Vật lý đại cương 2 Chương 3 - TS. Phạm Thị Hải Miền.pdf

CHƯƠNG TÍNH CHẤT SĨNG ÁNH SÁNG GIAO THOA ÁNH SÁNG 1.1 Hiện tượng giao thoa ánh sáng 1.2 Giao thoa với khe Young 1.3 Giao thoa cho mỏng 1.3.1 Bản mỏng có độ dày khơng đổi 1.3.2 Bản mỏng có độ dày thay đổi: nêm, hệ Newton NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG 2.1 Nhiễu xạ sóng cầu 2.1.1 Nhiễu xạ qua lỗ trịn 2.1.2 Nhiễu xạ qua đĩa trịn 2.2 Nhiễu xạ sóng phẳng 2.2.1 Nhiễu xạ qua khe hẹp 2.2.2 Nhiễu xạ qua cách tử 1.1 HIỆN TƯỢNG GIAO THOA ÁNH SÁNG THANG SÓNG ĐIỆN TỪ Ánh sáng 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 tần số ánh sáng định PHƯƠNG TRÌNH SĨNG ÁNH SÁNG • Quang lộ điểm O M đoạn đường ánh sáng truyền chân không khoảng thời gian t, với t thời gian ánh sáng đoạn d=OM môi trường chiết suất n: L=n.d • Phương trình dao động sóng ánh sáng O: uo  A cos t • Phương trình dao động sóng ánh sáng M môi trường chiết suất n: 0 L  2 x  2 L   uM  A cos  t   (vì x  ,   )   A cos  t  n n   0    Với λ0 , λ – bước sóng ánh sáng chân khơng mơi trường n • Cường độ sáng tỉ lệ với bình phương biên độ dao động điện trường: I  kA2 I – cường độ sáng k – hệ số tỉ lệ A – biên độ dao động điện trường ĐỊNH LÝ VỀ QUANG LỘ • Định lý Malus: quang lộ tia sáng mặt trực giao chùm sáng • Khi tia sáng bị phản xạ môi trường chiết quang quang lộ dài thêm nửa bước sóng NGUYÊN LÝ CHỒNG CHẤT Khi hai hay nhiều sóng ánh sáng gặp sóng riêng biệt khơng bị sóng khác làm nhiễu loạn Sau gặp nhau, sóng ánh sáng truyền cũ, điểm gặp nhau, dao động sóng tổng dao động thành phần HIỆN TƯỢNG GIAO THOA ÁNH SÁNG • Giao thoa ánh sáng tượng chồng chất hai (hay nhiều) sóng ánh sáng kết hợp làm xuất không gian vân sáng vân tối nằm xen kẽ - Những vân sáng gọi cực đại giao thoa - Những vân tối gọi cực tiểu giao thoa • Điều kiện giao thoa: sóng chồng chất lên phải sóng kết hợp • Sóng kết hợp sóng có phương dao động có hiệu pha khơng biến đổi theo thời gian (cùng tần số) Đĩa CD Lơng cơng Vỏ sị Ngọc mắt mèo • Xét sóng phẳng phương, tần số điểm M: 2 x1  A1 sin(t  L1 ) 0  2  x2  A2 sin  t  L2  0   • Theo nguyên lý chồng chất, dao động tổng hợp M là: x  x1  x2 2    ( L1  L2 ) • Hiệu pha sóng: 0 A2  A12  A22  A1 A2cos I  I1  I  I1 I cos  I  I1  I  I1 I cos  • Nếu   2 0 ( L1  L2 )  2k  L  L1  L2  k 0 nghĩa dao động thành phần pha với nhau, dao động tổng hợp có cường độ cực đại, ứng với vân sáng I max  I1  I  I1I • Nếu   2 0 ( L1  L2 )  (2k  1)  L  L1  L2  (2k  1) 0 nghĩa dao động thành phần ngược pha với nhau, dao động tổng hợp có cường độ cực tiểu, ứng với vân tối I  I1  I  I1I k  0, 1, 2, 1.2 GIAO THOA VỚI KHE YOUNG L  d sin  Phân bố vị trí vân giao thoa   2  1  2  ( L2  L1 )  2  k  L    k      d sin    k       ( k  )  2  d sin   VS  VT 1.3 GIAO THOA ÁNH SÁNG CHO BỞI BẢN MỎNG • Bản mỏng suốt có độ dày vào cỡ vài phần trăm mm (màng xà phịng, váng dầu, lớp khơng khí mỏng) • Khi chiếu ánh sáng vào mỏng mặt mỏng thường xuất vân sóng nhiều màu – gọi vân mỏng Nguyên nhân tượng có giao thoa chùm tia sáng phản xạ mặt mặt mỏng • Giao thoa xảy màng mỏng có