Bài giảng Vật lý đại cương 2: Chương 8 - PGS. TS Nguyễn Thành Vấn

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:52

Thêm vào BST

Báo xấu

12
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Vật lý đại cương 2: Chương 8 được biên soạn với mục tiêu nhằm giúp sinh viên hiểu được các khái niệm cơ bản về giao thoa ánh sáng; nắm được các định luật cơ bản về giao thoa ánh sáng; vận dụng giải các bài toán cụ thể về giao thoa: khe Young, màn mỏng, màn mỏng có bề dày thay đổi…

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Vật lý đại cương 2: Chương 8 - PGS. TS Nguyễn Thành Vấn

om .c Chương 8 ng co an GIAO THOA ÁNH SÁNG th o ng du u cu 1 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Chương 8: GIAO THOA ÁNH SÁNG Nội dung • Nguyên lý Huyghen, nguyên lý chồng chất. om .c • Hiện tượng giao thoa của sóng kết hợp ng • Khảo sát hiện tượng giao thoa ánh sáng co an • Giao thoa bởi bản mỏng có bề dày thay đổi. th Chuẩn đầu ra o ng du • Hiểu được các khái niệm cơ bản về giao thoa as. u cu • Nắm được các định luật cơ bản về giao thoa as. • Vận dụng giải các bài toán cụ thể về giao thoa: khe Young, màn mỏng, màn mỏng có bề dày thay đổi… 2 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
8.1. LÝ THUYẾT SÓNG VỀ ÁNH SÁNG 8.1.1. Các đặc trưng của sóng ánh sáng x om E a .c c z O ng x λ co -a an  Biên độ sáng: a th O y ng  Cường độ sáng: I = a2 o du Sóng điện từ  Chu kỳ dao động: T u Ánh sáng là sóng điện từ, 1 cu  Tần số sóng:   sóng ánh sáng có các đặc T 2  Tần số góc:   2  trưng cơ bản sau: T  Bước sóng:   cT 3 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
8.1.2. Phương trình sóng ánh sáng đơn sắc 1. Quang lộ của tia sáng B Xét môi trường đồng chất về phương A om diện quang học có chiết suất không đổi là n, l là khoảng cách từ A đến B. .c Quang lộ của tia sáng từ A đến B: LAB  [AB]  n ng co Tia sáng từ A đến B qua 2 môi trường đồng chất khác nhau an Gọi l1 là quãng đường ánh sáng đi từ A đến I, l2 là quãng đường ánh sáng th A ng n1 o đi từ I đến B. du I Quang lộ ánh sáng đi từ A đến B là: u cu LAB = LAI + LIB n2  n1. 1  n2. 2 B 4 CuuDuongThanCong.com Quang lộ qua 2 môi trường https://fb.com/tailieudientucntt
Tương tự, xét tia sáng đi từ A đến B qua ba môi trường có chiết suất khác nhau: om LAB = LAI + LIJ + LJB .c ng L AB  n1.  n2.  n3. co 1 2 3 an th ng I J o du A n2 B n1 n3 u cu Quang lộ qua ba môi trường 5 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Trường hợp môi trường không đồng nhất về phương diện quang học Khi đó ánh sáng truyền từ điểm A sang điểm B sẽ bị khúc xạ om liên tục. .c Ánh sáng sẽ truyền theo đường cong nào đó. ng Trên mỗi đoạn đường nguyên tố ta có: co Vậy trên đoạn đường AB quang lộ của tia sáng sẽ là: an th B B B B dl ng c L AB   ndl   dl  c   c  d  c o (n) v v du A A A A d u B cu L AB  c A 6 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
2. Mặt sóng hình học Mặt sóng hình học của một chùm tia là tập hợp những điểm mà ánh sáng của chùm tia đó truyền đến ở cùng một thời điểm om Giả sử ở thời điểm t, ánh sáng truyền đến một mặt (t) nào đó và ở thời .c điểm t’= t +  ánh sáng truyền tới mặt (t’). Khoảng thời gian để các tia ng sáng truyền đi giữa cùng hai mặt sóng hình học (t) và (t’) bằng nhau co Nếu nguồn sáng điểm ở gần, các mặt sóng hình học sẽ là những an mặt cầu có tâm tại nguồn sáng. Nếu nguồn sáng ở rất xa, các mặt cầu này sẽ trở thành những mặt phẳng. th o ng a) t’= t + b) du N M M N u cu M1 N1 M1 N1 a) Sóng cầu S M2 M2 N2 b) Sóng phẳng N2 (t) (t’) (t) (t’) 7 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
3. Định lý Malus Phát biểu: Quang lộ của các tia sáng giữa hai mặt sóng hình học đều bằng nhau. om .c a) t’= t + b) ng N M M N co M1 N1 M1 N1 an S th M2 ng M2 N2 N2 (t) o (t’) (t) (t’) du u cu L M1N1  L1  c    L1 = L2 L M 2 N 2  L 2  c 8 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
4. Phương trình sóng ánh sáng đơn sắc Giả sử tại điểm O (nguồn sáng) dao động sáng om thay đổi theo thời gian theo qui luật hình sin .c với a và  lần lượt là biên độ và tần số góc của ng sóng ánh sáng. Phương trình sóng ánh sáng tại co O ở thời điểm t có thể viết: an th ng x d o du O M z u t– t cu x(0, t)  a cos t 9 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Ph trình sóng AS tại O ở thời điểm t: x(0, t)  a cos t Xét điểm M bất kỳ trên trục z và cách O một khoảng d, gọi  là thời gian ánh sáng truyền từ O đến M. Khi đó: om Dao động sóng ánh sáng tại điểm M thời điểm t giống .c hệt dao động sáng tại O vào thời điểm (t ) và ta có thể ng thiết lập phương trình sóng sáng này tại M như sau: co an x(M,t) = x(O, t  ) x(O, t  ) = acos(t  ) th ng 2  t  x(M, t)  a cos (t  )  a cos 2    o T T du T x u mà L = c. cu d  t L O M z x(M, t)  a cos 2    t– t T  10 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
8.1.3. Nguyên lý Huyghens về sự lan truyền của sóng ánh sáng Bất kì một điểm nào mà as S1 om truyền đến đều trở thành .c nguồn sáng thứ cấp, phát S ng sóng cầu về phía trước nó. S co 2 an 8.2. SỰ GIAO THOA AS – NGUỒN KẾT HỢP th o ng 8.2.1. Nguyên lý chồng chất du Tại điểm gặp nhau cường độ điện trường tổng hợp u cu E do hai điện trường E1 và E 2 tạo nên: E  E1  E 2 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
8.2.2. Tổng hợp hai dao động cùng tần số, cùng phương x1 = a1cos(t + 1) x2 = a2cos (t + 2) om x = x1 + x2 = a1cos(t + 1) + a2cos (t + 2) .c ng (a1, a2 là các biên độ dao động, 1 và 2 là các pha ban đầu ) co x = acos(t + ) an th ng Biên độ a và pha ban đầu  được xác định: o du 12 a  a  a  2a1a 2 cos(1  2 ) 2 2 2 u cu 1 2 a1 sin 1  a 2 sin 2 tg  a1 cos 1  a 2 cos  2 12 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
8.2.3. HTGT - Dao động kết hợp, không kết hợp a  a  a  2a1a 2 cos(1  2 ) 2 2 1 2 2 om Do cường độ tỉ lệ với bình phương biên độ cho nên có .c thể viết cho cường độ như sau: ng I  I1  I 2  2 I1I 2 cos(1  2 ) co an Thực tế các máy thu ánh sáng (kể cả mắt) chỉ có thể ghi th ng nhận được giá trị trung bình của cường độ trong thời o gian quan sát t. Lấy trung bình biểu thức trên theo t. du u cu I  I1  I 2  2 I1I 2 cos(1  2 ) Vì a1 và a2 không phụ thuộc vào thời gian nên: 13 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
I  I1  I 2  2 I1I 2 .cos(1  2 ) Theo định nghĩa về giá trị trung bình: om t 1 cos(1  2 )   cos(1  2 )dt .c t0 ng t co 1 I  I1  I 2  2 I1I 2 .  cos(1  2 )dt an t0 th Ta xét hai trường hợp đặc biệt sau đây: o ng a) (1 – 2) = hằng số du u I  I1  I 2  2 I1I 2 . cos(1   2 )  I1  I 2 cu Cường độ tổng hợp không bằng tổng cường độ của các dao động thành phần mà có thể lớn hơn hay bé hơn tổng đó tùy thuộc vào hiệu số pha ban đầu (1– 2) của chúng. CuuDuongThanCong.com 14 https://fb.com/tailieudientucntt
b) Hiệu số pha ban đầu (1 – 2) thay đổi một cách hỗn loạn theo thời gian. cos(1  2 )  0 I  I1  I 2 om .c Trường hợp này cường độ sáng tổng hợp bằng ng tổng cường độ sáng cuả các dao động thành co phần, tức là không xảy ra hiện tượng giao thoa. an th Các dao động này là dao động không kết hợp o ng du Vậy, muốn quan sát được HTGT ánh sáng thì các u sóng giao thoa với nhau phải là các sóng kết hợp cu (cùng chu kỳ và hiệu số pha không thay đổi theo thời gian: (1 – 2) = hằng số) và dao động của chúng phải thực hiện cùng phương. 15 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
8.2.4. Điều kiện CĐ, CT giao thoa ánh sáng Gọi M là điểm trên màn E mà tại đó hai sóng ánh sáng chồng chất lên nhau M om S1 x t L1 x1  a1 cos 2(  ) .c O T  ng S2 co t L2 E x 2  a 2 cos 2(  )  an T th x(M,t) là dao động sóng sáng tổng hợp tại M và nó có dạng: ng x  a cos(t  ) o du u cu Ta có: a 2  a1  a 2  2a1a 2 cos(1  2 ) 2 2 L 2  L1 L 1  2  2  2   16 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Điều kiện cực đại của giao thoa: a  a  a  2a1a 2 cos(1  2 ) 2 2 1 2 2 cos(1  2 ) = 1 1  2  2k (k = 0,  1,  2, …) om .c a 2  a 1  a 2  2a 1a 2  (a 1  a 2 ) 2 2 (lớn nhất) ng 2 co Vậy, điều kiện CĐGT: 1  2  2k an th 2 sóng gặp nhau đồng pha với nhau và cường độ tổng hợp: ng I max  I1  I 2  2 I1I 2 o du u L cu (theo trước) 1  2  2 L  L 2  L1  k  PB: Những điểm sáng là những điểm mà tại đó hiệu quang lộ của hai tia sáng bằng số nguyên lần bước sóng. CuuDuongThanCong.com 17 https://fb.com/tailieudientucntt
Điều kiện cực tiểu của giao thoa: a  a  a  2a1a 2 cos(1  2 ) 2 2 1 2 2 cos(1  2 ) = -1 1  2  (2k  1) (k = 0,  1,  2, …) om .c a 2  a 1  a 2  2a 1a 2  (a 1  a 2 ) 2 2 (nhỏ nhất) ng 2 co Vậy, điều kiện CTGT: 1  2  (2k  1) an th 2 sóng gặp nhau ngược pha với nhau và cường độ tổng hợp: ng I max  I1  I 2  2 I1I 2 o du u L  1 cu 1  2  2 L  L 2  L1  (2k  1)  (k  )  2 2 PB: Những điểm tối là những điểm mà tại đó hiệu quang lộ của hai tia sáng bằng số lẻ lần nửa bước sóng. CuuDuongThanCong.com 18 https://fb.com/tailieudientucntt
CÁCH TẠO RA HAI NGUỒN KẾT HỢP a) Khe Young om Vùng .c GT ng S1 co an th O S ng S2 o du P u cu D E 19 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
b) Gương Fresnel  2.SI.sin  om S Maøn chaén .c G1 ng Vùng co  GT an S1 th ng  o du O S2 I u cu G2 D E 20 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt