NỘI DUNG KIẾN THỨC SÓNG ÁNH SÁNG

Bài báo cáo trình bày đầy đủ nội dung kiến thức chương sóng ánh sáng một cách cụ thể và chi tiết, kèm theo nhiều hình ảnh giải thích, hình ảnh minh họa rõ ràng, sinh động. Chủ đề sóng ánh sáng bao gồm những nội dung kiến thức khó, với nhiều hiện tượng sinh động gần gũi với đời sống hằng ngày của học sinh, nhưng lại là những hiện tượng phức tạp và khó hiểu, không thể bắt đầu hình thành kiến thức phần này bằng phương pháp suy luận lý thuyết đơn thuần....

TIỂU LUẬN NGHIÊN CỨU CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ PHỔ THÔNG 2

ĐỀ TÀINGHIÊN CỨU NỘI DUNG KIẾN THỨC PHẦN “SÓNG

ÁNH SÁNG” CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ 12

Nhóm: 1 Lớp: ĐHSP Vật lý K55

GV hướng dẫn: Phạm Thị Thanh Hương

Đồng Hới, tháng 3 /2016

MỤC LỤC

MỤC LỤC 3

A MỞ ĐẦU 5

B NỘI DUNG 6

1 Nhiệm vụ của phần sóng ánh sáng 6

2 Nội dung kiến thức cơ bản 6

2.1 Hiện tượng tán sắc ánh sáng 7

2.1.1 Ánh sáng đơn sắc 7

2.1.2 Ánh sáng trắng 8

2.1.3 Hiện tượng tán sắc ánh sáng 8

2.2 Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng 12

2.2.1 Khái niệm 12

2.2.2 Nhiễu xạ gây bởi các sóng cầu 12

2.2.2.1 Phương phán đới cầu Fresnel 13

2.2.2.2 Nhiễu xạ qua lỗ tròn 14

2.2.2.3 Nhiễu xạ qua đĩa tròn 16

2.2.3 Nhiễu xạ gây bởi các sóng phẳng 17

2.2.3.1 Nhiễu xạ qua khe hẹp Cách tử nhiễu xạ 17

2.2.3.2 Nhiễu xạ trên tinh thể 18

2.3 Hiện tượng giao thoa ánh sáng 19

2.3.1 Định nghĩa hiện tượng giao thoa 19

2.3.2 Điều kiện để có hiện tượng giao thoa 19

2.3.3 Khoảng vân và vị trí vân giao thoa 20

2.4 Máy quang phổ 24

2.5 Các loại quang phổ 25

2.5.1 Quang phổ liên tục 25

2.5.2 Quang phổ vạch phát xạ 26

2.5.3 Quang phổ vạch hấp thụ 27

2.6 Các bức xạ không nhìn thấy 28

2.6.1 Tia hồng ngoại 28

2.6.1.1 Khái niệm tia hồng ngoại 28

2.6.1.2 Vai trò tia hồng ngoại 29

2.6.2 Tia tử ngoại 30

2.6.2.1 Khái niệm tia tử ngoại 30

2.6.2.2 Vai trò tia tử ngoại 30

2.6.3 Tia X 31

2.6.3.1 Khái niệm tia X 31

2.6.3.2 Vai trò tia X 32

2.7 Thuyết điện từ về ánh sáng 33

KẾT LUẬN 35

A MỞ ĐẦU

Ngày nay, dạy học không còn là truyền thụ kiến thức nữa mà là giáo viên (GV) tổ chức cho học sinh (HS) hoạt động, hướng dẫn cho HS tìm tòi kiến thức để qua đó góp phần hoàn thiện nhân cách HS, tạo cho HS một số kiến thức nền tảng

và phương pháp học, hỗ trợ cho HS trong quá trình tự học suốt đời.

