Phản xạ toàn phần

ctvdehoctot1 | 3 năm trước | 448 lượt xem | Giải Bài Tập Vật Lý 11

§27. PHẢN XẠ TOÀN PHẦN

A. TÓM TẮT LÝ THUYẾT

• Khi tia sáng từ môi trường chiết quang kém sang môi trường chiết quang hơn: góc khúc xạ bao giờ cũng nhỏ hơn góc tới, nên ta luôn luôn có tia khúc xạ .

- Góc tới tăng thì góc khúc xạ tăng theo .

- Khi i = 90° ⇒ r = $r_{gh}$.

sin $r_{gh}$ = $\large \frac{n_{1}}{n_{2}}$

• Khi tia sáng truyền từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường chiết quang kém:

- Góc khúc xạ bao giờ cũng lớn hơn góc tới.

- Khi góc tới tăng, góc khúc xạ tăng theo.

- Khi góc tới i bằng góc tới giới hạn $i_{gh}$, thì góc khúc xạ r = 90°.

- Khi i > $i_{gh}$, không còn tia khúc xạ, lúc này ta có hiện tượng phản xạ toàn phần.

Vậy: Khi ánh sáng truyền từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường chiết quang kém và đồng thời góc tới i lớn hơn góc tới giới hạn ($i_{gh}$)

sin$i_{gh}$ = $\large \frac{n_{2}}{n_{1}}$

• Ứng dụng của hiện tượng phản xạ toàn phần là sợi quang học

Lưu ý: sin của hai góc giới hạn (góc tới giới hạn và khúc xạ giới hạn) là tỉ số giữa chiết suất nhỏ và chiết suất lớn.

B. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP

1. Thế nào là phản xạ toàn phần? Nêu điều kiện để có phản xạ toàn phần.

Giải

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.

Điều kiện để có phản xạ toàn phần:

• Tia sáng truyền từ môi trường có chiết suất hơn sang môi trường có chiết suất kém (ví dụ: từ nước ra ngoài không khí)

• Góc tới bao giờ cũng lớn hơn góc giới hạn (i > $i_{gh}$) với góc tới giới hạn được tính bởi công thức: sin $i_{gh}$ = $\large \frac{n_{2}}{n_{1}}$.

2. So sánh phản xạ toàn phần với phản xạ thông thường.

Giải

Phản xạ toàn phần:

• Xảy ra ở mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt.

• Tuân thủ định luật phản xạ ánh sáng (i = i')

• Xảy ra khi góc tới i lớn hơn góc tới giới hạn $i_{gh}$ và ánh sáng phải được truyền từ môi trường có chiết quang hơn sang môi trường có chiết suất kém.

• Cường độ chùm ánh sáng phản xạ và cường độ chùm ánh sáng tới bằng nhau.

Phản xạ thông thường:

• Xảy ra trên bề mặt nhẵn bóng.

• Tuân thủ định luật phản xạ ánh sáng

• Xảy ra với mọi góc tới i.

• Cường độ chùm ánh sáng phản xạ nhỏ hơn cường độ chùm ánh sáng tới.

3. Cáp quang là gì? Hãy nêu cấu tạo của cáp quang. Nêu một vài ứng dụng.

Giải

• Cấu tạo

Cáp quang là một bó sợi quang. Mỗi sợi quang là một dây trong suốt có tính dẫn sáng nhờ vào hiện tượng phản xạ toàn phần.

Mỗi sợi quang gồm hai phần chính

+ Phần lõi trong suốt bằng thuỷ tinh siêu sạch có chiết suất lớn ($n_{1}$)

+ Phần vỏ bọc cũng trong suốt làm bằng thuỷ tinh trong suốt có chiết suất $n_{1}$ nhỏ hơn chiết $n_{2}$ là chiết suất của phần lõi ($n_{2}$ < $n_{1}$)

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

Hiện tượng phản xạ toàn phần xảy ra ở mặt phân cách giữa lõi và vỏ làm ánh sáng được truyền đi dọc theo sợi quang.

• Ứng dụng:

- Dùng làm cáp thông tin - viễn thông. Ưu điểm của cáp này là nhỏ, nhẹ, dung lượng truyền lớn, không bị nhiễu bởi các bức xạ điện từ bên ngoài, bảo mật tốt và không gặp sự cố rủi ro như cháy nổ.

- Dùng trong y khoa ( dây cáp nội soi)

4. Giải thích tại sao kim cương và pha lê sáng lóng lánh? Người ta tạo ra nhiều mặt cho viên kim cương hay các mặt pha lê để làm gì?

Giải

Kim cương và pha lê sáng lóng lánh là do hiện tượng phản xạ toàn phần ở trong lòng các viên kim cương hay pha lê đó. Sở dĩ người ta tạo nhiều mặt (mặt phẳng) cho viên kim cương và pha lê để làm tăng cường thêm hiện tượng phản xạ toàn phần làm tăng thêm phần lóng lánh hơn.

5. Một chùm tia sáng hẹp truyền từ môi trường (1) chiết suất $n_{1}$ tới mặt phân cách với môi trường (2) chiết suất $n_{2}$. Cho biết $n_{1}$ < $n_{2}$ 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 phẳng phân cách.

B. Góc tới thoả mãn điều kiện sini > $\large \frac{n_{1}}{n_{2}}$

C. Góc tới thoả năm điều kiện sini < $\large \frac{n_{1}}{n_{2}}$

D. Không trường hợp nào đã nêu.

Giải

Hiện tượng phản xạ toàn phần chỉ xảy ra khi ánh sáng truyền từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường chiết quang kém (điều kiện tiên quyết)

⇒ Chọn câu D

6. Một chùm tia sáng hẹp SI truyền trong mặt phẳng tiết diện vuông góc của một khối trong suốt. Tia sáng phản xạ toàn phần ở mặt AC. Trong điều kiện đó, chiết suất n của khối trong suốt có giá trị như thế nào?

A. n > $\sqrt{2}$

B. n < $\sqrt{2}$

C. n = $\sqrt{2}$

D. Không xác định được.

Giải

Trên mặt phân cách AC, ta có góc tới i = 45°

Điều kiện về góc tới để có hiện tượng phản xạ toàn phần là i > $i_{gh}$ với sin $i_{gh}$ = $\large \frac{1}{n}$. Với n = $\sqrt{2}$ ⇒ i = $i_{gh}$ ⇒ tia khúc xạ đi sát mặt phân cách

⇒ Câu C sai

• Với n > $\sqrt{2}$ ⇒ i > $i_{gh}$ ⇒ có hiện tượng phản xạ toàn phần

• Với n < $\sqrt{2}$ ⇒ i < $i_{gh}$ ⇒ không có hiện tượng phản xạ toàn phần

⇒ Câu B sai.

⇒ Chọn câu A

7. Có ba môi trường trong suốt, với cùng góc tới:

- Nếu tia khúc xạ truyền từ (1) vào (2) thì góc khúc xạ là 30°.

- 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 giá trị như thế nào (tính tròn số)?

A. 30°

B. 42°

C. 45°

D. Không tính được.

Giải

• Khi truyền từ môi trường (1) vào môi trường (2), ta có:

• Khi truyền từ môi trường (1) vào môi trường (3), ta có:

⇒ Khi truyền từ môi trường (2) vào môi trường (3) có hiện tượng phản xạ toàn phần

⇒ Chọn câu C

8. Một khối bán trụ trong suốt có chiết suất n = 1,41 $\approx \sqrt{2}$. Một chùm tia sáng hẹp nằm trong một mặt phẳng của tiết diện vuông góc, chiếu tới khối bán trụ. Xác định đường đi của chùm tia sáng với các giá trị sau đây của góc $\alpha$.

a) $\alpha$ = 60°.

b) $\alpha$ = 45°.

c) $\alpha$ = 30°.

Giải

Xét tia sáng đi từ bên trong mặt bán cầu khúc xạ ra môi trường ngoài. Trong trường hợp này, ánh sáng đi từ vùng chiết quang hơn ($n_{1}=\sqrt{2}$) sang môi trường chiết quang kém ($n_{2}$ = 1)

⇒ Ta xác định góc tới giới hạn:

a) Với góc $\alpha$ = 60° ⇒ i = 90° – 60° = 30°, trường hợp này tia khúc xạ bình thường.

Áp dụng định luật khúc xạ $\sqrt{2}$ sin 30° = sinr ⇔ sinr = $\large \frac{\sqrt{2}}{2}$ ⇒ r = 45°

b) Với góc $\alpha$ = 45° ⇒ i = 90° - 45° = 45° = $i_{gh}$ ⇒ trường hợp này tia khúc xạ đi sát mặt phân cách (mặt đáy bán trụ).

c) Với góc $\alpha$ = 30° ⇒ i = 90° – 30° = 60° > $i_{gh}$ ⇒ trường hợp này có hiện tượng phản xạ toàn phần. Tia phản xạ sau khi gặp mặt cầu sẽ truyền thẳng ra ngoài không khí (vì điểm tới ban đầu của mặt phân cách là tâm của mặt bán cầu).

9. Một sợi quang hình trụ lõi có chiết suất $n_{1}$ = 1,50. Phần vỏ bọc có chiết suất $n_{2}$ = 1,41 $\approx \sqrt{2}$. Chùm tia tới hội tụ ở mặt trước của sợi với góc 2$\alpha$. Xác định $\alpha$ để các tia sáng của chùm truyền đi được trong ống.