Học tốt Vật lí 11 bài 27: Phản xạ toàn phần

A/ Kiến thức cơ bản
1. 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.

2. Điều kiện để có phản xạ toàn phần:
a) Ánh sáng truyền từ một môi trường tới môi trường chiết quang kém hơn
n₂ < n₁
b) Góc tới lớn hơn hoặc bằng góc giới hạn
i ≥ i_gh
Trong đó: sini_gh=
3. 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 (n₁)
- Phần vỏ bọc cũng trong suốt bằng thủy tinh có chiết suất n₂ < n₁. 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/ TRẢ LỜI CÂU HỎI C1, C2, C3 SGK VẬT LÝ 11 BÀI 27
C1. Tại sao ở mặt cong của bán trụ, chùm tia tới họp truyền theo phương bán kính lại truyền thẳng?
Trả lời:
Ở 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. Vận dụng tính thuận nghịch của sự truyền ánh sáng, hãy nêu ra các kết quả khi ánh sáng truyền vào môi trường chiết quang hơn.
Trả lời:
Xét khi tia sáng truyền từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường chiết quang kém.

• Khi tia tới trùng với pháp tuyến thì truyền thẳng (tia (1), (1’)). • 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 thì tia khúc xạ hợp với pháp tuyến góc r < i (tia (2), (2’)). • Khi góc tới i = 90o thì r < 90o (tia (3), (3’))

C. TRẢ LỜI CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP SGK VẬT LÝ 11 BÀI 27 TRANG 172, 173
1. Thế nào là phản xạ toàn phần? Nêu điều kiện để có phản xạ toàn phần.
Trả lời:
- 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:
a) Ánh sáng truyền từ một môi trường tới môi trường chiết quang kém hơn
n₂ < n₁
b) Góc tới lớn hơn hoặc bằng góc giới hạn
i ≥ i_gh
Trong đó: sini_gh=
2. So sánh phản xạ toàn phần với phản xạ thông thường.
Trả lời:
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.

3. Cáp quang là gì? Trình bày cấu tạo của cáp quang. Kể một vài ứng dụng.
Trả lời:
- 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 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 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.

4. 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 để làm gì?
Trả lời:
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. 

5. 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 >  .
C. Góc tói i thỏa mãn điều kiện sini <  .
D. Không trường hợp nào đã nêu.
Trả lời:
Đáp án: D
Điều kiện cần để có phản xạ toàn phần là: n₁ > n₂.

6. 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 ≥
B. n <
C. 1 < n <
D. Không xác định được.
Trả lời:

Đáp án: D
Góc giới hạn được tính bằng
Công thức sini_gh=
Vì tia sáng bị phản xạ toàn phần ở mặt AC nên:
i > i_gh
=> sini > sini_gh
=> sin 45^o >
=> >
=> n >

7. 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
Trả lời:
Đáp án: C
Khi tia sáng truyền từ môi trường (1) vào (2), góc khúc xạ r = 30^o
Áp dụng định luật khúc xạ.
= => sini =                (1)
Khi tia sáng truyền từ (1) vào (3) thì góc khúc xạ r = 45^o
= => sini = . =            (2)
Từ (1) và (2) suy ra:
 = 
=> n₂= .n₃ => n₂ > n₃
Khi tia sáng chiếu từ (2) vào (3) góc giới hạn được tính bằng công thức
sini_gh=
=> sini_gh=
=> i_gh= 45^o

8. Một khối bán trụ trong suốt có chiết suất n = 1,41 ≈ . 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 trí sau đây của góc α.

a) α = 60°; 
b) α = 45°; 
c) α = 30°
Giải:

a) α = 60° => i = 30^o
góc giới hạn:
sini_gh= =  => i_gh= 45^o
Vì i = 30^o < i_gh nên tia sáng bị khúc xạ.
Áp dụng định luật khúc xạ:
= =
=> sinr = .sini = .sin30^o =
=> r = 45^o (hình 27.1a)
b) α = 45° => i = 45^o = i_gh
=> r = 90^o
Bắt đầu xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần, tia khúc xạ nằm sát mặt phân cách (hình 27.1 b)

c) α = 30° => i = 60°
Vì i > i_gh nên tia sáng bị phản xạ toàn phần, góc phản xạ bằng góc tới bằng 60° (hình 27.1c).


9. Một sợi quang hình trụ lõi có chiết suất n = 1,50. Phần vỏ bõ cõ chiết suất n₂ = 1,41 ≈ . Chùm tia tới hội tụ ở mặt trước của sợi với góc 2α như hình 27.12. Xác định α để các tia sáng của các tia sáng của chùm truyền đi được trong ống.

Giải:

Tia sáng SI chiếu đến mặt phân cách dưới góc tới i = α cho tia khúc xạ IJ, góc khúc xạ là r.
Áp dụng định luật khúc xạ.
sinα = 1,5sinr
- Tia IJ gặp mặt phân cách giữa phần lõi và phần vỏ với góc tới i₁
- Góc giới hạn:
sini_gh=  =  = 0,934
i_gh= 70,5^o
Điều kiện để có phản xạ toàn phần là:
i₁ > i_gh
i₁ > 70,5^o
Mà i₁+ r = 90^o
=> r < 19,5^o => sinr ≤ sin 19,5°
Sinα < 0,5
α ≤ 0,5.