Để làm được việc đó, bên cạnh việc am hiểu về tâm sinh lý của HS để có những tác động phù hợp nhất, GV còn phải hiểu sâu sắc những nội dung kiến thức trong chương trình, phải nắm được nguồn gốc hình thành kiến thức đó để

có thể giúp HS làm quen với những phương pháp nhận thức vật lý phổ biến…

Chương Sóng ánh sáng có nhiều ứng dụng trong cuộc sống nhưng để hiểu vàgiải thích được những ứng dụng đó thì phải dùng những kiến thức khá xa thực tế.Chương này lại liên quan đến nhiều vấn đề trong các chương khác như sóng cơ, sóngđiện từ Chính vì vậy GV càng phải nghiên cứu kỹ để nắm bản chất và có cách phântích dễ hiểu đối với HS

Việc học môn Nghiên cứu chương trình Vật lý là điều kiện để nhóm nghiên cứu

kỹ hơn những kiến thức trong chương trình và đặc biệt là chương Sóng ánh sáng

Vì những lí do trên nên chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu kiến thức phần SÓNG ÁNH SÁNG ” làm tiểu luận cho học phần này nhằm xác định nhiệm vụ của

chương Sóng ánh sáng, nghiên cứu để trình bày chuẩn kiến thức kỹ năng hợp lý, làm

rõ những kiến thức và kỹ năng đó

Tuy đã nỗ lực cố gắng nhưng trong tiểu luận không thể tránh khỏi thiếu sót Kínhmong sự góp ý của cô giáo hướng dẫn và các bạn để tiểu luận được hoàn chỉnh hơn

B NỘI DUNG

1 Nhiệm vụ của phần sóng ánh sáng

Phần sóng ánh sáng là một phần của quang học khảo sát các hiện tượng chứng

tỏ ánh áng có bản chất sóng (hiện tượng tán sắc ánh sáng, hiện tượng nhiễu xạ ánhsáng, hiện tượng giao thoa ánh sáng), nghiên cứu các ứng dụng phổ biến của chúng vàkhảo sát tính chất, công dụng của các bức xạ không nhìn thấy (tia hồng ngoại, tia tửngoại, tia X)

Ở phần này đề cập đến các khái niệm liên quan đến sóng ánh sáng như: tán sắcánh sáng gồm ánh sáng đơn sắc, ánh sáng trắng; nhiễu xạ ánh sáng gồm nhiễu xạ gâybởi các sóng cầu, nhiễu xạ gây bởi các sóng phẳng, giao thoa ánh sáng; quang phổ liêntục, quang phổ vạch phát xạ, quang phổ vạch hấp thụ; tia hồng ngoại, tia tử ngoại, tiaX; thuyết điện từ ánh sáng và thang sóng điện từ

Phương pháp nghiên cứu chủ yếu là phương pháp nghiên cứu lý thuyết: nghiêncứu các sách, báo, tài tiệu chuyên ngành liên quan

2 Nội dung kiến thức cơ bản

Sóng ánh sáng

Bản chất

sóng của AS

Bức xạ không nhìn thấy

Tia hồng ngoại

Tia

tử ngoại

Tia X

QP vạch hấp thụ

Các loại quang phổ

Thuyết điện từ về ánh sáng, thang sóng điện từ

Phép phân tích QP

Máy

QP lăng kính

Sơ đồ nội dung kiến thức cơ bản chương Sóng ánh sáng

λ

Cλ

BAλf

Và thực ra không thể tạo ra ánh sáng tuyệt đối đơn sắc mà chỉ có thể tạo đượcánh sáng có bước sóng nằm trong một khoảng nhỏ từ λ+∆λ đến λ-∆λ Nếu ∆λ càng béthì ánh sáng tạo ra càng gần với ánh sáng đơn sắc.

7 màu chính: đỏ, cam, vàng, lục, lam,chàm, tím Hiện tượng đó gọi là hiện tượng tánsắc ánh sáng bởi lăng kính Dải màu có màu sắc thay đổi liên tục từ đỏ đến tím gọi làphổ của ánh sáng trắng

Thí nghiệm với các ánh sáng phức tạp khác như đèn dây tóc, hồ quang… cũngcho kết quả tương tự Và khi thay lăng kính bằng các dung dịch trong suốt khác nhaungười ta vẫn quan sát thấy hiện tượng tán sắc ánh sáng với phổ có độ dài khác nhau

