Giáo án Bài 6. Phản xạ toàn phần

Huy động kiến thức về khúc xạ ánh sáng đã học ở lớp 7 và gợi nhu cầu tìm hiểu điều gì xảy ra khi tia sáng đi từ thủy tinh ra không khí với góc tới ngày càng lớn.

GV chiếu mô phỏng khối bán trụ thủy tinh trên trang bài học NeoEdu, chiếu tia laser từ bên trong thủy tinh tới mặt phân cách với không khí. HS trả lời câu hỏi: Khi tăng dần góc tới, tia khúc xạ sẽ thay đổi thế nào? Liệu có lúc nào tia sáng không đi ra không khí nữa?

Các dự đoán ban đầu của HS được ghi vào vở, ví dụ: tia khúc xạ càng nghiêng sát mặt phân cách khi góc tới tăng; có thể có một góc tới mà tia sáng không đi ra nữa. GV ghi lên bảng hai dự đoán chính để kiểm chứng sau khi học.

Nêu được điều kiện môi trường để có phản xạ toàn phần, định nghĩa góc giới hạn và viết được hệ thức $\sin i_{gh}=\dfrac{n_2}{n_1}$.

HS hoạt động theo cặp với mô phỏng NeoEdu. Nhiệm vụ 1: Quan sát tia khúc xạ khi $i=30^\circ$ và khi $i=42^\circ$ (đối chiếu hai vạch cam), nhận xét góc khúc xạ $r$ so với $i$. Nhiệm vụ 2: So sánh chiết suất thủy tinh ($n_1\approx 1{,}49$) và không khí ($n_2\approx 1$) để xác định chiều truyền ánh sáng thỏa mãn điều kiện. Nhiệm vụ 3: Từ chiều truyền đã xác định, viết hệ thức $\sin i_{gh}=\dfrac{n_2}{n_1}$ và tính $i_{gh}$. Câu hỏi GV đặt ra: (1) Khi $i=42^\circ$ thì $r$ bằng bao nhiêu? (2) Ánh sáng đi từ môi trường nào sang môi trường nào thì mới có thể có phản xạ toàn phần? (3) Vì sao không thể có phản xạ toàn phần khi ánh sáng đi từ không khí vào thủy tinh?

• Khi $i=42^\circ$ thì $r=90^\circ$, tia khúc xạ đi sát mặt phân cách.
• Điều kiện môi trường: ánh sáng đi từ môi trường có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất nhỏ ($n_1>n_2$).
• Góc giới hạn là góc tới ứng với góc khúc xạ $90^\circ$; $\sin i_{gh}=\dfrac{n_2}{n_1}$ với $n_1>n_2$.
• Với thủy tinh sang không khí: $\sin i_{gh}=\dfrac{1}{1{,}49}\approx 0{,}67$, suy ra $i_{gh}\approx 42^\circ$.
• Từ không khí vào thủy tinh ($n_1<n_2$) không có góc giới hạn, nên không xảy ra phản xạ toàn phần.

Nêu được khi góc tới lớn hơn góc giới hạn thì xảy ra phản xạ toàn phần và vận dụng được điều này để phân biệt các trường hợp góc tới $30^\circ$, $42^\circ$, $50^\circ$ khi ánh sáng đi từ thủy tinh ra không khí.

HS hoạt động nhóm 4 với Phiếu học tập số 1. Nhóm dùng mô phỏng NeoEdu đặt lần lượt góc tới $30^\circ$, $42^\circ$, $50^\circ$ và quan sát tia khúc xạ, tia phản xạ. Nhóm điền bảng trong phiếu, sau đó trả lời câu hỏi: (1) Vì sao ở $42^\circ$ không gọi là phản xạ toàn phần? (2) Vì sao ở $50^\circ$ không còn tia khúc xạ? (3) Nếu đảo chiều, đặt laser trong không khí chiếu vào thủy tinh với góc tới $50^\circ$ thì có phản xạ toàn phần không?

Bảng kết quả trên Phiếu học tập số 1:

• $30^\circ$ (thủy tinh ra không khí): còn tia khúc xạ, $i<i_{gh}$, không có phản xạ toàn phần.
• $42^\circ$: đúng ngưỡng $i=i_{gh}$, tia khúc xạ đi sát mặt phân cách ($r=90^\circ$); chưa phải vượt ngưỡng nên chưa gọi là phản xạ toàn phần.
• $50^\circ$: $i>i_{gh}$, không còn tia khúc xạ, xảy ra phản xạ toàn phần.
• Kết luận: phản xạ toàn phần xảy ra khi ánh sáng đi từ môi trường chiết suất lớn sang nhỏ và góc tới lớn hơn góc giới hạn.
• Khi đảo chiều (không khí vào thủy tinh) thì góc tới lớn bao nhiêu vẫn có tia khúc xạ, không có phản xạ toàn phần.

Vận dụng được điều kiện môi trường, góc giới hạn và phản xạ toàn phần để đánh giá đúng sai các phát biểu và giải quyết tình huống so sánh góc tới.

HS làm bài tập 1 đến 4 và bài tập 6 (dùng các đề đã cho). Bài 1: Điều kiện môi trường có đặc điểm nào trong các phương án A, B, C? Bài 2: Góc giới hạn có đặc điểm nào? Bài 3: Ghép khái niệm với đặc điểm tương ứng. Bài 4: Nhận định “Ánh sáng từ không khí vào thủy tinh luôn có thể phản xạ toàn phần nếu góc tới đủ lớn” đúng hay sai? Bài 6: Từ thủy tinh sang không khí có $i_{gh}=42^\circ$. Với góc tới $30^\circ$, $42^\circ$, $50^\circ$, trường hợp nào còn khúc xạ, trường hợp nào phản xạ toàn phần?

Đề và đáp án:

• Bài 1: Đáp án A. Điều kiện môi trường: ánh sáng đi từ môi trường chiết suất lớn sang nhỏ mới có thể phản xạ toàn phần.
• Bài 2: Đáp án B. Góc tới ứng góc khúc xạ $90^\circ$, $\sin i_{gh}=\dfrac{n_2}{n_1}$ khi $n_1>n_2$.
• Bài 3: Điều kiện môi trường – ánh sáng đi từ môi trường chiết suất lớn sang nhỏ; Góc giới hạn – góc tới ứng góc khúc xạ $90^\circ$; Phản xạ toàn phần – khi góc tới lớn hơn góc giới hạn, không có tia khúc xạ.
• Bài 4: Sai. Chiều từ chiết suất nhỏ sang lớn không đáp ứng điều kiện, nên không có phản xạ toàn phần.
• Bài 6: $30^\circ$ còn khúc xạ; $42^\circ$ là ngưỡng, tia khúc xạ sát mặt, chưa phải phản xạ toàn phần; $50^\circ$ xảy ra phản xạ toàn phần.

Vận dụng kiến thức phản xạ toàn phần để giải thích nguyên lí truyền ánh sáng trong cáp sợi quang, gắn với thực tế đời sống và kĩ thuật viễn thông.

GV chiếu mô phỏng cuộn sợi quang và đoạn sợi uốn cong có đầu phát sáng trên trang NeoEdu. HS trả lời câu hỏi: Vì sao cáp sợi quang có thể dẫn ánh sáng qua khúc cong phù hợp? Nêu vai trò của lõi và vỏ. Lưu ý an toàn: không nhìn trực tiếp vào đầu sợi đang phát laser.

Đáp án mẫu: Lõi và vỏ có chiết suất phù hợp sao cho tia sáng truyền trong lõi tới mặt biên với góc tới lớn hơn góc giới hạn nên bị phản xạ toàn phần liên tiếp, nhờ đó ánh sáng đi theo đoạn uốn cong. Không phải mọi góc uốn đều không hao phí; uốn quá gắt vẫn có thể làm giảm cường độ ánh sáng. Không nhìn vào đầu sợi đang phát laser.