Đề ôn tập KHTN 9: Hiện tượng phản xạ toàn phần

PHẦN I. TRẮC NGHIỆM NHIỀU PHƯƠNG ÁN LỰA CHỌN (6,0 điểm)

Thí sinh trả lời từ Câu 1 đến Câu 15. Mỗi câu hỏi chỉ chọn một phương án đúng nhất.

Câu 1 (0,4 điểm). Hiện tượng phản xạ toàn phần là hiện tượng

Câu 2 (0,4 điểm). Hiện tượng phản xạ toàn phần có thể xảy ra khi ánh sáng truyền

Câu 3 (0,4 điểm). Góc tới hạn phản xạ toàn phần ($i_{gh}$) là góc tới ứng với góc khúc xạ bằng

Câu 4 (0,4 điểm). Điều kiện về góc tới $i$ để xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần khi ánh sáng truyền từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường kém chiết quang hơn là

Câu 5 (0,4 điểm). Khi chiếu tia sáng từ nước ra không khí với góc tới $i$ nhỏ hơn góc tới hạn $i_{gh}$, tại mặt phân cách giữa hai môi trường ta quan sát thấy

Câu 6 (0,4 điểm). Vào những buổi trưa hè nắng gắt, khi nhìn từ xa trên mặt đường nhựa khô ráo, ta thường thấy phía trước mặt dường như có một "vũng nước" phản chiếu bóng xe cộ và bầu trời. Hiện tượng ảo ảnh này được giải thích chủ yếu dựa trên

Câu 7 (0,4 điểm). Sợi quang dùng trong cáp quang viễn thông có cấu tạo gồm lõi trong suốt và lớp vỏ bọc bên ngoài. Để ánh sáng có thể truyền đi xa trong lõi theo nguyên tắc phản xạ toàn phần thì

Câu 8 (0,4 điểm). Trong y học hiện đại, dụng cụ nào sau đây ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần trong sợi quang để quan sát hình ảnh các cơ quan bên trong cơ thể người bệnh (dạ dày, đại tràng)?

Câu 9 (0,4 điểm). Thí nghiệm chiếu chùm sáng hẹp từ một bản bán trụ thuỷ tinh ra không khí. Khi tăng dần góc tới $i$ từ $0^\circ$ đến góc tới hạn $i_{gh}$, độ sáng của tia khúc xạ và tia phản xạ thay đổi như thế nào?

Câu 10 (0,4 điểm). Cho biết góc tới hạn phản xạ toàn phần khi ánh sáng truyền từ thuỷ tinh ra không khí là $i_{gh} \approx 42^\circ$. Nếu chiếu một tia sáng từ thuỷ tinh ra không khí với góc tới $i = 50^\circ$ thì

Câu 11 (0,4 điểm). Biết góc tới hạn phản xạ toàn phần khi ánh sáng truyền từ nước ra không khí là khoảng $48,5^\circ$. Trường hợp nào sau đây không xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần?

Câu 12 (0,4 điểm). So với đường truyền cáp đồng truyền thống, cáp quang internet có ưu điểm nổi bật nào sau đây?

Câu 13 (0,4 điểm). Lăng kính phản xạ toàn phần là một khối thuỷ tinh trong suốt có tiết diện thẳng là tam giác vuông cân. Thiết bị nào sau đây thường sử dụng lăng kính phản xạ toàn phần để đổi hướng đường truyền của tia sáng mà không làm giảm độ sáng ảnh?

Câu 14 (0,4 điểm). Kim cương sau khi được gia công cắt gọt tinh xảo có vẻ đẹp lấp lánh rực rỡ dưới ánh sáng mặt trời chủ yếu là vì

Câu 15 (0,4 điểm). Khi tiến hành thí nghiệm khảo sát hiện tượng phản xạ toàn phần bằng nguồn phát tia laser trong phòng thực hành KHTN, quy tắc an toàn quan trọng nhất là

PHẦN II. TỰ LUẬN (4,0 điểm)

Câu 1 (1,0 điểm).
a) Thế nào là hiện tượng phản xạ toàn phần?
b) Nêu hai điều kiện bắt buộc để có thể quan sát được hiện tượng phản xạ toàn phần khi ánh sáng truyền giữa hai môi trường trong suốt.

