Vật lí 11 - Chuyên đề 5: Sự khúc xạ ánh sáng

Phần 1.
Chuyên đề 5: SỰ KHÚC XẠ ÁNH SÁNG
A. TÓM TẮT KIẾN THỨC
I. SỰ KHÚC XẠ ÁNH SÁNG
1. Định nghĩa:
- Sự khúc xạ ánh sáng là hiện tượng tia sáng đổi phương khi truyền từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác.
2. Định luật khúc xạ ánh sáng
- Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới và ở bên kia pháp tuyến so với tia tới.
- Đối với một cặp môi trường trong suốt nhất định:
	(5.1)
Hay 
	+ là chiết suất tuyệt đối của môi trường 1 và 2: là chiết suất tỉ đối của môi trường 2 đối với môi trường 1.
	+ : môi trường 2 chiết quang hơn môi trường 1.
	+ : môi trường 2 chiết quang kém môi trường 1.
	+ (v là vận tốc ánh sáng trong môi trường, là vận tốc ánh sáng trong chân không).
II. SỰ PHẢN XẠ TOÀN PHẦN
1. Định nghĩa
Sự phản xạ toàn phần là hiện tượng toàn bộ tia tới bị phản xạ trở lại môi trường cũ khi gặp mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt
2. Điều kiện để có sự phản xạ toàn phần
- Môi trường tới phải chiết quang hơn môi trường khúc xạ .
- Góc tới phải lớn hơn góc giới hạn phản xạ toàn phần: , với:
	(5.2)
III. LƯỠNG CHẤT PHẲNG
1. Định nghĩa
Lưỡng chất phẳng là một cặp môi trường trong suốt, đồng tính, ngăn cách bởi một mặt phẳng.
2. Ảnh của vật qua lưỡng chất phẳng
- Sự tạo ảnh của vật qua lưỡng chất phẳng tuân theo định luật khúc xạ ánh sáng.
- Ảnh và vật luôn có bản chất khác nhau: vật thật - ảnh ảo; vật ảo - ảnh thật.
3. Công thức về lưỡng chất phẳng
Với chùm tia sáng hẹp: 	(5.3)
( là khoảng cách từ vật đến mặt phẳng phân cách, là khoảng cách từ ảnh đến mặt phân cách; là chiết suất môi trường tới, là chiết suất môi trường khúc xạ).
Hay 	
(với ; : vật thật; : vật ảo; : ảnh thật; : ảnh ảo)
IV. BẢN MẶT SONG SONG
1. Định nghĩa
 Bản mặt song song là một môi trường trong suốt, đồng tính, giới hạn bởi hai mặt song song đặt trong một (hoặc hai) môi trường có chiết suất khác nhau.
2. Đặc điểm ảnh qua bản mặt song song
- Sự tạo ảnh của vật qua bản mặt song song tuân theo định luật khúc xạ ánh sáng.
- Ảnh và vật luôn bằng nhau và có bản chất khác nhau: vật thật - ảnh ảo; vật ảo - ảnh thật.
- Ảnh bị dời đi theo chiều truyền ánh sáng so với vật .
3. Công thức về bản mặt song song
Khoảng cách vật - ảnh: 	(5.4)
( là bề dày, là chiết suất tỉ đối của chất làm bản với môi trường đặt bản)
Hay 	
(với ; : vật thật; : vật ảo; : ảnh thật; : ảnh ảo)
V. LĂNG KÍNH
1. Định nghĩa
Lăng kính là một khối chất trong suốt, đồng tính, hình lăng trụ đứng có tiết diện thẳng là hình tam giác:
- Hai mặt của lăng kính được dùng nên mài nhẵn gọi là hai mặt bên ; mặt đáy không dùng đến nên có thể sần sùi hoặc bôi đen.
- Góc nhị diện tạo bởi hai mặt bên gọi là góc chiết quang .
- Chiết suất tỉ đối của chất làm lăng kính đối với môi trường đặt lăng kính gọi là chiết suất của lăng kính. Ta chỉ xét trường hợp .
2. Đường đi của tia sáng qua lăng kính
Trường hợp , tia tới đi từ đáy lăng kính lên thì tia ló sẽ lệch về đáy nhiều hơn tia tới.
3. Công thức về lăng kính: Gọi là góc lệch giữa tia ló và tia tới.
- Tổng quát: 	(5.5)
- Góc nhỏ:	 	
4. Góc lệch cực tiểu
- Điều kiện: hay 	(5.6)
- Công thức: hay 	(5.7)
VI. LƯỠNG CHẤT CẦU
1. Định nghĩa:
Lưỡng chất cầu là một cặp môi trường trong suốt, đồng tính, ngăn cách bởi một mặt cầu.
2. Ảnh của vật qua lưỡng chất cầu
- Ảnh của một điểm sáng qua lưỡng chất cầu là một điểm sáng.
- Ảnh của một đoạn thẳng trên trục chính, vuông góc với trục chính qua lưỡng chất cầu là một đoạn thẳng đặt trên trục chính, vuông góc với trục chính.
3. Công thức về lưỡng chất cầu
- Khi thỏa điều kiện tương điểm: 	(5.8)
( : vị trí của vật, : vị trí của ảnh; : vật thật; : vật ảo; : ảnh thật; : ảnh ảo; là bán kính của mặt cầu).
- Khi : công thức về lưỡng chất phẳng.
