Đang tải... (xem toàn văn)
+ Kết quả thí nghiệm về sự tán sắc ánh sáng của Niutơn: hiện tượng tán sắc ánh sáng là hiện tượng các tia sáng sau khi đi qua lăng kính không những bị lệch về phía đáy của lăng kính mà c[r]
(1)GIAO THOA ÁNH SÁNG
Phần 1: Tổng quan lý thuyết dạng giao thoa A LÝ THUYẾT CƠ BẢN
I Ánh sáng đơn sắc – Ánh sáng trắng
+ Ánh sáng đơn sắc ánh sáng không bị tán sắc qua lăng kính Mỗi ánh sáng đơn sắc có màu định gọi màu đơn sắc
+ Ánh sáng trắng tập hợp vơ số ánh sáng đơn sắc khác có màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím
+ Kết thí nghiệm tán sắc ánh sáng Niutơn: tượng tán sắc ánh sáng tượng tia sáng sau qua lăng kính khơng bị lệch phía đáy lăng kính mà bị tách thành dãy màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím Màu đỏ bị lệch nhất, màu tím bị lệch nhiều
+ Kết thí nghiệm với ánh sáng đơn sắc: chùm sáng có màu xác định (chẳng hạn màu lục) qua lăng kính bị lệch phía đáy lăng kính mà khơng bị tán sắc
II Giao thoa ánh sáng
1 Nguồn kết hợp: nguồn có tần số độ lệch pha khơng đổi theo thời gian
2 Thí nghiệm
Thí nghiệm giao thoa ánh sáng Young
S1, S2 hai khe sáng; O vị trí vân sáng trung tâm
a (m): khoảng cách hai khe sáng
D (m): khoảng cách từ hai khe sáng đến λ (m): bước sóng ánh sáng
L (m): bề rộng vùng giao thoa, bề rộng trường giao thoa Hiệu đường từ S1, S2 đến điểm A màn
(2)Xét D >> a, x thì: d2 – d1 = axD
+ Kết thí nghiệm giao thoa ánh sáng đơn sắc Young (Iâng): Trên ảnh ta thu vạch sáng song song cách sen kẽ vạch tối (các vạch sáng tối xen kẽ đặn)
3 Giải thích
- Hiện tượng giao thoa ánh sáng giải thích thừa nhận ánh sáng có tính chất sóng
- Trong vùng gặp sóng ánh sáng có chỗ hai sóng gặp pha, chúng tăng cường lẫn tạo nên vân sáng Ngược lại, hai sóng ngược pha chúng triệt tiêu lẫn tạo nên vân tối
4 Ý nghĩa: giao thoa ánh sáng chứng thực nghiệm quan trong khẳng định ánh sáng có tính chất sóng
B CÁC DẠNG BÀI TẬP CƠ BẢN VỀ GIAO THOA ÁNH SÁNG VỚI KHE IÂNG
I- Giao thoa với ánh sáng đơn sắc
Dạng 1: Vị trí vân sáng- vị trí vân tối- khoảng vân: a- Khoảng vân: khoảng cách vân sáng liền kề
i = λ.aD ( i phụ thuộc λ ⇒ khoảng vân ánh sáng đơn sắc khác khác với thí nghiệm)
b- Vị trí vân sáng bậc k: Tại ứng với Δ d = d2 – d1 = k λ , đồng thời
sóng ánh sáng truyền tới pha x ❑sk = ± k λ.D
a = ± k.i
Để A vân sáng trung tâm k = hay Δ d =
k = 0: ứng với vân sáng trung tâm k = ± 1: ứng với vân sáng bậc …………
k = ± n: ứng với vân sáng bậc n
c- Vị trí vân tối thứ k + 1: Tại ứng với Δ d =(k + 12 ) λ Là vị trí hai sóng ánh sáng truyền tới ngược pha
x ❑Tk+1 = ±(k+
1 2)
λ.D
a = ±(k+
1 2).i
Hay vân tối thứ k: x ❑Tk = (k - 0,5).i
Ví dụ: Vị trí vân sáng bậc là: x ❑5S = 5.i
Vị trí vân tối thứ 4: x ❑T4 = 3,5.i (Số thứ vân – 0,5)
(3)Loại 1- Khoảng cách vân chất liên tiếp: l = (số vân – 1).i
Ví dụ: khoảng cách vân sáng liên tiếp: l = (7 – 1).i = 6i
Loại 2- Giữa vân sáng vân tối bất kỳ:
Giả sử xét khoảng cách vân sáng bậc k vân tối thứ k’, vị trí: x ❑sk = k.i; x
❑Tk =(k – 0,5).i Nếu:
+ Hai vân phía so với vân trung tâm: Δx = |xs k
− xt k '
|
+Hai vân khác phía so với vân trung tâm: Δx=xs k
+xt k '
-Khoảng cách vân sáng vân tối liền kề : 2i nên vị trí vân tối thứ liên tiếp xác định: xt =k i
2 (với k lẻ: 1,3,5,7,….)