Câu 2 (1,5 điểm).
Một học sinh làm thí nghiệm chiếu một tia sáng laser hẹp từ khối bán trụ bằng thuỷ tinh ra ngoài không khí. Biết góc tới hạn phản xạ toàn phần tại mặt phân cách giữa thuỷ tinh và không khí là $i_{gh} = 42^\circ$.
a) Nếu chiếu tia sáng tới mặt phân cách phẳng với góc tới $i = 30^\circ$, hãy cho biết tại mặt phân cách xảy ra hiện tượng gì?
b) Khi tăng góc tới lên đúng bằng $i = 42^\circ$, tia khúc xạ trong không khí có phương như thế nào?
c) Nếu tiếp tục tăng góc tới lên giá trị $i = 55^\circ$, hiện tượng gì sẽ xảy ra? Hãy xác định giá trị của góc phản xạ trong trường hợp này.

Câu 3 (1,5 điểm).
Vận dụng kiến thức về hiện tượng phản xạ toàn phần để trả lời các câu hỏi thực tế sau:
a) Hãy mô tả cấu tạo cơ bản của một sợi quang trong cáp quang viễn thông và giải thích vì sao ánh sáng có thể truyền đi được quãng đường rất xa dọc theo đường cong uốn lượn của sợi quang mà gần như không bị thất thoát ra ngoài.
b) Vào những ngày hè nắng nóng, người đi đường thường nhìn thấy hiện tượng "ảo ảnh vũng nước" trên mặt đường nhựa ở phía xa. Dựa vào sự chênh lệch nhiệt độ của các lớp không khí sát mặt đường, hãy giải thích ngắn gọn nguyên nhân tạo nên ảo ảnh này.

--------- HẾT ---------

Họ và tên thí sinh: ................................................ Số báo danh: ........................

HƯỚNG DẪN CHẤM VÀ THANG ĐIỂM

A. HƯỚNG DẪN CHUNG

- Hướng dẫn chấm gồm 02 trang, biểu điểm chi tiết cho từng phần và từng câu hỏi.
- Giám khảo chấm đúng theo barem; học sinh diễn đạt bằng cách khác nhưng đúng bản chất khoa học tự nhiên vẫn cho điểm tối đa của phần đó.
- Điểm toàn bài là tổng điểm của các câu thành phần, làm tròn đến một chữ số thập phân (thang điểm 10,0).

B. ĐÁP ÁN VÀ THANG ĐIỂM

1. Phần I. Trắc nghiệm nhiều phương án lựa chọn (6,0 điểm)

Mỗi câu trả lời đúng được 0,4 điểm.

2. Phần II. Tự luận (4,0 điểm)

LỜI GIẢI CHI TIẾT

PHẦN I. TRẮC NGHIỆM

Câu 1

- Đáp án đúng: C
- Giải thích: Khái niệm cơ bản trong KHTN 9: Hiện tượng phản xạ toàn phần là hiện tượng toàn bộ tia sáng tới bị phản xạ trở lại môi trường trong suốt ban đầu tại mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt.

Câu 2

- Đáp án đúng: C
- Giải thích: Điều kiện cần để xảy ra phản xạ toàn phần là ánh sáng phải truyền từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường kém chiết quang hơn (từ môi trường có tốc độ truyền ánh sáng nhỏ hơn sang môi trường có tốc độ lớn hơn). Trong các phương án, chỉ có trường hợp ánh sáng đi từ nước ra không khí thoả mãn điều kiện này.

Câu 3

- Đáp án đúng: D
- Giải thích: Khi tăng dần góc tới, góc khúc xạ cũng tăng dần. Góc tới hạn phản xạ toàn phần ($i_{gh}$) là giá trị góc tới mà tại đó góc khúc xạ trong môi trường thứ hai đạt cực đại bằng $90^\circ$ (tia khúc xạ đi là là mặt phân cách).

Câu 4

- Đáp án đúng: B
- Giải thích: Điều kiện đủ để có hiện tượng phản xạ toàn phần là góc tới phải lớn hơn hoặc bằng góc tới hạn: $i \ge i_{gh}$.

Câu 5

- Đáp án đúng: C
- Giải thích: Khi góc tới $i < i_{gh}$, hiện tượng phản xạ toàn phần chưa xảy ra. Tại mặt phân cách ta quan sát thấy một chùm tia khúc xạ ló sang không khí và đồng thời một phần tia sáng bị phản xạ yếu (mờ) trở lại nước.

