Đang tải... (xem toàn văn)
• Cường độ sáng là năng lượng sóng ánh sáng đi qua một đơn vị diện tích vuông góc với phương truyền sóng trong một đơn vị thời gian?. Nguyên lý chồng chất sóngd[r]
(1)Giao thoa ánh sáng
Lê Quang Nguyên
www4.hcmut.edu.vn/~leqnguyen nguyenquangle59@yahoo.com
Nội dung Sóng ánh sáng
2 Giao thoa ánh sáng
3 Giao thoa hai khe Young Giao thoa mỏng Bài tập áp dụng
1 Sóng ánh sáng
a Đặc điểm ánh sáng phẳng đơn sắc b Biểu thức ánh sáng phẳng đơn sắc c Cường độ sáng
d Nguyên lý chồng chất sóng
1a Ánh sáng sóng điện từ
• Ánh sáng lan truyền dao động điện từ trường
• Ánh sáng khả kiến có bước sóng thay đổi từ 400 nm 700 nm
(2)1b Đặc điểm ánh sáng phẳng đơn sắc 1b Đặc điểm ánh sáng phẳng đơn sắc (tt) • Vectơ điện trường từ trường vng góc với
nhau vng góc với phương truyền sóng • Điện trường, từ trường chiều truyền sóng
tạo nên tam diện thuận
• Điện trường từ trường dao động pha tần số
• Tỉ số điện trường từ trường vận tốc ánh sáng chân không
1a Biểu thức ánh sáng phẳng đơn sắc • Nếu sóng truyền theo trục x dương, độ lớn
điện, từ trường vị trí x, vào lúc tlà:
• ω tần số góc, cịn k độ lớn vectơ sóng (hướng theo chiều truyền sóng):
( )
( )
sin sin m m
E E t kx
B B t kx
ω ω
= −
= −
2
ˆ f n
k x
ω π
π λ = =
f: tần số dao động,
n: chiết suất mơi trường,
λ: bước sóng trong chân khơng
1b Biểu thức ánh sáng phẳng đơn sắc (tt) • Vận tốc truyền sóng mơi trường = bước
sóng mơi trường / chu kỳ
2
v f
n k
λ π ω
π
= = ⋅
v k
ω
=
( )n
v
(3)1c Cường độ sáng
• Cường độ sáng lượng sóng ánh sáng qua đơn vị diện tích vng góc với phương truyền sóng đơn vị thời gian
• Cường độ sáng tỷ lệ với bình phương biên độ sóng
1d Nguyên lý chồng chất sóng
• Khi sóng đến gặp thì: sóng riêng biệt khơng bị sóng khác làm cho thay đổi, • sóng tổng hợp tổng tất sóng tới
2 Giao thoa ánh sáng a Giải thích định tính
b Giải thích định lượng
c Tại thơng thường ta thấy giao thoa ánh sáng?
d Nguồn sáng kết hợp
2a Giao thoa: giải thích định tính
• Sóng thành phần dao động pha sóng tổng hợp có biên độ cực đại
• Sóng thành phần dao động ngược pha sóng tổng hợp có biên độ dao động cực tiểu
Sóng thành phần
Sóng tổng hợp
(4)2b Giao thoa: giải thích định lượng
• Xét hai sóng phẳng tần số, phương dao động Tại nơi gặp chúng có biểu thức dao động:
• Dao động tổng hợp nơi gặp là:
( )
( )
2
2
1 s
i in s n u
u
a t
a ωt
ω φ
= + ∆
=
1
u u= +u
2b Giao thoa: giải thích định lượng (tt) • Dùng phương pháp giản đồ vectơ :
• Suy cường độ sóng tổng hợp: a2
a
Δφ
2 2
1 2 2cos
a = + +a a a a ∆φ
a1
1 2 2cos I= + +I I I I ∆φ
2b Giao thoa: giải thích định lượng (hết) • I cực đại hay cực tiểu tùy theo độ lệch pha:
max 2
min 2 2
I I I I I
I I I I I
= + + = + −
( )
max
min
2
0, 1, 2
I m
I m
I m
φ π
φ π
∆ =
= = ± ±
∆ = +
…
2c Tại thấy giao thoa ánh sáng? • Với nguồn sáng thực Δφ thay đổi nhanh
và hỗn loạn, cường độ sáng quan sát trung bình theo thời gian:
• Trung bình theo thời gian cosΔφ khơng, đó:
• Cường độ sáng chúng tăng cường lẫn khơng tạo giao thoa
• Để có giao thoa Δφ phải không thay đổi 2 cos
I= + +I I I I ∆φ
(5)2d Nguồn sáng kết hợp
• Hai nguồn sáng có độ lệch pha khơng thay đổi theo thời gian gọi hai nguồn kết hợp • Cách đơn giản để có nguồn kết hợp
dùng nguồn laser
• Cũng tách ánh sáng từ nguồn thành hai phần có đường khác
r1 r2
Hai khe
2d Nguồn sáng kết hợp (tt)
• Tại nơi gặp nhau, biểu thức dao động độ lệch pha chúng là:
• Với ∆L hiệu quang trình:
( ) ( )
1 sin sin
u =a ωt kr− u =a ωt kr−
( 1) ( 1)
2
k r r π n r r π L φ
λ λ
∆ = − = − = ∆
2 L π φ
λ ∆ = ∆
( 1)
L n r r ∆ = −
2d Nguồn sáng kết hợp (hết) • Để có cực đại hay cực tiểu giao thoa:
max
min
0, 1, 2 1
2
m I
L m
m I
λ λ
∆ = = ± ±
+
…
( )
max
min
2
0, 1, 2
I m
I m
I m
φ π
φ π
∆ =
= = ± ±
∆ = +
…
2 L π φ
λ ∆ = ∆
3 Giao thoa hai khe Young a Mơ tả thí nghiệm
b Hiệu quang trình c Vân giao thoa
(6)3a Mơ tả thí nghiệm
Màn quan sát 3b Hiệu quang trình
D
y S1
S2
θ r1
r2
Sóng tới phẳng, đơn sắc
P
Hai khe
3b Hiệu quang trình (tt) • Màn khoảng cách
D lớn nhiều so với khoảng cách d hai khe
• Do coi hai tia song song
r2
r1 S1
S2 d
θ θ
θ
Hiệu quang trình ΔL sin
L d θ ∆ =
3c Vân giao thoa
• Các vị trí có góc lệch θ có trạng thái giao thoa
• Vậy vân giao thoa vân thẳng, song song với hai khe
• Góc lệch θ để có vân sáng hay tối:
• Với m = ta có vân sáng trung tâm; với m = 1, 2, ta có vân sáng bậc một, bậc hai
( ) max
2
sin m I 0, 1, 2
L d m
m I
λ θ
λ
∆ = = = ± ±
+
(7)3d Phân bố cường độ sáng • Cường độ sáng tổng hợp:
• I0 cường độ sáng qua khe, • độ lệch pha Δφ xác định từ:
• Gọi Ir cường độ sáng tương đối:
( )
0
2 cos cos
I= I + ∆ =φ I ∆φ
2
0
4cos
r
I I
I
φ
∆ = =
sin L d θ
φ π π
λ λ
∆
∆ = =
3d Phân bố cường độ sáng (tt) • Ví dụ: d = 1000 nm, λ = 400 nm
Vân sáng trung tâm θ =
Vân sáng bậc sinθ = λ/d
Vân tối bậc sinθ = 0,5(λ/d)
Vân tối bậc hai sinθ = 1,5(λ/d)
Bài tập 3.1
Xét giao thoa hai khe Young cách 0,03 mm Khoảng cách hai khe quan sát 1,2 m Biết vân sáng bậc hai cách đường trung tâm 4,5 cm Hãy tìm:
(a) Bước sóng ánh sáng sử dụng
(b) Khoảng cách hai vân sáng liên tiếp
Màn quan sát Bài tập 3.1 (tt)
D
y S1
S2
θ r1
r2
Sóng tới phẳng, đơn sắc
P