Do đó, có thể nêu khái quát khái niệm hiện tượng tán sắc là hiện tượng một chùm ánhsáng phức tạp bị phân tách thành các chùm ánh sáng đơn sắc khác nhau khi truyềntrong môi trường không phải chân không (ví dụ như thủy tinh)

Hình 1: Sự tán sắc của ánh sáng trắng qua lăng kính

Tuy nhiên, để rút ra được khái niệm ánh sáng trắng là tổng hợp của nhiều ánhsáng đơn sắc thì phải tiến hành thí nghiệm ngược lại, để dải màu vừa bị tán sắc đó điqua một lăng kính thứ hai thì sẽ thu được trên màn một chùm ánh sáng trắng Và đểrút ra được khái niệm ánh sáng đơn sắc là ánh sáng không bị tán sắc mà chỉ bị lệchkhi đi qua lăng kính thì phải làm thí nghiệm tách lấy một màu vừa bị tán sắc và choqua lăng kính thứ hai, chùm sáng đó vẫn giữ nguyên màu cũ nhưng bị lệch xuốngđáy lăng kính.

Thí nghiệm này đồng thời cũng chứng tỏ rằng không phải lăng kính làm thayđổi màu sắc của ánh sáng chiếu vào nó mà chỉ làm các ánh sáng có màu sắc khác nhau

bị lệch theo những góc khác nhau và góc lệch đó phụ thuộc và bước sóng của ánh sáng

và tính chất của lăng kính

* Giải thích hiện tượng tán sắc ánh sáng:

Theo lý luận trên, nguyên nhân của hiện tượng tán sắc ánh sáng chính là sự phụthuộc của chiết suất môi trường vào bước sóng của ánh sáng tới Chiết suất của môitrường đối với các ánh sáng đơn sắc có bước sóng khác nhau là khác nhau Ánh sángtrắng là tổng hợp của nhiều ánh sáng đơn sắc khác nhau có màu từ đỏ tới tím, trong đóánh sáng tím có bước sóng ngắn nhất và ánh sáng đỏ có bước sóng dài nhất

Hình 2: Thí nghiệm về sự lệch của ánh sáng đơn sắc khi đi qua lăng kính

Ranh giới giữa các bước sóng ứng với các màu đơn sắc là không rõ ràng Ánhsáng tím có bước sóng nhỏ nhất nên chiết suất của lăng kính đối với ánh sáng tím làlớn nhất, và ngược lại chiết suất của lăng kính đối với ánh sáng đỏ là nhỏ nhất Màchiết suất môi trường càng lớn thì góc lệch của tia sáng càng lớn Do đó, trong thínghiệm trên, trong các ánh sáng đơn sắc thành phần của ánh sáng trắng khi đi qua lăngkính thì ánh sáng tím bị lệch nhiều nhất còn ánh sáng đỏ bị lệch ít nhất, giữa hai màunày là tất cả các màu khác của quang phổ lần lượt tạo thành một dải màu liên tục.

Theo thuyết êlectron cổ điển về sự tán sắc ánh sáng thì ánh sáng tương tác vớicác hạt mang điện cấu tạo nên môi trường Trong trường điện từ xoay chiều của sóngánh sáng, các điện tích này sẽ thực hiện các dao động cưỡng bức Biên độ của dao độngcưỡng bức phụ thuộc vào hiệu f – fo giữa tần số ánh sáng kích thích f và tần số dao độngriêng fo của điện tích Đối với ánh sáng nhìn thấy được (f : 1015Hz) thì chỉ có êlectronvành ngoài, có liên kết yếu nhất với các nguyên tử, ion hay phân tử, mới có những daođộng cưỡng bức đáng kể Những êlectron này gọi là các êlectron quang học Dao độngcủa các êlectron quang học kéo theo sự thay đổi mômen lưỡng cực điện của phân tử và

do đó, có sự thay đổi của độ phân cực điện, độ điện thẩm, hằng số điện môi Mặt khác,chiết suất của mội trường lại có liên quan đến hằng số điện môi n= εµ nên rõ ràngchiết suất của môi trường phụ thuộc vào tần số ánh sáng kích thích

Hình 3: Bảng bước sóng của ánh sáng trong chân không

Ánh sáng đơn sắc khi truyền từ môi trường này sang môi trường khác tần sốkhông thay đổi, còn bước sóng có thể thay đổi, màu sắc được xác định bằng tần số nênkhi ánh sáng truyền qua những môi trường khác nhau thì nó vẫn không thay đổi màu.