Câu 6

- Đáp án đúng: A
- Giải thích: Ảo ảnh trên mặt đường nhựa khô ráo vào ngày hè là kết quả của hiện tượng khúc xạ liên tiếp và phản xạ toàn phần của tia sáng mặt trời/bầu trời qua các lớp không khí có nhiệt độ khác nhau (lớp sát mặt đường rất nóng và loãng hơn các lớp phía trên).

Câu 7

- Đáp án đúng: B
- Giải thích: Để ánh sáng truyền đi trong lõi sợi quang theo nguyên tắc phản xạ toàn phần tại mặt tiếp xúc giữa lõi và vỏ thì môi trường làm phần lõi phải chiết quang hơn môi trường làm vỏ bọc ngoài.

Câu 8

- Đáp án đúng: C
- Giải thích: Máy nội soi quang học sử dụng các bó sợi quang để vừa dẫn ánh sáng từ bên ngoài vào soi sáng các cơ quan nội tạng (dạ dày, thực quản...), vừa dẫn truyền hình ảnh phản xạ từ bên trong cơ thể ra ngoài màn hình hiển thị để bác sĩ chẩn đoán.

Câu 9

- Đáp án đúng: D
- Giải thích: Trong thí nghiệm với bản bán trụ thuỷ tinh, khi tăng dần góc tới $i$, năng lượng của chùm tia khúc xạ giảm dần làm tia khúc xạ mờ dần đi, trong khi năng lượng của chùm tia phản xạ tăng dần nên tia phản xạ sáng dần lên.

Câu 10

- Đáp án đúng: B
- Giải thích: Vì tia sáng truyền từ thuỷ tinh sang không khí và có góc tới $i = 50^\circ > i_{gh} \approx 42^\circ$, thoả mãn đầy đủ cả hai điều kiện của hiện tượng phản xạ toàn phần. Toàn bộ tia sáng bị phản xạ trở lại vào trong khối thuỷ tinh, không còn tia khúc xạ.

Câu 11

- Đáp án đúng: C
- Giải thích: Để xảy ra phản xạ toàn phần khi truyền từ nước ra không khí thì góc tới phải thoả mãn $i \ge i_{gh} = 48,5^\circ$. Với góc tới $i = 35^\circ < 48,5^\circ$, hiện tượng phản xạ toàn phần chưa xảy ra (vẫn có tia khúc xạ ló ra ngoài không khí).

Câu 12

- Đáp án đúng: A
- Giải thích: Cáp quang truyền tín hiệu bằng sóng ánh sáng nên có băng thông cực lớn, tốc độ truyền dẫn siêu cao, suy hao tín hiệu thấp và hoàn toàn không bị ảnh hưởng bởi nhiễu sóng điện từ hay sét đánh.

Câu 13

- Đáp án đúng: B
- Giải thích: Trong các ống nhòm hai mắt quân sự và kính tiềm vọng, người ta sử dụng lăng kính phản xạ toàn phần để đổi hướng truyền của tia sáng $90^\circ$ hoặc $180^\circ$ và dựng thẳng ảnh. Do phản xạ toàn phần không làm thất thoát năng lượng sáng nên ảnh quan sát được qua lăng kính sáng rõ hơn nhiều so với dùng gương phẳng tráng bạc.

Câu 14

- Đáp án đúng: B
- Giải thích: Kim cương có góc tới hạn phản xạ toàn phần rất nhỏ (chỉ khoảng $24,5^\circ$). Khi được nghệ nhân chế tác cắt gọt thành nhiều mặt giác phẳng tinh xảo, tia sáng lọt vào bên trong hạt kim cương sẽ bị phản xạ toàn phần liên tiếp nhiều lần tại các mặt đáy rồi mới ló ra ở mặt trên, tạo nên vẻ lấp lánh rực rỡ đặc trưng.

Câu 15

- Đáp án đúng: A
- Giải thích: Tia laser có mật độ năng lượng rất cao tại một điểm tập trung. Nếu chiếu trực tiếp vào mắt người, chùm tia laser có thể gây tổn thương nghiêm trọng giác mạc và võng mạc, thậm chí dẫn đến mù loà. Do đó nguyên tắc an toàn số một là không bao giờ chiếu tia laser vào mắt mình hoặc mắt người khác.

PHẦN II. TỰ LUẬN

Câu 1

a) Định nghĩa:
Hiện tượng phản xạ toàn phần là hiện tượng toàn bộ tia sáng tới bị phản xạ trở lại môi trường trong suốt ban đầu tại mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt.

b) Hai điều kiện để xảy ra phản xạ toàn phần:
1. Ánh sáng phải truyền từ môi trường trong suốt sang môi trường kém chiết quang hơn (ví dụ truyền từ nước hoặc thuỷ tinh ra ngoài không khí).
2. Góc tới $i$ phải lớn hơn hoặc bằng góc tới hạn phản xạ toàn phần: $i \ge i_{gh}$.

Câu 2

a) Khi góc tới $i = 30^\circ$:
- Ta có $i = 30^\circ < i_{gh} = 42^\circ$ (góc tới nhỏ hơn góc tới hạn).
- Do đó, chưa xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần. Tại mặt phân cách phẳng của bản bán trụ, ta quan sát thấy đồng thời:
+ Một tia khúc xạ ló ra ngoài không khí, lệch xa pháp tuyến hơn so với tia tới ($r > i$).
+ Một tia phản xạ mờ quay trở lại vào trong khối thuỷ tinh.

b) Khi góc tới $i = 42^\circ$:
- Lúc này góc tới đúng bằng góc tới hạn phản xạ toàn phần ($i = i_{gh} = 42^\circ$).
- Góc khúc xạ trong không khí đạt giá trị cực đại bằng $90^\circ$. Tia khúc xạ đi là là sát mặt phân cách phẳng giữa thuỷ tinh và không khí (rất mờ).

c) Khi góc tới $i = 55^\circ$:
- Ta có $i = 55^\circ > i_{gh} = 42^\circ$ và tia sáng truyền từ thuỷ tinh sang không khí.
- Cả hai điều kiện đều được thoả mãn nên xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần. Toàn bộ chùm tia sáng tới bị phản xạ trở lại vào trong khối thuỷ tinh, không có tia khúc xạ ló ra ngoài không khí.
- Theo định luật phản xạ ánh sáng, góc phản xạ $i'$ bằng góc tới:

$$i' = i = 55^\circ$$

Câu 3

a) Cấu tạo và cơ chế dẫn truyền của sợi quang:
- Cấu tạo: Mỗi sợi quang gồm có phần lõi hình trụ mỏng bằng thuỷ tinh hoặc chất dẻo trong suốt, được bao quanh bởi một lớp vỏ bọc cũng trong suốt nhưng có tính chiết quang kém hơn phần lõi.
- Cơ chế: Khi ánh sáng được chiếu vào một đầu sợi quang với góc thích hợp, tia sáng đi vào trong lõi và tới gặp mặt tiếp xúc giữa lõi và vỏ với góc tới lớn hơn góc tới hạn $i_{gh}$. Tại đây, tia sáng bị phản xạ toàn phần liên tục tại thành lõi và cứ thế truyền đi ziczac dọc theo đường uốn lượn của sợi quang mà không bị thất thoát ra ngoài môi trường, giúp truyền tải tín hiệu đi xa hàng trăm kilômét hoặc đưa ánh sáng vào sâu trong các cơ quan nội tạng khi nội soi y tế.

b) Giải thích hiện tượng ảo ảnh "vũng nước" trên mặt đường:
- Vào buổi trưa hè nắng nóng, mặt đường nhựa màu sẫm hấp thụ bức xạ mặt trời rất mạnh, làm nung nóng lớp không khí ở sát mặt đường.
- Càng lên cao, không khí càng nguội hơn. Kết quả là lớp không khí sát mặt đường loãng hơn và kém chiết quang hơn lớp không khí ở phía trên cao.
- Ánh sáng từ bầu trời xanh (hoặc từ các phương tiện ở xa) truyền xiên xuống mặt đất sẽ đi qua các lớp không khí có độ chiết quang giảm dần, do đó tia sáng bị khúc xạ liên tiếp và bẻ cong dần ra xa pháp tuyến.
- Đến khi góc tới tại một lớp khí nào đó thoả mãn điều kiện phản xạ toàn phần ($i \ge i_{gh}$), tia sáng bị phản xạ toàn phần uốn cong ngược lên trên và đi vào mắt người quan sát.
- Mắt người có xu hướng nhìn theo phương thẳng của tia sáng cuối cùng đi vào mắt, do đó người quan sát nhìn thấy bóng của bầu trời xanh in dưới mặt đường, tạo cảm giác lấp loáng y hệt như đang có một vũng nước phản chiếu ở phía trước.