Hiện tượng phản xạ toàn phần

Buzz

Nội dung bài viết

Giải thích hiện tượng từ góc độ toán học

Ứng dụng và ví dụ trong thực tế

Lăng kính Porro

Sợi quang

Ảo ảnh

Các hiện tượng quang học khác

Ghi chú

Xem thêm

Đọc tóm tắt

- Hiện tượng phản xạ toàn phần trong quang học.
- Định luật mô tả hiện tượng phản xạ toàn phần.
- Giải thích hiện tượng từ góc độ toán học.
- Ứng dụng và ví dụ về lăng kính Porro.
- Sợi quang và ứng dụng trong viễn thông và y học.
- Ảo ảnh trong tự nhiên và nguyên nhân.
- Các hiện tượng quang học khác như kim cương lấp lánh, cáp quang, khúc xạ, chiết suất.

Phản xạ toàn phần

Hiện tượng phản xạ toàn phần (còn được biết đến với tên gọi phản xạ nội toàn phần hoặc total internal reflection) là một hiện tượng trong quang học. Định luật mô tả hiện tượng này như sau:

Đối với hai môi trường 1 và 2 với chỉ số khúc xạ lần lượt là n 1 {displaystyle n_{1}} và n 2 {displaystyle n_{2}} và n 2 < n 1 {displaystyle n_{2} i g h {displaystyle i>i_{gh}} , trong đó i g h {displaystyle i_{gh}} là góc khúc xạ tối đa) thì tia sáng sẽ bị phản xạ hoàn toàn trở lại môi trường ban đầu thay vì tiếp tục đi vào môi trường thứ hai.

Góc khúc xạ giới hạn (hay còn gọi là góc khúc xạ tới hạn) được tính theo công thức sau:

i_{gh} = \arcsin (\frac{n_{2}}{n_{1}})

Giải thích hiện tượng từ góc độ toán học

Theo định luật Snell, nếu tia sáng khúc xạ vào môi trường mới, mối quan hệ giữa góc tới và góc khúc xạ được biểu diễn như sau:

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

từ đó suy ra:

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

Nếu góc tới lớn hơn góc khúc xạ giới hạn:

i_{gh} = \arcsin (\frac{n_{2}}{n_{1}})

thì ta có:, điều này có nghĩa là không thể có giá trị của r thỏa mãn điều kiện , có nghĩa là tia sáng sẽ không khúc xạ mà phản xạ hoàn toàn về môi trường ban đầu.

Vậy, có thể mô tả một cách tổng quát như sau:

Nếu , tia sáng sẽ khúc xạ sang môi trường mới theo định luật Snell.
Nếu , tia sáng sẽ bị phản xạ hoàn toàn trở lại môi trường cũ.

Ví dụ:

Khi tia sáng từ môi trường kính acrylic (hệ số chiết suất xấp xỉ 1,500) chuyển ra không khí (hệ số chiết suất xấp xỉ 1,000), góc khúc xạ giới hạn của nó được tính như sau:

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

Ứng dụng và ví dụ trong thực tế

Lăng kính Porro

Thí nghiệm với lăng kính Porro cho phản xạ toàn phần: Tia ló phản chiếu ngược hướng và cách tia tới một khoảng bằng

\frac{1}{2}

cạnh huyền.

Hình ảnh qua lăng kính Porro: bị lộn ngược theo chiều dọc, nhưng không bị đảo chiều trái phải.

Hệ lăng kính Porro kép: Khi tia sáng đi qua hệ lăng kính Porro kép, tia sáng không thay đổi chiều, nhưng hình ảnh sẽ bị lộn ngược theo chiều dọc và đảo ngược trái phải. Hình ảnh qua hệ cũng bị dịch chuyển vị trí theo cả chiều ngang và chiều dọc một khoảng bằng cạnh huyền.

Hệ lăng kính Porro kép: Khi ánh sáng đi qua hệ lăng kính Porro kép, ánh sáng không bị thay đổi chiều, nhưng hình ảnh sẽ bị lộn ngược theo chiều dọc và đảo ngược trái phải. Hình ảnh cũng bị dịch chuyển một khoảng bằng cạnh huyền theo cả chiều ngang và chiều dọc.

Lăng kính Porro được sử dụng trong ống nhòm.

Sơ đồ kính tiềm vọng (periscope) bên phải sử dụng lăng kính Porro để điều chỉnh hướng đi của tia sáng, trong khi bên trái sử dụng gương.

Sơ đồ kính tiềm vọng (periscope) bên phải sử dụng lăng kính Porro để hướng dẫn tia sáng, trong khi bên trái dùng gương.

Lăng kính Porro-Abbe.

Lăng kính Porro (hay còn gọi là Porro prism) được phát minh bởi Ignazio Porro, một nhà phát minh người Italia, vào năm 1850 khi ông làm việc cho hãng Carl Zeiss (Đức). Mục đích của phát minh này là để cải tiến và chế tạo ống nhòm thế hệ mới, với nhiều tính năng vượt trội hơn so với ống nhòm Galilean sử dụng thấu kính phân kỳ trước đó.

Lăng kính này là lựa chọn phổ biến nhất để điều chỉnh ánh sáng và đảo ngược hình ảnh.

Lăng kính Porro có dạng hình khối lăng trụ với mặt đáy là một tam giác vuông cân.

Lăng kính Porro thường được thiết kế và lắp đặt ở các vị trí đặc biệt, sao cho mặt đến và mặt ra vừa vuông góc vừa song song với trục quang học. Có hai cách định hướng chính:

Khi tia sáng chiếu vào mặt cạnh góc vuông của lăng kính Porro, nó sẽ trải qua một lần phản xạ toàn phần ở mặt cạnh huyền và sau đó ló ra ở mặt cạnh góc vuông đối diện. Hình ảnh được tạo ra sẽ bị xoay 90 độ từ vị trí đứng thành nằm ngang, nhưng không bị đảo trái phải. Bố trí này thường được sử dụng trong kính tiềm vọng như trong hình minh họa.

Khi tia sáng chiếu vào mặt cạnh huyền của lăng kính Porro, nó sẽ trải qua hai lần phản xạ toàn phần ở các mặt phẳng góc vuông và tạo ra tia ló ngược hướng 180°. Hình ảnh qua lăng kính Porro sẽ bị đảo ngược trên dưới, nhưng không bị đảo trái phải.

Hai lăng kính Porro thường được kết hợp thành một cặp ghép đôi trực giao, tạo nên hệ lăng kính Porro kép. Trong hệ này, lăng kính thứ hai được xoay 90° so với lăng kính thứ nhất. Khi tia sáng đi qua hệ lăng kính Porro kép, tia sáng không bị đổi chiều, nhưng hình ảnh bị lộn ngược trên dưới và đảo trái phải. Hình ảnh cũng bị dịch chuyển theo chiều ngang và dọc khoảng ½ cạnh huyền. Hệ lăng kính này rất phổ biến trong các cơ cấu hai mắt nhìn truyền thống.

Lăng kính Porro được sử dụng rộng rãi trong ống nhòm, kính tiềm vọng, và nhiều thiết bị quang học khác. Trong các thiết bị này, lăng kính Porro thường được thiết kế với góc bầu để giảm kích thước và khối lượng.

lượng và kích thước.

Một dạng khác của lăng kính Porro là lăng kính Porro-abbe. Tia sáng đi qua loại lăng kính này sẽ trải qua 4 lần phản xạ toàn phần.

Sợi quang

Tín hiệu quang học di chuyển theo định luật phản xạ toàn phần bên trong lõi sợi quang.

Tia sáng di chuyển qua một sợi quang.

Một bó sợi quang

Sợi quang (tiếng Anh: optical fiber) bao gồm các thành phần sau:

lõi (tiếng Anh: core) nằm ở trung tâm, làm từ vật liệu trong suốt (thường là thủy tinh chất lượng cao, với độ chiết suất ),
lớp vỏ bọc (tiếng Anh: cladding) bao quanh lõi, làm từ vật liệu khác cũng trong suốt nhưng có độ chiết suất ),
và một lớp bảo vệ bên ngoài có thể là lớp vỏ nhựa.

Để ánh sáng truyền từ đầu này sang đầu kia của sợi quang, nó sẽ phải liên tục phản xạ toàn phần tại mặt phân cách giữa lõi và lớp vỏ bọc.

Sợi quang được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực viễn thông, chủ yếu để chế tạo các cáp quang.

Trong y học, sợi quang được sử dụng trong các thiết bị nội soi để quan sát bên trong cơ thể.

Ngoài ra, sợi quang cũng được dùng để trang trí, chẳng hạn như trên cây thông Noel, và trong nghệ thuật.

Ảo ảnh

Tại các khu vực sa mạc, sự giảm nhiệt độ không khí theo độ cao làm cho chiết suất của không khí tăng nhanh. Trong điều kiện này, ánh sáng từ bầu trời có thể bị phản xạ toàn phần đến mắt người quan sát trên sa mạc, tương tự như ánh sáng phản chiếu từ mặt nước.

Ảo ảnh hình thành do sự khác biệt nhiệt độ giữa các lớp không khí.

Vào những ngày nắng nóng, con đường trông như một mặt gương phản chiếu các phương tiện.

Trong thời tiết nắng nóng, con đường có vẻ như là mặt gương, phản chiếu bóng dáng của các phương tiện.

Nguyên nhân của các ảo ảnh (tiếng Anh: mirage) trong tự nhiên thường là do sự khác biệt nhiệt độ giữa các lớp không khí, dẫn đến hiện tượng khúc xạ và phản xạ toàn phần. Có hai loại ảo ảnh chính như sau:

Loại thứ nhất: Ảo ảnh bị lộn ngược và xuất hiện dưới vật thật, thường thấy ở sa mạc hoặc trên đường nhựa vào những ngày nắng nóng. Nguyên nhân là sự khác biệt nhiệt độ giữa các lớp không khí: mặt đất hấp thụ nhiệt từ ánh sáng mặt trời và bức xạ trở lại không khí, làm cho các lớp không khí gần mặt đất nóng hơn các lớp trên cao. Khi nhiệt độ giảm theo độ cao, mật độ không khí trên cao sẽ tăng và chiết suất cũng cao hơn. Ánh sáng từ vật sẽ bị khúc xạ nhiều lần, tạo ra đường đi cong và hướng xuống dưới. Khi gần mặt đất, góc tới tăng dần và có thể vượt qua góc khúc xạ giới hạn, dẫn đến hiện tượng phản xạ toàn phần. Ánh sáng phản xạ lên và đi đến mắt người quan sát, tạo cảm giác như thấy ảnh của vật trên mặt đất. Ví dụ, vào mùa hè nắng nóng, mặt đường có thể lấp lánh như mặt nước phản chiếu các phương tiện, hoặc người trên sa mạc có thể tưởng thấy một hồ nước trước mặt.

Loại thứ hai: Các bóng mờ của các vật thể lớn (như tàu thuyền, dãy núi, hòn đảo, hoặc thành phố) hiện lên trên bầu trời hoặc mặt biển gần bờ. Nguyên nhân là lớp không khí lạnh gần mặt nước, trong khi các lớp không khí trên cao thì nóng hơn do bị mặt trời sưởi ấm. Cơ chế tương tự như loại thứ nhất, nhưng tia sáng từ vật thể lớn, ví dụ như con thuyền, đi theo hướng lên trên và bị khúc xạ tạo thành đường cong. Khi góc tới vượt qua góc khúc xạ giới hạn, ánh sáng bị phản xạ và hướng xuống đến mắt người quan sát, khiến họ thấy bóng lộn ngược của con thuyền trên bầu trời.

Các hiện tượng quang học khác

Người thợ lặn nhìn thấy hình ảnh phản chiếu của con rùa biển.

Người thợ lặn thấy hình ảnh phản chiếu của một con rùa biển dưới nước.

Hình ảnh của một con cá đen phản chiếu rõ nét trên bề mặt tiếp xúc giữa biển và không khí.

Kim cương lấp lánh ánh sáng rực rỡ.

Nhờ hiện tượng phản xạ toàn phần, người thợ lặn có thể nhìn thấy hình ảnh phản chiếu của con rùa biển trên bề mặt phân cách giữa biển và không khí.

Kim cương có chỉ số chiết suất cao, khoảng 2,417, vượt trội so với 1,5 của các loại thủy tinh thông thường, điều này giúp tạo ra hiệu ứng phản xạ toàn phần trên bề mặt trong của kim cương, tạo ra sự lấp lánh đặc biệt. (xem thêm bài viết về kim cương)

Khúc xạ
Chiết suất
Cáp quang
Ảo ảnh

Ghi chú

Theovi.wikipedia.org

Copy link

Các câu hỏi thường gặp

Phản xạ toàn phần là hiện tượng gì trong quang học?

Phản xạ toàn phần là hiện tượng xảy ra khi tia sáng không thể khúc xạ vào môi trường mới và phản xạ hoàn toàn trở lại môi trường ban đầu, diễn ra khi góc tới lớn hơn góc khúc xạ giới hạn.

Góc khúc xạ giới hạn được tính như thế nào?

Góc khúc xạ giới hạn được tính bằng công thức i_gh = arcsin(n2/n1), trong đó n1 và n2 là chỉ số khúc xạ của hai môi trường khác nhau.

Định luật Snell mô tả mối quan hệ nào?

Định luật Snell mô tả mối quan hệ giữa góc tới và góc khúc xạ của tia sáng khi đi từ môi trường này sang môi trường khác với chỉ số khúc xạ khác nhau.

Ứng dụng của phản xạ toàn phần trong thực tế là gì?

Phản xạ toàn phần được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như quang học, dây cáp quang để truyền tín hiệu và trong các thiết bị như ống nhòm và kính tiềm vọng.

Ảo ảnh là gì và nguyên nhân hình thành như thế nào?

Ảo ảnh là hiện tượng quang học do sự khác biệt nhiệt độ giữa các lớp không khí, khiến ánh sáng bị khúc xạ và phản xạ, tạo cảm giác thấy hình ảnh không tồn tại.

Lăng kính Porro có vai trò gì trong quang học?

Lăng kính Porro được sử dụng để điều chỉnh ánh sáng và đảo ngược hình ảnh trong ống nhòm, giúp hình ảnh rõ nét mà không bị đảo chiều trái phải.

Tại sao kim cương lại có sự lấp lánh đặc biệt?

Kim cương có chỉ số chiết suất cao khoảng 2,417, cho phép tạo ra hiệu ứng phản xạ toàn phần mạnh mẽ, mang lại ánh sáng lấp lánh đặc biệt so với các loại thủy tinh khác.

Nội dung từ Mytour nhằm chăm sóc khách hàng và khuyến khích du lịch, chúng tôi không chịu trách nhiệm và không áp dụng cho mục đích khác.

Nếu bài viết sai sót hoặc không phù hợp, vui lòng liên hệ qua email: [email protected]