câu trả lời:
Hiệu ứng Doppler mô tả hiện tượng tần số nhận được thay đổi khi nguồn sóng và người quan sát chuyển động tương đối với nhau. Các ứng dụng bao gồm: 1. Lĩnh vực giao thông: Máy đo tốc độ radar Doppler, dùng để đo chính xác tốc độ xe bằng cách phân tích sự thay đổi tần số của sóng phản xạ. 2. Lĩnh vực y tế: Siêu âm Doppler màu, dùng để chẩn đoán tình trạng mạch máu bằng cách phát hiện sự dịch chuyển tần số của sóng siêu âm do dòng máu gây ra. 3. Lĩnh vực thiên văn học: Bằng cách quan sát hiện tượng "đỏ hóa" ở các thiên hà xa xôi, các nhà thiên văn học suy ra vũ trụ đang giãn nở. 4. Lĩnh vực khí tượng: Radar thời tiết Doppler có thể phát hiện tốc độ gió và cường độ mưa, cung cấp dữ liệu then chốt cho dự báo thời tiết.