BÀI GIẢNG MÔN HỌC: VẬT LÍ ĐẠI CƯƠNG 2 (ĐIỆN-QUANG) docx

Trường Đại học Trà Vinh QT7.1/PTCT1-BM7 BÀI GIẢNG MÔN HỌC CHƯƠNG TRÌNH: VẬT LÍ ĐẠI CƯƠNG (ĐIỆN-QUANG) TÊN MƠN HỌC: VẬT LÍ ĐẠI CƯƠNG ( ĐIỆN- QUANG) MÃ SỐ: THỜI LƯỢNG CHƯƠNG TRÌNH: 12012 ĐIỀU KIỆN TIÊN QUYẾT: SV cần có kiến thức sau: - Hình học giải tích (Các phép tính véctơ) - Tốn Cao cấp - Cơ-Nhiệt đại cương MƠ TẢ MƠN HỌC: - Cung cấp kiến thức Điện, Quang - Cung cấp tượng Cơ về: Điện, Quang- Các định luật về: Điện , quang - Giúp tính tốn tốn, thông điện từ, quang học, ứng dụng ngành Cơ khí, Cắt may, Kỹ Thuật Điện, Điện tử,Viễn thông… ĐIỂM ĐẠT: * Lý thuyết: 100% điểm - Hiện diện lớp: 10% điểm - Kiểm tra tổng quát KQHT: 20 % điểm - Kiểm tra hết mơn : 70% điểm CẤU TRÚC MƠN HỌC: KQHT 1: Nhận biết trường tĩnh điện, tính chất 45T ( ĐVHT) KQHT 2: Giải thích tượng điện hưởng (cảm ứng điện), tượng phân cực chất điện mơi KQHT 3: Giải tốn mạch điện phân nhánh KQHT 4: Giải thích tương tác dòng điện với dòng điện, từ trường với hạt mang điện KQHT 5: Trình bày tượng cảm ứng điện từ, điều kiện tồn dịng điện cảm ứng KQHT 6: Trình bày mối liên hệ điện & từ theo định tính theo định lượng KQHT 7: Trình bày chất sóng điện từ ánh sáng, giải thích tượng giao thoa, nhiễu xạ Vật Lí Đại Cương A2 (Điện – Quang) Trường Đại học Trà Vinh Thời lượng Kết học GD tập (trên lớp) QT7.1/PTCT1-BM7 KẾ HOẠCH ĐÁNH GIÁ MƠN HỌC Hình thức đánh giá Mức độ yêu cấu Viết& trắc nghiệm Thao tác TT BT thực nhà tế Đề tài Tự học X X X X tiết Sinh viên chuẩn X bị trước với số tiết tối thiểu X có mặt X lớp X X KQHT tiết X X X KQHT tiết X X X KQHT 6 tiết X X X KQHT 7 tiết X X X KQHT tiết KQHT tiết KQHT ĐÁNH GIÁ CUỐI MÔN HỌC HÌNH THỨC: THỜI GIAN: NỘI DUNG: - Thi viết giấy thi Trắc nghiệm 90 phút thi viêt 60 phút trắc nghiệm Trọng tâm: - Biết tượng điện & từ giao thoa nhiễu xạ ánh sáng, giải thích tường điện, từ, giao thoa nhiễu xạ - Tính tốn thơng số sơ đồ mạch điện, thông số từ trường, điện trường - Phân biệt tượng giao thoa, nhiễu xạ, phân cực tính tốn thơng số quang học Vật Lí Đại Cương A2 (Điện – Quang) Trường Đại học Trà Vinh QT7.1/PTCT1-BM7 NỘI DUNG CHI TIẾT MÔN HỌC KQHT 1: Nhận biết trường tĩnh điện, tính chất TRƯỜNG TĨNH ĐIỆN 1.1 ĐIỆN TÍCH VÀ VẬT DẪN ĐIỆN Các tượng tự nhiên thể nhiều dạng khác nhau, vật lý học đại cho chúng thuộc vào bốn dạng tư ơng tác sau: tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ, tương tác mạnh, tương tác yếu; tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ phổ biến Đối với vật thể có kích thước thơng thường tương tác hấp dẫn yếu bỏ qua Nhưng tương tác điện từ nói chung đáng kể, chí nhiều đáng kể Trong tương tác hấp dẫn hai vật có loại, lực hút hai vật Cịn tương tác điện từ có lực hút lẫn lực đẩy Tương tác hấp dẫn phụ thuộc khối lượng vật thể Còn tương tác điện từ phụ thuộc điện tích chúng Năm 1881, nhà bác học Stoney đề nghị chọn hệ thống đơn vị tự nhiên, với đơn vị tốc độ ánh sáng, số hấp dẫn điện tích ngun tố Ơng cho phải có điện tích ngun tố nhỏ nhất, khơng thể chia nhỏ hơn, gắn liền với nguyên tử vật chất Ông đề nghị gọi tên electron Thực nghiệm chứng tỏ: Một điện tích q vật có cấu trúc gián đoạn số nguyên n lần điện tích nhỏ e (hay điện tích nguyên tố) e = 1.602.10-19 (C) q = ± ne Trong số hạt mang điện tích nguyên tố có prơton electron: Prơton = +e , mp = 1.67.10-27kg Electron = -e , me =9.1.10-31kg Prôton electron có thành phần cấu tạo nguyên tử chất Prôton nằm hạt nhân nguyên tử, cịn electron chuyển động xung quanh hạt nhân Ở trạng thái bình thường ( trạng thái trung hồ điện) tổng đại số điện tích ngun tử không Vật mang điện dương hay âm nhận thêm số electron so với lúc khơng mang điện Dựa vào thực nghiệm ta đưa định luật bảo tồn điện tích: “Tổng đại số điện tích