KHTN 9 Bài 6: Phản xạ toàn phần

I. Ánh sáng truyền từ môi trường có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất nhỏ

Gọi môi trường chứa tia tới có chiết suất n₁, môi trường phía bên kia mặt phân cách có chiết suất n₂. Góc tới i và góc khúc xạ r đều đo giữa tia tương ứng và pháp tuyến, không đo với mặt phân cách.

Khi n₁ > n₂ và 0 < i < i_th, tia khúc xạ lệch ra xa pháp tuyến: r > i. Tăng góc tới thì góc khúc xạ tăng. Riêng chiếu vuông góc mặt phân cách, i = 0° thì r = 0°.

Góc tới hạn i_th là góc tới ứng với góc khúc xạ r = 90°: tia khúc xạ nằm sát mặt phân cách. Đây là mốc chuyển tiếp cần phân biệt với trường hợp góc tới lớn hơn góc tới hạn.

Từ n₁ sin i = n₂ sin r, tại r = 90° ta có sin i_th = n₂/n₁, với n₁ > n₂. Khi tính bằng máy, đặt chế độ đo góc theo độ. Góc tới hạn phụ thuộc cặp môi trường và chiều truyền đang xét.

II. Hiện tượng và điều kiện phản xạ toàn phần

Phản xạ toàn phần là hiện tượng ánh sáng tới bị phản xạ trở lại môi trường ban đầu. Trong mô hình lí tưởng bỏ qua hấp thụ, toàn bộ năng lượng của chùm tới được phản xạ.

Hai điều kiện phải thỏa mãn đồng thời:

• Tia tới truyền từ môi trường có chiết suất lớn hơn tới môi trường có chiết suất nhỏ hơn: n₁ > n₂.
• Theo quy ước trong sách Kết nối tri thức, góc tới i ≥ i_th; dấu bằng là trường hợp giới hạn.

Về đường truyền tia sáng, cần đọc rõ ba trạng thái: i < i_th có tia khúc xạ đi vào môi trường thứ hai; i = i_th là mốc giới hạn, r = 90° và tia khúc xạ đi sát mặt phân cách; i > i_th không còn tia khúc xạ. Tia phản xạ vẫn tuân theo định luật phản xạ: góc phản xạ bằng góc tới.

Trong thí nghiệm với bản bán trụ trong suốt, giáo viên cho chùm sáng hẹp truyền vào theo phương bán kính để hạn chế đổi hướng tại mặt cong, rồi khảo sát tia đến mặt phẳng từ bên trong. Khi tăng góc tới qua góc tới hạn, tia khúc xạ biến mất và tia phản xạ trở nên rõ. Cần quan sát hướng tia trên màn, không nhìn trực tiếp vào nguồn sáng.

III. Ứng dụng và cách giải các câu hỏi thường gặp

Sợi quang có lõi trong suốt được bao bởi lớp vỏ có chiết suất nhỏ hơn lõi. Tia sáng tới mặt tiếp xúc lõi–vỏ với góc đủ lớn bị phản xạ toàn phần liên tiếp, nhờ đó được dẫn dọc theo sợi. Nguyên tắc này được dùng trong cáp truyền tín hiệu và một số thiết bị nội soi. Không phải mọi tia đi vào sợi đều được giữ lại; góc tới tại lõi–vỏ phải đáp ứng điều kiện.

Một số lăng kính trong dụng cụ quang có thể đổi hướng ánh sáng bằng phản xạ toàn phần. Với hiện tượng nhìn thấy vùng giống nước trên mặt đường nóng, cần nghĩ đến chiết suất của không khí thay đổi theo độ cao: đường truyền ánh sáng bị uốn cong; mô hình các lớp không khí giúp liên hệ với khúc xạ và giới hạn phản xạ toàn phần. Không kết luận mặt đường thực sự có nước.

Quy trình giải: xác định đúng môi trường chứa tia tới → so sánh n₁ và n₂ → tính hoặc đọc i_th → đổi góc về góc đo với pháp tuyến → so sánh i với i_th. Nếu đề cho góc α giữa tia tới và mặt phân cách thì i = 90° − α.

• Không chỉ nhìn góc lớn rồi kết luận phản xạ toàn phần: chiều truyền từ chiết suất nhỏ sang lớn không thỏa điều kiện.
• Không đồng nhất phản xạ thông thường với phản xạ toàn phần; phản xạ một phần có thể đồng thời với khúc xạ.
• Khi dùng điều kiện i ≥ i_th, vẫn phải nhớ dấu bằng ứng với r = 90°, còn khi vượt góc tới hạn thì không còn tia khúc xạ.

Câu tự kiểm 1

Tia sáng truyền từ không khí n = 1 vào thủy tinh n = 1,5 dưới góc tới 80°. Có thể kết luận phản xạ toàn phần vì góc tới lớn không?

Câu tự kiểm 2

Một sợi quang giả định có lõi n = 1,50 nhưng lớp vỏ n = 1,52. Vì sao không thể giải thích sự giữ ánh sáng trong lõi bằng phản xạ toàn phần tại lõi–vỏ?