Khóa luận tốt nghiệp: Hệ thống câu hỏi và bài tập trắc nghiệm phần giao thoa ánh sáng

Chia sẻ: Huyền Thanh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:49

Thêm vào BST

Báo xấu

61
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Quang học là một trong những nội dung quan trọng của vật lý đại cương, nghiên cứu về bản chất của ánh sáng, về sự lan truyền và tương tác của ánh sáng với các môi trường mà nó đi qua. Các nghiên cứu về ánh sáng đã chứng tỏ rằng, ánh sáng có lưỡng tính sóng - hạt. Cùng với hiện tượng nhiễu xạ, phân cực ánh sáng thì hiện tượng giao thoa ánh sáng là một bằng chứng quan trọng chứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng. Chính vì vậy, việc tìm hiểu về hiện tượng giao thoa ánh sáng việc làm có ý nghĩa khoa học. Khóa luận này sẽ sưu tầm, xây dựng hệ thống câu hỏi và bài tập trắc nghiệm (có đáp án) phần giao thoa ánh sáng.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Khóa luận tốt nghiệp: Hệ thống câu hỏi và bài tập trắc nghiệm phần giao thoa ánh sáng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐẠI SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÍ  PHẠM THỊ HƯƠNG HỆ THỐNG CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP TRẮC NGHIỆM PHẦN GIAO THOA ÁNH SÁNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Vật lí đại cương HÀ NỘI- 2018
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐẠI SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÍ  PHẠM THỊ HƯƠNG HỆ THỐNG CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP TRẮC NGHIỆM PHẦN GIAO THOA ÁNH SÁNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Vật lí đại cương Người hướng dẫn khoa học: TS. Phan Thị Thanh Hồng HÀ NỘI- 2018
LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, BCN Khoa Vật lí - Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã tận tình giúp đỡ em trong quá trình học tập tại trường và tạo điều kiện cho em thực hiện tốt khóa luận tốt nghiệp. Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới cô giáo - TS. Phan Thị Thanh Hồng đã tận tình hướng dẫn, động viên, giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Trong quá trình nghiên cứu không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế. Kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 16 tháng 5 năm 2018 Sinh viên Phạm Thị Hương
LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của em dưới sự hướng dẫn của TS. Phan Thị Thanh Hồng. Trong quá trình thực hiện đề tài em có tham khảo một số tài liệu đã được ghi trong mục Tài liệu tham khảo. Hà Nội, ngày 16 tháng 5 năm 2018 Sinh viên Phạm Thị Hương
MỤC LỤC MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1 1. Lí do chọn đề tài ............................................................................. 1 2. Mục đích nghiên cứu của đề tài ...................................................... 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................. 2 4. Nhiệm vụ nghiên cứu ...................................................................... 