Internet truyền qua ánh sáng
Trong sợi quang, các tín hiệu quang có thể truyền xa nhờ thiết kế lõi–vỏ phù hợp. Ngoài phản xạ toàn phần, hệ thống thực tế còn cần nguồn phát, bộ thu và các giải pháp giảm suy hao.
01 · Mục tiêu bài học
Sau bài học, em có thể nhận biết và giải thích hiện tượng phản xạ toàn phần, xác định góc tới hạn và vận dụng vào một số tình huống thực tế.
Nhận biết
Nêu được hiện tượng phản xạ toàn phần; nhận diện tia tới, tia phản xạ, tia khúc xạ, mặt phân cách, pháp tuyến.
Thông hiểu
Trình bày hai điều kiện xảy ra phản xạ toàn phần; phân biệt ba miền i < ith, i = ith, i > ith.
Thực hành
Quan sát thí nghiệm tia sáng từ bán trụ thủy tinh sang không khí; thay đổi góc tới, ghi số liệu, xác định góc tới hạn.
Vận dụng
Tính góc tới hạn từ chiết suất, xét có hay không phản xạ toàn phần; giải thích nguyên lí cơ bản của sợi quang.
Khởi động: Tia sáng truyền từ thủy tinh ra không khí, nthủy tinh = 1,5; nkhông khí ≈ 1. Khi tăng góc tới từ 30° đến 60°, điều gì xảy ra với tia ló?
02 · Kiến thức trọng tâm
I. Sự truyền ánh sáng từ môi trường chiết suất lớn sang môi trường chiết suất nhỏ
Xét tia sáng đi từ môi trường 1 có chiết suất n1 sang môi trường 2 có chiết suất n2, với n1 > n2.
Khi còn tia khúc xạ, tia ló lệch xa pháp tuyến: góc khúc xạ r > i (nếu i > 0). Khi tăng i, góc r tăng và có thể đạt 90°.
(6.1)n1 sin i = n2 sin r
Góc tới i và góc khúc xạ r đều đo giữa tia sáng tương ứng với pháp tuyến tại điểm tới.
II. Hiện tượng phản xạ toàn phần và góc tới hạn
Phản xạ toàn phần là hiện tượng toàn bộ ánh sáng tới bị phản xạ trở lại môi trường ban đầu tại mặt phân cách hai môi trường trong suốt, khi đủ điều kiện.
Góc tới hạn ith là giá trị góc tới ứng với r = 90° theo giới hạn của định luật khúc xạ:
(6.2)sin ith = n2 / n1 (n1 > n2)
(6.3)ith = arcsin(n2 / n1)
Điều kiện 1 · Môi trường
Ánh sáng phải truyền từ môi trường có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất nhỏ: n1 > n2.
Điều kiện 2 · Góc tới
Góc tới phải đạt ngưỡng góc tới hạn. SGK thường ghi i ≥ ith; trường hợp phản xạ toàn phần rõ rệt không có tia ló vào môi trường 2 khi i > ith.
| Trường hợp (n1 > n2) | Đặc điểm chùm sáng |
|---|---|
| i < ith | Có tia khúc xạ và tia phản xạ; r > i nếu i > 0. |
| i = ith | Trường hợp giới hạn, r = 90°, tia khúc xạ lướt sát mặt phân cách. |
| i > ith | Phản xạ toàn phần: không có tia khúc xạ truyền sang môi trường thứ hai. |
Kiểm chuẩn thuật ngữ: SGK Kết nối tri thức nêu điều kiện i ≥ ith. Khi tính toán hoặc mô phỏng theo quang hình học, cần nhận rõ tại i = ith có giới hạn r = 90°; khi i > ith không có tia khúc xạ truyền qua.
III. Một số ứng dụng
Sợi quang: lõi có chiết suất lớn hơn lớp vỏ quang học; các tia tới biên lõi–vỏ đủ góc có thể phản xạ toàn phần liên tiếp để dẫn tín hiệu ánh sáng.
Lăng kính phản xạ toàn phần: dùng để đổi hướng tia trong một số dụng cụ quang học; kim cương: các tia sáng có thể trải qua nhiều lần phản xạ trong đá, góp phần tạo hiệu ứng lấp lánh.
03 · Quan sát và khám phá
Mô phỏng 1 · Từ khúc xạ đến phản xạ toàn phần
Chọn hai môi trường, thay đổi góc tới và đối chiếu góc tới hạn. Tia sáng đi từ dưới lên (môi trường 1 → môi trường 2).
n₂/n₁0,667
Góc khúc xạ48,6°
Góc tới hạn41,8°
Có tia khúc xạ
Quan sát: Với thủy tinh → không khí, góc tới hạn ≈ 41,8°. Khi thay i từ 30° đến 60°, tia khúc xạ biến mất và tia phản xạ là tia duy nhất trong mô hình.
Mô phỏng 2 · Nhật kí thí nghiệm xác định góc tới hạn
Ở mô phỏng 1, chọn các góc 20°, 30°, 40°, 50° và bấm Ghi kết quả hiện tại. So sánh giá trị i với ith trước khi kết luận.
| STT | n₁ → n₂ | i | ith | r (nếu có) | Nhận xét |
|---|
Mô phỏng 3 · Đường sáng trong sợi quang
Lõi có n = 1,50, vỏ quang học có n = 1,40. Thay đổi góc θ giữa tia và trục lõi rồi quan sát khi nào ánh sáng được giữ lại.
Góc tới biên lõi–vỏ80°
Góc tới hạn69,0°
Trạng tháiĐược dẫn
04 · Luyện tập và kiểm tra
4.1 · Mười hai ví dụ có lời giải
Mở từng ví dụ để xem lời giải. Các bài được sắp theo mức tăng dần, trong đó có cả bài nhận dạng góc tới, tính góc giới hạn và bài tập liên hệ sợi quang.
4.2 · 36 câu tự luyện
Gồm 12 câu nhận biết, 12 câu thông hiểu và 12 câu vận dụng. Chọn đáp án để nhận phản hồi ngay; phần này không tính vào điểm kiểm tra.
Đã làm: 0/36 · Đúng: 0/36
4.3 · Kiểm tra cuối bài (22 câu · 10 điểm)
Phần I: 10 câu nhiều lựa chọn, mỗi câu 0,25 điểm (2,50 điểm).
Phần II: 6 câu Đúng/Sai, mỗi câu gồm 4 ý a–d (tối đa 6,00 điểm).
Phần III: 6 câu trả lời ngắn, mỗi câu 0,25 điểm (1,50 điểm), đáp số không kèm đơn vị và không quá 4 ký tự.
Quy tắc điểm mỗi câu Đúng/Sai theo số ý đúng: 1 ý = 0,10; 2 ý = 0,25; 3 ý = 0,50; 4 ý = 1,00 điểm. Không cần nộp bài tự luyện để bắt đầu kiểm tra.
05 · Sơ đồ tư duy
Sáu ý cốt lõi về phản xạ toàn phần. Có thể dùng bảng này để ôn tập trước khi làm kiểm tra.
06 · Em có biết?
Lăng kính thay gương
Một lăng kính đúng hình dạng có thể đổi hướng tia nhờ phản xạ toàn phần ở bề mặt trong, dùng trong kính tiềm vọng và một số dụng cụ quang học.
Kim cương lấp lánh
Chiết suất tương đối lớn và nhiều mặt cắt khiến ánh sáng phản xạ, khúc xạ nhiều lần, góp phần tạo nên hiệu ứng lấp lánh của kim cương.
Ảo ảnh trên đường nóng
Nhiệt độ làm chiết suất không khí thay đổi theo độ cao. Đường đi của ánh sáng bị uốn cong; trong một số mô hình lý tưởng có thể mô tả bằng lớp môi trường với hiện tượng gần phản xạ toàn phần.
Ghi nhớ trước khi chuyển bài: Không có phản xạ toàn phần nếu ánh sáng đi từ chiết suất nhỏ sang lớn; không được nhầm góc tới với góc hợp mặt phân cách. Chiết suất không có đơn vị; đáp số góc tính bằng độ khi bài yêu cầu.
Nội dung xây dựng mới theo các mạch kiến thức của Bài 6, Khoa học tự nhiên 9 – Kết nối tri thức với cuộc sống. Đồ họa SVG do bài học tự dựng; kết quả mô phỏng theo mô hình quang hình học, không thay thế thí nghiệm thực tế. Nguồn đối chiếu nội dung: SGK KHTN 9, Bài 6 (NXB Giáo dục Việt Nam) và SGV KHTN 9.