Khúc xạ ánh sáng - Phản xạ toàn phần

KHÚC XẠ ÁNH SÁNG – PHẢN XẠ TOÀN PHẦN

A. TÓM TẮT LÝ THUYẾT
1. Khúc xạ ánh sáng
+ Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng lệch phương của các tia sáng khi truyền xiên góc qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt khác nhau.
+ Định luật khúc xạ ánh sáng:
Tia khúc xạ nằm trong mặt phẵng tới (tạo bởi tia tới và pháp tuyến) và ở phía bên kia pháp tuyến so với tia tới.
Với hai môi trường trong suốt nhất định, tỉ số giữa sin góc tới (sini) và sin góc khúc xạ (sinr) là một hằng số:
= hằng số.
+ Chiết suất tỉ đối: tỉ số không đổi
trong hiện tượng khúc xạ được gọi là chiết suất tỉ đối n21 của môi trường 2 (chứa tia khúc xạ) đối với môi trường 1 (chứa tia tới):
= n21
+ Chiết suất tuyệt đối (thường gọi tắt là chiết suất) của một môi trường là chiết suất tỉ đối của môi trường đó đối với chân không.
+ Liên hệ giữa chiết suất tỉ đối và chiết suất tuyệt đối: n21 =
.
+ Biểu thức của định luật khúc xạ viết dạng khác: n1sini = n2sinr; khi i và r rất nhỏ (nhỏ hơn 100) thì: n1i = n2r
+ Tính chất thuận nghịch của sự truyền ánh sáng: ánh sáng truyền đi theo đường nào thì cũng truyền ngược lại theo đường đó. Theo tính chất thuận nghịch về sự truyền ánh sáng ta có: n12 =
.
2. Hiện tượng phản xạ toàn phần
+ Phản xạ toàn phần là hiện tượng phản xạ toàn bộ ánh sáng tới, xảy ra ở mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt.
+ Điều kiện để có phản xạ toàn phần:
- Ánh sáng phải truyền từ một môi trường sang môi trường chiết quang kém hơn (n2< n1).
- Góc tới lớn hơn hoặc bằng góc giới hạn: i ≥ igh; với sinigh = /.
+ Cáp quang là bó sợi quang. Mỗi sợi quang là một dây trong suốt có tính dẫn sáng nhờ phản xạ toàn phần.
Sợi quang có lỏi làm bằng thủy tinh siêu sạch có chiết suất lớn (n1) được bao quanh bởi một lớp vỏ có chiết suất n2 nhỏ hơn n1. Phản xạ toàn phần xảy ra ở mặt phân cách giữa lỏi và vỏ làm cho ánh sáng truyền đi được theo sợi quang. Ngoài cùng là một lớp võ bọc bằng nhựa dẻo để tạo cho cáp có độ bền và độ dai cơ học.
Cáp quang được ứng dụng vào việc truyền thông tin với nhiều ưu điểm: dung lượng tín hiệu lớn; nhỏ và nhẹ, dễ vận chuyển, dễ uốn; không bị nhiễu bởi các bức xạ điện từ bên ngoài; không có rủi ro cháy (vì không có dòng điện).
Trong y học, người ta dùng cáp quang để nội soi.

B. CÁC CÔNG THỨC
+ Định luật khúc xạ: / = n21 = / hay n1sini = n2sinr.
+ Liên hệ giữa chiết suất và vận tốc ánh sáng: n21 = / = /; n = /.
+ Góc giới hạn phản xạ toàn phần: sinigh = /; với n2< n1.

C. BÀI TẬP TỰ LUẬN
1. Tia sáng đi từ nước có chiết suất n1 = / sang thủy tinh có chiết suất n2 = 1,5. Tính góc khúc xạ và góc lệch D tạo bởi tia khúc xạ và tia tới, biết góc tới i = 300.
2. Tia sáng truyền trong không khí tới gặp mặt thoáng của chất lỏng có chiết suất n = /. Ta được hai tia phản xạ và khúc xạ vuông góc với nhau. Tính góc tới.
3. Một cây cọc dài được cắm thẳng đứng xuống một bể nước chiết suất n =
. Phần cọc nhô ra ngoài mặt nước là 30 cm, bóng của nó trên mặt nước dài 40 cm và dưới đáy bể nước dài 190 cm. Tính chiều sâu của lớp nước.
4. Một cái máng nước sâu 30 cm rộng 40 cm có hai thành bên thẳng đứng. Lúc máng cạn nước thì bóng râm của thành A kéo dài tới đúng chân thành B đối diện. Người ta đổ nước vào máng đến một độ cao h thì bóng của thành A ngắn bớt đi 7 cm so với trước. Biết chiết suất của nước là n =
. Tính h.
5. Một người ngồi trên bờ hồ nhúng chân vào nước trong suốt. Biết chiết suất của nước là n =
.
a) Khoảng cách thực từ bàn chân người đó đến mặt nước là 36 cm. Hỏi mắt người đó cảm thấy bàn chân cách mặt nước bao nhiêu?
b) Người này cao 1,68 m, nhìn thấy một hòn sỏi dưới đáy hồ dường như cách mặt nước 1,5 m. Hỏi nếu đứng dưới hồ thì người ấy có bị ngập đầu không?.
6. Tính vận tốc của ánh sáng trong thủy tinh. Biết thủy tinh có chiết suất n