Vật lý 12- Sóng ánh sáng- Tán sắc ánh sáng

GMAIL: HONGMINHBKA 2  Bước sóng ánh sáng trong chân không là λ = ? ? Bước sóng ánh sáng trong một môi trường trong suốt có chiết suất n là λ’ = ? ?  Khi truyền qua các môi trường trong

GMAIL: HONGMINHBKA 1

Mục lục

I Ánh sáng đơn sắc, ánh sáng trắng 1

1 Mở đầu 1

2 Ánh sáng đơn sắc 1

3 Chiết suất tuyệt đối 1

4 Sự khúc xạ ánh sáng 2

5 Hiện tượng phản xạ toàn phần 3

6 Lăng kính 3

II Tán sắc ánh sáng 6

I Ánh sáng đơn sắc, ánh sáng trắng

1 Mở đầu

Mỗi vật đều cho ta cảm giác màu sắc

Sau mỗi cơn mưa thì phía đằng xa có dải màu rất đẹp

2 Ánh sáng đơn sắc

Hỏi nhanh

a) Một chiếc đèn phát ra ánh, mắt ta nhìn thấy màu nó có màu đỏ Vậy ánh sáng như thế có được gọi là ánh sáng màu đơn sắc không?

b) Tiêu chuẩn nào giúp ra đánh giá một ánh sáng nhìn thấy là đơn sắc hay không đơn sắc? Định nghĩa: Mỗi màu đơn sắc trong mỗi môi trường có một bước sóng xác định

Coi mỗi một ánh sáng đơn sắc là một sóng, thì mỗi ánh sáng đơn sắc có một bước sóng xác định

 Vậy các ánh sáng đơn sắc khác nhau thì bước sóng khác nhau

Ánh sáng đơn sắc không có nghĩa là nó có một màu

3 Chiết suất tuyệt đối

Gọi v là vận tốc ánh sáng x khi truyền qua môi trường A thì tỷ số n = 𝑣

𝑐 là chiết suất tuyệt đối

của môi trường A đối với ánh sáng x Gọi tắt là chiết suất

Tổng quát : n ≤ 1

Hỏi nhanh: Trong chương sóng cơ, vận tốc truyền sóng phụ thuộc vào môi trường truyền sóng, nhiệt

độ, áp xuất…

Nhận xét:

GMAIL: HONGMINHBKA 2

 Bước sóng ánh sáng trong chân không là λ = 𝑐

𝑓 Bước sóng ánh sáng trong một môi trường trong suốt có chiết suất n là λ’ = 𝑐

𝑓

 Khi truyền qua các môi trường trong suốt khác nhau vận tốc của ánh sáng thay đổi, bước sóng của ánh sáng thay đổi còn tần số của ánh sáng thì không thay đổi

4 Sự khúc xạ ánh sáng

Đặt vấn đề:

Khi tia sáng truyền qua mặt nước thường bị lệch đi

Khi đưa chiếc bút chì xuống cốc nước thủy tinh đầy nước ta thấy cây bút nhìn bị cong

Định nghĩa:

Hiện tượng khúc xạ ánh sáng xảy ra khi một tia sáng (đơn sắc) truyền xiên góc tới mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt có chiết suất khác nhau

Chú thích:

SI là tia tới

IK là tia khúc xạ

i là góc tới, r là góc phản xạ

IN là pháp tuyến với mặt phản xạ tại điêm tói I

Công thức của định luật khúc xạ ánh sáng

n 1 sin i = n 2 sin r (*)

Nhận xét:

 Nếu n2 > n1 thì r < i: Tia khúc xạ lệch về phía gần pháp tuyến hơn tia tới (ví dụ như khi tia sáng

truyền từ không khí vào nước)

 Nếu n2 < n1 thì r > i: Tia khúc xạ lệch ra xa pháp tuyến hơn tia tới (ví dụ như khi tia sáng truyền

từ nước ra không khí)

GMAIL: HONGMINHBKA 3

5 Hiện tượng phản xạ toàn phần

Đặt vấn đề: Từ phương trình (*) ta có sin r = 𝑛1

𝑛2sin 𝑖 > 1 thì sao?

Khi đó: Xảy ra khi tia sáng truyền theo hướng từ môi trường có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn (n1 > n2) và toàn bộ tia sáng tới bị phản xạ trở lại môi trường thứ nhất, không có tia khúc xạ

Điều kiện để xảy ra phản xạ toàn phần

Điều kiện cần: Tia sáng phải truyền theo hướng từ môi trường chiết suất lớn sang môi trường chiết suất nhỏ hơn: n1 > n2

Điều kiện đủ: Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới giới hạn: 𝑛1

𝑛2sin 𝑖 > = 1 Sin i ≥𝑛2

𝑛1 = arcsin igh

Nghĩa là i ≥ 𝑖𝑔ℎ với igh = acrsin 𝑛2

𝑛1

Khi i = igh thì vẫn có tia khúc xạ, tuy vậy tia khúc xạ đi ngang mặt nước nên ta không quan sát được

Ánh sáng trắng là tập hợp của vô số ánh sáng đơn sắc khác nhau có màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím

Dải có màu như cầu vồng (có có vô số màu nhưng được chia thành 7 màu chính là đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím) gọi là quang phổ của ánh sáng trắng

Chiết suất của các chất lỏng trong suốt biến thiên theo màu sắc của ánh sáng và tăng dần từ màu đỏ đến màu tím

6 Lăng kính

Là một khối chất trong suốt hình lăng trụ có tiết diện thẳng là một tam giác Góc hợp bởi hai mặt bên gọi là góc chiết quang A

Chú ý: Lăng kính đặt nằm ngang, nghĩa là mặt bên của lăng trụ nằm xuống

Thí nghiệm khúc xạ ánh sáng khi đi qua lăng kính

Cho một ánh sáng đơn sắc truyền qua mặt bên trái lăng kính ( ánh sáng truyền song song với tiết diện đáy)

GMAIL: HONGMINHBKA 4

Lúc đó: Ánh sáng truyền từ môi trường không khí có chiết xuất n1 tới môi trường chất làm lăng kính

có chiết suất n2 sau đó bị khúc xạ

Tia khúc xạ tớ mặt bên thứ 2 của lăng kính, bị khúc xạ lần thứ 2 cho tia ló ra mặt bên kia

Vậy quá trình ánh sáng truyền qua lăng kính gồm 2 lần khúc xạ

Mặt bên thứ nhất là mặt bên mà tia tới gặp lăng kính

Mặt bên thứ hai là mặt bên mà tia ló đi ra khỏi lăng kính sau khi bị khúc xạ lần thứ hai

Như đã biết ở phần phản xạ toàn phần thì có thể xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần ở cả hai lần khúc xạ trên

Nếu xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần ở lần 1 thì không có tia khúc xạ 1, đồng nghĩa không có quá trình khúc xạ thứ 2

Nếu hiện tượng phản xạ toàn phần xảy ra ở lần 2, thì không có tia ló

Hỏi nhanh:

Trường hợp mà góc tới bằng góc phản xạ (ở lần khúc xạ thứ 2)thì có tia ló không?

Đường đi của tia sáng qua lăng kính sau hai lần khúc xạ và không bị phản xạ toàn phần

Hình 1

Hỏi nhanh:

Vẽ đường đi ánh sáng trong trường hợp phản xạ toàn phần ở quá trình khúc xạ 1

Vẽ đường đi ánh sáng trong trường hợp phản xạ toàn phần ở quá trình khúc xạ 2

Trong hình vẽ 1

i1 : góc tới

i2 : góc ló, cũng là góc khúc xạ ở lần khúc xạ thứ hai

r1 : góc khúc xạ của tia sáng ở lần khúc xạ thứ nhất

r2 : góc tới của tia sáng ở lần khúc xạ thứ hai

D : góc lệch của tia ló so với tia tới (xét về phương diện hướng truyền)

Xét trường hợp tia sáng bị khúc xạ 2 lần khi truyền qua lăng kính như hình trên, ta có các công thức lăng kính như sau:

sini1 = nsinr1 (1)

GMAIL: HONGMINHBKA 5

sini2 = nsinr2 (2)

