Bài giảng vật lý A3 phần giao thoa ánh sáng.PPT

Giao thoa ánh sáng là hiện tượng hai hay nhiều sóng ánh sáng giao nhau và tạo trong không gian các vân sáng và vân tốiNếu hai nguồn sáng S1 và S2 được tạo từ một nguồn sáng duy nhất thì

§2- GIAO THOA ÁNH SÁNG

Ảnh giao thoa khe Young

Ảnh giao thoa của ánh sáng phản xạ trên lớp màng mỏng

ở lông con công

Ảnh giao thoa của ánh sáng phản xạ trên dụng cụ NewtonẢnh giao thoa của ánh sáng phản xạ trên màng xà phòng

1-Hiện tượng giao thoa ánh sáng

a Thí nghiệm giao thoa ánh sáng

Giao thoa ánh sáng là hiện tượng hai hay nhiều sóng ánh sáng giao nhau và tạo trong không gian các vân sáng và vân tối

Nếu hai nguồn sáng S1 và S2 được tạo từ một nguồn sáng duy nhất thì sẽ có giao thoa ánh sáng

Nếu chúng là hai nguồn sáng độc lập thì sẽ không có giao thoa ánh sáng

Để có giao thao ánh sáng thì ánh sáng từ hai nguồn sáng S1và S2 phải là hai sĩng ánh sáng kết hợp

Hai sóng ánh sáng gọi là kết hợp nếu chúng có:

b Sóng ánh sáng kết hợp và cách tạo hai sóng ánh sáng kết hợp

* Sóng ánh sáng kết hợp

+ hiệu pha ban đầu không đổi theo thời gian

+ cùng tần số (hay cùng chu kỳ)

* Cách tạo sóng ánh sáng kết hợp

Để tạo 2 sóng ánh sáng kết hợp, ta tách sóng từ một nguồn thành hai sóng rồi cho chúng giao nhau

d t

− ϕ

= ϕ

d t

(E) S

S 1

S 2

L 1

L 2 S

2-Giao thoa ánh sáng gây bởi hai nguồn kết hợp

Xét hai nguồn sáng kết hợp S1 và S2 đồng pha có cùng phương dao động:

Dao động sáng do 2 nguồn S1 và S2 tạo ra tại M cách

S1 một khoảng d1 và S2 một khoảng d2 là:

Hàm sóng ánh sáng tổng hợp tại M:

2 2

2 1

Cường độ sáng tại điểm M là:

2 1

2

1 I 2 E E I

02 01

0

1 2

02 01

0

1 2

02 01

0

2 1

02 01

0

2 02

1 01

2 1

2 cos 2

.

2 cos 2

.

2 cos 2

2 2

cos 2

.

2 cos

.

2 cos

1

L L

E

E dt

L L

E E

dt L

L

E E

dt L

L t

E E

dt L

t E

L t

E E

E

λ

π λ

π τ

λ

π τ

λ

π ω

τ

λ

π ω

λ

π ω

τ

τ τ τ τ

Cường độ sáng tại M phụ thuộc hiệu pha của hai sóng tới tại M:

1

2cos

I I

λ π

Cường độ sáng tại điểm M là:

2 1 2

b Điều kiện để có cực đại và cực tiểu giao thoa

2 cos

khi I

k

0,

Với:

c Hình dạng và vị trí vân giao thoa

* Hình dạng vân giao thoa trong không gian

Đối với cực đại giao thoa: L2 − L1 = k λ

k

1 k

Tập hợp các điểm có cường độ sáng cực đại là một họ hyperboloid tròn xoay (có tiêu điểm là hai nguồn kết hợp S1 và S2) ứng với các trị số của k

2, 1,

0,

Tập hợp các điểm có cường độ sáng cực tiểu cũng là một họ hyperboloid tròn xoay xen kẻ với họ mặt trên

* Hình dạng vân giao thoa trong mặt phẳng

Ảnh giao thoa thường được hứng trên một màn phẳng (E) để quan sát

Do hệ vân giao thoa không định xứ ở một vị trí đặc biệt nào nên có nhiều cách đặt màn (E)

Giao thoa ánh sáng gây bởi 2 nguồn điểm kết hợp là giao thoa không định xứ

S2Màn (E) song song với S1S2, vân giao thoa có dạng hình hyperbol

(E)

S2Màn (E1) vuông góc với S1S2, vân giao thoa có dạng hình tròn

S2Màn (E2) cắt S1S2 như hình vẽ, vân giao thoa có hình ellip

(E 2 )

S2Màn (E3) cắt S1S2 như hình vẽ, vân giao thoa có hình parabol

(E 3 )

* Vị trí vân giao thoa trên màn song song với S1S2

a: khoảng cách giữa hai nguồn kết hợp S1S2

D: khoảng cách từ hai nguồn kết hợp S1S2 đến màn quan sát

Do a << D nên vân giao thoa có dạng các đoạn

thẳng song song

x’O x là giao tuyến của màn (E) và mặt phẳng qua S1S2 đồng thời vuông góc với màn (E)

x’O x song song với S1S2 và vuông góc với vân giao thoa

J là trung điểm của S1S2, JO vuông góc với màn (E) tại O

Vị trí vân giao thoa trên màn được xác định bởi hoành độ x = OM

Kẻ cung tròn tâm M bán kính MS1, cắt MS2 tại H

Hiệu khoảng cách từ hai nguồn kết hợp đến điểm M:

θ

θ a sin sin

S S H

S d

Góc: θ = S2S 1H = O  J M

x tg

Do a << D nên góc θ rất nhỏ, ta có:

D

x a d

d

d2 − 1 = λn

a

D k

1 k

1 k

i = λn

d Giao thoa với ánh sáng trắng

§3 Giao thoa gây bởi bản mỏng

1 Bản mỏng có bề dày không đổi

a Hiệu quang lộ 2 tia phản xạ trên 2 mặt bản mỏng:

IJ.n2L

I

isin

rtg.e2

IH =

r cos e

Thay:

isin

IK

IH =và:

Bản mỏng có bề dày e và chiết suất n

Chùm tia song song tới bản mỏng dưới góc tới i, phản xạ tại

I và J, cho chùm phản xạ song song

L

L

2

i sin

tgr

e

2 r

cos

e

n 2 L

2 r

cos

r sin

ne

2 r

cos

ne

2 L

L

2 1

ne

2 L

2

r sin 1

ne 2

L

2 n

i

sin 1

ne 2

L

2 1

e 2 L

i n

c Hình dạng vân giao thoa:

Vân giao thoa có dạng các vân tròn sáng tối đồng tâm có tâm là tiêu điểm của thấu kính hội tụ L và có bán kính f.tgi

Nếu 2 sóng á.s phản xạ truyền theo các tia IR1 và IJKR2 đồng pha

với nhau tại mắt người quan sát thì người quan sát thấy vùng IK trên bản mỏng sáng ( màu đỏ , nếu sóng á.s tới truyền theo tia SI là

á.s đỏ)

Nếu 2 sóng á.s phản xạ truyền theo các tia IR1 và IJKR2 đối pha

với nhau tại mắt người quan sát thì người quan sát thấy vùng IK trên bản mỏng tối.

I J

Mắt người quan sát

e

Mắt người quan sát

+ Điều kiện cho chiết suất bản mỏng:

N

n =

d Ứng dụng: Khử phản xạ trên các mặt kính

Tráng lên mặt kính

một lớp màng mỏng

dày e, chiết suất n sao

cho 2 tia phản xạ trên

2 mặt bản mỏng giao

thoa cực tiểu

L

L2 − 1 =Hiệu quang lộ của 2 tia phản xạ trên 2 mặt bản mỏng:

L

Để khử ánh sáng phản xạ thì 2 tia phản xạ giao thoa cực tiểu

2 Bản mỏng có bề dày thay đổi:

2

e 2 L

* Hiệu quang lộ của 2 tia phản

xạ trên 2 mặt nêm kh khí:

2

2

λ +

= LSIJISL

* Hình dạng vân giao thoa:

Vân giao thoa có dạng các đoạn thẳng song song với cạnh nêm

1 k

k k

e sin

1 k

1

= xt k+ xt ki

Các vân giao thoa cách đều nhau

b- Nêm thủy tinh:

2

ne 2

L

* Hiệu quang lộ của 2 tia phản xạ trên

2 mặt nêm thủy tinh:

Chiếu chùm tia sáng đơn sắc song song vuông góc với mặt dưới của nêm thủy tinh

e

α

* Hình dạng vân giao thoa:

Vân giao thoa nằm ở mặt trên của nêm thủy tinh

Vân giao thoa là các đoạn thẳng song song với cạnh nêm

* Điều kiện để có vân sáng, vân tối:

Đó là lớp thủy tinh có dạng hình nêm

Hai tia phản xạ ở mặt trên và dưới của nêm giao nhau tại mặt trên của nêm

n

1 k

1 k

⇒

Vân tối bậc k = - 1, ứng với e = 0

Vậy tại cạnh nêm có vân tối

* Vị trí vân giao thoa:

α

k k

e sin

1 k

1 k

+ Khoảng cách vân:

x x

i t(k 1) t(k)

c- Bản cho vân tròn Newton

* Hiệu quang lộ các tia sáng

phản xạ trên mặt cong của thấu

kính và trên bản thủy tinh:

O

M H

Gồm một bản thủy tinh phẳng và một thấu kính phẳng lồi đặt sao cho mặt lồi tiếp xúc với bản thủy tinh

Chiếu chùm tia sáng đơn sắc song

song vuông góc với bản thủy tinh

2

e 2 L

OH MH

* Hình dạng vân giao thoa:R2 = r2 + ( R2 − 2 Re + e2 )

R

r e

* Bán kính vân sáng và vân tối:

+ Bán kính vân sáng:

λ

2 R

2 R

a Đo chiết suất của chất lỏng hay chất khí bằng giao thoa kế Rayleigh

G 2 S

P ′

G 1

P

b Đo bước sóng á.s bằng giao thoa kế Michelson (1881)

Nếu hệ vân giao thoa trên màn

dịch chuyển m khoảng vân thì:

⇒

Dịch (G2) một khoảng d

Hiệu quang lộ giữa 2 tia sáng (từ S

đến màn quan sát trong kính ngắm)

thay đổi là 2d

d

o

o

G 2 S

P ′

G 1

P

c Đo chiều dài bằng giao thoa kế Michelson (1881)

* Đo chiều dài d của một vật

Nếu hệ vân giao thoa trên màn

dịch chuyển m khoảng vân thì:

Đặt vật có chiều dài d cần đo sát

vào gương (G2) sao cho tia sáng

không truyền qua vật

Dịch (G2) dọc theo chiều dài d

của vật

Hiệu quang lộ giữa 2 tia sáng (từ S

đến màn quan sát trong kính ngắm)

thay đổi là 2d

d

o

o

* Đo bề dày e của một bản mỏng trong suốt, chiết suất n

Nếu hệ vân giao thoa trên màn

dịch chuyển m khoảng vân thì:

( n − 1 ) = m λ

e

2

Đặt bản mỏng có bề dày cần đo

sát vào gương (G2) để cho tia

sáng qua bản mỏng

Hiệu quang lộ giữa 2 tia sáng (từ S

đến màn quan sát trong kính

ngắm) thay đổi là 2e(n-1)

G 2 S

−

λ

o

Chiều dài của một vật có thể biểu diễn theo bước sóng ánh sáng

Sau khi có Giao thoa kế Michelson: chiều dài của cái mét tiêu chuẩn bằng 1.553.163,5 bước sóng của ánh sáng đơn sắc màu đỏ

do nguồn sáng chứa Cadmi bức xạ

Trước khi có Giao thoa kế Michelson: chiều dài của cái mét tiêu chuẩn là khoảng cách giữa 2 vạch rất mảnh khắc trên một thanh kim loại đặt tại Sèvres gần Paris

Michelson được nhận giải Nobel về Vật lý năm 1907

Năm 1961, cái mét tiêu chuẩn được định nghĩa theo bước sóng của ánh sáng

Năm 1983 , cái mét tiêu chuẩn theo tính theo bước sóng của ánh sáng vẫn chưa đủ chính xác để đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao của khoa học và công nghệ

Tiêu chuẩn mới ra đời dựa trên giá trị định nghĩa của vận tốc ánh sáng

Có thể dùng giao thoa kế Michelson để đo chiết suất của bản mỏng không?

Có thể dùng giao thoa kế Michelson để đo chiết suất của chất lỏng hay chất khí không?

Cho biết sự khác biệt trong cách đo bề dày của bản

mỏng trong suốt và không trong suốt bằng giao thoa kế Michelson

Có thể dùng giao thoa kế Michelson để đo cả bề dày và chiết suất của bản mỏng không?