Khi ánh sáng truyền qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt, tia sáng bị gãy khúc — đó là hiện tượng khúc xạ. Nếu ánh sáng đi từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường kém hơn với góc tới đủ lớn, nó sẽ bị phản xạ toàn phần trở lại.
Thí nghiệm tương tác — hãy làm theo từng bước
- 1Bắt đầu với góc tới nhỏ: tia khúc xạ lệch ra xa pháp tuyến (vì n₁ > n₂).
- 2Tăng góc tới đến gần góc giới hạn (~48,6° với nước): tia khúc xạ nằm sát mặt phân cách.
- 3Tăng vượt góc giới hạn: tia khúc xạ biến mất, toàn bộ ánh sáng phản xạ trở lại — phản xạ toàn phần!
Khúc xạ & phản xạ toàn phần
- Tia tới
- Tia phản xạ
- Tia khúc xạ
- Góc tới i
- 30°
- Chiết suất n₁
- 1.33
- Góc giới hạn
- 48.8°
- Hiện tượng
- Khúc xạ (r ≈ 41.7°)
Khi ánh sáng đi từ môi trường chiết quang hơn (n₁ lớn) sang môi trường chiết quang kém hơn, nếu góc tới vượt góc giới hạn i_gh thì toàn bộ tia sáng bị phản xạ trở lại — đó là phản xạ toàn phần.
Đề bài
Ánh sáng đi từ nước (n₁ = 1,33) ra không khí (n₂ = 1). Tính góc giới hạn phản xạ toàn phần.
Lời giải
sin i_gh = n₂/n₁ = 1/1,33 ≈ 0,752 → i_gh ≈ 48,6°.
Khúc xạ và phản xạ toàn phần quanh em
Ánh sáng đổi hướng khi đi qua mặt phân cách giữa hai môi trường, và trong những điều kiện nhất định nó bị "giam" lại hoàn toàn — nhờ đó ta có cáp quang, kim cương lấp lánh và nhiều hiện tượng đẹp mắt.
Cây bút chì trông như gãy khúc khi nhúng vào cốc nước
Ánh sáng từ phần bút dưới nước truyền từ nước (n₁ ≈ 1,33) ra không khí (n₂ ≈ 1) rồi tới mắt em. Tại mặt phân cách, tia sáng đổi hướng vì tốc độ truyền ánh sáng trong hai môi trường khác nhau, nên vị trí ảnh của phần bút bị lệch đi. Mắt ta "nối" theo đường thẳng nên thấy bút như bị bẻ gãy.
Lý thuyết của bài: n₁ sin i = n₂ sin r — tia sáng đổi hướng khi đổi môi trường truyền.
Cáp quang truyền internet với tốc độ cao
Sợi quang gồm lõi có chiết suất lớn được bao bọc bởi lớp vỏ chiết suất nhỏ hơn. Ánh sáng chạy trong lõi đập vào mặt phân cách với góc tới lớn hơn góc giới hạn nên bị phản xạ toàn phần liên tục, không thất thoát ra ngoài. Nhờ đó tín hiệu đi được hàng nghìn km mà gần như không mất mát.
Lý thuyết của bài: sin i_gh = n₂/n₁ — góc giới hạn nhỏ của lõi cáp quang cho phép phản xạ toàn phần liên tục.
Kim cương lấp lánh hơn hẳn thuỷ tinh
Kim cương có chiết suất rất lớn (~2,42) nên góc giới hạn phản xạ toàn phần chỉ khoảng 24,4°, nhỏ hơn nhiều so với thủy tinh (~42°). Ánh sáng lọt vào kim cương bị phản xạ toàn phần qua lại nhiều lần ở nhiều mặt rồi mới ló ra ngoài, tạo ra những tia sáng lấp lánh dồn dập.
Lý thuyết của bài: sin i_gh = n₂/n₁ — n₁ càng lớn thì i_gh càng nhỏ, càng dễ phản xạ toàn phần.
Ảo ảnh ốc đảo trên sa mạc (ảnh ảo của nước)
Lớp không khí sát mặt cát nóng có chiết suất nhỏ hơn lớp trên lạnh hơn. Tia sáng từ bầu trời đi xuống đi từ môi trường chiết quang hơn sang kém hơn, đến một góc tới đủ lớn thì bị phản xạ toàn phần trở lên mắt người. Ta thấy như có mặt nước loang loáng giữa sa mạc.
Lý thuyết của bài: n₁ sin i = n₂ sin r và sin i_gh = n₂/n₁ — phản xạ toàn phần khi tia tới xiên qua lớp có chiết suất giảm dần.
Đèn nháy của xe ô tô và biển báo phản quang phát sáng rất rõ ban đêm
Biển báo phản quang được làm từ các vi hạt lăng kính hoặc bi cầu nhỏ. Ánh sáng đèn pha chiếu vào, nhờ khúc xạ kết hợp phản xạ toàn phần bên trong các hạt, bị "bẻ" quay trở lại đúng hướng về phía người lái. Đó là lí do biển báo sáng lên mạnh dù không có đèn riêng.
Lý thuyết của bài: n₁ sin i = n₂ sin r — khúc xạ và phản xạ toàn phần bên trong các hạt phản quang đổi hướng tia sáng trở lại.
Vì sao lại có n₁ sin i = n₂ sin r và sin i_gh = n₂/n₁?
Trực giác:Hãy hình dung một người chạy từ đường nhựa (nhanh) lên bãi cát (chậm): nếu chạy xiên, người đó bị "bẻ" hướng để bước chậm hơn. Ánh sáng cũng vậy — nó đổi tốc độ khi sang môi trường mới, và sự đổi tốc độ đó được mô tả bởi chiết suất n.
- 1Ánh sáng truyền trong môi trường có chiết suất n với tốc độ v = c/n. Môi trường chiết suất càng lớn thì ánh sáng đi càng chậm.
- 2Khi tia sáng xiên qua mặt phân cách, thành phần dao động song song với mặt phân cách phải liên tục, dẫn tới điều kiện: n₁ sin i = n₂ sin r (định luật Snell).
- 3Xét ánh sáng đi từ môi trường chiết quang hơn sang kém hơn (n₁ > n₂). Vì n₁ > n₂ nên r > i: tia khúc xạ lệch xa pháp tuyến hơn tia tới.
- 4Tăng dần góc tới i cho đến khi r = 90° (tia khúc xạ nằm sát mặt phân cách). Lúc đó sin r = 1, thay vào định luật Snell ta được sin i_gh = n₂/n₁ — đó là góc giới hạn.
- 5Vượt qua góc giới hạn, không còn tia khúc xạ nào đi ra được: toàn bộ ánh sáng bị phản xạ trở lại → phản xạ toàn phần. Kiểm chứng: nước n₁ = 1,33 ra không khí n₂ = 1 cho i_gh ≈ 48,6°.
Ý nghĩa: Định luật Snell n₁ sin i = n₂ sin r thực chất là hệ quả của việc ánh sáng đổi tốc độ khi đổi môi trường. Công thức góc giới hạn sin i_gh = n₂/n₁ chỉ là trường hợp đặc biệt khi tia khúc xạ nằm sát mặt phân cách (r = 90°), và chính là điều kiện để hiện tượng phản xạ toàn phần — nền tảng của cáp quang — xảy ra.