Phản xạ toàn phần là gì? Ứng dụng của hiện tượng phản xạ toàn phần và Bài tập - Vật lý 11 bài 27

Vậy phản xạ toàn phần là gì? hiện tượng phản xạ toàn phần xảy ra khi nào? được ứng dụng gì trong khoa học và y học? chúng ta cùng tìm hiểu chi tiết qua bài viết này.

I. Sự truyền ánh sáng vào môi trường kém chiết quan hơn (n₁>n₂).

• Góc giới hạn của phản xạ toàn phần

- Khi ánh sáng truyền vào môi trường chiết quang kém hơn, thì có một giá trị của góc tới mà tại đó không còn xuất hiện tia khúc xạ, chỉ quan sát thấy tia phản xạ. Giá trị này được gọi là góc tới giới hạn và được xác định bởi công thức:

sini_gh = n₂/n₁

II. Hiện tượng phản xạ toàn phần

1. Hiện tượng phản xạ toàn phần là gì?

- 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.

2. Hiện tượng phản xạ toàn phần xảy ra khi nào?

• Hiện tượng phản xạ toàn phần xảy ra khi có hai điều kiện là:

- Ánh sáng truyền từ một môi trường tới môi trường chiết quang kém hơn: n₂ < n₁

- Góc tới lớn hơn hoặc bằng góc giới hạn: i ≥ i_gh

III. Ứng dụng của hiện tượng phản xạ toàn phần

- Hiện tượng phản xạ toàn phần được ứng dụng làm cáp quang dùng truyền thông tin và nội soi trong y học.

• Cáp quang: Là bó sợi quang

• Sợi quang: Cấu tạo: Gồm 2 phần chính

- Phần lõi: Bằng thủy tinh hoặc chất dẻo trong suốt có chiết suất n₁

- Phần vỏ bao quanh có chiết suất n₂ (n₂ < n₁)

• Ưu điểm của cáp quang:

- Truyền được dung lượng tín hiệu lớn, nhỏ, nhẹ dễ vận chuyển và dễ uốn

- Ít bị nhiễu bởi trường điện từ ngoài, bảo mật tốt.

IV. Bài tập về Phản xạ toàn phần

* Bài 1 trang 172 SGK Vật Lý 11: Thế nào là phản xạ toàn phần? Nêu điểu điện để phản xạ toàn phần.

° Lời giải bài 1 trang 172 SGK Vật Lý 11: 

• Định nghĩa: Hiện tượng ánh sáng truyền từ môi trường có chiết suất lớn đến mặt giới hạn với môi trường có chiết suất nhỏ hơn, chỉ bị phản xạ mà không bị khúc xạ gọi là hiện tượng tương phản toàn phần.

• Điều kiện xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần:

- Ánh sáng truyền từ môi trường chiết quang sang môi trường kém chiết quang hơn.

- Góc tới i phải lớn hơn hoặc bằng góc giới hạn: sini_gh = n₂/n₁ (với n₂<n₁)

• Nếu ánh sáng đi từ môi trường có chiết suất n ra không khí thì: sini_gh = 1/n

* Bài 2 trang 172 SGK Vật Lý 11: So sánh phản xạ toàn phần với phản xạ thông thường.

° Lời giải bài 2 trang 172 SGK Vật Lý 11: 

• Giống nhau

- Tia phản xạ đều truyền ngược lại được môi trường đầu

- Đều tuân theo định luật phản xạ.

• Khác nhau

- Cường độ của tia phản xạ toàn phần lớn bằng cường độ tia tới; Còn cường độ của tia sáng phản xạ thông thường nhỏ hơn cường độ tia tới.

- Điều kiện xảy ra:

  + Tia phản xạ thông thường xảy ra khi gặp mặt phẳng nhẵn dưới mọi góc.

  + Phản xạ toàn phần chỉ xảy ra khi tia sáng đi từ môi trường chiết quang sang môi trường kém chiết quang hơn và có góc tới i ≥ i_gh.

