Khúc xạ ánh sáng và phản xạ toàn phần SVIP

I. HIỆN TƯỢNG KHÚC XẠ ÁNH SÁNG

Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là hiện tượng tia sáng bị gãy khúc (bị lệch khỏi phương truyền ban đầu) tại mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt.

Ví dụ: Quan sát đường truyền của chùm tia sáng khi truyền từ không khí vào thủy tinh.

II. ĐỊNH LUẬT KHÚC XẠ ÁNH SÁNG

1. Chiết suất của môi trường

Lưu ý: Chiết suất của không khí xấp xỉ 1,00029, rất gần với chân không là 1, nên thường làm tròn thành 1 khi không cần độ chính xác cao.

2. Định luật khúc xạ ánh sáng

Tia sáng bị khúc xạ

 Từ hình vẽ, quy ước:

• SI là tia tới, I là điểm tới.
• A, B và I thuộc mặt phân cách giữa hai môi trường.
• MN là pháp tuyến của mặt phân cách tại điểm tới I.
• IR là tia khúc xạ.
• \(i\) là góc tới, \(r\) là góc khúc xạ (góc tạo bởi tia khúc xạ và pháp tuyến).

III. HIỆN TƯỢNG PHẢN XẠ TOÀN PHẦN

Phản xạ toàn phần là hiện tượng xảy ra khi toàn bộ tia sáng tới bị phản xạ trở lại tại mặt phân cách giữa hai môi trường mà không có tia khúc xạ truyền sang môi trường bên kia.

Khi bắt đầu có tia khúc xạ thì góc tới là góc tới hạn $i_{th}$.

\(\sin i_{\th}=\frac{n_2}{n_1}\)

Trong đó:

• \(n_1\) là chiết suất của môi trường chứa tia tới.
• \(n_2\) là chiết suất của môi trường chứa tia khúc xạ.

Điều kiện để có phản xạ toàn phần

• Ánh sáng truyền từ môi trường có chiết suất \(n_1\) tới môi trường có chiết suất \(n_2\) với \(n_1>n_2\).
• Góc tới lớn hơn hoặc bằng góc tới hạn: \(i\ge i_{th}\).

❗ Mở rộng: Tìm hiểu hoạt động của cáp quang

Cáp quang gồm nhiều sợi quang – là những sợi cực nhỏ trong suốt có khả năng dẫn truyền ánh sáng bằng hiện tượng phản xạ toàn phần.

Cấu tạo: Mỗi sợi quang gồm 2 phần:

• Lõi: làm bằng thủy tinh hoặc nhựa trong suốt, có chiết suất \(n_{2}\).
• Vỏ bọc: bao quanh lõi, cũng là chất trong suốt nhưng có chiết suất \(n_{1}\) nhỏ hơn \(n_{2}\).

Hoạt động: 

Xét một tia sáng đi từ điểm \(S\) đến điểm \(I\) và chiếu vào sợi quang tại mặt cắt \(M N\):

• Tia sáng bị khúc xạ khi đi vào lõi sợi quang.
• Khi gặp mặt phân cách giữa lõi và lớp vỏ tại điểm \(I_{1}\), góc tới lớn hơn góc tới hạn → tia sáng bị phản xạ toàn phần.
• Tia sáng tiếp tục phản xạ liên tiếp nhiều lần trong lõi tại các điểm như \(I_{2}\), \(I_{3}\),... và bị giữ lại bên trong lõi.

Ứng dụng: Nhờ vào hiện tượng này, ánh sáng được dẫn truyền đi xa trong lõi sợi quang mà không thoát ra ngoài, giúp sợi quang trở thành công cụ quan trọng trong việc truyền dữ liệu trong viễn thông và mạng internet.