skkn ảnh hưởng kích thước của nguồn sáng trong giao thoa young

Sáng kiến kinh nghiệm Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong giao thoa A- ĐẶT VẤN ĐỀ I. Lí do chọn đề tài: Vật lý học là một trong những bộ môn khoa học cơ bản làm nền tảng cung cấp cơ sở lý thuyết cho một số môn khoa học ứng dụng. Môn Vật lý nghiên cứu những sự vật, hiện tượng xảy ra hàng ngày, có tính ứng dụng thực tiễn. Tuy nhiên đa số học sinh còn thấy môn Vật lí là một môn học khó, một trong những vấn đề khó là việc vận dụng các kiến thức vào giải thích các hiện tượng trong thực tế. Giao thoa xuất hiện ở nhiều dạng ảnh hưởng tới những điều chúng ta nhìn thấy trong cuộc sống hàng ngày. Sự tương tác giữa các sóng ánh sáng rất gần nhau xảy ra khá thường xuyên nên hiện tượng không được để ý tới và mặc nhiên chấp nhận. Đa số chúng ta đều nhìn thấy giao thoa quang mỗi ngày nhưng không nhận ra sự kiện biểu hiện đằng sau sự biểu hiện rất huyền ảo của màu sắc sinh ra khi các sóng ánh sáng giao thoa với nhau. Một trong những thí dụ tốt nhất trong giao thoa sóng ánh sáng là biểu hiện bởi ánh sáng phản xạ trên màng dầu nổi trên mặt nước, màng mỏng của bọt xà phòng. Những người say mê âm nhạc, phim ảnh và máy tính cũng thường gặp hiện tượng giao thoa mỗi khi họ tải một đĩa compact vào máy hát audio hoạc dĩa cd-room. Giao thoa là nguyên nhân gây ra màu sắc óng ánh rực rỡ của chim ruồi, nhiều loại bọ cánh cứng và một số loài bướm đẹp lộng lẫy khác… Năm học 2012-2013 1 Sáng kiến kinh nghiệm Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong giao thoa Sự giao thoa đóng góp cơ bản cho lý thuyết vật lí tạo ảnh ,đồng thời sự giao thoa của sóng ánh sáng đã giúp mang tới sự đa dạng mầu sắc của thế giới xung quanh chúng ta Người ta thường nói về giao thoa ánh sáng như là hiện tượng chồng chập hai sóng ánh áng mà kết quả thu được không phải tổng cường độ sáng của hai nguồn mà là phân bố năng lượng ánh sáng theo không gian. Tuy nhiên hàng ngày chúng ta vẫn quan sát thấy rằng độ rọi do hai hay nhiều nguồn sáng bằng tổng độ rọi do từng nguồn sáng một. Nảy ra một câu hỏi là tại sao chúng ta không quan sát thấy hiện tượng giao thoa ở những thí nghiệm như vậy, phải chăng là do “ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng”? và trong phạm vi bài viết này tôi muốn trao đổi kinh nghiệm, được nhận xét và góp ý của quý lãnh đạo , đồng nghiệp để thâm sâu vào các lĩnh vực quang vật lý và phương pháp giảng dạy vật lý nói chung. II. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 1.Thay đổi kích thước của nguồn sáng, khảo sát hiện tượng giao thoa khe Young. 2.Phạm vi nghiên cứu: Học sinh lớp 12D-G trường THPT DTNT Tỉnh. III. Giả thuyết khoa học: Kết thúc chương V môn Vật lí lớp 12 để thực hiện việc dạy - học theo phương pháp đổi mới đạt hiệu quả cao thì đòi hỏi giáo viên phải nghiên cứu, tìm tòi để để đưa ra được những phương pháp giảng dạy có hiệu quả nhằm hướng dẫn học sinh biết phân loại, nắm vững phương pháp làm các bài tập liên quan đến Sóng ánh sáng xuất hiện Năm học 2012-2013 2 Sáng kiến kinh nghiệm Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong giao thoa trong các đề thi Tốt nghiệp, Cao đẳng, Đại học gần đây song đồng thời cũng phải giúp học sinh hiểu và giải thích được hầu hết các hiện tượng của ánh sáng mà trong đời sống thực tế chúng ta thường gặp. IV. Phương pháp nghiên cứu : Trong quá trình nghiên cứu tôi đã sử dụng một số phương pháp sau : - Phương pháp điều tra giáo dục. - Phương pháp quan sát sư phạm. - Phương pháp thống kê, tổng hợp, so sánh. - Phương pháp mô tả. - Phương pháp vật lý. Năm học 2012-2013 3 Sáng kiến kinh nghiệm Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong giao thoa B. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU I. Cơ sở lý luận của vấn đề nghiên cứu : Quang học là một phần hết sức quan trọng đối với môn vật lý ở trường phổ thông, trong đó giao thoa ánh sáng lại là một nội dung không thể thiếu trong quang vật lí. Đồng thời, việc học môn Vật lý không chỉ dừng lại ở sự tìm cách vận dụng các công thức Vật lý để giải cho xong các phương trình và đi đến những đáp số, mà còn phải giải thích được các hiện tượng Vật lý đang xảy ra trong thiên nhiên quanh ta, trong các đối tượng công nghệ của nền văn minh mà ta đang sử dụng. Bài tập Vật lý sẽ giúp học sinh hiểu sâu hơn những qui luật vật lý, những hiện tượng vật lý giúp học sinh khái quát hóa, tổng quát hóa các dạng bài. Thông qua các tình huống cụ thể tạo điều kiện cho học sinh vận dụng linh hoạt những kiến thức để tự lực giải quyết thành công những tình huống khác nhau thì những kiến thức đó mới trở nên sâu sắc hoàn thiện và trở thành vốn riêng của học sinh. Trong quá trình giải quyết các vấn đề, tình huống cụ thể buộc học sinh phải vận dụng các thao tác tư duy như so sánh phân tích, tổng hợp khái quát hoá để giải quyết vấn đề, từ đó sẽ giúp giải quyết giúp phát triển tư duy và sáng tạo, óc tưởng tượng, tính độc lập trong suy nghĩ, suy luận…nhằm giúp học sinh yêu thích và hiểu hơn bản chất Vật lý của các hiện tượng Quang học. II. Thực trạng học sinh và trường THPT DTNT Tỉnh: 1. Đặc điểm tình hình nhà trường : Năm học 2012-2013 4 Sáng kiến kinh nghiệm Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong giao thoa - Trường THPT DTNT Tỉnh có cơ sở vật chất phục vụ cho việc giảng dạy tương đối tốt, phòng học khang trang, sạch đẹp, tuy có phòng thí nghiệm nhưng thí nghiệm còn nghèo nàn, cũ kĩ nên cũng là một hạn chế để học sinh có thể nắm bắt những hiện tượng Vật lí. - Trường THPT DTNT Tỉnh là trường loại hình Công lập, tuyển học sinh đầu vào thuộc 11 huyện miền núi, đa phần là học sinh chưa được tiếp cận với các thí nghiệm dẫn tới khi học các môn Khoa học thực nghiệm như môn Vật lí các em thường chán nản và học đối phó, gặp các hiện tượng trong thực tế thì giải thích một cách mơ hồ trừu tượng không mang tính suy luận khoa học do vậy các em gặp rất nhiều khó khăn. - Đội ngũ giảng dạy môn Vật lí ở trường thâm niên trong nghề cao, toàn bộ giáo viên môn Vật lí trong trường không ngừng học hỏi, trau dồi chuyên môn trao đổi kinh nghiệm từ đồng nghiệp đó là một thuận lợi lớn cho bộ môn. 2. Thực trạng của việc hướng dẫn học sinh học Vật lí chương V ở lớp. - Trong chương V : Ánh sáng là một khái niệm khá quen thuộc đối với học sinh, tuy nhiên tính chất của ánh sáng thì các em lại khá mơ hồ, song bằng việc cho các em quan sát những thí nghiệm mô phỏng trên máy tính và những thí nghiệm cơ bản và đơn giản thì các em dần dần đã hình dung được các tính chất Sóng của ánh sáng. - Về kỹ năng học sinh: Do có chỉ có vài tiết học lí thuyết và bài tập về giao thoa mà kiến thức thì rộng, dạng bài tập giao thoa lại đa dạng lại là các lớp cơ bản của trường nên việc nắm vững được những Năm học 2012-2013 5 Sáng kiến kinh nghiệm Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong giao thoa khái niệm, công thức tính như khoảng vân, bước sóng……đã là khó đối với các em,để mở rộng kiến thức và giải quyết hiều hiện tượng