Bài giảng phân tích chương trình vật lý phổ thông chương 11

bài giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 Chơng 11 dạy học phần tính chất ánh sáng 1.Mở đầu 1.1 Cấu tạo chơng trình Theo quan niệm đại ánh sáng có tính chất sóng mà có tính chất hạt Các tính chất thể có tơng tác ánh sáng với chất Việc nghiên cứu tính chất ánh sáng đa học sinh tới kết luận quan trọng: ánh sáng truyền với vận tốc giới nội, ánh sáng có lợng xung lợng, khối lợng gây nên áp suất mặt hấp thụ phản xạ Các kết luận có nghĩa giáo dục to lớn Các kiến thức quang lý đợc vận dụng rộng rãi thực tế: phân tích quang phổ, kiểm tra phẩm chất bề mặt mài nhẵn phơng pháp giao thoa: sử dụng hiệu ứng quang điện vào việc tự động hóa, ứng dụng phát quang để chế tạo nguồn ánh sáng phân tích huỳnh quang Các ứng dụng rõ ràng có ý nghĩa giáo dục kỹ thuật tổng hợp Các tính chất ánh sáng thờng đợc chia thành nhóm vấn đề gắn với chất ánh sáng tợng giao thoa, nhiễu xạ, phân cực ánh sáng, tán sắc, tán xạ ánh sáng, hiệu ứng quang điện, tác dụng hóa học ánh sáng phát quang, áp suất ánh sáng Giao thoa ánh sáng tợng chứng tỏ trực tiếp chất sóng ánh sáng Nó nêu giới hạn định luật tính độc lập chùm tia sáng Khi nghiên cứu xạ mà phát đợc tợng giao thoa xạ kết luận xạ có chất sóng Hiện tợng nhiễu xạ khẳng định chất sóng ánh sáng, nêu giới hạn áp dụng định luật truyền thẳng ánh sáng Hiện tợng phân cực ánh sáng chứng tỏ chất ngang ánh sáng Cũng nh sóng điện từ sóng ánh sáng sóng ngang Vì lý thời gian sách giáo khoa vật lý lớp 12 phổ thông nhóm tợng ngời ta nghiên cứu tợng giao thoa ánh sáng thí nghiệm khe Young 104 giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 Tiếp theo, giáo trình nghiên phổ ánh sáng Phổ xạ đặc trng xạ Ngời ta nghiên cứu quang phổ máy quang phổ lăng kính hay cách tử nhiễu xạ Khái niệm quang phổ ngày đợc sử dụng rộng rãi áp dụng cho ánh sáng khả kiến mà cho tất dạng xạ điện từ sóng vô tuyến đến tia gamma Việc nghiên cứu tợng tán sắc, phổ vào phân bố lợng phổ có vị trí quan trọng phần quang lý cần cho học sinh làm quen với dạng khác phổ liên tục, phổ vạch, phổ phát xạ phổ hấp thụ Hiểu biết phổ vạch cần thiết để nghiên cứu hấp thụ xạ ánh sáng nguyên tử Phần phổ ánh sáng đợc kết thúc kết luận thang sóng điện từ ii phân tích Nội dung kiến thức 2.1 Giao thoa ánh sáng 2.1.1 Nội dung kiến thức 2.1.1.1 Điều kiện để có giao thoa Khi có hai sóng gặp có tợng tổng hợp sóng nhng có tợng giao thoa hai sóng sóng kết hợp Vậy hai sóng kết hợp hai sóng thỏa điều kiện nào? Ta biết thời điểm môi trờng có hai sóng có tần số đồng thời truyền đến dao động điểm dao động tổng hợp hai sóng có cờng độ là: I= I1+I2+ I1I2 cos I1 I2 cờng độ hai sóng thành phần, hiệu số pha hai sóng có giá trị khác điểm khác Tại điểm thay đổi theo thời gian cờng độ sóng thay đổi theo thời gian cờng độ sóng trung bình I = I1+I2 Nếu điểm thay đổi theo thời gian vùng hai sóng gặp điểm có cờng độ sóng trung bình I =I1 + I2 Khi , hiệu số pha hai sóng, điểm không thay đổi theo thời gian cờng độ sáng không thay đổi theo thời gian Nhng = 2n cờng độ sóng sóng tổng hợp I = 2I1, = (2n+1) cờng độ sóng tổng hợp I không Từ ta thấy hai sóng gặp chúng tăng cờng cho mà làm yếu có làm triệt 105 giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 tiêu lẫn Hiện tợng ta gọi tợng giao thoa ánh sáng Hai nguồn phát sóng hai nguồn kết hợp Vậy hai sóng kết hợp hai sóng có tần số có hiệu số pha ban đầu chúng không thay đổi theo thời gian (pha ban đầu chúng có giá trị tùy ý) Nếu hai sóng có độ kết hợp cao vân giao thoa rõ nét dễ quan sát Rõ ràng có sóng ánh sáng đơn sắc thỏa mãn yêu cầu nguồn sáng thông thờng hay hai phần khác nguồn sáng (trừ lade) là nguồn kết hợp tợng giao thoa Sở dĩ nh chế phát xạ phân tử, phân tử cấu tạo nên nguồn sáng Theo lý thuyết, thời gian phát sáng phân tử hay nguyên tử t0 10-8 s, khoảng thời gian nguyên tử trạng thái kích thích giải phóng lợng dới dạng ánh sáng, trở trạng thái bình thờng Sau khoảng thời gian nguyên tử lại bị kích thích bắt đầu lại phát sáng.Vì ánh sáng nguyên tử phát xung ngắn riêng rẽ đợc gọi đoàn sóng Với nguồn sáng thông thờng thời gian phát sáng vào khoảng t0 10-8s, vận tốc ánh sáng cỡ c= 3.108 m/s chiều dài đoàn sóng truyền chân không cỡ l =c.t0= 108.10-8 =3m Độ dài đoàn sóng đợc gọi là độ dài kết hợp Nếu đoàn sóng nh lại nguyên tử phát thời điểm khác pha ban đầu chúng thay đổi cách hỗn loạn từ lần phát xạ đến lần phát xạ khác Chính mà đoàn sóng sóng không kết hợp Cũng nh hai đoàn sóng kết hợp chúng đợc phát từ hai nguyên tử khác nguồn sáng Tóm lại, sóng ánh sáng nguồn sáng thông thờng phát không kết hợp Muốn tạo đợc hai sóng kết hợp từ nguồn sáng thông thờng ngời ta phải tìm cách tách đoàn sóng phát nguyên tử thành hai đoàn sóng cách cho chùm sáng ban đầu phản xạ hai gơng phẳng (gơng Fresnel), hay khúc xạ qua hai lăng kính (lỡng lăng kính), qua hai khe hẹp nằm gần (khe Young) Sau ta cho hai sóng kết hợp truyền theo hai đờng khác nhau, cho chúng gặp ta có tợng giao thoa ánh sáng Tuy nhiên tợng giao thoa xảy hiệu quang trình (hiệu đờng đi) hai sóng kết hợp phải nhỏ độ dài l kết hợp đoàn sóng Thực vậy, hiệu quang trình l hai đoàn sóng nối đuôi hình ảnh giao thoa biến Nh độ dài đoàn sóng xác định giá trị cực đại hiệu quang trình để xảy tợng giao thoa ánh sáng Ngày với máy phát lade ánh sáng phát từ máy phát có độ kết hợp (và độ đơn sắc) cao (độ dài đoàn sóng lớn), cần hai 106 giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 lade có tần số ta quan sát tợng giao thoa dù hiệu quang trình có giá trị lớn 2.1.1.2 Độ đơn sắc ánh sáng Vì xạ nguyên tử phân tử nguồn sáng lại xảy khoảng thời gian hữu hạn t0 nên xạ nguồn sáng tuyệt dối đơn sắc (có tần số hoàn toàn xác định) xạ tập hợp sóng hình sin có độ dài vô hạn với tần số bội số tần số Tính không đơn sắc xạ nhiều nguyên nhân khác Trớc hết nguồn sáng chứa số lớn nguyên tử, phân tử trạng thái nhiệt hỗn độn, ánh sáng chúng phát có tần số khác nhau, xạ toàn phần nguồn ánh sáng không đơn sắc Mặt khác, hiệu ứng Doppler, tơng tác nguyên tử, phân tử nguồn sáng nguyên nhân làm cho xạ không đơn sắc Mặc dù vậy, khái niệm xạ đơn sắc cần thiết Ta hiểu xạ đơn sắc xạ có tần số hoàn toàn xác định có biên độ không đổi Màu sắc xạ đợc xác định tần số, bớc sóng Độ đơn sắc ánh sáng có ảnh hởng đến hình giao thoa Giả sử ánh sáng không đơn sắc, nghĩa ánh sáng có chứa