Bài giảng Vật lý 1: Lý thuyết về ánh sáng - TS. Nguyễn Kim Quang

Bài giảng Vật lý 1: Lý thuyết về ánh sáng bao gồm các nội dung: Bản chất sóng điện từ của ánh sáng, hàm sóng ánh sáng, mặt sóng và tia sóng, định luật phản xạ và khúc xạ ánh sáng, sự tán sắc ánh sáng, sự tán xạ ánh sáng, nguyên lý Huygen. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

14/06/2016 QUANG SÓNG LÝ THUYẾT VỀ ÁNH SÁNG TS Nguyễn Kim Quang Bản chất sóng điện từ ánh sáng Hàm sóng ánh sáng Mặt sóng tia sóng Định luật phản xạ khúc xạ ánh sáng Sự tán sắc ánh sáng Sự tán xạ ánh sáng Nguyên lý Huygen QUANG SÓNG LÝ THUYẾT VỀ ÁNH SÁNG TS Nguyễn Kim Quang Bản chất sóng điện từ ánh sáng Thời đại Newton (1642-1727), nhà khoa học cho ánh sáng chùm hạt (rất nhỏ) phát từ nguồn sáng truyền thẳng Năm 1873, Maxwell tiên đoán tồn sóng điện từ tính tốn tốc độ truyền sóng Năm 1887, kết thí nghiệm Hertz chứng tỏ ánh sáng sóng điện từ có bước sóng khoảng 0,4 đến 0,75 m Vận tốc ánh sáng chân không: c  x 108 m/s CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 14/06/2016 LÝ THUYẾT VỀ ÁNH SÁNG QUANG SÓNG TS Nguyễn Kim Quang Bản chất sóng điện từ ánh sáng Sóng điện từ sóng ngang, điện từ trường biến đổi lan truyền theo phương vng góc mơi trường chân khơng, có tính chất chung truyền sóng: - Phản xạ (Reflection) - Khúc xạ (Refraction) - Chồng chất (Superposition) - Giao thoa (Interference) - Nhiễu xạ (Diffraction) - Phân cực (Polarization) Từ cuối kỷ 19, nhiều thí nghiệm liên quan đến tượng phát xạ hấp thụ ánh sáng bộc lộ tính hạt (photon) ánh sáng: Hiện tượng xạ nhiệt, hiệu ứng quang điện, Compton Từ 1930, phát triển lý thuyết điện động lực học lượng tử ứng dụng cho tính chất sóng hạt ánh sáng Nguồn sáng: vật nóng xạ nhiệt, mặt trời, sét, tia lửa điện, đèn cầy, lửa…; đèn neon, huỳnh quang, laser Ánh sáng tự nhiên ánh sáng nhân tạo LÝ THUYẾT VỀ ÁNH SÁNG QUANG SÓNG TS Nguyễn Kim Quang Hàm sóng ánh sáng đơn sắc Chỉ có thành phần điện trường ánh sáng tác dụng vào mắt gây cảm giác sáng nên dao động vectơ E gọi dao động sáng Dao động sáng điều hòa tần số góc  O: u(0)= E0.cost  Phương trình dao động sáng điểm x phương truyền: 2πx u x = E0 cos ωt − λ Với = 2f , bước sóng = v/f = v. , f: tần số , : chu kỳ Cường độ sáng điểm đại lượng có giá trị lượng truyền qua đơn vị diện tích đặt vng góc với phương truyền sáng điểm đơn vị thời gian Cường độ sáng tỉ lệ với bình phương biên độ dao động sáng: I = k.E02 , k= 0c/2 , c: vận tốc ánh sáng chân không CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 14/06/2016 LÝ THUYẾT VỀ ÁNH SÁNG QUANG SÓNG TS Nguyễn Kim Quang Mặt sóng tia sóng Mặt sóng (wave fronts) mặt chứa điểm có pha dao động sóng Thường vẽ mặt sóng liền kề có pha Tia sóng (rays) biểu thị phương chiều truyền sóng - Trong mơi trường đồng nhất, đẳng hướng, tia sóng đường thẳng - Tia sóng vng góc với mặt sóng Định lý Malus: Thời gian truyền sóng điểm tương ứng mặt sóng Quang lộ tia sóng mặt sóng n A LAB= n.AB B QUANG SÓNG LÝ THUYẾT VỀ ÁNH SÁNG TS Nguyễn Kim Quang Định luật phản xạ khúc xạ ánh sáng Tia đến, tia phản xạ, tia khúc xạ nằm mặt phẳng vng góc với mặt phân cách mơi trường - Góc phản xạ: a = r - Góc khúc xạ: (định luật Snell) sinθa 𝑛𝑏 va 𝑐 = = , 𝑛 = 𝜀𝜇 = sinθb 𝑛𝑎 vb 𝑣  nasina= nbsinb CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 14/06/2016 QUANG SÓNG LÝ THUYẾT VỀ ÁNH SÁNG TS Nguyễn Kim Quang Định luật