A = r1 + r2 (3)

D = i1 + i2 – A (4)

Hỏi nhanh: Dựa vào quan hệ góc trong tam giác, chứng minh công thức (3) và (4)

Chú ý:

Trong công thức trên ta gọi n là chiết suất của lăng kính, là chiết suất tương đối của chất làm lăng kính so với môi trường xung quanh

Nếu lăng kính đặt trong không khí thì chiết suất n của lăng kính cũng là chiết suất tuyệt đối của chất làm lăng kính

Với lăng kính góc nhỏ (góc tới i1 và góc chiết quang A đều nhỏ hơn 10o) ta có công thức gần đúng sau đây (thường dùng trong các bài tập về Tán Sắc Ánh Sáng mà sắp xét đến ở phần sau)

Gợi ý: sin x ~ x khi x nhỏ dần tới 0 Trong đó x đơn vị rad

i1 = nr1 (1)

i2 = nr2 (2)

A = r1 + r2 (3)

D = (n - 1)A (4)

Thí nghiệm về tán sắc ánh sáng của Niutơn

Hiện tượng:

Cho một chùm sáng trắng vào mặt bên lăng kính và quan sát thấy:

- Chùm tia sáng trắng là chùm hẹp

Sau quá trình khúc xạ trong lăng kính, ánh sáng truyền qua mặt bên thành một dải màu liên tiếp từ xanh tới đỏ

- So sánh với tia tới (chùm sáng trắng):

Tia đỏ bị lệch ít nhất, tia tím bị lệch nhiều nhất

Ở giữa đỏ và tím là da cam, vàng, lục, lam, tràm Nghĩa là 7 màu cơ bản

Giải thích

Để cho đơn giản về phép biến đổi, ta xét trường hợp lăng kính góc nhỏ

Góc lệch của một tia sáng đơn sắc khi truyền qua lăng kính là D = (n - 1)A

Vì A không đổi nên:

Tia đỏ bị lệch ít nhất chứng tỏ chiết suất của thủy tinh làm lăng kính đối với ánh sáng đỏ là nhỏ nhất

Tia tím bị lệch nhiều nhất chứng tỏ chiết suất của thủy tinh làm lăng kính đối với ánh sáng tím là lớn nhất

Các tia khác có góc lệch trung gian nên chiết suất của thủy tinh làm lăng kính cũng có giá trị trung gian giữa hai giá trị trên

Kết luận

1) Chiết suất của một môi trường trong suốt phụ thuộc vào màu sắc của ánh sáng truyền qua nó 2) Chiết suất của môi trường đối với ánh sáng đỏ là nhỏ nhất, đối với ánh sáng tím là lớn nhất

nđỏ < ncam < nvàng < nlục < nlam < nchàm < ntím

Thí nghiệm thứ 2 của Niuton

Thay ánh sáng đơn sắc bằng một ánh sáng đơn giản hơn Niutơn rút ra được 2 kết luận sau

1 Ánh sáng đơn sắc là ánh sắng có một màu nhất định và không bị tán sắc khi bị khúc xạ (chẳng hạn như khi truyền qua lăng kính chẳng hạn)

GMAIL: HONGMINHBKA 6

Giải thích

Vì chỉ có 1 thành phần nên khi khúc xạ qua lăng kính nó chỉ có 1 tia ló duy nhất, nghĩa là không bị phân tách Tia ló có cùng tần số, bước sóng, vận tốc giống với tia tới ở mặt bên 1

2 Ánh sáng trắng là hỗn hợp của vô số ánh sáng đơn sắc có màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím

II Tán sắc ánh sáng

Định nghĩa:

Tán sắc ánh sáng là sự phân tách một chùm sáng phức tạp thành các chùm sáng đơn sắc

Hiện tượng tán sắc gắn liền với hiện tượng khúc xạ, và dụng cụ quang học xét ở đây là lăng kính (thường

là lăng kính đáy tam giác)

Khi vẽ hình ta vẽ mặt cắt song song với đáy

Định nghĩa ánh sáng trắng

Ánh sáng trắng là hỗn hợp của vô số ánh sáng đơn sắc có màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím