§27. PHẢN XẠ TOÀN PHAN A/ KIẾN THỨC Cơ BẢN Hiện tượng phản xạ toàn phần: Phản xạ toàn phần là hiện tượng phản xạ toàn bộ tia sáng tới, xảy ra ở mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt. Ta gọi là toàn phần để phân biệt với phản xạ một phần luôn xảy ra đi kèm với sự khúc xạ. Điều kiện để có phản xạ toàn phần: Ánh sáng truyền từ một môi trường tới môi trường chiết quang kém hơn n2 < ni Góc tới lớn hơn hoặc bằng góc giới hạn: i > igh. Trong đó: sinigh = — ni ứng dụng: Cáp quang là dây dẫn sáng ứng dụng phản xạ toàn phần để truyền tín hiệu trong thông tin và để nội soi trong y học. Cáp quang là bó sợi quang, mỗi sợi quang là một dây trong suốt gồm 2 phần chính: Phần lõi trong suốt bằng thủy tinh siêu sạch có chiết suất lớn (n!) Phần vỏ bọc cũng trong suốt bằng thủy tinh có chiết suâ't n2 < np Hiện tượng phản xạ toàn phần xảy ra ở mặt phân cách giữa lõi và vỏ làm cho ánh sáng truyền đi được theo sợi quang. B/ CÂU HỎI TRONG BÀI HỌC Cp Tại sao ở mặt cong của bán trụ, chùm tia tới hẹp truyền theo phương bán kính lại truyền thẳng? c2. Vận dụng tính thuận nghịch của sự truyền ánh sáng, hãy nêu ra các kết quả khí ánh sáng truyền vào môi trường chiết quang hơn. Hướng dẫn giải Cị. ơ mặt cong của bán trụ, chùm tia tới hẹp truyền theo phương bán kính, nghĩa là trùng với pháp tuyến (góc tới bằng 0) nên tia sáng truyền thẳng. c2. Xét khi tia sáng truyền từ môi trường chiết quang kém. Khi tia tới trùng với pháp tuyến thì truyền thẳng (tia (1), d’)). Khi tia tới truyền đến mặt phân cách dưới góc tới i thì bị khúc xạ, góc khúc xạ r > i (tia (2); (2’)). Khi góc tới i = igh thì góc khúc xạ r = 90° (tia (3), (3’)). Khi góc tới i > igh thì không còn tia khúc xạ, toàn bộ tia sáng bị phản xạ. - Khi tia sáng truyền vào môi trường chiết quang hơn. Vận dụng tính thuận nghịch của chiều truyền ánh sáng ta có các kết quả sau: Khi i = 0 thì r = 0 (Tia (1); (1’)) Khi tia tới hợp với pháp tuyến một góc i thì tia khúc xạ hợp với pháp tuyến góc r < i (tia (2), (2’)). Khi góc tới i = 90° thì r < 90° (tia (3), (3’)) ni > n2 (1) n2 '(!’) trường chiết quang hơn sang môi Thế nào là phàn xạ toàn phần? Nêu điều kiện đế’ có phán xạ toàn phần. So sánh phản xạ toàn phần với phán xạ thông thường. Cáp quang là gì? Trình bày câu tạo của cáp quang. Kế một vài ứng dụng. Giải thích tại sao kim cương (hình 27.4) và pha lê sáng lóng lánh? Người ta tạo ra nhiều mặt cho viên kim cương hay các vật bằng pha lê đế’ làm gì? Một chùm tia sáng hẹp truyền từ môi trường (1) chiết suất ni tới mặt phăng phân cách vái môi trường (2) chiết suất na. Cho biết ni < n2 và i có giá trị thay đổi. Trường hợp nào sau đây có hiện tượng phản xạ toàn phần? A. Chùm tia sáng gần như sát mặt phăng phân cách. Hình 27.10 B. Góc tới i thỏa mãn điều kiện sini > — . n2 c. Góc tới i thỏa mãn điều kiện sini < — . n2 D. Không trường hợp nào nêu trên. Một chùm tia sáng hẹp SI truyền trong mặt phăng tiết diện vuông góc của một khối trong suốt như hình 27.10. Tia sáng phản xạ toàn phần ở mặt AC. Trong