Bài giảng bài giao thoa ánh sáng vật lý 12 (8)

VẬT LÝ 12
GIAO THOA ÁNH SÁNG

1


Nội dung
HIỆN TƯỢNG GIAO THOA ÁNH SÁNG
1.
2.

Hiện tượng giao thoa và điều kiện để có giao thoa ánh
sáng
Khảo sát sự giao thoa ánh sáng qua khe Young
SỰ NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG

3.
4.
5.

6.
7.
8.

Thí nghiệm Fresnel về nhiễu xạ ánh sáng
Định nghĩa
Nguyên lý Huyghen – Fresnel
Nhiễu xạ ánh sáng qua khe hẹp (nhiễu xạ sóng
phẳng): (Nhiễu xạ Frauhofe)
Điều kiện để có cực đại, cực tiểu nhiễu xạ
Nhiễu xạ qua nhiều khe hẹp – cách tử

2


1.a Định nghĩa
Là hiện tượng xãy ra khi 2
sóng ánh sáng truyền đến một
vùng nào đó của không gian, ở
đó tạo ra vùng sáng và tối liên
tiếp.
Khoảng không gian
có giao thoa gọi là trường giao
thoa. Nếu đặt một màng trong
trường giao thoa ta sẽ nhận
được những vạch sáng và tối
xen kẽ gọi là vân giao thoa.

F

S

E

3


1.b Điều kiện để có giao thoa ánh sáng
2 ánh sáng (nguồn) phải có cùng tần số, phương
dao động, hiệu pha khơng thay đổi theo thời gian.
Giả sử xét nguồn 1:
nguồn 2: x1  a1 cos(0t  1 )

x2  a2 cos(0t  2 )
Theo 2 dao động

x  x1  x2  a cos(0t   )

Trong đĩ

a  a12  a22  2a1a2 cos(2  1 )

2  1

: Hiệu pha

4


1.b Điều kiện để có giao thoa ánh sáng
a1 sin 1  a2 sin 2
tg 
a1 cos 1  a2 cos 2
Nếu:  2  1  2k  cos( 2  1 )  1
Cho:

a  a1  a2

a1  a2  a  2a1  2a2

Để đặc trưng tác dụng sĩng của sĩng ánh sáng, ta đưa vào
cường độ sĩng cơ.
Chọn k=1, cường độ sáng I ~ a2 => I ~ 4a12

(Cường độ sĩng tỉ lệ bình phương với biên độ của sĩng).
Như vậy, những điểm nhận 2 sĩng cĩ I ~ 4a12 là điểm
sáng.
5


1.b Điều kiện để có giao thoa ánh sáng
Nếu: 2  1  (2k  1)  cos( 2  1 )  1
a  a1  a2 mà a1  a2  a  0 Điểm tối
2 sĩng cĩ điều kiện trên gọi là 2 sĩng kết hợp.
Chú ý: Trong mơi trường đẳng hướng, sĩng ánh sáng từ
S phát ra là sĩng cầu, biên độ của sĩng sẽ giảm tỉ lệ
nghịch với khoảng cách từ nguồn đến điểm ta xét.

6


1.c Cách tạo nguồn kết hợp
Nguồn sóng biến thiên do dao động của các
nguyên tử, do đó không tìm được sóng kết hợp từ 2
nguồn sáng. Để có sóng kết hợp, ta tách từ 1 nguồn sáng
thành 2 tia sóng đi theo những quang lộ khác nhau. Sau
đó, cho chúng gặp mhau.

7


1.c Cách tạo nguồn kết hợp
 Gương Fresnel:
G2

O

Màn chắn
Q



O2
O1

G1

E
8


1.c Cách tạo nguồn kết hợp
Lưỡng bán thấu kính
G.Bille:
M


 Lưỡng lăng kính Fresnel:
M

S

S

9


2.a Điều kiện cực đại cực tiểu vân giao thoa
Giả sử có 2 nguồn sóng kết hợp S1 và S2

Đặt: S1M = l1 và S1M = l2 (quang lộ)
M nhận 2 sóng:

x1  a1 cos(0t 
x2  a2 cos(0t 

2 l1



2 l2



)

)
10


2.a Điều kiện cực đại cực tiểu vân giao thoa
  2  1 

  2k

l2  l1  k 

2



(l2  l1 )

dao động cực đại
cường độ sóng đạt cực đại :Imax

Nếu:   (2k  1)  l2  l1  (2k  1)


2

dđ cực tiểu

Những điểm có cường độ sáng tối nhất: Imin = 0.
11


2.b Độ rộng của vân giao thoa
Là khoảng cách giữa 2 vân cùng loại liên tiếp. Cọn
O là điểm cách đầu S1, S2:
d 2
l  D  (x  )
2

2

Thông thường:

D

2
1

2

d 2
l2  D  ( x  )
2
2 xd
2
2
l2  l1  2 xd  l2  l1 
l2  l1
2

d  l2  l1  2 D

xd
l2  l1 
D
12


2.b Độ rộng của vân giao thoa

Vậy các cực đại giao thoa sẽ nằm cách điểm giữa
O một khoảng Xmax thỏa mãn điều kiện:
xmax d
k D
l2  l1  k  
xmax 
D
d
Cực tiểu:



xmin d
(2k  1) 
2
D

xmin

(2k  1) D

2d

k  0, 1, 2,...

13


2.b Độ rộng của vân giao thoa
i  xmax (k  1)  xmax (k )

 D k D
 (k  1)

d
d
D
i 

M

l1

S1

l2
d

S

d

S2
D

Khoảng cách giữa các vân sáng
(hoặc giữa các vân tối cũng vậy)
14


2.c Sự dịch chuyển hệ vân giao thoa

L2  L1  l2  [(e1  e)1  en]  l2  l1  (n  1)e

L2  L1  k   l2  l1  (n  1)e  k 
xmax d
 (n  1)e  k 
D k D
eD

xmax 

 (n  1)

d
d
Chứng tỏ vân sáng mới O1(k = 0) sẽ nằm cách vân sáng
cũ O một khoảng:
eD
x0  (n  1)
d
15


2.c Sự dịch chuyển hệ vân giao thoaa
- Vì n > 1 nên x0 > 0 nghĩa
là vân sáng giữa O1 bây
giờ sẽ dịch chuyển về phía
có đặt bản thủy tinh
mỏng.
- Hiện tượng này là cơ sở
để đo chiết suất trong các

máy giao thoa kế.

e

M

l1

S1

l2

d
S
S2
D

16


3. Thí nghiệm Fresnel về nhiễu xạ ánh sáng

Cho ánh sáng xuất
phát từ S qua 1 lỗ tròn
trên màn chắn P, ta sẽ
nhận được 1 vệt sáng tròn
có đường kính ab trên
màn ảnh Q.

a

S

c

b
Q

P

17


3. Thí nghiệm Fresnel về nhiễu xạ ánh sáng
Nếu thu kích thước của lỗ trên P thì vệt sáng ab
cũng thu nhỏ lại. Thí nghiệm chứng tỏ, khi kích
thước của lỗ tròn rất nhỏ, ta thấy xuất hiện trên màn
ảnh Q nhiều vòng tròn sáng và tối cùng tâm điểm
nằm xen kẻ nhau cả trong vùng bóng tối hình học
(ngoài phạm vi ab). Tâm điểm của các vân có thể
sáng hoặc tối tùy theo kích thước của lỗ tròn và vị trí
màn ảnh Q.
Thí nghiệm trên chứng tỏ, khi qua lỗ tròn, các
tia sáng đã bị lệch khỏi phương truyền thẳng.
18


4. Định nghĩa
Hiện tượng các tia sáng bị lệch khỏi
phương truyền thẳng khi chúng đi gần các vật

chướng ngại, gây nên các vân sáng và tối
trong cả vùng bóng tối hình học được gọi là
hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng. Các vân sáng,
tối xuất hiện khi đó gọi là vân nhiễu xạ.

19


5. Nguyên lý Huyghen - Fresnel
 Bất kỳ điểm nào mà ánh sáng truyền đến đều trở
thành nguồn sáng thứ cấp phát ánh sáng về phía
trước nó.
 Biên độ và pha của nguồn thứ cấp là biên độ và pha
của nguồn sáng thực gây ra tại vị trí nguồn thứ cấp.
 Dao động tại một điểm bất kỳ ngoài mặt sáng thứ
cấp  là tổng hợp của tất cả những sóng phát đi từ
các nguồn thứ cấp nằm trên mặt sáng ’’ gửi tới

20


6. Nhiễu xạ ánh sáng qua khe hẹp
P

L


a

M

O

0
1
2
21


6. Nhiễu xạ ánh sáng qua khe hẹp
 Trên chắn sóng P, ta mở 1 khe hẹp hình chữ
nhật độ rộng là a, chiều dài b, b rất lớn so với a.
 Cho chùm tia sáng đơn sắc // chiếu vuông góc
với mặt phẳng khe. Khi truyền qua chắn sóng P,
chùm tia lệch phương truyền 1 góc  . Ảnh thu
được là các vân sáng, tối cách đều nhau, riêng
vân sáng trung tâm rộng gấp nhiều lần các vân
khác.
22


6. Nhiễu xạ ánh sáng qua khe hẹp
 Áp dụng nguyên lý Huyghen: Chọn mặt phẳng
khe làm mặt phẳng .
 Chọn nguồn phát sóng thứ cấp: Dựng những mặt
phẳng 0, 1, 2, … n song song và cách đều nhau
1

khoảng = 2 bắt đầu từ mặt trên của khe ( là
bước sóng ánh sáng đơn sắc ta sử dụng), các mặt
phẳng vuông góc chùm tia nhiễu xạ, mỗi dãy được

coi như nguồn sáng thứ cấp.
23


6. Nhiễu xạ ánh sáng qua khe hẹp
 Vì 2 sóng ánh sáng từ 1 đới lẻ và 1 đới chẵn
kế tiếp nhau gởi tới điểm M có hiệu quang lộ

2  dao động sóng của chúng có pha
ngược nhau, tác dụng sóng của chúng sẽ khử
lẫn nhau.
 Nếu gọi a1,a2,…an là biên độ của các sóng
ánh sáng do các nguồn thứ cấp 1,2,…n gởi tới
M thì biên độ a của sóng sáng tổng hợp có thể
viết:
a = a1 – a2 + a3 – a4 + a5 + …  an. 24


6. Nhiễu xạ ánh sáng qua khe hẹp
 Qui ước:

an (+) khi n lẻ
an (-) khi n chẵn.

 Vì các dãy nhỏ và gần nhau nên xem như biên độ
của một dãy bằng trung bình cộng biên độ của 2 dãy
trước và sau nó.

a1  a3
a3  a5

a1  an
a2 
, a4 
,a 
2
2
2

25