VII. THẤU KÍNH
1. Định nghĩa – Phân loại
- Thấu kính là một khối chất trong suốt, đồng tính giới hạn bởi hai mặt cầu (một trong hai mặt có thể là mặt phẳng). Mỗi thấu kính có:
	+ một trục chính , vô số trục phụ , hai tiêu diện .
	+ một quang tâm , hai tiêu điểm chính (ảnh) và (vật), vô số tiêu điểm phụ .
- Có hai loại thấu kính: thấu kính hội tụ (thấu kính rìa mỏng) và thấu kính phân kì (thấu kính rìa dày).
2. Đường đi của các tia sáng qua thấu kính
- Ba tia đặc biệt:
	+ Tia tới qua quang tâm : tia ló truyền thẳng.
	+ Tia tới song song với trục chính: tia ló (hoặc đường kéo dài của tia ló) qua tiêu điểm chính (ảnh).
	+ Tia tới (hoặc đường kéo dài của tia tới) qua tiêu điểm chính (vật): tia ló song song với trục chính.
- Mỗi tia bất kì: Tia tới bất kì: tia ló (hoặc đường kéo dài của tia ló) qua tiêu điểm chính tương ứng.
3. Công thức thấu kính
a) Quy ước: Gọi là vị trí của vật, vị trí của ảnh, tiêu cự và độ tụ của thấu kính; là bán kính các mặt cầu; là độ phóng đại của ảnh; là chiết suất tỉ đối của chất làm thấu kính đối với môi trường đặt thấu kính; là khoảng chách giữa vật - ảnh, với quy ước:
	+ Vật thật: ; vật ảo: ; ảnh thật : ; ảnh ảo: .
	+ Thấu kính hội tụ: ; thấu kính phân kì: .
	+ Mặt cầu lồi: , mặt cầu lõm: , mặt phẳng: .
b) Công thức
	(5.9)
B. NHỮNG CHÚ Ý KHI GIẢI BÀI TẬP
F Về kiến thức và kĩ năng
1. Từ hệ thức: hay ta thấy: nguyên nhân của sự khúc xạ ánh sáng là sự thay đổi đột ngột của vận tốc truyền ánh sáng khi nó đi từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác.
2. Một điểm sáng chỉ cho ảnh điểm qua lưỡng chất phẳng hoặc lưỡng chất cầu khi thỏa mãn các điều kiện tương điểm:
	+ Với lưỡng chất phẳng là chùm tia tới hẹp.
	+ Với lưỡng chất cầu là góc mở của mặt cầu phải nhỏ; chùm tia tới là chùm tia hẹp và đi gần song song với trục chính.
3. Với lưỡng chất phẳng. khi ánh sáng đi từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường chiết quang kém thì ảnh được nâng lên gần mặt phân cách hơn; khi ánh sáng đi từ môi trường chiết quang kém sang mội trường chiết quang hơn thì ảnh được nâng xa mặt phân cách hơn
4. Nếu vật có dạng một mặt phẳng rộng, song song với mặt bản thì ảnh của vật sẽ là một mặt cong vì độ nâng anh của các điểm khác nhau trên vật sẽ khác nhau và phụ thuộc vào phương của chùm tia sáng đi từ điểm đó vào mắt.
F Về phương pháp giải
1. Với dạng bài tập về sự khúc xạ ánh sáng. Phương pháp giải là:
- Áp dụng công thức định luật khúc xạ ánh sáng cho các trường hợp cụ thể:
	+ Trường hợp tổng quát: .
	+ Trường hợp góc nhỏ: .
- Một số chú ý:
	+ Trường hợp chiết suất của môi trường biến thiên khi vận dụng định luật khúc xạ ánh sáng cần:
* Chia môi trường thành nhiều lớp vô cùng mỏng theo chiều biến thiên của chiết suất.
* Áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng như một định luật bảo toàn tích chiết suất và sin góc tương ứng: .
	+ Cần kết hợp các công thức hình học, công thức lượng giác, các tính chất về góc để biến đổi, tính toán...
2. Với dạng bài tập về sự phản xạ toàn phần. Phương pháp giải là:
- Vận dụng các kiến thức:
	+ Điều kiện để có phản xạ toàn phần: .
	+ Công thức tính góc giới hạn phản xạ toàn phần: (1 là môi trường tới; 2 là môi trường khúc xạ).
	+ Công thức định luật phản xạ: .
- Một số chú ý:
	+ Khi ánh sáng đi từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường chiết quang kém :
* Nếu : tia sáng bị khúc xạ tại mặt phân cách hai môi trường, áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng: .
* Nếu : tia sáng bị phản xạ toàn phần tại mặt phân cách hai môi trường, áp dụng định luật phản xạ ánh sáng: .
	+ Cần kết hợp các công thức hình học, công thức lượng giác, các tính chất về góc để biến đổi, tính toán...
3. Với dạng bài tập về lưỡng chất phẳng. Phương pháp giải là:
- Sử dụng công thức: 
(với ; : vật thật; : vật ảo; : ảnh thật; : ảnh ảo; là chiết suất môi trường tới, là chiết suất môi trường khúc xạ)
- Một số chú ý:
	+ Đặc điểm ảnh của vật qua lưỡng chất phẳng: ảnh - vật luôn khác tính chất; ảnh dời đi theo phương thẳng đứng so với vật đoạn 
	+ Cần kết hợp với các công thức hình học, công thức lượng giác, các tính chất về góc để biến đối, tính toán...