bề dày cỡ bước sóng ánh sáng, màng dày hai tia phản xạ hai tia kết hợp 1.3.1 GIAO THOA BẢN MỎNG ĐỘ DÀY KHÔNG ĐỔI VÂN CÙNG ĐỘ NGHIÊNG Hai tia SACBR1 SAR2 giao thoa với tai vô cực sin i n sin r O     L  L1  L2  n  AC  CB   BM    AH  HM   2  0 L  L1  L2  2n AC  AH  0 d  2n  2d tan r sin i  cos r  2d n  sin i  2 0 L  2d n  sin i  2 0 • Nếu i thỏa mãn điều kiện L  k 0 M vân sáng 0 • Nếu i thỏa mãn điều kiện L  (2k  1) M vân tối • Những tia sáng có góc nghiêng i cho cực đại cực tiểu giao thoa có cường độ sáng  tạo thành vân giao thoa có dạng vịng trịn với tâm trùng tiêu điểm thấu kính, gọi vân độ nghiêng • Ứng với góc nghiêng i khác ta hệ vân giao thoa gồm vịng trịn sáng tối xen kẽ • Vân giao thoa định xứ vơ cực • Hiện tượng giao thoa cho mỏng song song ứng dụng để khử ánh sáng phản xạ mặt thấu kính lăng kính thủy tinh • Phủ lên mặt thủy tinh lớp màng mỏng CaF2 MgF2 có độ dày d chiết suất n, cho nkk < n < ntt L  2nd   2k  1 d   2k  1 d  0 0 0 4n 4n • Thơng thường chọn d theo λ0 = 0,555 µm ứng với xanh màu nhạy mắt người BÀI TẬP VÍ DỤ Chiếu chùm ánh sáng trắng xiên góc 450 lên màng nước xà phịng Tìm bề dày nhỏ màng để tia phản chiếu có màu vàng Biết bước sóng ánh sáng vàng 6.10-5 cm, chiết suất 1,33 Hướng dẫn giải • Màng nước xà phịng mỏng song song • Để tia phản chiếu có màu vàng, phải có cực đại giao thoa bước sóng ánh sáng vàng: v 2 L  2d n  sin i   k v • Bề dày màng phải thỏa mãn điều kiện: 1 (0  )v (k  )v 5 2 d   1,33.10 cm d  2 2 n  sin i n  sin i 1.3.2 GIAO THOA CHO BỞI BẢN MỎNG ĐỘ DÀY THAY ĐỔI VÂN CÙNG ĐỘ DÀY Hai tia SACBR1 SBR2 giao thoa với B d ≈ CK O   L  L1  L2   SA  n  AC  CB   BR1   SH  HB  BR2   2  L  L1  L2  2d n  sin i  2 0 L  L1  L2  2d n  sin i  • Nếu d thỏa mãn điều kiện L  k 0 với độ dày d vân sáng 0 mặt mỏng ứng 0 • Nếu d thỏa mãn điều kiện L  (2k  1) mặt mỏng ứng với độ dày d vân tối • Những vân sáng tối ứng với dày d mỏng gọi vân độ dày • Vân giao thoa định xứ mặt mỏng BẢN MỎNG HÌNH NÊM a Nêm khơng khí: lớp khơng khí mỏng giới hạn hai thủy tinh G1 G2 có độ dày khơng đáng kể tạo thành góc α nhỏ khoảng vài phần nghìn radian Hai tia SABAR1 SAR2 giao thoa với A 0   L  L1  L2   SA  AB  AR1    SA  AR  2  0 L  2d  • Cực tiểu giao thoa (vân tối): 0 0 L  L1  L2  2d    2k  1 2 0 với k = 0, 1, 2, 3,… d k • Cực đại giao thoa (vân sáng): L  L1  L2  2d  d   2k  1 0 0  k 0 với k = 1, 2, 3,… • Khoảng cách hai vân tối hai vân sáng kế tiếp: d k 1  d k 0 i  sin  2 • Các vân giao thoa đoạn thẳng song song cạnh nêm • Cạnh nêm ln vân tối  ... M: 2? ?? x1  A1 sin(t  L1 ) 0  2? ??  x2  A2 sin  t  L2  0   • Theo nguyên lý chồng chất, dao động tổng hợp M là: x  x1  x2 2? ??    ( L1  L2 ) • Hiệu pha sóng: 0 A2  A 12  A 22 ... tối): 0 0 L  L1  L2  2d    2k  1 2 0 với k = 0, 1, 2, 3, … d k • Cực đại giao thoa (vân sáng): L  L1  L2  2d  d   2k  1 0 0  k 0 với k = 1, 2, 3, … • Khoảng cách hai vân... màng phải thỏa mãn điều kiện: 1 (0  )v (k  )v 5 2 d   1 ,33 .10 cm d  2 2 n  sin i n  sin i 1 .3 .2 GIAO THOA CHO BỞI BẢN MỎNG ĐỘ DÀY THAY ĐỔI VÂN CÙNG ĐỘ DÀY Hai tia SACBR1 SBR2 giao