WINTERTemplate

01SeminarSeminar

QUANG HÌNH HỌCQUANG HÌNH HỌC(Geometrical Optics)(Geometrical Optics)

SeminarSeminar

QUANG HÌNH HỌCQUANG HÌNH HỌC(Geometrical Optics)(Geometrical Optics)

Các định luật cơ bản (fundamental laws)Các định luật cơ bản (fundamental laws)

Quang lộ (Optical path)Quang lộ (Optical path)

Nguyên lý Fermat (Fermat’s principle)Nguyên lý Fermat (Fermat’s principle)

Người thực hiệnLê Xuân DũngNguyễn Tiến DũngNguyễn Tiến MạnhĐào Hữu Thuận

I. Các định luật cơ bản I. Các định luật cơ bản

Quang hình học dựa trên khái niệm tia sáng

Các định luật cơ bản Định luật về sự truyền thẳng của ánh sáng Nguyên lý tác dụng độc lập Hai định luật Decartes về sự phản xạ và khúc xạ

Tia sáng là đường thẳng, vẽ theo đường truyền của ánh sáng. Đây là một khái niệm lý tưởng hóa, vì: ta không thể tạo ra một lỗ có đường kính bằng 0 để chỉ cho một tia sáng đi qua và ngay cả khi tạo được lỗ có đường kính bằng 0 hiện tượng nhiễu xạ đã ảnh hưởng rõ rệt, làm cho định luật truyền thẳng không còn đúng nữa

I. Các định luật cơ bản I. Các định luật cơ bản

Trong môi trường trong suốt và đồng tính, ánh sáng truyền theo

đường thẳng

Định luật về sự truyền thẳng của ánh sáng

Cho phép ta giải thích hiện tượng nhật thực và nguyệt thực

Không đúng với hiện tượng nhiễu xạ

Người ta cũng thấy rằng khi ánh sáng truyền qua những lỗ có kích thước rất nhỏ, hoặc gặp những vật cản có kích thước rất nhỏ (vào cỡ bước sóng ánh sáng) thì định luật truyền thẳng không còn đúng nữa

I. Các định luật cơ bản I. Các định luật cơ bản

I. Các định luật cơ bản I. Các định luật cơ bản II

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 của các chùm sáng khác

Định luật về tác dụng độc lập của tia sáng

Không đúng với hiện tượng giao thoa

I. Các định luật cơ bản I. Các định luật cơ bản II

Law of reflection : Tia phản xạ nằm trong

mặt phẳng tới và số đo của góc phản xạ

(angle of reflection) bằng góc tới (angle

of indicence)

Định luật Descartes

Khi tia sáng chiếu tới mặt phân cách giữa hai môi trường (trong suốt

và đồng tính) bị tách thành 2 tia : phản xạ và khúc xạ

Law of refraction : Tia khúc xạ nằm trong

mặt phẳng tới và tỉ số giữa sin góc tới và

góc khúc xạ là một số không đổi

Tia tới Tia phản xạ

Tia khúc xạ

O

S

R1

R2

i r

t

i = ri

21t

sinn

sin

I.I. Các định luật cơ bản Các định luật cơ bản II

Định luật Descartes

Tia tới Tia phản xạ

Tia khúc xạ

O

SR1

R2

i r

t

i 221

t 1

sin nn

sin n

n21 > 1 t < i : môi trường 2 có

chiết quang hơn môi trường 1

n21 < 1 t > i : môi trường 2 có chiết

quang kém môi trường 1

Chiết suất tỉ đối : bằng tỉ số của vận tốc truyền ánh sáng trong hai môi

trường

Chiết suất tuyệt đối : bằng chiết suất tỉ đối của môi trường đó với

chân không

II• Hiện tượng phản xạ toàn phần: tia sáng đi từ môi trường 1 đến môi trường 2Xét 2 môi trường có chiết suất n1 n2 và n1 > n2 . Khi đó r > i, nghĩa là không phải mọi tia tới đều cho tia khúc xạ. Khi góc tới i đạt một giá trị igh nào đó thì góc khúc xạ r = 90 độ, khi đó tia khúc xạ nằm trùng với mặt phân cách hai môi trường. Khi i> igh thì toàn bộ tia sáng bị phản xạ. Hiện tượng này gọi là hiện tượng phản xạ toàn phần.

I. Một số định luật cơ bảnI. Một số định luật cơ bản

Ứng dụng của hiện tượng phản xạ toàn phần:

Ánh sáng ban ngày có thể phản xạ toàn phần nhiều lần qua các mặt trong tinh thể kim cương rồi mới ló ra ngoài tạo độ lấp lánh. Lúc đó do hiện tượng tán sắc các màu của quang phổ ánh sáng trắng được phân tán, vì thế trông kim cương ta thấy có nhiều màu sắc.

Kim cương sáng lóng lánh do phản xạ toàn phần: Kim cương sáng lóng lánh do phản xạ toàn phần:

Hình 27.4: kim cương sáng lóng lánhHình 27.4: kim cương sáng lóng lánh (kim cương tán xạ tốt với ánh sáng thường)

(kim cương tán xạ tốt với ánh sáng thường)

n1

n2

n4

n5

A

A’

n3

Hiện tượng ảo ảnh:

II. II. Quang lộ (Optical path)Quang lộ (Optical path)II Khái niệm quang lộ

Quang lộ giữa hai điểm A, B là quãng đường ánh sáng truyền

được trong chân không trong khoảng thời gian t, với t là thời gian

mà ánh sáng đi được đoạn AB trong môi trường.

