Vật lý 11. Chương VI. Bài 27: Phản xạ toàn phần

I. Tóm tắt lý thuyết:

A. SỰ TRUYỀN ÁNH SÁNG VÀO MÔI TRƯỜNG CHIẾT QUANG KÉM HƠN (n₁ > n₂).

1. Thí nghiệm

Ta cho một chùm tia sáng hẹp truyền từ khối nhựa trong suốt hình bán trụ vào trong không khí.

Thay đổi độ nghiêng của chùm tia tới (thay đổi góc tới i) và quan sát chùm tia khúc xạ ra không khí. Khi góc tới i ≥ i_gh tia khúc xạ không còn, toàn bộ tia sáng bị phản xạ.

2. Góc giới hạn phản xạ toàn phần

- Khi chùm tia sáng khúc xạ ở mặt phân cách hai môi trường, ta có:

\[{n_1}\sin i = {n_2}\sin r\]

Suy ra : \[\sin r = \frac{{{n_1}}}{{{n_2}}}\sin i\].

Vì n₁ > n₂ nên: sinr > sini. Do đó r > i.

Chùm tia khúc xạ lệch xa pháp tuyến hơn so với chùm tia tới.

- Khi góc i tăng thì góc r cũng tăng (với r > i). Do đó, khi r đạt giá trị cực đại 90° thì i đạt giá trị i_gh gọi là góc giới hạn phản xạ toàn phần, còn gọi là góc tới hạn. Khi đó ta có:

\[{n_1}\sin {i_{gh}} = {n_2}\sin 90^\circ \]

Suy ra: \[\sin {i_{gh}} = \frac{{{n_2}}}{{{n_1}}}\].

- Với i > igh, nếu áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng, ta có:

sinr = sini > 1 (vô lý)

Điều này phản ánh thực tế là không có tia khúc xạ, toàn bộ tia sáng bị phản xạ ở mặt phân cách. Đó là hiện tượng phản xạ toàn phần.

B. HIỆN TƯỢNG PHẢN XẠ TOÀN PHẦN.

1. Định nghĩa

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.

Khi có phản xạ toàn phần thì không có tia khúc xạ.

Ta gọi là toàn phần để phân biệt với phản xạ một phần luôn xảy ra đi kèm với sự khúc xạ.

2. Điều kiện để có phản xạ toàn phần

1. Ánh sáng truyền từ một môi trường tới môi trường chiết quang kém hơn: n₂ < n₁
2. Góc tới lớn hơn hoặc bằng góc giới hạn: i ≥ i_gh

C. ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG PHẢN XẠ TOÀN PHẦN: CÁP QUANG.

1. Cấu tạo

Cáp quang là bó sợi quang. Mỗi sợi quang là một dây trong suốt có tính dẫn sáng nhờ phản xạ toàn phần. Sợi quang gồm hai phần chính:

• Phần lõi trong suốt bằng thủy tinh siêu sạch có chiết suất lớn (n₁).
• Phần vỏ bọc cũng trong suốt, bằng thủy tinh có chiết suất n₂ nhỏ hơn phần lõi.

Phản xạ toàn phần xảy ở mặt phân cách giữa lõi và vỏ làm cho ánh sáng truyền đi được theo sợi quang.

Ngoài cùng là một số lớp vỏ bọc bằng nhựa dẻo để tạo cho cáp độ bền và độ dai cơ học.

2. Công dụng

Từ những năm 80 của thế kỉ XX, cáp quang đã được ứng dụng vào việc truyền thông tin. Cáp quang có nhiều ưu điểm so với cáp bằng đồng:

• Dung lượng tín hiệu lớn.
• Nhỏ và nhẹ, dễ vận chuyển, dễ uốn.
• Không bị nhiễu bởi các bức xạ điện từ bên ngoài, bảo mật tốt.
• Không có rủi ro cháy (vì không có dòng điện).

Ứng dụng của cáp quang:

Trong công nghệ thông tin, cáp quang được dùng để truyền thông tin, dữ liệu dưới dạng tín hiệu ánh sáng.

II. Bài tập minh hoạ:

Bài 1: Một tia sáng đi từ thuỷ tinh đến mặt phân cách với nước. Biết chiết suất của thuỷ tinh là 1,5 và chiết suất của nước là 4/3. Để có tia sáng đi vào nước thì góc tới (i) phải thoả mãn điều kiện nào?

Giải

\[\sin {i_{gh}} = \frac{{{n_2}}}{{{n_1}}} = \frac{4}{{3.1,5}} \Rightarrow {i_{gh}} = 62^\circ 44'\]

Để có tia ló đi vào nước thì góc tới \[i < {i_{gh}}\] hay \[i < 62^\circ 44'\].

Bài 2: Một tia sáng đi từ nước đến mặt phân cách với không khí. Biết chiết suất của nước là 4/3, chiết suất của không khí là 1. Góc giới hạn của tia sáng phản xạ toàn phần khi đó là bao nhiêu?

Bài 3: Cho một khối thuỷ tinh hình hộp chữ nhật có tiết diện thẳng ABCD đặt trong không khí. Để mọi tia sáng tới mặt có cạnh AB đều phản xạ toàn phần ở mặt có cạnh BC thì chiết suất n của thuỷ tinh có giá trị nhỏ nhất là bao nhiêu?

Bài 4: Một bể chứa nước có độ sâu là 60cm. Ở mặt nước, đặt một tấm gỗ có bán kính r. Một nguồn sáng S đặt dưới đáy bể và trên đường thẳng đi qua tâm của tấm gỗ. Biết chiết suất của nước là 4/3. Để tia sáng từ S không truyền ra ngoài không khí thì r có giá trị nhỏ nhất là bao nhiêu?

Bài 5: Một tia sáng hẹp truyền từ môi trường có chiết suất \[\sqrt 3 \] đến mặt phân cách với môi trường khác có chiết suất n. Để tia sáng tới gặp mặt phân cách hai môi trường dưới góc i ≥ 60° sẽ xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần thì chiết suất n phải thoả mãn điều kiện gì?

Bài 6: Một khối thuỷ tinh hình bán cầu tâm O bán kính 20cm, chiết suất n = 1,414. Chiếu chùm tia sáng song song vào toàn bộ mặt phẳng của hình bán cầu theo phương vuông góc với mặt phẳng đó. Góc giới hạn phản xạ toàn phần đối với tia sáng từ thuỷ tinh ra không khí là bao nhiêu?

Bài 7: Một khối thủy tinh có chiết suất n đặt trong không khí. Tiết diện thẳng là một tam giác vuông cân tại B. Chiếu vuông góc tới mặt AB một chùm tia sáng song song SI thì chùm tia sáng sau đó đi là là mặt AC. Giá trị n là bao nhiêu?

Bài 8: Một tia sáng đi từ một chất lỏng trong suốt có chiết suất n sang không khí, nếu α = 60° thì β = 30° như hình. Góc α lớn nhất mà tia sáng không thể ló sang môi trường không khí phía trên là bao nhiêu?