Bài học

Ứng dụng phản xạ toàn phần trong đời sống và kĩ thuật

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích được nguyên lí truyền tín hiệu trong cáp quang, lí giải được vì sao kim cương lấp lánh hơn các loại đá quý mô phỏng, và giải thích được hiện tượng ảo ảnh trên mặt đường nhựa những ngày nắng nóng — tất cả đều dựa trên phản xạ toàn phần.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước đã cho em điều kiện và công thức góc tới hạn của phản xạ toàn phần. Bài này dùng chính điều kiện đó để giải thích ba hiện tượng quen thuộc.

Khởi động

Một sợi cáp quang mảnh như sợi tóc có thể truyền tín hiệu ánh sáng đi hàng trăm ki-lô-mét mà gần như không suy hao. Bí quyết nằm ở việc ánh sáng không hề đi thẳng — nó liên tục dội qua dội lại bên trong sợi cáp.

Kiến thức trọng tâm

Cáp quang: lõi sợi quang làm bằng thủy tinh hoặc nhựa trong suốt có chiết suất lớn hơn lớp vỏ bọc xung quanh. Ánh sáng đi vào lõi ở góc tới lớn hơn góc tới hạn của cặp lõi – vỏ, nên liên tục bị phản xạ toàn phần tại thành lõi, đi theo đường dích dắc dọc suốt chiều dài sợi cáp mà hầu như không thoát ra ngoài — giữ được gần trọn năng lượng tín hiệu dù truyền đi rất xa. Đây là nguyên lí của cáp quang dùng trong Internet tốc độ cao và trong ống nội soi y tế.

Kim cương: có chiết suất rất lớn ( $n \approx 2{,}42$ ) nên góc tới hạn rất nhỏ (khoảng 24,4°). Ánh sáng đi vào viên kim cương được cắt mài đúng góc dễ dàng vượt qua góc tới hạn nhỏ này ở các mặt bên trong, bị phản xạ toàn phần nhiều lần trước khi cuối cùng ló ra ở mặt trên — tạo hiệu ứng lấp lánh đặc trưng mà các loại đá quý mô phỏng (chiết suất thấp hơn nhiều) khó sánh được.

Ảo ảnh trên đường nhựa nóng: lớp không khí sát mặt đường bị hun nóng có mật độ thấp hơn, chiết suất nhỏ hơn lớp không khí mát phía trên. Ánh sáng từ bầu trời đi xiên xuống gần mặt đường gặp góc tới lớn hơn góc tới hạn giữa hai lớp không khí này, bị phản xạ toàn phần ngược lên mắt người quan sát, tạo cảm giác nhìn thấy một vũng nước phản chiếu bầu trời ngay trên mặt đường — thực chất chỉ là ánh sáng bầu trời bị bẻ cong.

**Cáp quang**: lõi sợi quang làm bằng thủy tinh hoặc nhựa trong suốt có chiết suất lớn hơn lớp vỏ bọc xung quanh. Ánh sáng đi vào lõi ở góc tới lớn hơn góc tới hạn của cặp lõi – vỏ, nên liên tục bị phản xạ toàn phần tại thành lõi, đi theo đường dích dắc dọc suốt chiều dài sợi cáp mà hầu như không thoát ra ngoài — giữ được gần trọn năng lượng tín hiệu dù truyền đi rất xa. Đây là nguyên lí của cáp quang dùng trong Internet tốc độ cao và trong ống nội soi y tế. **Kim cương**: có chiết suất rất lớn ($n \approx 2{,}42$) nên góc tới hạn rất nhỏ (khoảng 24,4°). Ánh sáng đi vào viên kim cương được cắt mài đúng góc dễ dàng vượt qua góc tới hạn nhỏ này ở các mặt bên trong, bị phản xạ toàn phần nhiều lần trước khi cuối cùng ló ra ở mặt trên — tạo hiệu ứng lấp lánh đặc trưng mà các loại đá quý mô phỏng (chiết suất thấp hơn nhiều) khó sánh được. **Ảo ảnh trên đường nhựa nóng**: lớp không khí sát mặt đường bị hun nóng có mật độ thấp hơn, chiết suất nhỏ hơn lớp không khí mát phía trên. Ánh sáng từ bầu trời đi xiên xuống gần mặt đường gặp góc tới lớn hơn góc tới hạn giữa hai lớp không khí này, bị phản xạ toàn phần ngược lên mắt người quan sát, tạo cảm giác nhìn thấy một vũng nước phản chiếu bầu trời ngay trên mặt đường — thực chất chỉ là ánh sáng bầu trời bị bẻ cong.

Ví dụ

Vì sao tín hiệu cáp quang ít hao hụt hơn khi truyền đi xa

1
So với ánh sáng truyền tự do trong không khí, vì sao tín hiệu trong cáp quang ít hao hụt năng lượng hơn hẳn khi truyền đi hàng trăm ki-lô-mét?
2
Ta có ánh sáng trong lõi cáp quang liên tục gặp thành lõi ở góc lớn hơn góc tới hạn, nên mỗi lần chạm thành đều xảy ra phản xạ toàn phần — giữ lại 100% năng lượng, không có tia khúc xạ nào thoát ra ngoài lớp vỏ.
3
Ngược lại, ánh sáng truyền tự do trong không khí liên tục bị tán xạ bởi bụi, hơi nước, và bị hấp thụ một phần bởi các phân tử khí dọc đường truyền, nên năng lượng giảm dần theo khoảng cách.
4
Vậy nhờ cơ chế phản xạ toàn phần lặp lại hàng nghìn lần mà hầu như không làm mất năng lượng, cáp quang truyền tín hiệu đi xa mà suy hao rất thấp so với truyền ánh sáng tự do.

Ví dụ

So sánh góc tới hạn của kim cương và đá mô phỏng

1
Kim cương có chiết suất $n \approx 2{,}42$ ; một loại "đá thủy tinh" thường dùng để mô phỏng kim cương có chiết suất $n \approx 1{,}5$ . Cả hai đặt trong không khí ( $n=1$ ). Tính góc tới hạn của mỗi loại và giải thích vì sao kim cương lấp lánh hơn.
Kim cương có chiết suất $n \approx 2{,}42$; một loại "đá thủy tinh" thường dùng để mô phỏng kim cương có chiết suất $n \approx 1{,}5$. Cả hai đặt trong không khí ($n=1$). Tính góc tới hạn của mỗi loại và giải thích vì sao kim cương lấp lánh hơn.
2
$\sin i_{gh} = \dfrac{1}{2{,}42} \approx 0{,}413$ , nên $i_{gh} \approx 24{,}4°$ .
$\sin i_{gh} = \dfrac{1}{2{,}42} \approx 0{,}413$, nên $i_{gh} \approx 24{,}4°$.
3
$\sin i_{gh} = \dfrac{1}{1{,}5} \approx 0{,}667$ , nên $i_{gh} \approx 41{,}8°$ .
$\sin i_{gh} = \dfrac{1}{1{,}5} \approx 0{,}667$, nên $i_{gh} \approx 41{,}8°$.
4
Kim cương có góc tới hạn nhỏ hơn nhiều (24,4° so với 41,8°), nên với cùng một chùm ánh sáng chiếu vào ở nhiều góc khác nhau, tỉ lệ tia sáng có góc tới lớn hơn góc tới hạn — tức bị giữ lại bằng phản xạ toàn phần bên trong — lớn hơn hẳn ở kim cương.
5
Vậy ánh sáng bị "giữ lại" và dội qua dội lại nhiều lần hơn bên trong kim cương trước khi ló ra, tạo hiệu ứng lấp lánh mạnh hơn hẳn so với đá mô phỏng có chiết suất thấp hơn.

Sai lầm thường gặp

Đừng nhầm phản xạ toàn phần (100% năng lượng, chỉ xảy ra khi đủ điều kiện) với phản xạ một phần vẫn luôn xảy ra ở bất kì mặt phân cách nào — một phần nhỏ ánh sáng luôn phản xạ dù có khúc xạ hay không.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Phản xạ toàn phần giải thích: cáp quang (lõi chiết quang hơn vỏ, ánh sáng dội liên tiếp), kim cương lấp lánh (n lớn, igh nhỏ, dễ giữ ánh sáng bên trong), ảo ảnh đường nhựa (lớp không khí nóng chiết suất nhỏ hơn gây phản xạ toàn phần ánh sáng bầu trời).

Chương cuối cùng vận dụng tất cả những gì em đã học — khúc xạ, chiết suất, phản xạ toàn phần — để giải thích trọn vẹn thêm một hiện tượng quen thuộc: độ sâu biểu kiến, rồi ôn tập tổng hợp toàn bộ khóa học.