Bài giảng Vật lý đại cương 2 - Chương 3: Tính chất sóng ánh sáng - Phạm Thị Hải Miền

Nội dung text: Bài giảng Vật lý đại cương 2 - Chương 3: Tính chất sóng ánh sáng - Phạm Thị Hải Miền

1. CHƯƠNG 3 TÍNH CHẤT SÓNG ÁNH SÁNG 1. GIAO THOA ÁNH SÁNG 1.1. Hiện tượng giao thoa ánh sáng 1.2. Giao thoa với 2 khe Young 1.3. Giao thoa cho bởi bản mỏng 1.3.1. Bản mỏng có độ dày không đổi 1.3.2. Bản mỏng có độ dày thay đổi: nêm, hệ Newton 2. NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG 2.1. Nhiễu xạ sóng cầu 2.1.1. Nhiễu xạ qua lỗ tròn 2.1.2. Nhiễu xạ qua đĩa tròn 2.2. Nhiễu xạ sóng phẳng 2.2.1. Nhiễu xạ qua khe hẹp 2.2.2. Nhiễu xạ qua cách tử
2. THANG SÓNG ĐIỆN TỪ Ánh sáng là sóng điện từ. Trong vùng khả kiến ánh sáng có bước sóng thay đổi từ khoảng 400 nm đến 760 nm. Màu sắc ánh sáng do tần số ánh sáng quyết định.
3. ĐỊNH LÝ VỀ QUANG LỘ • Định lý Malus: quang lộ của các tia sáng giữa 2 mặt trực giao của một chùm sáng thì bằng nhau. • Khi tia sáng bị phản xạ trên môi trường chiết quang hơn thì quang lộ của nó sẽ dài thêm nửa bước sóng.
4. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA ÁNH SÁNG • Giao thoa ánh sáng là hiện tượng chồng chất của hai (hay nhiều) sóng ánh sáng kết hợp làm xuất hiện trong không gian những vân sáng và những vân tối nằm xen kẽ nhau. - Những vân sáng gọi là các cực đại giao thoa. - Những vân tối gọi là các cực tiểu giao thoa. • Điều kiện giao thoa: các sóng chồng chất lên nhau phải là các sóng kết hợp. • Sóng kết hợp là những sóng có cùng phương dao động và có hiệu pha không biến đổi theo thời gian (cùng tần số). Đĩa CD Lông công Vỏ sò Ngọc mắt mèo
5. IIIII 1 2 2 1 2 cos 2 • Nếu (L1 L 2 ) 2 k L L 1 L 2 k  0 0 nghĩa là 2 dao động thành phần cùng pha với nhau, thì dao động tổng hợp có cường độ cực đại, ứng với vân sáng. IIIIImax 1 2 2 1 2 2 0 • Nếu (L1 L 2 ) (2 k 1) L L 1 L 2 (2 k 1) 0 2 nghĩa là 2 dao động thành phần ngược pha với nhau, thì dao động tổng hợp có cường độ cực tiểu, ứng với vân tối. IIIIImin 1 2 2 1 2 k 0, 1, 2,
6. Phân bố vị trí vân giao thoa 2 2 2 (L L ) L d sin  2 1 2 1   k  VS 2k  d sin 1 21k ()k   VT 2
7. 1.3.1. GIAO THOA BẢN MỎNG ĐỘ DÀY KHÔNG ĐỔI VÂN CÙNG ĐỘ NGHIÊNG Hai tia SACBR1 và SAR2 giao thoa với nhau tai vô cực. sin i n sin r  O L L12 L n. AC CB BM AH HM  2 L L L 2. n AC AH 0 12 2 d  2n 2 d tan r sin i 0 cosr 2  2d n22 sin i 0 2
8. • Hiện tượng giao thoa cho bởi bản mỏng song song được ứng dụng để khử ánh sáng phản xạ trên các mặt thấu kính hoặc lăng kính thủy tinh. • Phủ lên mặt thủy tinh một lớp màng mỏng CaF2 hoặc MgF2 có độ dày d và chiết suất n, sao cho nkk < n < ntt  L 2 nd 2 k 1 0 2  dk 21 0 4n  d 0 min 4n • Thông thường chọn d theo λ0 = 0,555 µm ứng với xanh lá cây vì đây là màu nhạy nhất đối với mắt người.