hệ cô lập điện không đổi” 1.2 VẬT DẪN ĐIỆN VÀ VẬT CÁCH ĐIỆN: 1.2.1 Vật dẫn điện (vật dẫn): vật có điện tích chuyển động tự tồn thể tích vật, trạng thái nhiễm điện truyền vật (kim loại, dd axid bazơ…) 1.2.2 Điện mơi (chất cách điện): chất khơng điện tích chuyển động tự do, mà điện tích xuất đâu định xứ (thuỷ tinh, cao su, dầu, nước, nguyên chất…) Thật vậy, điều kiện định, vật dẫn điện được, chúng khác chổ dẫn điện nhiều hay Thí dụ: Thuỷ tinh nhiệt độ bình thường khơng dẫn điện, nhiệt độ cao trở thành chất dẫn điện Ngồi cịn có nhóm chất có tính chất dẫn điện trung gian Người ta gọi chất chất bán dẫn 1.3 ĐỊNH LUẬT COULOMB Thực nghiệm chứng tỏ điện tích ln ln tương tác với nhau: điện tích dấu đẩy nhau, điện tích trái dấu hút Năm 1785, Coulomb xác định lực tương tác hai điện tích điểm Vật Lí Đại Cương A2 (Điện – Quang) Trường Đại học Trà Vinh QT7.1/PTCT1-BM7 1.3.1 Điện tích điểm: Là vật mang điện có kích thướt nhỏ khơng đáng kể so với khoảng cách từ điện tích tới điểm vật mang điện khác mà ta xét 1.3.2 Định luật Coulomb: Lực tương tác tĩnh điện hai điện tích q1, q2 đứng n mơi trường có: – Phương nằm đường thẳng nối liền hai điện tích điểm – Chiều phụ thuộc vào dấu hai điện tích (hai điện tích dấu đẩy nhau, hai điện tích trái dấu hút nhau) q1 q (1.1) – Có độ lớn: F = 4πε ε r Trong đó: ε phụ thuộc vào tính chất mơi trường (người ta gọi số điện mơi) Đối với chân khơng ε =1 2 k= = 9.10 Nm = 8.99.10 Nm C C 4πε ε = 8.85.10 −12 C Nm số điện Nếu có nhiều hai điện tích phương trình cho cặp điện tích Lực tổng hợp tác dụng lên điện tích tìm nguyên lý chồng chất: Tức tổng vectơ lực tác dụng lên điện tích từ điện tích khác hệ Dạng biểu thức định luật Coulomb tương tự dạng biểu thức định luật vạn vật hấp dẫn Nhưng lực hấp dẫn lực hút, lực tĩnh điện (tương tác hai điện tích) lực đẩy lực hút tuỳ thuộc vào dấu điện tích 1.4 ĐIỆN TRƯỜNG Như ta biết, điện tích tương tác với chúng cách khoảng r Ở ta đặt nhiều câu hỏi: lực tương tác điện tích truyền nào? Có tham gia mơi trường xung quanh khơng? Khi có điện tích khơng gian bao quanh điện tích có thay đổi? 1.4.1 Khái niệm điện trường: Thực nghiệm cho rằng: khơng gian bao quanh điện tích có xuất dạng vật chất đặc biệt gọi điện trường Chính nhờ điện trường làm nhân tố trung gian lực tương tác tĩnh điện truyền từ điện tích tới điện tích Một tính chất điện trường điện tích đặt điện trường bị điện trường tác dụng lực 1.4.2 Véctơ cường độ điện trường: Nhiệt độ có giá trị xác định điểm phòng mà bạn ngồi, bạn đo nhiệt độ điểm cách đặt vào nhiệt kế Ta gọi phân bố nhiệt độ trường nhiệt độ Cũng tương tự cách ta nghĩ đến trường áp suất khí Đó phân bố điểm giá trị áp suất Hai ví dụ trường vơ hướng nhiệt độ áp suất trường vơ hướng Điện trường trường véctơ, gồm phân bố vectơ a Định nghĩa: Đặt điện tích dương qo điểm M điện trường (điện tích đủ nhỏ để không làm thay đổi điện trường mà ta xét - gọi điện tích thử), qo bị điện r r F khơng phụ thuộc vào điện tích q mà trường tác dụng lực F Thực nghiệm chứng tỏ o q0 phụ tht vị trí điểm M phụ thuộc vào điện tích gây điện trường Tức r r F điểm xác định điện trường tỷ số E = số q0 Vật Lí Đại Cương A2 (Điện – Quang) Trường Đại học Trà Vinh QT7.1/PTCT1-BM7 r Như vậy, E đặc trưng cho điện trường phương diện tác dụng lực điểm xét r r E gọi véctơ cường độ điện trường điểm , độ lớn E gọi cường độ điện trường Trong hệ SI, đơn vị điện trường V/m b Vectơ cường độ điện trường gây điện tích điểm: Giả sử có điện tích q tạo khơng gian chung quah điện trường Để tìm điện trường này, ta đặt điện tích thử qo dương điểm cách điện tích q khoảng r Theo định luật Coulomb, độ lớn lực tĩnh điện tác dụng lên qo: q q0 F= 4πε ε r r Nếu q>0: F hướng xa q r Nếu q0 r E hướng vào q q>R: q E= 4πε ε h – Trường hợp h = (ở tâm vòng dây) r E=0 E=0 b Điện trường gây đĩa tròn mang điện: Xét đĩa trịn mang điện, bán kính R Giả sử đĩa điện tích phân bố liên tục với mật độ điện mặt σ Để xác định vectơ cường độ điện trường gây đĩa tròn điểm M trục đĩa Ta tưởng tượng chia đĩa thành diện tích vơ nhỏ ds, giới hạn vịng trịn đồng tâm O bán kính x x+dx, hình vẽ Diện tích ds mang điện tích dq phần tử điện phần tử điện tích bằng: ds = xdθ dx dq = σ ds = σ dx.dθ Có thể coi dq điện tích điểm Vectơ cường độ điện trường dE1 gây M có phương chiều hình 1.2 có độ lớn: Mà: λ = Vật Lí Đại Cương A2 (Điện – Quang) Trường Đại học Trà Vinh dE1 = 4πε dq εr QT7.1/PTCT1-BM7 (a) Với r = AM = h + x , h khoảng cách từ tâm O đến M r r r r Vì lí đối xứng: dE1 dE đối xứng với qua trục OM: dE1 = dE Vectơ cường độ điện trường tổng hợp: r r r dE = dE1 + dE hướng theo trục OM (như hình vẽ) r r Chiếu dE lên trục OM: dE = dE1 cos α h = r Ta có: cos α = a )( ⎯(⎯b ) → dE = ⎯ h (b) h2 +x2 4πε ε xdx.dv σ h (h + x ) Áp dụng nguyên lý chồng chất điện trường: r r E = ∫ dE r x.dx.dv σh ⇒ E = ∫ dE = ∫ 2πε ε (h + x ) r σh ⇔E= 2πεε R ∫ R ∫ = h −1 = z R ∫ R ∫ (h + x ) x dx (h + x ) = σ 2ε ε ∫ dv z.dz = z3 h2 + R2 −2 ∫z dz h h2 + R2 h ⎛ 1⎞ ⎜ =− − ⎟ ⎜ 2 h⎟ ⎝ (h + R ) ⎠ x dx ⇒ E = h2 + R2 x.dx (h + x ) (h + x ) π x.dx ∫ π ( ∫ dv = π ) 1 − h (h + R ) 12 ⎛ ⎜1 − ⎜ ⎝ h h2R2 ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ Biểu thức viết dạng: ⎛ ⎞ ⎟ σ ⎜ h ⎜1 − ⎟ E= 2ε ε ⎜ R2 +1 ⎟ ⎜ ⎟ h ⎝ ⎠ Nếu R → ∞ (đĩa mang điện trở thành mặt phẳng vô hạn mang điện đều) ta có: E= σ 2ε ε Vật Lí Đại Cương A2 (Điện – Quang) Trường Đại học Trà Vinh QT7.1/PTCT1-BM7 Nhận xét: - Cường độ điện trường mặt phảng mang điện gây điểm M điện trường không phụ thuộc vào vị trí điểm M ( E = const ) r - Tại điểm điện trường, vectơ E (do mặt phẳng vô hạn mang điện gây ra) có phương vng góc với mặt phẳng, hướng phía mặt phẳng mặt phẳng mang điện dương, hướng phía mặt phẳng mặt phẳng mang điện âm 1.5 ĐIỆN THƠNG ĐỊNH LÍ OSTROGRADKI-GAUSS (ĐỊNH LÝ O-G) 1.5.1 Đường sức điện trường: Đường sức điện trường đường cong vẽ điện trường cho tiếp tuyến điểm có phương tiếp tuyến với phương cường độ điện trường điểm có chiều chiều vectơ điện trường điểm Qui ước: - Các đường sức vẽ cho số đường sức đơn vị diện tích mặt r phẳng thẳng góc với đường sức tỉ lệ với độ lớn E Điều có nghĩa nơi đường sức sát E lớn, nơi đường sức thưa E nhỏ - Tập hợp đường sức điện trường gọi phổ đường sức điện trường hay điện phổ Tính chất - Đường sức điện trường đường khơng khép kín: xuất phát từ điện tích dương (+) kết thúc điện tích âm (-) - Các đường sức không cắt 1.5.2 Thông lượng điện (điện thơng): r Giả sử ta đặt diện tích (S) điện trường E r n (S) r E • ds dSn α dS r E r En r n r dS Hình 1.3 r Ta chia diện tích S thành diện tích vơ nhỏ ds cho vectơ E điểm diện tích Người ta định nghĩa thơng lượng gởi qua diện tích ds bằng: r r dΦ e = E.ds r r ds vectơ diện tích hướng theo pháp tuyến n ds có độ lớn ds r r r r dφ e = E.ds = Eds cos α (1.4), α = (n , E ) r r Ta có: ⇒ d φ e = E.ds r r dφ e = E.ds n r r r r (En hình chiếu E lên n , dsn hình chiếu ds lên phương vng góc với E ) r φ e = ∫ E n ds = ∫ E.ds n (S ) (S ) Vậy: Thông lượng E gởi qua mặt (S) là: Từ biểu thức (1.4), cho ta thấy dấu dφe phụ thuộc vào góc α r Người ta qui ước: mặt kín ta ln chọn chiều dương n chiều hướng xa mặt Với qui ước ta có: Vật Lí Đại Cương A2 (Điện – Quang) Trường Đại học Trà Vinh QT7.1/PTCT1-BM7 π dφe < α > π dφe > α < Theo hình vẽ ta thấy số đường sức gởi qua ds số đường sức gởi qua dsn r Vậy: Thông lượng điện trường E gởi qua diện tích (S) đại lượng có độ lớn số đường sức điện trường vẽ qua diện tích Trong hệ SI, đơn vị điện thông vôn.mét (V.m) 1.5.3 Đinh lý O-G (Ostrograski-Gauss) Để