2 5. Phương pháp nghiên cứu ................................................................ 2 6. Đóng góp của đề tài ........................................................................ 2 7. Bố cục của khóa luận ...................................................................... 2 NỘI DUNG ................................................................................................... 3 CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................. 3 1.1. Sự giao thoa ánh sáng .................................................................. 3 1.1.1. Khái niệm giao thoa ánh sáng ............................................. 3 1.1.2. Điều kiện để có giao thoa ánh sáng .................................... 3 1.2. Giao thoa với nguồn sáng điểm. Vân giao thoa không định xứ .. 3 1.2.1. Giao thoa ánh sáng qua khe Y-âng ..................................... 3 1.2.2. Giao thoa cho bởi lưỡng gương Fresnel ............................. 5 1.2.3. Giao thoa cho bởi lưỡng lăng kính Fresnel ........................ 6 1.2.4. Giao thoa với lưỡng thấu kính Bi-ê .................................... 7 1.3. Giao thoa với nguồn sáng rộng. Vân giao thoa định xứ .............. 8 1.3.1. Bản mỏng có độ dày không đổi. Vân cùng độ nghiêng...... 8 1.3.2. Bản mỏng có độ dày thay đổi. Vân cùng độ dày ................ 9 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1............................................................................ 12 CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP TRẮC NGHIỆM .... 13 2.1. Giao thoa với nguồn sáng điểm. Vân giao thoa không định xứ 13 2.1.1. Giao thoa với ánh sáng đơn sắc ........................................ 13 2.1.2. Giao thoa với ánh sáng đa sắc........................................... 22 2.2. Giao thoa với nguồn sáng rộng. Vân giao thoa định xứ ............ 29
2.2.1. Bản mỏng có độ dày không đổi ........................................ 29 2.2.2. Bản mỏng có độ dày thay đổi ........................................... 30 ĐÁP ÁN VÀ HƯỚNG DẪN GIẢI ............................................................ 32 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2............................................................................ 41 KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................. 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................... 43
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Nghị quyết số 29 - NQ/TW, Hội nghị Trung ương 8 khóa XI về đổi mới căn bản, toàn diện giáo dục và đào tạo. Theo đó, cần phải đổi mới về mục tiêu chương trình, nội dung giáo dục, phương pháp dạy học và đặc biệt là phương pháp kiểm tra đánh giá kết quả học tập của người học. Kiểm tra đánh giá là một hoạt động thường xuyên, có vai trò hết sức quan trọng trong qúa trình dạy học. Bởi lẽ, việc kiểm tra đánh giá có hệ thống và thường xuyên sẽ cung cấp kịp thời những thông tin cần thiết giúp học sinh tự điều chỉnh hoạt động học đồng thời giúp giáo viên có những thông tin phản hồi để điều chỉnh, hoàn thiện qúa trình dạy học. Trong quá trình