Pantulan dalam penuh (total internal reflection) berlaku apabila cahaya dalam bahan yang lebih tumpat bertemu sempadan dengan bahan yang kurang tumpat pada sudut tuju yang lebih besar daripada sudut genting. Ketika itu tiada cahaya dibiaskan keluar, dan semuanya dipantulkan kembali ke dalam.
Ia dibina atas pembiasan dan indeks biasan, jadi pelajari itu dahulu. Ia ialah idea di sebalik gentian optik, prisma pemantul dan pemantul basikal, dan ia tergolong dalam cahaya dan pembentukan imej.
Apakah dua syarat, dan mengapa kedua-duanya diperlukan?
Syarat 1: cahaya bergerak dari bahan yang lebih tumpat menuju bahan yang kurang tumpat, contohnya kaca ke udara atau air ke udara. Cahaya yang bergerak dari udara ke dalam kaca membengkok ke arah normal dan tidak pernah dipantulkan sepenuhnya pada permukaan itu, kerana tiada sudut di mana ia gagal masuk.
Syarat 2: sudut tuju lebih besar daripada sudut genting, c. Di bawah c, sebahagian cahaya dibiaskan keluar (dan sedikit juga dipantulkan).
Tepat pada c, sinar terbias bergerak sepanjang sempadan pada 90° kepada normal. Di atas c, tiada sinar terbias boleh wujud, jadi semua cahaya dipantulkan.
Bagaimana saya mencari sudut genting?
Pada sudut genting (critical angle), sudut biasan dalam bahan yang kurang tumpat (udara) ialah 90°. Menggunakan n = sin i ÷ sin r dengan sinar bergerak dari udara ke dalam bahan, sudut genting dalam bahan itu memenuhi sin c = 1 ÷ n, dengan n ialah indeks biasan bahan yang tumpat.
Bagi bahan yang lebih tumpat dengan n yang lebih besar, sudut genting lebih kecil, jadi cahaya lebih mudah terperangkap.
Bagaimana saya menerangkan pantulan dalam penuh langkah demi langkah?
- Namakan arah: nyatakan bahawa cahaya bergerak dalam bahan yang lebih tumpat menuju bahan yang kurang tumpat.
- Berikan sudut genting bagi bahan itu, atau cari daripada sin c = 1 ÷ n.
- Banding sudut tuju dengan c: jika lebih besar, nyatakannya.
- Nyatakan hasilnya: semua cahaya dipantulkan, dan sudut pantulan sama dengan sudut tuju.
- Lukiskannya: sinar tuju, normal, sinar pantulan dengan anak panah, dan i berlabel.
Contoh berlangkah
Kaca mempunyai indeks biasan 1.5. (Data rekaan untuk contoh.) Satu sinar di dalam kaca bertemu sempadan kaca-ke-udara pada 45°.
Terangkan apa yang berlaku. Kemudian cari laluan sinar kedua yang bertemu sempadan yang sama pada 30°.
Langkah 1, sudut genting: sin c = 1 ÷ 1.5 = 0.6667. c = sin⁻¹(0.6667) = 41.8°.
Langkah 2, banding, sinar pertama: sinar itu berada dalam kaca menuju udara, iaitu arah lebih tumpat ke kurang tumpat. 45° lebih besar daripada 41.8°, jadi kedua-dua syarat dipenuhi.
Langkah 3, rumuskan: sinar mengalami pantulan dalam penuh. Ia dipantulkan kembali ke dalam kaca dengan sudut pantulan 45°.
Langkah 4, sinar kedua: 30° lebih kecil daripada 41.8°, jadi sinar dibiaskan keluar. Menggunakan sin r = n × sin i = 1.5 × sin 30° = 1.5 × 0.5 = 0.75, r = sin⁻¹(0.75) = 48.6°.
Langkah 5, semak: dalam kes kedua, sinar membengkok menjauhi normal (48.6° lebih besar daripada 30°), seperti yang mesti berlaku apabila meninggalkan kaca. Sudut genting berada di bawah 45° tetapi di atas 30°, jadi sinar pertama terperangkap dan sinar kedua terlepas.
Di mana pantulan dalam penuh digunakan?
Dalam gentian optik, cahaya memasuki satu hujung dan bertemu dinding gentian pada sudut yang lebih besar daripada sudut genting, jadi ia dipantulkan di sepanjang gentian berulang kali dengan sangat sedikit terlepas di sisi. Gentian membawa isyarat telefon, internet dan kabel, dan digunakan dalam endoskop.
Dalam prisma pemantul yang mudah, prisma kaca bersudut tegak dengan dua sudut 45° memantulkan cahaya melalui 90° atau 180° tanpa cermin. Cahaya mengenai muka dalam pada 45°, yang lebih besar daripada c = 41.8° bagi n = 1.5. Begitulah periskop memalingkan cahaya melalui tiubnya.
Kesilapan yang perlu diperhatikan
Pelajar sering berkata pantulan dalam penuh berlaku “apabila sudut besar”, atau melukisnya untuk cahaya yang memasuki kaca.
Jawapan yang salah: “Cahaya di udara mengenai kaca pada 60°, yang lebih besar daripada sudut genting, jadi ia dipantulkan sepenuhnya secara dalaman.”
Cahaya bergerak dari bahan yang kurang tumpat ke yang lebih tumpat, jadi syarat 1 gagal.
Pembetulannya ialah menyatakan kedua-dua syarat mengikut urutan. Tanya: sinar berada dalam bahan yang mana, dan adakah ia menuju bahan yang kurang tumpat?
Hanya selepas itu bandingkan sudut dengan c. Elakkan juga berkata sinar “dipantulkan pada sudut genting”. Pada c, sinar terbias menyentuh permukaan; perangkapan bermula di atas c.
Semak diri anda
Cuba soalan ini, kemudian buka setiap jawapan.
1. Cari sudut genting bagi plastik yang indeks biasannya 1.6.
Tunjukkan jawapan
sin c = 1 ÷ 1.6 = 0.625. c = sin⁻¹(0.625) = 38.7°, jadi c ≈ 39°.
2. Bolehkah cahaya yang bergerak di udara mengalami pantulan dalam penuh pada permukaan blok kaca? Terangkan dalam satu ayat.
Tunjukkan jawapan
Tidak. Pantulan dalam penuh memerlukan cahaya bergerak dari bahan yang lebih tumpat ke yang kurang tumpat, dan dari udara ke kaca ialah arah sebaliknya, jadi sinar sentiasa dibiaskan ke dalam kaca.
3. Satu sinar dalam kaca (c = 41.8°) bertemu sempadan kaca-ke-udara pada 38°. Adakah pantulan dalam penuh berlaku?
Tunjukkan jawapan
Tidak. Arahnya betul, tetapi 38° lebih kecil daripada sudut genting 41.8°, jadi kebanyakan cahaya dibiaskan keluar ke udara (dengan hanya sinar pantulan yang lemah).
Ke mana selepas ini
Sekarang beralih ke imej yang dibentuk oleh kanta, bermula dengan melukis imej kanta yang mudah. Jika anda mahu melihat bagaimana pembiasan dan pantulan bergabung dalam soalan, set latihan cahaya dan pembentukan imej mempunyai contoh campuran.
Sesetengah pelajar boleh menyebut kedua-dua syarat tetapi mencampuradukkannya apabila gambar rajah menunjukkan cahaya merentasi dua sempadan. Dalam tuisyen Fizik dalam talian satu dengan satu, guru kami menyelesaikan gambar rajah seperti itu bersama anda.