Lý thuyết Phản xạ toàn phần lớp 11

Lý thuyết Phản xạ toàn phần lớp 11

Bài viết dưới đây Cunghocvui sẽ giúp các bạn làm sáng tỏ nội dung lý thuyết và trả lời câu hỏi lăng kính phản xạ toàn phần là tam giác gì, có đặc điểm như thế nào!

I. Phản xạ toàn phần là gì?

1. Định nghĩa

Hiện tượng phản xạ toàn phần (còn được gọi là phản xạ nội toàn phần) là một hiện tượng quang học. Nó được phát biểu thành định luật sau:

Cho hai môi trường 1 và 2 với độ chiết suất tương ứng là \(n_1, n_2\) Khi một tia sáng đi trong môi trường 1 tới bề mặt phân cách giữa môi trường 1 với môi trường 2 mà có góc tới đạt giá trị đủ lớn \(({\displaystyle i>i_{gh}}, \ với \ {\displaystyle i_{gh}}\) là góc khúc xạ giới hạn) thì tia sáng sẽ phản xạ ngược trở lại môi trường cũ (thay vì khúc xạ sang môi trường mới).

Trong định luật trên, góc khúc xạ giới hạn (còn được gọi là góc khúc xạ tới hạn) được tính theo công thức:

\({\displaystyle i_{gh}=\arcsin \left({\frac {n_{2}}{n_{1}}}\right)}.\)

2. Giải thích hiện tượng dưới góc độ toán học

Theo định luật Snell, lăng kính phản xạ toàn phần là một khối nếu tia sáng khúc xạ sang môi trường mới, thì mối liên hệ giữa góc tới và góc khúc xạ như sau:

\({\displaystyle {\frac {\sin(i)}{\sin(r)}}={\frac {n_{2}}{n_{1}}}},\)

suy ra:

\({\displaystyle \sin(r)=\sin(i)\cdot {\frac {n_{1}}{n_{2}}}}.\)

Nếu góc tới lớn hơn giá trị góc khúc xạ giới hạn:

\({\displaystyle i_{gh}=\arcsin \left({\frac {n_{2}}{n_{1}}}\right)},\)

thì rõ ràng \({\displaystyle \sin(i)\cdot {\frac {n_{1}}{n_{2}}}>1}\) như thế không tồn tại r để \({\displaystyle \sin(r)>1}\), có nghĩa là tia sáng sẽ không bị khúc xạ, mà nó sẽ phản xạ hoàn toàn trở lại môi trường cũ.

Như vậy ta có thể mô tả một cách tổng quát như sau:

• nếu \({\displaystyle {\frac {\sin(i)}{\sin(r)}}={\frac {n_{2}}{n_{1}}}},\) suy ra \({\displaystyle \sin(r)=\sin(i)\cdot {\frac {n_{1}}{n_{2}}}}.\)
• nếu \({\displaystyle i>i_{gh}}\) thì tia sáng bị phản xạ toàn phần trở lại môi trường cũ.

3. Ví dụ:

Khi tia sáng đi trong môi trường là kính acrylic (tiếng Anh: acrylic glass) (có hệ số chiết suất xấp xỉ 1,500) ra môi trường không khí (hệ số chiết suất xấp xỉ 1,000) thì góc giới hạn cho góc tới của nó bằng:

\({\displaystyle i_{gh}=\arcsin \left({\frac {1,000}{1,500}}\right)=41,81^{o}}\).

3. Điều kiện xảy ra hiệ tượng phản xạ toàn phần

Phản xạ toàn phần được coi là xảy ra trong điều kiện tia sáng đi từ môi trường chiết quang hơn di chuyển sang môi trường kém chiết quang. Công thức nhận biết: \(i\ge i_{gh}\)

II. Ứng dụng và các ví dụ trong đời sống

1. Thí nghiệm

Thí nghiệm về phản xạ toàn phần với lăng kính Porro: Tia ló ngược hướng và cách tia tới một khoảng bằng \({\displaystyle {\frac {1}{2}}}\) cạnh huyền.

Ảnh qua lăng kính phản xạ toàn phần có tiết diện là Porro: lộn ngược trên xuống dưới, nhưng không bị đảo trái sang phải.

Hệ lăng kính Porro kép:Tia sáng đi qua hệ lăng kính Porro kép sẽ không bị đổi chiều còn hình ảnh đi qua hệ sẽ bị lộn ngược trên xuống dưới, và bị đảo trái sang phải. Hình ảnh qua hệ sẽ bị dịch chuyển vị trí theo chiều ngang và chiều dọc khoảng \({\displaystyle {\frac {1}{2}}}\) cạnh huyền.

2. Lăng kính Porro dùng trong ống nhòm.

Sơ đồ kính tiềm vọng (tiếng Anh: periscope) bên phải dùng lăng kính Porro (còn bên trái dùng gương) để lái đường đi của tia sáng.

3. Lăng kính Porro-abbe.

Lăng kính Porro do nhà phát minh người Italia Ignazio Porro (25/11/1801 - 08/10/1875) sáng chế năm 1850, khi đang làm việc cho hãng Carl Zeiss (Đức), nhằm ứng dụng cải tiến và chế tạo ống nhòm thế hệ mới với nhiều tính năng vượt trội so với loại ống nhòm Galilean sử dụng thấu kính phân kì làm thị kính trước đó.

Công thức về hiện tượng phản xạ toàn phần

4. Sợi quang

Tín hiệu (quang) truyền theo định luật phản xạ toàn phần trong lõi.

Tia sáng truyền trong một sợi quang.

- Để truyền từ đầu này tới đầu kia của sợi quang tia sáng phản xạ toàn phần liên tục ở mặt phân cách giữa lõi và vỏ bọc.

- Sợi quang được ứng dụng nhiều trong viễn thông, được dùng để chế tạo các cáp quang.

- Trong y học, nó được dùng trong các thiết bị nội soi.

- Các sợi quang còn được dùng để trang trí (như trên cây thông Noel), và trong nghệ thuật.

5. Ảo ảnh

• Ảo ảnh minh họa. Ảo ảnh tạo thành do sự chênh lệch nhiệt độ giữa các lớp không khí.

• Nắng nóng. Con đường như mặt gương soi bóng các phương tiện.

6. Các hiện tượng khác

Người thợ lặn nhìn thấy hình ảnh phản xạ của chú rùa biển này.

Hình ảnh phản xạ của một chú cá đen hiện ra ở mặt phân cách giữa mặt biển và không khí.

Kim cương sáng lấp lánh.

Nhờ hiện tượng phản xạ toàn phần, người thợ lặn có thể quan sát hình ảnh phản xạ của chú rùa biển này trên mặt phân cách giữa mặt biển và không khí.

Chiết suất cao của kim cương, vào khoảng 2,417, lớn hơn so với 1,5 của các thủy tinh thông thường, cũng dễ làm xuất hiện sự phản xạ toàn phần trên mặt trong của kim cương tạo độ lấp lánh.

III. Bài tập trắc nghiệm

Câu 1. Tia sáng đi từ thuỷ tinh chiết suất 1,5 đến mặt phân cách với nước chiết suất , điều kiện góc tới i để không có tia khúc xạ trong nước là :

A. \(i \ge 62^044’\). B. \(i \ge 41^044’\). C. \(i \ge 48^044’\). D. \( i \ge45^048’\).

Câu 2. Góc tới giới hạn phản xạ toàn phần của thuỷ tinh đối với nước là 600. Chiết suất của nước là 43 . Chiết suất của thuỷ tinh là

A. n = 1,5 B. n = 1,54 C. n = 1,6 D. n = 1,62

Câu 3. Một tia sáng truyền từ không khí tới bề mặt một môi trường trong suốt sao cho tia phản xạ và tia khúc xạ vuông góc nhau. Khi đó góc tới và góc khúc xạ liên hệ với nhau qua hệ thức :

A. i = r + 900. B. i + r = 900. C. i + r = 1800. D. i = 1800 + r.

Câu 4. Biết rằng khi ánh sáng chiếu qua lăng kính nó đồng thời tạo tia tới và tia phản xạ như nhau, hơn nữa góc giữa hai tia là 60 độ thì chiết suất tỉ đối giữa môi trường khúc xạ và môi trường tới là:

A. 0,58. B. 0,71. C. 1,73. D. 1,33.

Câu 5. Một cây cọc có chiều cao 1,2 m được cắm thẳng đứng dưới một đáy bể nằm ngang sao cho \(\dfrac{3}{4}\) cọc ngập trong nước. Các tia sáng mặt trời chiếu tới cọc theo phương hợp với nó một góc i, với \(sini = 0,8\). Chiết suất của nước bằng \(\dfrac{4}{3}\).Chiều dài của bóng cọc dưới đáy bể là:

A. 0,9 m B. 0,4 m C. 1,075 m D. 0,675 m

Câu 6: Khi tia sáng đi từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác, tại mặt phân cách hai môi trường:

A.có thể không xảy ra phản xạ và khúc xạ

B.có thể có phản xạ mà không có khúc xạ

C.có thể có khúc xạ mà không có phản xạ

D.luôn xảy ra cả hiện tượng phản xạ và khúc xạ

Câu 7:  Chiếu một tia sáng từ không khí vào bản mặt song song thì

A.có thể không có tia ló

B.tia ló luôn vuông góc với tia tới

C.tia ló luôn song song với bản mặt

D.tia ló luôn song song với tia tới

Câu 8: Định luật khúc xạ ánh sáng cho biết

A.tia khúc xạ và tia tới đều nằm trong cùng một mặt phẳng gọi là mặt phẳng tới

B.tia khúc xạ và tia tới đều nằm cùng một phía so với pháp tuyến tại điểm tới

C.góc tới và góc khúc xạ liên hệ nhau theo hàm số bậc nhất

D.góc khúc xạ luôn lớn hơn góc tới

Câu 9: Chiếu xiên góc tia sáng đơn sắc từ nước ra không khí ta thấy

A.luôn có tia sáng ló ra ngoài không khí

B.cường độ sáng của tia ló ra không khí bằng cường độ sáng tia tới

C.có thể không có tia ló ra không khí

D.tại mặt phân cách luôn luôn có tia khúc xạ và tia phản xạ

Câu 10: Cáp quang làm bằng:

A.kim loại

B.pôlime

C.thuỷ tinh

D.hợp kim

Câu 11: Điều kiện có thể xảy ra phản xạ toàn phần là ánh sáng phải đi từ môi trường

A.có chiết suất lớn hơn sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn với góc tới nhỏ hơn góc giới hạn

B.có chiết suất nhỏ hơn sang môi trường có chiết suất lớn hơn với góc tới lớn hơn góc giới hạn

C.có chiết suất lớn hơn sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn với góc tới lớn hơn góc giới hạn

D.có chiết suất nhỏ hơn môi trường có chiết suất lớn hơn với góc tới nhỏ hơn góc giới hạn

Câu 12: Chọn câu SAI khi nhận xét về phản xạ gương với phản xạ toàn phần

A.Đều xảy ra ở mặt phân cách giữa hai môi trường

B.Đều có góc phản xạ bằng góc tới

C.Đều có cường độ sáng tia phản xạ bằng cường độ sáng tia tới

D.Phản xạ gương xảy ra dưới mọi góc tới còn phản xạ toàn phần chỉ xảy ra ở điều kiện nhất định

Câu 13: Điều nào sau đây là đúng khi nói về lăng kính

A.Lăng kính là một khối chất trong suốt hình lăng trụ đứng, có tiết diện thẳng là một hình tam giác

B.Góc chiết quang của lăng kính luôn nhỏ hơn 90 độ

C.Hai mặt bên của lăng kính luôn đối xứng nhau qua mặt phẳng phân giác của góc chiết quang

D.Tất cả các lăng kính chỉ sử dụng hai mặt bên cho ánh sáng truyền qua

Câu 14: Công thức tính góc lệch D= A(n-1) áp dụng cho

A.lăng kính phản xạ toàn phần

B.trường hợp ánh sáng tới lăng kính với góc tới nhỏ

C.bất kì trường hợp nào

D.lăng kính có góc chiết quang và góc tới nhỏ.

Câu 15: Chiếu một tia sáng tới mặt bên của lăng kính thì:

A.luôn luôn có tia ló

B.tia ló lệch về phía đáy lăng kính

C.tia ló lệch về phía đỉnh lăng kính

D.tia ló lệch về phía đáy lăng kính so với tia tới

Câu 16: Góc lệch của tia sáng qua lăng kính dạng nêm:

A.không phụ thuộc góc chiết quang

B.không phụ thuộc chiết suất lăng kính

C.phụ thuộc góc tới của chùm sáng tới

D.phụ thuộc góc chiết quang

Với những gì mà Cunghocvui đã giúp các bạn khái quát nội dung và bài tập phản xạ toàn phần có lời giải lớp 11 trên đây, hy vọng sẽ giúp các bạn đạt kết quả cao trong học tập!