Giải bài tập SGK vật lý lớp 11. Bài 27. Phản xạ toàn phần

1. Hiện tượng phản xạ toàn phần là gì? Nêu điều kiện để có phản xạ toàn phần.

Hướng dẫn

Hiện tượng phản xạ toàn phần là hiện tượng phản xạ toàn bộ tia sáng tới, xảy ra ở mặt phân cách hai môi trường trong suôt. Điều kiện để có phản xạ toàn phần:

– Ánh sáng truyền theo hướng từ môi trường chiết quang hơn vào môi trường chiết quang kém.

– Góc tới lớn hơn góc giới hạn: i > igh.

2. So sánh phản xạ toàn phần với phản xạ thông thường.

Hướng dẫn

Về mặt phản xạ: Hiện tượng phản xạ thông thường có thề xảy ra trên các bề mặt nhẵn, không cần có điều kiện gì kèm theo. Đôi với hiện tượng phản xạ toàn phần, mặt phản xạ là mặt phân cách giữa 2 môi trường trong suôt và kèm theo điều kiện ánh sáng truyền theo hướng từ môi trường chiết quang hơn vào môi trường chiết quang kém, đồng thời góc tới lớn hơn góc giới hạn phản xạ toàn phần.

Về cường độ chùm sáng phản xạ: Trong hiện tượng phản xạ thông thường, cường độ chùm sáng phản xạ có thế yếu hơn cường độ chùm sáng tới (vì có thể còn có sự khúc xạ), còn trong phản xạ toàn phần, cường độ chùm sáng phản xạ bằng cường độ chùm sáng tới. Tuy nhiên, cả hiện tượng phản xạ thông thường hay phản xạ toàn phần đều tuân theo định luật phản xạ ánh sáng.

3. Cáp quang là gì?

Trình bày cấu tạo của cáp quang. Nêu một vài ứng dụng.

Hướng dẫn

Cáp quang là nhừng bó sợi quang. Mồi sợi quang là một dây trong suốt có tính dẫn sáng nhờ phản xạ toàn phần.

– Phần lõi trong suốt bằng thủy tinh siêu sạch chiết suất lớn (ni).

– Phần vỏ cũng trong suốt, bằng thủy tinh có chiết suất (n2) nhỏ hơn phần lõi. Sự phản xạ toàn phần xảy ra ở mặt phân cách giữa lõi và vỏ làm cho ánh sáng truyền đi được trong lòng sợi quang.

Ngoài cùng là một số lớp vỏ bọc bằng nhựa dẻo để tạo cho cáp độ bền và độ dai cơ học. Từ những năm 80 của thế kỉ XX, cáp quang đã được ứng dụng vào việc truyền thông tin.

Một số ưu điếm của cáp quang: Dung lượng tín hiệu lớn; nhỏ và nhẹ hơn, dễ uốn và vận chuyển; không bị nhiều và cáp quang kiiông bị thâm nhập bởi các bức xạ điện từ bên ngoài; không có rủi ro cháy vì không có dòng điện; bảo mật tốt hơn…

Cáp quang còn được dùng trong phép nội soi của y học. Loại cáp này gồm các sợi quang thật nhỏ. Cáp chỉ cỡ kim tiêm gồm hàng trăm sợi quang. Có sợi truyền ánh sáng từ ngoài vào, những sợi khác truyền hình ảnh trở ra.

4. Giải thích tại sao kim cương và pha lê sáng lóng lánh?

Người ta tạo ra nhiều mặt cho viên kim cương hay các vật bằng pha lê để làm gì?

Hướng dẫn

Sở dĩ kim cương và pha lê sáng lánh là vì khi ánh sáng truyền vào kim cương, chúng bị phản xạ toàn phần liên tiếp ở bên trong. Người ta tạo ra nhiều mặt cho viên kim cương hay các vật bằng pha lê nhằm mục đích tạo ra sự phản xạ toàn phần rất nhiều lần.

5. Một tia sáng truyền trong môi trường (1) có chiết suất ni tới mặt phân cách với môi trường (2) có chiết suất n₂. Cho biết n₁ < n₂ và i có giá trị thay đổi. Trường hợp nào sau đây có hiện tượng phản xạ toàn phần?

A. Chùm tia sáng gần như sát mặt phăng phân cách

B. Góc tới i thỏa mãn điều kiện sini > n₂/n₁

C. Góc tới i thỏa mãn điều kiện sini > n₁/n₂

D. Không trường hợp nào đã nêu.

Hướng dẫn

Trường hợp D.

Vì khi tia sáng truyền từ môi trường kém chiết quang sang môi trường chiết quang hơn thì luôn xảy ra hiện tượng khúc xạ ánh sáng mà không có hiện tượng phản xạ toàn phần.

6. Một chùm tia sáng hẹp SI truyền trong mặt phăng tiết diện vuông góc của một khôi trong suốt như hình 27.1. Tia sáng phản xạ toàn phần ở mặt AC. Trong điều kiện đó, chiết suất n của khôi trong suốt có giá trị như thế nào?

7. 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 truyền từ (1) vào (3) thì góc khúc xạ là 45°. Góc giới hạn phản xạ toàn phần 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.

Hướng dẫn

Chọn câu c.

* Khi truyền từ môi trường từ (1) vào môi trường (2)

n1 sini=n2 sinr12 (*)

* Khi truyền từ môi trường từ (1) vào môi trường (3)

n1 sini=n3 sinr13 (**)

Trong đó: r12=30o;r13=45o

Môi trường (2) chiết quang hơn môi trường (3).

* Góc giới hạn toàn phân cách (2) và (3) được tính khi truyền từ môi trường (3) vào môi trường (2)

Đáp án: C

Bài 8 (trang 173 SGK Vật Lý 11): Một khối bán trụ trong suốt có chiết suất n=1,41 ≈ √2. Một chùm tia sáng hẹp nằm trong mặt phẳng của tiết diện vuông góc, chiếu tới khối bám trụ như hình 27.2. Xác định đường đi của chùm tia với các giá trí sau đây của góc α.

A. α = 60o.

B. α = 45o.

C. α = 30o.

Lời giải:

Vì tia sáng đường kéo dài qua O nên tia tới SI ⊥ mặt phẳng trụ ⇒ góc i = 0 ⇒ tia sáng sẽ tới truyền thẳng vào khối trong suốt tới O.

Tại O: tia sáng SO tạo với pháp tuyến ON của mặt phân cách phẳng một góc tới i.

Ta có: i=90o-α

⇒ Tia khúc xạ hợp với pháp tuyến của mặt phẳng phân cách của khối bán trụ góc khúc xạ r = 45o hình 27.2a.

b. α = 45o

i = 90o-α = 45o = >i = igh

⇒r = 90o ⇒ Tia khúc xạ đi sát mặt phân cách của khối tròn như hình 27.2b.

α = 30o

i = 90o-α =60o ⇒ i<igh ⇒ Phản xạ toàn phần, không tia khúc xạ ra ngoài không khí. Đường đi của tia sáng được vẽ trên hình 27.2c.

Bài 9 (trang 173 SGK Vật Lý 11): Một sợi quang hình trụ lõi có chiết suất n=1,50. Phần vỏ bõ cõ chiết suất n2=1,41 ≈ √2 . Chùm tia tời hội tự ở mặt trước của sợi với góc tới 2 α như hình 27.3. Xác định α để các tia sáng của các tia sáng của chùm truyền đi được trong ống.

Lời giải:

Điều kiện mọi tia sáng trong chùm đều truyền đi được trong ống là phải thỏa mãn điều kiện phản xạ toàn phần tại mặt phần cách của lõi trụ với vỏ bóc của nó. Từ hình 27.3a, điều kiện phản xạ toàn phần tại I là: