Khóa luận tốt nghiệp hiện tượng giao thoa ánh sáng

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LY ́ TRẦN THỊ THU HIỆN TƢỢNG GIAO THOA ÁNH SÁNG Chun ngành: Vật lý đại cƣơng KHĨA LUẬN TƠT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học TS Đào Cơng Nghinh HÀ NỘI, 2017 LỜI CẢM ƠN Khóa luận tốt nghiệp với đề tài: “Hiện tượng giao thoa ánh sáng” hoàn thành với nỗ lực thân giúp đỡ tận tình, chu đáo thầy giáo - TS Đào Công Nghinh thầy cô tổ Vật lý đại cƣơng khoa Vật lý trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội Tôi xin chân thành cảm ơn giúp đỡ quí báu q thầy cơ, đồng thời xin chân thành cảm ơn thƣ viện trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành đề tài Trong trình nghiên cứu, thân sinh viên bƣớc đầu làm quen với phƣơng pháp nghiên cứu khoa học nên không tránh khỏi thiếu sót hạn chế Vì tơi mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp q thầy bạn để đề tài đƣợc hoàn thiện Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 18 tháng 04 năm 2017 Sinh viên Trần Thị Thu LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung tơi trình bày khóa luận tốt nghiệp với đề tài: “Hiện tượng giao thoa ánh sáng” kết nghiên cứu thân với hƣớng dẫn thầy giáo - TS Đào Công Nghinh Những nội dung khơng trùng với kết nghiên cứu tác giả khác Hà Nội, ngày 18 tháng 04 năm 2017 Sinh viên Trần Thị Thu MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài M c đích nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu Nhiệm v nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu NỘI DUNG .3 CHƢƠNG LÝ THUYẾT VỀ GIAO THOA ÁNH SÁNG 1.1 Tổng quan sóng ánh sáng 1.1.1 Phương trình sóng ánh sáng 1.1.2 Nguyên lý chồng chất ánh sáng 1.2 Sự giao thoa ánh sáng 1.2.1 Khái niệm giao thoa ánh sáng 1.2.3 Điều kiện để có giao thoa ánh sáng 1.2.4 Nguyên tắc tạo sóng kết hợp .5 1.3 Giao thoa nguồn điểm 1.3.1 Sơ đồ thí nghiệm giao thoa ánh sáng với khe Y Âng 1.3.2 Điều kiện cực đại, cực tiểu 1.3.3 Hình dạng vân giao thoa 1.3.4 Vị trí vân giao thoa - khoảng vân .8 1.3.5 Giao thoa với ánh sáng trắng .8 1.4 Giao thoa với mỏng 1.4.1 Bản mỏng có độ dày khơng đổi 1.4.2 Bản mỏng có độ dày thay đổi 10 1.4.3 Vân cho nêm khơng khí .11 1.4.4 Vân tròn Niuton 11 1.5 Ứng d ng tƣợng giao thoa .12 CHƢƠNG MỘT SỐ DẠNG BÀI TẬP VỀ GIAO THOA ÁNH SÁNG 13 2.1 Giao thoa ánh sáng qua khe Y Âng 13 2.1.1 Giao thoa với ánh sáng đơn sắc 13 2.1.2 Giao thoa với ánh sáng đơn sắc .30 2.1.3 Giao thoa với hay nhiều ánh sáng đơn sắc 44 2.1.4 Giao thoa với ánh sáng trắng 49 2.2 Giao thoa với mỏng 53 2.2.1 Giao thoa với mỏng có độ dày thay đổi .53 2.2.2 Vân giao thoa cho nêm khơng khí 55 2.2.3 Vân tròn Niuton 56 KẾT LUẬN 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO .59 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài - Quang học vật lý mơ hình đầy đủ ánh sáng, gồm hiệu ứng có chất sóng nhƣ nhiễu xạ hay giao