Bài tập phản xạ toàn phần và cách giải

Với Bài tập phản xạ toàn phần và cách giải môn Vật Lí lớp 11 sẽ giúp học sinh nắm vững lý thuyết, biết cách và phương pháp giải các dạng bài tập
từ đó có kế hoạch ôn tập hiệu quả để đạt kết quả cao trong các bài thi môn Vật lí 11.

1. Lí thuyết

– 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 có tia khúc xạ. Ta gọi là toàn phần để phân biệt với phản xạ một phần luôn xảy ra đi kèm với sự khúc xạ.

– Điều kiện để có phản xạ toàn phần:

+ Ánh sáng truyền từ một môi trường tới môi trường chiết quang kém hơn: n2 < n1

+ Góc tới lớn hơn hoặc bằng góc giới hạn: i ≥ igh

– Góc giới hạn phản xạ toàn phần:

Khi góc i tăng thì góc r cũng tăng (với r > i). Do đó, khi r đạt giá trị cực đại thì i đạt giá trị gọi là igh góc giới hạn phản xạ toàn phần, còn gọi là góc tới hạn. Khi đó ta có: n1 sin igh = n2 sin 900 suy ra: Bài tập phản xạ toàn phần và cách giải

– Ứng dụng của hiện tượng phản xạ toàn phần:

Trong công nghệ thông tin, cáp quang được dùng để truyền thông tin, dữ liệu dưới dạng tín hiệu ánh sáng. 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:

Bài tập phản xạ toàn phần và cách giải

+ Phần lõi trong suốt bằng thủy tinh siêu sạch có chiết suất lớn.

+ Phần vỏ bọc cũng trong suốt, bằng thủy tinh có chiết suất nhỏ hơn phần lõi.

Ngoài cùng là một số lớp vỏ bọc bằng nhựa dẻo để tạo cho cáp độ bền và độ dai cơ học.

Phản xạ toàn phần xảy ra ở mặt phân cách giữa lõi và vỏ làm cho ánh sáng truyền đi được theo sợi quang.

Công dụng: Cáp quang có nhiều ưu điểm so với cáp bằng đồng:

+ 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).

2. Phương pháp giải

Áp dụng các kiến thức và công thức ở phần lí thuyết để giải bài tập.

Bài tập phản xạ toàn phần và cách giải

3. Ví dụ minh họa

Ví dụ 1: Một bể nước chứa có độ sâu là 80cm. Ở mặt nước, đặt một tấm gỗ có bán kính r. Một nguồn sáng S đặt dưới đáy bể và trên đường thẳng đi qua tâm của tấm gỗ. Biết chiết suất của nước là Bài tập phản xạ toàn phần và cách giải . Để tia sáng từ S không truyền ra ngoài không khí thì R có giá trị nhỏ nhất là: (chọn đáp án gần đúng nhất).

A.71cm

B.81cm

C.91cm

D.101cm

Lời giải chi tiết

Để tia sáng đi từ đáy bể không truyền ra ngoài không khí thì lúc này tia sáng đi đến rìa của tấm gỗ thì xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần.

Biểu diễn đường truyền tia sáng:

Bài tập phản xạ toàn phần và cách giải

Ta thấy góc tới i của tia sáng phát ra từ A đến mặt nước tăng dần khi vị trí tới di chuyển từ điểm I của mép miếng gỗ ra xa tâm O. Để không có bất kì tia khúc xạ nào lọt ra ngoài không khí thì tia tới AI phải có góc tới thỏa mãn điều kiện:

Bài tập phản xạ toàn phần và cách giải

Chọn đáp án C

Ví dụ 2: Một tia sáng đi từ nước đến mặt cách với không khí. Biết chiết suất của nước là Bài tập phản xạ toàn phần và cách giải , chiết suất của không khí là 1. Góc giới hạn của tia sáng phản xạ toàn phần khi đó là bao nhiêu? (chọn đáp án gần đúng nhất).

A. 500

B. 520

C. 480

D. 450

Lời giải chi tiết

Áp dụng công thức phản xạ toàn phần: Bài tập phản xạ toàn phần và cách giải

Chọn đáp án C

4. Bài tập vận dụng

Bài 1: Điều kiện xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần là:

A. Ánh sáng có chiều từ môi trường có chiết quang hơn sang môi trường có chiết quang kém và góc tới nhỏ hơn góc giới hạn phản xạ toàn phần.

B. Ánh sáng có chiều từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường chiết quang kém và góc tới lớn hơn hoặc bằng góc giới hạn phản xạ toàn phần.