giao thoa trong thực tế lại càng khó hơn. Trước thực trạng đó tôi nhận thấy phải hướng dẫn các em trước hết phải nắm vững kiến thức căn bản trong sách giáo khoa cung cấp, sau đó liên hệ hiện tượng thực tế để các em tự thảo luận nhóm, làm quen và giải thích. Năm học 2012-2013 6 Sáng kiến kinh nghiệm Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong giao thoa C. NHỮNG BIỆN PHÁP GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ GIAO THOA SÓNG ÁNH SÁNG I. Sự giao thoa- Nguồn kết hợp: Giả sử hai dao động ánh sáng cùng tần số và cùng phương: E 1 = E 01 Sin(ωt + α 1 ) ( I.1) E 2 = E 02 Sin(ωt + α 2 ) ( I.2) Chồng lên nhau tại một điểm M nào đó trong không gian.Theo nguyên lí chồng chất, trường tổng hợp tại điểm M được biểu diễn bằng véc tơ tổng hợp E  và E  = 1 E  + 2 E  ( I.3) Hay E = E 01 Sin(ωt + α 1 ) + E 02 Sin(ωt + α 2 ). ( I.4) Dao động tổng hợp cũng là điều hòa có cùng tần số : E  = 0 E  Sin(ωt + θ). ( I.5) Biên độ và pha ban đầu được xác định bởi công thức: E 0 2 = E 01 2 +E 02 2 + 2E 01 E 02 Cos(α 1 - α 2 ). ( I.6) Và Tanθ = 202101 202101 αα αα CosECosE SinESinE + + ( I.7) Vì cường độ tỉ lệ với bình phương biên độ cho nên phương trình ( I.6) viết theo cường độ như sau: I = I 1 + I 2 + 2 21 II Cos(α 1 - α 2 ). ( I.8) Song chúng ta lại biết rằng không một nguồn sáng thông thường nào có thể phát ra ánh sáng hoàn toàn đơn sắc nghĩa là sóng có biên Năm học 2012-2013 7 Sáng kiến kinh nghiệm Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong giao thoa độ và pha luôn luôn không đổi (vì nguyên tử chỉ phát xạ trong khoảng thời gian ngắn 10 -8 s). Do đó mỗi lần phát xạ mỗi nguyên tử phát ra 1 xung sáng ngắn lan truyền có dạng một dạng sin. Mỗi đoạn sin như thế được gọi là một đoàn sóng. Độ dài của đoàn sóng được xác định bởi thời gian phát xạ τ của nguyên tử. Biên độ và pha của đoàn sóng do một nguyên tử phát xạ này lần phát xạ khác, cũng do các nguyên tử khác nhau phat ra trong một lần phát xạ có thể rất khac nhau không có liên hệ gì với nhau, nghĩa là các pha ban đầu α 1 và α 2 luôn luôn thay đổi và có mọi giá trị bất kỳ. Do đó cường độ tổng hợp cũng thay đổi rất nhanh một cách hỗn loạn đến nỗi không một máy thu ánh sáng nào dù là nhạy nhất lại có thể ghi nhận được những trạng thái tức thời này của cường độ. Trong thực tế các máy thu ánh sáng (kể cả mắt) chỉ có thể ghi nhận giá trị trung bình của cường độ trong thời gian quan sát t. Vì vậy cần phải lấy trung bình biểu thức theo t. I = 1 I + 2 I + ). - Cos(II 2 2121 αα ( I.9) Vì 2 01 E = E 01 2 và 2 02 E = E 02 2 (không phụ thuộc thời gian) ( I.10) I = I 1 + I 2 + 2 21 II )( 21 αα −Cos ( I.11) Theo định nghĩa về giá trị trung bình ta có: )( 21 αα −Cos = ∫ − t dt t 0 21 )cos( 1 αα ( I.12) Do đó: I = I 1 + I 2 + 2 21 II ∫ − t dt t 0 21 )cos( 1 αα ( I.13) Năm học 2012-2013 8 Sáng kiến kinh nghiệm Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong giao thoa Như vậy I phụ thuộc vào hiệu số pha ban đầu của các dao động thanh phần. ta xét hai trường hợp đặ biệt sau đây: - Nếu (α 1 - α 2 ) = hằng số. Khi đó )( 21 αα −Cos = ∫ − t dt t 0 21 )cos( 1 αα = Cos(α 1 - α 2 ) = hằng số ( I.14) Do đó: I = I 1 + I 2 + 2 21 II Cos(α 1 - α 2 ) # I 1 + I 2 ( I.15) Như vậy, cường độ tổng hợp không bằng tổng cường độ của các dao động thành phần mà có thể lớn hơn hay bé hơn hay tổng đó tùy thuộc vào hiệu số pha ban đầu (α 1 - α 2 ) của chúng. Các dao động thỏa mãn điều kiện: hiệu số pha ban đầu của chúng là một đại lượng không đổi theo thời gian trước đó gọi là giao động kết hợp. Dĩ nhiên các dao động xảy ra với tần số khác nhau không thể là giao động kết hợp, nhưng cũng không phải tất cả các dao động có cùng tần số đều là dao động kết hợp. Các dao động điều hòa có cùng tần số bao giờ cũng là dao động kết hợp. Nguồn phát sáng ra các dao động kết hợp là nguồn kết hợp. Khi tổng hợp hai hay nhiều dao động ánh sáng kết hợp sẽ dẫn đến sự phân bố lại năng lượng trong không gian: có những chỗ năng lượng tại đó có giá trị cực đại, có những năng lượng tại đó có giá trị cực tiểu. Hiện tượng đó được gọi là sự giao thoa ánh sáng. Trong biểu thức ( I.15) chính số hạng thứ ba gây nên hiện tượng này vì vậy số hạng đó được gọi là số hạng giao thoa. Năm học 2012-2013 9 Sáng kiến kinh nghiệm Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong giao thoa b) Hiệu số pha ban đầu (α 1 - α 2 ) thay đổi một cách hỗn loạn theo thời gian. Khi đó hiệu số pha (α 1 - α 2 ) lấy mọi giá trị từ 0 đến 2π trong khoảng thời gian quan sát. Vì vậy : )( 21 αα −Cos = 0 ( I.16) Do đó I = I 1 + I 2 ( I.17) Như vậy, trong trương hợp này cường độ tổng hợp bằng tổng cường độ của các dao động thành phần, tức là không xảy ra hiện tượng giao thoa. Các dao động trong trường hợp này là dao động không kết hợp. Các dao động phát ra từ các nguồn sáng thông thường hay từ những điểm khác nhau cùng một nguồn sáng đều là những dao động không kết hợp. Các dao động không kết hợp không thể giao thoa với nhau được. Tóm lại muốn quan sát được hiện tượng giao thoa ánh sáng thì các sóng giao thoa với nhau phải là các sóng kết hợp và dao động của chúng phải thực hiện cùng phương. II. Sự phân bố cường độ sáng trên màn quan sát. Giả sử ta có hai nguồn sóng kết hợp S 1 và S 2 đều sinh ra từ cùng một nguồn điểm S, phát ra hai sóng kết hợp có cùng tần số và véc tơ điện trường của chúng vuông góc với mặt phẳng hình vẽ (dao động cùng phương ) và ta khảo sát hiện tượng giao thoa xảy ra tai điểm M trên màn, cách các nguồn kết hợp S 1 và S 2 nhữn khoảng r 1 và r 2 . Năm học 2012-2013 10 [...]... của tổ chuyên môn để hoàn thiện dạng toán này Năm học 2012-2013 21 Sáng kiến kinh nghiệm Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong giao thoa Tôi xin cam đoan đây là SKKN của mình viết, không sao chép nội dung của người khác Thanh hóa, ngày 10 tháng 04 năm 2013 Xác nhận của tổ trưởng chuyên Người viết môn Lê Thị Phương Năm học 2012-2013 22 Sáng kiến kinh nghiệm Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong. .. trí vân sáng, vân tối, tính khoảng vân, bước sóng ánh sáng , tìm số vân, tính khoảng cách giữa các vân sáng (tối)… IV Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong hiện tương giao thoa trong trường hợp khe Young Giả sử mở rộng nguồn sáng S thì mỗi dải vô cùng hẹp trên khe sáng S sẽ cho một hệ vân riêng Tổng hợp tất cả các hệ vân này sẽ cho một cường độ sáng chung trên màn ảnh E nếu độ rộng L = 2b của khe... rộng nguồn sáng S để không còn hiện tượng giao thoa là LS đo được Ls=(2k+1) λd a 3,5mm 6,4mm 13,5mm 3,0mm 5,4mm 12,6mm * Với a = 0,5 mm ; d = 0,6m ; D =1,0 m ánh sáng đỏ có λ = 0,75µm Độ rộng nguồn sáng S để không còn hiện tượng giao thoa là LS đo được Ls=(2k+1) λd a Năm học 2012-2013 5,3mm 4,01mm 13,5mm 4,0mm 3,3mm 12mm 20 Sáng kiến kinh nghiệm Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong giao thoa *... 