Sự truyền ánh sáng qua lưỡng chất phẳng, bản mặt song song, lăng kính

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LÝ NGUYỄN THỊ THÙY TRANG SỰ TRUYỀN ÁNH SÁNG QUA LƯỠNG CHẤT PHẲNG, BẢN MẶT SONG SONG, LĂNG KÍNH Chuyên ngành: Vật lý đại cương KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Người hướng dẫn khoa học TS.PHAN THỊ THANH HỒNG HÀ NỘI, 2017 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LÝ NGUYỄN THỊ THÙY TRANG SỰ TRUYỀN ÁNH SÁNG QUA LƯỠNG CHẤT PHẲNG, BẢN MẶT SONG SONG, LĂNG KÍNH Chuyên ngành: Vật lý đại cương KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Người hướng dẫn khoa học TS.PHAN THỊ THANH HỒNG HÀ NỘI, 2017 LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới cô TS Phan Thị Thanh Hồng người hướng dẫn tận tình giúp đỡ em trình hoàn thành đề tài Đồng thời em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo tổ vật lý đại cương tạo điều kiện đóng góp ý kiến để em hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp Do thời gian khuôn khổ cho phép đề tài hạn chế nên em không tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận góp ý thầy cô bạn sinh viên để đề tài em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng năm 2017 Sinh viên Nguyễn Thị Thùy Trang LỜI CAM ĐOAN Khóa luận kết nghiên cứu thân em qua trình học tập nghiên cứu, bên cạnh em nhận quan tâm tạo điều kiện thầy cô giáo khoa Vật lý, đặc biệt hướng dẫn tận tình thầy cô giáo TS Phan Thị Thanh Hồng Trong trình nghiên cứu hoàn thành khóa luận em có tham khảo số tài liệu có ghi phần Tài liệu tham khảo Em xin cam đoan kết đề tài “ Sự truyền ánh sáng qua lưỡng chất phẳng, mặt song song, lăng kính” trùng lặp với đề tài Nếu sai em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm! Hà Nội, tháng năm 2017 Sinh viên Nguyễn Thị Thùy Trang MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nhiệm vụ nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Cấu trúc khóa luận Chương SỰ TRUYỀN ÁNH SÁNG QUA LƯỠNG CHẤT PHẲNG, BẢN MẶT SONG SONG, LĂNG KÍNH 1.1 Các định luật nguyên lý quang hình học 1.1.1 Các khái niệm quang hình học 1.1.2 Các định luật nguyên lý quang hình học 1.1.2.1 Định luật truyền thẳng ánh sáng 1.1.2.2 Định luật tính độc lập chùm tia sáng 1.1.2.3 Định luật phản xạ khúc xạ ánh sáng 1.1.2.4 Nguyên lý tính thuận nghịch chiều truyền ánh sáng 1.2 Sự truyền ánh sáng qua lưỡng chất phẳng 1.3 Sự truyền ánh sáng qua mặt song song 10 1.4 Sự truyền ánh sáng qua lăng kính 12 KẾT LUẬN CHƯƠNG 16 Chương MỘT SỐ DẠNG BÀI TẬP 17 2.1 Bài tập lưỡng chất phẳng 17 2.1.1 Một số tập có lời giải 17 2.1.2 Bài tập vận dụng 23 2.2 Bài tập mặt song song 26 2.2.1 Một số tập có lời giải 26 2.2.2 Bài tập vận dụng 29 2.3 Bài tập lăng kính 30 2.3.1 Một số tập có lời giải 30 2.3.2 Bài tập vận dụng 35 KẾT LUẬN 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Quang học môn học nghiên cứu chất ánh sáng, lan truyền tương tác ánh sáng môi trường, hiệu ứng mà gây tượng khác với Có hai lĩnh vực mà quang học nghiên cứu quang lí quang hình: quang lí nghiên cứu chất tính chất ánh sáng; quang hình khảo sát nguyên lí chi phối tính chất tạo ảnh lưỡng chất phẳng, mặt song song, lăng kính, thấu kính, gương, dụng cụ khác Quang hình lĩnh vực hình thành sớm quang học, xây dựng định luật như: định luật truyền thẳng ánh sáng, định luật tính độc lập chùm tia sáng định luật khúc xạ ánh sáng Nhờ giải thích tạo thành ảnh hệ quang học Phần quang hình đa dạng phong phú Vì điều kiện thời gian có hạn nên sâu tìm hiểu “sự truyền ánh sáng qua lưỡng chất phẳng, mặt song song, lăng kính” Mục đích nghiên cứu Tìm hiểu vể đường tia sáng qua lưỡng chất phẳng, mặt song song, lăng kính Xây dựng công thức xác định vị trí vật - ảnh qua lưỡng chất phẳng, mặt song song Phân loại giải số tập truyền ánh sáng qua hệ Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Quang hình học - Phạm vi nghiên cứu: Sự tạo ảnh qua lưỡng chất phẳng, mặt song song, đường tia sáng qua lăng kính Nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu định luật nguyên lí quang hình học - Xây dựng công thức xác định vị trí vật - ảnh qua lưỡng chất phẳng, mặt song song; công thức lăng kính - Sưu tầm tìm lời giải cho tập lưỡng chất phẳng, mặt song song, lăng kính Phương pháp nghiên cứu - Tìm, đọc, nghiên cứu tài liệu viết lưỡng chất phẳng, mặt song song, lăng kính - Tổng hợp kiến thức thu để viết khóa luận Cấu trúc khóa luận Ngoài phần mở đầu, kết luận tài liệu tham khảo, khóa luận dự kiến chia thành hai chương: Chương 1: Sự truyền ánh sáng qua lưỡng chất phẳng, mặt song song, lăng kính 1.1 Các định luật nguyên lí quang hình học 1.2 Sự truyền ánh sáng qua lưỡng chất phẳng 1.3 Sự truyền ánh sáng qua mặt song song 1.4 Sự truyền ánh sáng qua lăng kính Chương 2: Một số dạng tập 2.1 Các tập lưỡng chất phẳng 2.2 Các tập mặt song song 2.3 Các tập lăng kính NỘI DUNG Chương SỰ TRUYỀN ÁNH SÁNG QUA LƯỠNG CHẤT PHẲNG, BẢN MẶT SONG SONG, LĂNG KÍNH 1.1 Các định luật nguyên lý quang hình học 1.1.1 Các khái niệm quang hình học Tia sáng: đường truyền ánh sáng Năng lượng ánh sáng truyền theo tia sáng Trong môi trường đồng tính đẳng hướng tia sáng đường thẳng vuông góc với mặt sóng ánh sáng (Hình 1.1) Tia sáng mặt sóng phẳng mặt sóng cầu Hình 1.1 Chùm tia sáng: tập hợp vô số tia sáng Có ba loại chùm tia sáng (Hình 1.2): + Chùm tia phân kì: Các tia sáng phát từ điểm + Chùm hội tụ: Các tia sáng gặp điểm + Chùm tia song song: Các tia sáng song song với Chùm phân kì Chùm hội tụ Chùm song song Hình 1.2 Ảnh thật: thật tia sáng sau qua quang hệ cắt điểm P’ Ảnh thật P’ hứng (Hình 1.3a) Ảnh ảo: ảo giao điểm đường kéo dài tia sáng theo hướng ngược lại Ảnh ảo không hứng (Hình 1.3b) P’ P’ a) b) Hình 1.3 Vật thật: Điểm sáng P vật thật quang hệ chùm tia sáng xuất phát từ P tới quang hệ chùm phân kì (Hình 1.4a) Vật ảo: Điểm P vật ảo quang hệ quang hệ nhận chùm tia hội tụ có đường kéo dài cắt P (Hình 1.4b) Bài 3: Một khối thủy tinh hình hộp có tiết diện thẳng hình chữ nhật ABCD, chiết suất n = 1,5 Một tia sáng mặt phẳng chứa tiết diện ABCD, đến AB góc tới i, khúc xạ vào thủy tinh đến mặt BC hình vẽ Tia sáng có ló khỏi mặt CD không? D C J I A B Đáp số: Tia sáng phản xạ toàn phần mặt CD Bài 4: Một chậu miệng rộng có đáy nằm ngang chứa chất lỏng suốtđến độ cao h = 5,2cm Ở đáy chậu có nguồn sáng nhỏ S Một nhựa mỏng hình tròn tâm O bán kính R = 4cm mặt chất lỏng mà tâm O đường thẳng đứng qua S Tính chiết suất n chất lỏng, biết phải đặt mắt sát mặt chất lỏng thấy ảnh S n S ° Đáp số: n = 1,64 Bài 5: Đối với ánh sáng đơn sắc, chiết suất tuyệt đối nước 4/3, chiết suất tỉ đối thủy tinh nước 9/8 Cho biết vận tốc ánh sáng 24 chân không c = 3.108 m/s Hãy tính vận tốc ánh sáng thủy tinh? Đáp số: 200 000 km/s Bài 6: Một máng nước sâu 30 cm, rộng 40cm có hai thành bên thẳng đứng Đúng lúc máng cạn nước bóng râm thành A kéo đến thành B đối diện Người ta đổ nước vào máng đến độ cao h bóng thành A giảm 7cm so với trước, n = 4/3 Hãy tính h, vẽ tia sáng giới hạn bóng râm thành máng có nước? A B Đáp số: h = 12 cm Bài 7: Một tia sáng chiếu đến điểm mặt khối lập phương suốt có n = 1,5 Tìm góc tới lớn để tia khúc xạ gặp mặt đáy khối lập phương? i a Đáp số: i=600 25 2.2 Bài tập mặt song song 2.2.1 Một số tập có lời giải Bài 1: Tia sáng xuất phát từ điểm sáng S môi trường không khí tới mặt bên mặt song song thủy tinh có chiết suất n = 1,5, dày 1,5 cm với góc tới , S cách mặt cm, S’ ảnh S Xác định: a Độ dời ngang x tia sáng b Ảnh S’ cách mặt bao nhiêu? Lời giải a Xác định độ dời ngang tia sáng Áp dụng công thức: Theo định luật khúc xạ ta có: sini = nsinr ⇒ sinr = ⇒r=4 26 Vậy độ dài ngang tia sáng là: b Độ dịch chuyển ảnh xác định theo công thức (1.11) Ta có: Ảnh S’ cách mặt trên: S’H = SH – SS’ = – 0,5 = 5,5 (cm) Vậy ảnh S’ cách mặt 5,5 cm Bài 2: Cho mặt song song có bề dày e = 10 cm, chiết suất n = 1,5 Chiếu tới mặt tia sáng S có góc tới i = 45 Bản đặt không khí a Vẽ đường tia sáng qua b Tính khoảng cách tia ló tia tới c Tính lại câu i = Lời giải a Vẽ đường tia sáng qua 27 b Độ dài ngang tia ló so với tia tới đoạn JH = Theo định luật khúc xạ ta có: sini = nsinr ⇒ sinr = Vậy khoảng cách tia ló tia tới là: c Khi i = xem góc bé nên: Theo định luật khúc xạ ánh sáng ta có: sini = nsinr ⇒δ=e Vậy khoảng cách tia tới tia ló góc tới i = 0,035 cm Bài 3: Một mặt song song có bề dày e = 6cm, chiết suất n = 1,5 đặt không khí Vật điểm sáng S đặt cách 20cm Xác định vị trí ảnh (khoảng cách từ ảnh đến mặt song song) 28 Lời giải J I r i M i K H S S’ n Áp dụng công thức: SS’ = e(1 Thay số e = cm, n = 1,5 ta được: SS’ = 6(1 Vì điểm sáng S cách 20cm nên khoảng cách từ ảnh đến mặt song song là: S’H = SH – SS’ = 20 – = 18 cm 2.2.2 Bài tập vận dụng Bài 1: Cho hai mặt song song thủy tinh có bề dày e = 3,5 cm, chiết suất n1 = 1,4 Tính khoảng cách vật - ảnh trường hợp: a Vật AB đặt không khí b Vật AB đặt chất lỏng có chiết suất n2 = 1,6 Đáp số: 2,6cm ; 0,5cm 29 Bài 2: Một mặt song song có bề dày d = 6cm, chiết suất n = 1,5 đặt không khí Vật điểm sáng S cách bàn 20 cm Xác định vị trí ảnh (khoảng cách từ ảnh đến mặt song song) Đáp số: 18 cm Bài 3: Một mặt song song có bề dày d = 10cm; chiết suất n = 1,5 đặt không khí Chiếu tới tia tới SI có góc tới 45o Tính khoảng cách tia tới tia ló Đáp số: 3,3 cm Bài 4: Một tia sáng từ không khí tới gặp thủy tinh phẳng suốt với góc tới i mà sini = 0,8 cho tia phản xạ khúc xạ vuông góc với a.Tính vận tốc ánh sáng thủy tinh b.Tính độ dời ngang tia sáng ló so với phương tia tới.Biết bề dày e=5cm Đáp số: 225000 km/s 1,73cm 2.3 Bài tập lăng kính 2.3.1 Một số tập có lời giải Bài 1: Lăng kính thủy tinh có tiết diện thẳng tam giác cân ABC đỉnh A Một tia sáng đơn sắc chiếu vuông góc với mặt bên AB Sau hai lần phản xạ toàn phần hai mặt AC AB, tia sáng ló khỏi đáy BC theo phương vuông góc với BC a Vẽ đường truyền tia sáng tính góc chiết quang A b Tìm điều kiện mà chiết suất n lăng kính phải thỏa mãn 30 Lời giải a Đường tia sáng hình Tia tới mặt AB truyền thẳng đến mặt AC góc tới phần với góc phản xạ = A Tại J, góc tới góc phản xạ Vì tam giác ABC cân nên ta có: B=C= (1) Trong tam giác BJH, ta có: B +J = 90 (do góc H vuông) Mà: 31 phản xạ toàn Suy ra: Ta có (1) ⇔ 2A = ⇔ A = 36 b Để có phản xạ toàn phần I thì: i > ⇒ ⇒ Điều kiện: n > 1,72 Bài 2: Chiếu tia sáng đơn sắc đến mặt bên AB lăng kính tiết diện tam giác ABC, theo phương song song với đáy BC Tia ló khỏi AC là mặt AC Tính chiết suất chất làm lăng kính? Lời giải Vì ABC tam giác tia tới song song với cạnh đáy BC nên dễ suy Mà = 30 ⇔ (1) Vì tia ló là mặt AC nên Lại có: sini2 = nsinr2 sin90 = nsin(A - r1) 32 ⇔ ⇔ = nsin(60 (2) Lấy (2) chia (1) ta có: ⇔ ⇔ ⇔ (2 + ⇒ ⇒ Thay vào (1) ta có: 0,5 = nsin19,11 ⇒ n = 1,53 Vậy chiết suất chất làm lăng kính n = 1,53 Bài 3: Cho lăng kính có chiết suất n = góc chiết quang A Tia sáng đơn sắc sau khúc xạ qua lăng kính cho tia ló có góc lệch cực tiểu A a Tính góc chiết quang A b Nếu nhúng lăng kính vào nước có chiết suất góc tới I phải để góc lệch cực tiểu Tính góc lệch cực tiểu đó? Lời giải a Xác định góc chiết quang A Khi ⇒ 33 ⇒ ⇒i=A Ta có: sini = nsinr ⇔ sinA = ⇔ cos = sin ⇔ sin cos sin ⇒ A = 60 b Xác định góc lệch cực tiểu ⇒ Khi Ta có: ⇔ sini = sini = = ⇒ i = 40,5 Góc lệch cực tiểu đó: Bài 4: Lăng kính thủy tinh có tiết diện thẳng tam giác ABC, chiết suất n = Chiếu tia sáng SI đến mặt bên AB lăng kính I với góc tới i Tính i để a Tia sáng SI có góc lệch cực tiểu b Không có tia ló mặt AC Lời giải a Xác định i tia sáng SI có góc lệch cực tiểu ⇒ ⇒ sini = nsinr = b Xác định góc lệch cực tiểu tia ló mặt AC Khi tia ló mặt AC xảy tượng phản xạ toàn phần ⇒ 34 ⇔A– sin(60 – arcsin( ⇔ sini ⇒i Vậy góc tới i tia ló mặt AC 2.3.2 Bài tập vận dụng Bài 1: Lăng kính có chiết quang n = góc chiết quang A = 60 Một chùm sáng đơn sắc hẹp chiếu vào mặt bên AB lăng kính với góc tới 30 Tính góc ló tia sáng khỏi lăng kính góc lệch tia ló tia tới? Đáp số: Góc ló: = 63,6 ; Góc lệch: D = 33,6o Bài 2: Lăng kính có chiết suất n = 1,6 góc chiết quang A = Một chùm sáng đơn sắc hẹp chiếu vào mặt bên AB lăng kính với góc tới nhỏ Tính góc lệch tia ló tia tới? Đáp số: D = 36’ Bài 3: Một lăng kính có góc chiết quang A Chiếu tia sáng SI đến vuông góc với mặt bên lăng kính Biết góc lệch tia ló tia tới D = 15 Cho chiết suất lăng kính n = 4/3 Tính góc chiết quang A? Đáp số: A = 35 Bài 4: Chiếu tia sáng đơn sắc đến mặt bên lăng kính tiết diện tam giác ABC, theo phương song song vớiđáy BC Tia ló khỏi AC là mặt AC Tính chiết suất chất làm lăng kính? Đáp số: n = 1,52 35 Bài 5: Chiếu tia sáng SI đến vuông góc với E I Trên đường tia sáng, người ta đặt đỉnh I lăng kính thủy tinh có góc chiết quang A = , chiết suất n = 1,5 cho SI vuông góc với mặt phân giác góc chiết quang I, tia sáng ló đến E điểm J Tính IJ, biết E đặt cách đỉnh I lăng kính khoảng 1m Đáp số: IJ = 4,36cm Bài 6: Một tia sáng đơn sắc SI đến mặt bên AB theo phương nằm ngang Chiết suất n lăng kính khoảng cách AI phải thỏa mãn điều kiện để tia sáng phản xạ toàn phần mặt BC ? Giả sử AI thỏa mãn điều kiện tìm được, n = 1,41 Hãy vẽ đường tia sáng ? Đáp số: n > 1,374 Bài 7: Một lăng kính thủy tinh có góc chiết quang A, chiết suất n = 1,5 Chiếu tia sáng qua lăng kính để có góc lệch cực tiểu góc chiết quang A Tính góc B lăng kính biết tiết diện thẳng tam giác cân A Đáp số: B = 48 36’ 36 KẾT LUẬN Bằng kiến thức học giảng đường qua thời gian nghiên cứu, tìm hiểu sách, tài liệu tham khảo Khóa luận hoàn thành đạt số kết sau: - Nắm định luật nguyên lí quang hình học Biết truyền ánh sáng qua lưỡng chất phẳng, mặt song song, lăng kính Từ phân loại dạng tập - Giải số dạng tập thông thường đưa tập vận dụng để hiểu sâu kiến thức phần Trong khóa luận em ý chọn dạng tập khác tiến hành giải ta hiểu cách sâu sắc phần lí thuyết trình bày chương Do đề tài dùng làm tài liệu tham khảo bạn sinh viên trình tìm hiểu truyền ánh sáng qua lưỡng chất phẳng, mặt song song, lăng kính Do tầm hiêu biết điều kiện để nghiên cứu đề tài có hạn không tránh khỏi mặt hạn chế Kính mong nhận góp ý chân thành thầy cô giáo bạn sinh viên để khóa luận hoàn thiện Một lần em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn, bảo tận tình cô giáo TS Phan Thị Thanh Hồng suốt thời gian em thực đề tài 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]Lương Duyên Bình, ”Sách giáo khoa Vật lý bản”, NXB Giáo dục [2]Lương Duyên Bình, “Bài tập vật lí đại cương tập 3”, NXB Giáo dục, 1996 [3]Lương Duyên Bình, “Vật lí đại cương tập 3”, NXB Giáo dục, 1996 [4]Nguyễn Thế Bình, “Quang học”, NXB Hà Nội, 1889 [5]Lê Thanh Hoạch, “Quang học”, NXB Hà Nội, 1890 [6]Huỳnh Huệ, “Quang học”, NXB Giáo dục, 1991 [7]https://vatlypt.com/threads/bai-tap-khuc-xa-anh-sang-vat-ly-phothong.233.html [8]http://dethi.violet.vn/present/list/cat_id/1158 38 ... sáng qua lưỡng chất phẳng, mặt song song, lăng kính 1.1 Các định luật nguyên lí quang hình học 1.2 Sự truyền ánh sáng qua lưỡng chất phẳng 1.3 Sự truyền ánh sáng qua mặt song song 1.4 Sự truyền ánh. .. nên sâu tìm hiểu sự truyền ánh sáng qua lưỡng chất phẳng, mặt song song, lăng kính Mục đích nghiên cứu Tìm hiểu vể đường tia sáng qua lưỡng chất phẳng, mặt song song, lăng kính Xây dựng công... ánh sáng qua lăng kính Chương 2: Một số dạng tập 2.1 Các tập lưỡng chất phẳng 2.2 Các tập mặt song song 2.3 Các tập lăng kính NỘI DUNG Chương SỰ TRUYỀN ÁNH SÁNG QUA LƯỠNG CHẤT PHẲNG, BẢN MẶT SONG