điều kiện dó, chiết suất n của khôi trong suốt có giá trị như thê nào? A. n > 72 . B. n < 72 . c. n = 72 . D. Không xác định được. Có ba môi trường trong suốt. Với cùng góc tới: - Nếu tia sáng truyền từ (1) vào (2) thì góc khúc xạ là 30°. giá trị như thế nào (tính - Nếu tia sáng truyền từ (1) vào (3) thì góc khúc xạ là 45°. Góc giới hạn phản xạ toàn phần ở mặt phân cách (2) và (3) có tròn sô’)? A. 30°. B. 42°. c. 45°. D. Không tính được. Một khôi bán trụ trong suốt có chiết suất n,= 1,41 « 72 . Một chùm tia sáng hẹp trong một mặt phẵng của tiết diện vuông góc với bán trụ được chiếu tối như hình 27.11. Xác định đường đi của chùm tia sáng với các giá trị sau đây của góc a. a = 60°; a = 45°; a = 30° Một sợi quang hình trụ, lõi có chiết suất ni = 1,50. Phần vỏ bọc có chiết suất n2 = 1,41 ~ 72 . Chùm tia tới hội tụ ở mặt trước của sợi với góc 2a như hình 27.12. Xác định a đế’ các tia sáng của chùm truyền đi được trong ống. tr Hướng dẩn giải Xem SGK So sánh phản xạ toàn phần với phản xạ thông thường. Phản xạ toàn phần: Toàn bộ tia sáng bị phản xạ, không có tia khúc xạ. Phản xạ thông thường: Một phần tia sáng bị phản xạ, một phần bị khúc xạ. - Cáp quang là dây dẫn sáng ứng dụng phản xạ toàn phần để truyền tín hiệu trong thông tin và để nội soi trong y học. Cấu tạo của cáp quang: Cáp quang là bó sợi quang + Sợi quang gồm hai phần chính; Phần lõi trong suốt bằng thủý tinh siêu sạch có chiết suất lớn (ni) Phần vỏ bọc cũng trong suốt bằng thủy tinh có chiết suất n2 nhỏ hơn phần lõi. + Phản xạ toàn phần xảy ra ở mặt phân cách giữa lõi và vỏ làm cho ánh sáng truyền đi được theo sợi quang học. + Ngoài cùng là một số lớp vỏ bọc bằng nhựa dẻo Kim cương và pha lê sáng lóng lánh vì tia sáng đi vào kim cương và pha lê bị phản xạ toàn phần nhiều lần liên tiếp. Người ta tạo ra nhiều mặt cho viên kim cương hay các vật bằng pha lê để các tia sáng đi vào chúng, bị phản xạ toàn phần nhiều lần. D. Điều kiện cần để có phản xạ toàn phần là: nj > n2 A. Góc giới hạn được tính bằng Công thức: sinigh = — Vì tia sáng bị phản xạ toàn phần ở mặt AC nên: i > igh => sini > sinigh => sin45° > — n V2 . 1 2 n => n > \/2 7. c. - Khi tia sáng truyền từ môi trường (1) vào (2), góc khúc xạ r = 30° Áp dụng định luật khúc xạ. sini n, . . n, . „ „ - — sini = sin30° n! 2n, - Khi tia sáng truyền từ (1) vào (3) thì góc khúc xạ r = 45° sini n, . . n, 72 = — => sini = n, n, = n3 nj 72 (1) (2) sin45° Từ (1) và (2) suy ra: n2 _ n3 2ni n,.V2 => n2 = 72 ,n3 => n2 > n3 Khi tia sáng chiếu từ (2) vào (3) góc giới hạn được tính bằng công thức sinigh = => sinigh = => igh = 45° 8. a) a = 60° => i = 30°. Góc giới hạn: ^3 nQ 72 ữllllgh n 72 g Vì i = 30° < igh nên tia sáng bị khúc xạ. Áp dụng định luật khúc xạ: Hình 27.la b) sini sinr £2 n, _1 n => sinr = 72 .sini = 72 ,sin30° = => r = 45° (hình 27. la), a = 45° => i = 45° = igh => r = 90° Bắt đầu xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần, tia khúc xạ nằm sát mặt phân cách (hình 27.lb) 72 Hình 27.lb c) a = 30° => i = 60° Vì i > igh nên tia sáng bị phản xạ toàn phần, góc phản xạ bằng góc tới bằng 60° (hình 27. lc). 