Bài 6. Phản xạ toàn phần

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

II. Hiện tượng phản xạ toàn phần

1. Định nghĩa

Hiện tượng phản xạ toàn phần là hiện tượng phản xạ toàn bộ tia tới, xảy ra ở mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt.

2. Góc tới hạn phản xạ toàn phần

- Khi có tia khúc xạ, ta có: n₁sin i = n₂sin r

Suy ra: \(sinr=\dfrac{n_1}{n_2}sini\)

Nếu n₁ > n₂, thì: sinr > sini, do đó: r > i. Tia khúc xạ lệch xa pháp tuyến hơn so với tia tới.

- Khi tăng góc tới i thì góc khúc xạ r cũng tăng (r > i). Khi r bằng 90° thì i đạt giá trị i_th gọi là góc tới hạn phản xạ toàn phần. Khi đó ta có:

\(n_1sini_{th}=n_2sin90^o\)

\(sini_{th}=\dfrac{n_2}{n_1}\)

Khi \(i\ge i_{th}\) thì không có tia khúc xạ, toàn bộ tia sáng bị phản xạ ở mặt phân cách. Đó là hiện tượng phản xạ toàn phần.​

3. Điều kiện để có phản xạ toàn phần

- Ánh sáng truyền từ môi trường có chiết suất n₁, tới môi trường có chiết suất n₂, với: n₁ > n₂

- Góc tới lớn hơn hoặc bằng góc tới hạn: \(i\ge i_{th}\)

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

1. Giải thích hiện tượng ảo ảnh

Khi đi trên đường nhựa vào ngày nắng nóng, ta có thể thấy ở phía xa trên mặt đường dường như có lớp nước phản xạ ánh sáng, nhưng khi đến gần thì chỉ thấy mặt đường khô ráo. Hiện tượng trên là một trong những hiện tượng ảo ảnh thường thấy (Hình 6.2).

Hiện tượng này được giải thích như sau:

Lớp không khí càng ở gần mặt đường nhựa có nhiệt độ càng cao, vì nhận được nhiệt toả ra từ mặt đường nóng. Nhiệt độ càng cao thì chiết suất lớp không khí càng nhỏ. Do đó, càng lên cao, chiết suất của không khí càng tăng. Ta tưởng tượng chia không khí trên mặt đường nhựa thành nhiều lớp mỏng, chiết suất của các lớp này tăng dẫn khi càng lên cao.

Xét một tia sáng đi xiên xuống từ một điểm A, từ lớp khí (1) xuống lớp khí (2), góc khúc xạ sẽ lớn hơn góc tới (vì n₂ < n₁ ). Cứ như vậy, tia sáng bị gãy khúc liên tiếp như Hình 6.3 khi đi từ lớp khí trên xuống lớp khí dưới. Khi tia sáng xuống thấp tới lớp khí dưới có góc tới lớn hơn góc tới hạn i_th, tia sáng sẽ bị phản xạ toàn phần và hất lên. Do đó, ta được một đường gấp khúc liên tiếp từ A tới mắt, giả sử ở điểm O. Khi bề dày các lớp không khí vô cùng nhỏ thì đường gây khúc trên trở thành một đường cong đều đặn đi xuống từ A rồi đi lên tới mắt O. Tia sáng tới mắt dường như phát xuất từ điểm A', đối xứng với A qua mặt đường. Tập hợp rất nhiều tia sáng như vậy truyền đến mắt, khiến người quan sát thấy bóng mờ của vật thể phía trước thấp thoáng trên mặt đường, làm chúng ta có cảm giác như ở phía trước có lớp nước phản xạ ánh sáng.

2. Tìm hiểu hoạt động của cáp quang

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 có lõi làm bàng thuỷ tinh hoặc chất dẻo trong suốt có chiết suất n₁, được bao quanh bằng một lớp vỏ có chiết suất n₂ nhỏ hơn n₁. Xét tia tới SI đến điểm I trên tiết diện MN của sợi quang. Tia này bị khúc xạ khi đi vào sợi quang. Tia khúc xạ tới mặt tiếp xúc giữa lỗi và lớp vỏ tại I₁ dưới góc tới i lớn hơn góc tới hạn i_th và bị phản xạ toàn phần. Hiện tượng phản xạ như vậy được lặp lại nhiều lần liên tiếp tại các điểm I₂,.... (Hình 6.4).

Trong công nghệ thông tin, sợi quang được dùng để truyền dữ liệu.