nhóm sóng có bớc sóng (hay tần số) với giá trị gần , 1, 2, +; bề rộng lớn quang phổ ánh sáng cho phép ta quan sát đợc hình giao thoa, gọi độ đơn sắc ánh sáng Khi điều kiện để không quan sát đợc giao thoa ánh sáng vân sáng bậc k bớc sóng + trùng với vân sáng bậc k+1 bớc sóng : xk (+)= xk+1() suy k(+)= (k+1) hay k = k = / Nh bậc giao thoa k (hay số vân giao thoa quan sát đợc) phụ thuộc vào độ đơn sắc ánh sáng Nếu tăng dần lên tức ánh sáng không đợc đơn sắc lắm, k giảm, nghĩa số vân giao thoa quan sát đợc giảm đi.Nếu < / k hình ảnh giao thoa quan sát đợc ; > / k không quan sát đợc vân giao thoa Đối với ánh sáng đơn sắc =0 k= nghĩa số vân giao thoa quan sát đợc lớn Nh vậy, không đơn sắc xạ làm cho hình giao thoa 2.1.1.3 ảnh hởng kích thớc nguồn ánh sáng đến hình giao thoa Nếu ta tăng dần kích thớc nguồn ánh sáng, mở rộng dần khe sáng S thí nghiệm Young chẳng hạn dải hẹp chiều rộng khe sáng cho ta hệ vân giao thoa riêng, tổng hợp tất hệ vân cho phân bố cờng độ sáng điểm khác quan sát Thí 107 giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 nghiệm chứng tỏ độ rộng b khe sáng S vợt qua giới hạn b0 không quan sát đợc vân giao thoa Để ớc tính giá trị b0, (giả sử hai khe S1 S2 thí nghiệm Young hẹp, khe S có độ rộng b) ; ta chia S thành hai khe hẹp có hai tâm K1 K2 cách K1K2 =b/2 Mỗi khe cho quan sát E hệ vân Hai vân sáng 01 02 hai hệ vân cách khoảng x Từ hình vẽ ta có: 0102 = x = K1K2 D/ l x =b D / 2l với l khoảng cách từ nguồn S đến mặt phẳng chứa hai khe S1, S2, D khoảng cách từ S1,S2 đến E Nếu x nửa khoảng vân i (i = D/ a) vân tối hệ vân trùng với vân sáng hệ vân hình giao thoa E hoàn toàn biến Vì muốn quan sát đợc hình ảnh giao thoa x phải nhỏ i/2 x nhỏ tức khe S hẹp dễ quan sát vân giao thoa Thực nghiệm cho thấy muốn quan sát đợc vân giao thoa cách dễ dàng phải có: x i/ hay b D / l D/4a b l/2a Suy b0= l/2a 2.1.2 Lu ý dạy học Cũng nh sách giáo khoa hành, sách giáo khoa vật lý lớp 12 ban (A,B) trình bày thí nghiệm Young tợng giao thoa ánh sáng thí nghiệm dễ tiến hành biểu diễn lớp nh thực đồng loạt cho em Học sinh trông thấy vân giao thoa nhờ vào trí tởng tợng thân họ Chỉ có điều khó khăn em phải thừa nhận ánh sáng chiếu lên khe làm cho khe trở thành nguồn phát sóng ánh sáng lan truyền tiếp phía sau Sau nêu lên cách giải thích trình bày sách giáo khoa giáo viên cần nhắc lại kết luận quan trọng: Hiện tợng giao thoa chứng thực nghiệm quan trọng khẳng định ánh sáng có tính chất sóng Hiện tợng giao thoa xảy với trình sóng có chất khảo sát trình bất kỳ, ta phát đợc giao thoa trình trình sóng Cần cho học sinh ý: vị trí vân sáng chỗ sáng vân (từ vị trí vân độ sáng giảm dần không vị trí vân tối 2.2 Sự tán sắc ánh sáng Theo nghĩa rộng, phân giải chùm sáng nhiều thành phần thành phổ gồm nhiều thành phần đơn sắc khác gọi tán sắc Nh vậy, có tán sắc khúc xạ, tán sắc giao thoa tán sắc nhiễu xạ Tuy nhiên, 108 giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 nhiều tác giả, tác giả sách vật lý đại cơng, chấp nhận định nghĩa hẹp tợng tán sắc: tán sắc ánh sáng tợng phụ thuộc chiết suất tuyệt đối n môi trờng suốt vào tần số ánh sáng (hoặc vào bớc sóng ánh sáng chân không) n = f()= () với =c/ n Vì vậy, sách giáo khoa, không đa định nghĩa tợng tán sắc ánh sáng, mà đa khái niệm sơ lợc tợng thông qua tác dụng lăng kính chùm ánh sáng trắng"sự tán sắc ánh sáng phân tích_ lăng kính chẳng hạn_ chùm ánh sáng trắng(ánh sáng phức tạp) thành chùm ánh sáng đơn sắc" sách giáo khoa phân ban A; đồng thời sách giáo khoa có không ý định mở rộng khái niệm học sinh phổ thông bậc trung học Theo thuyết êlectron cổ điển tán sắc ánh sáng, tợng xảy tơng tác ánh sáng với hạt mang điện cấu tạo nên môi trờng Trong trờng điện từ xoay chiều sóng ánh sáng, điện tích thực dao động cỡng Biên độ dao động cỡng phụ thuộc vào hiệu (-0) tần số ánh sáng kích thích tần số dao động riêng điện tích Đối với ánh sáng nhìn thấy đợc ( 10 15 Hz ) có êlectron vành ngoài, có liên kết yếu với nguyên tử, iôn hay phân tử, có dao động cỡng đáng kể Những êlectron gọi êlectron êlectron quang học Dao động êlectron quang học kéo theo thay đổi momen lỡng cực điện phân tử đó, thay đổi độ phân cực điện, độ điện thẩm só điện môi Mặt khác, chiết suất môi trờng lại có liên quan đến số điện môi n = Nh vậy, ta giải thích đợc cách gián tiếp phụ thuộc chiết suất môi trờng suốt vào tần số ánh sáng kích thích Đi sâu vào chế truyền sóng điện từ môi trờng, ta thấy êlectron quang học dao động cỡng chúng phát sóng điện từ thứ cấp Vì khoảng cách trung bình phân tử môi trờng nhỏ, so với chiều dài đoàn sóng, nên sóng thứ cấp êlectron quang học nằm số lớn phân tử cạnh kết hợp với kết hợp với sóng sơ cấp Do đó, gặp nhau, chúng giao thoa với Kết giao thoa phụ thuộc vào tơng quan biên pha sóng thành phần Trong môi trờng đồng tính đẳng hớng quang học, theo phơng khác với phơng truyền sóng sơ cấp sóng thứ cấp triệt tiêu lẫn nhau, lại sóng truyền theo phơng truyền sóng sơ cấp Đồng thời, sóng tổng hợp chậm pha dần, tức vận tốc pha sóng giảm so với trờng hợp truyền chân không Vận tốc pha rõ ràng phụ thuộc vào tần số ánh sáng kích thích Tóm lại tợng tán sắc ta cần lu ý học sinh điểm sau: 109 giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 -ánh sáng có màu khác qua lăng kính lệch góc khác nhau, ánh sáng tím bị lệch nhiều nhất, ánh sáng đỏ bị lệch nhất, hai màu tất màu khác quang phổ -Tuy chất nhng chiết suất không giống ánh sáng thấy đợc Chiết suất chất ánh sáng đơn sắc tỉ số vận tốc ánh sáng truyền chân không c vận tốc ánh sáng truyền chất v n= c/ v hay n= 0T/ T = 0/ Vậy ánh sáng đơn sắc truyền từ môi trờng sang môi trờng khác tần số không thay đổi, bớc sóng thay đổi, màu sắc dợc xác định tần số bớc sóng ánh sáng truyền qua môi trờng khác không thay đổi màu 110 .. .bài giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 Tiếp theo, giáo trình nghiên phổ ánh sáng Phổ xạ đặc trng xạ Ngời ta nghiên cứu quang phổ máy quang phổ lăng kính hay... cho ta hệ vân giao thoa riêng, tổng hợp tất hệ vân cho phân bố cờng độ sáng điểm khác quan sát Thí 107 giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 nghiệm chứng tỏ độ rộng b khe sáng S vợt... không Từ ta thấy hai sóng gặp chúng tăng cờng cho mà làm yếu có làm triệt 105 giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 tiêu lẫn Hiện tợng ta gọi tợng giao thoa ánh sáng Hai nguồn phát