CHƯƠNG V: SÓNG ÁNH SÁNG1. HIỆN TƯỢNG TÁN SẮC ÁNH SÁNG CÁC LOẠI QUANG PHỔ 1. Hiện tượng tán sắc ánh sáng Thí nghiệm: Chiếu tia sáng trắng qua lăng kính, phía sau lăng kính ta đặt màn hứng M. Trên M ta quan sát được dải màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím. Kết luận: Hiện tượng tán sắc ánh sáng là hiện tượng mà khi một chùm sáng khi đi qua lăng kính thì nó bị phân tích thành nhiều ánh sáng đơn sắc khác nhau. Ánh sáng đơn sắc là ánh sáng khi đi qua lăng kính chỉ bị lệch mà không bị tán sắc: Ánh sáng đa sắc là ánh sáng gồm hai ánh sáng đơn sắc trở lên. Thí nghiệm về hiện tượng tán sắc ánh sáng. Ánh sáng đơn sắc là ánh sáng có một tần số nhất định và không bị tán sắc khi truyền qua lăng kính. Ánh sáng trắng là hỗn hợp của nhiều ánh sáng đơn sắc có màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím. (0,76μm > > 0,38 μm) Chiết suất của các chất trong suốt biến thiên theo tần số của ánh sáng đơn sắc và tăng dần từ đỏ đến tím. Khi một ánh sáng đơn sắc truyền từ môi trường này sang môi trường khác (ví dụ truyền từ không khí vào nước) thì vận tốc truyền, phương truyền, bước sóng có thể thay đổi nhưng tần số, chu kì, màu sắc, năng lượng photon thì không đổi.
CHƯƠNG V: SÓNG ÁNH SÁNG HIỆN TƯỢNG TÁN SẮC ÁNH SÁNG - CÁC LOẠI QUANG PHỔ Hiện tượng tán sắc ánh sáng Thí nghiệm: Chiếu tia sáng trắng qua lăng kính, phía sau lăng kính ta đặt hứng M Trên M ta quan sát dải màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím Kết luận: Hiện tượng tán sắc ánh sáng tượng mà chùm sáng qua lăng kính bị phân tích thành nhiều ánh sáng đơn sắc khác *Ánh sáng đơn sắc ánh sáng qua lăng kính bị lệch mà không bị tán sắc: *Ánh sáng đa sắc ánh sáng gồm hai ánh sáng đơn sắc trở lên Thí nghiệm tượng tán sắc ánh sáng - Ánh sáng đơn sắc ánh sáng có tần số định không bị tán sắc truyền qua lăng kính - Ánh sáng trắng hỗn hợp nhiều ánh sáng đơn sắc có màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím (0,76μm > λ > 0,38 μm) - Chiết suất chất suốt biến thiên theo tần số ánh sáng đơn sắc tăng dần từ đỏ đến tím - Khi ánh sáng đơn sắc truyền từ môi trường sang môi trường khác (ví dụ truyền từ không khí vào nước) vận tốc truyền, phương truyền, bước sóng thay đổi tần số, chu kì, màu sắc, lượng photon không đổi - Chiết suất: n = c → vtím < vđỏ v Bước sóng ánh sáng đơn sắc truyền chân không c λ0 = f Trong môi trường có chiết suất n λ= v f Tóm tắt tần số, bước sóng, chiết suất, vận tốc, góc lệch ánh sáng khả kiến Giải thích tượng tán sắc ánh sáng Hiện tượng tán sắc ánh sáng giải thích sau: - Ánh sáng trắng hỗn hợp nhiều ánh sáng đơn sắc khác nhau, có màu liên tục từ đỏ đến tím - Chiết suất thủy tinh (và môi trường suốt khác) có giá trị khác ánh sáng đơn sắc có màu khác nhau, giá trị nhỏ ánh sáng đỏ lớn ánh sáng tím Mặc khác, ta biết góc lệch tia sáng đơn sắc khúc xạ qua lăng kính phụ thuộc vào chiết suốt lăng kính: chiết suốt lăng kính lớn góc lệch lớn Vì sau khúc xạ qua lăng kính, bị lệch góc khác nhau, trở thành tách rời Kết là, chùm sáng trắng ló khỏi lăng kính bị trải rộng thành nhiều chùm đơn sắc, tạo thành quang phổ ánh sáng trắng mà ta quan sát Ứng dụng tán sắc ánh sáng - Ứng dụng máy quang phổ để phân tích chùm sáng đa sắc, vật phát thành thành phần đơn sắc - Giải thích nhiều tượng quang học khí quyển, cầu vồng… II - MÁY QUANG PHỔ: Máy quang phổ cấu tạo gồm ba phận - Bộ phận thứ ống truẩn trực, ống chuẩn trực ống đầu thấy kính hội tụ L1, đầy khe hẹp có lỗ ánh sáng qua nằm tiêu điểm vật thấu kính hội tụ có tác dụng tạo chùm sáng song song đến lăng kính - Lăng kính P: phận máy quang phổ nhằm tán sắc ánh sáng trắng thành dải màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím - Màn M hay gọi buồng ảnh dùng để hứng ảnh * Nguyên tắc hoạt động dựa tượng tán sắc ánh sáng Các loại quang phổ Quang phổ Quang phổ liên tục Quang phổ vạch phát xạ Quang phổ vạch hấp thụ Định nghĩa Gồm nhiều dải màu sắc biến thiên liên tục (không thiết phải đủ từ đỏ đến tím) Gồm vạch màu riêng lẻ ngăn cách khoảng tối Là hệ thống gồm vạch tối riêng lẻ nằm quang phổ liên tục Nguồn phát Do chất rắn, lỏng, khí có tỷ khối lớn áp suất cao kích thích (bị nung nóng) phát Do chất khí hay áp suất thấp kích thích (nung nóng hay phóng tia lửa điện) phát Nhiệt độ đám khí hay hấp thụ phải thấp nhiệt độ nguồn phát sáng Không phụ thuộc vào chất (thành phần cấu tạo) nguồn sáng, phụ thuộc vào nhiệt độ nguồn sáng Nhiệt độ cao, miền phát sáng mở rộng vùng ánh sáng có bước sóng ngắn Mỗi nguyên tố hóa học có quang phổ vạch đặc trưng riêng (về số vạch, màu vạch, vị trí vạch, độ sáng tỉ đối vạch) Ở nhiệt độ định vật có khả phát xạ xạ đơn sắc đồng thời có khả hấp thụ xạ đơn sắc Quang phổ vạch hấp thụ nguyên tố có tính chất đặc trưng riêng cho nguyên tố Xác định nhiệt độ vật, đặc biệt vật tiếp cận mặt trời, xa, lò nung Nhận biết có mặt nguyên tố hợp chất cho dù thành phần nguyên tố (nhanh, nhạy phương pháp hóa học) Nhận biết có mặt nguyên tố hợp chất, khối chất cho dù thành phần nguyên tố khối chất tiếp cận mặt trời, xa… Tính chất Ứng dụng Hiện tượng đảo vạch quang phổ: Hiện tượng mà vạch sáng quang phổ phát xạ, trở thành vạch tối quang phổ hấp thụ ngược lại gọi tượng đảo vạch quang phổ 2 CÁC LOẠI TIA (BỨC XẠ) KHÔNG NHÌN THẤY Bức xạ (tia) Định nghĩa Nguồn phát Tính chất Công dụng I Tia Hồng ngoại Là xạ không nhìn thấy, có chất sóng điện từ, có bước sóng dài bước sóng ánh sáng đỏ, nhỏ bước sóng sóng vô tuyến (1mm ≥ λ ≥ 0,76μm) Mọi vật có nhiệt độ > -2730C (0K) phát tia hồng ngoại Các vật nung nóng nguồn phát hồng ngoại thông dụng Tác dụng nhiệt Tác dụng lên kính ảnh hồng ngoại Có thể biến điệu SĐT Gây tượng quang điện Bị nước hấp thụ mạnh Dùng sấy khô, sưởi ấm Chụp ảnh vào ban đêm Dùng điều khiển từ xa Tia Tử ngoại Tia Rơn ghen (Tia X) Là xạ không nhìn thấy, có chất sóng điện từ, có bước sóng ngắn bước sóng ánh sáng tím 0,38 μm ≥ λ ≥ 10-9 m Là xạ không nhìn thấy, có chất sóng điện từ, có bước sóng ngắn, ngắn bước sóng tia tử ngoại, từ 10-11m đến 10-8m Đèn thủy ngân Mặt trời Vật nóng 20000C Hồ quang điện, vật nóng sáng 30000 nguồn tự ngoại phổ biến Ống rơn-ghen Máy phát tia X Tia X cứng có bước sóng nhỏ, tần số lượng lớn, đâm xuyên tốt Tia X mềm ngược lại Tác dụng mạnh lên kính ảnh Tác dụng làm phát quang, ion hóa không khí Tác dụng sinh học Gây phản ứng quang hóa, quang hợp Có tác dụng sinh học Gây tượng quang điện Bị nước, thủy tinh hấp thụ mạnh bị thạch anh hấp thụ Dùng tiệt trùng, chữa bệnh còi xương Dò tìm vết nứt bề mặt kim loại Có khả đâm xuyên Tác dụng mạnh lên kính ảnh Tác dụng phát quang, ion háo không khí Tác dụng sinh lí, hủy diệt tế bào, diệt vi khuẩn, … Gây tượng quang điện Dùng chiếu, chụp điện, chữa bệnh ung thư Kiểm tra khuyết tật sản phẩm đúc Dùng huỳnh quang, máy đo liều lượng tia Rơn-ghen THUYẾT ĐIỆN TỪ VỀ ÁNH SÁNG Bản chất ánh sáng sóng điện từ có bước sóng ngắn lan truyền không gian THANG SÓNG ĐIỆN TỪ - Các sóng vô tuyến điện, tia hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tia tử ngoại, tia X tia gamma có chất sóng điện từ, chúng khác bước sóng (tần số) - Nếu xếp theo thứ tự bước sóng giảm dần (tần số tăng dần) ta thang sóng điện từ sau: xạ có bước sóng dài tần số nhỏ lượng photon nhỏ tính chất sóng giao thoa, phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ… thể rõ Nếu xạ có bước sóng ngắn tần số lớn lượng photon lớn tính chất hạt như, quang điện, ion hóa, quang hóa, đâm xuyên… thể rõ - Mặt trời nguồn phát quang phổ liên tục quang phổ mặt trời mà ta thu mặt đất lại quang phổ vạch hấp thụ khí mặt trời - Năng lượng mặt trời tỏa chiếm khoảng 50% xạ hồng ngoại, khoảng 9% xạ xạ tử ngoại lại % xạ khả kiến xạ khác 3 HIỆN TƯỢNG PHẢN XẠ - KHÚC XẠ - LĂNG KÍNH Lăng kính sin i1 = n sin r1 ; A = r1 + r2 Công thức lăng kính: sin i2 = n sin r2 ; D = i1 + i2 − A A + Dmin * Chiết suất chất làm lăng kính n = A sin Góc chiết quang nhỏ i= n.r góc lệch tia tới tia ló D = (n - 1) A nt ≥ nλ ≥ nd Với ánh sáng trắng λt ≥ λ ≥ λd Bài toán cần ý: Bài toán xác định góc lệch tia đỏ so với tia tím ló khỏi lăng kính (với A nhỏ): ∆Drad = (ntím – nđỏ).Arad ∆xrad = (ntím – nđỏ).Arad.d sin Hiện tượng khúc xạ ánh sáng n1.sini1 = n2.sini2 Hiện tượng phản xạ toàn phần Điều kiện xảy phản xạ toàn phần Xác định góc phản xạ toàn phần sinigh = n1 > n2 i ≥ igh n2 n1 4 GIAO THOA SÓNG ÁNH SÁNG Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng Nhiễu xạ ánh sáng tượng ánh sáng không tuân theo định luật truyền thẳng, quan sát ánh sáng truyền qua lỗ nhỏ gần mép vật suốt không suốt Nhờ tượng nhiễu xạ ánh sáng mà tia sáng qua khe hẹp trở thành nguồn sáng - Chúng ta giải thích tượng nhiễu xạ ánh sáng thừa nhận ánh sáng có tính chất sóng Hiện tượng giao thoa ánh sáng Gọi ∆d khoảng hiệu quang lộ từ hai nguồn S1 S2 tới màn: ⇒ ∆d = d2 - d1 = a) Vị trí vân sáng (Hai sóng pha) d2 - d1 = = k.λ ⇒ xs = k = k.i Trong đó: k vân sáng bậc k (k = 0, ± 1, ± 2, ± 3….) λ bước sóng ánh sáng (m) D khoảng cách từ mặt phẳng S1S2 đến M a khoảng cách hai khe S1S2 b) Vị trí vân tối (Hai sóng ngược pha) d2 - d1 = (k + )λ = ⇒ xt = (k+ )= (k + )i (k = 0, ± 1, ± 2, ± …) - Nếu k > 0: k vân tối thứ (k + 1) Vd: k = vân tối thứ (5 + 1) = - Nếu k < k vân tối thứ (- k) Vd: k = -5 vân tối thứ - Đối với vân tối khái niệm bậc vân tối c) Khoảng vân Khoảng vân i khoảng cách hai vân sáng hai vân tối liên tiếp i= d) Bước sóng ánh sáng màu sắc ánh sáng - Mỗi ánh sáng đơn sắc có bước sóng chân không xác định - Các ánh sáng đơn sắc có bước sóng khoảng từ 0,38 0,76 μm - Ánh sáng mặt trời hỗn hợp vô số ánh sáng có bước sóng biến thiên liên tục từ ∞ - Bảng màu sắc - bước sóng (Trong chân không) Màu lục 500: 575 λ (nm) Đỏ 640: 760 lam 450:510 Da cam 590: 650 Chàm 430:460 Vàng 570: 600 Tím 380:440 - Điều kiện để tượng giao thoa ánh sáng xảy ra: Hai nguồn phải phát hai sóng có bước sóng (hoặc tần số chu kỳ) có hiệu số pha hai nguồn phải không đổi theo thời gian ( hai nguồn kết hợp) CÁC BÀI TOÁN CƠ BẢN Dạng 1: Giao thoa với ánh sáng đơn sắc Loại Số vân sáng – vân tối miền giao thoa có bề rộng L Đặt n = n lấy phần nguyên Ví dụ: n = 6,3 lấy giá trị - Nếu n số chẵn thì: Vân vân sáng, số vân sáng n + 1, số vân tối n - Nếu n số lẻ thì: Vân vân tối, số vân tối n + 1, số vân sáng n Loại Xác định số vân sáng, vân tối hai điểm M, N có toạ độ x 1, x2 (x1 < x2) Vân sáng: x1 < k.i < x2; Vân tối: x1 < (k + 0,5).i < x2 (Số giá trị k ∈ Z số vân sáng (vân tối) cần tìm) Loại Xác định khoảng cách hai vị trí M, N có toạ độ x 1, x2 ∆x = x1 – x2 Lưu ý: M N phía với vân trung tâm x 1, x2 dấu M N khác phía với vân trung tâm x 1, x2 khác dấu Loại Xác định khoảng vân i khoảng có bề rộng L Biết khoảng L có n vân sáng - Nếu đầu hai vân sáng thì: i = - Nếu đầu hai vân tối thì: i = - Nếu đầu vân sáng đầu vân tối thì: i = Loại Tại điểm cho vân sáng hay vân tối? x Ta lập tỉ số = k + lẻ i - Nếu lẻ = 0: vân sáng bậc k - Nếu lẻ ≠ 0: vân tối bậc k+1 Dạng 2: Bài toán xác định vị trí trùng Thực giao thoa ánh sáng với hai bước sóng λ1 λ2 Loại 1: Trùng hai vân sáng Gọi x vị trí vân sáng trùng ánh sáng giao thoa ⇒ x1 = x2 ⇒ k1λ1 = k2λ2 hay = Loại 2: Vị trí trùng hai vân tối k1 + = λ2 x1 = x2 ⇒ (k1 + )λ1 = (k2 + )λ2 hay λ1 k2 + Loại 3: Ví trí trùng vân sáng - vân tối xs1 = xt2 (k1 + ) = k2 Hay (k1 + ) λ1= k2λ2 Loại 4: Vị trí trùng vân sáng Thực giao thoa ánh sáng với ba ánh sáng đơn sắc λ1; λ2; λ3 ⇒ x1 = x2 = x3 ⇒ k1λ1 = k2λ2 = k3λ3 Dạng 3: Giao thoa ánh sáng trắng Loại 1: Bài toán xác định bề rộng quang phổ bậc k Gọi xd vị trí vân sáng thứ k ánh sáng đỏ xđ = k Gọi xt vị trí vân sáng thứ k ánh sáng tím xt = k ∆x = xđ - xt = k(λ đ - λ t) Loại 2: Bài toán xác định số bước sóng cho vân sáng vị trí xo cho vân tối vị trí xo a Số xạ cho vân sáng xo Đề bài: Thực giao thoa với ánh sáng trắng có (λt ≤ λ ≤ λđ) Trong D khoảng cách từ mặt phẳng S1 S2 tới màn, a khoảng cách hai khe S1S2 Hãy xác định số ánh sáng cho vân sáng vị trí xo Giải: Ta có: x = k λ = Vì λt ≤ λ ≤ λđ ⇒ λt ≤ λ = ≤ λđ giải tìm k, giá trị k số vân sáng x0 b Số xạ cho vân tối vị trí xo Đề bài: Thực giao thoa với ánh sáng trắng có (λt ≤ λ ≤ λđ) Trong D khoảng cách từ mặt phẳng S1S2 tới màn, a khoảng cách hai khe S1S2 Hãy xác định số ánh sáng cho vân tối vị trí xo Giải: Ta có: xt = (k + 0,5) ⇒ λ = Vì λt ≤ λ ≤ λđ ⇒ λt ≤ λ = ≤ λđ giải tìm k, giá trị k số vân tối x0 Dạng 4: Sự xê dịch hệ vân giao thoa Loại 1: Do xê dịch nguồn sáng S Nếu ta cho nguồn S dịch chuyển đoạn ∆y theo phương song song với hệ vân dịch chuyển ngược lại với hướng dịch chuyển S đoạn ∆x = ∆y d khoảng cách từ S đến hai khe Loại 2: Do mặt song song đặt trước hai khe Khi đặt mỏng có chiết suất n, có bề dày e sát sau khe hệ vân (hay vân trung tâm) dịch chuyển phía khe có mỏng đoạn ∆x so với lúc chưa đặt mỏng ∆x =