Hiện tượng phản xạ toàn phần là gì?

1. Hiện tượng phản xạ toàn phần có nghĩa là gì?

Câu hỏi: Hiện tượng phản xạ toàn phần là gì?

A. Ánh sáng phản xạ hoàn toàn khi chiếu vào mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt.

B. Ánh sáng phản xạ hoàn toàn khi gặp bề mặt phẳng.

C. Ánh sáng bị đổi hướng đột ngột khi xuyên qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt.

D. Cường độ ánh sáng giảm khi đi qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt.

Đáp án: A

Hiện tượng phản xạ toàn phần xảy ra khi ánh sáng phản xạ hoàn toàn trở lại khi chiếu vào mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt.

2. Nguyên lý phản xạ toàn phần

Thí nghiệm: Sự truyền ánh sáng từ môi trường có chỉ số khúc xạ cao hơn (n1 > n2)

Khi chiếu chùm tia sáng từ khối nhựa trong suốt hình bán trụ vào không khí, chúng ta nhận được kết quả như sau:

Đặc điểm của phản xạ toàn phần:

Phản xạ toàn phần là hiện tượng khi toàn bộ tia sáng phản xạ trở lại, xảy ra tại mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt.

+ Trong phản xạ toàn phần, không xuất hiện tia khúc xạ.

+ Phản xạ toàn phần khác với phản xạ một phần (phản xạ một phần luôn kèm theo khúc xạ).

 - Ánh sáng phải truyền từ môi trường có chỉ số khúc xạ cao hơn sang môi trường có chỉ số khúc xạ thấp hơn (n2 < n1).

- Góc tới phải lớn hơn hoặc bằng góc giới hạn:

Ứng dụng của hiện tượng phản xạ toàn phần

Cấu trúc

- Cáp quang là tập hợp các sợi quang. Mỗi sợi quang là một dây trong suốt có khả năng dẫn ánh sáng nhờ hiện tượng phản xạ toàn phần.

- Sợi quang bao gồm hai thành phần chính:

+ Phần lõi trong suốt làm từ thủy tinh siêu sạch có chỉ số khúc xạ cao (n1).

+ Phần vỏ bọc trong suốt, làm từ thủy tinh có chỉ số khúc xạ thấp hơn phần lõi (n2).

Phản xạ toàn phần xảy ra tại mặt phân cách giữa lõi và vỏ, giúp ánh sáng truyền đi qua sợi quang.

+ Lớp ngoài cùng là lớp vỏ bọc bằng nhựa dẻo, giúp cáp có độ bền và khả năng chịu lực cơ học tốt.

Ứng dụng

- Có khả năng truyền tải tín hiệu với dung lượng lớn.

- Kích thước nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ, thuận tiện cho việc vận chuyển và uốn cong.

- Chống nhiễu từ các bức xạ điện từ bên ngoài, đảm bảo tính bảo mật cao.

- Không có nguy cơ cháy do không có dòng điện đi qua.

Ứng dụng của cáp quang

Trong lĩnh vực công nghệ thông tin, cáp quang được sử dụng để truyền tải thông tin và dữ liệu dưới dạng tín hiệu ánh sáng.

3. Bài tập áp dụng hiện tượng phản xạ toàn phần

3.1 Bài tập trắc nghiệm

Bài 1: Các điều kiện để xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần là:

A. Ánh sáng truyền từ môi trường có chỉ số khúc xạ cao hơn sang môi trường có chỉ số khúc xạ thấp hơn, và góc tới nhỏ hơn góc giới hạn phản xạ toàn phần.

B. Ánh sáng truyền từ môi trường có chỉ số khúc xạ cao hơn sang môi trường có chỉ số khúc xạ thấp hơn, và góc tới lớn hơn hoặc bằng góc giới hạn phản xạ toàn phần.

C. Ánh sáng truyền từ môi trường có chỉ số khúc xạ thấp hơn sang môi trường có chỉ số khúc xạ cao hơn, và góc tới lớn hơn hoặc bằng góc giới hạn phản xạ toàn phần.

D. Ánh sáng truyền từ môi trường có chỉ số khúc xạ thấp hơn sang môi trường có chỉ số khúc xạ cao hơn, và góc tới nhỏ hơn hoặc bằng góc giới hạn phản xạ toàn phần.

Bài 2: Có ba môi trường trong suốt. Khi tia sáng truyền từ môi trường 1 vào môi trường 2 dưới góc tới i thì góc khúc xạ là 30°. Nếu tia sáng tiếp tục truyền từ môi trường 1 vào môi trường 3 cũng dưới góc tới i thì góc khúc xạ là 50°. Xác định góc giới hạn phản xạ toàn phần tại mặt phân cách giữa môi trường 2 và 3? (Chọn đáp án gần đúng nhất).

A. 40°

B. 50°

C. 55°

D. 60°

Bài 3: Một đĩa gỗ mỏng với bán kính R = 10cm nổi trên mặt nước. Tại trung tâm đĩa có một cây kim thẳng đứng, chìm trong nước với chỉ số khúc xạ n = 4/3. Dù nhìn từ bất kỳ hướng nào trên mặt nước, không thể thấy cây kim. Tính chiều dài tối đa của cây kim?

A. 6,8cm

B. 7,8cm

C. 8,8cm

D. 9,8cm

Bài 4: Một tia sáng đơn sắc từ không khí chiếu vào chất lỏng trong suốt với góc tới 45° và góc khúc xạ là 25°. Để tia sáng phản xạ toàn phần khi ra khỏi chất lỏng vào không khí, góc tới i phải thỏa mãn điều kiện nào?

