Báo cáo bài tập lớn vật lý 2 chủ Đề 6 tính chất sóng của ánh sáng và các ứng dụng tán sắc, giao thoa, nhiễu xạ

Trong khi đó, hiện tượng nhiễu xạ của ánh sáng giải thích tại sao màu sắc của các vật thê khác nhau được nhin thay ở các góc nhìn khác nhau.. Tóm lại, ánh sáng là một loại sóng điện từ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

THÀNH VIÊN NHÓM BTL

Mon: VAT LY 2 (MSMH: PH1005) Nhom/Lop: L06 - Tén nhém: Nhom 14 - HK232 - Năm học: 2023-2024

Dé tai:

TINH CHAT SONG CUA ANH SANG VA CAC UNG DUNG:

TAN SAC, GIAO THOA, NHIEU XA

MỤC LỤC

CHƯƠNG I : CƠ SỞ LÝ THUY ÊƑT 2-2 s°s£ ©SeESEEseEEEESeeSseErsersee sersersersere 4

1.3 GIA(O 'THOA 2< se seEESEEEeEESeETAeEEeereeErserkeerxetrsetrsersersersersere 6

1.4 NHIÊU XẠ ÁNH SÁNG -°- <2 cscsesErseEsersetseEreersereereeereresree 10 1.4.1 Định ng hĩa 2.s- <1 E999 key veevsovspree 10

Danh Mục Hình

Hình 1.7 Mô tả về giao thoa van Sang, tOi secssscssssesssescssssssessesssssessesessassessssesseeseeseacens 12

Hình 1.8 Nhiễu xạ ánh sáng qua khe hẹp và nhiễu xạ ánh sáng qua lỗ tròn 12

Hình 1.13 Nhiéu xa Fresnel khi qua lỗ nh sscssssssssessesssssssssssssessessssneesssacsecaeseseesne 16 Hinh 1.14 Nhiéu xa Fresnel qua dia trOm sssssssssssesssssssssssssesssesssseesesesesseseseseenesecsesees 17

Hình 1.17 Vị trí các vân trong đới cầu Fresnel 19

Hình 1.18 Biểu đồ miêu tả phân bố cường độ ánh sáng 20 Hình 1.19 Biểu đồ miêu tả sự phân bố cường độ sáng giữa hai cực đại chính 21

Hình 1.21 Nhiéu xa tia X 22

Hình 1.22 Hiện tượng tỉa X nhiễu xạ trên các tỉnh thể rắn 22 Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ ghi nhận tín hiệu phố EDX trong Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)

Hình 2.3 Hiện tượng tán mặt trời

Hình 2.4 Hiện tượng mặt trời giả

Hình 2.5 Nguyễn lý hoạt động của Nhiễu xạ tia X

Hình 2.7 Đường đi của ánh sáng qua giao thoa kế Michelson

Hình 2.8 Ghi lại và tái tạo hình ảnh 3 chiều

24 25

25 26

27

28

28

LỜI CÁM ƠN

Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác Trong suốt thời gian

từ khi bắt đầu học tập, chúng em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của cô

và bạn bè Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, chúng em xin gửi đến cô Nguyễn Thị Thúy

Hằng - Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM với tâm huyết của mình đã truyền đạt

vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tập, đù cho chúng em chỉ học online Và đặc biệt, trong học kỳ này, trường đã tô chức cho chúng em được tiếp cận với môn học mà theo chúng em là rất hữu ích đối với sinh viên Đó là môn học

“Vật lý 2” Em xin chân thành cảm ơn cô đã tận tâm hướng dẫn chúng em qua từng buổi học trực tuyến, cho tụi em những lời khuyên hữu ích Nếu không có những lời hướng dẫn, dạy bảo, chia sẻ từ cô thì chúng em nghĩ bài báo cáo này sẽ rất khó có thé hoàn thiện được Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn cô Bài báo cáo không tránh khỏi những thiếu sót là điều chắc chắn, chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của cô và các bạn học cùng lớp để kiến thức của chúng em trong môn học nảy được hoàn thiện hơn Sau củng, chúng em xin kính chúc cô dồi dào sức khỏe, niềm tin để tiếp tục thực hiện sứ mệnh cao đẹp của mình là truyền đạt kiến thức cho thê hệ mai sau

CHUONG I: CO SO LY THUYET 1.1 Tính chất của sóng ánh sáng

Sóng ánh sáng là một loại sóng điện từ có thể nhìn thấy được bằng mắt thường

Nó là một loại bức xạ điện từ, có nghĩa là nó bao gồm các đao động của điện trường và

từ trường Các dao động này lan truyền theo các đường thắng trong không khí và các môi trường khác

Sóng ánh sáng có nhiều loại khác nhau, mỗi loại có bước sóng khác nhau Bước sóng là khoảng cách giữa hai đỉnh của sóng Sóng ánh sáng có bước sóng từ 380 nanomet đến 760 nanomet Bước sóng cảng ngắn thì ánh sáng càng có màu xanh lam hoặc tím Bước sóng càng dài thì ánh sáng cảng có màu đỏ hoặc cam

rõ ràng nhất thông qua lăng kính hoặc qua khe hẹp Trong khi đó, hiện tượng nhiễu xạ

của ánh sáng giải thích tại sao màu sắc của các vật thê khác nhau được nhin thay ở các góc nhìn khác nhau

Tóm lại, ánh sáng là một loại sóng điện từ có những tính chất đặc trưng của một loại sóng, bao gồm độ dài sóng, tần số, cường độ, độ pha và độ sợi Hiểu rõ những tính chất này sẽ giúp chúng ta hiểu hơn về sự phản xạ, giao thoa và nhiễu sóng của ánh sáng, và giải thích những hiện tượng quan sát được trong thế giới xung quanh chúng

ta

1.2 Hiện tượng tán sắc

1.2.1 Giải thích hiện trọng

Do ánh sáng trắng là một tập hợp chứa vô số các ánh sáng đơn sắc

Chiết suất của một chất trone suốt đối với các ánh sáng đơn sắc khác nhau là

khác nhau và tăng lên từ đó đến tím Hay chiết suất của môi trường trong suốt biến

thiên theo mau sac anh sang va tang dan tir mau đỏ đến màu tím ( nạ < nạ» < nạn < Thục < Diam < Dcham < Tim )

Đặt màn M song song với F và cách F khoảng 1 - 2 m Quan sát thấy trên mản

có vệt sáng F” màu trắng giống khe E

Đặt giữa F và F' một lăng kính P và cho cạnh khúc xạ của P song song với E, Quan sát thấy vệt sáng Fˆ bị lệch xuống phía đáy lăng kính và bị phân tách thành các chùm sáng biên thiên liên tục từ: đỏ, cam, vang, luc, lam, cham, tim

=> Vậy, tán sắc là sự phan tach mét chum sáng phức tạp thành các chùm sáng đơn sắc

1.2.3 Thí nghiệm về ánh sáng đơn sắc của Newfton

Trên mản M ở thí nghiệm vừa rồi, Newton rạch một khe hẹp F” song song với F

và xê dịch màn M dé dat F’ vao dung chỗ một màu như hình sau:

giống với lăng kính P và hứng chùm tia ló trên một mản M”, ông thấy vệt sáng trên

màn M’, tuy vẫn dịch chuyên về phía đáy của Pˆ, nhưng vẫn giữ nguyên màu

Từ đây kết luận được rằng: ánh sáng đơn sắc là ánh sáng có một màu nhất định

và không bị tán sắc khi đi qua lăng kính

1.2.4 Kết luận

Qua thí hai thí nghiệm trên ta có thể kết luận được:

- Hiện tượng tán sắc ánh sáng là sự phân tách chùm sáng phức tạp thành các chùm sáng đơn sắc

- Ảnh sáng trắng là tập hợp của vô số ánh sáng đơn sắc khác nhau có màu biến

thiên liên tục từ đỏ đến tím

- Ánh sáng đơn sắc là ánh sáng không bị tán sắc khi đi qua lăng kính Mỗi ánh

1.3 Giao thoa

1.3.1 Song anh sang

1.3.1.1 Biểu thức của sóng ánh sáng đơn sắc

- Độ lớn của điện từ trường khi sóng đi theo chiều dương truc Ox:

E= Emsin(œt— kx) B= Bmsin(œt—kx) Trong đó : w: tần số góc k: độ lớn của vecto sóng

@=2nf; ke

Trong đó: f: Tan sé

n: chiết suất môi trường

%: bước sóng của sóng điện từ trong chân không

1.3.1.2 Cường độ sáng Cường độ sáng là năng lượng sóng ánh sáng đi qua một đơn vị diện tích vuông góc với phương truyền sóng trong một đơn vị thời gian Cường độ sáng tỷ lệ với bình

phương biên độ sóng

1.3.1.3 Nguyên lí chỗng chất sóng Khi các sóng øặp nhau thì từng sóng riêng biệt không bị ảnh hưởng bởi các sóng khác Sóng tông hợp bằng tông tất cả sóng thành phần chồng chất lên nhau:

Xét hai sóng phẳng cùng tần số, cùng phương dao động Tại nơi gặp nhau chúng

có biểu thức dao động:

ul=al1sin |ot\u2=a2sin wt+9,

Dung phuong phap giang dé vecto

a’ =a; +a, +2a,a,cosAd

1 cực đại hay cực tiểu tùy theo độ lệch pha:

r—|_ Imax[p=2mn) Imin(@=|2m+ 17)

1.3.3 Tai sao it gap giao thoa anh sang?

Các nguồn sáng thực thay đôi rất nhanh và hỗn loạn, cường độ sáng quan sát được là trung bình theo thời gian Trung bình thời gian của cos (g}=0, do đó I = I1 + 12 Cường độ sáng chỉ tăng cường lẫn nhau chứ không tạo giao thoa

Đề có giao thoa, ø phải không thay đổi

1.3.4 Nguồn sáng kết hợp

Hai nguồn sáng có độ lệch pha không đổi theo thời gian gọi là hai nguồn kết hợp

Có thể tách ánh sáng từ nguồn thành hai hoặc nhiều nguồn khác nhau Tại nơi gặp nhau, biểu thức dao động và độ lệch pha của chúng là:

1.3.5.2 Hiệu quang trình Hiệu quang trình là hiệu của 2 tia sáng của mỗi nguồn sáng khi đến một điểm

đích trên màn chắn Màn ở khoảng cách D ( khoảng cách vuông góc từ mản khe đến

màn chắn) lớn hơn nhiều so với khoảng cách d ( khoảng cách 2 khe)

Do đó có thé coi 2 tia r1 và r2 là 2 tia song song: L= đsin(ø)

Hình 1.6 Mô tả về hiệu quang trình của sóng ánh sáng Với ø là góc hợp giữa D và tỉa sáng tại một trong những điểm trên màn chắn mà tia sáng chiêu tới

12

1.3.5.3 Vân giao thoa Các vi tri trên màn có cùng sóc lệch Ø thì có cùng một trạng thái siao thoa

hiện bản chất sóng của ánh sáng Nhiễu xạ là một hiện tượng đặc trưng của sóng

Hiệu ứng nhiễu xạ của ánh sáng lần đầu được quan sát và m6 ta ti mi bởi nhà vật

li Francesco Maria Grimaldi, nguwoi da dat ra khai niém nhiễu xạ từ khái niệm

diffringere trong tiếng Latinh nghĩa là tách ra nhiều mảnh

Isaac Newton nghiên cứu về hiện tượng nảy và quy chúng thành sự uốn cong của tia sáng

James Gregory quan sát mô hình nhiễu xạ gây ra bởi một sợi lông chim, và đây

là cách tử nhiễu xạ hiệu quả đầu tiên được khám phá

Thomas Young tiến hành thí nghiệm nỗi tiếng vào năm 1803 thể hiện sự giao

14

thoa ánh sáng từ hai khe hở nhỏ gần nhau Young giải thích kết quả như là hiện tượng giao thoa giữa các sóng phát ra từ khe hở, ông quả quyết rằng ánh sáng là sóng Augustin-Jean Fresnel tiến hành thêm các cuộc nghiên cứu và tính toán dứt khoát

về hiện tượng nhiễu xạ, công bố năm 1816, và 1818 và từ đó tạo ra sự ủng hộ thuyết sóng ánh sáng mà đã được phát triển bởi Christiaan Huygens và được tiếp thêm sức mạnh bởi Young, chống lại thuyết hạt ảnh sáng thuần tuy của Newton

1.4.3 Nguyén ly Huyghens — Fresnel

Nguyên lý Huygens-Fresnel (đặt theo tên của nha vat ly newo1 Ha Lan Christiaan Huygens, va nguoi Phap Augustin-Jean Fresnel), ban đầu được đưa ra trong lý thuyết

sóng ánh sáng Huygens, giải thích sự lan truyền của ánh sáng như các sóng, nay được

ứng dụng trong tính toán về lan truyền của sóng nói chung

Nguồn sáng thứ cấp có biên độ và pha dao động là biên độ và pha đao động sáng

do nguồn sáng thực § gây ra tại vị trí của nguồn sáng thứ cấp đó

Đề tính dao động sáng thực do nguồn S gay ra tại một điểm M bắt kì, ta có thé thay thế nguồn sáng thực S bằng những nguồn sáng thứ cấp thích hợp nằm trong mặt kín tưởng tượng bao quanh nguôồn Dao động sáng tại điểm MI sẽ là tông hợp các dao

động sáng do nguồn thứ cấp nằm trên mặt kin gây ra tại điểm M ma ta xét

1.4.4 Nhiễu xạ Fresnel qua lỗ tròn

1.4.4.1 Hiện tượng

Dùng ánh sáng đơn sắc phẳng hay cầu

15

Vân tròn, tâm trên trục của lỗ

Cường độ ánh sáng p1iảm nhanh khi ra xa tâm ảnh

Hình 1.11 Nhiễu xạ Fresnel qua lỗ tròn 1.4.4.2 Phương pháp đới cầu Fresnel

Định nghĩa: Xét nguồn sáng điểm S phát ra ánh sáng đơn sắc bước sóng À và

điểm M được chiếu sang

16

Ban kinh cua doi cau thir k: r,= ae vk

1.4.4.4 Sóng thứ cấp phái từ các đới Fresnel Tại điểm quan sát B sóng thứ cấp phát từ các đới Fresnel có tính chất như sau:

- Hai sóng phát ra từ hai đới cầu liên tiếp thì ngược pha nhau vì quang trình của chúng khác nhau một nửa bước sóng

- Biên độ sóng sẵn bằng nhau vì các đới có diện tích bằng nhau và khoảng cách truyền chỉ thay đôi rất ít

1.4.4.5 Biên độ tông hợp Khi không có màn chắn:

Tất cả các đới Fresnel trên mặt sóng đều gửi sóng đến B, biên độ tổng hợp tại B

Giả sử lỗ tròn chỉ cho đi qua 3 đới Fresnel đầu tiên:

Số lẻ đi qua: Cực đại

Số chắn đi qua: Cực tiểu

fy 2° 2 m=1,3,5,

2 2 1.4.5 Nhiéu xa qua Fresnel dia tron

Giữa nguôn sáng điểm S ca di¢m M co dia tron nho chan sáng, dựng các đới câu Fresnel, gia su che mat m đới câu đâu tiên

b

Man cach xa khe: Các tia cùng sóc lệch ø1ao thoa nhau

Vân thắng song song với khe

18

- Có cùng biên độ vì các nguồn thứ cấp giống nhau

- Khi góc lệchØ=0 tất cả các sóng thứ cấp đều củng pha

- Khi góc lệch Ø80hai sóng thứ cấp liên tiếp ngược pha nhau vì hiệu quang trình giữa chúng bằng 2⁄2

19

1.4.6.3 VỊ trí các ván

A/2 20A

Nguồn bsin@ = 4(A/2)

thứ cấp Thấu kính Man quan sat | |

Hình 1.17 VỊ trí vân trên đới cẩu Fresnel Biên độ tong hợp ở tâm O (0=0¿ luôn luôn cực đại, tạo nên vân sáng trung tâm

Ở các vị trí khác (00) thì biên độ là:

- Cực tiêu nếu số nguồn thứ cấp là chăn

- Cực đại nêu sô nguôn thứ câp là lẻ

Số nguồn thứ cấp được xác định từ bsin0=N2 — n=2henẺ

Đề có cực tiểu thì N phải là một số chăn N=2m hay bsin0=mÀ_ (m=+1,+2, )

Để có cực đại thì N phải là một số lẻ N=2m+1 hay bsin0=[m+;)A _ (

m=+1,+2, )

Trong công thức trên ta không chọn m=0 và m=—1 vì sin0=+ 2/2b nằm trong vân sáng trung tâm

20

cách đều nhau trên cùng mặt phẳng

Khoảng cách giữa 2 khe hẹp liên tiếp gọi là chu ky cach tir d

1.4.7.2 Vi tri cuc dai, cwc tiéu

Cực đại trung tâm ứng với góc lệch =0

Các cực tiêu chính (do nhiễu xạ trên một khe)

1.4.8.1 Hiện tượng

Tia X có bước sóng cỡ Angstrong (1 Á=10 '°m ) nên có thể nhiễu xạ trên các khe

Ở giữa các nguyên tử, phân tử cấu tạo nên vật chat

Dùng ảnh nhiễu xạ tia X trên vật chất, các nhà khoa học có thể xác định được cấu trúc của vật chất

Ảnh nhiễu xạ tia X của DNA goi y cho Crick và Waston (1953) về cầu trúc chuỗi

22

xoắn kép Từ đó cho ra đời ngành sinh học phân tử

Hình 1.21 Nhiễu xạ tia X 1.4.8.2 Định luật Bragg

Các cực đại nhiễu xạ tia X trên tỉnh thể được xác định bơi định luật Bragg

Tia tới Tia nhiễu xạ

Mặt phẳng nguyên tử

23