Với giải Bài 1 trang 172 sgk Vật Lí lớp 11 được biên soạn lời giải chi tiết sẽ giúp học sinh biết cách làm bài tập môn Vật Lí 11. Mời các bạn đón xem:
I. Sự truyền ánh sáng vào môi trường chiết quang kém hơn [n1>n2]
1. Thí nghiệm
Cho một chùm tia sáng hẹp truyền từ khối nhựa trong suốt hình bán trụ vào không khí với các dụng cụ bố trí theo sơ đồ hình vẽ sau:
Thay đổi độ nghiêng của chùm tia tới [thay đổi góc tới i] và quan sát chùm tia khúc xạ ra không khí.
Kết quả:
| Góc tới | Chùm tia khúc xạ | Chùm tia phản xạ |
| Nhỏ | - Lệch xa pháp tuyến [so với tia tới] | - Rất mờ |
| Có giá trị đặc biệt $i_{gh}$ | - Gần như sát mặt phân cách - Rất mờ | - Rất sáng |
| Có giá trị lớn hơn giá trị $i_{gh}$ | - Không còn | - Rất sáng |
2. Góc giới hạn phản xạ toàn phần
- Khi chùm tia sáng khúc xạ ở mặt phân cách hai môi trường, ta có: n1sini = n2sinr.
Suy ra: $\sin r = \frac{{{n_1}}}{{{n_2}}}\sin i$
Vì n1>n2 nên: sinr> sini. Do đó r>i.
Chùm tia khúc xạ lệch xa pháp tuyến hơn so với chùm tia tới.
- Khi góc i tăng thì góc r cũng tăng [với r>i] nên khi r đạt giá trị cực đại 900 thì i đạt giá trị igh gọi là góc giới hạn phản xạ toàn phần còn gọi là góc tới hạn.
Suy ra: $\sin {i_{gh}} = \frac{{{n_2}}}{{{n_1}}}$
- Với i>igh, không có tia khúc xạ, toàn bộ tia sáng bị phản xạ ở mặt phân cách gọi là hiện tượng phản xạ toàn phần.
II. Hiện tượng phản xạ toàn phần
1. Định nghĩa
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.
2. Điều kiện để có phản xạ toàn phần
Điều kiện để có phản xạ toàn phần:
\[\left\{ \begin{gathered} {n_2} < {n_1} \hfill \\ i \geqslant {i_{gh}} \hfill \\\end{gathered} \right.[\sin {i_{gh}} = \frac{{{n_2}}}{{{n_1}}}]\]
III. Ứng dụng của hiện tượng phản xạ toàn phần: cáp quang
1. Cấu tạo
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 gồm hai phần chính:
- Phần lõi trong suốt bằng thuỷ tinh siêu sạch có chiết suất lớn [n1].
- Phần vỏ bọc cũng trong suốt, bằng thuỷ tinh có chiết suất n2 nhỏ hơn phần lõi.
Phản xạ toàn phần xảy ra ở mặt phân cách giữa lõi và vỏ làm cho ánh sáng truyền đi được theo sợi quang.
Ngoài cùng là một số lớp vỏ bọc bằng nhựa dẻo để tạo
cho cáp độ bền và độ dai cơ học.
2. Công dụng
Cáp quang đã được ứng dụng vào việc truyền thông tin vì có 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, bảo mật tốt; không có rủi ro cháy [vì không có dòng điện].
Cáp quang còn được dùng để nội soi trong Y học.
Page 2
SureLRN
Hiện tượng phản xạ toàn phần [còn được gọi là phản xạ nội toàn phần][tiếng Anh: total internal reflection] là một hiện tượng quang học. Nó được phát biểu thành định luật sau:
Cho hai môi trường 1 và 2 với độ chiết suất tương ứng là n 1 {\displaystyle n_{1}}Trong định luật trên, góc khúc xạ giới hạn [còn được gọi là góc khúc xạ tới hạn] được tính theo công thức:
i g h = arcsin [ n 2 n 1 ] {\displaystyle i_{gh}=\arcsin \left[{\frac {n_{2}}{n_{1}}}\right]}Giải thích hiện tượng dưới góc độ toán học
Theo định luật Snell, nếu tia sáng khúc xạ sang môi trường mới, thì mối liên hệ giữa góc tới và góc khúc xạ như sau:
sin [ i ] sin [ r ] = n 2 n 1 {\displaystyle {\frac {\sin[i]}{\sin[r]}}={\frac {n_{2}}{n_{1}}}}suy ra:
sin [ r ] = sin [ i ] ⋅ n 1 n 2 {\displaystyle \sin[r]=\sin[i]\cdot {\frac {n_{1}}{n_{2}}}}Nếu góc tới lớn hơn giá trị góc khúc xạ giới hạn:
i g h = arcsin [ n 2 n 1 ] {\displaystyle i_{gh}=\arcsin \left[{\frac {n_{2}}{n_{1}}}\right]} ,thì rõ ràng
sin
[
i
]
⋅
n
1
n
2
>
1
{\displaystyle \sin[i]\cdot {\frac {n_{1}}{n_{2}}}>1}
Như vậy ta có thể mô tả một cách tổng quát như sau:
- nếu i < i g h {\displaystyle i i g h {\displaystyle i>i_{gh}} thì tia sáng bị phản xạ toàn phần trở lại môi trường cũ.