L : quang lộ giữa A, B : L = c.tt = d/v

c = n.vL = n.d

Khi ánh sáng truyền qua các môi trường có bề dày di khác nhau

và chiết suất ni khác nhau : L = n1d1 + n2d2 + n3d3 + … = n

i ii=1

n d

A

Bd

Chiết suất n

A A

B

d1

d2

d3

n1 n2

n3

dsB

A

L n.ds

III. Nguyên lý Fermat (Fermat’s principle)

Nguyên lý Fermat

Giữa hai điểm A và B, ánh sáng sẽ truyền theo đường nào mà quang

lộ đạt cực trị (cực đại, cực tiểu hoặc không đổi)

Ta cũng có thể phát biểu như sau: Giữa hai điểm A,B ánh sáng sẽ truyền theo con đường nào hoặc ít thời gian nhất hoặc mất nhiều thời gian nhất hoặc sẽ theo những con đường nào mà thời gian truyền bằng nhau

II. Fermat’s Principle II. Fermat’s Principle

III. Fermat’s principleIII. Fermat’s principle

Gương kim loại, hình trụ, có tiết diện thẳng là một elip, với nguồn sáng là một đén ống, song song với hình trụ, và vật được rọi sáng là một hình trụ bằng thủy tinh, hoặc một ống thủy tinh chứa chất lỏng hoặc chất khí, lần lượt đặt tại tiêu điểm được dùng trong kĩ thuật phân tích phổ Raman, và trong kĩ thuật laze.

Vòm trần của một số ga tàu điện ngầm ở Pari cũng có dạng elip, nên hai người ở tiêu điểm, tuy đứng khá xa nhau, mà vẫn có thể nghe được tiếng nói của nhau do các tia sóng âm phát đi từ miệng người này được vòm trần hội tụ gần như đúng vào tai người kia.

III. Nguyên lý Fermat (Fermat’s principle)II

Ứng dụng nguyên lý Fermat : Định luật phản xạ ánh sáng

Nguồn sáng

O

S

R1i r

Ảnh

M

N

I

Theo định luật phản xạ :

LSOM = SO + OM = SO + ON = SN = 2SO

Giả sử as có thể truyền theo đường SIM

bất kì LSIM = SI + IM = SI + IN

SIN có SN < SI + IN

LSOM < LSIM

Hay ánh sáng truyền theo đường mà quang lộ

cực tiểu

III. Nguyên lý Fermat (Fermat’s principle)III. Nguyên lý Fermat (Fermat’s principle)

Ứng dụng nguyên lý Fermat : Định luật khúc xạ ánh sáng

Nguồn sáng

S

i

r

Ảnh N

I

Quang lộ : LSIN = n.SI + n.IN

Nguyên lý Fermat :

S’ xN’

22 2 2SIN 1 1 2 2L n x h n S'N' x h

dL0

dx

1 22 2 2 2

1 2

x S'N' xn n 0

x h S'N' x h

Hay n1.sini = n2.sinr

Định luật Descartes

h1

h2

n1

n2

1. Các định luật cơ bản (Fundamental laws)

• Định luật về sự truyền thẳng

• Định luật tác dụng độc lập của tia sáng

• Định luật Descartes

2. Quang lộ (optical path)

3. Nguyên Lí Fermat (Fermat’s principle)

Một số câu hỏi thú vị về quang họcMột số câu hỏi thú vị về quang họcII1..Những đêm hè quang mây không Trăng ngồi hóng mát ngoài sân, chúng ta thường say mê ngắm bầu trời, với muôn vàng ngôi sao lấp lánh. Nếu qua sát kỹ, chúng ta sẽ thấy rằng, những ngôi sao ở thấp gần chân trời lấp lánh mạnh hơn, còn những ngôi sao ở cao, giữa vòm trời, thì không lấp lánh. Hãy giải thích tại sao?

Một số câu hỏi thú vị về quang họcMột số câu hỏi thú vị về quang học

Các tia sáng từ sao đến mắt ta cũng qua một lớp khí quyển dày. Ban ngày mặt đất bị Mặt Trời nung nóng nên trong khí quyển luôn luôn có dòng khí đối lưu nhỏ, chiếc suất khác nhau. Tia sáng từ vì sao tới mắt ta, khi đi qua những dòng khí ấy, bị khúc xạ thành hơi cong, lúc cong về phía này, lúc cong về phía khác. Do đó một mặt vị trí của ngôi sao hình như bị thay đổi liên tục, mặt khác số tia sáng rọi vào mắt cũng không đều, lúc nhiều, lúc ít khiến ta thấy sao có lúc sáng hơn, có lúc tối hơn, tức là thấy nó lấp lánh.

Sao càng ở gần chân trời, lớp không khí mà tia sáng phải đi qua càng dày, sao càng lấp lánh mạnh. Khi sao ở giữa đỉnh đầu, lớp không khí mà ánh sáng đi qua mỏng hơn, tia sáng lại đi cùng phương với dòng khí, nên tia sáng không bị cong và hầu như không lấp lánh.

Tại sao ở xứ lạnh, trên các đồng cỏ hay đại dương ta có thể thấy hiện tượng ảnh ảo của những vật ở phía dưới đường chân trời?

Tại vì ở vùng lạnh chiết suất của không khí giảm theo độ cao