Bài giảng Giao thoa sóng ánh sáng

GIAO THOA ÁNH SÁNG


Ánh sáng là sóng điện từ nghĩa là một trường điện từ
biến thiên truyền trong không gian. Thực nghiệm
chứng tỏ rằng chỉ có thành phần điện trường khi tác

dụng vào mắt mới gây cảm giác sáng  dao động của
vectơ E gọi là dao động sáng


Nguyên lý chồng chất
Hai sóng có cường độ điện trường E1 E2 gặp nhau tại
một điểm trong không gian. Các sóng đó khơng làm
nhiễu loạn nhau. Sau khi gặp nhau, các sóng truyền đi
như khi chúng truyền đi riêng rẽ. Tại điểm gặp nhau
cường độ điện trường tổng hợp

 

E  E1  E2

Nguyên lí chồng chất chỉ đúng đối với các sóng ánh sáng
có cường độ yếu (ánh sáng do các nguồn sáng thông
thường phát ra).


Sự chồng chất các sóng cùng tần số
Tại 1 thời điểm trong khơng gian có sự chồng chất của
hai sóng có cùng tần số
s1 = a1 sin ( t + 1)

s2 = a2 sin ( t + 2)
Theo nguyên lý chồng chất ta có
S = s1 + s2 = a1 sin ( t + 1) + a2 sin ( t + 2)
= a sin ( t + )
Phương trình sóng tổng hợp có cùng dạng với phương
trình sóng của từng sóng tới, cùng tần số .
Biên độ a2 = a12 + a22 + a1 a2 cos (2 - 1)
a1sinα1  a 2sinα 2
Góc pha
tg 
a1cosα1  a 2cosα 2


Nguyên lý Huyghen
Mọi điểm trên mặt sóng
đều dùng làm nguồn

điểm của các sóng cầu
thứ cấp. Sau thời gian t,
vị trí mới của mặt sóng

là bao hình của tất cả các
sóng thứ cấp trên.
Bất kỳ một điểm nào nhận được sóng ánh sáng truyền
đến đều trở thành nguồn sáng thứ cấp phát sóng ánh
sáng về phía trước nó


Quang lộ L
Xét hai điểm A, B trong môi trường đồng tính chiết suất

n, cách nhau 1 đoạn d
Thời gian ánh sáng đi từ A  B

d
t
v

v : vận tốc ánh sáng trong môi trường

Quang lộ giữa hai điểm A, B là đoạn đường ánh sáng
truyền được trong chân không trong khoảng thời gian
t, t là khoảng thời gian ánh sáng đi đoạn đường AB

trong môi trường

L  ct

c
n
v

L  nd


Định lý Malus
Là dạng phát biểu tương
đương định luật Đềcac

Quang lộ của các tia sáng

n1

giữa hai mặt trực giao của

n2

một chùm sáng bằng nhau.
Mặt trực giao là mặt vng
góc với các tia sáng.

L1  A1I1B1  n1A1I1  n 2 I1B1
L2  A2 I 2 B2  n1A2 I 2  n 2 I 2 B2

L1  L 2


Hàm sóng ánh sáng
Tương tự hàm sóng trong dao động cơ

2π 

x  Acos  ω t 
L
λ 

Cường độ sáng

 pha ban đầu của dao động sóng

Cường độ sáng tại một điểm là đại lượng có trị số bằng

năng lượng truyền qua 1 đơn vị diện tích đặt vng góc
với phương truyền sáng trong 1 đơn vị thời gian
tỉ lệ với bình phương


1
1  o 2
2
o
I
Eo I 
biên độ dao động sáng
Ho
2  o
2  o
tại điểm đó


Cách tạo hai sóng kết hợp
Hiện tượng giao thoa là hiện tượng chồng chất của 2

(hay nhiều sóng) ánh sáng thỏa nguyên lý chồng chất.
Kết quả là trong trường giao thoa xuất hiện những
miền sáng, miền tối.
Tương tự sóng cơ, chỉ có sóng kết hợp mới tạo hiện
tượng giao thoa
Xét ánh sáng phát ra từ hai nguồn riêng biệt. Tại một
điểm sẽ nhận được sóng do 2 nguồn gởi tới, mỗi sóng

sẽ có 1 pha nào đó, hiệu pha thay đổi  sóng do hai

nguồn riêng biệt phát ra là 2 sóng khơng kết hợp.


Cách tạo hai sóng kết hợp
Tách sóng phát ra từ 1 nguồn duy nhất thành 2 sóng

sau đó cho chúng gặp nhau  hiệu pha 2 sóng khơng
phụ thuộc thời gian  2 sóng kết hợp.
Nguyên tắc tạo 2 sóng kết hợp là từ 1 nguồn sóng duy
nhất tách ra thành 2 sóng riêng biệt


Khe Young


Gương Fresnel

Hai
gương
phẳng G1, G2
đặt
nghiêng
nhau góc  nhỏ.
Nguồn S đặt
trước hai gương
sẽ cho 2 ảnh ảo
S1, S2  2 nguồn
kết hợp.

G2

G1


Gương Lloyd
Dụng cụ gồm 1 tấm thủy tinh mặt sau bôi đen. Nguồn
đơn sắc S đặt trên gương. Hai nguồn kết hợp: 1 thực

(S), 1 ảo (S1)
P
S

S1



Mirror


Tách sóng phát ra từ 1 nguồn duy nhất thành 2
sóng (2 sóng đó có thể là ảnh ảo hoặc ảnh thật của
1 nguồn), sau đó cho chúng gặp nhau  hiệu pha
2 sóng khơng phụ thuộc thời gian  2 sóng kết
hợp.


2π L1
λ
2π L 2
λ

Giả sử pha ban đầu 1 = 2 = 0


n

L= n r

n

π

I  4E o cos  L 2  L1 
λ

2

2


π

I  4E o cos  L 2  L1 
λ

2

Cực đại giao thoa

π
L 2  L1   k π

λ

L2  L1  k λ

2

k = 0, 1, 2, … bậc giao thoa

I  I max  4E o

2

Cực tiểu giao thoa

π
π
L2  L1   2k  1
λ
2

λ
L 2  L1  2k  1
2

k = 0, 1, 2, …

I  I min  0


Cực đại giao thoa

L2  L1  k λ

Cực tiểu giao thoa

1

L 2  L1   k   λ
2


Khi chuyển từ điểm Mk ứng với cực đại (cực tiểu) bậc
k sang bậc (k+1) thì hiệu quang lộ của các tia từ hai
nguồn kết hợp đến điểm đó thay đổi 1 giá trị bằng

bước sóng.


Hình dạng và vị trí vân giao thoa
Hình dạng vân giao thoa là các đoạn
thẳng song song cách đều nhau

x

a
a
D


Cực đại giao thoa – vị trí vân sáng

L2  L1  k λ

λD
xs  k
na

x
n r2  r1   k λ  a
D

L= n r

k = 0, 1, 2, … bậc giao thoa

 bước sóng ánh sáng trong mơi
trường chiết suất n

Cực tiểu giao thoa – vị trí vân tối
λ
L 2  L1  2k  1
2

1λD

xt   k  
2  na


1

x

n r2  r1    k  λ  a
2
D

Khoảng vân i: khoảng cách giữa i  x  x  λ D
s k 1
sk
hai vân sáng (vân tối) liên tiếp

na


Kết luận
Hiện tượng giao thoa ánh sáng là bằng chứng thực
nghiệm quan trọng khẳng định ánh sáng có tính chất

sóng


Nếu dùng ánh sáng trắng rọi vào 2 khe  thu được ảnh

giao thoa như ở hình. Các nguồn sáng trắng chứa các
sóng với tần số khác nhau vẫn cho hình ảnh giao thoa vì
các thành phần có cùng tần số giao thoa với nhau ( tia
đỏ với tia đỏ, tia xanh với tia xanh ... ).
k= 0

1

2

3

4

Hệ vân tím
Hệ vân đỏ

Ánh sáng trắng
Vân màu

5


Hiện tượng giao thoa do phản xạ
Điểm P sẽ sáng nếu thỏa điều kiện cực đại giao thoa, tối
nếu thỏa điều kiện cực tiểu giao thoa

L2  L1  k λ
1

L 2  L1   k   λ
2



Thực nghiệm xác nhận
tại những điểm mà lý

thuyết dự đoán là sáng
thì thực tế là tối, (và
ngược lại)  thừa nhận
hiệu pha thay đổi một

lượng là .
Tia tới trực tiếp từ S khơng có gì thay đổi, chỉ khi
phản xạ trên mặt gương, quang lộ của tia phản xạ dài

thêm một đoạn là /2.


Hiệu pha của dao động sáng tại P:

2
L1  L2   
 

Áp dụng cho ánh sáng phản xạ trên mơi trường có chiết
suất lớn hơn mơi trường ánh sáng tới, trong trường hợp
ngược lại thì hiệu pha dao động và quang lộ không thay
đổi.