Ví dụ:
Khi tia sáng đi trong môi trường là kính acrylic [tiếng Anh: acrylic glass] [có hệ số chiết suất xấp xỉ 1,500] ra môi trường không khí [hệ số chiết suất xấp xỉ 1,000] thì góc giới hạn cho góc tới của nó bằng: i g h = arcsin [ 1 , 000 1 , 500 ] = 41 , 81 o {\displaystyle i_{gh}=\arcsin \left[{\frac {1,000}{1,500}}\right]=41,81^{o}}Ứng dụng và ví dụ trong đời sống
Lăng kính Porro
-
Thí nghiệm về phản xạ toàn phần với lăng kính Porro: Tia ló ngược hướng và cách tia tới một khoảng bằng 1 2 {\displaystyle {\frac {1}{2}}}
cạnh huyền. -
Ảnh qua lăng kính Porro: lộn ngược trên xuống dưới, nhưng không bị đảo trái sang phải.
-
Hệ lăng kính Porro kép:Tia sáng đi qua hệ lăng kính Porro kép sẽ không bị đổi chiều còn hình ảnh đi qua hệ sẽ bị lộn ngược trên xuống dưới, và bị đảo trái sang phải. Hình ảnh qua hệ sẽ bị dịch chuyển vị trí theo chiều ngang và chiều dọc khoảng 1 2 {\displaystyle {\frac {1}{2}}} cạnh huyền.
-
Lăng kính Porro dùng trong ống nhòm.
-
Sơ đồ kính tiềm vọng [tiếng Anh: periscope] bên phải dùng lăng kính Porro [còn bên trái dùng gương] để lái đường đi của tia sáng.
-
Lăng kính Porro-abbe.
Lăng kính Porro [tiếng Anh: Porro prism] do nhà phát minh người Italia Ignazio Porro [25/11/1801 - 08/10/1875] sáng chế năm 1850, khi đang làm việc cho hãng Carl Zeiss [Đức], nhằm ứng dụng cải tiến và chế tạo ống nhòm thế hệ mới với nhiều tính năng vượt trội so với loại ống nhòm Galilean sử dụng thấu kính phân kì làm thị kính trước đó[cần dẫn nguồn]
Đây là lăng kính được sử dụng phổ biến nhất cho việc lái ánh sáng và làm quay ảnh[1].
Lăng kính Porro có hình khối lăng trụ có mặt đáy là tam giác vuông cân.
Lăng kính Porro thường được thiết kế và đặt ở những định hướng đặc biệt, sao cho mặt đến và mặt ra vừa vuông góc lại vừa song song với trục quang. Có 2 cách định hướng:
- Tia tới đi vào mặt cạnh góc vuông. Nó sẽ bị phản xạ toàn phần 1 lần ở mặt cạnh huyền và ló ra ở mặt cạnh góc vuông còn lại. Hình ảnh tạo thành bị xoay 90 độ từ thẳng đứng thành nằm ngang, nhưng không đảo trái sang phải[1]. Cách bố trí này được ứng dụng trong các kính tiềm vọng như ta thấy ở trên hình.
- Tia tới đi vào mặt cạnh huyền sẽ bị phản xạ toàn phần 2 lần ở các mặt phẳng cạnh góc vuông, và cho ra tia ló ngược hướng
180
o
{\displaystyle 180^{o}}
như minh họa trong thí nghiệm. Hình ảnh qua lăng kính Porro, sẽ bị lộn ngược trên xuống dưới, nhưng không bị đảo trái sang phải.
Người ta thường đem 2 lăng kính Porro ghép thành cặp ghép đôi trực giao, tạo thành hệ lăng kính Porro kép. Trong hệ này, lăng kính thứ hai được xoay
90
o
{\displaystyle 90^{o}}
Lăng kính Porro được ứng dụng trong ống nhòm, kính tiềm vọng, và các thiết bị quang học khác. Trong các thiết bị này, lăng kính Porro thường được chế tạo với góc bầu nhằm làm giảm khối
lượng và kích thước[1].Một phiên bản của lăng kính Porro là lăng kính Porro-abbe. Tia sáng đi vào lăng kính này sẽ bị phản xạ toàn phần 4 lần tất cả.
Sợi quang
-
Tín hiệu [quang] truyền theo định luật phản xạ toàn phần trong lõi.
-
Tia sáng truyền trong một sợi quang.
-
Một bó sợi quang
Sợi quang [tiếng Anh: optical fiber]. Sợi quang được cấu tạo bởi:
- lõi [tiếng Anh: core] nằm trong cùng làm bằng vật liệu trong suốt [thường là thủy tinh siêu sạch, có độ chiết suất n 1 {\displaystyle n_{1}} ,
- lớp vỏ bọc [tiếng Anh: cladding] bằng một loại vật liệu khác cũng trong suốt, có độ chiết suất
n
2
<
n
1
{\displaystyle n_{2}