Cơ sở vật lí tập 6 quang học và vật lý lượng tử

DAVID HALLIDAY - ROBERT RESNICK - JEARL WALKER Cir sd vật lí TẬP SÁU QUANG HỌC VÀ VẬT LÍ LƯỢNG TỬ HỒNG HỮU THƯ (Chủ biên) PHAN VĂN THÍCH - PHẠM VĂN THlỀU m (Tái lần thứ ha) NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC FOURTH EDITION PUNDAMENTALS OF PHYSICS DAVID HALLIDAY ưniversitỵ ỡf Pittsburgh ROBERT RESNICK Rensseiaer Polytechnic ỉnstitute JEARL WALKER Cleveland State University JOHN VVILEY & SONS, INC, - 2007/CXB/21 - 1 9/GD Mã sỏ : 7K269'r7 - DAI Lời nhà xuất Bộ sách "O/ sở vật lí" Vụ đào tạo Đại học Tỉ'ường Đại học Tổng hợp Hà nội (củ) tổ chức dịch từ Physics" cùa tác già David Halliday, Robert Resnick Hữu Thư chủ trì Việc dịch cho xu ấ t sách khai chương trình mục tiéii ~\ M ổ l 'IRIÍONG C'hAn khổng Khỏng khí (nhiệi dộ '\' vã áị) siult at) Niíííc (20'Y') Acéton Rií0u ồlyiic Dung dịch đi((ing (30%) Thạch anh nóng chày Dung dịch đưdng (80%) Mời VÀI CHIỂT SUẤT đũng ỉ 1.00029 1.33 ỉ.36 1.36 1.38 1,46 49 (;IÁ 1RỊ CÌÌÌỂÌ S l'Ấ ! MỒI rR Ư Ò N íi Thùy linh c>{iwn NaCỈ Polyslvren Disiilíil cacbon Thủy linh flin nâng Xnphía Thủy tinh flin nặng Kini cUiing c \ \ \ ủ : r SUẤT 1.52 !.54 1.55 1,63 1.65 1.77 1,H9 2,42 Chiết suất chất phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, khơng kể chân khơng Hình 3Õ“2 cho phụ thuộc chiết suất thạch anh nóng chảy vào bước sóng Với định nghỉa vé chiết suất đà cho, phụ thuộc chứng tỏ ánh sáng có bước sóng khác có tốc độ khác mơi trư ờng xét Điều chứng tỏ rằn g ánh sáng cd bước sdng khác bị khúc xạ góc khác qua mạt phân cách Như vậy, m ột chùm Bước sóng sáng gốm nhiêu thàn h ph ấn có bước sdng khác nhau, thỉ H ÌN H -2 khúc xạ chùm sáng Chiết suất cùa Ihạch anh nóng chày phụ Ihuộc vào bưỏc sóng Ảnh sàng m ật phân cách tách bưóc sóng ngắn có chiết suất lỏn nên vào thạch anh bị lệch nhiếu th àn h phần để chúng so vói ánh sáng có bưỏc sóng dài theo phương khác Hiệu ứng gọi t n sác, tron g đđ chữ "sác" màu ứng với bước sóng, cịn chữ "tán" tách bước sdng hay m àu sác Sự khúc xạ hình 39-1 khơng cho thấy tá n sác vị chùm tia đ n s c (nghỉa có bước sóng hay chi cd màu) Nói chung chiết su ất tro n g m ột mơi trường sóng ngán (thí dụ ánh sán g m àu xanh) lớn sdng dài (thí dụ ánh sán g m àu đỏ) Điểu đố cd nghía ánh sáng trắ n g khúc xạ qua bé m ặt th àn h phấn xanh lệch nhiều th àn h phần đỏ, với nhữ n g màu nằm hai vùng xanh đỏ bị lệch n hữ n g góc nằm hai khoảng cách Plì/tp H ÌNH -3 Sự tán sắc ánh sáng irắng Thành phắn xanh bị khúc xạ mạnh thành phẩn đỏ (a) Khi từ khỏng khí vào thùy linh thành phần xanh có góc khúc xạ nhỏ hờn (b) Khi lừ Ihủy tinh vào không khí Ihành phần xanh có góc khúc xạ ión 35E Bạn nhỉn qua máy ảnh vễ phía ảnh chim ruối qua gương phảng Máy ành đặt trước gương 4,30m Con chim ngang tấni với máy ảnh, ỏ cách bạn 5m vể phía phải cách gương 3,30m Hỏi phải điểu chỉnh thấu kính máy ảnh khoảng cách để có ảnh rõ nét chim, tức tìm khoảìig cách thấu kính vị trí biểu kiến ảnh chim ? - • o ỈỈÌNll 36E Trong hình 39-46 bạn nhin vào hệ thống hai gương song song nằm ngang A B cách khoảng d Một vật nhỏ o đật cách gương khoảng ^ Trong gương bạn thấy hàng trám ành o Hòi bốn ảnh gẩn n hất gương A cách bao xa ? (Gợi ý : ảnh gương tạo nên tác dụng vật gương kia) 37E Trong mê cung gương cho hỉnh 39-47a, tiền sảnh ảo gây cảm giác kéo dài xa bạn phàn xạ nhiéu lấn gương tạo nên mê cung Các gương đặt dọc theo số cạnh cùa tam giác đếu Sơ đố mặt mê cung cho hình 39“ 47b, đoạn tường đểu láp gương Nếu bạn đứng lối vào X, hỏi người a, c trốn mê cung mà bạn cd th ể thấy tiển s ản h ảo kéo dài từ lối vào X ? 38E Hình 39-48 vẽ hình nhln từ xuống hai gương phẳng thảng đứng với vật o đặt chúng Góc hai gương Nếu nhìn vào gương (a) Hịi bạn nhìn thấy ảnh cùa o (b) Hỏi ảnh xuất đâu ? (Gợi ý : thử giải xét hai gương nhỏ) 39P Lặp lại tập 38 với gdc hai gương bàng (a) 45^ (b) 46 H Ì N I l -V^-47 Bãi lẠp 37 B;u lẠp ^í 60” (c) 120^’ (d) giải thích tạị cd nhiểu dáp số trư n g hợp (c) 40P Ấnh 39“49 vẽ nhìn từ xuống hành lang với gương ph«4ng đặt đẩu Một kẻ trộm B vào th ẳ n g dọc theo hành lang vể phía tâm gương Nếu d = 3m, hỏi kẻ trộ m cách xa gương người gác s bát đẩu í ÙNII 39-48 Bài lập 38 vá nh ỉn th tro n g gương ? toán 39 41P Chứng minh ràng gương phảng quay góc a chùm tia phản xạ quay góc 2a Chứng m inh rằ n g kết q u cịn hỢp lí a — 45® h -h d 1' d I ì 42P Một vật điểm cách xa gương phảng lOcm tro n g lúc m át người q u an sá t (với đường kính 5,0mm) cách gương 20cm Giả sử m át v ật điểm đếu n ằm trê n đường vng góc với m ặt gương, tỉm diện tích gương đượcdùng để quan sát phàn xạ vật điểm L 43P Bạn đật nguổn sáng điểm s khoảng cách d trước A Hỏi cường độ ánh sáng tâ m m àn thay đổi bạn đ ặ t thêm HÌNỈỈ -4 Fìài lốn 40 gương phàn xạ M phía sau nguổn cách khoảng d hình vẽ 39-50 ? (Gợi ý : xem lại chương 38 phấn ndi vể thay đổi cường độ sáng theo khoảng cách từ nguốn sáng điểm) 44P Hlnh 39-51 vẽ kính tiẽm vọng lí tưởng hóa tàu ngám (tàu ngầm khơng vẽ đây) Kính tiém vọng gồm hai gương phẳng song song làm góc 45^ với trục thảng đứng kính Một chim cánh cụt cách kính khoảng D hỉnh vẽ M (a) Hỏi ảnh viên sĩ quan tàu ngấm nhỉn thảng qua kính th ật hay ảo ? (b) Ấnh đđ đứiig th ả n g hay lộn ngược ? (c) Nó có phóng đại khơng có nhiêu ? phdng đại bao ÍIỈNH -5 Bài loán 43 (d) Tim khoảng cách ảnh đến gương phía ? 45P* Một phản xạ hay dùng quang học, vi khác gổm ba gương phảng gán chặt với để tạo nên góc hinh hộp Dụng cụ cđ tính chất tia tới sau ba lán phản xạ quay trở lại theo phương củ Chứng minh kết quà ba áp dụng MỤC -6 GƯ ƠNG CẨU 46E Một gương cạo râu lỗm có bán kính cong 35,0cm Nd đặt cho ảnh m ặt người lớn th ật 2,50 lần Hỏi gương phải đặt cách m ật người bao xa ? HỈNH 39-51 Bái toán 44 47 47E Phương trỉnh 39-10 chi giới hạrt xét tia phản xạ gán trục gương, khơng giống đả vẽ (để cho dễ thấy) tro n g hỉnh 39“ 15 Hãy dùng thước đo r p kính đố tính theo phương trinh -1 giá trị dự đốn trước í, so sánh với giá trị đo i, 48P Đién chỗ trống bảng 39-2, cột tương ứng với gương cẩu vật thật Vẽ phác bố trí vật, gương ảnh Các khoảng cách tính bầng cni, số thiếu dấu thỉ điển dấu vào lỉẢNG 39-2 BÀI TOÁN 48 (a) I.oại lỏm f(cm) 20 (b) (c) (d) (e) (0 (g) lối + 20 + 20 r(cm) -4 40 I(c m ) -ỈO 4.0 p(cm) + 10 (h) + 10 +30 -0 ,5 m + Ánh thâi ? không -^ + 60 + ,ỉ0 0,5 không Ảnh chiéu 49P Một vật thẳng ngán cd chiểu dài L nằm dọc theo trụ c gương cấu cách gương m ột khoảng p (a) Chứng minh ảnh vật có chiểu dài với p ~f (b) Chứng minh rằn g dộ phóng dại dọc m ' (= L!IL) m}, m độ phdng đại dài 50P (a) Một điểm sáng chuyển động đọc theo trục với vận tốc vể phía gương cẩu Chứng minh vận tốc ảnh cùa điểm sáng cho cổng thức : / ^ \2 ''I = p khoảng cách từ điểm sáng đến gương thời điểm cho trước (Gợi ý : xuẵt phát từ phương trỉnh 39-10) Bây giả sử ràng gương lõm với r = 15cm vận tốc V = 5,0cm/s Tỉm vận tốc ảnh (b) p = 30cm (ngồi tiêu điểm), (c) p = 8,0cm (ở phía ngồi sát tiêu điểm) (d) p = lOmm (rất gấn gương) MỤC 39-8 LƯỔNG CHẤT CẮU 51P Một chùm tia sáng laser song song đến đập m ôt cẩu rán tron g su ốt có ch iết su ấ t n, hình 39-52 (a) Nếu chùm tia hội tụ tiêu điểm nằm phía sau cấu, hỏi chiết suất cẩu (b) Hỏi chiết suất cấu cáu hội tụ chùm tia tâm ? 48 HỈNH 39-52 lỉài toán 51 52P Hãy đién vào chỗ trống bảng 39-3, cột bảng tương ứng với m ật cầu phân cách hai môi trường cd chiết suất khác khoảng cách đo bầng cm Giả sử vật điểm vẽ hỉnh cho trường hợp vẽ tia thích hơp B Ả N (i y ) - ^ BÀI TẬ P 52 (a) (t>) (c) 1.0 1.0 1.0 n 1.5 1.5 t.5 /?(cm) + 10 + U) /(cm ) /■(em) -1 + 30 !.0 (e) (0 (g) (h) 1.5 1.5 1,5 1.5 1.0 1,0 1.0 -»-20 + 10 + 600 -2 -6 ,0 + 30 -2 + 70 + 600 -7 ,5 -3 +100 + 30 -3 Ánh thực ? 53P Một chùm tia sán g song song hẹp đến từ bên trái vào tâm cáu bàng thủy tinh Góc tới xấp xỉ 90*^ thừa nhận chiết suất thủy tinh n < 2,0 Tỉni khoảng cách ảnh i phụ thuộc vào n bán kính r hình cầu MUC T H Ấ U KÍNÍl M Ỏ N G 54F Một vật nằm ởbên trái 20cm kính phân kì mỏng có tiêu cự 30cm Hỏi khồng ảnh i ? Tìm vị trí ảnh cách vẽ tia thấu cách 55E Hai thấu kính hội tụ đồng trục với tiêu cự /*J / đật cách m ột khoảng fị + /"2 hình 39-53 HÌNH -5 Bài tập 55 Bố trí gọi d u n g cu mơ rộng chùm tia vả hay dùng để tả n g đường kinh chùrn tia laser (a) Nếu chùm tới, chứng minh rằ n g độ rộng chùm lổ 1^2 = độ rộng Chứng minh cách phổi hợp m ột th ấu kính phân kỳ với thấu kính hội tụ làm rộng chùm tia Các tia tới song song với trục thấu kính củng song song với trục 56E Tính tỷ số cường độ chùm ló từ dụng cụ mở rộng chùm tia cùa tập 55, cường độ chùm tới 57E Một thấu kính hai m ặt lồi làm bầng thủy tinh cd chiết suất 1,5 Một mật có bán kính cong gấp đơi m ặt tiêu cự GOmiĩi Hỏi hai bán kính thấu kính 58E Bạn thu ảnh m ặt trời xnột cách dùng thấu kính mỏng có tiêu cự 20,0cm Hỏi đường kính ảnh (xem phụ lục c cho số liệu cần thiết m ặ t trời) C S V Ậ T L Ý « X « 59E Một thấu kính làm bầng thủy tinh cd chiết suất bàng 1,5 Một mật thấu kính phẳng cịn m ặt lổi với bán kính cong 20cm (a) Tìm tiêu cự cùa thấu kính, (b) Nếu vật đặt trước thấu kính 40cm ảnh nằm đâu ? 60E Sử dụng công thức cùa thợ làm thấu kính (phương trình 39-16) xác định xem thấu kính hỉnh 39-54 hội tụ phân kỳ tia sáng tới song song với trụ c th ấ u kính iỉ {€) ịd) ilÌNí! 39-54 Biíi (.(» (fl) ib) 61E Chứng minh rần g tiêu cự f thấu kính mỏng v i chiết s u ấ t n n g â m tro n g m ột c h ất lỏng cd chiết s u ấ t n* tín h theo cơng th ứ c : 62E Một máy quay phim cd thấu kính (duy nhất) có tiêu cự 75mm quay ảnh người cao 180cm đứng cách xa máy 27m Hỏi chiểu cao ánh người tron g phim ? 63P, Bạn có dự trử số đỉa phẳng bàng thủy tinh (n = 1,5) m ặt xnáy mài thấu kính th ể mài bán kính cong 40cm 60cm Người nhờ bạn chuẩn bị cho sáu thấu kính vẽ hình 39-55 Hỏi tiêu cự thấu kính ' Các thấu kính cho ảnh thực hay ảnh mặt trời ? (Chú ý : chỗ mà bạn lựa chọn bán kính cong chọn bán kính nhỏ nhất) 64P Cơng thức : i _ p í f n M * IU ■ ỹ Phánglòr / * Hộ, tụ ' lồilõmlôi Iỉ ( H m ặ t lõm P h ă n g lỏm P hân kì lõm lịi gọi dạng Gauss cơng thức thấu kính mỏng M ộ t d n g k h c c ù a c ô n g th ứ c n y d n g N G w toĩ\ c ó Nli Vì 55 Bíii voVn (»3 được‘ bầng cách xét khoảng cách X từ vật đến tiêu điểm thứ n h ấ t khoảng cách x’ từ tiêu điểm thứ hai đến ảnh Chứng minh ; xx’ = /-2 65P Trong chừng mực có thể, điển vào chỗ trố n g bảng 39-4, mối cột theo thấu kính tnỏng khoảng cách đo cm, m ột số (trừ hàng n) thiếu dấu, điển dấu vào - vẽ hình cho trường hợp vẽ tia thích hợp 66P Một phân kỳ với bên trái mô tả tường thấu kính hội tụ, với tiêu cự +20cm, đặt bên trái thấu kính tiêu cự ” 15cm, khoảng lOcm Một vật đ ặ t khoảng 40cm vể thấu kính hội tụ, xác định ảnh cuối qua th ấu kính phân kỳ tận tượng 67P Một vật đặt khoảng cách l,Om trước thấu kính hội tụ có tiêu cự 0,50m Thấu kính đặt cách gương phẳng 2”’,0 (a) Hỏi ảnh cuối nầm đâu th ấu kính m ta có th ể nhìn thấy m hướng vé phía gư ơn g qua thấu kính ? (b) Hỏi ảnh cuối thực hay ảo ? (c) Ấnh cuối cùng chiểu hay ngược chiều vật ? (d) Hỏi độ phóng đại dài ? 50 3.CSVẬTUÝ/BATRỎ IỈẢN(» M)-A BÀI TẬP 65 (^) Loại i i ộ i lụ t(Cllì) 10 + 10 (c) (d) 10 10 rj(cm) (e) (0 (g) + 30 -30 -30 -3 + 30 -6 + 10 + 10 + J0 1.5 1.5 1.5 (>) I(cm) P ícm ) + 20 + 5,ơ + 5.0 + 5.0 n m >1.0