9. Tia sáng SI chiếu đến mặt phân cách dưới góc tới i = a cho tia khúc xạ IJ, góc khúc xạ là r. Áp dụng định luật khúc xạ. sina = l,5sinr - Tia IJ gặp mặt phân cách giữa phần lõi và phần vỏ với góc tới ii - Góc giới hạn sinigh = —- = ~ = 0,943 n, 1,5 igh = 70,5°. Điều kiện để có phản xạ toàn phần là: ii > igh ij > 70,5°. Mà Ĩ! + r = 90q => r sinr sina < l,5.sinl9,5° sina < 0,5 a < 30°. Show
Tác giả Cô Hiền Trần 10:08 29/04/2022 2,666 Cáp quang là vật được rất nhiều người biết đến với tác dụng để truyền internet, truyền hình,... Nhưng các bạn học sinh có biết cáp quang chính là một ứng dụng của phản xạ toàn phần? Phản xạ toàn phần là kiến thức chương quang học rất quan trọng của chương trình Vật Lý 11. Cùng VUIHOC tìm hiểu mọi kiến thức về phản xạ toàn phần trong bài viết dưới đây nhé!
Để chứng minh và tìm những tính chất của hiện tượng phản xạ toàn phần, thí nghiệm sự truyền ánh sáng vào môi trường chiết quang kém hơn (n1 > n2) đã được tiến hành như sau: Cho chùm tia sáng truyền từ khối nhựa hình bán trụ trong suốt truyền vào không khí, ta có kết quả như bảng sau đây:
Ta có thể giải thích như sau: Khi ánh sáng truyền vào môi trường chiết quang kém hơn như nước, sẽ có một giá trị của góc tới mà tại đó không xuất hiện tia khúc xạ mà ta chỉ quan sát được ta phản xạ. Giá trị này được gọi là góc tới hạn và được xác định bởi công thức:
1.2. Hiện tượng phản xạ toàn phầnTừ thí nghiệm trên, các nhà khoa học đã rút ra được định nghĩa của phản xạ toàn phần như sau: Phản xạ toàn phần là hiện tượng phản xạ lại toàn bộ tia sáng tới, xảy ra ở mặt phân cách giữa 2 môi trường trong suốt. Lưu ý:
1.3. Hiện tượng phản xạ toàn phần xảy ra khi nào?Vậy khi nào hiện tượng phản xạ toàn phần xảy ra? Phản xạ toàn phần xảy ra khi thoả mãn các điều kiện sau đây:
 2. Phân biệt phản xạ toàn phần và phản xạ thông thườngPhản xạ toàn phần thường bị học sinh nhầm lẫn với phản xạ một phần (phản xạ thông thường). Nhìn chung, hai hiện tượng này đều có những đặc trưng của phản xạ, tuy nhiên mỗi hiện tượng lại có đặc điểm phân biệt khác nhau:
3. Ứng dụng phản xạ toàn phần trong đời sống: cáp quangCáp quang là một ứng dụng điển hình của ví dụ phản xạ toàn phần trong đời sống. Cáp quang sử dụng với mục đích truyền tải dữ liệu bằng những xung ánh sáng, truyền trong một sợi dây dài làm bằng nhựa hoặc thuỷ tinh trong suốt. Cáp quang ít bị nhiễu và tốc độ truyền cao và truyền được xa hơn. 3.1. Cấu tạo cáp quangCáp quang được cấu tạo từ một bó các sợi quang. Mỗi sợi quang là một dây trong suốt, có thể dẫn sáng ứng dụng phản xạ toàn phần. Cấu tạo của sợi quang gồm 2 phần chính:
Phản xạ toàn phần xảy ra ở mặt phân cách giữa lớp lõi và vỏ, khiến cho ánh sáng truyền đi theo sợi quang. Các dây quang được thiết kế sao cho các tia sáng đi vào bên trong đều bị uốn cong. Tia sáng được truyền đi liên tục, đập vào và bật ra các bức tường sợi quang, từ đó truyền dữ liệu từ điểm đầu đến điểm cuối. 3.2. Công dụng của cáp quangCáp quang được ứng dụng nhiều nhất trong việc truyền thông tin như truyền hình cáp, viễn thông, truyền internet,... Ngoài ra cáp quang còn được sử dụng để nội soi trong Y học, sử dụng trong các dự án chiếu sáng trang trí nghệ thuật. 3.3. Ưu điểm so với cáp bằng đồngCáp quang có ưu điểm vượt trội so với cáp bằng đồng như:
4. Lăng kính phản xạ toàn phần4.1. Khái niệmLăng kính là một khối chất trong suốt và đồng chất, có thể làm bằng thuỷ tinh hoặc nhựa, pha lê,... thường có dạng là hình lăng trụ tam giác. 4.2. Cấu tạo và ứng dụngLăng kính phản xạ toàn phần là một khối lăng trụ thuỷ tinh/nhựa có thiết diện thẳng là một tam giác vuông cân. Lăng kính phản xạ toàn phần được sử dụng để tạo ảnh thuận chiều trong ống nhòm, máy ảnh,… Sử dụng để làm thiết bị đảo ảnh, đổi góc quan sát hoặc thực hành phản xạ trong thí nghiệm vật lý phục vụ mục đích học tập và nghiên cứu. 5. Bài tập về phản xạ toàn phần5.1. Bài tập minh họaBài 1: Cho khối thuỷ tinh P chiết suất 1,5 có tiết diện thẳng là tam giác vuông ABC (vuông tại B). Chiếu 1 tia sáng song song SI vuông góc tới mặt AB. a. Khối thuỷ tinh đặt trong môi trường không khí. Khi đó, hiện tượng phản xạ toàn phần có xảy ra không? b. Khối thuỷ tinh đặt trong nước có chiết suất n’ = 1,33. Tính góc lệch D? Giải: a. Quan sát đường đi của tia sáng trong hình vẽ dưới đây:
Xét tam giác ABC, ta có: r’ = 45 độ Ta thấy: r' = igh n1 > n2 Vậy, hiện tượng phản xạ toàn phần có xảy ra, tia sáng truyền thẳng ra không khí tại mặt BC. b. Quan sát đường đi của tia sáng trong hình vẽ sau: Ta có:
Vì r' < igh cho nên AC có tia khúc xạ. Áp dụng công thức khúc xạ ánh sáng, ta có:
Kết luận, góc lệch Bài 2 (SGK Vật lý 11 - trang 168): Áp dụng tính thuận nghịch của sự truyền ánh sáng, hãy nêu ra các kết quả khi ánh sáng được truyền vào môi trường có chiết quang hơn? Giải: Áp dụng tính thuận nghịch của sự truyền ánh sáng, khi ánh sáng được truyền từ môi trường có chiết quang kém (chiết suất n1) vào môi trường có chiết quang lớn hơn (chiết suất n2), ta có: Do n1 < n2 nên i > r. Ta thấy Kết quả rút ra được là:
5.2. Bài tập vận dụngBài 1: Cho khối thủy tinh P chiết suất 1,5 nằm trong bể nước có tiết diện thẳng là 1 hình tam giác ABC vuông tại đỉnh B. Chiếu vuông góc một chùm sáng SI tới mặt AB, song song với AB. Tính góc lệch D khi biết chiết suất của nước là 1,33? A. 4o53' B. 5o53' C. 6o53' D. 7o53' Bài 2: Có ba môi trường trong suốt. Với cùng một góc tới:
Ở mặt phân cách 2 và 3, góc giới hạn phản xạ toàn phần bằng bao nhiêu (làm tròn số)? A. 30o B. 40o C. 45o D. Không có kết quả Bài 3: Chiếu 1 tia sáng từ trong thủy tinh tới mặt phân cách giữa thủy tinh và không khí tạo một góc tới i = 300, tia phản xạ và tia khúc xạ vuông góc với nhau. Tính giá trị góc tới thoả mãn không có tia sáng nào ló ra môi trường không khí. A. i' > 35o15' B. i' > 36o15' C. i' > 37o15' D. i' > 38o15' Bài 4: Khi đề cập tới hiện tượng phản xạ toàn phần trong Vật lý, phát biểu nào dưới đây là SAI? A. Khi xuất hiện hiện tượng phản xạ toàn phần, hầu hết toàn bộ ánh sáng phản xạ ngược trở lại môi trường nơi có chứa ánh sáng tới B. Phản xạ toàn phần chỉ có thể xảy ra khi ánh sáng đi từ môi trường chiết quang lớn hơn tới môi trường chiết quang kém hơn C. Phản xạ toàn phần xảy ra khi góc giới hạn phản xạ toàn phần nhỏ hơn góc tới. D. Góc GH (giới hạn) phản xạ toàn phần được tính bằng công thức tỉ số chiết suất giữa môi trường chiết quang kém hơn chia cho môi trường chiết quang lớn hơn Bài 5: Chiếu 1 chùm tia sáng đến 1 mặt phân cách của 2 môi trường có tính chất trong suốt. Trong trường hợp có xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần thì ta có thể kết luận như thế nào? A. Cường độ ánh sáng của chùm khúc xạ xấp xỉ bằng cường độ sáng của chùm tới B. Cường độ ánh sáng của chùm tia phản xạ xấp xỉ bằng cường độ sáng của chùm tới C. Cường độ sáng của chùm tia phản xạ lớn hơn cường độ sáng của chùm tia tới D. Cường độ sáng của chùm tia phản xạ, chùm tia tới và chùm tia khúc xạ là bằng nhau Bài 6: Để xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần, điều kiện cần có là: A. Tia sáng tới đi từ môi trường có chiết suất nhỏ hơn và tới môi trường có chiết suất lớn hơn B. Tia sáng tới xuất phát từ môi trường có chiết suất lớn hơn đi đến mặt phân cách giữa môi trường có chiết suất nhỏ hơn C. Tia sáng tới bắt buộc phải đi vuông góc so với mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt D. Tia sáng tới bắt buộc phải đi song song so với mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt Bài 7: Một tia sáng đi từ nước cho đến mặt phân cách với không khí. Cho chiết suất nước n = 4/3 và chiết suất không khí n = 1. Góc GH tia sáng phản xạ toàn phần là bao nhiêu? A. 41o48’ B. 48o35’ C. 62o44’ D. 38o26’ Bài 8: 1 tia sáng đi từ thuỷ tinh đến mặt phân cách với nước. Biết chiết suất của thuỷ tinh bằng 1,5; chiết suất của nước bằng 4/3. Để xuất hiện tia sáng đi vào nước thì góc tới i phải thoả mãn điều kiện: A. i ≥ 62o44’ B. i < 62o44’ C. i < 65o48’ D. i < 48o35’ Bài 9: Cho 1 khối thuỷ tinh dạng hình hcn ABCD. Tiết diện của ABCD thẳng đặt trong không khí. Cho mọi tia sáng cùng phản xạ toàn phần ở mặt chứa cạnh BC khi chiếu tới mặt có cạnh AB thì chiết suất n thuỷ tinh có giá trị nhỏ nhất là bao nhiêu? A. 1,5 B. 2 C. √3 D. √2 Bài 10: Một bể chứa nước có độ sau là 60cm. Trên bề mặt nước, tiến hành đặt một tấm gỗ có bán kính là r. Chiết suất của nước là 4/3. Một nguồn sáng S đặt trên đường thẳng đi qua tâm tấm gỗ và đặt dưới đáy bể. Giá trị r nhỏ nhất bằng bao nhiêu để tia sáng từ S không truyền ra ngoài không khí? A. 63cm B. 68cm C. 55cm D. 51cm Đáp án:
Trên đây là toàn bộ kiến thức về phản xạ toàn phần và cách áp dụng phản xạ toàn phần giải các bài tập và ứng dụng trong thực tế. Hy vọng rằng sau bài viết này, các em học sinh sẽ thành thạo và tự tin hơn trong các bài tập liên quan đến chương Quang học của Vật lý 11. Để đọc nhiều hơn những kiến thức Vật lý thú vị, truy cập ngay trang web Vuihoc.vn hoặc liên hệ trung tâm hỗ trợ nhé! |
