SGK Vật Lí 11 - Bài 27. Phản xạ toàn phần
Phản XẠ TOÀN PHẨN Ngày nay, mọi người đều nghe nói đến cáp quang dùng trong Công nghệ thông tin, trong Y học,... Hiện tượng cơ bản được áp dụng trong cáp quang là phản xạ toàn phần. Phản xạ toàn phần là gì ? Tia phản xạ Tia khúc xạ Chùm tia s Hình 27.1 Eli Tại sao ở mặt cong của bán trụ, chùm tia tới hẹp truyền theo phương bán kính lại truyền thẳng ? PF 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. I - Sự TRUYỀN ÁNH SÁNG VÀO MÔI TRƯỜNG CHIẾT QUANG KÉM HƠN («[ > rt2) 1. Thí nghiệm Ta cho một chùm tia sáng hẹp truyền từ khối nhựa trong suốt hình bán trụ vào không khí với các dụng cụ bố trí theo sơ đồ ở Hình 27.1. HI Thay đổi độ nghiêng của chùm tia tới (thay đổi góc tới z) và quan sát chùm tia khúc xạ ra không khí. H5 Kết quả : Góc tới Chùm tia khúc xạ Chùm tia phản xạ • Nhỏ Lệch xa pháp tuyến (so với tia tới) • Rất sáng • Rất mờ ’ Có giá trị đặc biệt / h Gần nhu sát mặt phân cách • Rất mờ • Rất sáng • Có giá trị lớn hon giá trị; h • Không còn - Rất sáng 2. Góc giới hạn phản xạ toàn phần - Khi chùm tia sáng khúc xạ ở mặt phân cách hai môi trường, ta có : TZjSinz = zz2sinz- Suy ra : sinr = — sim' «2 Vì 7?! > n2 nên : sinr > sin/. Do đó 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 (với r > i). Do đó, khi r đạt giá trị cực đại 90° thì z' đạt giá trị Z h gọi là góc giới hạn phản xạ toàn phần (Hình 27.2), còn gọi là góc tới hạn. Khi đó ta có : zzjSinzgh = zz2sin90° . «2 Suy ra: SẢnígh = — (27.1) "1 - Với ỉ > ỉgh, nếu áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng, ta có : ZZ1 . . sinr = — sinz > 1 (vô lí) «2 Điều này phản ánh 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. Chùm tia laze Hình 27.2 Tia phản xạ Tỉa khúc Hình 27.3ẢO tượng Lúc trưa nắng, mặt đường nhựa khô ráo, nhưng nhìn từ xa có vẻ như ướt nước (Hình 27.3). Đó là vì các tia sáng phản xạ toàn phần trên lớp không khí sát mặt đường và đi vào mắt. II - HIỆN TƯỢNG PHẢN XẠ TOÀN PHẨN Định nghĩa Phản xạ toàn phần là hiện tượng phản xạ toàn bộ tia sáng tới, xảy ra ở mặt phàn cách giữa hai môi trường trong suốt. Khi có phản xạ toàn phần thì không còn tia khúc xạ. Ta gọi là toàn phần để phân biệt với phản xạ một phần luôn xảy ra đi kèm với sự khúc xạ. Hình 27.4 Kim cương sáng lóng lánh do phản xạ toàn phần Điều kiện để có phản xạ toàn phần Ánh sáng truyền từ một môi trường tới môi trường chiết quang kém hơn. «2<nl Góc tới lớn hơn hoặc bằng góc giới hạn : ‘ - 'gl. Bài tập ví dụ Có hai tia sáng song song nhau, truyền trong nước. Tia (1) gặp mặt thoáng của nước. Tia (2) gập một bản thuỷ tinh hai mặt song song, đặt sát mật nước (Hình 27.5a). Nếu tia (1) phản xạ toàn phần, thì tia (2) có ló ra không khí được không ? Giải Đặt n và rí lần lượt là chiết suất của nước và thuỷ tinh. Vì tia (1) phản xạ toàn phần nên : sin; > —. n Xét tia (2) khúc xạ vào thuỷ tinh vói góc khúc xạ r. Ta có : nsini = n sin/’ hay sinr = —-sinz n Tia này tói mặt phân cách với không khí với góc tới là /-. /z . . « 1 1 ... sinr = — sin/ >—.— = — = sin/„h rí rí n rí s Suy ra: /• > Zgh (z^h: góc giới hạn giữa thuỷ tinh và không khí). Tia (2) phản xạ toàn phần và không khúc xạ ra không khí được (Hình 27.5b). IK - ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG PHẢN XẠ TOÀN PHẦN : CÁP QUANG Câu tạo Cáp quang là bó sợi quang. Mỗi sợi quang là một dây trong suốt có tính dẫn sáng nhờ phản xạ toàn phần (Hình 27.6). Sợi quang gồm hai phần chính (Hình TI.7): Phần lõi trong suốt bằng thuỷ tinh siêu sạch có chiết suất lớn («j). Phần vỏ bọc cũng trong suốt, bằng thuỷ tinh có chiết suất «2 nhỏ hơn phần lỗi. Phản xạ toàn phần xảy ra ở mặt phân cách giữa lõi vă vỏ làm cho ánh sáng truyền đi được theo sợi quang. Ngoài cùng là một số lớp vỏ bọc bằng nhựa dẻo để tạo cho cáp độ bền và độ dai cơ học. Công dụng Từ những năm 80 của thế kỉ XX, cáp quang đã được ứng dụng vào việc truyền thông tin. 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 bị nhiễu bởi các bức xạ điện từ bên ngoài, bảo mật tốt. Không có rủi ro cháy (vì không có dòng điện). Hình 27.6 Đường truyền của tia sáng trong sợi quang 125 |im (lõi) Hình 27.7 Cấu tạo của sợi quang Hình 27.8 Cáp quang dùng trong phép nội soi Thiết bị nội soi Cáp quang còn được dùng để nội soi trong Y học (Hình 27.8 và 27.9). Loại cáp này gồm các sợi quang rất nhỏ. Một cáp quang thường dùng có thể gồm hàng trăm sợi quang. 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. . , ,, In2 <n-Ị n2 Điêu kiện đê có phản xạ toàn phan : J. ‘ . (sin/. = „ ) Ịiấigh gh- n1 - Cáp quang là dây dần sáng ứng dụng phản xạ toàn phần đê’ truyền tín hiệu trong thông tin và đê nội soi trong Y học. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP Hình 27.10 ti Thế nào là phản xạ toàn phần ? Nêu điểu kiện để có phản xạ toàn phần. So sánh phản xạ toàn phần với phản xạ thông thường. Cáp quang là gì ? Hãy cho biết cấu tạo của cáp quang. Nêu một vài ứng dụng. Giải thích tại sao kim cương (Hình 27.4) và pha lê sáng lóng lánh. Người ta tạo ra nhiéu mặt cho viên kim cương hay các vật bằng pha lê để làm gì ? 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 / có giá trị thay đổi. Trường hợp nào sau đấy có hiện tượng phản xạ toàn phần ? Chùm tia sáng gần như sát mặt phẳng phân cách. Góc tới ì thoả mãn điều kiện sin/ > —. n2 c. Góc tới / thoả mãn điều kiện sin / < -^L. n2 D. Không trường hợp nào đã nêu. Một chùm tia sáng hẹp SI truyền trong mặt phẳng tiết diện vuông góc của một khối trong suốt như Hình 27.10. Tia sáng phản xạ toàn phần ở mặt AC. Trong điều kiện đó, chiết suất n của khối trong suốt có giá trị như thế nào ? A. n > 72. B. n < 72. c. 1 < n < 72. D. Không xác định được. Có ba môi trường trong suốt. Với cùng góc tới: Nếu tia sáng truyền từ (1) vào (2) thì góc khúc xạ là 30°. Nếu tia sáng truyến từ (1) vào (3) thì góc khúc xạ là 45°. Góc giới hạn phản xạ toàn phán ở mặt phân cách (2) và (3) có giá trị như thế nào (tính tròn số) ? A. 30°. B. 42°. c. 45°. D. Không tính được. Một khối bán trụ trong suốt có chiết suất n = 1,41 « 72 . Một chùm tia sáng hẹp nàm trong một mặt phẳng của tiết diện vuông góc, chiếu tói khối bán trụ nhu Hình 2711. Xác định đuờng đi của chùm tia sáng với các giá trị sau đây của Hình 27.11 góc a. a) cr = 60°; b) a = 45°; c) a = 30°. Một sọi quang hình trụ, lỏi có chiết suất n1 = 1,50. Phân vỏ bọc có chiết suất n2 = 1,41 = 72. Chùm tia tới hội tụ ở mặt trước của sợi vói góc 2a như Hình 27.12. Xác định a để các tia sáng của chùm truyến đi được trong ống. ơ. Hình 27.12