Thuyết sóng ánh sáng và một số ứng dụng trong giao thoa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH BÙI TUYẾT AN THUYẾT SÓNG ÁNH SÁNG VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG TRONG GIAO THOA LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGHỆ AN - 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH BÙI TUYẾT AN THUYẾT SÓNG ÁNH SÁNG VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG TRONG GIAO THOA Chuyên ngành: Quang học Mã số: 60.44.01.09 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN TIẾN DŨNG NGHỆ AN - 2017 LỜI CẢM ƠN Để hồn thành luận văn tơi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Tiến Dũng, người tận tình giúp đỡ, hướng dẫn kể từ nhận đề tài luận văn hồn thành cách chu đáo Tơi xin chân thành cám ơn quý Thầy, Cô giáo Khoa Vật lý Công nghệ, Trường Đại học Vinh tận tình dạy dỗ, giúp tơi q trình học tập Lời cuối xin gửi tới người tình cảm chân thành động viên, giúp đỡ suốt q trình học tập hồn thành luận văn Mặc dù cố gắng thời gian lực có hạn nên luận văn khơng tránh khỏi nhiều khuyết điểm, kính mong q Thầy Cơ, bạn đọc chân thành góp ý kiến để tác giả rút kinh nghiệm, hồn thành cơng trình cấp độ cao Xin chân thành cảm ơn! TPHCM, ngày tháng năm 2017 Tác giả BÙI TUYẾT AN MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN A MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Nhiệm vụ nghiên cứu 4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Cơ sở lý luận phương pháp nghiên cứu Đóng góp luận văn B NỘI DUNG Chương C C 1.1 Thuyết sóng ánh sáng Huygens 1.2 Thuyết điện từ Maxwell 1.3 Sự lan truyền sóng điện từ phẳng 11 1.4 Giải thích định luật phản xạ, khúc xạ, phản xạ tồn phần thuyết sóng ánh sáng 13 Chƣơng MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA THUYẾT SÓNG ÁNH SÁNG 23 2.1 Giao thoa ánh sáng khe Young 23 2.2 Giao thoa gây mỏng 30 2.3 Một số ứng dụng giao thoa 41 2.4 Một số toán giao thoa ánh sáng đề thi quốc gia quốc tế 42 C KẾT LUẬN 51 D TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 E PHỤ LỤC 54 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong thực tế có nhiều tượng vật lý dựa vào định luật quang hình học khơng thể giải thích Nó đòi hỏi phải sâu vào chất ánh sáng giải vấn đề Một số tượng vật lý tượng xạ nhiệt, hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton….chỉ giải thích ta thừa nhận ánh sáng có tính chất hạt Lý thuyết sóng ánh sáng, Christian Huygens đưa ra, cho dòng ánh sáng lan truyền sóng Lý thuyết giải thích nhiều tượng mang tính chất sóng ánh sáng giao thoa, nhiễu xạ; đồng thời giải thích tốt tượng khúc xạ phản xạ Thomas Young (1773-1829) người thực giao thoa ánh sáng Trong hai năm 1815 1818, Augustin-Jean Fresnel thiết lập lên sở toán học tượng nhiễu xạ vân giao thoa qua hai khe Hiện tượng giao thoa nhiễu xạ ánh sáng chứng thực nghiệm điển hình khẳng định ánh sáng có tính chất sóng Lý thuyết điện từ James Clerk Maxwell năm 1865, khẳng định lại lần tính chất sóng ánh sáng Đặc biệt, lý thuyết kết nối tượng quang học với tượng điện từ học, cho thấy ánh sáng trường hợp riêng sóng điện từ Mục đích nghiên cứu tơi đề tài tìm hiểu chất sóng ánh sáng sở xem ánh sáng sóng điện từ tuân theo phương trình Maxwell để làm rõ vấn đề liên quan đến kiến thức phổ thông Do đó, tơi lựa chọn vấn đề “Thuyết sóng ánh sáng số ứng dụng giao thoa” làm vấn đề nghiên cứu cho luận văn Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu sở lý thuyết thuyết sóng ánh sáng vận dụng phương trình Maxwell để chứng minh cơng thức phần quang hình học – vật lý 11 trung học phổ thông, khảo sát số ứng dụng giao thoa ánh sáng Nhiệm vụ nghiên cứu - Trình bày thuyết sóng ánh sáng - Trình bày hệ phương trình Maxwell - Vận dụng thuyết sóng ánh sáng giải thích tượng giao thoa - Trình bày số ứng dụng giao thoa ánh sáng Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 4.1 Đối tƣợng nghiên cứu + Thuyết sóng ánh sáng + Định luật phản xạ ánh sáng, khúc xạ ánh sáng + Hiện tượng giao thoa ánh sáng 4.2 Phạm vi nghiên cứu + Mô tả ánh sáng theo quan điểm sóng điện từ + Sử dụng thuyết sóng ánh sáng chứng minh công thức định luật phản xạ, khúc xạ ánh sáng + Một số ứng dụng giao thoa ánh sáng Cơ sở lý luận phƣơng pháp nghiên cứu 5.1 Cơ sở lý luận Cơ sở nghiên cứu đề tài dựa thuyết sóng ánh sáng hệ phương trình Maxwell để chứng minh lại định luật phản xạ, khúc xạ ánh sáng vận dụng chúng để khảo sát số ứng dụng giao thoa 5.2 Phƣơng pháp nghiên cứu 5.2.1 Phương pháp thu thập tài liệu Để có nhìn tồn diện thuyết sóng ánh sáng, tác giả tiến hành thu thập nghiên cứu nhiều nguồn tài liệu như: Giáo trình Điện động lực học, Giáo trình điện động lực lý thuyết tương đối, Quang học 5.2.2 Phương pháp phân tích, tổng hợp Từ nguồn tài liệu thu thập được, tác giả sử dụng phương pháp so sánh, phân tích, tổng hợp để phát vấn đề đề tài nghiên cứu Đóng góp luận văn Về thực tiễn: thêm hướng tiếp cận khác việc giải thích định luật phản xạ, khúc xạ ánh sáng ứng dụng giao thoa ánh sáng NỘI DUNG Chƣơng CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA THUYẾT SÓNG ÁNH SÁNG 1.1 Thuyết sóng ánh sáng Huygens Việc tìm hiểu chất ánh sáng xuất sớm từ lúc văn minh loài người bắt đầu xuất Mặc dù có nhiều hạn chế thời kỳ nhận thức chất ánh sáng lồi người có nét đáng lưu ý Câu hỏi chất ánh sáng đặt từ lâu, để trả lời cho câu hỏi phải trải qua trình dài, đến kỉ 20 người có nhìn tương đối hồn thiện ánh sáng Một nhà vật lý học tìm hiểu chất sóng ánh sáng Huygens xem cha đẻ lĩnh vực Là người bác bỏ quan điểm Descartes cho ánh sáng xung động lan truyền tức thời, ông cho “ánh sáng lan truyền không gian giống sóng sinh ta ném viên đá xuống ao, truyền khắp mặt nước Ánh sáng truyền không gian qua trung gian ête, chất bí ẩn khơng trọng lượng, tồn thực thể vơ hình khơng khí khơng gian nhờ mà sóng ánh sáng truyền chuyển động cho cho tất hạt khác tiếp xúc với mà cịn cho tất hạt khác tiếp xúc với hạt cản chuyển động nó” Cũng theo Huygens “một nguồn sáng bao gồm vô số hạt rung động, hạt truyền rung động chúng tới hạt ête bên cạnh dạng sóng cầu có tâm hạt rung Vô số sóng cầu truyền bán kính tác dụng chúng tăng dần theo thời gian Chúng chồng chập lên biểu hỗn độn chúng gần nguồn sáng giảm dần sóng truyền xa nguồn sáng Càng xa nguồn sáng, sóng trở nên trơn đặn hơn” [4,15,18] Quan điểm Huygens vận tốc ánh sáng: ánh sáng truyền nhanh nhiều so với âm thanh, điều mà người nhận thấy trời có giơng, ta nhìn thấy chớp sớm nhiều nghe thấy tiếng sấm Ơng giải thích chênh lệch lớn vận tốc có độ chênh lệch lớn độ cứng khơng khí ête Vận tốc lan truyền sóng tăng theo độ cứng môi trường suốt Huygens thừa nhận hạt ête cứng rắn đến mức chúng truyền nhiễu động tức thời Chỉ cần rung nhẹ đầu bên hạt ête truyền sang đầu bên Ngược lại, hạt khơng khí mềm truyền rung động chậm nhiều[4,15,18] Dựa sở đó, ơng vận dụng thuyết sóng ánh sáng để giải thích tượng phản xạ, khúc xạ ánh sáng sau: - Hiện tượng phản xạ: Nguồn sáng phát sóng ánh sáng trải theo hướng Khi chạm lên gương, sóng bị phản xạ theo góc tới, với sóng phản hồi trở lại tạo ảnh đảo ngược - Hiện tượng khúc xạ ánh sáng: Huygens cho vận tốc ánh sáng chất tỉ lệ nghịch với chiết suất Khi chùm ánh sáng truyền hai mơi trường có chiết suất khác chùm tia bị khúc xạ (đổi hướng) Một phần nhỏ đầu sóng góc phải chạm đến mơi trường thứ hai trước phần cịn lại đầu sóng tiến đến mặt phân giới Phần bắt đầu qua môi trường thứ hai chuyển động chậm chiết suất môi trường thứ hai cao hơn, phần lại sóng cịn truyền mơi trường thứ Do mặt sóng lúc truyền hai tốc độ khác nhau, nên uốn cong vào mơi trường thứ hai, làm thay đổi hướng truyền Thuyết sóng ánh sáng Huygens cơng trình chứng minh ánh sáng có tính chất sóng, nhiên lý thuyết Huygens cịn nhiều hạn chế chưa giải thích tượng nhiễu xạ ánh sáng chưa chứng minh cách xác chất sóng ánh sáng Nhà vật lý học Thomas Young, lần khẳng định tính chất sóng ánh sáng qua thí nghiệm giao thoa qua hai khe hẹp Fresnel lần khẳng định chất sóng ánh sáng qua thí nghiệm giao thoa mà ông tiến hành dùng hai gương phẳng đặt lệch góc gần 1800, thường gọi hai gương Fresnel Tuy nhiên, để rõ ánh sáng sóng điện từ lan truyền môi trường kể chân không, nhờ chất bí ẩn khơng trọng lượng ête, phải nhờ đến James Clerk Maxwell, nhà vật lý người Anh, ông người phát “ánh sáng phối điện từ” [18] Kiến thức có nhà vật lý trước Maxwell tổng hợp biểu diễn cô đọng thành hệ gồm bốn phương trình tốn học tiếng hậu biết đến với tên gọi “Hệ phương trình Maxwell” 1.2 Thuyết điện từ Maxwell 1.2.1 Các đại lượng điện từ Một điểm trường điện từ đặc trưng bốn vectơ [8,16,21]: - Vectơ cường độ điện trường ⃗ , đơn vị [E] = V/m - Vectơ cảm ứng điện ⃗⃗ gọi vectơ điện dịch, đơn vị [D] =1 As/m2 - Vectơ cường độ từ trường ⃗⃗ , đơn vị [H] = 1A/m - Vectơ cảm ứng từ ⃗ , đơn vị [B] = 1Vs/m2 = 1T Bốn vectơ hàm toạ độ thời gian biến thiên bốn đại lượng theo biến toạ độ thời gian phải tuân theo quy luật định mô tả hệ phương trình Maxwell 1.2.2 Hệ phương trình Maxwell dạng vi phân ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗ ⃗⃗⃗ (1.1) (1.2) ⃗⃗ (1.3) ⃗ (1.4) + Vân sáng thứ k: Mà ta có: (2.43) (2.44) √ - Bán kính vân tối: + Vân tối thứ nhất: + Vân tối thứ hai: + Vân tối thứ k: Mà ta có: (2.45) Ta lại có: Vì e > 1000 Hãy xác định khoảng cách x cực đại liên tiếp (Trích đề thi tuyển nghiên cứu sinh chuyên ngành Vật lý đại học UC, Berkeley) Bài giải: 49 Do độ rộng khe hai gấp hai lần độ rộng khe lại , nên ta suy biên độ vec tơ cường độ điện trường hai nguồn sáng tạo hai khe tương ứng E 2E nên ta có cường độ tương ứng Vì thế, ta viết biểu thức tính cường độ tổng hợp dạng: ( d = 1000 ) khoảng cách từ tâm hai khe, khoảng cách từ tâm hệ vân giao thoa đến điểm xét Vì Và cực đại xuất khi: 50 , với x KẾT LUẬN Luận văn nghiên cứu cách tổng quát chất sóng ánh sáng phương diện xem ánh sáng sóng điện từ, để từ vận dụng lý thuyết để làm rõ kiến thức phổ thông Cụ thể: - Chứng minh định luật phản xạ, khúc xạ ánh sáng - Giải thích tượng phản xạ toàn phần - Khảo sát giao thoa ánh sáng khe Young - Khảo sát tượng giao thoa ánh sáng qua mỏng có bề dày khơng đổi bề dày thay đổi - ng dụng tượng giao thoa ánh sáng để kiểm tra bề mặt lồi, lõm dụng cụ quang học - Vận dụng thuyết điện từ Maxwell để giải số toán giao thoa đề thi học sinh giỏi quốc gia, quốc tế đề thi nghiên cứu sinh Vật lý số đại học Mỹ 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dương Trọng Bái, Cao Ngọc Viễn (1998), Bài thi Vật lý Quốc tế, tập 1, Nxb Giáo dục [2] Dương Trọng Bái, Đàm Trung Đồn (2000), Bài thi Vật lý Quốc tế, tập 2, Nxb Giáo dục [3] Lương Duyên Bình, Nguyễn Hữu Hồ, Lê Văn Nghĩa, Nguyễn Tụng (2009), Bài tập Vật lý đại cương, tập 3, Nxb Giáo dục [4] Lương Duyên Bình, Nguyễn Hữu Hồ, Lê Văn Nghĩa, Nguyễn Tụng (2009), Vật lý đại cương, tập 3, Nxb Giáo dục [5] Jean Marie Brebec (2006) Phùng Quốc Bảo dịch , Quang học sóng, NXB Giáo dục [6] Lương Dun Bình, Ngơ Phú An, Lê Băng Sương, Vật lý đại cương (2009), tập 3, Nxb Giáo dục [7] Trần Thanh Bình (2013), Giáo trình Quang học, Nxb Đại học Huế [8] Richard Fitzpatrick (2008), Maxwell’s Equations and The Principles of Electromagnetism, Infinity Science Press LLC, Massachusetts [9] David Halliday - Robert Resnick - Jearl Walker, Ngơ Quốc Qnh Hồng Hữu Thư dịch (2012), Cơ sở Vật lý, tập 6, NXB Giáo dục Việt Nam [10] Hồng Hữu Hố (2013), Giáo trình Quang học, Nxb Đại học Huế [11] Trần Ngọc Hợi - Phạm Văn Thiều (2006), Vật lý đại cương nguyên lý ứng dụng, tập ba, Nxb Giáo dục [12] Vũ Thanh Khiết (2007), Các toán Vật lý chọn lọc trung học phổ thông, Nxb Giáo dục [13] Phan Hồng Liên, Lâm Văn Hùng, Nguyễn Trung Kiên (2008), Vật lý đại cương, tập 2, Nxb Giáo dục [14] Yung - Kuo Lim (1995), Problems and Solutions on Optics, World Scientific Publishing Co Pte Ltd Singapore 52 [15] Đào Văn Phúc (2003), Lịch sử Vật lý học, Nxb Giáo dục [16] Đào Văn Phúc (1976), Điện động lực học, Nxb Giáo dục, Hà Nội [17] Nguyễn Mạnh Súy (2008), Cơ học - Quang học - Thiên văn học, Nxb Giáo dục [18] Nguyễn Thị Thiếp (2004), Lịch sử Vật lý, Nxb Đại học Sư Phạm Tp HCM [19] Nguyễn Trần Trác, Diệp Lâm Anh (2005), Quang học, Nxb Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh [20] http://www.colorado.edu/physics/phys4510/phys4510_fa05/Chapter1.pdf [21] http://www.phys.lsu.edu/~jarrell/courses/electrodynamics/chap7/chap7.pdf [22] http://www.people.fas.harvard.edu/~djmorin/waves/interference.pdf 53 PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình vẽ 1.1 Sự lan truyền sóng ánh sáng khơng gian dọc theo trục x Hình vẽ 1.2 Điện trường vng góc với mặt phẳng xOz Hình vẽ 1.3 Sóng điện từ lan truyền từ môi trường ni sang môi trường nt Hình vẽ 1.4 Sóng tới mặt ph n cách hai môi trường ni nt ứng với góc tới khác Hình vẽ 2.1 Giao thoa ánh sáng khe Young Hình vẽ 2.2 Biểu đồ I(x)/I(0) ứng với giá trị d = Hình vẽ 2.3 Biểu đồ I(x)/I(0) ứng với giá trị d = Hình vẽ 2.4 Biểu đồ I(x)/I(0) ứng với giá trị d = Hình vẽ 2.5 Biểu đồ I(x)/I(0) ứng với giá trị d = Hình vẽ 2.6 Biểu đồ cường độ tỉ đối theo vị trí Hình vẽ 2.7 Giao thoa ánh sáng gương Fresnel Hình vẽ 2.8 Giao thoa ánh sáng lưỡng lăng kính Fresnel Hình vẽ 2.9 Giao thoa ánh sang lưỡng thấu kính Billet Hình vẽ 2.10 Giao thoa ánh sang qua mỏng có bề dày khơng đổi Hình vẽ 2.11 Giao thoa qua mỏng có bề dày thay đổi Hình vẽ 2.12 Giao thoa nêm Hình vẽ 2.13 Thí nghiệm v n tr n Newton Hình vẽ 2.14 Thí nghiệm đo chiết suất chất lỏng (hoặc khí) 54 ... thuyết sóng ánh sáng 13 Chƣơng MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA THUYẾT SÓNG ÁNH SÁNG 23 2.1 Giao thoa ánh sáng khe Young 23 2.2 Giao thoa gây mỏng 30 2.3 Một số ứng dụng giao thoa ... tia sáng bị phản xạ toàn phần 22 - (1.56) Chƣơng MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA THUYẾT SÓNG ÁNH SÁNG 2.1 Giao thoa ánh sáng khe Young 2.1.1 Giao thoa ánh sáng khe Young Thuật ngữ ? ?giao thoa? ?? lần sử dụng. .. nghiên cứu + Mô tả ánh sáng theo quan điểm sóng điện từ + Sử dụng thuyết sóng ánh sáng chứng minh cơng thức định luật phản xạ, khúc xạ ánh sáng + Một số ứng dụng giao thoa ánh sáng Cơ sở lý luận