9. 1.3.2. GIAO THOA CHO BỞI BẢN MỎNG ĐỘ DÀY THAY ĐỔI VÂN CÙNG ĐỘ DÀY Hai tia SACBR1 và SBR2 giao thoa với nhau tại B. d ≈ CK  O L L1 L 2 SA n. AC CB BR 1 SH HB BR 2 2  L L L 2 d n22 sin i 0 12 2
10. BẢN MỎNG HÌNH NÊM a. Nêm không khí: một lớp không khí mỏng giới hạn giữa hai bản thủy tinh G1 và G2 có độ dày không đáng kể tạo thành góc α rất nhỏ khoảng vài phần nghìn radian. Hai tia SABAR1 và SAR2 giao thoa với nhau tại A. 0 L L1 L 2 SA 2 AB AR 1  SA AR 2  2  Ld 2 0 2
11. b. Nêm thủy tinh: một khối hình hộp tam giác bằng thủy tinh chiết suất n và góc α rất nhỏ khoảng vài phần nghìn radian. Hai tia SABAR1 và SAR2 giao thoa với nhau tại A. n 0 L L1 L 2  SA 2 AB AR 1 SA AR 2 2  Ld 2 0 2
12. BÀI TẬP VÍ DỤ 2 Chiếu một chùm sáng song song bước sóng λ=0,5µm thẳng góc với mặt dưới của nêm thủy tinh (n=1,5) góc nghiêng α= 10-4 rad đặt trong không khí. Tìm khoảng cách từ cạnh nêm đến vân sáng thứ 8 ở mặt trên của nêm. Hướng dẫn giải Cách 1: • Bề dày của nêm tại vị trí vân sáng: 1 0 dk 22n • Vân sáng thứ 8 ứng với k=7: 1 0 d8 7 22n • Khoảng cách từ cạnh nêm đến vân sáng thứ 8 là: d x 8 1,25 cm
13. BẢN MỎNG CHO VÂN TRÒN NEWTON • Bản mỏng cho vân tròn Newton bao gồm một thấu kính phẳng – lồi (L) chiết suất n1 đặt tiếp xúc với một bản thủy tinh phẳng (P) chiết suất .n2 đặt trong một môi trường (không khí, chất lỏng ) có chiết suất n0 . • Hai tia SABAR1 và SAR2 giao thoa với nhau tại A.
14. • Bán kính của vân bậc k: 2 2 22 2 rk AH R R d 2 Rd d 2 rk 2 Rd (Vì d<<R) • Bán kính của vân tối bậc k: R.0 rkk . n0 • Bán kính của vân sáng bậc k: 1 R.0 rkk . 2 n0 • Khoảng cách giữa hai vân tối liên tiếp: R.0 i rkk 1 r k 1. k n0
15. c. n0 n 1, n 2 0 L L12 L  SA 2 AB SA 2 0 L 2 n0 d 2  • Vân tối: L 2 n d 00 (2 k 1) 0 22  dk ( 1) 0 (k = -1, 0, 1, 2, 3 ) 2n0 k = -1 ứng với vân tối trung tâm k=0 ứng với vân tối bậc 1  • Vân sáng: L 2 n d 0 k 002 1  dk ()0 (k=0, 1, 2, 3 ) 22n k=0 ứng với vân sáng 0bậc 1, k=1 vân sáng bậc 2
16. 2. NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG
17. 2.1. NHIỄU XẠ SÓNG CẦU
18. Đặc điểm của các đới cầu Fresnel Rb • Bán kính đới cầu bậc k: rk với k = 1, 2, 3, k Rb Rb S • Diện tích đới cầu: Rb Các đới cầu có diện tích bằng nhau, không phụ thuộc k. • Mỗi đới cầu đóng vai trò là một nguồn sáng thứ cấp. Các nguồn sáng thứ cấp từ các đới cầu truyền tới điểm B là các nguồn sáng kết hợp vì đều tách ra từ nguồn S. Tại B sẽ xảy ra hiện tượng giao thoa.