4. Với dạng bài tập về bản mặt song song. Phương pháp giải là:
- Sử dụng các công thức:
	+ Khoảng cách vật - ảnh: 
	+ Độ dời ngang của tia sáng: 
(n là chiết suất tỉ đối của chất làm bản với môi trường đặt bản)
- Một số chú ý:
	+ Đặc điểm ảnh của vật qua bản mặt song song:
*Ảnh - vật luôn khác bản chất.
*Ảnh có độ lớn bằng vật.
*Ảnh dời theo chiều truyền ánh sáng so với vật đoạn .
BMSS (1, 2, 1 ) ghép LCP (1,3).
	+ Trường hợp bản đặt tiếp giáp với hai môi trường trong suốt khác nhau ta có thể coi hệ tương đương với một trong hai trường hợp sau:
* Hệ gồm hai lưỡng chất phẳng ghép liên tiếp nhau: (LCP: 1, 2); (LCP: 2, 3).
* Hệ gồm bản song song ghép với lưỡng chất phẳng: Giữa một lớp tiếp xúc có một lớp môi trường rất mỏng có chiết suất như môi trường còn lại: (BMSS: 1, 2, 1 ); (LCP: 1,3).
5. Với dạng bài tập về lăng kính. Phương pháp giải là:
- Sử dụng các công thức về lăng kính cho các trường hợp cụ thể:
+ Góc lớn (tổng quát): 
, điều kiện: .
+ Góc nhỏ: 
- Một số chú ý:
	+ Các khả năng xảy ra ở mặt bên thứ hai:
* Để có hiện tượng phản xạ toàn phần: : dùng định luật phản xạ ánh sáng.
* Để có tia ló ra khỏi lăng kính: 
 và với 
* Để có góc lệch cực tiểu: 
	+ n là chiết suất tỉ đối của chất làm lăng kính và môi trường đặt lăng kính.
6. Với dạng bài tập về lưỡng chất cầu. Phương pháp giải là:
- Sử dụng các công thức về lưỡng chất cầu: 
( : vị trí của vật, : vị trí của ảnh; : vật thật; : vật ảo; : ảnh thật; : ảnh ảo; là bán kính của mặt cầu).
- Một số chú ý:
	+ Để ảnh của một điểm sáng qua lưỡng chất cầu là một điểm sáng thì lưỡng chất cầu phải thỏa mãn điều kiện tương điểm (về góc mở, về tia sáng qua lưỡng chất cầu).
	+ Lưỡng chất phẳng là trường hợp riêng của lường chất cầu khi 
7. Với dạng bài tập về thấu kính. Phương pháp giải là:
7.1. 	Xác định loại thấu kính, các đặc điểm của thấu kính bằng hình vẽ
- Vẽ ảnh: Dùng hai trong ba tia đặc biệt đã biết, lưu ý rằng trong nhiều trường hợp phải dùng đến tia bất kì.
- Xác định loại thấu kính
	+ Dựa vào quan hệ giữa tia tới và tia ló: Tia ló đi gần trục chính hơn tia tới: thấu kính hội tụ; tia ló đi xa trục chính hơn tia tới: thấu kính phân kì.
	+ Dựa vào quan hệ giữa vật và ảnh: Vật thật cho ảnh thật: thấu kính hội tụ; vật thật cho ảnh ảo lớn hơn vật: thấu kính hội tụ, vật thật cho ảnh ảo nhỏ hơn vật: thấu kính phân kì...
- Xác định các đặc điểm của thấu kính:
	+ Điểm vật, điểm ảnh và quang tâm luôn thẳng hàng.
	+ Tia tới (qua vật) song song với trục chính, tia ló có phương (qua ảnh) và qua tiêu điểm chính (ảnh).
	+ Tia tới có phương (qua ảnh) và qua tiêu điểm chính (vật), tia ló có phương song song với trục chính.
	+ Tiêu điểm chính (vật) và tiêu điểm chính (ảnh) đối xứng nhau qua quang tâm .
7.2. Giải bài toán về thấu kính bằng công thức
- Sử dụng các công thức:
	+ Độ tụ: 
( là chiết suất tỉ đối của chất làm thấu kính đối với môi trường đặt thấu kính; là bán kính.các mặt cong).
	+ Công thức Đề-các: .
	+ Số phóng đại: .
	+ Khoảng cách vật - ảnh: 
- Một số chú ý:
	+ Khi thấu kính được giữ cố định, dời vật thì ảnh cùng dời theo chiều dời của vật: 
* Trước khi dời vật: .
* Sau khi dời vật: ;
	.
	+ Khi vật được giữ cố định, dời thấu kính, để xác định chiều và độ dời của ảnh ta cần tính khoảng cách L giữa vật - ảnh.
	+ Khi hai vật đặt hai bên một thấu kính thì hai vật sẽ cho hai ảnh qua thấu kính. Với mỗi ảnh ta dùng các công thức thấu kính để xác định các đặc điểm của ảnh (vị trí, tính chất, độ lớn, độ phóng đại...).
	+ Khi một vật đặt giữa hai thấu kính, vật sẽ cho hai ảnh qua hai thấu kính. Với mỗi ảnh ta cũng dùng các công thức thấu kính để xác định các đặc điểm của ảnh...
C. CÁC BÀI TẬP VẬN DỤNG
1. SỰ KHÚC XẠ ÁNH SÁNG
5.1. Ba môi trường trong suốt (1), (2), (3) có thể đặt tiếp giáp nhau. Với cùng góc tới :
- Nếu ánh sáng truyền từ (1) vào (2) thì góc khúc xạ là .
- Nếu ánh sáng truyền từ (1) vào (3) thì góc khúc xạ là .
Hỏi nếu ánh sáng truyền từ (2) vào (3) thì góc khúc xạ là bao nhiêu?
Bài giải
- Áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng cho các trường hợp, ta có:
	+ Nếu ánh sáng truyền từ (1) vào (2) thì 	(1)
	+ Nếu ánh sáng truyền từ (1) vào (3) thì 	(2)
	+ Nếu ánh sáng truyền từ (2) vào (3) thì 	(3)
- Từ (1), (2) và (3) suy ra: 
.
Vậy: Nếu ánh sáng truyền từ (2) vào (3) thì góc khúc xạ là .
5.2. Một chậu hình hộp chữ nhật đựng chất lỏng. Biết . Mắt nhìn theo phương nhìn thấy được trung điểm của . Tính chiết suất của chất lỏng.
Bài giải
- Khi mắt nhìn theo phương thấy được điểm nghĩa là tia sáng từ qua sẽ đến được mắt, hay tia tới theo phương và tia khúc xạ theo phương .
- Theo định luật khúc xạ ánh sáng, ta có: .
Với: .
Vậy: Chiết suất của chất lỏng là 1,27.
5.3. Một cái gậy dài 2m cắm thẳng đứng ở đáy hồ. Gậy nhô lên khỏi mặt nước 0,5m. Ánh sáng Mặt Trời chiếu xuống hồ theo phương hợp với pháp tuyến của mặt nước góc .
Tính chiều dài bóng của cây gậy in trên đáy hồ.
Bài giải
- Theo đề, ta có: .
-Theo định luật khúc xạ ánh sáng: .
.
- Tam giác cho: .
- Tam giác cho: .
.
Vậy: Chiều dài bóng gậy in trên mặt hồ là .
5.4. Hai tia sáng song song, có khoảng cách giữa chúng là , được chiếu đến một xilanh hình trụ trong suốt chiết suất , bán kính . Các tia sáng đều nằm trong một mặt phẳng của tiết diện thẳng góc và đối xứng với nhau qua đường kính của tiết diện thẳng góc song song các tia sáng. Cho biết hai tia sáng giao nhau trên bề mặt hình trụ.
Tính .
Bài giải
- Do tính đối xứng nên giao điểm của hai tia khúc xạ bên trong xilanh nằm trên trục đối xứng.
- Vì hai tia sáng giao nhau trên bề mặt hình trụ nên chúng chỉ khúc xạ một lần.
Ta có: .
- Hai tia sáng cắt nhau trên bề mặt hình trụ nên: (hệ thức giữa góc trong và ngoài của tam giác cân ).
Vậy: chiết suất của chất làm khối trụ là .
5.5. Một cái máng nước sâu 20 cm, rộng 40 cm có hai thành bên thẳng đứng. Đúng lúc máng cạn nước thì bóng râm của thành kéo dài tới đúng chân thành đối diện. Người ta đổ nước vào máng đến một độ cao thì bóng của thành ngắn bớt đi 7 cm so với trước. Biết chiết suất của nước là .
Hãy tính ; vẽ tia sáng giới hạn bóng râm của thành máng khi có nước.
Bài giải
- Trước khi đổ nước, bóng của thành là ; sau khi đổ nước, bóng của thành là .
- Ta có: .
	.
- Theo đề: 
- Mặt khác: .
 và .
 và .
Vậy: Chiều cao của lớp nước trong máng là .
5.6. Cho một khối thủy tinh hình bán cầu, chiết suất . Chiếu một chùm tia sáng song song vào mặt phẳng, theo phương vuông góc với mặt đó và phủ kín mặt đó.
a) Chứng minh rằng chùm sáng ló ra khỏi mặt cầu không phải là một chùm đồng quy mà nó tạo ra một vệt sáng có dạng một đoạn thẳng sáng nằm dọc theo đường kính của mặt cầu vuông góc với mặt phẳng.
b) Xác định vị trí và chiều dài của đoạn thẳng sáng nói trên. Cho bán kính của hình bán cầu là .
Bài giải
a) Chứng minh rằng chùm sáng ló ra khỏi mặt cầu là một vệt sáng có dạng một đoạn thẳng: Xét đường đi của tia sáng bất kì qua bán cầu và ló ra ngoài:
+ Tại : Tia sáng truyền thẳng (góc tới bằng 0).
+ Tại : Tia sáng có góc tới , góc khúc xạ .
- Để tia sáng ló ra ngoài thì: , với .
Gọi là giao điểm của tia ló và trục của bán cầu. Trong tam giác , ta có:
Với 
- Từ hệ thức trên ta thấy:
Khi thì .
Khi thì .
Vì tính đối xứng nên các tia tới qua mặt cầu sẽ cùng hội tụ tại (từ đến ), như vậy tia ló sẽ tạo ra một vệt sáng nằm dọc theo trục đối xứng của bán cầu từ đến .
b) Vị trí và chiều dài của vệt sáng
- Vị trí: Từ đến , trên trục đối xứng của bán cầu.
- Chiều dài: .
5.7. Kẻ trên hai đường thẳng song song cách nhau khoảng . Đặt một bản mặt song song trong suốt có bề dày lên tờ giấy. Nhìn qua tấm kính dưới góc lên một đường kẻ, ta có ảo giác nếu nối dài đường này ra ngoài bản song song thì nó trùng với đuờng kia. Tính chiết suất của bản.
Bài giải
Ta có: 
	.
Mặt khác: 
	(1)
- Theo định luật khúc xạ ánh sáng, ta có: 	(2)
.
Vậy: Chiết suất của bản là .
5.8. Quả cầu trong suốt bán kính có chiết suất phụ thuộc khoảng cách từ tâm theo công thức:
Chiếu tới quả cầu tia sáng dưới góc tới .
Hãy định khoảng cách ngắn nhất từ tâm quả cầu tới tia sáng.
Bài giải
- Chia quả cầu thành các lớp cầu rất mỏng bằng những mặt cầu đồng tâm , mỗi lớp cầu được giới hạn bởi hai mặt cầu có bán kính và , chiết suất . Coi tia khúc xạ trong mỗi lớp cầu là một đoạn thẳng.
- Áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng tại mặt cầu thứ :
	 	(1)
- Áp dụng định lí hàm sin cho tam giác (là tia khúc xạ giới hạn bởi mặt cầu thứ và ):
	(2)
- Từ (1) và (2) suy ra: 
Mở rộng: 
( là góc tới tại các lớp cầu ngoài cùng, lớp cầu thứ 1,2, ... có bán kính )
- Từ công thức , suy ra , nghĩa là tia khúc xạ uốn cong dần về phía tâm , đến khi góc tới bằng thì tia khúc xạ lại tiếp tục truyền theo hướng ngày càng xa tâm . Do tính đối xứng nên tia khúc xạ khi ló ra khỏi quả cầu cùng với góc ló bằng . Tại điểm mà góc tới bằng thì khoảng cách từ tâm của quả cầu đến tia khúc xạ là nhỏ nhất và bằng bán kính tại đó: . Lúc đó:
Vậy: Khoảng cách ngắn nhất từ tâm quả cầu tới tia sáng là ứng với trường hợp góc tới tại lớp cầu đó bằng .
5.9. Một người thợ lặn đứng ở đáy nằm ngang của một bể bơi có lớp nước dày 3m và ở cách tường 3m (tường thẳng đứng). Mắt của người ấy ở độ cao l,5m so với đáy bể.
a) Người ấy nhìn thấy tường ở trên mặt nước có chiều cao bằng nửa chiều cao của phần tường ở dưới nước. Tính độ cao thực của tường .
b) Người ấy di chuyển để nhìn thấy được đỉnh của tường theo tia làm góc so với đường nằm ngang, mắt vẫn giữ ở độ cao 1,5m. Người ấy thấy tường cao bao nhiêu?
c) Người ấy cầm đèn pin (loại đèn pin thợ lặn) chiếu một chùm sáng làm với đường nằm ngang một góc . Vệt sáng nằm ở đâu? Giải thích hiện tượng? 
Chiết suất của nước .
(Trích Đề thi học sinh giỏi Quốc gia, Năm học 1990 – 1991)
Bài giải
a) Độ cao thực của tường
- Hai tam giác và đồng dạng cho:
- Mặt khác: 
- Độ cao thực của tường: .
Vậy: Độ cao thực của tường là .
b) Độ cao của tường khi người ấy di chuyển:
- Lúc này, ta có: 
Và 
- Mặt khác: .
Vậy: Trường hợp này người ấy nhìn thấy tường cao .
c) Vị trí vệt sáng và giải thích hiện tượng:
Ta có: .
Vì nên ánh sáng đèn pin sẽ phản xạ toàn phần trở lại và gặp tường ở điểm theo định luật phản xạ ánh sáng. Khoảng cách từ tới còn phụ thuộc vào vị trí người đứng (hình b). Nếu biết được vị trí đứng của người này ta sẽ tìm được vị trí điểm sáng trên tường.
2. SỰ PHẢN XẠ TOÀN PHẦN
5.10. 	Có ba môi trường (1), (2), (3). Với cùng một góc tới, nếu ánh sáng đi từ (1) vào (2) thì góc khúc xạ là , nếu ánh sáng đi từ (1) vào (3) thì góc khúc xạ là .
a) Hai môi trường (2) và (3 ), môi trường nào chiết quang hơn?
b) Tính góc giới hạn phản xạ toàn phần giữa (2) và (3).
Bài giải
a) Môi trường nào chiết quang hơn?
- Khi ánh sáng truyền từ môi trường (1) vào môi trường (2):
	(1)
- Khi ánh sáng truyền từ môi trường (1) vào môi trường (3):
	(2)
- Từ (1) và (3) suy ra: .
Vậy: Môi trường (2) chiết quang hơn môi trường (3).
b) Góc giới hạn phản xạ toàn phần giữa (2) và (3): Khi ánh ánh sáng truyền từ môi trường (2) vào môi trường (3) thì:
Vậy: Góc giới hạn phản xạ toàn phần giữa môi trường (2) và (3) là .
5.11. Một thợ lặn đứng ở đáy sông nhìn lên mặt nước thì thấy ảnh của những vật ở đáy sông cách mình kể từ khoảng .
a) Giải thích.
b) Cho biết mắt người này ở độ cao 1,5 m. Tính độ sâu của sông.
Bài giải
a) Giải thích:
Tia sáng từ vật ở đáy sông đến mặt nước bị phản xạ toàn phần và đi vào mắt người, mắt người sẽ nhìn thấy ảnh của vật .
b) Độ sâu của sông:
Theo đề thì .
Ta có: 
.
	(1)
- Hai tam giác đồng dạng và cho:
	(2)
- Từ (1) và (2) suy ra: .
Vậy: Độ sâu của sông là .
5.12. Chùm tia sáng song song chiếu vuông góc tới mặt phẳng tiết diện của một đoạn ống dẫn sáng trong suốt, chiết suất , đường kính của tiết diện tròn là .
Định điều kiện về bán kính ngoài của ống để chùm tia sáng vào không bị khúc xạ ra ngoài không khí qua thành bên của ống.
Bài giải
- Chùm tia sáng đến thành bên của ống giới hạn từ điểm đến . Từ đến góc tới giảm dần: .
- Ta có: 	(1)
- Để không có tia sáng nào đến thành bên của ống bị khúc xạ ra ngoài thì: .
	(2)
Với: 	(3)
- Từ (2) và (3): .
Vậy: Để chùm tia sáng vào không bị khúc xạ ra ngoài không khí qua thành bên của ống thì .
5.13. Một ống dẫn sáng hình trụ với lõi có chiết suất và phần bọc ngoài có chiết suất . Chùm tia tới hội tụ tại mặt trước của ống với .
Định để tia sáng trong chùm đều truyền đi được trong ống.
Bài giải
- Xét đường đi của một tia sáng: . Để mọi tia sáng đều truyền đi được trong ống (phản xạ toàn phần trên mặt ngoài của lõi) thì góc tới tại phải thỏa mãn:
- Vì 
.
- Áp dụng định luật khúc xạ tại điểm tới : 
Vậy: Để tia sáng trong chùm đều truyền đi được trong ống thì .
5.14. Một khối thủy tinh có tiết diện thẳng như hình vẽ, đặt trong không khí (: hình vuông; : tam giác vuông cân). Trong mặt phẳng của tiết diện thẳng, chiếu một chùm tia sáng đơn sắc hẹp vuông góc với .
a) Chiết suất của thủy tinh là . Vẽ đường đi của tia sáng trong khối thủy tinh. Nêu rõ phương tia ló.
b) Chùm tia ló được giữ nguyên. Giả sử phần có chiết suất và phần có chiết suất . Hãy tính để tia khúc xạ trong thủy tinh tới mặt sẽ ló ra không khí:
- theo phương vuông góc với .
- theo phương hợp với góc .
Bài giải
a) Đường đi của tia sáng trong khối thủy tinh
- Góc giới hạn phản xạ toàn phần:
- Tia tới vuông góc với mặt sẽ truyền thẳng đến mặt tại với góc tới nên sẽ phản xạ toàn phần tại mặt (tia ).
- Tia đến mặt bên cũng dưới góc tới nên cũng phản xạ toàn phần tại mặt (tia ).
- Tia đến mặt bên cũng dưới góc tới nên cũng phản xạ toàn phần tại mặt (tia ).
- Tia đến mặt bên cũng dưới góc tới nên cũng phản xạ toàn phần tại mặt (tia ).
- Tia đến mặt bên dưới góc tới bằng 0 nên ló thẳng ra ngoài theo phương song song với tia tới (tia ).
b) Tính để tia khúc xạ trong thủy tinh tới mặt sẽ ló ra không khí
- Trường hợp tia ló vuông góc với tia tới: Lúc đó góc ló .
Tại các điểm tới ta có: và:
	(1)
	(2)
Từ (1) và (2) suy ra: 	(3)
Mà: 	(4)
Từ (3) và (4) suy ra: 
Và .
+ Từ (2) suy ra:
.
Vậy: Để tia ló vuông góc với tia tới thì .
- Trường hợp tia ló hợp với tia tới góc : Lúc đó góc ló .
Tại các điểm tới ta có:
	(5)
	(6)
Từ (1) và (2) suy ra: 	(7)
Tương tự: .
Và: .
Từ (6) suy ra: .
Vậy: Để tia ló hợp với tia tới góc thì .
5.15. Một khối cầu trong suốt, bán kính làm bằng chất có chiết suất được đặt trong một môi trường trong suốt chiết quang hơn có chiết suất . Một tia sáng đơn sắc trong môi trường tới mặt cầu. Gọi là khoảng cách từ tâm của mặt cầu đến tia sáng .
a) Tìm điều kiện mà phải thỏa để tia sáng khúc xạ được qua khối cầu.
b) Giả sử điều kiện này được thỏa, hãy tính góc lệch của tia sáng.
Áp dụng số: .
Bài gỉải
a) Điều kiện mà phải thỏa để tia sáng khúc xạ được qua khối cầu
- Để tia khúc xạ vào trong khối cầu thì: 
Với: 
Vậy: Để tia sáng khúc xạ được qua khối cầu thì .
b) Góc lệch của tia sáng:
- Dễ thấy: .