* Bài 3 trang 172 SGK Vật Lý 11: Cáp quang là gì? Cấu tạo của cáp quang. Nêu một vài ứng dụng.

° Lời giải bài 3 trang 172 SGK Vật Lý 11: 

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

• Cấu tạo sợi quang: gồm 2 phần

- Phần lõi trong suốt, bằng thủy tinh có chiết suất lớn n₁.

- Phần vỏ 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 theo sợi quang.

• Ứng dụng của áp quang: Truyền tín hiệu thông tin trong việc liên lạc và nội soi trong y học.

* Bài 4 trang 172 SGK Vật Lý 11: Giải thích tại sao kim cương (hình 27.4 SGK) và pha lên sangs lóng lánh? Người ta tạo ra nhiều mặt kim cương hay các vật pha lê để làm gì?

° Lời giải bài 4 trang 172 SGK Vật Lý 11: 

- Kim cương và pha lê sáng lóng lánh vì nó có thể phản xạ toàn phần ánh sáng mặt trời chiếu vào nó.

- Người ta tạo ra nhiều mặt cho kim cương hay các vậy bằng pha lê để làm cho chùm tia tới có nhiều khả năng phản xạ toàn phần dưới các góc tới khác nhau ứng với các mặt khác nhau, làm cho kim cương và pha lê lóng lánh hơn.

* Bài 5 trang 172 SGK Vật Lý 11: Một chùm tia sáng hẹp truyền từ môi trường (1) chiết suất n₁ tới mặt phẳng phân cách với môi trường (2) chiết suất n₂. Cho biết n₁<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 phẳng phân cách.

B. Góc tới i thỏa mãn điều kiện sini > n₁/n₂ .

C. Góc tói i thỏa mãn điều kiện sini < n₁/n₂ .

D. Không trường hợp nào đã nêu.

° Lời giải bài 5 trang 172 SGK Vật Lý 11: 

• Chọn đáp án: D: Không trường hợp nào đã nêu.

- Vì điều kiện có phản xạ toàn phần là n₁ > n₂ (đề cho n₁ < n₂).

* Bài 6 trang 172 SGK Vật Lý 11: Một chùm tia sáng hẹp SI truyền trong mặt phẳng tiết diện vuông góc của khối trong suốt như hình 27.10. Tia sáng phản xạ toàn phần ở mặt AC. Trong điều kiện đó, chiết n của khối trong suốt có giá trị như thế nào?

A. n ≥ √2     B. n < √2     C. 1 < n < √2     D. Không xác định được.

° Lời giải bài 6 trang 172 SGK Vật Lý 11: 

• Chọn đáp án: A: n ≥ √2 

- Ta có: ΔABC vuông cân ⇒ ∠B = ∠C = 45^o

- Lại có: SI ⊥ BC ⇒ Tia SI truyền thẳng vào môi trường trong suốt ABC mà không bị khúc xạ ⇒ góc tới i ở mặt AC bằng:

 i = ∠B = ∠C = 45^o ⇒ sini = sin45^o = 1/√2

- Tia sáng phản xạ toàn phần ở mặt AC suy ra i ≥ igh ⇒ sini ≥ sini_gh = 1/n ⇒ n ≥ √2.

* Bài 7 trang 173 SGK Vật Lý 11: Có ba môi trường trong suốt với cùng góc tới:

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

- Nếu tia sáng truyền từ (1) vào (3) thì góc khúc xạ là 45^o.

Góc giới hạn toàn phần ở mặt phân cách (2) và (3) có giá trị như thế nào  tính tròn số)?