19. A 1. Giữa S và B không có màn chắn: A 0 A 1 k 2 2 2 2 A1 A1 I1 Cường độ ánh sáng tại B: I0 A 2 4 4 với I1 là cường độ ánh sáng do đới cầu thứ nhất gây ra. 2. Giữa S và B có màn chắn với lỗ tròn nhỏ: A A A a. Nếu lỗ tròn chứa một số lẻ đới cầu Fresnel: A 1 k 1 2 2 2 A2 Cường độ ánh sáng tại B: IAI 2 1 4 0 • Màn chắn làm điểm B sáng hơn so với không có màn chắn. • Điểm B sáng nhất nếu lỗ tròn chỉ chứa một đới cầu đầu tiên. Khi 2 đó cường độ sáng tại B là: IAII 1 1 4 0
20. BÀI TẬP VÍ DỤ 4 Giữa nguồn sáng điểm đơn sắc và điểm quan sát M đặt một màn chắn có khoét lỗ tròn và quan sát cường độ sáng tại M. Ban đầu M sáng nhất, sau đó tối rồi sáng trở lại. Hỏi bán kính lỗ tròn thay đổi như thế nào? Hướng dẫn giải • Ban đầu M sáng nhất chỉ có 1 đới cầu lọt qua lỗ tròn: k=1 • Sau đó M tối nhất có 2 đới cầu lọt qua lỗ: k=2 • Sau cùng M sáng trở lại có 3 đới cầu lọt qua lỗ: k=3 • Bán kính lỗ tròn = bán kính đới cầu bậc k: Rb rk k Rb k tăng 3 lần thì bán kính lỗ tròn tăng 3 lần.
21. 2.2.1. NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG QUA MỘT KHE HẸP (NHIỄU XẠ FRAUNHOFER) • Vẽ các mặt phẳng Σ cách đều nhau λ0/2 và vuông góc tia nhiễu xạ. Chùm sáng song song tại khe hẹp BD được chia thành các dải sáng, mỗi dải sáng là một nguồn thứ cấp sẽ giao thoa tại màn E. • Hai dải sáng kề nhau truyền tới M có hiệu quang lộ bằng BH1 = λ0/2. • Mỗi dải sáng có độ rộng: BH  b BD 1 0 01sin 2sin • Số dải sáng qua khe BD: bb2 sin n b00 b BD
22. 2.2.2. NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG QUA CÁCH TỬ N KHE HẸP Khoảng cách d giữa hai khe kế tiếp gọi là chu kỳ của cách tử phẳng. Độ rộng khe là b<d.
23. • Các cực tiểu chính:  sin k 0 (k=1,2, ) b • Các cực đại chính:  sin m 0 (m=0, 1, 2, ) d m=0 ứng với cực đại trung tâm. • Giữa 2 cực đại chính liên tiếp còn có (N-1) cực tiểu phụ và (N-2) cực đại phụ. • Số cực đại chính tối đa cho bởi cách tử (xét một bên của CĐTT):  d sin m 0 1 m d o • Tổng cộng có (2m+1) CĐC (tính cả CĐTT). • Số CĐC giữa 2 CTC bậc k (xét một bên của CĐTT):  d m00 k m k d b b
24. BÀI TẬP VÍ DỤ 6 Một cách tử có N khe cho ảnh nhiễu xạ như trên hình. Biết bề rộng mỗi khe của cách tử b=0,3 mm. Tìm số khe N và chu kỳ cách tử d. m=1 m=0 m=1 m=2 m=2 k=1 k=1 Hướng dẫn giải • Giữa 2 CĐC liên tiếp có 2 CĐP và 3 CTP N=4 • Giữa 2 CTC bậc 1 (k=1) có 5 CĐC kể cả CĐTT m=2 d d m mk 2 b b k d d • Mặt khác 3, vì nếu 3 thì m=3 là mâu thuẫn với hình. b d b 23 0,6mm d 0,9 mm b