19 Sáng kiến kinh nghiệm b= Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong giao thoa (2k + 1)λ 4 sin ω (IV.24) Vậy độ rộng của nguồn sáng để không còn hiện tượng giao thoa trong trường hợp khe Young là: L = 2b = (2k +1)λ 2 sin ω D KẾT LUẬN CHUNG I Hiệu quả sáng kiến : Quả thực tế dạy lớp 12D-G tôi thu được kết quả sau khi cho làm một thí nghiệm kiểm chứng: * Với a = 0,5 mm ; d = 0,4m ; D =1,0 m ánh sáng. .. định và Young đã đặt ra thuật ngữ vân giao thoa để mô tả các dải sáng Năm học 2012-2013 14 Sáng kiến kinh nghiệm Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong giao thoa Hình 3 Lí thuyết căn bản: 1 Hiệu đường đi (hiệu quang lộ): d 2 − d1 = ax D H a F2 2 Vị trí vân: I d2 D λD a Hình 4 với k = 0; ±1; ±2; ±3 k=0:vân sáng trung tâm k= ± 1 : vân sáng bậc một (đối xứng qua vân trung tâm) k= ± 2 : vân sáng bậc... Vậy b =(2k+1) λd 2a (IV.3) (IV.4) Chúng ta cũng có thể khảo sát quang lộ để tìm bề rộng và độ chiếu sáng của nguồn S lên màn như sau: P a x b d Năm học 2012-2013 D 17 Sáng kiến kinh nghiệm Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong giao thoa Hình 6 Ta xem xét hiệu quang trình của ánh sáng truyền từ các nguồn tới điểm P 2 2 1 a b = −  + d2  2 2 2 2 a b   = +  + d2  2 2 Theo hình vẽ ta có:... tiểu của biểu thức cường độ sáng I a) Nếu δ = 2kπ hay Δ = kλ thì cường độ sáng I sẽ có giá trị cực đại và Imax = 4E02 Như vậy cường độ sáng sẽ có giá trị cực đại tại những điểm M mà hiệu số pha của hai sóng tại đó bằng một số chẵn lần π, hay hiệu đường truyền của chúng bằng một số nguyên lần bước sóng Năm học 2012-2013 12 Sáng kiến kinh nghiệm Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong giao thoa b)... thiên của I theo Δ như sau: I (E01+E02)2 E01+E02 Năm học 2012-2013 13 Sáng kiến kinh nghiệm Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong giao thoa (E01-E02)2 0 π 2π 3π 4π 5π 6π 7π 8π Δ Hình 2 Chúng ta đã khảo sát trường hợp đơn giản nhất là cả hai sóng  E2  E1 , đều truyền trong chân không (n =1, λ=λ0) Bây giờ nếu một trong hai sóng truyền trong môi trường có chiết suất n 1 còn sóng kia truyền trong. .. 2012-2013 d S2 D 16 O’ Sáng kiến kinh nghiệm Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong giao thoa K I K’ Hình 5 Vậy: AB = b Từ hai tam giác Δ ABI và ΔO’O”I ta có: O’O”= δx = AB.D D = b d d (IV.1) Nếu khoảng cách giữa các vân trung tâm O’ và O” của hai hệ vân đúng bằng nửa khoảng vân i thì vân tối của hệ này sẽ trùng với vân i sáng của hệ kia và vân giao thoa trên màn biến mất: δ x = (2k+1) 2 (IV.2)... B ta cũng có: Δ2 = BS2P - BS1P = Năm học 2012-2013 18 ax ab − D 2d (IV.16) Sáng kiến kinh nghiệm Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong giao thoa Cường độ ánh sáng do nguồn B gây ra là: I2(x,t) = 2E02 {1 + cos 2π λ  ax ab   −  }  D 2d  (IV.17) Giả sử hai nguồn A, B không gây nên hiện tượng giao thoa trên màn tức là không thỏa mãn điều kiện kết hợp nên áp dụng công thức( I.17) ta có I(x,t) = . 2012-2013 19 Sáng kiến kinh nghiệm Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong giao thoa ω λ sin.4 )12( + = k b (IV.24) Vậy độ rộng của nguồn sáng để không còn hiện tượng giao thoa trong trường hợp khe Young. thích. Năm học 2012-2013 6 Sáng kiến kinh nghiệm Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong giao thoa C. NHỮNG BIỆN PHÁP GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ GIAO THOA SÓNG ÁNH SÁNG I. Sự giao thoa- Nguồn kết hợp: Giả sử. độ chiếu sáng của nguồn S lên màn như sau: Năm học 2012-2013 17 b a d D x P Sáng kiến kinh nghiệm Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong giao thoa Hình 6 Ta xem xét hiệu quang trình của ánh sáng