Phương pháp giải dạng bài tập chương khúc xạ ánh sáng môn Vật Lý 11 năm 2021-2022

1.1. Khúc xạ ánh sáng

Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng lệch phương của các tia sáng khi truyền xiên góc qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt khác nhau.

Định luật khúc xạ ánh sáng:

Với hai môi trường trong suốt nhất định, tỉ số giữa sin góc tới (\(\sin i\)) và sin góc khúc xạ (\(\sin r\)) là một hằng số: \(\frac{\sin i}{\sin r}=\) hằng số.

Chiết suất tỉ đối: tỉ số không đổi \(\frac{\sin i}{\sin r}\) trong hiện tượng khúc xạ được gọi là chiết suất tỉ đối \({{n}_{21}}\) của môi trường 2 (chứa tia khúc xạ) đối với môi trường 1 (chứa tia tới): \(\frac{\sin i}{\sin r}={{n}_{21}}\)

Chiết suất tuyệt đối (thường gọi tắt là chiết suất) của một môi trường là chiết suất tỉ đối của môi trường đó đối với chân không.

Liên hệ giữa chiết suất tỉ đối và chiết suất tuyệt đối: \({{n}_{21}}=\frac{{{n}_{2}}}{{{n}_{1}}}\)

Biểu thức của định luật khúc xạ viết dạng khác: \({{n}_{1}}\sin i={{n}_{2}}\sin r\); khi \(i\) và \(r\) rất nhỏ (nhỏ hơn \(10{}^\circ \)) thì: \({{n}_{1}}i={{n}_{2}}r\)

Tính chất thuận nghịch của sự truyền ánh sáng: Ánh sáng truyền đi theo đường nào thì cũng truyền ngược lại theo đường đó. Theo tính chất thuận nghịch về sự truyền ánh sáng ta có: \({{n}_{12}}=\frac{1}{{{n}_{21}}}\)

1.2. Hiện tượng phản xạ toàn phần

Phản xạ toàn phần là hiện tượng phản xạ toàn bộ ánh sáng tới, xảy ra ở mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt.

Điều kiện để có phản xạ toàn phần:

- Ánh sáng phải truyền từ một môi trường sang môi trường chiết quang kém hơn \(\left( {{n}_{2}}<{{n}_{1}} \right)\)

- Góc tới lớn hơn hoặc bằng góc giới hạn: \(i\ge {{i}_{gh}}\); với \(\sin {{i}_{gh}}=\frac{{{n}_{2}}}{{{n}_{1}}}\).

Cáp quang là bó sợi quang. Mỗi sợi quang là một dây trong suốt có tính dẫn sáng nhờ phản xạ toàn phần.

Sợi quang có lõi làm bằng thủy tinh siêu sạch có chiết suất lớn \(\left( {{n}_{1}} \right)\) được bao quanh bởi một lớp vỏ có chiết suất \({{n}_{2}}\) nhỏ hơn \({{n}_{1}}\). Phản xạ toàn phần xảy ra ở mặt phân cách giữa lõi và vỏ làm cho ánh sáng truyền đi được theo sợi quang. Ngoài cùng là một lớp vỏ bọc bằng nhựa dẻo để tạo cho cáp có độ bền và độ dai cơ học.

Ví dụ 1: Tia sáng đi từ nước có chiết suất \({{n}_{1}}=\frac{4}{3}\) sang thủy tinh có chiết suất \({{n}_{2}}=1,5\). Tính góc khúc xạ và góc lệch \(D\) tạo bởi tia khúc xạ và tia tới, biết góc tới \(i=30{}^\circ \)

A. \(r=26,4{}^\circ ;\,\,D=56,4{}^\circ \)                   

B. \(r=26,4{}^\circ ;\,\,D=3,6{}^\circ \)

C. \(r=30{}^\circ ;\,\,D=0\)                

D. \(r=15{}^\circ ;\,\,D=15{}^\circ \)

Lời giải

Ta có: \(\frac{\sin i}{\sin r}=\frac{{{n}_{2}}}{{{n}_{1}}}\Rightarrow \sin r=\frac{{{n}_{1}}}{{{n}_{2}}}\sin i=\sin 26,4{}^\circ \Rightarrow r=26,4{}^\circ ;\,\,D=i-r=3,6{}^\circ \)

