u Sở GD & ĐT Hà Nội Trờng THPT Chúc Động Chơng Mĩ Đề tài Sáng kiến kinh nghiệm Tên đề tài: Phơng pháp giải tập vật lí 12 tợng giao thoa ánh sáng Tác giả: Danh Triển Mai Đơn vị công tác: Trờng THPT chúc Động Hoá- KTCN Tổ Lí- Năm học 2009- 2010 Mở đầu Qua năm học đà thêm đợc đoạn đờng mới, đoạn đờng phẳng mà đoạn đờng nhiều dốc gập ghềnh, luôn phải tìm hiểu khám phá để đến đích cho đạt hiệu cao Đối với làm nghề nhà giáo việc cho em học sinh nắm vững kiến thức sách giáo khoa, đồng thời hớng dẫn học sinh giải tốt tập sách giáo khoa, sách tập, sách nâng cao vấn đề quan trọng Trong năm học vừa qua đa nhiều kinh nghiệm phơng pháp giải tập vật lí nãi chung cho häc sinh Do thêi gian cã h¹n nên đa phần nhỏ kinh nghiệm đợc viết thành đề tài Phơng pháp giải tập vật lí 12, phần tợng giao thoa ánh sáng Đề tài đợc chi thành phần: Phần I: Tóm tắt kiến thức Phần II: Các dạng tập Nội dung A- Tóm tắt kiến thức * Hai sóng kết hợp gặp sÏ giao thoa víi * Ngêi t¹o hai sóng kết hợp cách tách chúng từ chùm ánh sáng đèn phát thành phần cho phần gặp * Công thức giao thoa sóng - Hiệu quang trình: r2 r1 = - Vị trí vân sáng: xs = k ax D D a -Vị trí vân tối: λD 2 a xt= k + - Khoảng vân: i = D a Với k = 0, ± 1, ± 2, ± ± 3… k: gäi lµ bËc giao thoa Chó ý: Mn xác định điểm M có vân sáng hay vân tối - Nếu k thứ nguyên M có vân sáng thứ k - Nếu k bán nguyên M có vân tối thứ k + xM =k i Muốn tìm số vân giao thoa thờng, ta tính số khoảng vân nưa giao thoa trêng b»ng c¸ch chia bỊ réng cđa nưa giao thoa trêng cho i vµ lÊy mét sè thập phân (phần lẻ có) OM = n + số thập phân (phần lẻ) i - Số vân sáng: 2n + (kể vân sáng trung tâm tức vân sáng bậc 0) - Số vân tối: + Nếu phần lẻ nhỏ 5: số vân tối 2n + Nếu phần lẻ lớn 5: số vân tối 2(n +1) B B ài tập: Bài tập Trong thí nghiệm Iâng khe sáng đợc chiếu sáng ánh sáng trắng Khoảng cách hai khe 0,3mm, khoảng cách từ hai khe tới 2m Tính khoảng cách hai vân sáng bậc đỏ ( đỏ = 0,760 m) vân sáng bậc màu tím ( tím = 0,4000 m) Tính khoảng cách vân sáng bậc màu đỏ vân sáng bậc màu tím Tóm tắt: a = 0,3 mm = 3.10-4m D = 2m đ= 0,760 m = 0,760 10-6m λ t= 0,4000 µ m = 0,4000 10-6m ∆ x1 = ? ∆ x2 = ? Giải x1 = ? - Vị trí vân sáng bậc màu đỏ: x1đ = k λ d1 D λ D = d1 (k =1) a a 0,760.10 −6 = 0,5 10-2m = 5mm 3.10 −4 D D - Vị trí vân sáng bËc mµu tÝm: x1t = k t1 = t1 (k =1) a a = = 0,4000.10 −6.2 = 0,27 10-2m = 2,7mm 3.10 Khoảng cách vân sáng bậc màu đỏ vân sáng bậc màu tím x1 = x1đ - x1t = -2,7 = 2,3mm x2 = ? Khoảng cách vân sáng bậc màu đỏ vân sáng bËc cđa mµu tÝm ∆ x2 = 2.2,3 = 4,6mm Bài tập 2: Trong thí nghiệm Iâng, khoảng cách khe sáng 1mm; khoảng cách từ hai khe đến ảnh 1m Bớc sóng ánh sáng dùng thÝ nghiƯm lµ 0,600 µ m TÝnh hiƯu đờng từ S1 S2 đến M cách vân trung tâm 1,5cm Tính khoảng vân hai vân sáng liên tiếp Tóm tắt: a = 1mm = 10-3m D = 1m λ = 0,600 µ m = 0,600 10-6m 1, δ = ? x = 1,5cm = 15.10-3m i = ? Gi¶i HiƯu ®êng ®i tõ khe S1 vµ S2 ®Õn M δ = r2 – r1 = ax 15.10 −3.10 −3 = = 15.10-6m = 15.10-3mm D TÝnh kho¶ng vân hai vân sáng liên tiếp i= D 0,600.10 −6.1 = = 0,6 10-3m = 0,6mm −3 a 10 Bài tập 3: Trong thí nghiệm giao thoa với ánh sáng trắng Tìm vạch sáng ánh sáng đơn sắc trùng với vị trí vân sáng bậc (k = 4) ánh sáng màu đỏ có d= 0,750 m Biết quan sát nhìn thấy vân ánh sáng có mức sóng từ 0,400 m đến 0,760 m Tóm tắt: λ d= 0,750 µ m = 0,750 10-6m k=4 0,400 m 0,750 m Tìm vạch sáng Giải d D a D - Vị trí vân sáng k ứng với ánh sáng có bớc sóng λ : xk = k a - VÞ trÝ vân sáng bậc ứng với ánh sáng màu đỏ: x4 = Nếu vân trùng với vân sáng bậc ánh sáng đỏ thì: x k = x4:k =4 λd D a ⇒ λ =4 λd D a D a (1) Theo đề 0,400 m ≤ λ ≤ 0,750 µ m : 0,400 µ m ≤ D ≤ 0,760 µ m(2) BiÕt λ ® k k k k k = = = = = a ⇒ = 0,750 10 m Tõ (2) 3,9 ≤ k ≤ 7,5 Víi k nguyªn nªn -6 4, 5, , Thay k vµo (1) → λ1 = 0,750 µ m → λ2 = 0,600 µ m → λ3 = 0,500 µ m → λ4 = 0,6420 µ m Bµi tËp 4: Trong thí nghiệm Iâng giao thoa ánh sáng khe S S2 đợc chiếu sáng ánh sáng đơn sắc Khoảng cách khe a = 1mm Khoảng cách mặt phẳng chứa hai khe quan sát E D = 3m Khoảng cách vân sáng liên tiếp i = 1,5 Tìm bớc sóng ánh sáng tới? Xác định vị trí vân sáng thứ vân tối thứ Đặt sau hai khe sáng mỏng phẳng có mặt song song bỊ dµy e = 10 µ m Ta thÊy hệ thống vân dịch chuyên quan sát khoảng x0= 1,5cm Tìm chiết suất chất làm mỏng Tóm Tắt e = 10 m = 10-5m x0 = 1,5cm = 1,5.10-2m λ = ? - xS(3) = ? - xT(4) = ? n = ? Giải Tìm bớc sóng ánh sáng tíi i= λD ia 01,5.10 −3.10 −3 = = = 0,5 10-6m = 0,5 µ m a D Tìm vị trí vân sáng bậc (xS(3)) so với vân trung tâm xS(3) = k D vân sáng bËc tøc k =3 a 0,5.10 −6.3 = = 3.10-3 = 3mm 1,5.10 −3 - VÞ trÝ cđa v©n tèi bËc (xT(4)) so víi v©n trung t©m λD (víi k =3) 2 a xT(4) = k + 0,5.10 −6.3 + = = 3,5 10-3m = 3,5mm −3 1,5.10 ChiỊu st cđa ch làm mỏng - Nếu đặt khe sáng S1 mỏng phẳng có mặt song song mỏng có tác dụng làm chậm truyền anh sáng tơng đơng với kéo dài đờng tia sáng S1M đoạn e( n -1) S1M = d1 + e(n -1) - HiÖu quan lé tõ hai nguån S1, S2 ®Õn M: - δ = S2M - S1M = d2 - d1 - e(n -1) xa D xa λD eD δ= - e(n – 1) = k λ → x = k + (n – 1) D a a Theo lý thuyÕt: d2 – d1 = Vậy tất vân sáng di chuyển kho¶ng → n= ax 1.10 −3.1,5.10 −2 + = 1,5 +1 = eD 10.10 −6.3 eD (n – 1) = x0 a Bài tập 5: Hai lăng kính có góc đỉnh A = 20, làm b»ng thuû tinh cã chiÕt suÊt n = 1,5, cã đáy gắn chúng với làm lỡi kính (nh hình vẽ) Một nguồn sáng điểm S phát ánh sáng đơn sắc có bớc sóng = 0,500 m đặt mặt phẳng đáy chung cách lăng kính khoảng d =50cm Tính khoảng cách ảnh S1, S2 S tạo lăng kính Xem góc A nhỏ cách ảnh S 1, S2 đợc dịch so với S theo phơng vuông góc với đờng SH Cho = =3.10-4rad Chứng minh ảnh E đặt vuông góc với SH cách SH khoảng d = 2m ta quan sát đợc hệ giao thoa Tính khoảng cách vân liên tiếp số vân quan sát đợc Khoảng cách vân số vân quan sát đợc thay ®ỉi thÕ nµo nÕu thay ngn S b»ng ngn S’ phát xạ = 0,450 m Khoảng cách vân số vân quan sát đợc thay đổi nguồn S xa dần hai lăng kính theo phơng vuông góc với mặt E S Tãm t¾t: A = 20’ ; 1’ = 3.10-4rad A = 10-4 rad n = 1,5 λ =0,500 µ m=0,500.10 −6 m d = 50cm = 0,5m a = S1S2 = ? Chøng minh cã thể quan sát đợc vân giao thoa - i = ?; d’ = 2m -N=? – i’ = ? - N’ = ?; λ ’ = 0,450 µ m = 0,45 10-6m i vµ N nh thÕ nµo S xa dần? d| Giải Khoảng cách ¶nh S1, S2 cđa S a = S1S2 = 2.d.A (n- 1) = 2.0,5.20.3.10-4 (1,5-1) = 30.10-4m = 3mm Chứng minh quan sát đợc vân giao thoa: + Hai chùm sáng qua lăng kính lệch phía đáy lăng kính nên chúng giao + Hai chùm ánh sáng thực chất phát từ S nên chúng có tần số, pha nên độ lệch pha thay đổi theo thời gian nên hai nguồn kết hợp + Do A nhỏ nên đoàn sóng ánh sáng đoàn sóng kết hợp Từ điều kiện cho thấy ta quan sát đợc vân giao thoa E - Khoảng cách vân liên tiÕp: i= λD d + d' 0,5 + -6 -3 = = −3 0,5 10 = 0,42 10 m = 0,42mm a a 3.10 - BỊ réng cđa vïng giao thoa: MP = 2d’tg α = 2.d’ A(n -1) = 2.2(1,5 – 1).20.3.10-4 = 12.10-3m = 12m MP 12.10 −3 - Sè v©n giao thoa: N = = = 28,57 i 0,42.10 - Số vân sáng quan sát đợc: 28 + = 29 Khoảng vân xạ = 0,450 m = 0,450.10-6m λ' D 0,5 + = 0,45.10-6m =o,375.10 −3 m a 3.10 −3 MP 12.10 −3 - Sè kho¶ng vân N tơng ứng: N = = = 32 i' 0,375.10 i = + Số vân sáng tơng ứng: 32 + 1= 33 + Số vân sáng tăng lên: 33- 29 =4 λD ; D = d +d’; a = 2d A(n -1) a λ.( d + d ' ) λ λ.d ' + i= = 2d A(n − 1) A(n − 1) 2d A(n − 1) – i = * NhËn xÐt: Khi nguån xa, d tăng dần độ rộng vân giảm dÇn 0,5.10 − λ = 2.60.10 −4.(1,5 − 1) = 8.10-5m A(n − 1) 4.2.0,5 20 2.(3.10 −4 ) + = 145 v©n 0,5.10 −6 Khi d tăng đến vô thi igh = Số vân sáng N = MP +1= i Bài tập 6: o Ta thùc hiƯn thÝ nghiƯm giao thoa ¸nh s¸ng gơng Fresnel theo sơ đồ sau: s khe s¸ng xt ph¸t ¸nh s¸ng cã bíc sãng λ = 6000 A0, OS = 0,5m OC = 1,5m, α = = 0,002rad Tìm khoảng cách vân i bề réng cđa giao thoa trêng Tãm t¾t: λ = 6000A0 =6000 10-10m OS= 0,5m; 0C = 1,5m α =6’=0,002rad -i=? - IJ= ? Giải Khoảng cách ảnh ảo S1S2 = OS x α = 0,5 2.0,002 = 0.002m = 2mm Khoảng cách từ S1S2 đến màn: HC = HO + OC = 0,5 + 1,5 = 2m λD = a 6000.10 −10.2 = 0,3 10-3m = 0,3m 2.10 −3 - BÒ réng giao thoa trêng: IJ= OC α = 1,5 0,004 = 6.10-3m = 6mm - Khoảng cách vân: i = Bài tập 7: Để xác định độ lớn góc tù (gần 180 0) lăng kính ngời ta bố trí sơ đồ giao thoa nh hình vẽ Bức xạ đơn sắc có 1= 633m đợc dọi lên khe hẹp S tạo chùm sáng phân kỳ sau khe Chùm dọi lên đáy lăng kính Trong khoảng MN = 3,8 mm cách lăng kính 1,2 m quan sát đợc vân tối, đồng thời M N hai vân tối Giải thích tợng Tính góc lăng kính, biết S cách lăng kính khoảng a = 30cm, chiếu suất thuỷ tinh ứng với n1= 1,5 Giữ nguyên cách bố trí thí nghiệm, dọi lên khe S chùm sáng đơn sắc có bớc sóng = 515m thu đợc hệ vân có độ rộng i2 = 0,4 mm Xác định chiết suất n2 thuỷ tinh làm lăng kính xạ Tómtắt: λ = 633 nm = 633.10-9m MN = 3,8mm = 8.10-3m d = 1,2m Gi¶i thÝch α = ?; a = 30cm = 0,3m; n1= 1,5 n2 =?; λ 2= 515 nm = 515.10-9m; i = 0,4mm = 0,4.10-3m Giải Giải thích tợng Chùm ánh sáng đơn sắc từ S truyền qua nửa lăng kính, tạo nên hai trùm khúc xạ, xem nh xuất phát từ ảnh ảo S 1S2 S qua nửa lăng kính, nên thoả mÃn điều kiƯn kÕt hỵp, vïng giao thoa cđa sãng kết hợp có tợng giao thoa nên ngời ta quan sát đợc vân sáng, tối song song xen kẽ cách = ? Theo đầu M N có khoảng vân i = MN mặt khác i1 = λ D ( a + b )λ = bb b1 ( a + b)λ 7( a + d ) 7(0,3 + 1,2) → b1 = = λ1 = 633.10 −9 = 1,75.10 −3 m = 1,75mm −3 i1 MN 3,8.10 MO OB OB MN 3,8 OB BS OB + BS 1500 BiÕt ∆S1 BS ~ ∆MBO → SS = BS → BS = S S = b ; 3,8 = b = 3,8 + b = 3,8 + b 2 1 1 b1 3,8 + b1 b = mặt khác: = (n1 1). ≅ tg = ≅ (n1 − 1).β BS 1500 2 BS →β = 3,8 + b1 3,8 + 1,75 = ≅ 0,0037rad = 0,210 3000(n1 − 1) 3000(1,5 − 1) → α = 180 − 2.0,210 = 179,58 = 179 35' 3,n2 = ? ( a + b) 0,3 + 1,2 λ2 = 515.10 −9 = 1,93.10 −3 m = 1,93mm −5 i2 0,4.10 3,8 + b2 3,8 + b2 (3,8 + b2 )(n1 − 1)3000 (3,8 + b2 )(n1 − 1) → n2 − = = = BiÕt β = 3000(n − 1) 3000β 3000(3,8 + b1 ) 3,8 + b1 Tơng tự câu b2 = = (3,8 + 1,93)(1,5 − 1) = 0,516 3,8 + 1,75 → n = + 0,516 = 1,516 Bµi tËp 8: Mét thÊu kÝnh héi tơ máng cã tiªu cù f = 50cm đợc cắt làm phần theo mặt phẳng qua trục nguồn sáng điểm S phát ánh sáng đơn sắc đặt trục cách thấu kính khoảng d =1m nh hình vẽ Phải tách nửa thấu kính đến khoảng cách (Một cách đối xứng qua trục chính) để nhận đợc ảnh S1, S2 cách 4mm Đặt E vuông góc với trục cách nguồn S 1, S2 khoảng D =3m Tìm độ rộng vùng giao thoa E Ngời ta đo đợc khoảng cách từ vần sáng trung tâm (vân sáng thứ 0) đến vân sáng thứ 10 4,10mm.Tìm sóng ánh sáng Đặt trớc nguồn S1 S2 mỏng có mặt song song b»ng thủ tinh, cã bỊ dµy e = 0,008mm, chiết xuất n =1,5 Hỏi hệ thống vân dịch chuyển theo phía nèo dịch chuyển Bỏ mỏng đi, nguồn sáng S có bớc sóng giới hạn từ 0,650 àm đến 0,410 àm Tìm bớc sóng xạ mà cho vân tối quan sát điểm M cách trục 3mm Tómtắt: f = 50cm = 0,5m d = 1m o1o2 = ?; S1S2 = 4mm = 4.10-3m – MN = ? D = 3m - λ = ?; xS(10) = 4,10mm = 4,1.10-3m x0 = ? e = 0,008mm = 0,008.10-3; n =1,5 λ = ?; xT = 3mm = 3.10-3m; = (0.650.10-6 110.10-6)m Giải 1, Tìm khoảng cách o1o2=? Khoảng cách từ S1S2 đến S d'= df 1.0,5 = = 1m d − f − − 0,5 ∆SS1 → ∆SO1O2 ~ M S1 O1 S o O2 d S2 N d → O1O2 = d S1 S = 4.10 −3 = 2.10 −3 m = 2mm d + d ' 1+1 VËy phải tách nửa thấu kính cách 2mm Tìm độ rộng vùng giao thoa E (MN = ?) ∆SS1 ~ ∆MN → O1O2 = S1 S OH = MN OS O1O2 d = S1 S d + d ' → MN = S1 S OS S1 S (d + d '+ D) + + = = 4.10 −3 = 10.10 −3 m = 10mm VËy ®é réng cña vïn OH d + d' 1+1 giao thoa MN =10mm - Tìm bớc sóng ánh sáng = ? λD xa →λ = ; k = 10; a = S1 S a kD 4,1.10 −3.2.10 −3 8,2 −5 λ= = 10 = 0,547.10 −6 m = 0,54 àm 10.3 30 x=k Độ chuyển dịch x0 hƯ v©n D 0,008.3.10 x0 = e .( n − 1) = (1,5 − 1) = 3mm a H vân dịch chuyển lên phía emm nên mỏng đặt trớc S1 ngợc lại = ? Cho phân tối lại M D xT = (k + ) →λ = a xT a D.( k + ) = 3.4 4.10 −3 = mm = µm 1 2k + (k + ).3.10 (k + ) 2 Theo ®Ị tµi: 0,410 µm ≤ λ ≤ 0,560 µ m : 0,410 µ m ≤ ≤ 0,560 2k + → 5,56 < k < 9,26 VËy k nhËn gi¸ trị 6, 7, 8, Các bớc sóng xạ cho vân tối M là: k k k k = = = = → λ = 0,615 µ m → λ = 0,471 µ m → λ = 0,533 µ m → λ = 0,421 m Kết luận Đề tài sáng kiến kinh nghiệm viết cho phần vật lí 12 Đề tài đà đợc học sinh áp dụng năm học 20092010, học sinh áp dụng với kinh nghiệm thờng xuyên kiểm tra chất lợng học sinh lớp thấy học sinh giải tập tợng giao thoa ánh sáng tốt đà đợc nâng lên cách rõ rệt so với năm học trớc Do điều kiện có hạn nên cha viết mở rộng đợc nhiều tập, viết đợc dạng tập Khi viết có điều thiếu sót mong đồng nghiệp góp ý Tôi xin chân thành cảm ơn! ... hạn nên đa phần nhỏ kinh nghiệm đợc viết thành đề tài Phơng pháp giải tập vật lí 12, phần tợng giao thoa ánh sáng Đề tài đợc chi thành phần: Phần I: Tóm tắt kiến thức Phần II: Các dạng tập Nội dung... Trong thÝ nghiƯm giao thoa với ánh sáng trắng Tìm vạch sáng ánh sáng đơn sắc trùng với vị trí vân sáng bậc (k = 4) ánh sáng màu đỏ có d= 0,750 m Biết quan sát nhìn thấy vân ánh sáng có mức sóng... m Tìm vạch sáng Giải d D a D - Vị trí vân sáng k ứng với ánh s¸ng cã bíc sãng λ : xk = k a - Vị trí vân sáng bậc ứng với ánh sáng màu đỏ: x4 = Nếu vân trùng với vân sáng bậc ánh sáng đỏ th×: