I. Mục tiêu
1. Kiến thức:
- Nêu được khái niệm hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng là gì? - Nêu được nguyên lý Huyghens – Fresnel.
- Nêu thí nghiệm nhiễu xạ qua một khe hẹp.
- Viết dược biểu thức điều kiện để các vân là sáng hoặc tối. - Nêu định nghĩa cách tử.
- Nêu được hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng chứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng.
2. Kỹ năng:
- Giải thích được hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng.
- Giải thích được biểu đồ cường độ sáng của hiện tượng nhiễu xạ. - Giải một số bài tập về hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng.
II. Chuẩn bị
1. Giáo viên:
- Sơ đồ, mô hình mô tả thí nghiệm hiện tượng nhiễu xạ. - Các hình vẽ
2. Học sinh:
- Ôn lại hiện tượng nhiễu xạ sóng cơ và nhiễu xạ ánh sáng đã học ở THPT.
III. Tiến trình tổ chức hoạt động dạy học.
1. Hoạt động 1: Tìm hiểu hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng và nguyên lý Huyghens– Fresnel (15 phút)
Hoạt động của giáo viên Hoạt động của sinh SV
- GV yêu cầu SV nhắc lại hiện tượng nhiễu xạ sóng cơ học.
- Mô tả thí nghiệm hiện tượng nhiễu
- Thảo luận nhóm, nhớ lại hiện tượng sóng lệch khỏi phương tuyền thẳng và đi vòng qua vật cản gọi là nhiễu xạ
xạ ánh sáng.
- Kết quả: trên màn E có vệt sáng ab, tuy nhiên khi thay đổi kích thước lỗ tròn và khoảng cách từ màn quan sát đến lỗ tròn thì trên màn E xuất hiện những vân sáng tối xen kẽ nhau. - GV yêu cầu SV nhận xét kết quả thí nghiệm và đưa ra định nghĩa về hiện tượng nhiễu xạ?
- GV nhấn mạnh: Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng chứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng.
- GV giới thiệu nguyên lý Huyghens – Fresnel.
sóng.
- Quan sát thí nghiệm và nêu kết quả quan sát.
- Từ kết quả thí nghiệm ta thấy ánh sáng khi đi qua lỗ tròn các tia sáng đã bị lệnh khỏi phương truyền thẳng. - Định nghĩa hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng: Nhiễu xạ ánh sáng là hiện tượng đường truyền tia sáng bị lệch đi khi truyền qua những lỗ nhỏ hoặc các vật cản có kích thước nhỏ.
- Ghi nhận
BÀI 2: NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG
1. Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng. Nguyên lý Huyghens – Fresnel.
* Định nghĩa: Nhiễu xạ ánh sáng là hiện tượng đường truyền tia sáng bị lệch đi khi truyền qua những lỗ nhỏ hoặc các vật cản có kích thước nhỏ. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
* Nguyễn lý Huyghen – Fresnel: Bất kì một điểm nào mà ánh sáng truyền đến đều trở thành nguồn sáng thứ cấp phát ánh sáng về phía trước nó.
2. Hoạt động 2: Tìm hiểu nhiễu xạ ánh sáng qua một khe hẹp (35 phút)
Hoạt động của giáo viên Hoạt động của sinh SV
- GV giới thiệu thí ngiệm mô tả hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng bằng hình vẽ và mô hình.
- Yêu cầu SV thảo luận theo nhóm nhận xét phân bố ánh sáng trên màn quan sát.
- Yêu cầu SV nhận xét các tia nhiễu
- Quan sát thí nghiệm
- Thảo luận theo nhóm: ánh sáng trên màn quan sát chia thành những vùng sáng tối xen kẽ, ở chính giữa rất sáng. - Nếu ϕ = 0 thì các tia gửi đến F
xạ nếu ϕ = 0.
+Gợi ý: khiϕ = 0 thì các tia nhiễu xạ trên màn sẽ hội tụ tại điểm nào, tại đó là sáng hay tối?
- Tương tự yêu cầu SV nhận xét các tia nhiễu xạ khi ϕ bất kỳ.
+ Gợi ý: Vẽ các mặt phẳng
0 , 1 , 2
∑ ∑ ∑ ... cách nhau λ2 và
vuông góc với chùm tia nhiễu xạ. Các mặt phẳng này chia mặt phẳng khe thành các dải. Bề rộng của mỗi dải là
2sin λ
ϕ . Số dải trên khe là bao nhiêu? + Dựa vào nguyên lý Huyghen thì mỗi dải có được coi là nguồn thứ cấp không?
+ Vì quang lộ từ hai dải kế tiếp đến
điểm M khác nhau λ2 , do đó hai dao động sáng do hai dải kế tiếp gây ra tại M ngược pha nhau và chúng khử lẫn nhau. Vậy nếu số dải là chẵn hoặc lẻ thì tại M là sáng hay tối? Từ đó suy ra điều kiện để điểm M là sáng hoặc tối.
- GV giới thiệu hai mô hình thí nghiệm:
+ Trường hợp khe hẹp có độ rộng
cùng pha dao động nên tại F rất sáng và gọi là cực đại giữa.
- Số dải trên khe là:
2 sin / 2sin b b n ϕ λ ϕ λ = =
- Mỗi dải trên khe có thể coi là một nguồn thứ cấp gửi ánh sáng đến điểm M.
- Nếu khe chứa một số chẵn dải (n = 2k) thì dao động sáng do từng cặp dải kế tiếp gây ra tại M sẽ khử nhau và điểm M sẽ tối .
Và ngược lại nếu khe chứa một số lẻ dải thì M sẽ sáng.
Vậy: + Điều kiện M là điểm tối khi:
2 sin 2 b k ϕ λ = nghĩa là sin k b λ ϕ = trong đó k = ± ±1, 2,....
+ Điều kiện M là điểm sáng khi: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2 sin 2 1 b k ϕ λ = + nghĩa là sin (2 1) 2 k b λ ϕ = + trong đó 1, 2, 3,.... k = ± ±
- Quan sát kết quả thí nghiệm từ hai mô hình.
bình thường.
+ Trường hợp khe hẹp có độ rộng rất nhỏ b < λ.
- Yêu cầu SV nhận xét phân bố cường độ sáng tại hai mô hình.
+ Gợi ý: Biểu thức cường độ sáng:
2 max sin . I I α α = ÷ trong đó α πb.sinϕ λ = và 2 sinα α ÷ được gọi là thừa số nhiễu xạ.
Thừa số nhiễu xạ quyết định độ sáng của các vân trên màn.
Khi a →0 thì I sẽ thay đổi như thế nào?
Từ đó suy ra cường độ sáng trong hai mô hình. 2 2 2 0 1 2 3 2 2 2 : : : ... 1: : : :... 3 5 7 1: 0, 045 : 0, 016 : 008 :... I I I I π π π = ÷ ÷ ÷ = - Khi a→0 thì α →0 do đó 0 sin lim 1 α α α → = ax m I I → =
Vậy khi bề rộng của khe càng nhỏ thì vân càng sáng và trên đồ thị phân bố cường độ sáng cực đại chính sáng chính giữa sáng hơn hằng trăm lần so với cực đại chính bậc kế tiếp do đó trên màn gần như chỉ nhìn thấy một cực đại chính giữa.
2. Nhiễu xạ ánh sáng qua một khe hẹp
* Thí nghiệm: (Giáo trình) - Nếu ϕ = 0 cực đại giữa.
- Nếu sin k
b
λ
ϕ = trong đó k = ± ±1, 2,.... có các cực tiểu nhiễu xạ
- Nếu sin (2 1)
2
k
b
λ
ϕ = + trong đó k = ± ±1, 2, 3,....có các cực đại nhiễu xạ
* Cường độ sáng của các cực đại nhiễu xạ:
cường độ sáng cực đại chính chính giữa sáng hơn hằng trăm lần so với cực đại chính bậc kế tiếp do đó trên màn gần như chỉ nhìn thấy một cực đại chính giữa.
3. Hoạt động 3: Tìm hiểu nhiễu xạ qua nhiều khe hẹp (30 phút)
Hoạt động của giáo viên Hoạt động của sinh SV
- GV giới thiệu thí nghiệm nhiễu xạ ánh sáng qua N khe hẹp (bằng mô hình và hình vẽ).
- GV yêu cầu SV tính hiệu quang lộ giữa hai tia nhiễu xạ đi qua hai khe cạnh nhau.
- Yêu cầu SV nhận xét trường hợp sin (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
d α =kλ thì tại điểm M là sáng hay tối?
- Yêu cầu SV quan sát các mô hình nhiễu xạ khi có N = 2, 3, 4 ,5 khe. Và nhận xét đồ thị phân bố sáng từng trường hợp.
+ Gợi ý: Hiệu quang lộ của hai tia gửi từ hai khe kế tiếp nhau có giá trị
sin (2 1) 2
L d ϕ k λ
∆ = = + , dao động do
hai tia đó gây ra khử lẫn nhau. Vậy điểm chính giữa hai cực đại liên tiếp là sáng hay tối?
+ Cực đại giữa hai cực đại chính liên
- Quan sát thí nghiệm.
- Từ hình vẽ ta có: ∆ =L dsinϕ
- Khi dsinα =kλ (k: nguyên) thì hai chùm nhiễu xạ qua hai khe cạnh nhau cùng pha nhau, do đó mọi chùm sáng theo hướng đó đều cùng pha với nhau; chúng chồng chất lên nhau tạo thành cực đại sáng tại M.
- Do số khe N là chẵn hoặc lẻ nên điểm chính giữa hai cực đại liên tiếp chưa xác định được là sáng hoặc tối. + Nếu N = 2, trong trường hợp này dao động do hai khe gửi tới khử lẫn nhau. Điểm chính giữa hai cực đại chính là điểm tối.
+ Nếu N = 3, trong trường hợp này dao động do hai khe gửi tới khử lẫn nhau, còn dao động do khe thứ ba gây ra không bị khử. Kết quả là giữa hai cực đại chính là một cực đại.
tiếp kém sáng hơn nhiều so với cực đại chính nên được gọi là cực đại phụ. Giữa cực đại phụ và hai cực đại chính có các cực tiểu.
+ Nếu N là bất kỳ người ta chứng minh được rằng giữa hai cực đại chính kế tiếp có (N – 1) cực tiểu và (N – 2) cực đại phụ.
- Yêu cầu SV giải thích đồ thị sáng, và số cực đại phụ, cực tiểu khi số khe N = 2, 3, 4 ,5 khe trên các mô hình - GV giới thiệu cho sinh viên mô hình nhiễu xạ ánh sáng qua một vòng
nhẫn, và nhiễu xạ của ánh sáng đơn
sắc qua một lỗ tròn. + N = 4 có 3 cực tiểu phụ và 2 cực đại phụ. + N = 5 có 4 cực tiểu phụ và 3 cực cực đại phụ. + N lớn thì thì cực đại chính quan sát được trên màn sẽ thanh nét. Vì các cực đại phụ kém sáng hơn nhiều so với các cực đại chính nên ảnh nhiễu xạ qua nhiều khe hẹp sẽ là một dãy vạch sáng song song cách đều nhau.
3. Nhiễu xạ qua nhiều khe hẹp
- Hiệu quang lộ giữa hai tia nhiễu xạ đi qua hai khe cạnh nhau bằng:
sin
L d ϕ
∆ =
Tại những điểm trên màn quan sát mà ϕ thỏa mãn điều kiện:
+ sin k
b
λ
ϕ = với k = ± ±1; 2... thì các khe cho cực tiểu nhiễu xạ
+ sin k
d (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
λ
ϕ = trong đó k = ± ±0; 1; 2... thì cho cực đại nhiễu xạ
Tại điểm chính giữa của hai cực đại chính kế tiếp, góc nhiễu xạ ϕ thỏa
mãn điều kiện: sin (2 1)
2 k d λ ϕ = + có (N – 1) cực tiểu và (N – 2) cực đại phụ (N là số khe nhiễu xạ).
Nếu N lớn thì thì cực đại chính quan sát được trên màn sẽ thanh nét, cường độ rất lớn và rất hẹp. Vì các cực đại phụ có cường độ rất nhỏ, khó quan sát nên thực tế chỉ quan sát được các cực đại chính và chúng gọi là các vạch
quang phổ.
4. Hoạt động 4: Củng cố (7 phút)
- Yêu cầu SV nhắc lại khái niệm nhiễu xạ ánh sáng, nguyên lí Huyghen - Fresnel.
- Yêu cầu SV nhắc thí nghiệm nhiễu xạ qua một khe hẹp, nhiều khe hẹp
5. Hoạt động 5:Giao nhiệm vụ về nhà (3 phút)
- Đọc trước nội dung bài mới