Lý thuyết và Bài tập Vật lí Lớp 11 - Chủ đề 6: Quang hình học - Chuyên đề 1: Khúc xạ ánh sáng

Nội dung text: Lý thuyết và Bài tập Vật lí Lớp 11 - Chủ đề 6: Quang hình học - Chuyên đề 1: Khúc xạ ánh sáng

1. CHỦ ĐỀ 6: QUANG HÌNH HỌC CHUYÊN ĐỀ 1: KHÚC XẠ ÁNH SÁNG PHẦN 1: LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM PHẦN 2: CÁC DẠNG BÀI TẬP Dạng 1: Bài tập áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng 1. Phương pháp giải Các công thức thường sử dụng Ví dụ: Một tia sáng truyền từ không khí vào nước 4 • Định luật khúc xạ ánh sáng: có chiết suất bằng thì thấy tia phản xạ và tia 3 n1.sin i n2 .sinr khúc xạ thu được vuông góc với nhau. Góc tới i có c • Chiết suất tuyệt đối của môi trường: n giá trị bằng: v Hướng dẫn Trong đó c là vận tốc ánh sáng trong chân không, v là vận tốc ánh sáng trong môi trường chiết suất n. • Nếu các góc đều nhỏ ta có: sin i n tan i i 2 sinr n1 tanr r Vì góc tới bằng góc phản xạ nên i = i’ o cosi sinr • Hai góc i r 90 thì i' 90o r 180o i' r 90o i r 90o sini cosr Suy ra: cosi = sinr. Theo định luật khúc xạ: 4 sin i n 4 sin i 4 2 3 tan i i 53o sinr n1 1 3 cosi 3 Trang 1
2. 2. Ví dụ minh họa Ví dụ 1: Một tia sáng truyền từ môi trường A vào môi trường B dưới góc tới i 5o thì góc khúc xạ là r 4o . Biết vận tốc ánh sáng trong môi trường B là 200000 km/s, vận tốc ánh sáng trong môi trường A bằng A. 160000 km/s.B. 180073 km/s.C. 250000 km/s.D. 240885 km/s. Hướng dẫn c Vận tốc ánh sáng trong một môi trường liên hệ với chiết suất của nó: ni vi c c Với môi trường A: n1 ; Với môi trường B: n2 v1 v2 sin i n i Theo đinh luật khúc xạ ánh sáng: 2 (vì các góc đều nhỏ) sinr n1 r c n v v i 5 5 Suy ra: 2 2 1 v v 250000 km / s. c 1 2 n1 v2 r 4 4 v1 → Chọn C. Ví dụ 2: Chiếu một chùm tia sáng song song từ nước ra không khí với góc tới là 45o . Biết chiết suất của 4 nước bằng . Góc hợp bởi tia khúc xạ và tia tới là: 3 A. D 70o32'. B. D 12o59'. C. D 25o32'. D. D 32o1'. Hướng dẫn Ánh sáng đi từ môi trường có chiết suất lớn sang môi trường chiết suất nhỏ. Theo định luật khúc xạ ánh sáng ta có: 4 n sin i n .sinr .sin 45o 1.sinr r 70,53o 1 2 3 Suy ra góc hợp bởi tia tới và tia khúc xạ: D r i 25,53o 25,32'. → Chọn C. Ví dụ 3: Một bể chứa nước có thành cao 80cm và đáy phẳng dài, độ cao mực nước trong bể là 60cm, 4 chiết suất của nước là . Ánh nắng chiếu theo phương nghiêng góc 30o so với phương ngang. Độ dài 3 bóng đen tạo thành trên đáy bể là A. 62,79cm.B. 33,9 cm.C. 56,48 cm.D. 85,9 cm. Hướng dẫn Trang 2
3. Chiều cao của thành bể so với mặt nước: l = AB = 80cm – 60cm = 20cm Vì ánh sáng chiếu theo phương hợp với phương ngang góc 30o nên góc tới mặt nước i 90o 30o 60o sin i n 4 Theo định luật khúc xạ: 2 r 40,5o sinr n1 3 HD HD HD Xét tam giác IDH: tanr HD 51,25cm IH BC 60o Xét tam giác IAB suy ta: IB AB.cot 30o 20 3cm. Độ dài bóng dưới đáy bể là: CH + HD = BI + HD = 20 3 51,25 85,9cm. → Chọn D. Dạng 2: Phản xạ toàn phần 1. Phương pháp giải Ví dụ: Tia sáng truyền từ môi trường có chiết suất n2 n1 n Điều kiện với sini 2 i i gh n1=1,5 sang môi trường có chiết suất n 2=1,41. Xác gh n1 định góc tới giới hạn để có thể xảy ra phản xạ toàn phần? Hướng dẫn Vì n2 < n1 nên xảy ra phản xạ toàn phần Góc tới giới hạn có công thức n2 1,41 o sinigh 0,94 igh 70,1 n1 1,5 2. Ví dụ minh họa 4 Ví dụ 1: Một ngọn đèn nhỏ S đặt ở đáy một bể nước n , độ cao mực nước h = 50cm. Bán kính r bé 3 nhất của tấm gỗ tròn nổi trên mặt nước sao cho không một tia sáng nào từ S lọt ra ngoài không khí là A. r = 44,09 cm.B. r = 28,86 cmC. r 50 3cm. D. r = 56,69 cm. Hướng dẫn Để không có tia sáng nào ra khỏi mặt nước thì mọi tia sáng chiếu tới bề mặt nước bên ngoài tấm gỗ đều bị phản xạ toàn phần trở lại. Bán kính tấm gỗ sẽ nhỏ nhất khi tâm của tấm gỗ và ngọn S nằm trên đường thẳng vuông góc với đáy và tia sáng tới mép tấm gỗ vừa đúng xảy ra phản xạ toàn phần n2 3 o sin igh igh 48,6 n1 4 OI r Xét tam giác OIS có tani r 56.69cm OS h Trang 3
4. → Chọn D. Ví dụ 2: Một người nhìn viên sỏi dưới mặt nước theo phương gần vuông góc với mặt nước thì thấy viên 4 sỏi này cách mặt nước một đoạn 1,2m. Biết chiết suất của nước bằng . Độ sâu của nước hồ bằng 3 A. 1,4m.B. 1,6m.C. 1,8m.D. 2m. Hướng dẫn d d' Để giải bài toán này nên áp dụng công thức tính nhanh sau: 0 n1 n2 Với: d là khoảng cách từ vật đến mặt phân cách (d > 0 với vật thật) d’ là khoảng cách từ ảnh đến mặt phân cách (d’ 0 với ảnh thật) n1; n2 là chiết suất của môi trường chứa tia tới và môi trường chứa tia khúc xạ Áp dụng vào bài toán ta có: Viên sỏi ở đáy hồ là vật cách mặt nước một khoảng d = h. Ảnh của viên sỏi là ảnh mà người này nhìn tháy cách mặt nước (mặt phân cách) một khoảng 1,2m nên d’= -1,2m. Áp dụng công thức lưỡng chất phẳng ta có: 4 d d' n 0 d 1 .d' 3 .( 1,2) 1,6m. n1 n2 n2 1 → Chọn B. Ví dụ 3: (SGK cơ bản 11 – Trang 173) Mợ sợi quang hình trụ, lõi có chiết suất n1 1,5. Phần vỏ bọc có chiết suất n2 1,41. Chùm tia tới hội tụ ở mặt trước của sợi quang với góc 2 như hình bên. Xác định góc để các tia sáng của chùm truyền đi được trong ống. A. 30o. B. 40o. C. 50o. D. 30o. Hướng dẫn Tại I ta có: 1.sin 1,5.sinr (1) Để tia sáng truyền đi trong ống tại J phải xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần o Góc tới tại J là: iJ 90 rI n2 2 o Góc tới giới hạn tại J là: sin igh igh 70,53 n1 1,5 Trang 4
5. o o o o o Điều kiện phản xạ toàn phần: iJ 70,53 90 rI 70,53 rI 19,47 rmax 19,47 o Từ (1) ta có: sin max 1,5.sinrmax max 30 → Chọn A. Trang 5