* Hiện tượng tán sắc trong thực tế:

Hiện tượng tán sắc xảy ra đồng thời với hiện tượng khúc xạ nên rất phổ biến.Tuy nhiên các màu thường hay bị lẫn với màu trắng nên ta không nhận thấy hiệntượng tán sắc

Để nhìn thấy hiện tượng tán sắc qua một lần khúc xạ, ta hãy nhìn một hạt gạohoặc mảnh sứ trắng trong nước sâu, mắt đặt gần mặt nước Ta thấy ảnh hạt gạo nhòethành dải nhiều màu

Một góc bể cá vàng hình hộp có thể coi như lăng kính bằng nước, có góc chiếtquang 900 Để mắt nhìn sát mặt bên, ta cũng thấy quang phổ nếu ở phía mặt bên vuônggóc có một ngọn đèn

Cũng tương tự như vậy, giọt sương có màu rất đẹp khi có ánh sáng mặt trờichiếu vào, nếu ta nhìn nó từ một vị trí thích hợp

Xét ví dụ về hiện tượng tán sắc ánh sáng trong tự nhiên là cầu vồng

Cầu vồng là hiện tượng tán sắc ánh sáng Mặt trời qua các giọt nước nhỏ có trong khí quyển.

Tia sáng Mặt trời tới một giọt nước mưa rơi xuống từ đám mây, bị khúc xạ lầnđầu, sau đó bị phản xạ trong giọt nước, và cuối cùng bị khúc xạ lần thứ hai ra khỏi giọtnước đi tới mắt ta Người ta chứng minh được rằng, chùm tia ló khỏi giọt nước đạtcường độ cực đại khi độ lệch trung bình của nó đối với chùm tia tới vào khoảng 40o÷

Hình 4: Cầu vòng đơn và cầu vòng kép

42o Giọt nước đóng vai trò một hệ tán sắc giống như lăng kính: chùm tia tím T bị lệchnhiều hơn chùm tia đỏ Đ.

Một người muốn trông thấy cầu vồng phải đảm bảo hai điều kiện:

+ Người quan sát phải ở khoảng giữa Mặt trời và các giọt nước mưa

+ Góc giữa mặt trời, giọt nước, người quan sát phải nằm trong khoảng 40o÷42o

Do hai điều kiện đó, ta chỉ có thể trông thấy cầu vồng tạo nên bởi những giọtnước mưa trên bầu trời vào buổi sáng và buổi chiều Ở biên trên của cầu vồng là tia đỏđến từ những giọt nước mưa phía trên, ứng với góc 42o Còn ở biên giới của cầu vồng

là tia tím đến từ những giọt nước mưa ở phía dưới, ứng với góc 40o Nằm ở giữa theothứ tự từ trên xuống là các tia sáng màu cam, vàng, lục và chàm, gộp với hai màungoài cùng đỏ và tím thành bảy sắc cầu vồng (H.3a)

Nếu tia sáng mặt trời phản xạ hai lần bên trong các giọt nước thì sẽ hình thànhcầu vồng kép Chiếc cầu vồng thứ hai có thứ tự ngược lại với chiếc cầu vồng thứ nhất,tức là màu tím ở trên cùng, rồi đến các màu chàm, lam, lục, vàng, cam, đỏ (Hình 4b)

2.2 Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng

sử dụng quan điểm mới, xem ánh sáng có tính chất sóng

2.2.2 Nhiễu xạ gây bởi các sóng cầu

Để giải thích hiện tượng nhiễu xạ phải dựa vào nguyên lý Huyghen Theo nguyên

lý đó, bất kỳ một điểm nào mà ánh sáng truyền đến đều trở thành nguồn sáng thứ cấp

