Tài liệu vật lý 11 Khúc xạ ánh sáng và phản xạ toàn phần

DEMO

KHóC X¹ ¸NH S¸NG Vµ PH¶N X¹ TOµN PHÇN
1. Hiện tượng khúc xạ ánh sáng và Định luật khúc xạ ánh sáng:
Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng các tia sáng bị lệch phương (gãy khúc) khi truyền xiên góc qua
mặt phân cách giữa 2 môi trường trong suốt khác nhau
Định luật khúc xạ ánh sáng:
 Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới và ở bên phía bên kia pháp tuyến so với tia tới.
 Với hai môi trường trong suốt nhất định, tỉ số giữa sin góc tới i và sin góc khúc xạ r luôn
sin i
 const  n21
sin r

không đổi:


n1 là chiết suất của môi trường (1) chứa góc i
n2 là chiết suất của môi trường (2) chứa góc r
SI: tia tới ; IS’: tia phản xạ; IR: tia khúc xạ
I: điểm tới
NIN’: pháp tuyến với mặt phân cách tại I
i: góc tới; r: góc khúc xạ; i’: góc phản xạ
Mặt phẳng chứa (SI; N’IN) là mặt phẳng tới
2. Chiết suất của môi trường:
Chiết suất tỉ đối: n21 là chiết suất tỉ đối của môi trường (2) (chứa tia khúc xạ) đối với môi trường
(1) (chứa tia tới)
Chiết suất tuyệt đối: n (chiết suất) của một môi trường là chiết suất tỉ đối của môi trường đó đới
mới chân không (n=1)
Nguyên nhân của hiện tượng khúc xạ là sự thay đổi tốc độ truyền ánh sáng trong các môi trường
c
n  (Tốc độ ánh sáng trong chân không/Tốc độ ánh sáng trong môi trường chiết suất n)

v

Chú ý:
n1  n2  n21  1  sin i  sin r  i  r  Môi

trường (2) chiết quang hơn môi trường (1) [Tia
khúc xạ lệch gần pháp tuyến hơn tia tới]
n1  n2  n21  1  sin i  sin r  i  r  Môi
trường (2) chiết quang kém hơn môi trường (1)
[Tia khúc xạ lệch xa pháp tuyến hơn tia tới]
n21 

n2 v1
 (v là tốc độ truyền ánh sáng)
n1 v2

Tính thuận nghịch của sự truyền ánh sáng:
Ánh sáng truyền đi theo đường nào thì cũng truyền ngược
lại theo đường đó.
3.

Page 1 of 6


DEMO

4. 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.

Chú ý: Khi có phản xạ toàn phần thì không
còn tia khúc xạ
Gọi là “Toàn phần” để phân biệt với
phản xạ một phần luôn xảy ra đi kèm sự
khúc xạ
Điều kiện để có phản xạ toàn phần:
Ánh sáng truyền từ môi trường chiết
quang tốt hơn sang môi trường chiết quang kém
( n1  n2  n21  1 )
Góc tới i

Góc giới hạn igh (

) với sin igh 

n2
n
(  )
n1
n

5. Ứng dụng của hiện tượng phản xạ toàn phần: CÁP QUANG
Cáp quang là bó sợi quang. Mỗi sợi quang là một dây trong suốt có tính dẫn sáng nhờ phản xạ
toàn phần.
Cấu tạo: Phần lõi trong suốt, bằng thủy tinh siêu sạch, chiết suất lớn n1
Phần vỏ trong suốt, bằng thủy tinh có chiết suất n2 < n1
Lớp phủ đệm có tác dụng bảo vệ sợi
Đường truyền tia sáng: Cáp quang dẫn sáng dựa vào hiện tượng phản xạ toàn phần
Ưu điểm: Nhỏ, nhẹ, dễ vận chuyển, dễ uốn trong giới hạn kĩ thuật
Dung lượng, tín hiệu lớn

Không bị nhiễu bởi các bức xạ điện từ bên ngoài, bảo mật tốt
Không có rủi ro cháy
Nhược điểm: Nối cáp rất khó khăn, dây cáp càng thẳng càng tốt
Chi phí hàn nối và thiết bị đầu, cuối cao lớn hơn so với cáp đồng.
Ứng dụng: Trong công nghệ thông tin, cáp quang được dùng để truyền thông tin, dữ liệu dưới
dạng tín hiệu ánh sáng.
Trong nội soi y học.
6. Các dạng bài tập thường gặp:
►Dạng 1: Bài tập áp dụng Định luật khúc xạ ánh sáng.
Tia sáng truyền từ môi trường có chiết suất n1 vào môi trường có
chiết suất n2: n1 sin i  n2 sin r
Chiết suất tuyệt đối của môi trường:
c
n  (Tốc độ ánh sáng trong chân không/Tốc độ ánh sáng trong
v

môi trường chiết suất n)
n21 

n2 v1 sin i
tan i i
 
 const (
 Nếu i và r <<)
n1 v2 sin r
tan r r

Góc hợp bởi tia tới và tia khúc xạ:   r  i
Page 2 of 6

DEMO

Góc hợp bởi tia phản xạ và tia khúc xạ:   180  (i  r )
●Trường hợp đặc biệt: Tia khúc xạ và tia phản xạ vuông góc với nhau ( i ' r  90  i  r  90 )
Khi đó: n21 

n2
 tan i
n1

Khi tia sáng truyền từ không khí vào môi trường chiết suất n thì tan i  n
Khi tia sáng truyền từ môi trường chiết suất n vào không khí thì tan i 

1
n

►Dạng 2:Bài tập Lưỡng chất phẳng.
Gọi S là vật, S’ là ảnh
SH = d là khoảng cách từ mặt phân cách đến vật
S’H = d’ là khoảng cách từ mặt phân cách đến ảnh
Để có ảnh rõ, góc tới i << nên tan i  sin i và tan r  sin r
Khi đó, ta có:

n1
SH
d


n2 S ' H d '

►Dạng 3: Bài tập tìm ảnh của vật qua bản mặt song song.
Gọi S’ là ảnh của S qua bản mặt song song có chiết suất n
và bề dày e đặt trong môi trường có chiết suất n’, độ dời
ảnh là SS’
Tính chất của bản mặt song song:
- Tia ló song song tới tia tới
-Vật và ảnh song song và cùng độ lớn
-Vật thật cho ảnh ảo và vật ảo cho ảnh thật
Độ dời ngang của tia sáng hay khoảng cách giữa tia tới và
tia ló:   e

sin(i  r )
cos r

Độ dời ảnh qua bản mặt song song:
SS '  e(1 

tan r
n'
)  e(1  )
tan i
n
1
n

Nếu bản mặt song song đặt trong không khí thì SS '  e(1  )
►Dạng 4: Bài tập tìm ảnh của một vật qua hệ LCP và gương phẳng.
Cho vật M cách mặt phân cách MH và cách gương MK.
HK là khoảng cách từ mặt phân cách tới gương.

M 1 H n2

MH
n1

Xét sự tạo ảnh M1 của M qua LCP, ta có:

Xét sự tạo ảnh M2 của M1 qua gương phẳng, ta có:
M 2 K  M1K  KH  HM1

Xét sự tạo ảnh M3 của M2 qua LCP, ta có:

M 2 H n2

M 3 H n1

Page 3 of 6


DEMO

Do đó, khoảng cách từ ảnh của M tới mặt nước và vật M là:
M 3 H  MH  2

n1
n
KH  M 3 M  2MH  2 1 KH
n2
n2
3

2

3
2

Trường hợp thường gặp (1-nước;2-không khí): M 3 H  MH  KH  M 3 M  2MH  KH
►Dạng 5: Phản xạ toàn phần.
●Điều kiện để có phản xạ toàn phần:
n1  n2  n21  1

với sin igh 

n2 n

n1 n

●Tìm bán kính nhỏ nhất của tấm gỗ để không có tia sáng từ S lọt ra ngoài:
Để không có tia sáng nào lọt ra ngoài thì mọi tia sáng chiếu tới
mặt phân cách đều bị phản xạ toàn phần trở lại.
sin igh 

n2
 igh  ...
n1

tan igh 

r
 r  h.tan igh  ...
h

Do đó, ta có công thức: r 

h
n
( 1 )2  1
n2

2

 n1  n2

Trường hợp thường gặp (nước-không khí): r 

h
  1
r

3
h
7

●Xác định góc α các tia sáng của chùm truyền đi được trong ống của sợi quang hình trụ:
Gọi n1 là chiết suất của lõi
n2 là chiết suất của phần vỏ bọc
2α là góc của chùm tia tới hội tụ ở mặt
trước của sợi quang
Để tia sáng truyền đi trong ống tại J phải
xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần
Góc tới tại J là i '  90  r

n
Góc tới giới hạn tại J là sin i '  cos r  2
n1
Tại I ta có: sin   n1 sin r  n1 1  cos 2 r  n1 1  (

n2 2
)  n12  n2 2
n1

►Dạng 6: Tìm chiều cao tối thiểu của gương và
khoảng cách tối đa từ mép dưới của gương tới mặt
đất để có thể nhìn toàn bộ ảnh trong gương:
Gọi h và a lần lượt là chiều cao của người và
khoảng cách từ mắt tới đỉnh đầu.
Dựa vào hình vẽ, xét ∆OA’B’ có HI là đường trung
bình
Page 4 of 6


DEMO

Nên ta có chiều cao tối thiểu của gương là h '  HI 

1
1
AB  h
2
2

Dựa vào hình vẽ, xét ∆OBB’ có IK là đường trung bình

Nên ta có khoảng cách tối đa từ mép dưới của gương tới mặt đất là:

1
1
x  IK  ( AB  OA)  (h  a)
2
2
►Dạng 7: Xác định độ dài bóng đen tạo thành trên đáy bể:
Gọi h là chiều cao của thành bể, h’ là độ cao mực chất
lỏng trong bể
n là chiết suất của chất lỏng trong bể.
α là góc hợp bởi ánh sáng và phương ngang
Chiều cao của thành bể so với mặt nước là l  h  h '
Góc tới tại mặt phân cách là i  90  
sin i
Theo Định luật khúc xạ: sin r 
n
h '.cos 
Xét ∆IOH: OH  BC.tan r 
n 2  cos 2 
Xét ∆IAB: OC  IB  AB.cot   (h  h ').cot 
Độ dài của bóng đen tạo thành trên đáy bể là: d  CH  CO  OH 

h  h'
h '.cos 

tan 
n 2  cos 2 

►Dạng 8: Xác định độ rộng của chùm tia khúc xạ

D, d lần lượt là độ rộng của chùm tia tới và chùm tia khúc xạ.
n là chiết suất của chất lỏng
Ta có:
 sin i n
sin 2 i
 2  n  cos r  1  2

2
 sin r n1
n  d  D 1  sin i

cos i
n2
D
d

IJ  cos i  cos r
►Dạng 9: Tìm góc tới lớn nhất tại tâm của mặt trên để tia khúc
xạ còn gặp mặt đáy:
Gọi n là chiết suất của khối lập phương
Xét mặt chéo của hình lập phương cạnh a như hình vẽ, ta có:
Ta có:

sin r 

0,5a 2
a 2  (0,5a 2) 2



Định luật khúc xạ ánh sáng:
n
sin i 
3
Page 5 of 6

1
3


DEMO

►Dạng 10: Ảnh của một vật qua hệ gồm một bản mặt song song và một gương phẳng
MI=d: khoảng cách từ vật tới gương
Nếu không có bản mặt song song thì ảnh
của M qua gương là N
Khi có bản mặt song song thì ảnh của M
bị dịch chuyển theo chiều truyền một
1
đoạn: NP  e(1  )
n
Như vậy, ảnh cách gương một khoảng là:
1
PI  d  e(1  )
n
1
Vật cách ảnh một khoảng: MN  2d  e(1  )
n

Page 6 of 6