thoa khơng thể giải thích quang hình học Sự phát triển lý thuyết điện từ học kỷ 19 dẫn đến khám phá ánh sáng có chất xạ điện từ - Hiện tƣợng giao thoa ánh sáng tƣợng chung cho sóng có chất vật lý bất kỳ, chứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng Hiện tƣợng gặp hay nhiều sóng ánh sáng tạo không gian dải sáng, tối xen kẽ - Đối với sóng ánh sáng, lý thuyết giao thoa ánh sáng đóng vai trị quan trọng nghiên cứu tính chất sóng Trong chƣơng "Sóng ánh sáng - Vật lý 12", toán giao thoa ánh sáng tốn hay, khơng thể thiếu đề thi tuyển sinh nhƣ chƣơng trình học vật lý đại cƣơng Do cần hệ thống hóa lí thuyết xây dựng dạng tập giao thoa ánh sáng đồng thời đƣa phƣơng pháp giải tốn - Vì chọn đề tài nghiên cứu ‘‘Hiện tƣợng giao thoa ánh sáng’’ Nghiên cứu đề tài mong muốn có nhìn tổng quan, hiểu sâu giao thoa ánh sáng hứng thú giải tập phần Từ vận d ng kiến thức vào thực tiễn nhƣ niềm yêu thích, đam mê nghiên cứu vật lý Mục đ ch nghi n cứu - Hệ thống hóa lý thuyết giao thoa ánh sáng - Phân loại dạng tập phƣơng pháp giải Đối tƣợng nghi n cứu - Hiện tƣợng giao thoa ánh sáng - Bài tập giao thoa ánh sáng Nhiệm vụ nghi n cứu - Hệ thống hóa lý thuyết giao thoa ánh sáng - Phân loại tập, đƣa phƣơng pháp giải giải tập Phƣơng pháp nghi n cứu - Đọc nghiên cứu tài liệu - Sƣu tầm, phân loại giải tập giao thoa ánh sáng NỘI DUNG CHƢƠNG LÝ THUYẾT VỀ GIAO THOA ÁNH SÁNG 1.1 Tổng quan sóng ánh sáng 1.1.1 Phƣơng trình sóng ánh sáng - Ánh sáng sóng điện từ đƣợc đặc trƣng vecto cƣờng độ điện trƣờng 𝐸⃗ vng góc với vecto cƣờng độ từ trƣờng ⃗ phƣơng truyền sóng - Vecto 𝐸⃗ đƣợc dùng để đặc trƣng cho sóng ánh sáng đƣợc gọi dao động sáng - Giả sử ánh sáng phát từ nguồn S đƣợc biểu diễn hàm sóng: 𝐸 = 𝐸0 cos(𝜔𝑡 + 𝛼) Trong đó: E: li độ dao động E0: biên độ dao động 𝛼: pha ban đầu dao động - Sau khoảng thời gian t sóng ánh sáng truyền đến M cách S khoảng r phƣơng trình sóng M: 𝐸 = 𝐸0 cos[𝜔(𝑡 − 𝑡0) + 𝛼] = 𝐸0 cos (𝜔𝑡 − = 𝐸 cos (𝜔𝑡 − Hay 𝐸 = 𝐸0 cos (𝜔𝑡 −  sáng 2𝜋 2𝜋 𝑇 𝑣 2𝜋 𝑇.𝑐 𝑟 + 𝛼) 𝑛 𝑟 + 𝛼) + 𝛼) phƣơng trình sóng ánh Trong đó: : bƣớc sóng ánh sáng chân không:  = c.T L: quang trình tia sáng đoạn r: L= [𝑆𝑀]= n.r - Cƣờng độ sáng điểm tỉ lệ với bình phƣơng biên độ sáng điểm đó: 𝐸20 - Trong môi trƣờng chiết suất n: 𝑛 𝐸2 1.1.2 Nguyên lý chồng chất ánh sáng Khi hay nhiều sóng ánh sáng gặp sóng khơng làm nhiễu loạn sóng sau gặp sóng truyền trước gặp nhau; cịn miền sóng gặp nhau, dao động sáng tổng dao động sáng thành phần 𝐸⃗→ = 𝑛 𝐸⃗ ⃗⃗⃗ 1→ + ⃗𝐸⃗⃗⃗2→ + ⋯ + 𝐸⃗𝑛→ = ∑ ⃗𝐸⃗→7 i=1 1.2 Sự giao thoa ánh sáng 1.2.1 Khái niệm giao thoa ánh sáng - Giao thoa ánh sáng gặp hay nhiều sóng ánh sáng tạo không gian dải sáng tối xen kẽ Miền khơng gian có giao thoa ánh sáng gọi trường giao thoa Hình ảnh giao thoa ánh sáng 1.2.2 Tổng hợp hai dao động sáng phương tần số Xét sóng ánh sáng phƣơng tần số gặp M đƣợc biểu diễn phƣơng trình sau: 𝐸1 = 𝐸01 cos(𝜔𝑡 + 𝛼1)