- Tam giác cân cho: (liên hệ giữa góc ngoài và góc trong tam giác).
- Tam giác vuông cho: .
- Theo định luật khúc xạ ánh sáng: 
.
Từ đó: .
Vậy: Góc lệch của tia sáng là .
5.16. Một lăng kính có tiết diện thẳng là một tam giác vuông cân được đặt sao cho mặt huyền tiếp xúc với mặt nước trong một cái chậu. Nước có chiết suất 1,330 = 4/3.
a) Một tia sáng (đơn sắc) tới mặt theo phương nằm ngang. Chiết suất của chất làm lăng kính và khoảng cách phải thỏa mãn điều kiện gì để tia sáng phản xạ toàn phần ở mặt ?
b) Giả sử thỏa mãn điều kiện tìm được và cho biết , hãy vẽ đường đi của tia sáng qua lăng kính. 
Bài gỉải
a) Điều kiện để tia sáng phản xạ toàn phần ở mặt : Để tia sáng phán xạ toàn phần ở mặt thì tia khúc xạ tại mặt phải đi đến .
- Điều kiện của 
Gọi là điểm tới của tia tới để tia khúc xạ đến mặt tại . Ta có:
+ Tại : 
.
- Điều kiện của : Xét các điềm tới :
Tại : .
Tại : .
Để có phản xạ toàn phần tại thì:
	 với .
Vây: Điều kiện để tia sáng phản xạ toàn phần ở mặt là:
 và .
b) Vẽ đường đi của tia sáng:
- Tại : Vì 
.
- Tại : .
Vì nên có phản xạ toàn phần tại mặt .
- Tại : : Tia ló song song với tia tới (hình vẽ).
5.17.
a) Chứng minh rằng nếu một môi trường có chiết suất giảm theo độ cao thì tia sáng tạo với trục một góc ở độ cao ứng với chiết suất sẽ bị phản xạ toàn phần ở một độ cao ứng với chiết suất nào đó. Tìm liên hệ giữa và . Quỹ đạo của tia sáng trong môi trường ấy như thế nào?
b) Ngồi ô-tô đi trên đường nhựa lúc trời nắng, có lúc ta thấy ở phía trước trên đường hình như có nước nhưng xe lại gần thì biến mất. Giải thích hiện tượng này. 
c) Mắt ở độ cao l,5m và hình như thấy có nước ở cách 300m. Giả thiết không khí có nhiệt độ tăng dần khi càng gần mặt đường và từ lm trở lên thì có nhiệt độ không đổi bằng . Biết rằng chiết suất tuyệt đối của không khí phụ thuộc vào nhiệt độ tuyết đối của nó theo định luật , ước tính nhiệt độ không khí ở sát mặt đường (tính đến 6 chữ số lẻ).
(Trích Đề thi học sinh giỏi Quốc gia, Năm học 1989-1990)
Bài giải
a) Hệ thức giữa và 
- Chia môi trường thành những lớp nằm ngang mỏng, sát nhau có chiết suất hầu như không đổi trong lớp đó. Theo định luật khúc xạ ánh sáng, tia sáng mỗi khi đi qua mỗi lớp lại bị lệch đi với góc khúc xạ lớn hơn góc tới vì chiết suất giảm. Góc ló của tia sáng ra khỏi lớp này gọi là góc tới của tia sáng đối với lớp kế tiếp. Đến lúc nào đó góc tới bằng góc giới hạn sẽ có phản xạ toàn phần. Ta có:
- Tại lớp thứ K, ta có: .
- Nhân các vế các đẳng thức trên với nhau, vế theo vế ta được: 
hay: 
- Tại lớp thứ K có phản xạ toàn phần nên: .
- Quỹ đạo của tia sáng trong môi trường là đường parabol có dạng như hình a vì chiết suất giảm theo độ cao. Đỉnh của parabol là điểm phản xạ toàn phần. Do tính đối xứng, tia sáng sau khi ra khỏi môi trường thì góc ló cũng bằng .
b)	Giải thích hiện tượng
- Khi trời nắng, không khí gần mặt đường bị đốt nóng, càng gần mặt đường nhiệt độ không khí càng lớn, chiết suất càng nhỏ, nghĩa là chiết suất không khí giảm theo độ cao. Ánh sáng mặt trời xuyên qua một đám mây chứa hơi nước sẽ tới mặt đường và sẽ phán xạ toàn phần tại lớp không khí sát mặt đường như câu a. Lúc này lớp không khí có xảy ra phản xạ toàn phần giống một gương phẳng cho ta ảnh ảo của đám mây. Mắt ta hứng được chùm phản xạ toàn phần sẽ thấy ảnh này nên ta sẽ thấy hình như trên đường phía trước có nước.
- Hiện tượng này xảy ra khi các đám mây ở xa xe ta ngồi, có như vậy góc tới mới lớn có phản xạ toàn phần. Khi đến gần nước biến mất, vì lúc này các tia phản xạ không vào mắt người quan sát. Người này có thể thấy lại hiện tượng tương tự từ một đám mây khác.
c)	Ước tính nhiệt độ không khí ở sát mặt đường
Gọi là góc tới lớp không khí có chiết suất biến đổi theo nhiệt độ. Theo câu a ta thấy sau khi có phản xạ toàn phần tia ló khỏi lớp không khí có chiết suất biến đổi cùng dưới một góc .
Tại lớp không khí có phản xạ toàn phần nên: .
Với: 
- Trên hình vẽ bên, ta có: 
- Mặt khác: 
Hay 
Vậy: Nhiệt độ không khí sát mặt đường là .
3. LƯỠNG CHẤT PHẲNG
5.18.	Mắt người quan sát và cá ở hai vị trí đối xứng nhau qua mặt thoáng và cách nhau l,20m. Nước có chiết suất n = 4/3.
a) Người thấy cá cách mắt mình bao xa?
b) Cá thấy mắt người cách mắt nó bao xa?
Bài giải
Gọi là vị trí của mắt người, là ảnh của mắt người do cá nhìn thấy,	 là vị trí mắt của cá, là ảnh của cá do người nhìn thấy.
a) Người thấy cá cách mắt mình bao xa? Ảnh của cá được mô tả trên hình a.
- Mắt người quan sát và cá đối xứng nhau qua mặt thoáng và cách nhau 1,20m nên ta có: 
- Áp dụng công thức về lưỡng chất phẳng, ta có:
- Khoảng cách từ mắt người đến ảnh của cá lả:
Vậy: Người thấy cá cách mắt mình 1,05 m. 
b) Cá thấy người cách mắt nó bao xa? Ảnh của người được mô tả trẻn hình b.
- Áp dụng công thức về lưỡng chất phẳng, ta có:
- Khoảng cách từ cá đến ảnh của mắt người là;
.
Vậy: Cá thấy mắt người cách nó 1,40 m.
5.19.	Vật trong không khí và ảnh của nó do một thợ lặn dưới nước nhìn lên theo hướng thẳng đứng cách nhau 2 m. Cho chiết suất của nước là 4/3. Xác định vị trí của và . 
Bài giải
Ảnh của được mô tả trên hình vẽ.
- Áp dụng công thức về lưỡng chất phẳng, ta có:
- Mặt khác, ta có:
Và .
Vậy: Khoảng cách từ vật và ảnh đến mặt thoáng của nước là 6 m và 8 m.
5.20.	Một chậu hình hộp đáy phẳng, chứa chất lỏng có chiết suất , chiều cao . Một tia sáng phát ra từ điểm vật ở đáy chậu tới ở mặt thoáng với góc tới .
a) Định để tia khúc xạ và tia phản xạ vuông góc với nhau.
b) Dựng ảnh của tạo bởi một chùm tia sáng hẹp qua theo phương vuông góc. Tính khoảng cách từ đến mặt thoáng.
c) Thay chất lỏng trên bằng một chất lỏng khác có cùng chiều cao, Đặt trên mặt thoáng một màn chắn tròn bán kính có tâm nằm trên đường thẳng đứng qua . Phải đặt mắt sát mặt thoáng mới nhìn thấy ảnh . Tính chiết suất của chất lỏng sau.
Bàỉ giải
a) Định để tia khúc xạ và tia phản xạ vuông góc với nhau
- Theo định luật phản xạ ánh sáng, ta có: .
- Theo định luật khúc xạ ánh sáng, ta có: 	(1)
- Vì tia khúc xạ vuông góc với tia phản xạ nên ta có:
	(2)
- Từ (1) và (2) ta có: 
Vậy: Để tia khúc xạ và tia phản xạ vuông góc với nhau thì .
b) Khoảng cách từ đến mặt thoáng:
Ảnh của được mô tả trên hình a.
- Theo định luật khúc xạ ánh sáng, ta có:
- Mặt khác, ta có: 
.
Vậy: Khoảng cách từ ảnh đến mặt thoáng là 1,33 cm.
c) Chiết suất của chất lỏng sau
- Phải đặt mắt sát mặt thoáng mới nhìn thấy ảnh có nghĩa là không có tia phản xạ ló ra không khí, suy ra có phản xạ toàn phần tại điểm tới (hình b).
- Áp dụng công thức xác định góc tới giới hạn phản xạ toàn phần, ta có:
	(1)
- Từ hình vẽ, ta có:
	(2)
- Từ (1) và (2), ta có:
.
Vậy: Chiết suất của chất lỏng sau là .
5.21.	Một khối lăng trụ thẳng là tam giác vuông cân có hai cạnh bằng nhau là 2 cm và chiết suất 1,6. Một chùm tia sáng hẹp nằm trong mặt phẳng của một tiết diện vuông góc phát ra từ điểm . Ở trên đường thẳng vuông góc với mặt và qua trung điểm của mặt (hình vẽ). Cho .
a) Xác định ảnh của tạo bởi lưỡng chất phẳng .
b) Chứng tỏ mọi tia sáng từ tới mặt đều có . Xác định ảnh của tạo bởi mặt .
c) Xác định ảnh sau cùng của tạo bởi lăng kính.
d) Thay lăng kính bằng gương phẳng đặt theo . Điểm sáng có ảnh qua gương này. Tính khoảng cách .
Bài giải
a) Ảnh của tạo bởi lưỡng chất phẳng 
- Áp dụng công thức về lưỡng chất phẳng tại mặt , ta có:
Vậy: Ảnh cách mặt 80cm. 
b) Chứng tỏ mọi tia sáng từ tới mặt đều có 
Ta thấy: Mọi tia sáng phát ra từ nằm trong chùm tia tới hẹp vuông góc với mặt đều truyền thẳng qua , gặp mặt tại với góc tới (góc có