A. i < 36°42'

B. i > 36°42'

C. i < 42°36'

D. i > 42°36'

Bài 5: Một tia sáng hẹp từ môi trường có chiết suất √2 chiếu tới mặt phân cách với môi trường khác có chiết suất n. Để tia sáng tới gặp mặt phân cách hai môi trường dưới góc i ≥ 50° xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần, chiết suất n phải thỏa mãn điều kiện sau đây:

Bài 6: Một tấm kính mỏng, trong suốt với chiết suất n1 = 1,5 có hình dạng hình chữ nhật ABCD (với AB rất dài so với AD). Mặt đáy AB tiếp xúc với một chất lỏng có chiết suất n2 = 1,2. Chiếu tia sáng SI trong mặt phẳng ABCD tới mặt AD sao cho tia tới nằm phía trên pháp tuyến tại điểm tới và tia khúc xạ trong kính gặp đáy AB tại điểm K. Xác định giá trị lớn nhất của góc tới i để xảy ra phản xạ toàn phần tại K? (chọn đáp án gần đúng nhất).

A. 50°

B. 55°

C. 64°

D. 42°

Bài 7: Một tia sáng truyền từ môi trường chất lỏng 1 sang mặt phân cách với môi trường chất lỏng 2. Biết chiết suất của môi trường 1 là 1,4 và của môi trường 2 là 1,2. Tính góc giới hạn để tia sáng xảy ra phản xạ toàn phần trong trường hợp này? (chọn đáp án gần đúng nhất).

A. 50°

B. 55°

C. 60°

D. 45°

Bài 8: Lựa chọn câu trả lời đúng từ các tùy chọn dưới đây:

Khi một chùm tia sáng chiếu tới mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt và xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần, thì

A. Cường độ ánh sáng của chùm tia phản xạ gần bằng cường độ ánh sáng của chùm tới.

B. Cường độ ánh sáng của chùm tia khúc xạ gần bằng cường độ ánh sáng của chùm tới.

C. Cường độ ánh sáng của chùm tia phản xạ lớn hơn cường độ ánh sáng của chùm tia tới.

D. Cường độ ánh sáng của chùm tia tới, chùm tia phản xạ và chùm tia khúc xạ đều bằng nhau.

Bài 9: Một bể nước có độ sâu 70cm. Trên mặt nước đặt một tấm gỗ có bán kính r. Một nguồn sáng S được đặt dưới đáy bể và nằm trên đường thẳng đi qua tâm của tấm gỗ. Biết chiết suất của nước là 4/3. Để tia sáng từ S không truyền ra ngoài không khí, giá trị nhỏ nhất của e là: (chọn đáp án gần đúng nhất)

A. 60cm

B. 70cm

C. 80cm

D. 90cm

Bài 10: Điều kiện nào sau đây là cần thiết để xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần?

A. Tia sáng tới phải vuông góc với mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt.

B. Tia sáng tới phải đi từ môi trường có chiết suất nhỏ sang môi trường có chiết suất lớn hơn.

C. Tia sáng tới phải song song với mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt.

D. Tia sáng tới phải đi từ môi trường có chiết suất cao hơn đến mặt phân cách với môi trường có chiết suất thấp hơn.

3.2 Tự luận

Bài tập 1: Một tia sáng trong khối thủy tinh chiếu tới mặt phân cách giữa thủy tinh và không khí với góc tới i = 30°, tia phản xạ và tia khúc xạ tạo thành góc vuông với nhau.

a) Tính chiết suất n của khối thủy tinh.

b) Xác định điều kiện của góc tới i để không có tia ló ra ngoài không khí.

Bài tập 2: Một khối thủy tinh P có chiết suất n đặt trong không khí, có tiết diện hình tam giác cân ABC vuông góc tại B. Khi một chùm sáng song song SI chiếu vuông góc vào mặt AB, tia sáng sẽ đi ra theo mặt AC. Xác định chiết suất n của khối thủy tinh P.

Bài tập 3: Có ba môi trường trong suốt. Khi tia sáng truyền từ môi trường 1 vào môi trường 2 với góc tới i, góc khúc xạ là 30°. Khi tia sáng truyền từ môi trường 1 vào môi trường 3 cũng với góc tới i, góc khúc xạ là 45°. Xác định góc giới hạn phản xạ toàn phần tại mặt phân cách giữa môi trường 2 và 3.

Bài tập 4: Một đĩa tròn mỏng bằng gỗ, bán kính R = 5cm, nổi trên mặt nước. Ở trung tâm đĩa có gắn một cây kim đứng, chìm trong nước với chiết suất n = 4/3. Dù đặt mắt ở bất kỳ vị trí nào trên mặt nước cũng không thấy cây kim. Tính chiều dài tối đa của cây kim.

Bài tập 5: Một miếng gỗ hình tròn có bán kính R = 4cm. Ở trung tâm O, cắm một đinh OA vuông góc với miếng gỗ. Miếng gỗ được thả nổi trong một chậu nước có chiết suất n = 1,33. Đỉnh OA nằm trong nước.

a) Nếu OA = 6cm, tính khoảng cách từ mắt trong không khí đến đầu A khi nhìn qua mặt nước.

b) Xác định chiều dài tối đa của OA để mắt không nhìn thấy đầu A của đinh.

c) Nếu thay nước bằng một chất lỏng có chiết suất n’, và khi giảm chiều dài OA của đinh xuống còn 3,2 cm thì mắt không còn thấy đầu A nữa. Tính chiết suất n’ của chất lỏng mới.