A. 30^o     B. 42^o     C. 45^o     D. không xác định được

° Lời giải bài 7 trang 173 SGK Vật Lý 11: 

• Chọn đáp án:  C. 45^o 

-  Khi truyền từ môi trường từ (1) vào môi trường (2) thì góc khúc xạ là 30⁰ nên áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng, ta có: n₁.sini = n₂sin30⁰  (*)

-  Khi truyền từ môi trường từ (1) vào môi trường (3) thì góc khúc xạ là 45⁰ nên áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng, ta có: n₁.sini = n₃.sin45⁰ (**)

- Từ (*) và (**) suy ra: n₃/n₂ = sin30⁰/sin45⁰ = √2/2

⇒ Môi trường (2) chiết quang hơn môi trường (3).

- Góc giới hạn phản xạ toàn phần ở mặt phân cách (2) và (3) được tính khi truyền từ môi trường (2) vào môi trường (3) là:

 sini_gh = n₃/n₂ = √2/2 ⇒ i_gh = 45⁰

* Bài 8 trang 173 SGK Vật Lý 11: Một khối bán trụ trong suốt có chiết suất n = 1,41 ≈ √2. Một chùm tia sáng hẹp nằm trong mặt phẳng của tiết diện vuông góc, chiếu tới khối bám trụ như hình 27.11. Xác định đường đi của chùm tia với các giá trị sau đây của góc α.

A. α = 60^o.     B. α = 45^o.     C. α = 30^o.

° Lời giải bài 8 trang 173 SGK Vật Lý 11: 

- Vì tia sáng tới có đường kéo dài qua O nên tia tới SI vuông góc mặt phẳng trụ ⇒ góc i = 0 ⇒ tia sáng sẽ truyền thẳng vào khối trong suốt tới O.

- Tại O: tia sáng SO tạo với pháp tuyến ON của mặt phân cách phẳng một góc tới i.

- Ta có: i = 90^o - α

- Mặt khác, góc giới hạn khi ánh sáng truyền từ khối bán trụ ra không khí được tính bởi công thức:

 sini_gh = 1/n = 1/√2 ⇒ i_gh = 45⁰.

• Câu a) α = 60^o

⇒ i = 90^o – α = 30^o ⇒ i < i_gh

- Áp dụng định luật khúc xạ: sinr = nsini = √2.sin30⁰ = √2/2 ⇒ r = 45^o.

⇒ Tia khúc xạ hợp với pháp tuyến của mặt phẳng phân cách của khối bán trụ góc khúc xạ 45^o như hình sau.

• Câu b) α = 45^o

⇒ i = 90^o – α = 45^o ⇒ i = i_gh

⇒ r = 90^o ⇒ Tia khúc xạ đi sát mặt phân cách của khối tròn như hình sau:

• Câu c) α = 30^o

⇒ i = 90^o – α = 60^o ⇒ i > i_gh

⇒ Xảy ra phản xạ toàn phần, không có tia khúc xạ ra ngoài không khí.

* Bài 9 trang 173 SGK Vật Lý 11: Một sợi quang hình trụ lõi có chiết suất n = 1,50. Phần vỏ bọc có chiết suất n₂ = 1,41 ≈ √2. Chùm tia tới hội tụ ở mặt trước của sợi với góc tới 2 α như hình 27.12. Xác định α để các tia sáng của của chùm truyền đi được trong ống.

° Lời giải bài 9 trang 173 SGK Vật Lý 11: 

- Điều kiện mọi tia sáng trong chùm đều truyền đi được trong ống là phải thỏa mãn điều kiện phản xạ toàn phần tại mặt phân cách của lõi trụ với vỏ bọc của nó.

- Từ hình vẽ ta có điều kiện xảy ra phản xạ toàn phần là:

 i ≥ i_gh ⇒ sini ≥ sini_gh = n₂/n₁

- Lại có: j = 90⁰ - i ⇒ cosj = sini ≥  n₂/n₁

- Áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng tại I, ta có:

  sinα = n₁sinj = n₁√(1 - cos²j) ≤ n₁.√(1-(n₂/n₁)²)

 ⇒ sinα ≤ 1,5.√(1-(√2/1,5)²)

 ⇒ sinα ≤ 0,5 ⇒ α ≤ 30⁰