tìm khối tâm củ khoai, bạn thực thực nghiệm cách tính tốn số tích phân ba lớp Tuy nhiên củ khoai có dạng elipsơit đối xứng giúp bạn biết xác khối tâm mà khơng cần tính tốn Sự đối xứng có lĩnh vực vật lý, có ý nghĩa thể định luật vật lý dạng tận dụng đầy đủ tính đối xứng Định luật coulomb định luật chủ chốt tĩnh điện học khơng thể dạng để làm cho việc tính toán đặt biệt đơn giản trường hợp có đối xứng Đinh lý O-G dể dàng tận dụng trường hợp đặ c biệt Trọng tâm định lý O-G mặt giả thuyết mặt kín (cịn gọi mặt Gauss) Mặt kín có dạng mà bạn muốn Nhưng mặt kín có mặt thể tính đối xứng (Thường mặt cầu, mặt trụ có dạng đối xứng đó) Xét hệ điện tích điểm q1, q2,… qn (Phân bố gián đoạn khơng gian), hệ tích điểm gây xung quanh điện trường Định lý O-G cho phép ta tính thơng lượng điện trường qua mặt kín (S) đặt điện trường a Phát biểu: “ Thơng lượng điện trường gởi qua mặt kín (S) môi trường đồng chất tổng đại số điện tích nằm mặt kín chia cho tích số ε ε ”: n r r φe = ∫ Eds = (S ) ∑q i =1 i ε 0ε Chú ý: Vế phải phương trình dấu điện tích tổng cộng chứa mặt r (S) Nhưng E vế trái điện trường tất điện tích lẫn ngồi mặt kín tạo b Ví dụ: Tính thơng lượng điện trường trường hợp sau: Cho q1 = 10 −9 C • q4 • q1 q = − 10 −9 C (S) • q2 • q3 • q5 q3 = 3.10 −9 C −9 : q = q5 = 2.10 C Giải Nhận xét mặt kín (S) có tất điện tích ?(có 3: q1, q2,q3 ) Định lý O-G: n r r φe = φE.ds = φe = ∑q i =1 i ε 0ε q1 + q + q3 = (1 − + 3).10 −9 ε 0ε ε 0ε Vật Lí Đại Cương A2 (Điện – Quang) 10 Trường Đại học Trà Vinh QT7.1/PTCT1-BM7 Vậy: cách tử có tổng số vạch N cho trước bậc quang phổ cao, suất phân giải lớn Khác với độ tán sắc phụ thuộc vào số vạch đơn vị chiều dài, suất phân giải tỉ lệ với tổng vạch Bài đọc thêm số 2: SỰ HẤP THỤ ÁNH SÁNG Hiện tượng hấp thụ ánh sáng: Giải thích theo quan niệm cổ điển: Sự hấp thụ ánh sáng làì kết qủa tương tác sóng điện từ (sóng ánh sáng) với chất Dưới tác dụng điện trường sóng ánh sáng có tần số (, electron nguyên tử phân tử dịch chuyển hạt nhân tích điện dương thực dao động điều hịa với tần số ( Electron dao động trở thành nguồn phát sóng thứ cấp Do giao thoa sóng tới sóng thứ cấp mà mơi trường xuất sóng có biên độ khác với biên độ sóng tới Do đó, cường độ ánh sáng sau qua mơi trường thay đổi: khơng phải tồn lượng bị hấp thụû nguyên tử phân tử giải phóng dạng xạ mà có hao hụt hấp thụ ánh sáng Năng lượng bị hấp thụ chuyển thành dạng lượng khác, ví dụ lượng nhiệt, vật bị nóng lên Vật Lí Đại Cương A2 (Điện – Quang) 86 Trường Đại học Trà Vinh QT7.1/PTCT1-BM7 Ðịnh luật Bouguer hấp thụ ánh sáng Ðịnh luật nầy Bouguer thiết lập năm 1729 nên gọi định luật Bouguer Ở ( hệ số, đặc trưng cho độ giảm cường độ ánh sáng qua môi trường, gọi hệ số hấp thụû mơi trường Nó không phụ thuộc vào cường độ ánh sáng Như vậy, cường độ ánh sáng truyền qua môi trường hấp thụû giảm theo hàm số mũ Hệ số hấp thụ: Quan sát hình 19.2 ta thấy có vạch hấp thụû mạnh Các cực đại ứng với tần số cộng hưởng electron nguyên tử Ðối với khí đa nguyên tử, ta quan sát vạch hấp thụû nằm sát tạo thành dãy hấp thụû Cấu trúc dãy hấp thụû phụ thuộc vào thành phần cấu tạo phân tử Vì nghiên cứu quang phổ hấp thụû ta biết cấu tạo phân tử Ðó nội dung phương pháp phân tích quang phổ hấp thụû Các chất rắn, lỏng khí áp suất cao cho ta đám hấp thụû rộng (hình19.3) Vật Lí Đại Cương A2 (Điện – Quang) 87 Trường Đại học Trà Vinh QT7.1/PTCT1-BM7 Khi tăng áp suất chất khí, vạch hấp thụû rộng áp suất cao phổ hấp thụ chất khí giống với phổ hấp thụ trạng thái lỏng Ðiều cho thấy mở rộng vạch quang phổ biểu tương tác phân tử Màu sắc vật: Nếu chất có hệ số hấp thụ nhỏ với xạ khả kiến ví dụ khơng khí hay thủy tinh, vật khơng có màu sắc Ngược lại, vật hấp thụû hịan tồn ánh sáng thấy vật có