Đáp án B

Ví dụ 2: Tia sáng truyền trong không khí tới gặp mặt thoáng của chất lỏng có chiết suất \(n=\sqrt{3}\). Ta được hai tia phản xạ và khúc xạ vuông góc với nhau. Tính góc tới.

A. \(\frac{\pi }{6}\)          

B. \(\frac{\pi }{3}\)          

C. \(\frac{\pi }{2}\)          

D. 0

Lời giải

Ta có: \(\frac{\sin i}{\sin r}=n;\) vì \({i}'+r=i+r=\frac{\pi }{2}\Rightarrow \sin r=\sin \left( \frac{\pi }{2}-i \right)=\cos i\)

\(\Rightarrow \frac{\sin i}{\sin r}=\frac{\sin i}{\cos i}=\tan i=n=\tan \frac{\pi }{3}\Rightarrow i=\frac{\pi }{3}\)

Đáp án B

Ví dụ 3: Một cây cọc dài được cắm thẳng đứng xuống một bể nước chiết suất \(n=\frac{4}{3}\). Phần cọc nhô ra ngoài mặt nước là 30 cm, bóng của nó trên mặt nước dài 40 cm và dưới đáy bể nước dài 190 cm. Tính chiều sâu của lớp nước.

A. 100 cm       

B. 300 cm                         

C. 50 cm                           

D. 200 cm

Lời giải

Ta có: \(\tan i=\frac{BI}{AB}=\frac{40}{3}=\tan 53{}^\circ \Rightarrow i=53{}^\circ ;\)

\(\frac{\sin i}{\sin r}=n\Rightarrow \sin r=\frac{\sin i}{n}=0,6=\sin 37{}^\circ \Rightarrow r=37{}^\circ \)

\(\tan r=\frac{HD}{IH}=\frac{CD-CH}{IH}\Rightarrow IH=\frac{CD-CH}{\tan r}=\frac{190-40}{0,75}=200\left( cm \right)\)

Đáp án D

Ví dụ 4: Một cái máng nước sâu 30 cm rộng 40 cm có hai thành bên thẳng đứng. Lúc máng cạn nước thì bóng râm của thành A kéo dài tới đúng chân thành B đối diện. Người ta đổ nước vào máng đến một độ cao \(h\) thì bóng của thành A ngắn bớt đi 7 cm so với trước. Biết chiết suất của nước là \(n=\frac{4}{3}\). Tính \(h\).

A. 24 cm                           

B. 12 cm                           

C. 36 cm                           

D. 6 cm

Lời giải

Ta có: \(\tan i=\frac{C{I}'}{AA}=\frac{CB}{AC}=\frac{40}{30}=\frac{4}{3}=\tan 53{}^\circ \Rightarrow i=53{}^\circ ;\)

\(\frac{\sin i}{\sin r}=n\Rightarrow \sin r=\frac{\sin i}{n}=0,6=\sin 37{}^\circ \Rightarrow r=37{}^\circ \)

\(\tan i=\frac{{I}'B}{h};\,\,\tan r=\frac{{I}'B-DB}{h}=\frac{{I}'B-7}{h}\)

\(\Rightarrow \frac{\tan i}{\tan r}=\frac{{I}'B}{{I}'B-7}=\frac{16}{9}\Rightarrow {I}'B=16\left( cm \right);\,\,h=\frac{{I}'B}{\tan i}=12\left( cm \right)\)

Đáp án B

Ví dụ 5: Một người ngồi trên bờ hồ nhúng chân vào nước trong suốt. Biết chiết suất của nước là \(n=\frac{4}{3}\).

a) Khoảng cách thực từ bàn chân người đó đến mặt nước là 36 cm. Hỏi mắt người đó cảm thấy bàn chân cách mặt nước bao nhiêu?

A. 27 cm                           

B. 36 cm                           

C. 48 cm                           

D. 54 cm

b) Người nào cao 1,68 m, nhìn thấy một hòn sỏi dưới đáy hồ dường như cách mặt nước 1,5 m. Hỏi nếu đứng dưới hồ thì người ấy có bị ngập đầu không?

A. 1,68 m                          

B. 1,5 m                            

C. 2 m                               

D. 2,5 m

Lời giải

a) Ta có: \(\frac{d}{{{d}'}}=\frac{{{n}_{1}}}{{{n}_{2}}}\Rightarrow {d}'=\frac{{{n}_{2}}}{{{n}_{1}}}d=27cm\)

Đáp án A

b) Ta có: \(\frac{h}{{{h}'}}=\frac{{{n}_{1}}}{{{n}_{2}}}\Rightarrow h=\frac{{{n}_{1}}}{{{n}_{2}}}{h}'=2m>1,68m\) nên nếu đứng dưới hồ thì người đó sẽ bị ngập đầu.

Đáp án C

Ví dụ 6: Tính vận tốc của ánh sáng trong thủy tinh. Biết thủy tinh có chiết suất \(n=1,6\) và vận tốc ánh sáng trong chân không là \(c={{3.10}^{8}}m/s\)

A. \({{3.10}^{8}}m/s\)    

B. \(1,{{875.10}^{8}}m/s\)          

C. \(1,{{5.10}^{8}}m/s\)                   

D. \(1,{{6.10}^{8}}m/s\)

Lời giải

Ta có: \(n=\frac{c}{v}\Rightarrow v=\frac{c}{n}=1,{{875.10}^{8}}m/s\)

Đáp án B

Ví dụ 7: Tính vận tốc của ánh sáng truyền trong môi trường nước. Biết tia sáng truyền từ không khí với góc tới là \(i=60{}^\circ \) thì góc khúc xạ trong nước là \(r=40{}^\circ \). Lấy vận tốc ánh sáng ngoài không khí \(c={{3.10}^{8}}m/s\).

A. \({{3.10}^{8}}m/s\)    

B. \(2,{{227.10}^{8}}m/s\)                 

C. \(1,{{875.10}^{8}}m/s\)       

D. \(1,{{6.10}^{8}}m/s\)

Lời giải

Ta có: \(v=\frac{c}{n}\) và \(n=\frac{\sin i}{\sin r}\Rightarrow v=\frac{c.\sin r}{\sin i}=2,{{227.10}^{8}}m/s\)

Đáp án B

Ví dụ 8: Tính góc giới hạn phản xạ toàn phần khi ánh sáng truyền từ thủy tinh sang không khí, từ nước sang không khí và từ thủy tinh sang nước. Biết chiết suất của thủy tinh là 1,5; của nước là \(\frac{4}{3}\)

A. \(47{}^\circ \)              

B. \(49{}^\circ \)              

C. \(53{}^\circ \)              

D. \(45{}^\circ \)

Lời giải

Ta có \(\sin {{i}_{gh}}=\frac{{{n}_{2}}}{{{n}_{1}}}=\sin 53{}^\circ \Rightarrow {{i}_{gh}}=53{}^\circ \)

Đáp án C

Ví dụ 9: Thả nổi trên mặt nước một đĩa nhẹ, chắn sáng, hình tròn. Mắt người quan sát đặt trên mặt nước sẽ không thấy được vật sáng ở đáy chậu khi bán kính đĩa không nhỏ hơn 20 cm. Tính chiều sâu của lớp nước trong chậu. Biết rằng vật và tâm đĩa nằm trên đường thẳng đứng và chiết suất của nước là \(n=\frac{4}{3}\).

A. 20 cm                           

B. 17,64 cm                      

C. 26,67 cm                      

D. 15 cm

Lời giải

Ta có: \(\sin {{i}_{gh}}=\frac{1}{n}=\frac{R}{\sqrt{{{R}^{2}}+{{h}^{2}}}}\Rightarrow h=R\sqrt{{{n}^{2}}-1}=17,64cm\)

Đáp án B

Ví dụ 10: Một tấm thủy tinh mỏng, trong suốt, chiết suất \({{n}_{1}}=1,5\); có thiết diện là hình chữ nhật ABCD (AB rất lớn so với AD), mặt đáy AB tiếp xúc với một chất lỏng có chiết suất \({{n}_{2}}=\sqrt{2}\). Chiếu tia sáng SI nằm trong mặt phẳng ABCD tới mặt AD sao cho tia tới nằm phía trên pháp tuyến ở điểm tới và tia khúc xạ trong thủy tinh gặp đáy AB ở điểm K. Tính giá trị lớn nhất của góc tới \(i\) để có phản xạ toàn phần tại K.

A. \(39{}^\circ \)               B. \(45{}^\circ \)               C. \(30{}^\circ \)               D. \(60{}^\circ \)

Lời giải

Để có phản xạ toàn phần tại K thì \(\sin {{i}_{1}}\ge \frac{{{n}_{2}}}{{{n}_{1}}}=\sin 70,5{}^\circ \Rightarrow {{i}_{1}}\ge 70,5{}^\circ \)

\(\Rightarrow r\le 90{}^\circ -70,5{}^\circ =19,5{}^\circ \)

\(\Rightarrow \sin i\le \frac{1}{{{n}_{1}}}\cos r=\sin 39{}^\circ \Rightarrow i\le 39{}^\circ \)

Vậy giá trị lớn nhất của góc tới là \(39{}^\circ \).

Đáp án A

Câu 1: Phát biểu nào sau đây là đúng?

A. Chiết suất tỉ đối của môi trường chiết quang nhiều so với môi trường chiết quang ít thì nhỏ hơn đơn vị.

B. Môi trường chiết quang kém có chiết suất tuyệt đối nhỏ hơn đơn vị.

C. Chiết suất tỉ đối của môi trường 2 so với môi trường 1 bằng tỉ số chiết suất tuyệt đối \({{n}_{2}}\) của môi trường 2 với chiết suất tuyệt đối \({{n}_{1}}\) của môi trường 1.

D. Chiết suất tỉ đối của hai môi trường luôn lớn hơn đơn vị vì vận tốc ánh sáng trong chân không là vận tốc lớn nhất.

Câu 2: Với một tia sáng đơn sắc, chiết suất tuyệt đối của nước là \({{n}_{1}}\), của thủy tinh là \({{n}_{2}}\). Chiết suất tỉ đối khi tia sáng đó truyền từ nước sang thủy tinh là:

A. \({{n}_{21}}={{n}_{1}}/{{n}_{2}}\)                

B. \({{n}_{21}}={{n}_{2}}/{{n}_{1}}\)  

C. \({{n}_{21}}={{n}_{2}}-{{n}_{1}}\)                     

D. \({{n}_{12}}={{n}_{1}}-{{n}_{2}}\)

Câu 3: Chọn câu trả lời đúng.

Trong hiện tượng khúc xạ ánh sáng:

A. góc khúc xạ luôn bé hơn góc tới

B. góc khúc xạ luôn lớn hơn góc tới

C. góc khúc xạ tỉ lệ thuận với góc tới

D. khi góc tới tăng dần thì góc khúc xạ cũng tăng dần

Câu 4: Chiết suất tỉ đối giữa môi trường khúc xạ với môi trường tới

A. luôn lớn hơn 1

B. luôn nhỏ hơn 1

C. bằng tỉ số giữa chiết suất tuyệt đối của môi trường khúc xạ và chiết suất tuyệt đối của môi trường tới.

D. bằng hiệu số giữa chiết suất tuyệt đối của môi trường khúc xạ và chiết suất tuyệt đối của môi trường tới.

Câu 5: Chọn câu đúng nhất.