VD: Tìm khoảng cách vân sáng bậc vân tối thứ Giải: Ta có xs
5
=5i; xt
6
=(6−0,5)=5,5i
+ Nếu hai vân phía so với vân trung tâm: Δx=xt6− xs5=5,5i −5i=0,5i
+ Nếu hai vân khac phía so với vân trung tâm : Δx=xt
6 +xs
5
=10,5i
Loại 3- Xác định vị trí điểm M trường giao thoa cách vân trung tâm khoảng xM có vân sáng hay vân tối, bậc ?
+ Lập tỉ số:
M
x n i
Nếu n nguyên, hay n Z, M có vân sáng bậc k=n
Nếu n bán nguyên hay n=k+0,5 với k Z, M có vân tối thứ k +1
Ví dụ:
Một khe hẹp F phát ánh sáng đơn sắc bước sóng λ=600 nm chiếu sáng hai khe song song với F cách 1m Vân giao thoa quan sát M song song với phẳng chứa F1 F2 cách 3m Tại vị trí cách vân
trung tâm 6,3m có
A.Vân tối thứ B Vân sáng bậc C Vân tối thứ D Vân sáng bậc
Giải: Ta cần xét tỉ số xi
Khoảng vân i= λDa =1,8mm, ta thấy 6,31,8=3,5 là số bán nguyên nên vị trí
cách vân trung tâm 6,3mm vân tối Mặt khác xk+¿
t=¿
1
2 )i= 6,3 nên (k+
2 )=3,5 nên k= Vậy vị trí cách vân
trung tâm 6,3mm vân tối thứ chọn đáp án A Dạng 3: Xác định số vân trường giao thoa:
(4)- Số vân trường giao thoa: + Số vân sáng: Ns = 1+2 [2Li]
+ Số vân tối: NT = [2Li+0,5]
- Số vân sáng, vân tối đoạn MN, với điểm M, N thuộc trường giao thoa nằm bên vân sáng trung tâm:
+ Số vân sáng: Ns = [OMi ] + [ONi ] +1
+ Số vân tối: NT = [OMi +0,5] + [ONi +0,5]
- Số vân sáng, tối điểm MN đoạn giao thoa nằm phía so với vân sáng trung tâm: + Số vân sáng: Ns = [OMi ] - [ONi ]
+ Số vân tối: NT = [OMi +0,5] - [ONi +0,5]
Với M, N khơng phải vân sáng
Ví dụ:
Trong thí nghiệm Giao thoa anhs sáng khe I âng với ánh sáng đơn sắc
λ = 0,7 μ m, khoảng cách khe s1,s2 a = 0,35 mm, khoảng cách từ
khe đến quan sát D = 1m, bề rộng vùng có giao thoa 13,5 mm Số vân sáng, vân tối quan sát là:
A: vân sáng, vân tối; B: vân sáng, vân tối C: vân sáng, vân tối; D: vân sáng, vân tối
Giải:
Ta có khoảng vân i = λ.aD = 0,7 10−6
0,35 10−3 = 2.10
-3m = 2mm.
Số vân sáng: Ns = [2Li] +1 = [3,375] +1 =
Do phân thập phân 2Li 0,375 < 0,5 nên số vạch tối NT = Ns – = ⇒
Số vạch tối 6, số vạch sáng ⇒ đáp án A
Bài tập vận dụng: Trong thí nghiệm ánh sáng giao thoa với khe I âng, khoảng cách khe s1, s2 1mm, khoảng cách từ khe đến quan sát mét
Chiếu vào khe ánh sáng có bước sóng λ = 0,656 μ m Biết bề rộng trường giao thoa lag L = 2,9 cm Xác định số vân sáng, quan sát
A: 22 vân sáng, 23 vân tối; B: 22 vân sáng, 21 vân tối C: 23 vân sáng, 22 vân tối D: 23 vân sáng, 24 vân tối
Dạng 4: Giao thoa với khe Young (Iâng) mơi trường có chiết suất là n thay đổi khoảng cách.
(5)Gọi ' bước sóng ánh sáng mơi trường có chiết suất n '
n
a Vị trí vân sáng: x =
k 'D a
=
k D n.a
b.Vị trí vân tối: x =(2k +1)
'D 2a
= (2k +1)
D 2na
c Khoảng vân: i=
'D a
=
D an
d Khi thay đổi khoảng cách:
+ Ta có: i = λDa ⇒ i tỉ lệ với D ⇒ khoảng cách D: i = λD
a
khi khoảng cách D’: i’ = λD'a
Nếu Δ D = D’ – D > Ta dịch xa (ứng i’ > i) Nếu Δ D = D’ – D < Ta đưa lại gần ( ứng i’ < i)
Ví dụ:
Một khe hẹp F phát ánh sáng đơn sắc λ = 600nm, chiếu vào khe I âng có a = 1,2mm, lúc đầu vân giao thoa quan sát M đặt cách mặt phẳng chứa S1, S2 75cm Về sau muốn quan sát vân giao thoa có khoảng
vân 0,5mm cần phải dịch chuyển quan sát so với vị trí đầu nào?
Giải : Ta có i’ = λD'a ⇒ D’ = i 'λ.a = 0,5 10−3 1,2 10−3
600 10−9 = m Vì lúc
đầu D = 75cm = 0,75m nên phải dịch chuyển quan sát xa thêm đoạn D’- D = 0,25m
Bài tập vận dụng:
Bài 1: Trong thí nghiệm giao thoa ánh sáng Iâng: ánh sáng có bước sóng = 0,5 , khoảng cách hai khe S1S2 a = 1mm, khoảng cách 10 vân sáng liên tiếp 4,5mm
a, Tìm khoảng cách từ S1S2 đến
b, Tìm khoảng cách từ vân sáng bậc đến vân tối bậc
c, Tại M cách vân trung tâm 4,75mm vân sáng hay vân tối bậc mấy?
d, Biết bề rộng trường giao thoa 1,5cm, tìm số vân sáng số vân tối quan sát
ĐS: a, D = 1m b, vân bên so với O x = 2,25mm; hai vân hai bên x/ = 5,25
(6)Bài 2: Trong thí nghiệm giao thoa ánh sáng(khe Young), hai khe S1S2 cách đoạn a = 2mm cách quan sát 2m
a, Tại vị trí M màn, cách vân trung tâm 3,75m vân sáng bậc Tính bước sóng ánh sáng đơn sắc, ánh sáng màu gì?
b, Thay ánh sáng ánh sáng đơn sắc có bước sóng thấy M vân tối bậc Tính bước sóng
c, Xét điểm P Q phía với vân sáng trung tâm O với xP = 7,5mm Tính xem đoạn PQ có vân sáng ứng với bước sóng ĐS: a, = 0,75 b, = 0,5 c, 13 vân sáng
Bài 3: Trong thí nghiệm Young, khoảng cách hai khe a = 1,5mm khoảng cách từ hai khe đến quan sát D = 120cm Chiếu vào hai khe ánh sáng đơn sắc có bước sóng Kết thu 13 vân sáng đo khoảng cách hai vân sáng 4,8mm
a, Xác định bước sóng
b, Tại điểm M1 M2 cách vân sáng 1,4mm 2,0mm có vân sáng hay vân tối ?
c, Nếu đưa toàn hệ thống vào nước có chiết suất n = 4/3 khoảng cách hai vân sáng bao nhiêu?
ĐS: a, = 0,5 b, M1 vân tối thứ 4, M2 vân sáng thứ c, 3,6mm