Bài giảng vật lý đại cương 2 chương 7 nguyễn xuân thấu

Chương QUANG HỌC SÓNG Nguyễn Xuân Thấu -BMVL HÀ NỘI 2016 CHƯƠNG QUANG HỌC SÓNG NỘI DUNG CHÍNH ♣ Cơ sở quang học sóng ♣ Hiện tượng giao thoa sóng ánh sáng kết hợp ♣ Hiện tượng giao thoa phản xạ ♣ Hiện tượng giao thoa gây mỏng ♣ Ứng dụng giao thoa ♣ Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng ♣ Hiện tượng phân cực ánh sáng CƠ SỞ QUANG HỌC SĨNG Quang học: mơn học nghiên cứu ánh sáng tương tác ánh sáng với chất Quang học cổ điển bao gồm quang học tia (quang hình học) quang học sóng Quang học tia: Nghiên cứu tượng ánh sáng dựa khái niệm “tia sáng” Ví dụ: tượng khúc xạ, phản xạ, tạo ảnh qua gương, lăng kính… Quang học sóng: Nghiên cứu tượng ánh sáng dựa khái niệm sóng ánh sáng Ví dụ: Giao thoa, nhiễu xạ, phân cực, tán sắc… CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG Các thuyết chất ánh sáng : ● Thuyết hạt Newton (cuối kỉ 17) Ánh sáng chùm hạt ● Thuyết sóng Huygens (cuối kỉ 17) Ánh sáng sóng ● Đầu kỷ 19 Fresnel giải thích tượng quang học ● Thuyết điện từ Maxwell (1865) Ánh sáng sóng điện từ ● Thuyết photon Einstein (1905) Ánh sáng có chất lượng tử (Max Planck) CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG 1.1 Các định luật quang hình học a) Định luật truyền thẳng ánh sáng: Trong môi trường suốt đồng tính đẳng hướng ánh sáng truyền theo đường thẳng b) Định luật tác dụng độc lập tia sáng: Tác dụng chùm sáng khác độc lập với nhau, nghĩa tác dụng chùm sáng khơng phụ thuộc vào có mặt hay khơng chùm sáng khác CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG 1.1 Các định luật quang hình học c) Hai định luật Descartes Khi tia sáng tới mặt phân cách hai mơi trường suốt, đồng tính đẳng hướng bị tách làm hai: Tia phản xạ tia khúc xạ, chúng tuân theo hai định luật: * Định luật 1: Tia phản xạ nằm mặt phẳng tới (mặt phẳng chứa tia tới pháp tuyến mặt phân cách) góc tới góc phản xạ: i1  i1 * Định luật 2: Tia khúc xạ nằm mặt phẳng tới tỷ số sin góc tới sin góc khúc xạ số không đổi: sin i n sin i  n1  n 21 CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG 1.1 Các định luật quang hình học c) Hai định luật Descartes * Hiện tượng phản xạ toàn phần i1 sin i1 n   n 21 sin i n1 i1 i2 i2 n1 sin i1max  n sin 90  n  sin i1max n2   n 21 sin i1max  n 21 n1 CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG 1.1 Các định luật quang hình học c) Hai định luật Descartes * Hiện tượng phản xạ toàn phần CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG 1.2 Những phát biểu tương đương định luật Descartes Một số khái niệm: a) Quang lộ Quang lộ tia sáng: Xét hai điểm A, B nằm mơi trường đồng tính, chiết suất n, cách đoạn d Quang lộ hai điểm A B là: L = c.t, t = d/v thời gian để ánh sáng từ A đến B  L = n.d Quang lộ điểm AB đoạn đường ánh sáng truyền chân không khoảng thời gian t, t khoảng thời gian mà ánh sáng đoạn AB môi trường CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG 1.2 Những phát biểu tương đương định luật Descartes Nếu ánh sáng truyền qua môi trường khác nhau: L  nd L   n idi B L   n.ds A 10 HIỆN TƯỢNG GIAO GÂY BỞI BẢN MỎNG 4.1 Giao thoa cho mỏng có độ dày thay đổi – Vân độ dày 38 - Xét mỏng chiết suất n chiếu sáng nguồn sáng rộng - Xét hai tia sáng SABM, SM xuất phát từ điểm S nguồn  Sóng kết hợp - Hiệu quang lộ tia:  L1  L  SA  n(AB  BM)  (SM  ) SM  SA  HM   L1  L  n(AB  BM)  HM  HIỆN TƯỢNG GIAO GÂY BỞI BẢN MỎNG 4.1 Giao thoa cho mỏng có độ dày thay đổi – Vân độ dày AB  BM  d cos r AI  d.tan r  AM  2d.tan r 39 HM  AM sin i  2d.tan r.sin i  2nd  L1  L   2d tan r.sin i  cos r sin i n sin i   n  sin r  sin r n   L1  L  2d n  sin i  I r d HIỆN TƯỢNG GIAO GÂY BỞI BẢN MỎNG 4.1 Giao thoa cho mỏng có độ dày thay đổi – Vân độ dày Vân nêm khơng khí: 40  Nêm khơng khí lớp khơng khí hình nêm nằm hai thủy tinh phẳng hợp với góc nhỏ  Trên bề mặt nêm có vân giao thoa tia phản xạ  L  2d  sin i  2 HIỆN TƯỢNG GIAO GÂY BỞI BẢN MỎNG 4.1 Giao thoa cho mỏng có độ dày thay đổi – Vân độ dày Vân nêm khơng khí:  Xét chùm sáng vng góc với mặt nêm (i = 00): L  2d  41   Từ điều kiện giao thoa, vân tối ứng với độ dày lớp khơng khí: L  2d     (2k  1) 2 với k = 0, 1, 2, 3,… dk  HIỆN TƯỢNG GIAO GÂY BỞI BẢN MỎNG 4.1 Giao thoa cho mỏng có độ dày thay đổi – Vân độ dày Vân tròn Newton 42  Hệ vân tròn Newton gồm chỏm cầu thủy tinh đặt tiếp xúc với thủy tinh phẳng  Vân giao thoa thuộc loại độ dày:  d  k - Vân tối: - Vân sáng: d   2k  1  4 HIỆN TƯỢNG GIAO GÂY BỞI BẢN MỎNG 4.1 Giao thoa cho mỏng có độ dày thay đổi – Vân độ dày Vân tròn Newton Ánh sáng trắng Ánh sáng xanh  Vân tròn Newton gồm hệ vòng tròn có tâm nằm trục chỏm cầu  Tâm hệ vân ứng với điểm tối: d = 43 Ánh sáng đỏ HIỆN TƯỢNG GIAO GÂY BỞI BẢN MỎNG 4.1 Giao thoa cho mỏng có độ dày thay đổi – Vân độ dày Vân trịn Newton  Bán kính vân tối thứ k thỏa mãn: R  rk2  (R  d k )   r  2Rd k  2R  k   Rk  2 k 44 rk  Rk  Khoảng cách vân tối – sáng liên tiếp: i  rk 1  rk   k 1  k  R HIỆN TƯỢNG GIAO GÂY BỞI BẢN MỎNG 4.2 Giao thoa cho mỏng có độ dày khơng đổi – vân độ nghiêng P R1 S R2 i D 45 d n A M B HIỆN TƯỢNG GIAO GÂY BỞI BẢN MỎNG 4.2 Giao thoa cho mỏng có độ dày khơng đổi – vân độ nghiêng P Hiệu quang lộ tia SABR2 SAR1  L  L1  L  2d n  sin i  2 S Vân sáng góc i thỏa mãn: 46 R1 i  L  2d n  sin i   k Vân tối góc i thỏa mãn: L  2d n  sin i      2k  1 2 d n R2 D M A B ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG GIAO THOA Khử phản xạ kính: Hiệu quang lộ tia phản xạ điều kiện tạo thành vân tối: L  2nd   2k  1 47 d   2k  1 d  0 4n 0   4n 0 n  n tt   0,555m ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG GIAO THOA Kiểm tra mặt kính phẳng lồi 48 ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG GIAO THOA Kiểm tra mặt kính phẳng lồi 49 ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG GIAO THOA Đo chiết suất chất lỏng – chất khí Giao thoa kế Rayleigh L   n  n  d Giả sử hệ vân dịch m khoảng vân, suy ra: 50 m   n  n  d m n  n0  d ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG GIAO THOA Đo chiều dài – Giao thoa kết Michelson lm 51  BÀI TẬP PHẦN GIAO THOA ÁNH SÁNG Các tập cần làm: (Sách BT Lương Duyên Bình): 1.2, 1.6, 1.7, 1.8, 1.10, 1.13, 1.14, 1.16, 1.19, 1.20 1.22, 1.24, 1.25, 1.26, 1.28, 1.29, 1.32 52 ... HỢP 2. 1 Cách tạo hai sóng ánh sáng kết hợp Gương Loyd: 26 HIỆN TƯỢNG GIAO THOA CỦA SÓNG ÁNH SÁNG KẾT HỢP 2. 2 Khảo sát tượng giao thoa 27  Xét hai nguồn kết hợp O1, O2: xO1 = a1cost xO2 = a2cost... a2cost  Phương trình sóng O1 O2 gây điểm M đó: 2? ??L1 2? ??L x1  a1 cos(t  ) x  a cos(t  )    Cường độ sóng điểm M xác định: I M  a 2M  a 12  a 22  2a1a cos 2? ??  L1  L   HIỆN TƯỢNG GIAO... I  n I B  n A H  n1 H I  n I B A1I1  A H 15 H1B1  I2 B2 n1 sin i1  n sin i  n1 H I2 IH  n2 1 I1I2 I1I2  n1H I2  n I1H1 L1  L2 CƠ SỞ QUANG HỌC SĨNG 1.3 Hàm sóng ánh sáng O 16 M  Giả