Bài 27: Phản xạ toàn phần

I. Sự truyền ánh sáng vào môi trường chiết quang kém hơn

Chiếu chùm tia sáng từ môi trường chiết quang kém sang môi trường chiết quang hơn: $n_{1}> n_{2}\Rightarrow r> i$

Khi chùm tia khúc xạ ở mặt phân cách giữa hai môi trường, ta có:

$n_{1}sini=n_{2}sinr$

$\rightarrow sinr=\frac{n_{1}}{n_{2}}sini$

vì $n_{1}> n_{2}\rightarrow sinr> sini\rightarrow r> i$

Chùm tia khúc xạ lệch xa pháp tuyến hơn so với chùm tia tới.

Khi góc i tăng thì góc r cũng tăng. Khi r đạt giá trị cực đại $90^{\circ}$ thì i đạt giá trị $i_{gh}$ gọi là góc giới hạn phản xạ toàn phần hay là góc giới hạn.

$sini_{gh}=\frac{n_{2}}{n_{1}}$

Thực tế là không có tia khúc xạ, toàn bộ tia sáng bị phản xạ ở mặt phân cách. Đó là hiện tượng phản xạ toàn phần.

II. 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.

Khi có phản xạ toàn phần thì không có tia khúc xạ.
Điều kiện để có phản xạ toàn phần:
- Ánh sáng truyền từ một môi trường tới môi trường chiết quang kém hơn:

$n_{2}< n_{1}$

- Góc tới lớn hơn hoặc bằng góc giới hạn:

$i\geq i_{gh}$

Ví dụ: Tia sáng đi từ nước có chiết suất $\frac{4}{3}$ sang thủy tinh có chiết suất 1,5. Tính góc khúc xạ và khóc lệch D tạo bởi tia khúc xạ và tia tới, biết góc tới $i= 30^{\circ}$

Giải:

Ta có:

$n_{1}=\frac{4}{3}$ , $n_{2}=1,5$ , $i=30^{\circ}$

Áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng, có:

$n_{1}sini=n_{2}sinr\rightarrow r=26,4^{\circ}$

Góc lệch $D=i-r=3,6^{\circ}$

III. Ứng dụng của hiện tượng phản xạ toàn phần: Cáp quang

Cấu tạo

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

Phản xạ toàn phần xảy ra ở mặt phân cách giữa lõi và vỏ làm cho ánh sáng truyền đi được theo sợi quang.

Công dụng

Cáp quang có nhiều ưu điểm so với cáp bằng đồng: dung lượng tín hiệu lớn, nhỏ và nhẹ, dễ vận chuyển, dễ uốn, không có rủi ra cháy.
Cáp quang còn được dùng để nội soi trong Y học. Loại cáp này gồm các sợi quang rất nhỏ. Một cáp quang thường dùng có thể gồm hàng trăm sợi quang.

IV. Bài tập

Bài tập 1: Một miếng gỗ hình tròn, bán kính 4cm. Ở tâm O, cắm thẳng góc một đỉnh OA. Thả miếng gỗ nổi trong một chậu nước có chiết suất n=1,33. Đinh OA ở trong nước, cho OA=6cm. Mắt đặt trong không khí, chiều dài lớn nhất của OA để không thấy đầu A là bao nhiêu?

Lời giải: Tại đây

Bài tập 2: Một bể chứa nước có thành cao 80cm và đáy phẳng dài 120cm và độ cao mực nước trong bể là 60cm, chiết suất của nước là $\frac{4}{3}$ . Ánh nắng chiếu theo phương nghiêng góc $30^{\circ}$ so với phương ngang. Độ dài bóng đen tạo thành trên đáy bể là bao nhiêu?

Lời giải: Tại đây

Bài tập 3: Thả nổi trên mặt nước một đĩa nhẹ, chắn sáng, hình tròn. Mắt người quan sát đặt trên mặt nước sẽ không thấy được vật sáng ở đáy chậu khi bán kính đĩa không nhỏ hơn 20cm. Tính chiều sâu của lớp nước trong chậu. Biết rằng vật và tâm đĩa nằm trên đường thẳng đứng và chiết suất của nước là $\frac{4}{3}$

Lời giải: Tại đây