Bài giảng Vật lý 2 - Bài: Giao thoa ánh sáng - Lê Quang Nguyên

Nội dung text: Bài giảng Vật lý 2 - Bài: Giao thoa ánh sáng - Lê Quang Nguyên

1. Nội dung 1. Sóng ánh sáng 2. Giao thoa ánh sáng 3. Giao thoa trên hai khe Young Giao thoa ánh sáng 4. Giao thoa trên bản mỏng 5. Bài tập áp dụng Lê Quang Nguyên www4.hcmut.edu.vn/~leqnguyen nguyenquangle59@yahoo.com 1. Sóng ánh sáng 1a. Ánh sáng là sóng điện từ a. Đặc điểm của ánh sáng phẳng đơn sắc • Ánh sáng là sự lan truyền dao động của điện và b. Biểu thức của ánh sáng phẳng đơn sắc từ trường. c. Cường độ sáng • Ánh sáng khả kiến có bước sóng thay đổi từ d. Nguyên lý chồng chất sóng 400 nm cho đến 700 nm. • Bước sóng ánh sáng khả kiến dài nhất (ánh sáng đỏ) là vào khoảng bề dày của một màng xà phòng, hay cỡ một phần mười bề dày sợi tóc!
2. 1c. Cường độ sáng 1d. Nguyên lý chồng chất sóng • Cường độ sáng là năng lượng sóng ánh sáng đi • Khi các sóng đến gặp nhau thì: từng sóng riêng qua một đơn vị diện tích vuông góc với phương biệt không bị các sóng khác làm cho thay đổi, truyền sóng trong một đơn vị thời gian. • sóng tổng hợp bằng tổng tất cả các sóng tới. • Cường độ sáng tỷ lệ với bình phương biên độ sóng. 2. Giao thoa ánh sáng 2a. Giao thoa : giải thích định tính a. Giải thích định tính • Sóng thành phần dao động cùng pha thì sóng b. Giải thích định lượng tổng hợp có biên độ cực đại. c. Tại sao thông thường ta ít khi thấy giao thoa • Sóng thành phần dao động ngược pha thì sóng ánh sáng? tổng hợp có biên độ dao động cực tiểu. d. Nguồn sáng kết hợp Sóng thành phần Sóng tổng hợp Cực đại giao thoa Cực tiểu giao thoa
3. 2d. Nguồn sáng kết hợp 2d. Nguồn sáng kết hợp (tt) • Hai nguồn sáng có độ lệch pha không thay đổi • Tại nơi gặp nhau, biểu thức dao động và độ theo thời gian được gọi là hai nguồn kết hợp. lệch pha của chúng là: =(ω −) =( ω − ) • Cách đơn giản nhất để có các nguồn kết hợp là ua1sin tkr 12 ua sin tkr 2 dùng các nguồn laser . 2π 2 π ∆=φ krr() −= nrr() −=∆ L • Cũng có thể tách ánh sáng từ cùng một nguồn 21λ 21 λ thành hai phần có đường đi khác nhau. 2π ∆φ = ∆ L r λ 2 • Với ∆L là hiệu quang trình : r1 ∆L = nr( − r ) Hai khe 2 1 2d. Nguồn sáng kết hợp (hết) 3. Giao thoa trên hai khe Young • Để có cực đại hay cực tiểu giao thoa: a. Mô tả thí nghiệm ∆φ = π Imax 2 m b. Hiệu quang trình I= m =±±0, 1, 2 ∆φ =() + π c. Vân giao thoa Imin 2 m 1 d. Phân bố cường độ sáng 2π ∆φ = ∆ L λ  mλ I  max ∆=L m =±±0, 1, 2 + 1  λ m  I min 2 
4. 3d. Phân bố cường độ sáng 3d. Phân bố cường độ sáng (tt) • Cường độ sáng tổng hợp: • Ví dụ: d = 1000 nm, λ = 400 nm ∆φ Vân sáng =() + ∆=φ 2 Vân sáng I2 I0 1 cos 4 I 0 cos bậc một 2 trung tâm θ = 0 sin θ = λ/d • I0 là cường độ sáng qua mỗi khe, • và độ lệch pha Δφ xác định từ: ∆L d sin θ Vân tối bậc hai ∆φ =2 π = 2 π Vân tối bậc một λ λ sin θ = 1,5( λ/d) sin θ = 0,5( λ/d) • Gọi Ir là cường độ sáng tương đối: ∆φ =I = 2 Ir 4cos I0 2 Bài tập 3.1 Bài tập 3.1 (tt) Xét giao thoa trên hai khe Young cách nhau 0,03 D mm. Khoảng cách giữa hai khe và màn quan sát là P 1,2 m. Biết rằng vân sáng bậc hai cách đường r2 trung tâm 4,5 cm. Hãy tìm: y (a)Bước sóng ánh sáng sử dụng. S1 θ r (b) Khoảng cách giữa hai vân sáng liên tiếp trên 1 màn. S2 Sóng tới phẳng, đơn sắc Hai khe Màn quan sát
5. Câu hỏi 3.2 Trả lời câu hỏi 3.2 Khi thực hiện thí nghiệm giao thoa với hai khe • Khi thực hiện thí nghiệm trong môi trường Young trong nước, các vân giao thoa sẽ thay đổi chiết suất n hiệu quang trình tăng lên n lần so thế nào so với thí nghiệm trong không khí: với không khí: (a)Cách xa nhau hơn. ∆L = nd sin θ (b) Ở gần nhau hơn. (c) Không thay đổi. • Do đó góc lệch ứng với vân sáng được xác định từ: mλ ndsin θ= m λ ⇒ sin θ = nd • Góc lệch giảm: hệ vân nhích lại gần nhau. 4. Giao thoa trên bản mỏng 4a. Giới thiệu a. Giới thiệu • Hai tia phản xạ ở mặt trên và mặt dưới của một b. Độ lệch pha do phản xạ màng mỏng có thể cho giao thoa khi gặp lại nhau. c. Bản mỏng song song • Giao thoa chỉ xảy ra đối với các màng mỏng, có d. Nêm không khí bề dày cỡ bước sóng ánh sáng. e. Bản mỏng Newton • Nếu màng dày hơn thì hai tia phản xạ sẽ không phải là hai tia kết hợp nữa.