C. Ánh sáng có chiều từ môi trường chiết quang kém sang môi trường chiết quang lớn hơn và góc tới lớn hơn hoặc bằng góc giới hạn phản xạ toàn phần.

D. Ánh sáng có chiều từ môi trường chiết quang kém sang môi trường chiết quang hơn và góc tới nhỏ hơn hoặc bằng góc giới hạn phản xạ toàn phần.

Chọn đáp án B

Bài 2: Có ba môi trường trong suốt. Nếu tia sáng truyền từ môi trường 1 vào môi trường 2 dưới góc tới i thì góc khúc xạ là 300. Nếu tia sáng truyền từ môi trường 1 vào môi trường 3 cũng dưới góc tới i thì góc khúc xạ là 500. Tìm góc giới hạn phản xạ toàn phần ở mặt phân cách giữa môi trường 2 và 3? (chọn đáp án gần đúng nhất).

A. 400

B. 500

C. 550

D. 600

Chọn đáp án A

Bài 3: Một đĩa mỏng bằng gỗ bán kính R = 10cm nổi trên mặt nước. Ở tâm đĩa có gắn một cây kim thẳng đứng, chìm trong nước Bài tập phản xạ toàn phần và cách giải . Dù đặt mắt trên mặt thoáng ở đâu cũng không thấy cây kim. Hãy tính chiều dài tối đa của cây kim?

A. 6,8cm

B. 7,8cm

C. 8,8cm

D. 9,8cm

Chọn đáp án C

Bài 4: Tia sáng đơn sắc chiếu từ không khí vào chất lỏng trong suốt với góc tới bằng 450 thì góc khúc xạ bằng 250. Để xảy ra phản xạ toàn phần khi tia sáng chiếu từ chất lỏng ra không khí thì góc tới i có giá trị thỏa mãn:

A. i < 36042′

B. i > 36042′

C. i < 42036′

D. i > 42036′

Chọn đáp án B

Bài 5: Một tia sáng hẹp truyền từ môi trường có chiết suất √2 đến mặt phân cách với môi trường khác có chiết suất n. Để tia sáng tới gặp mặt phân cách hai môi trường dưới góc i ≥ 500 sẽ xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần thì chiết suất n phải thỏa mãn điều kiện:

A. n ≥ 1,1

B. n ≤ 1,1

C. n ≥ 1,8

D. n ≤ 1,8

Chọn đáp án B

Bài 6: Một tấm thủy tinh mỏng, trong suốt, chiết suất n1 = 1,5 có tiết diện là hình chữ nhật ABCD (AB rất lớn so với AD) mặt đáy AB tiếp xúc với một chất lỏng có chiết suất n2 = 1,2. Chiếu tia sáng SI nằm trong mặt phẳng ABCD tới mặt AD sao cho tia tới nằm phía trên pháp tuyến ở điểm tới và tia khúc xạ trong thủy tinh gặp đáy AB ở điểm K. Tính giá trị lớn nhất của góc tới i để có phản xạ toàn phần tại K? (chọn đáp án gần đúng nhất).

A. 500

B. 550

C. 640

D. 420

Chọn đáp án C

Bài 7: Một tia sáng đi từ môi trường chất lỏng 1 đến mặt cách với môi trường chất lỏng 2. Biết chiết suất của môi trường 1 là là 1,4, chiết suất của môi trường 2 là 1,2. Góc giới hạn của tia sáng phản xạ toàn phần khi đó là bao nhiêu? (chọn đáp án gần đúng nhất).

A. 500

B. 550

C. 600

D. 450

Chọn đáp án C

Bài 8: Chọn đáp án đúng trong các đáp án dưới đây?

Chiếu một chùm tia sáng tới mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt. Khi xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần thì

A. Cường độ ánh sáng của chùm tia phản xạ gần bằng cường độ sáng của chùm tới.

B. Cường độ ánh sáng của chùm khúc xạ gần bằng cường độ sáng của chùm tới

C. Cường độ sáng của chùm tia phản xạ lớn hơn cường độ sáng của chùm tia tới.

D. Cường độ sáng của chùm tia tới, chùm tia phản xạ và chùm tia khúc xạ bằng nhau.

Chọn đáp án A

Bài 9: Một bể chứa nước có độ sâu là 70cm. Ở mặt nước, đặt một tấm gỗ có bán kính r. Một nguồn sáng S đặt dưới đất bể và trên đường thẳng đi qua tâm của tấm gỗ. Biết chiết suất của nước là Bài tập phản xạ toàn phần và cách giải . Để tia sáng từ S không truyền ra ngoài không khí thì e có giá trị nhỏ nhất là: (chọn đáp án gần đúng nhất)