Lăng kính là gì?

Câu hỏi: Lăng kính là gì?

Trả lời

Lăng kính là một dụng cụ quang học, sử dụng để khúc xạ, phản xạ và tán xạ ánh sáng sang các màu quang phổ 

Cùng Top lời giải tìm hiểu về lăng kính và các dạng bài tập về lăng kính nhé.

Lăng kính

Lăng kính là một dụng cụ quang học, sử dụng để khúc xạ, phản xạ và tán xạ ánh sáng sang các màu quang phổ (như màu sắc của cầu vồng). Lăng kính thường được làm theo dạng kim tự tháp đứng, có đáy là hình tam giác.

Tia sáng đi từ một môi trường (như môi trường không khí) sang một môi trường khác (như thủy tinh trong lăng kính), nó sẽ bị chậm lại, và giống như kết quả, nó sẽ hoặc bị cong (khúc xạ) hoặc bị phản xạ hoặc đồng thời xảy ra cả hai hiện tượng trên. Góc mà tia sáng hợp với trục thẳng góc tại điểm mà tia sáng đi vào trong lăng kính được gọi là góc tới, và góc tạo ra ở đầu bên kia, qua quá trình khúc xạ được gọi là góc ló. Tương tự, tia sáng đi vào trong lăng kính được gọi là tia tới và tia sáng đi ra ngoài lăng kính được gọi là tia ló.

Các lăng kính phản xạ được sử dụng để phản xạ ánh sáng, ví dụ như các ống nhòm, vì, nhờ hiện tượng phản xạ toàn phần, chúng dễ dàng được sử dụng hơn là các gương. Các lăng kính tán sắc được sử dụng để chia ánh sáng thành các thành phần quang phổ màu, bởi vì độ khúc xạ của chúng phụ thuộc vào bước sóng của tia sáng (hiện tượng tán sắc); khi một tia sáng trắng đi vào trong lăng kính, nó có một góc tới xác định, trải qua quá trình khúc xạ, và phản xạ bên trong lăng kính, dẫn đến việc tia sáng bị bẻ cong, hay gập khúc, và vì vậy, màu sắc của tia sáng ló sẽ khác nhau. Ánh sáng màu xanh có bước sóng nhỏ hơn ánh sáng màu đỏ và vì vậy nó cong hơn so với ánh sáng màu đỏ. Cũng có loại lăng kính phân cực, nó có thể chia ánh sáng thành các thành phần phân cực khác nhau.

Isaac Newton là người đầu tiên cho rằng các lăng kính có thể chia ánh sáng ra các màu từ ánh sáng trắng. Newton đã đặt một lăng kính thứ hai, nơi mà các ánh sáng sau khi tán sắc sẽ đi vào trong nó, và tìm thấy rằng, các màu sắc không hề thay đổi. Ông ấy kết luận các lăng kính phân chia các màu sắc. Ông còn sử dụng một thấu tính, giống như một lăng kính thứ hai để tạo ra cầu vồng từ ánh sáng trắng.

Các loại lăng kính

Lăng kính tán xạ

Lăng kính tán xạ được dùng để phân tách ánh sáng đa sắc thành những tia sáng đơn sắc, phụ thuộc vào tần sô của ánh sáng chiếu vào nó. Các loại lăng kính tán xạ:

- Lăng kính tam giác

- Lăng kính Abbe

- Lăng kính Pellin-Broca

- Lăng kính Amici

Lăng kính phản xạ

Lăng kính phản xạ được dùng để phản xạ ánh sáng, dùng trong máy ảnh và ống nhòm.

- Lăng kính ngũ giác (lăng kính năm mặt)

- Lăng kính Porro

- Lăng kính Porro-Abbe

- Lăng kính Abbe-Koenig

- Lăng kính Schmidt-Pechan

- Lăng kính Dove

- Lăng kính Dichroic

- Lăng kính Amici roof

Lăng kính phân cực

Lăng kính phân cực có thể chia chùm sáng thành phần khác nhau. Chúng thường được chế tạo từ vật liệu phân cực.

Lăng kính Nicol

Lăng kính Wollaston

Lăng kính Rochon

Lăng kính Glan-Foucault

Lăng kính Glan-Taylor

Lăng kính Glan-Thompson

Các công thức lăng kính

Trường hợp tổng quát

Khi một tia sáng đi vào trong một lăng kính, tại điểm tới I, nó sẽ tạo ra góc tới với phương pháp tuyến (đường thẳng vuông góc với mặt phẳng của lăng kính tại điểm tới I), gọi là i₁, một phần của ánh sáng sẽ phản xạ, phần còn lại đi vào trong lăng kính, được gọi là hiện tượng khúc xạ. Tia sáng sẽ bị gập khúc, hoặc khuỳnh ra tùy theo môi trường của lăng kính, vì thế nó sẽ tạo ra một góc lệch, gọi là  r₁. Ánh sáng tiếp tục đi đến mặt lăng kinh bên kia, quá trình phản xạ và khúc xạ lại diễn ra tương tự, với môi trường ngược lại. Kết quả, nó sẽ tạo ra góc lệch r₂ và góc ló i₂. Công thức tổng quát đó là:

- sin(i₁) = nsin(r₁)

- sin(i₂) = nsin(r₂)

- ∠A = r₁ + r_2.

- Góc lệc ∠D = i₁ + i₂ - ∠A

Với n là chiết suất lăng kính đối với mặt ngoài.

Trường hợp góc nhỏ 

Ảnh cho bởi lăng kính 

Chỉ có ảnh rõ nét nếu:

- Chùm tia tới là một chùm nhỏ đến gần đỉnh

- Góc tới trung bình của chùm tới ứng với độ lệch cực tiểu

- Ảnh và vật cách đều A và hợp với A góc {\displaystyle D_{\text{min}}}

Các bài toán về lăng kính

- Vẽ đường đi của tia sáng

- Trường hợp có góc D cực tiểu

- Lăng kính kết hợp với một quang cụ khác

- Lăng kính tiếp xúc với nhiều môi trường khác nhau

Các dạng bài tập về lăng kính 

Bài 1: Tại sao ánh sáng truyền từ không khí vào lăng kính, luôn có sự khúc xạ và tia khúc xạ lệch gần tia pháp tuyến hơn so với tia tới.

Trả lời:

* Vì chiết suất của các chất làm lăng kính bao giờ cũng lớn hơn chiết suất của không khí: n > 1. Do ánh sáng truyền từ không khí vào lăng kính là từ moi trường chiết quang hơn => luôn có tia khúc xạ.

* Mặt khác, theo công thức của định luật khúc xạ ta có:

- sin(i₁) = nsin(r₁) > sin(r₁)

i₁ > r₁ luôn có sự khúc xạ và tia khúc xạ lẹch gần pháp tuyến hơn so với tia tới.

Bài 2: Giải thích sự phản xạ toàn phần ở mặt phân cách bên lăng kính ở hình bên dưới 

Trả lời:

Lăng kính phản xạ toàn phần là lăng kính có tiết diện thẳng là tam giác vuông cân ABC vuông tại A. Như vậy góc B = góc C = 45^o.

• Trường hợp hình 28.7a: Chùm tia sáng tới song song tới góc vuông với mặt bên AB, sẽ truyền thẳng vào lăng kính tới đáy BC dưới góc tới trên mặt đáy BC là i₂ = 45^o. Chất làm lăng kính có chiết suất n thỏa mãn điều kiện sao cho góc giới hạn i_gh < i₂ = 45^o. Tức là:

Khi đó sẽ thõa mãn điều kiện phản xạ toàn phần tại đáy BC. Ta thu được tia phản xạ với góc phản xạ i’₂ = i₂ = 45^o. Như vậy tia này sẽ vuông góc với mặt bên AC nên sẽ truyền thẳng ra ngoài không khí mà không bị khúc xạ.

• Trường hợp hình 28.7b: Chùm tia sáng tới song song tới vuông góc với mặt đáy BC, sẽ truyền thẳng vào lăng kính tới mặt bên AB dưới góc tới trên mặt bên AB là i₂ = 45^o. Chất lăng kính có chiết suất n thỏa mãn điều kiện sao cho góc tới giới hạn i_gh < i₂ = 45^o. Tức là:

Khi đó sẽ thỏa mãn điều kiện phản xạ toàn phần tại mặt bên AB. Ta thu được tia phản xạ với góc phản xạ i’₂ = i₂ = 45^o. Như vậy tia sáng này sẽ song song với mặt đáy BC nên sẽ truyền thẳng tới mặt bên AC dưới góc tới i₃ = 45^o. Như vậy tại mặt AC cũng thỏa mãn điều kiện phản xạ toàn phần. Ta thu được tia phản xạ với góc phản xạ i’₃ = i₃ = 45^o. Như vậy tia này sẽ vuông góc với mặt bên BC nên sẽ truyền thẳng ra ngoài không khí mà không bị khúc xạ.