màu đen Màu sắc dung dịch màu kính lọc sắc giải thích hấp thụû có chọn lựa Ví dụ kính lọc sắc đỏ hấp thụ ánh sáng đỏ màu da cam đồng thời lại hấp thụ xạ thấy lại Trong trường hợp phản xạ,û màu sắc vật phản xạ ánh sáng giải thích phản xạ chọn lọc ánh sáng bề mặt chúng Lưu ý : màu sắc vật không phụ thuộc vào tính chất quang học bề mặt (thí dụ màu sơn quét nó) mà phụ thuộc vào thành phần quang phổ ánh sáng tới, vật quét sơn đỏ có màu đen chiếu ánh sáng màu lục Bài đọc thêm số 3: SỰ TÁN XẠ ÁNH SÁNG Chúng ta thường giả thiết ánh sáng truyền môi trường đồng tính thực tế lại khơng có mơi trường hồn tồn đồng tính, mà xuất độ chênh lệch mật độ, nhiệt độ chuyển động nhiệt nguyên tử, phân tử cấu tạo nên môi trường Trong môi trường ánh sáng khơng truyền thẳng mà cịn theo phương khác, tức bị tán xạ Ðó tán xạ thường gọi tán xạ phân tử Một số mơi trường cịn có hạt lạ, mà chiết suất hệ số hấp thụû chúng khác với chiết suất hệ số hấp thụû nguyên tử phân tử cấu tạo nên môi trường Môi trường chứa hạt lạ gọi mơi trường đục tán xạ ánh sáng theo phương gọi tán xạ hạt nhỏ tán xạ Tyndall Các hạt lạ hạt rắn khơng khí khói, bụi, hạt nước sương mù, hạt keo dung dịch keo Vậy nguyên nhân làm tán xạ ánh sáng hai trường hợp khơng đồng tính quang học mơi trường Ngồi hai loại tán xạ nói trên, Raman phát tượng tán xạ gọi tán xạ tổ hợp ánh sáng Sự tán xạ ánh sáng hạt nhỏ a) Thí nghiệm: Nếu quan sát theo phương OA (phương chùm tia tới) thấy có ánh sáng; cịn theo phương khác, chẳn hạn phương OB vng góc với phương ánh sáng tới khơng nhìn thấy chùm tia sáng ống Nước tinh khiết mơi trường đồng tính quang học, nên khơng tán xạ ánh sáng Bây nhỏ vài giọt sữa vào ống lắc Nhìn vào ống theo phương OB ta nhìn thấy ánh sáng ống Vậy chất lỏng ống môi trường đục, tán xạ ánh sáng qua Vật Lí Đại Cương A2 (Điện – Quang) 88 Trường Đại học Trà Vinh QT7.1/PTCT1-BM7 Ðường cong (Hình 19.5) biểu diễn cơng thức (19.4) gọi giản đồ thị tán xạ Nó có tính đối xứng phương tia tới phương vng góc với Hình 19.5 b) Lý thuyết tán xạ Rayleigh: Vật Lí Đại Cương A2 (Điện – Quang) 89 Trường Đại học Trà Vinh QT7.1/PTCT1-BM7 Hiện tượng tán xạ Tyndan luôn xảy dung dịch có hạt lơ lửng, đặc biệt dung dịch keo, bầu khí quyển, nhiều đồ uống v.v Do đó, nghiên cứu màu sắc ánh sáng tán xạ đốn nhận kích thước hạt có mặt dung dịch nghiên cứu Ðo cường độ ánh sáng tán xạ xác định cách định lượng chất lơ lửng dung dịch, độ suốt khí v.v Sự tán xạ phân tử : Hiện tượng tán xạ cịn quan sát mơi trường tinh khiết, nghĩa môi trường không chứa hạt lạ khơng khí, nước tinh khiết v.v Thực nghiệm cho thấy rằng, cường độ ánh sáng tán xạ lớn nhiệt độ cao Như tượng tán xạ xảy chuyển động nhiệt phân tử cấu tạo nên môi trường, nên người ta gọi tán xạ phân tử Vật Lí Đại Cương A2 (Điện – Quang) 90 Trường Đại học Trà Vinh QT7.1/PTCT1-BM7 Cường độ ánh sáng tán xạ phân tử bé nhiều so với tán xạ Tyndall Tuy ta quan sát khí quyển, nước biển Sự thăng giáng mật độ xảy mạnh chất khí trạng thái tới hạn, tức trạng thái mà chất khí tính chất trở nên đồng với chất lỏng Khi ánh sáng bị tán xạ mạnh Sự tán xạ tổ hợp ánh sáng - Tán xa Raman Năm 1928, độc lập với nhau, hai nhà vật lý Manderstam Raman phát dạng tán xạ đặc biệt chất lỏng chất khí Manderstam Raman nhận thấy rằng, thành phần quang phổ ánh sáng tán xạ, vạch có tần số tần số ánh sáng kích thích, hai bên vạch mạnh cịn xuất vạch yếu gọi vạch tùy tùng, có tần số tổ hợp tần số ánh sáng kích thích tần số dao động riêng nguyên tử, đặc trưng cho chất tán xạ Vì vậy, tượng tán xạ gọi tán xạ tổ hợp ánh sáng Tán xạ tổ hợp ánh sáng có quy luật sau đây: 1.Mỗi vạch quang phổ ánh sáng kích thích có vạch tùy tùng 4.Khi tăng nhiệt đô, cường độ vạch tùy tùng "tím" tăng nhanh; cịn cường độ vạch tùy tùng "đỏ" giảm Vạch tùy tùng "đỏ" cịn gọi vạch Stock, vạch tùy tùng "tím" gọi làü vạch đối Stock Sự xuất vạch Stock đối Stock quang phổ tán xạ ánh sáng giải thích theo lý thuyết cổ điển, khơng giải thích phân bổ cường độ chúng Chẳng hạn, từ lý thuyết cổ điển suy Hình 19.6 cường độ vạch Stock đối Stock Ðó điều trái với thực nghiệm Các tượng tán xạ tổ hợp ánh sáng cho ta phương pháp quan trọng để nghiên cứu cấu tạo phân tử, đặc biệt phân tử chất hữu Tần số hấp thụû hồng ngoại chất tần số dao động riêng nguyên tử phân tử chất Nhờ 91 Vật Lí Đại Cương A2 (Điện – Quang) Trường Đại học Trà Vinh QT7.1/PTCT1-BM7 tượng tán xạ tổ hợp ánh sáng nên ta thay việc nghiên cứu phổ hấp thụû hồng ngoại khó khăn phức tạp phổ tán xạ tổ hợp ánh sáng đơn giản Nhờ quang phổ tán xạ tổ hợp ánh sáng, ta xác định nhanh chóng tần số dao động riêng nguyên tử phân tử, từ đóan nhận tính chất đối xứng phân tử, lực nội phân tử tương tác phân tử Với phổ tán xạ tổ hợp ánh sáng, phân tích hỗn hợp phân tử phức tạp mà phép phân tích hóa học tiến hành khó khăn, đơi khơng thể làm Ngồi tượng tán xạ tổ hợp ánh sáng nói gọi tán xạ tổ hợp tự phát, cịn có tán xạ tổ hợp cưỡng xảy kích thích chất nghiên cứu tia Laser công suất lớn Bài đọc thêm số 4: SỰ TÁN SẮC ÁNH SÁNG Hiện tượng tán sắc ánh sáng: Năm 1672, Newton nghiên cứu thực nghiệm thấy chùm ánh sáng trắng qua lăng kính thủy tinh bị phân tích thành dải nhiều màu quan sát đặt sau lăng kính Các màu xếp theo thứ tự :đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím Dải nhiều màu gọi quang phổ liên tục tượng gọi tượüng tán sắc ánh sáng Quan sát kỹ ta thấy chùm tia đỏ bị lệch nhất, trái lại chùm tia tím bị lệch nhiều nhất, chứng tỏ chiết suất chất làm lăng kính phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng (hình 19.7) Tóm lại : chiết suất chất làm lăng kính phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng hay chiết suất mộüt hàm số bước sóng Ðộ tán sắc đường cong tán sắc Ðại lượng cho biết tốc độ chiều biến thiên chiết suất theo bước sóng bước sóng cho Vật Lí Đại Cương A2 (Điện – Quang) 92 Trường Đại học Trà Vinh QT7.1/PTCT1-BM7 3.Tán sắc thường tán sắc vị thường Sự phụ thuộc chiết suất vào bước sóng vùng phổ ánh sáng phức tạp Ðối với chất hấp thụ ánh sáng qua phụ thuộc chiết suất vào bước sóng gần tn theo cơng thức Cauchy Ðối với chất có hấp thụ ánh sáng đáng kể, vùng phổ hấp thụ ta thấy: Chiết suất tăng bước sóng tăng Chiết suất biến thiên theo bước sóng nhanh theo cơng thức Cauchy Hiện tượng gọi tán sắc dị thường Hiện tượng tán sắc dị thường khơng có chất khí mà quan sát chất lỏng, chất rắn nhưng, nói chung chất khí mạnh Tóm lại, tượng tán sắc dị thường xảy với chất có độ hấp thụ ánh sáng mạnh Các chất suốt thủy tinh, thạch anh không gây tán sắc dị thường miền bước sóng khả kiến Phương pháp quan sát tượng tán sắc: a) Tán sắc thường : Phương pháp Newton nghiên cứu dùng lăng kính bắt chéo Nó cho phép quan sát tượng tán sắc thường dị thường Aïnh sáng phát từ khe S qua thấu kính L1 biến thành chùm tia song song đập vào lăng kính thứ p1, cho quang phổ I1 E Nếu đặt thêm lăng kính P2 cho cạnh vng góc với cạnh lăng kính P1, ta thấy quang phổ lúc đo ï có dạng bị uốn cong, phía tia tím độ cong tăng chứng tỏ chiết suất tăng bước sóng giảm, tượng tán sắc thường Hình 19.4 b) Tán sắc dị thường Vật Lí Đại Cương A2 (Điện – Quang) 93 Trường Đại học Trà Vinh QT7.1/PTCT1-BM7 Ứng dụng tượng tán sắc Hiện tượng tán sắc ánh sáng ứng dụng máy quang phổ lăng kính để phân tích thành phần quang phổ nguồn sáng Cấu tạo máy quang phổ lăng kính vẽ hình 19.11 cấu tạo giống máy quang phổ cách tử, khác phận tán sắc dùng lăng kính P thay cho cách tử nhiễu xạ Giảì sử nguồn S phát ánh sáng gồm nhiều ánh sáng đơn sắc có bước sóng khác Lăng kính P phân tích ánh sáng nầy thành chùm tia sáng đơn sắc song song Mỗi chùm ứng với bước sóng xác định Các chùm đơn sắc nầy sau qua thấu kính L3 hội tụ điểm khác tiêu diện thấu kính L3 Như kính ảnh M ta thụ dải vạch S1, S2, S3 nằm rời rạc Mỗi vạch ảnh khe S với ánh sáng có bước sóng tương ứng Dải vạch gọi quang phổ vạch Sự phân bố vạch quang phổ tuân theo qui luật định Mỗi quang phổ vạch đặc trưng cho nguyên tố hóa học Nghiên cứu quang phổ vạch phát xạ chất, cụ thể xác định vị trí bước sóng cường độ vạch quang phổ, ta đốn nhận ngun tố hóa học có mặt chất hàm lượng chúng Ðó phép phân tích quang phổ phát xạ, dùng rộng rãi ngành luyện kim, địa chất, chế tạo khí để phân tích thành phần hóa học nguyên liệu thành phẩm Bài đọc thêm số 5: SỰ PHÂN CỰC ÁNH SÁNG Tính chất ngang sóng ánh sáng a) Thí nghiệm: Vật Lí Đại Cương A2 (Điện – Quang) 94 Trường Đại học Trà Vinh QT7.1/PTCT1-BM7 b) Ðịnh luật Maluyt c) Ánh sáng tự nhiên ánh sáng phân cực Ta biết tinh thể tuamalin cho truyền qua ánh sáng có dao động véctơ điện trường phương với trục quang học giữ lại hịan tồn sóng ánh sáng có véctơ dao động điện trường vng góc với trục quang học Như ánh sáng qua tinh thể T1 véctơ cường độ điện trường theo phương khác có độ lớn khác Gía trị cực đại theo phương trục quang học 001 Ta gọi ánh sáng có dao động véctơ cường độ điện trường thực theo phương với xác suất ánh sáng khơng phân cực Phần lớn ánh sáng phát từ nguồn sáng thơng thường nên cịn gọi ánh sáng tự nhiên Vật Lí Đại Cương A2 (Điện – Quang) 95 Trường Đại học Trà Vinh QT7.1/PTCT1-BM7 d) Biểu diễn Người ta biểu diễn ánh sáng tự nhiên cách vẽ nhiều véctơĠ độ dài theo bán kính đường trịn nằm mặt phẳng vng góc với tia sáng (hình 19.15a) Nếu ta chọn hệ tọa độ vng góc mặt phẳng vng góc tia sáng tới chiếu tất véctơ điện trường lên phương 0x 0y tương ứng ta ln có tổng điện trường theo phương OX tổng điện trường theo phương OY xem định nghiã ánh sáng tự nhiên Nếu cho hai chùm tia sáng tự nhiên phân cực phẳng ta chùm tia sáng hỗn hợp ánh sáng phân cực phần độ lớn véctơ cường độ điện trường không theo phương Khi biểu diễn ta vẽ nhiều véctơ có độ dài khác mặt phẳng phân cực đầu mút véctơ tạo thành đường elíp Ánh sáng phân cực phần dạng phân cực phổ biến Nó đặt trưng đại lựơng gọi độ phân cực P Vật Lí Đại Cương A2 (Điện – Quang) 96 Trường Đại học Trà Vinh QT7.1/PTCT1-BM7 Sự phân cực phản xạ a) Thí nghiệm Brewster : Chiếu chùm ánh sáng tự nhiên vào mặt phân giới hai chất điện mơi (chẳng hạn khơng khí thủy tinh), phần ánh sáng bị phản xạ phần lại khúc xạ vào môi trường thứ hai Ðể khảo sát phân cực tia phản xạ khúc xạ, ta đặt dụng cụ phân tích T (bản tuamalin) đường truyền chúng quay quanh tia sáng, ta thấy: Cường độ tia phản xạ tia khúc xạ tăng giảm cách tuần hoàn, nhiên gía trị cực tiểu cường độ sáng khác không Như vậy, ta kết luận tia phản xạ tia khúc xạ tia phân cực phần, véctơ điện trường dao động ưu tiên theo phương mặt phẳng vng góc với tia sáng Ðịnh luật Brewter không nghiệm ánh sáng phản xạ bề mặt vật dẫn, kim loại chẳng hạn, trạng thái phân cực chùm tia phản xạ phụ thuộc cách phức tạp vào chiết suất kim loại Thí nghiệm chứng tỏ, tia phản xạ bị phân cực hồn tồn độ phân cực P tia khúc xạ đạt đến giá trị cực đại tia phân cực phần Véctơ cường độ điện trường dao động ưu tiên mặt phẳng tới Muốn cho chùm tia khúc xạ phân cực hịan tồn phải cho qua loạt điện mơi liên tiếp (từ đến 10 điện mơi) tia khúc xạ bị phân cực hoàn toàn Lưu ý véctơ cường độ điện trường ánh sáng khúc xạ phản xạ dao động theo hai phương vng góc b) Giải thích: Vật Lí Đại Cương A2 (Điện – Quang) 97 Trường Đại học Trà Vinh QT7.1/PTCT1-BM7 Tại điểm I, có tương tác ánh sáng môi trường làm cho điện tử mơi trường dao động phát sóng thứ cấp, sóng thứ cấp giao thoa với cho sóng phản xạ khúc xạ Hiện tượng lưỡng chiết a) Thí nghiệm: Khi cho tia sáng truyền qua tinh thể băng lan ta thấy tia sáng bị tách thành tia khỏi tinh thể Hiện tượng gọi tượng lưỡng chiết Thí nghiệm cho thấy tia khỏi tinh thể song song với song song với tia tới (Hình 19.19) Cả hai tia tia phân cực phẳng hai mặt phẳng vng góc có cường độ Một hai tia tuân theo định luật khúc xạ ánh sáng thông thương nên gọi tia thường ký hiệu chữ Tia thứ hai không tuân theo định luật khúc xạ ánh sáng nên gọi tia bất thường ký hiệu chữ e Vật Lí Đại Cương A2 (Điện – Quang) 98 Trường Đại học Trà Vinh QT7.1/PTCT1-BM7 Không phải có băng lan mà tinh thể có tính lưỡng chiết, ngoại trừ tinh thể thuộc hệ lập phương Có tinh thể bên có đến hai phương mà chiếu ánh sáng dọc theo khơng xảy tượng lưỡng chiết Tinh thể gọi tinh thể lưỡng trục Ðối với tinh thể lưỡng trục hai tia xuất hiện tượng lưỡng chiết tia bất thường Ở ta không xét đến tinh thể lưỡng trục Trong tinh thể đơn trục mặt phẳng chứa tia tới trục quang học tinh thể gọi mặt phẳng hay tiết diện tinh thể Trên hình 19.19 mặt chéo ACA1C1 thường dùng để biểu diễn tia sáng b) Tia thường tia bất thường: Mặt khác tia bất thường phân cực mặt phẳng Ee có hai thành phần song song vng góc với quang trục Do đó, vận tốc truyền khác theo phương khác nhau: ne phụ thuộc vào chiều truyền tia bất thường Nếu đặt thêm đường truyền tia thường tia bất thường tinh thể lưỡng chiết tia lại tách thành tia thường tia bất thường Ðiều chứng tỏ tượng lưỡng chiết xẩy chiếu vào tinh thể ánh sáng tự nhiên ánh sáng phân cực (Hình 19.20) Nhưng dùng ánh sáng tự nhiên cường độ hai tia Cịn dùng ánh sáng phân cực cường độ khơng mà phụ thuộc Vật Lí Đại Cương A2 (Điện – Quang) 99 Trường Đại học Trà Vinh QT7.1/PTCT1-BM7 vào góc mặt phẳng dao động ánh sáng phân cực phẳng tới tinh thể mặt phẳng Hệ thức 19.16 thực nghiệm hồn tịan xác nhận Thật vậy, đặt M vng góc với tia thường tia bất thường quan sát vệt sáng chúng (Hình19.22) Khi quay tinh thể quanh phương tia thường vệt sáng tia thường khơng di chuyển, cịn vệt sáng tia bất thường quay xung quanh vạch nên vòng tròn tâm đồng thời tỉ số cường độ vệt sáng nầy thay đổi phù hợp với hệ thức (19.16) Các dụng cụ phân cực ánh sáng Khi dùng tượng phản xạ khúc xạ để có ánh sáng phân cực phẳng thơng thường cườìng độ ánh sáng thụ yếu, thực tế, người ta không tạo ánh sáng phân cực phẳng bằịng phương pháp Có thể dùng tượng lưỡng chiết ánh sáng phân cực phẳng tinh thể lưỡng chiết lại có kích thước bé tinh thể băng lan tinh thể có tượüng lưỡng chiết mạnh không cho tia thường tia bất thường tách xa Ðể tạo ánh sáng phân cực phẳng người ta dùng lăng kính phân cực dựa vào tính lưỡng chiết tinh thể làm lăng kính, dùng phân cực dựa vào tính lưỡng sắc tức hấp thụû khác tinh thể tia thường tia bất thường Lăng kính phân cực thường tổ hợp lăng kính tinh thể chia làm hai loại lăng kính cho tia phân cực phẳng lăng kính cho hai tia phân cực phẳng, phân cực hai mặt phẳng vng góc Chúng ta khảo sát vài dạng dụng cụ phân cực khác loại nói a Lăng kính Nicol: Vật Lí Đại Cương A2 (Điện – Quang) 100 ... theo chiều giảm Vật Lí Đại Cương A2 (Điện – Quang) 21 Trường Đại học Trà Vinh QT7.1/PTCT1-BM7 D Nếu đường sức uốn cong điện trường khơng Vật Lí Đại Cương A2 (Điện – Quang) 22 Trường Đại học Trà Vinh... đoạn R1 R2 tính cơng thức: ⇔ V1 − V2 = q Vật Lí Đại Cương A2 (Điện – Quang) 18 Trường Đại học Trà Vinh V2 QT7.1/PTCT1-BM7 R2 V1 − V2 = ∫ − dv = ∫ E.dr V1 R1 Q R1 ⇒ V1 − V2 = R2 dr ∫ 2? ?ε ε l ... điện mạch là: a) I b) 2I c) 4I d) 16I e) 32I Vật Lí Đại Cương A2 (Điện – Quang) 35 Trường Đại học Trà Vinh Vật Lí Đại Cương A2 (Điện – Quang) QT7.1/PTCT1-BM7 36 Trường Đại học Trà Vinh QT7.1/PTCT1-BM7