Hình 5: Minh họa nguyên tắc tạo cầu vòng

B: Đám mây tạo mưaS: Chùm sáng Mặt trờiO: Mắt quan sát viên đứng trênmặt đất

A: Giọt nước, tại đó có sự khúc

xạ và phản xạ tia sáng Mặt trời

phát ánh sáng về phía trước nó Tuy nhiên, nguyên lý này mới chỉ giải thích về mặt địnhtính mà chưa đề cập đến vấn đề định lượng Do đó phải bổ sung nguyên lý của Fresnel:

“biên độ và pha của nguồn thứ cấp là biên độ và pha do nguồn thực gây ra tại vị trí củanguồn thứ cấp” và sử dụng phương pháp Fresnel mới giải thích cụ thể được

2.2.2.1 Phương phán đới cầu Fresnel

Xét một nguồn điểm S và điểm được chiếu sáng M

Dựng một mặt cầu ∑ bao quanh S, bán kính R < SM (H.6) Đặt MB = b

Vẽ các mặt cầu ∑0, ∑1, ∑2 tâm M có bán kính lần lượt là b,

2

λ2b,2

πRbΔS

+

Bán kính rk của đới cầu thứ k bằng:

λbR

a1 > a2 > a3

Vì khoảng cách từ các đới cầu đến điểm M và góc nghiêng θ tăng rất chậm, nêncác biên độ ak giảm chậm và có thể coi biên độ dao động sáng do đới thứ k gây ra tại Mbằng trung bình cộng của biên độ dao động sáng do hai đới bên cạnh gây ra:

Hình 6: Đới cầu Fresnel

λλ

2πL

Lλ

2π

Như vậy hai dao động sáng đó ngược pha nhau nên chúng sẽ khử lẫn nhau Vì

M ở khá xa mặt ∑, ta coi các dao động sáng do các đới cầu gây ra tại M cùng phương,

do đó, dao động sáng tổng hợp do các đới cầu gây ra tại M sẽ là:

a = a1 - a2 + a3 – a4 (10)Phương pháp đới cầu Fresnel được sử dụng để khảo sát hiện tượng nhiễu xạ củaánh sáng qua lỗ tròn, đĩa tròn và qua khe hẹp

2.2.2.2 Nhiễu xạ qua lỗ tròn

Trên H.7, khi ánh sáng truyền từ nguồn O qua một lỗ tròn trên màng chắn P,trên màn quan sát E nhận được một vệt sáng tròn Nếu thu nhỏ kích thước của lỗ lại thìtheo định luật truyền thẳng, kích thước của ab của lỗ cũng nhỏ lại

Thực nghiệm cho thấy khi kích thước của lỗ thu nhỏ đến một mức nào đó thìtrên màn quan sát sẽ xuất hiện những vân tròn sáng tối xen kẽ nhau Trong phạm vi ab(trong vùng sáng hình học) ta thấy có cả vân tối, ngoài phạm vi ab (trong vùng tối hìnhhọc) ta cũng có thể thấy có vân sáng, đặc biệt tại tâm C có thể sáng hay tối tùy thuộcvào kích thước của lỗ và khoảng cách từ lỗ tới màn H.8 cho thấy hình ảnh nhiễu xạqua hai trường hợp trên

Hình 7: Sự nhiễu xạ của ánh sáng qua lỗ tròn

Để giải thích hiện tượng trên ta xét sự truyền ánh sáng từ một nguồn điểm Sđến một điểm M qua một lỗ tròn AB khoét trên màn chắn (S và M nằm trên trục củalỗ) Vẽ mặt cầu ∑ tâm M, tựa vào lỗ AB Dùng M làm tâm vẽ đới cầu Fresnel trên mặt

∑ Giả sử lỗ tròn chứa n đới Fresnel

Biên độ dao động sáng tổng hợp tại M:

a = a1 – a2 + a3 – a4 (11)Trong đó: +an nếu n lẻ và –an nếu n chẵn Thay (8) vào (11) và rút gọn ta được:

2

a2

2 1 2

- Lỗ chứa một số lẻ đới:

0

2 n

2

a2

- Lỗ chứa một số chẵn đới

0

2 n

2

a2

2.2.2.3 Nhiễu xạ qua đĩa tròn

Trên đường đi của một chùm sáng, đặt một quả cầu hoặc một đĩa tròn kíchthước nhỏ, ta thu được hình ảnh: ở giữa là một chấm sáng, xung quanh là các vànhsáng tối đồng tâm

Giữa nguồn sáng O và điểm M có một đĩa tròn chắn sáng bán kính ro Giả sửđĩa che khuất m đới cầu Fresnel đầu tiên Biên độ dao động tại M là:

2

a

Hình 10: Nhiễu xạ bởi một quả cầu

Hình 11: Đới cầu Fresnel trong trường hợp nhiễu xạ qua đĩa tròn

Nếu đĩa che mất một ít đới thì am+1 không khác a1 bao nhiêu Do đó, cường độsáng tại M cũng giống trường hợp không có chướng ngại vật giữa O và M Trongtrường hợp đĩa che nhiều đới thì am+1 ≈ 0 và cường độ sáng tại M thực tế bằng không.

2.2.3 Nhiễu xạ gây bởi các sóng phẳng

2.2.3.1 Nhiễu xạ qua khe hẹp Cách tử nhiễu xạ

Để tạo ra chùm sáng song song, người ta đặt nguồn sáng O tại tiêu điểm củathấu kính hội tụ Lo Chiếu chùm sáng đơn sắc song song bước sóng λ vào khe hẹp AB

có bề rộng b Sau khi đi qua khe hẹp, tia sáng sẽ bị nhiễu xạ theo nhiều phương Muốnquan sát ảnh nhiễu xạ chúng ta sử dụng thấu kính hội tụ L, chùm tia nhiễu xạ sẽ hội tụtại điểm M trên mặt phẳng tiêu của thấu kính hội tụ L Tùy theo giá trị của ϕ điểm M

có thể sáng hoặc tối Những điểm sáng tối này nằm dọc trên đường thẳng vuông gócvới chiều dài khe hẹp và được gọi là các cực đại và cực tiểu nhiễu xạ

Vì sóng ánh sáng gửi đến khe là sóng phẳng nên mặt phẳng khe là một mặtsóng phẳng, các sóng thứ cấp trên mặt phẳng khe dao động cùng pha

Xét nhiễu xạ theo phương ϕ = 0, chúng hội tụ tại điểm F Mặt phẳng khe và mặtquan sát là hai mặt trực giao nên các tia sáng gởi từ mặt phẳng khe tới điểm F cóquang lộ bằng nhau và dao động cùng pha nên chúng tăng cường nhau Điểm F rấtsáng và gọi là cực đại giữa

Trong trường hợp ϕ ≠ 0, áp dụng phương pháp đới cầu Fresnel ta tính toánđược biên độ dao động sáng tổng hợp tại một điểm M trên màn quan sát Kết quả ta cócác điều kiện cực đại, cực tiểu nhiễu xạ qua một khe hẹp như sau:

- Cực đại giữa (k=0): sinϕ = 0

- Cực đại nhiễu xạ: ;

b

λ3

;b

λ2

;b

Hình 12: Nhiễu xạ qua khe hẹp

Người ta có thể chế tạo được cách tử dài 10cm, trên mỗi mm có từ 500 – 1200vạch Cách tử có thể sử dụng để xác định bước sóng ánh sáng đơn sắc, xác định thànhphần cấu tạo của các chất và dùng trong máy quang phổ…

2.2.3.2 Nhiễu xạ trên tinh thể

Đối với tinh thể rắn, mạng tinh thể đóng vai trò một cách tử không gian bachiều Sự nhiễu xạ của các tia trên các nút mạng cho ta kết quả:

trong đó d là khoảng cách giữa hai nút mạng, gọi là hằng số mạng Công thức được gọi

là công thức Vulf – Bragg Công thức Vulf – Bragg được dùng để xác định cấu trúccủa vật rắn tinh thể

Hình 13: Cách tử và nhiễu xạ ánh sáng qua cách tử

Hình 14: Nhiễu xạ trên tinh thể