Khi tia sáng đi từ môi trường trong suốt \({{n}_{1}}\) tới mặt phân cách với môi trường trong suốt \({{n}_{2}}\) (với \({{n}_{2}}>{{n}_{1}}\)), tia sáng không vuông góc với mặt phân cách thì

A. tia sáng bị gãy khúc khi đi qua mặt phân cách giữa hai môi trường.

B. tất cả các tia sáng đều bị khúc xạ và đi vào môi trường \({{n}_{2}}\)

C. tất cả các tia sáng đều phản xạ trở lại môi trường \({{n}_{1}}\)

D. một phần tia sáng bị khúc xạ, một phần bị phản xạ.

Câu 6: Chiết suất tuyệt đối của một môi trường truyền ánh sáng

A. luôn lớn hơn 1

B. luôn nhỏ hơn 1

C. luôn bằng 1

D. luôn lớn hơn 0

Câu 7: Chiếu một tia sáng đơn sắc đi từ không khí vào môi trường có chiết suất \(n\), sao cho tia phản xạ vuông góc với tia khúc xạ. khi đó góc tới \(i\) được tính theo công thức

A. \(\sin i=n\)                    

B. \(\sin i=1/n\)                 

C. \(\tan i=n\)                    

D. \(\tan i=1/n\)

Câu 8: Một bể chứa nước có thành cao 80 (cm) và đáy phẳng dài 120 (cm) và độ cao mực nước trong bể là 60 (cm), chiết suất của nước là 4/3. Ánh nắng chiếu theo phương nghiêng góc \(30{}^\circ \) so với phương ngang. Độ dài bóng đen tạo thành trên mặt nước là

A. 11,5 (cm)                     

B. 34,6 (cm)                      

C. 63,7 (cm)                     

D. 44,4 (cm)

Câu 9: Một bể chứa nước có thành cao 80 (cm) và đáy phẳng dài 120 (cm) và độ cao mực nước trong bể là 60 (cm), chiết suất của nước là 4/3. Ánh nắng chiếu theo phương nghiêng góc \(30{}^\circ \) so với phương ngang. Độ dài bóng đen tạo thành trên đáy bể là:

A. 11,5 (cm)                     

B. 34,6 (cm)                      

C. 51,6 (cm)                     

D. 85,9 (cm)

Câu 10: Một điểm sáng S nằm trong chất lỏng (chiết suất \(n\)), cách mặt chất lỏng một khoảng 12 (cm), phát ra chùm sáng hẹp đến gặp mặt phân cách tại điểm I với góc tới rất nhỏ, tia ló truyền theo phương IR. Đặt mắt trên phương IR nhìn thấy ảnh ảo \({S}'\) của S dường như cách mặt chất lỏng một khoảng 10 (cm). Chiết suất của chất lỏng đó là

A. \(n=1,12\)                     

B. \(n=1,20\)                     

C. \(n=1,33\)                     

D. \(n=1,40\)

---(Để xem tiếp nội dung từ câu 11 đến câu 29 của tài liệu các em vui lòng xem Online hoặc Đăng nhập vào HOC247 để tải về máy)--- 

ĐÁP ÁN

1-A	2-B	3-D	4-C	5-D	6-A	7-C	8-B	9-D	10-B
11-C	12-C	13-B	14-C	15-A	16-B	17-C	18-D	19-C	20-B
21-B	22-A	23-C	24-A	25-B	26-B	27-D	28-C	29-B

Trên đây là trích dẫn một phần nội dung tài liệu Phương pháp giải dạng bài tập chương khúc xạ ánh sáng môn Vật Lý 11 năm 2021-2022. Để xem thêm nhiều tài liệu tham khảo hữu ích khác các em chọn chức năng xem online hoặc đăng nhập vào trang hoc247.net để tải tài liệu về máy tính.

Hy vọng tài liệu này sẽ giúp các em học sinh ôn tập tốt và đạt thành tích cao trong học tập.