Hiện Tượng Phản Xạ Toàn Phần: Lý Thuyết Và Bài Tập Vận Dụng

Tác giả

Cô Hiền Trần

36,346

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!

1. Hiện tượng phản xạ toàn phần

1.1. Thí nghiệm

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:

Góc tới

Chùm tia khúc xạ

Chùm tia phản xạ

i nhỏ

• Lệch xa pháp tuyến

• Rất sáng

• Rất mờ

i = igh

• Gần sát mặt phân cách

• Rất mờ

• Rất sáng

i > igh

• Không còn

• Rất sáng

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 phần

Từ 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:

• Khi xuất hiện phản xạ toàn phần thì sẽ không còn tia khúc xạ.

• Phản xạ toàn phần và phản xạ một phần là khác nhau (phản xạ một phần là hiện tượng luôn xảy ra đi kèm với hiện tượng khúc xạ).

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:

• Ánh sáng được truyền từ 1 môi trường tới 1 môi trường có chiết quang kém hơn: n2 < n1

• Góc tới luôn lớn hơn hoặc bằng với góc giới hạn:

2. Phân biệt phản xạ toàn phần và phản xạ thông thường

Phản 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:

 

Phản xạ toàn phần

Phản xạ một phần

Giống nhau

• Tia sáng bị hắt lại môi trường cũ

• Tuân theo định luật phản xạ ánh sáng

Khác nhau

Phản xạ toàn phần xảy ra khi:

• Ánh sáng được truyền từ 1 môi trường tới 1 môi trường có chiết quang kém hơn: n2 < n1

• Góc tới luôn lớn hơn hoặc bằng với góc giới hạn:

Cường độ chùm tia phản xạ bằng với cường độ chùm tia tới

Phản xạ một phần xảy ra khi tia sáng gặp một mặt phân cách 2 môi trường, ngoài ra không cần thêm điều kiện gì.

Cường độ chùm tia phản xạ yếu hơn cường độ chùm tia tới.

 

3. Ứng dụng phản xạ toàn phần trong đời sống: cáp quang

Cáp 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 quang

Cáp 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:

• Phần lõi: trong suốt, làm bằng thuỷ tinh siêu sạch có chiết suất lớn (n1)

• Phần vỏ bọc: làm bằng thuỷ tinh trong suốt, có chiết suất n2 nhỏ hơn phần lõi.

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

 

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 quang

Cáp 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 đồng

Cáp quang có ưu điểm vượt trội so với cáp bằng đồng như:

• Dung lượng tín hiệu truyền đi lớn

• Nhỏ và nhẹ, dễ uốn, dễ vận chuyển

• Không bị nhiễu bởi các bức xạ điện từ từ bên ngoài và bảo mật thông tin tốt

• Không có rủi ro cháy vì không có dòng điện bên trong

4. Lăng kính phản xạ toàn phần

4.1. Khái niệm

Lăng 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 dụng

Lăng 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 phần

5.1. Bài tập minh họa

Bài 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:

• Luôn có tia khúc xạ không tồn tại phản xạ toàn phần.

• Góc tới i luôn lớn góc khúc xạ r.

• Tia khúc xạ luôn ở gần pháp tuyến của mặt phân cách hơn so với tia tới.

5.2. Bài tập vận dụng

Bài 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:

• Nếu tia sáng truyền từ (1) vào (2) thì góc khúc xạ là 30 độ

• Nếu tia sáng truyền từ (1) vào (3) thì góc khúc xạ là 40 độ

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: 

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

D

C

A

D

B

B

B

B

D

B

 

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!