6. 4c. Bản mỏng song song – Vân giao thoa (tt) Bài tập 4.1 Vân tròn Trên một bản thủy tinh phẳng chiết suất n1 = 1,4, người ta phủ một màng mỏng chiết suất n2 = 1,5. Chiếu một chùm sáng đơn sắc song song bước sóng λ = 0,6 μm thẳng góc với mặt bản. Bề dày tối Thấu kính Tiêu điểm thiểu của màng mỏng để giao thoa của chùm tia hội tụ ảnh phản xạ có cường độ cực tiểu là: (a) 0,1 μm i i (b) 1 μm (c) 0,2 μm (d) 0,15 μm Trả lời BT 4.1 - 1 Trả lời BT 4.1 - 2 • Do góc tới bằng • Suy ra bề dày của màng mỏng để cho cực tiểu không và tia phản xạ giao thoa: λ ở mặt trên có quang λ trình tăng thêm λ/2, = + = n d d() m1 m 0,1,2, nên: 2 2n 2 λ ∆L =2 n d − n1<n2 • Bề dày tối thiểu ứng với m = 0, do đó: 2 2 • Để có cực tiểu giao λ0,6 µ m d= = = 0,2 µ m thoa thì: min 2n 2× 1,5 2 1  ∆L = m +  λ • Câu trả lời đúng là (c). 2 
7. Bài tập 4.2 Trả lời BT 4.2 - 1 Chiếu một chùm tia sáng song song, bước sóng λ • Nêm có chiết suất n > 1 x thẳng góc với mặt dưới của một nêm thủy tinh có nên tia phản xạ ở mặt chiết suất n = 1,5 và góc nghiêng α = 10 –4 rad đặt trên có quang trình tăng d trong không khí. Vị trí của vân sáng thứ tư ở mặt thêm λ/2. α trên của nêm cách cạnh nêm 0,7 cm. Bước sóng λ • Hiệu quang trình: bằng : ∆L =2 nd − λ 2 • Ở vân sáng: ΔL = mλ. (a) 0,4 μm (b) 0,5 μm • Suy ra: (c) 0,6 μm (d) 0,7 μm 1  λ d= m +  m = 0,1,2, 2  2 n Trả lời BT 4.2 - 2 4e. Bản mỏng Newton • Vân sáng thứ tư ứng với m = 3: • Đặt mặt lồi của một 7λ 7 λ thấu kính phẳng lồi d= ⇒ x = 34n 3 4 n α lên trên một bản thủy tinh phẳng A • Suy ra bước sóng: dày, bản không khí 4nα x λ = 3 giữa chúng là một 7 bản mỏng Newton. 4 − • Ánh sáng đến vuông λ=××1,5 104 ××() 0,7 10 4 µm = 0,6 µ m 7 góc với bản. A d • Câu trả lời đúng là (c). • Hai tia phản xạ gặp B nhau ở mặt trên bản.
8. Trả lời BT 4.3 - 2 Trả lời BT 4.3 - 3 • Hiệu quang trình: • Bán kính của vân tối thứ m: λ ∆L =2 d + r= mλ R 2 • Ở vị trí có vân tối thì: • Vân tối ngoài cùng ứng với r ≤ a:   ∆ = + 1 λ λ ≤ ⇒ ≤ 2 λ L m  m R a mmax a R 2  max • Suy ra bề dày ở nơi có vân tối: • Bậc của vân tối ngoài cùng thỏa: 2 mλ ≤( −2) ( − 6 ×) = d= m = 0,1,2, mmax 5.10 m 0,5.10 mm 20 250 2 • Câu trả lời đúng là (a).