Mở đầu trang 30

Đề bài: Xét sự truyền sáng từ bản bán trụ thuỷ tinh ra không khí, khi góc tới bằng 41°, ta quan sát được đồng thời tia phản xạ và tia khúc xạ với góc khúc xạ gần bằng 90° như hình bên. Theo em, khi góc tới tiếp tục tăng lên tới giá trị 60° thì tia sáng sẽ truyền như thế nào?

Lời giải:

Khi góc tới $i = 41°$ thì góc khúc xạ đã gần đạt $90°$, đây là gần góc tới hạn.

Khi tăng góc tới lên $i = 60°$ thì $i$ lớn hơn góc tới hạn → toàn bộ tia sáng bị phản xạ ngược lại môi trường thuỷ tinh, không còn tia khúc xạ ra không khí nữa.

→ Đây là hiện tượng phản xạ toàn phần.

I. Sự truyền ánh sáng từ môi trường chiết suất lớn vào môi trường chiết suất nhỏ hơn

Thí nghiệm trang 31

Đề bài: Dựa vào kết quả thí nghiệm (Bảng 6.1), trả lời các câu hỏi:

1. Góc khúc xạ lớn hơn hay nhỏ hơn góc tới?
2. Khi nào sẽ xảy ra hiện tượng chỉ có tia phản xạ?

Lời giải:

1. Khi ánh sáng truyền từ bản bán trụ thuỷ tinh (chiết suất lớn) ra không khí (chiết suất nhỏ), tia khúc xạ lệch xa pháp tuyến hơn so với tia tới → góc khúc xạ lớn hơn góc tới ($r > i$).

2. Hiện tượng chỉ có tia phản xạ (không còn tia khúc xạ) xảy ra khi góc tới lớn hơn hoặc bằng góc tới hạn ($i \geq i_{th}$). Đó chính là hiện tượng phản xạ toàn phần.

II. Hiện tượng phản xạ toàn phần

Hoạt động trang 31

Đề bài:

1. Tính góc tới hạn phản xạ toàn phần trong trường hợp tia sáng chiếu từ bản bán trụ thuỷ tinh (chiết suất $n_1 = 1{,}5$) ra không khí (chiết suất $n_2 = 1$).
2. Sử dụng dụng cụ thí nghiệm ở Hình 6.1 xác định giá trị $i_{th}$, so sánh kết quả với câu 1 và rút ra nhận xét.

Lời giải:

1. Áp dụng công thức tính góc tới hạn:

$$\sin i_{th} = \dfrac{n_2}{n_1} = \dfrac{1}{1{,}5} = \dfrac{2}{3} \approx 0{,}667$$

$$\Rightarrow i_{th} \approx 41{,}8°$$

2. Khi tiến hành thí nghiệm, giá trị $i_{th}$ thu được sẽ xấp xỉ giá trị tính toán ($\approx 41{,}8°$). Có thể có sai số nhỏ do cách đọc trên thước đo và độ chính xác của dụng cụ.

→ Nhận xét: Kết quả thực nghiệm phù hợp với lí thuyết, khẳng định công thức $\sin i_{th} = \dfrac{n_2}{n_1}$ là đúng.

Câu hỏi trang 31

Đề bài: Chiếu một tia sáng từ nước tới mặt phân cách giữa nước và không khí. Biết chiết suất của nước và không khí lần lượt là $n_1 = \dfrac{4}{3}$, $n_2 = 1$.

a) Tính góc khúc xạ trong trường hợp góc tới bằng 30°.

b) Khi góc tới bằng 60° thì có tia khúc xạ không? Tại sao?

Lời giải:

a) Tính góc khúc xạ khi $i = 30°$:

Áp dụng định luật khúc xạ: $n_1 \sin i = n_2 \sin r$

$$\sin r = \dfrac{n_1 \sin i}{n_2} = \dfrac{\dfrac{4}{3} \cdot \sin 30°}{1} = \dfrac{4}{3} \cdot \dfrac{1}{2} = \dfrac{2}{3} \approx 0{,}667$$

$$\Rightarrow r \approx 41{,}8°$$

Vậy góc khúc xạ trong không khí khoảng 41,8°.

b) Khi $i = 60°$:

Trước hết, tính góc tới hạn của tia sáng đi từ nước ra không khí:

$$\sin i_{th} = \dfrac{n_2}{n_1} = \dfrac{1}{\dfrac{4}{3}} = \dfrac{3}{4} = 0{,}75$$

$$\Rightarrow i_{th} \approx 48{,}6°$$

So sánh: $i = 60° > i_{th} \approx 48{,}6°$ → xảy ra phản xạ toàn phần.

→ Vậy khi $i = 60°$ thì không có tia khúc xạ, toàn bộ tia sáng bị phản xạ trở lại nước.

III. Một số ứng dụng của hiện tượng phản xạ toàn phần

Câu hỏi trang 32

Đề bài: Giải thích vì sao chỉ quan sát được hiện tượng ảo ảnh ở khoảng cách rất xa, khi lại gần thì không nhìn thấy nữa.

Lời giải:

Hiện tượng ảo ảnh xảy ra do tia sáng bị phản xạ toàn phần ở lớp không khí sát mặt đường khi góc tới lớn hơn hoặc bằng góc tới hạn.

• Khi quan sát ở khoảng cách rất xa: tia sáng đi rất xiên, góc tới ở lớp khí sát mặt đường đủ lớn (lớn hơn góc tới hạn) → xảy ra phản xạ toàn phần → ta nhìn thấy ảo ảnh.
• Khi đến gần: tia sáng đi gần như thẳng đứng, góc tới giảm xuống dưới góc tới hạn → không còn phản xạ toàn phần → ta không nhìn thấy ảo ảnh nữa.

Câu hỏi trang 33

Đề bài:

1. Giải thích sự truyền ánh sáng trong sợi quang.
2. Nêu một số ứng dụng của sợi quang trong y học, công nghệ thông tin.

Lời giải:

1. Sự truyền ánh sáng trong sợi quang:

• Sợi quang gồm lõi (chiết suất $n_1$) được bao quanh bởi lớp vỏ (chiết suất $n_2 < n_1$).
• Khi tia sáng đi vào sợi quang, bị khúc xạ vào lõi. Tại mặt tiếp xúc giữa lõi và vỏ, góc tới $i$ lớn hơn góc tới hạn $i_{th}$ → xảy ra phản xạ toàn phần.
• Hiện tượng phản xạ toàn phần lặp đi lặp lại liên tiếp tại các điểm tiếp xúc nên tia sáng truyền dọc theo sợi quang mà không bị thoát ra ngoài.

2. Một số ứng dụng của sợi quang:

• Trong y học: chế tạo ống nội soi để quan sát các cơ quan bên trong cơ thể (dạ dày, ruột, phổi,…), hỗ trợ phẫu thuật bằng laser.
• Trong công nghệ thông tin: truyền tín hiệu Internet, truyền hình cáp, truyền dữ liệu tốc độ cao qua cáp quang.

Em có thể

1. Xác định góc tới hạn để xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần

Để xác định góc tới hạn $i_{th}$ khi ánh sáng đi từ môi trường có chiết suất $n_1$ sang môi trường có chiết suất $n_2$ (với $n_1 > n_2$), áp dụng công thức:

$$\sin i_{th} = \dfrac{n_2}{n_1}$$

Ví dụ: Tia sáng đi từ thuỷ tinh ($n_1 = 1{,}5$) ra không khí ($n_2 = 1$):

$$\sin i_{th} = \dfrac{1}{1{,}5} = \dfrac{2}{3} \Rightarrow i_{th} \approx 41{,}8°$$

2. Giải thích hiện tượng ảo ảnh trên sa mạc và nguyên tắc hoạt động của cáp quang

Hiện tượng ảo ảnh trên sa mạc:

Trên sa mạc trời nắng, lớp không khí sát mặt cát nóng lên rất nhanh nên có chiết suất nhỏ, các lớp khí phía trên mát hơn nên có chiết suất lớn hơn.

Khi tia sáng từ vật ở xa (cây, bầu trời) truyền xuống các lớp khí có chiết suất giảm dần, bị khúc xạ liên tiếp, đến lớp sát mặt cát thì góc tới đủ lớn hơn góc tới hạn → xảy ra phản xạ toàn phần. Tia sáng phản xạ truyền đến mắt người quan sát, tạo ảnh ảo giống như có một vũng nước trên mặt cát.

Nguyên tắc hoạt động của cáp quang:

Ánh sáng được truyền trong lõi cáp quang nhờ hiện tượng phản xạ toàn phần lặp đi lặp lại liên tiếp tại mặt tiếp xúc giữa lõi (chiết suất $n_1$) và lớp vỏ (chiết suất $n_2 < n_1$). Nhờ đó tín hiệu ánh sáng có thể truyền đi xa mà không bị thất thoát ra ngoài.

Ứng dụng:

• Y học: ống nội soi quan sát bên trong cơ thể, dao mổ laser.
• Công nghệ thông tin: truyền dữ liệu Internet tốc độ cao qua cáp quang.

Cô Trần Thị Thanh Thảo

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Khoa Học Tự Nhiên THCS

Trình độ: Cử nhân Sư phạm KHTN, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ Tin học, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 6+ năm kinh nghiệm tại Trường THCS Nguyễn Siêu