phản xạ khúc xạ ánh sáng Phản xạ toàn phần: góc tới hạn critical sinθcrit = nb , nb < na na Bước sóng  mơi trường: f=c/0=v/  = 0/n , n  Góc giới hạn thủy tinh: 1 𝑠𝑖𝑛𝜃𝑐𝑟𝑖𝑡 = = = 0,658 ⇒ 𝜃𝑐𝑟𝑖𝑡 = 41,1𝑜 𝑛𝑔𝑙𝑎𝑠𝑠 1,52 QUANG SÓNG LÝ THUYẾT VỀ ÁNH SÁNG TS Nguyễn Kim Quang Ứng dụng tính chất phản xạ tồn phần (Góc giới hạn kim cương nhỏ  24,5o n  2,4) CuuDuongThanCong.com (Sợi quang – Optical Fiber) https://fb.com/tailieudientucntt 14/06/2016 QUANG SÓNG LÝ THUYẾT VỀ ÁNH SÁNG TS Nguyễn Kim Quang Ứng dụng tính chất phản xạ tồn phần Sợi quang dùng truyền dẫn tín hiệu âm thanh, video liệu mạng viễn thông Sợi quang - tia laser truyền theo dây dẫn cong QUANG SÓNG LÝ THUYẾT VỀ ÁNH SÁNG TS Nguyễn Kim Quang Sự tán sắc ánh sáng (Dispersion) Chiết suất (hệ số khúc xạ) mơi trường phụ thuộc bước sóng ánh sáng: nđỏ < … < ntím Sự phụ thuộc vận tốc ánh sáng chiết suất mơi trường vào bước sóng gọi tán sắc Ánh sáng trắng (tổng hợp bước sóng) bị khúc xạ tách thành chùm sáng có màu sắc khác (Tán sắc lăng kính) 10 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 14/06/2016 QUANG SÓNG LÝ THUYẾT VỀ ÁNH SÁNG TS Nguyễn Kim Quang Sự tán sắc ánh sáng (Cầu vòng - Rainbows) (Primary rainbow) (Secondary rainbow) 11 QUANG SÓNG LÝ THUYẾT VỀ ÁNH SÁNG TS Nguyễn Kim Quang Ứng dụng tính chất phản xạ toàn phần tán sắc ánh sáng Kim cương suốt, chiết suất lớn (n≈2,417 ), tán sắc mạnh, góc giới hạn phản xạ tồn phần nhỏ crit= 24,44o Kim cương với mặt góc cạnh mài thích hợp, ánh sáng vào phản xạ tán sắc nhiều lần mặt trước ngồi, tạo nên ánh sáng lấp lánh nhiều màu sắc rực rỡ 12 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 14/06/2016 QUANG SÓNG LÝ THUYẾT VỀ ÁNH SÁNG TS Nguyễn Kim Quang Quang sai màu (Sắc sai, Chromatic aberration) Sử dụng chất liệu thấu kính hệ nhiều thấu kính hiệu chỉnh quang sai ống kính camera chuyên nghiệp 13 QUANG SÓNG LÝ THUYẾT VỀ ÁNH SÁNG TS Nguyễn Kim Quang Sự tán xạ ánh sáng (Scattering of light) Ánh sáng mặt trời phải qua khí để đến trái đất Hiện tượng tán xạ (hấp thụ xạ theo phương) khí bước sóng ngắn (xanh lam) mạnh bước sóng dài (đỏ) làm cho bầu trời trở nên xanh màu đỏ lúc bình minh hay hồng Mặt trời, bầu trời, mây có màu sắc khác tán xạ AS điều kiện khí thời tiết khác Obsever, 6:00 PM Obsever, 3:00 PM 14 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 14/06/2016 QUANG SÓNG LÝ THUYẾT VỀ ÁNH SÁNG TS Nguyễn Kim Quang Nguyên lý Huygen (1678) Mỗi phần tử mặt sóng xem nguồn sóng thứ cấp lan truyền theo chiều với vận tốc với vận tốc truyền sóng (hình a) Từ nguyên lý Huygen định lý Malus dẫn định luật phản xạ khúc xạ - Phản xạ (b): (POA)= (QA0)  a = r OQ sinθa OA = va t = nb = - Khúc xạ (c): (QOA)= (BA0)  sinθb AB vb t na OA (b) (a) (c) 15 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ... 14/06/2016 QUANG SÓNG LÝ THUYẾT VỀ ÁNH SÁNG TS Nguyễn Kim Quang Sự tán sắc ánh sáng (Cầu vòng - Rainbows) (Primary rainbow) (Secondary rainbow) 11 QUANG SĨNG LÝ THUYẾT VỀ ÁNH SÁNG TS Nguyễn Kim Quang. .. Nguồn sáng: vật nóng xạ nhiệt, mặt trời, sét, tia lửa điện, đèn cầy, lửa…; đèn neon, huỳnh quang, laser Ánh sáng tự nhiên ánh sáng nhân tạo LÝ THUYẾT VỀ ÁNH SÁNG QUANG SĨNG TS Nguyễn Kim Quang. .. QUANG SÓNG LÝ THUYẾT VỀ ÁNH SÁNG TS Nguyễn Kim Quang Sự tán sắc ánh sáng (Dispersion) Chiết suất (hệ số khúc xạ) mơi trường phụ thuộc bước sóng ánh sáng: nđỏ < … < ntím Sự phụ thuộc vận tốc ánh