học các môn học ở bậc đại học, tôi nhận thấy việc củng cố, ôn luyện kiến thức, kiểm tra và thi kết thúc học phần chủ yếu thông qua các câu hỏi và bài tập tự luận. Đây là cách làm truyền thống có nhiều ưu điểm, song cũng bộc lộ không ít hạn chế. Vì vậy, việc kết hợp nhiều phương thức ôn luyện cũng như kiểm tra đánh giá kết quả của người học là điều rất cần thiết, nhằm thực hiện thắng lợi nghị quyết 29 của Đảng. Quang học là một trong những nội dung quan trọng của vật lý đại cương, nghiên cứu về bản chất của ánh sáng, về sự lan truyền và tương tác của ánh sáng với các môi trường mà nó đi qua. Các nghiên cứu về ánh sáng đã chứng tỏ rằng, ánh sáng có lưỡng tính sóng - hạt. Cùng với hiện tượng nhiễu xạ, phân cực ánh sáng thì hiện tượng giao thoa ánh sáng là một bằng chứng quan trọng chứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng. Chính vì vậy, việc tìm hiểu về hiện tượng giao thoa ánh sáng việc làm có ý nghĩa khoa học. Xuất phát từ những lí do như đã trình bày ở trên, nên chúng tôi chọn đề tài “Hệ thống câu hỏi và bài tập trắc nghiệm phần giao thoa ánh sáng” làm đề tài nghiên cứu. 1
2. Mục đích nghiên cứu Sưu tầm, xây dựng hệ thống câu hỏi và bài tập trắc nghiệm (có đáp án) phần giao thoa ánh sáng. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Hiện tượng giao thoa ánh sáng. - Phạm vi nghiên cứu: Phần “Giao thoa ánh sáng” trong chương trình Vật lý đại cương. 4. Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu các tài liệu về giao thoa ánh sáng. - Sưu tầm, xây dựng hệ thống câu hỏi và bài tập trắc nghiệm khách quan (có đáp án) cho phần giao thoa ánh sáng. 5. Phương pháp nghiên cứu - Tìm, đọc, nghiên cứu tài liệu về giao thoa ánh sáng. - Xây dựng thêm các câu hỏi và bài tập trắc nghiệm giao thoa ánh sáng. - Tổng hợp các kiến thức thu được để viết khóa luận. 6. Đóng góp của đề tài Sưu tầm, xây dựng một cách có hệ thống các câu hỏi và bài tập nghiệm (có đáp án) phần “Giao thoa ánh sáng” trong chương trình vật lý đại cương. 7. Bố cục của khóa luận Ngoài phần mở đầu, kết luận và danh mục tài liệu tham khảo, cấu trúc của khóa luận gồm 2 chương: - Chương 1: Hiện tượng giao thoa ánh sáng - Chương 2: Hệ thống câu hỏi và bài tập trắc nghiệm 2
NỘI DUNG CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1. Sự giao thoa ánh sáng 1.1.1. Khái niệm giao thoa ánh sáng Hiện tượng hai hay nhiều sóng ánh sáng gặp nhau tạo nên trong không gian những dải sáng và tối xen kẽ nhau gọi là hiện tượng giao thoa ánh sáng. Miền không gian có sự giao thoa ánh sáng được gọi là trường giao thoa. 1.1.2. Điều kiện để có giao thoa ánh sáng Điều kiện cần và đủ để có giao thoa ánh sáng là các sóng ánh sáng phải là sóng kết hợp có cùng tần số và hiệu quang trình của chúng phải nhỏ hơn độ dài kết hợp. Để tạo ra hai sóng kết hợp từ các nguồn sáng thông thường ta phải tách ánh sáng phát ra từ cùng một nguồn thành hai sóng rồi cho chúng truyền theo hai con đường khác nhau và sau đó cho chúng gặp lại nhau. 1.2. Giao thoa với nguồn sáng điểm. Vân giao thoa không định xứ. 1.2.1. Giao thoa ánh sáng qua khe Y-âng (Hình 1.1) E S1 P S S2 Hình 1.1 Nguồn sáng điểm S chiếu vào hai lỗ tròn nhỏ S1, S2 được đục trên một màn chắn sáng P. S1, S2 cách đều nguồn sáng S và cả 3 cùng nằm trên một mặt phẳng. 3
Hiện tượng giao thoa: S1, S2 được sinh ra từ cùng một nguồn S nên đó là hai nguồn sáng kết hợp. Sóng ánh sáng do 2 nguồn S1, S2 phát ra khi gặp nhau sẽ giao thoa với nhau. Đặt màn E sau P và song song với P ở trong trường gioa thoa ta sẽ thu được hình ảnh giao thoa. - Giao thoa với ánh sáng đơn sắc: + Khoảng vân là khoảng cách giữa hai vân sáng liên tiếp hoặc hai vân D tối liên tiếp: i  (1.1) a + Vị trí vân sáng là khoảng cách từ vân sáng đến vân trung tâm: D xS  k k  ki k=0;±1;±2… (1.2) a + Vị trí vân tối là khoảng cách từ vân tối đến vân trung tâm: 1 D 1 x t  (k  k )  ( k  )i k=0;±1;±2… (1.3) 2 a 2 + Công thức xác định số vân trên trường giao thoa:  Số vân sáng là số giá trị nguyên của k thỏa mãn bất phương xM xN trình:  k  (1.4) i i Với xM, xN là khoảng cách từ M đến O và từ N đến O, xM  xN .  Số vân tối là số giá trị nguyên của k thỏa mãn bất phương trình: xM 1 xN  k   (1.5) i 2 2 - Giao thoa với ánh sáng đa sắc: + Khi hai vân sáng của bức xạ λ1 trùng với vân sáng của bức xạ λ2: k1 i2 2 x S 1  x S 2  k 1 i1  k 2 i 2    (1.6) k2 i1 1 4
+ Khi hai vân tối của bức xạ λ1 trùng với vân tối của bức xạ λ2: 1 k1  x t1  x t 2  ( k1  1 ) i1  ( k 2  1 ) i2  2  i2   2 (1.7) 2 2 1 i1 1 k2  2 + Khi vân sáng của bức xạ λ1 trùng với vân tối của bức xạ λ2: 1 k1 i2 2 k 1 i1  ( k 2  ) i2    (1.8) 2 1 i1 1 k2  2 - Giao thoa với ánh sáng trắng: kD  xk  x đ  xt  ( đ  t ) k k Bề rộng quang phổ bậc k: (1.9) a 1.2.2. Giao thoa cho bởi lưỡng gương Fresnel (Hình 1.2) Hình 1.2 - Lưỡng gương Fresnel là một hệ hai gương phẳng đặt lệch nhau một góc α rất bé. - S1, S2 là ảnh ảo của S cho bởi hai gương. - Các công thức: D  (d  r ) + Khoảng vân: i  (1.10) a a 5
Với d là khoảng cách từ lưỡng gương tới mà và r là khoảng cách từ nguồn S tới lưỡng gương. + Khoảng cách giữa hai ảnh S1, S2: a  S 1 S 2  2 r ta n   2 r s in   2 r  (1.11) + Khoảng cách từ màn E đến mặt phẳng chứa S1S2: D  d  r cos   d  r (1.12) + Độ rộng của miền giao thoa: L  2d (1.13) 1.2.3. Giao thoa cho bởi lưỡng lăng kính Fresnel (Hình 1.3) A Hình 1.3 - Các công thức: D + Khoảng vân: i (1.14) a + Khoảng cách giữa hai ảnh S1 và S2: a  2 D 0 A ( n  1) (1.15) + Khoảng cách từ màn E đến hai ảnh S1, S2: D  D0  D0 ' (1.16) aD0 ' + Bề rộng vùng giao thoa: L  (1.17) D0 Trong đó: 6
D0: khoảng cách từ nguồn S đến lưỡng lăng kính. D0’: khoảng cách từ lưỡng lăng kính đến màn. A: góc chiết quang của lăng kính, n là chiết suất của lăng kính. 1.2.4. Giao thoa với lưỡng thấu kính Bi-ê. (Hình 1.4) Hình 1.4 - Các công thức: D + Khoảng vân: i (1.18) a 1 1 1 df +    d ' (1.19) f d d ' d  f a d  d' d  d' +   a  e. (1.20) e d d + D  D0  d ' (1.21) Trong đó: e là khoảng cách giữa hai nửa thấu kính. d là khoảng cách từ nguồn tới thấu kính. d’ là khoảng cách từ hai ảnh S1 và S2 tới thấu kính. 7
1.3. Giao thoa với nguồn sáng rộng. Vân định xứ 1.3.1. Bản mỏng có độ dày không đổi. Vân cùng độ nghiêng a. Sự định xứ của vân Xét một bản mỏng hai mặt song song có cùng độ dày d, chiết suất n đặt trong không khí. Tia sáng SA từ nguồn sáng rộng S gửi đến điểm A trên mặt bảng cho các tia phản xạ và khúc xạ (Hình 1.5). Hình 1.5 Hai tia AR1 và CR2 được sinh ra từ cùng một tia SA nên chúng là hai tia kết hợp, khi gặp nhau sẽ giao thoa với nhau. Do chúng đi song song với nhau nên ta sẽ quan sát được vân giao thoa ở vô cực→ ta nói vân giao thoa định xứ ở vô cực. Xét với các tia sáng ở mặt phía trên ta có hiệu quang trình:     2 nd cos r   2d n  s in i  2 2 . (1.22) 2 2 b. Hình dạng vân giao thoa Đặt một TKHT L song song với bản mỏng để chiếu vân giao thoa ở vô cực lên màn (E) đặt tại mặt phẳng tiêu của thấu kính thì ta quan sát được trên màn (E) những vân tròn đồng tâm sáng và tối xen kẽ nhau, có tâm là tiêu điểm F’ của thấu kính: 8
+ Vòng tròn sáng ứng với các tia sáng tới bản dưới góc tới i sao cho ∆=kλ (1.23) + Vòng tròn tối ứng với các tia sáng tới bản dưới góc tới i sao cho  ∆=(2k+1) (1.24) 2 Vân giao thoa được tạo nên do các tia sáng tới bản dưới cùng một góc tới (góc nghiêng) i nên được gọi là vân giao thoa cùng độ nghiêng. 1.3.2. Bản mỏng có độ dày thay đổi. Vân cùng độ dày a. Sự định xứ của vân (Hình 1.6) Xét một bản mỏng có chiết suất n, hai mặt làm với nhau một góc α rất bé đặt trong không khí. Một điểm S từ nguồn gửi tới điểm C hai tia: + Tia SC gửi trực tiếp. + Tia SABC gửi tới sau khi khúc xạ ở A và phản xạ ở B. Hình 1.6 Hai tia SABCR2 và SCR1 là hai tia kết hợp, chúng gặp nhau và giao thoa với nhau tại điểm C → ta nói vân giao thoa định xứ ngay trên mặt bản.     2 nd cos r   2d n  s in i  2 2 Hiệu quang trình: (1.25) 2 2 b. Hình dạng vân giao thoa Vì khẩu độ của kính (đường kính con ngươi của mắt) là khá nhỏ và nguồn sáng S lại ở rất xa nên góc tới i chỉ thay đổi trong một giới hạn nhỏ (coi như không đổi). 9
∆ chỉ còn phụ thuộc vào d, những điểm trên mặt bản có cùng độ dày d sẽ có ∆ như nhau: + Nếu ∆=kλ → sẽ thuộc vân sáng.  + Nếu   ( 2 k  1) → sẽ thuộc vân tối. 2 → Vân giao thoa là quỹ tích của những điểm trên mặt bản có cùng độ dày d nên được gọi là vân cùng độ dày. Hình ảnh vân giao thoa là những đoạn thẳng song song sáng và tối xen kẽ nhau. c. Thí dụ về vân có cùng độ dày  Nêm không khí ( Hình 1.7) Hình 1.7 Là lớp không khí mỏng nằm giữa hai bản thủy tinh đặt nghiêng một góc α rất nhỏ.  Hiệu quang trình:   2d  (1.26) 2  Vị trí vân sáng: ∆=kλ → d= ( 2 k  1) với k = 1,2,3... (1.27) 4   Vị trí vân tối:   ( 2 k  1) → d  k với k = 0,1,2... (1.26) 2 2 Với d là độ dày của nêm không khí. 10
 Vân tròn Niutơn (Hình 1.8) Hình 1.8 Lớp không khí mỏng nằm giữa mặt phẳng của bản thủy tinh và mặt cong của thấu kính phẳng lồi L cho ta một bản mỏng có độ dày thay đổi. Chiếu một chùm tia sáng đơn sắc song song và vuông góc với mặt phẳng thấu kính thì tại mặt cong của thấu kính ta sẽ quan sát được vân giao thoa là những vòng tròn đồng tâm sáng và tối xen kẽ nhau. Bán kính vân sáng/vân tối: + Bán kính vân sáng: 1 rk  (k  )R với k = 1,2… (1.27) 2 + Bán kính vân tối: rk  kR  với k = 0,1,2…. (1.28) Với R là bán kính chính khúc của thấu kính. 11
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 Trong chương 1, em đã hệ thống lại cơ sở lý thuyết về giao thoa ánh sáng. Trong đó, những vấn đề chính là: - Giao thoa ánh sáng và điều kiện để xảy ra hiện tượng giao thoa ánh sáng. - Các phương pháp giao thoa với nguồn sáng điểm và nguồn sáng rộng. Tất cả những điều được trình bày ở trên đều được vận dụng để xây dựng nên hệ thống câu hỏi trắc nghiệm phần giao thoa ánh sáng. 12
CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP TRẮC NGHIỆM 2.1. Giao thoa với nguồn sáng điểm. Vân giao thoa không định xứ 2.1.1. Giao thoa với ánh sáng đơn sắc Câu 1: Công thức tính khoảng vân i trong thí nghiệm Y-âng là D a aD a A. i  B. i  C. i  D. i  a D  D Câu 2: Khi giảm khoảng cách giữa hai khe Y-âng đi 100 lần thì khoảng vân A. không thay đổi B. giảm 100 lần C. tăng 50 lần D. tăng 100 lần Câu 3: Tăng khoảng cách giữa 2 khe I-âng lên 20 lần , tăng khoảng cách từ khe đến màn quan sát lên 20 lần thì khoảng cách từ vân trung tâm đến vân sáng bậc 2 là A. tăng 20 lần B. giảm 40 lần C. tăng 20 lần D. không thay đổi Câu 4: Thí nghiệm nào có thể dùng để đo bước sóng ánh sáng? A. Thí nghiệm tán sắc ánh sáng của Niu- tơn B. Thí nghiệm tổng hợp ánh sáng trắng C. Thí nghiệm giao thoa ánh sáng với khe Y- âng D. Thí nghiệm về ánh sáng đơn sắc. Câu 5: Trong giao thoa ánh sáng đơn sắc, khoảng cách từ vân tối thứ 5 đến vân sáng bậc 2 (ở hai bên vân sáng trung tâm) tính theo khoảng vân i là A. 2,5i B. 6,5i C. 7,5i D. 6i Câu 6: Khoảng vân trong thí nghiệm Y-âng A. giảm nếu tăng khoảng cách từ khe tới màn B. tăng nếu giảm khoảng cách giữa 2 khe C. giảm nếu bước sóng ánh sáng tăng D. luôn không đổi 13
Câu 7: Trong thí nghiệm giao thoa ánh sáng của Y-âng, ánh sáng đơn sắc có bước sóng λ = 0,42.10-6m. Khi thay ánh sáng khác có bước sóng λ’ thì khoảng vân tăng 1,5 lần. Bước sóng λ’ là A. 0,42μm B. 0,63μm C. 0,36μm D. 0,24μm Câu 8: Trong thí nghiệm Y-âng, khoảng cách giữa hai khe là 0,5mm, khoảng cách từ hai khe đến màn là 2m, ánh sáng dùng trong thí nghiệm có bước sóng   0,5  m . Xét hai điểm M và N đối xứng với vân trung tâm trên màn cách nhau 12mm. Kết luận nào sau đây là đúng? A. Tại M là vân sáng, tại N là vân sáng B. Tại M là vân sáng, tại N là vân tối C. Tại M là vân tối, tại N là vân sáng D. Tại M là vân tối, tại N là vân tối. Câu 9: Một nguồn sáng đơn sắc có λ = 0,6µm chiếu vào mặt phẳng chứa hai khe hẹp, hai khe cách nhau 1mm. Màn ảnh cách màn chứa hai khe là 1m. Khoảng cách gần nhất giữa hai vân tối là A. 0,3mm B. 0,5mm C. 0,6mm D. 0,7mm Câu 10: Khoảng cách từ vân sáng thứ 6 đến vân tối thứ 9 ở cùng một bên vân sáng trung tâm là A. 2,5i B. 4,5i C. 3,5i D. 5,5i Câu 11: Hai nguồn kết hợp cùng pha S1 và S2 được coi là các nguồn sáng điểm, đặt cách nhau một khoảng a  2mm phát ra ánh sáng có bước sóng λ = 0,5μm như hình vẽ. Màn quan sát cách hai nguồn một khoảng D=2m. Kết luận nào sau đây là đúng? A. A là vân sáng bậc 1 B. A là vân sáng bậc 2 C. A là vân tối thứ 2 D. A là vân tối thứ nhất 14