Ảnh hưởng kích thước của nguồn sáng trong giao thoa young

Sáng kiến kinh nghiệm

Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong giao thoa

A- ĐẶT VẤN ĐỀ
I. Lí do chọn đề tài:
Vật lý học là một trong những bộ môn khoa học cơ bản làm nền tảng cung
cấp cơ sở lý thuyết cho một số môn khoa học ứng dụng. Môn Vật lý nghiên cứu
những sự vật, hiện tượng xảy ra hàng ngày, có tính ứng dụng thực tiễn. Tuy
nhiên đa số học sinh còn thấy môn Vật lí là một môn học khó, một trong những
vấn đề khó là việc vận dụng các kiến thức vào giải thích các hiện tượng trong
thực tế.
Giao thoa xuất hiện ở nhiều dạng ảnh hưởng tới những điều chúng ta nhìn
thấy trong cuộc sống hàng ngày. Sự tương tác giữa các sóng ánh sáng rất gần
nhau xảy ra khá thường xuyên nên hiện tượng không được để ý tới và mặc nhiên
chấp nhận. Đa số chúng ta đều nhìn thấy giao thoa quang mỗi ngày nhưng
không nhận ra sự kiện biểu hiện đằng sau sự biểu hiện rất huyền ảo của màu sắc
sinh ra khi các sóng ánh sáng giao thoa với nhau. Một trong những thí dụ tốt
nhất trong giao thoa sóng ánh sáng là biểu hiện bởi ánh sáng phản xạ trên màng
dầu nổi trên mặt nước, màng mỏng của bọt xà phòng. Những người say mê âm
nhạc, phim ảnh và máy tính cũng thường gặp hiện tượng giao thoa mỗi khi họ
tải một đĩa compact vào máy hát audio hoạc dĩa cd-room. Giao thoa là nguyên
nhân gây ra màu sắc óng ánh rực rỡ của chim ruồi, nhiều loại bọ cánh cứng và
một số loài bướm đẹp lộng lẫy khác…
Sự giao thoa đóng góp cơ bản cho lý thuyết vật lí tạo ảnh ,đồng thời sự
giao thoa của sóng ánh sáng đã giúp mang tới sự đa dạng mầu sắc của thế giới
xung quanh chúng ta
Người ta thường nói về giao thoa ánh sáng như là hiện tượng chồng chập
hai sóng ánh áng mà kết quả thu được không phải tổng cường độ sáng của hai
nguồn mà là phân bố năng lượng ánh sáng theo không gian. Tuy nhiên hàng
ngày chúng ta vẫn quan sát thấy rằng độ rọi do hai hay nhiều nguồn sáng bằng

tổng độ rọi do từng nguồn sáng một. Nảy ra một câu hỏi là tại sao chúng ta
Năm học 2012-2013

1


Sáng kiến kinh nghiệm

Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong giao thoa

không quan sát thấy hiện tượng giao thoa ở những thí nghiệm như vậy, phải
chăng là do “ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng”? và trong phạm vi bài viết
này tôi muốn trao đổi kinh nghiệm, được nhận xét và góp ý của quý lãnh đạo ,
đồng nghiệp để thâm sâu vào các lĩnh vực quang vật lý và phương pháp giảng
dạy vật lý nói chung.
II. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
1. Thay đổi kích thước của nguồn sáng, khảo sát hiện tượng giao thoa khe
Young.
2. Phạm vi nghiên cứu: Học sinh lớp 12D-G trường THPT DTNT Tỉnh.
III. Giả thuyết khoa học:
Kết thúc chương V môn Vật lí lớp 12 để thực hiện việc dạy - học theo
phương pháp đổi mới đạt hiệu quả cao thì đòi hỏi giáo viên phải nghiên cứu, tìm
tòi để để đưa ra được những phương pháp giảng dạy có hiệu quả nhằm hướng
dẫn học sinh biết phân loại, nắm vững phương pháp làm các bài tập liên quan
đến Sóng ánh sáng xuất hiện trong các đề thi Tốt nghiệp, Cao đẳng, Đại học gần
đây song đồng thời cũng phải giúp học sinh hiểu và giải thích được hầu hết các
hiện tượng của ánh sáng mà trong đời sống thực tế chúng ta thường gặp.
IV. Phương pháp nghiên cứu :
Trong quá trình nghiên cứu tôi đã sử dụng một số phương pháp sau :
- Phương pháp điều tra giáo dục.

- Phương pháp quan sát sư phạm.
- Phương pháp thống kê, tổng hợp, so sánh.
- Phương pháp mô tả.
- Phương pháp vật lý.

Năm học 2012-2013

2


Sáng kiến kinh nghiệm

Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong giao thoa

B. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
I. Cơ sở lý luận của vấn đề nghiên cứu :
Quang học là một phần hết sức quan trọng đối với môn vật lý ở trường
phổ thông, trong đó giao thoa ánh sáng lại là một nội dung không thể thiếu trong
quang vật lí. Đồng thời, việc học môn Vật lý không chỉ dừng lại ở sự tìm cách
vận dụng các công thức Vật lý để giải cho xong các phương trình và đi đến
những đáp số, mà còn phải giải thích được các hiện tượng Vật lý đang xảy ra
trong thiên nhiên quanh ta, trong các đối tượng công nghệ của nền văn minh mà
ta đang sử dụng. Bài tập Vật lý sẽ giúp học sinh hiểu sâu hơn những qui luật vật
lý, những hiện tượng vật lý giúp học sinh khái quát hóa, tổng quát hóa các dạng
bài. Thông qua các tình huống cụ thể tạo điều kiện cho học sinh vận dụng linh
hoạt những kiến thức để tự lực giải quyết thành công những tình huống khác
nhau thì những kiến thức đó mới trở nên sâu sắc hoàn thiện và trở thành vốn
riêng của học sinh. Trong quá trình giải quyết các vấn đề, tình huống cụ thể
buộc học sinh phải vận dụng các thao tác tư duy như so sánh phân tích, tổng hợp
khái quát hoá....để giải quyết vấn đề, từ đó sẽ giúp giải quyết giúp phát triển tư

duy và sáng tạo, óc tưởng tượng, tính độc lập trong suy nghĩ, suy luận…nhằm
giúp học sinh yêu thích và hiểu hơn bản chất Vật lý của các hiện tượng Quang
học.
II. Thực trạng học sinh và trường THPT DTNT Tỉnh:
1. Đặc điểm tình hình nhà trường :
- Trường THPT DTNT Tỉnh có cơ sở vật chất phục vụ cho việc giảng dạy
tương đối tốt, phòng học khang trang, sạch đẹp, tuy có phòng thí nghiệm nhưng
thí nghiệm còn nghèo nàn, cũ kĩ nên cũng là một hạn chế để học sinh có thể nắm
bắt những hiện tượng Vật lí.
- Trường THPT DTNT Tỉnh là trường loại hình Công lập, tuyển học sinh
đầu vào thuộc 11 huyện miền núi, đa phần là học sinh chưa được tiếp cận với
các thí nghiệm dẫn tới khi học các môn Khoa học thực nghiệm như môn Vật lí
Năm học 2012-2013

3


Sáng kiến kinh nghiệm

Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong giao thoa

các em thường chán nản và học đối phó, gặp các hiện tượng trong thực tế thì giải
thích một cách mơ hồ trừu tượng không mang tính suy luận khoa học do vậy
các em gặp rất nhiều khó khăn.
- Đội ngũ giảng dạy môn Vật lí ở trường thâm niên trong nghề cao, toàn
bộ giáo viên môn Vật lí trong trường không ngừng học hỏi, trau dồi chuyên môn
trao đổi kinh nghiệm từ đồng nghiệp đó là một thuận lợi lớn cho bộ môn.
2. Thực trạng của việc hướng dẫn học sinh học Vật lí chương V ở lớp.
- Trong chương V : Ánh sáng là một khái niệm khá quen thuộc đối với
học sinh, tuy nhiên tính chất của ánh sáng thì các em lại khá mơ hồ, song bằng

việc cho các em quan sát những thí nghiệm mô phỏng trên máy tính và những
thí nghiệm cơ bản và đơn giản thì các em dần dần đã hình dung được các tính
chất Sóng của ánh sáng.
- Về kỹ năng học sinh: Do có chỉ có vài tiết học lí thuyết và bài tập về
giao thoa mà kiến thức thì rộng, dạng bài tập giao thoa lại đa dạng lại là các lớp
cơ bản của trường nên việc nắm vững được những khái niệm, công thức tính
như khoảng vân, bước sóng……đã là khó đối với các em,để mở rộng kiến thức
và giải quyết hiều hiện tượng giao thoa trong thực tế lại càng khó hơn. Trước
thực trạng đó tôi nhận thấy phải hướng dẫn các em trước hết phải nắm vững kiến
thức căn bản trong sách giáo khoa cung cấp, sau đó liên hệ hiện tượng thực tế để
các em tự thảo luận nhóm, làm quen và giải thích.

Năm học 2012-2013

4


Sáng kiến kinh nghiệm

Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong giao thoa

C. NHỮNG BIỆN PHÁP GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
GIAO THOA SÓNG ÁNH SÁNG
I. Sự giao thoa- Nguồn kết hợp:
Giả sử hai dao động ánh sáng cùng tần số và cùng phương:
E1 = E01 Sin(ωt + α1)

( I.1)

E2 = E02 Sin(ωt + α2)

( I.2)

Chồng lên nhau tại một điểm M nào đó trong không gian.Theo nguyên lí
chồng chất, trường tổng hợp tại điểm M được biểu diễn bằng véc tơ tổng hợp


 
E và E = E1 + E 2

( I.3)

Hay E = E01 Sin(ωt + α1) + E02 Sin(ωt + α2).
Dao động tổng hợp cũng là điều hòa có cùng tần số :
 
E = E0 Sin(ωt + θ).

( I.4)

( I.5)

Biên độ và pha ban đầu được xác định bởi công thức:
E02 = E012 +E022 + 2E01E02Cos(α1 - α2).
Và Tanθ =

E01Sin1  E02 Sin 2
E01Cos1  E02Cos 2

( I.6)
( I.7)

Vì cường độ tỉ lệ với bình phương biên độ cho nên phương trình ( I.6) viết
theo cường độ như sau:
I = I1 + I2 + 2 I1 I 2 Cos(α1 - α2).

( I.8)

Song chúng ta lại biết rằng không một nguồn sáng thông thường nào có
thể phát ra ánh sáng hoàn toàn đơn sắc nghĩa là sóng có biên độ và pha luôn
luôn không đổi (vì nguyên tử chỉ phát xạ trong khoảng thời gian ngắn 10-8s).
Do đó mỗi lần phát xạ mỗi nguyên tử phát ra 1 xung sáng ngắn lan truyền
có dạng một dạng sin. Mỗi đoạn sin như thế được gọi là một đoàn sóng. Độ dài
của đoàn sóng được xác định bởi thời gian phát xạ τ của nguyên tử.
Biên độ và pha của đoàn sóng do một nguyên tử phát xạ này lần phát xạ
khác, cũng do các nguyên tử khác nhau phat ra trong một lần phát xạ có thể rất
Năm học 2012-2013

5


Sáng kiến kinh nghiệm

Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong giao thoa

khac nhau không có liên hệ gì với nhau, nghĩa là các pha ban đầu α 1 và α2 luôn
luôn thay đổi và có mọi giá trị bất kỳ. Do đó cường độ tổng hợp cũng thay đổi
rất nhanh một cách hỗn loạn đến nỗi không một máy thu ánh sáng nào dù là
nhạy nhất lại có thể ghi nhận được những trạng thái tức thời này của cường độ.
Trong thực tế các máy thu ánh sáng (kể cả mắt) chỉ có thể ghi nhận giá trị trung
bình của cường độ trong thời gian quan sát t. Vì vậy cần phải lấy trung bình biểu

thức theo t.
= I 1 + I 2 + 2 I1 I 2 Cos( 1 -  2 ).

I

( I.9)

Vì E 012 = E012 và E 022 = E022 (không phụ thuộc thời gian)
I = I1 + I2 + 2 I 1 I 2 Cos( 1   2 )

( I.10)
( I.11)

Theo định nghĩa về giá trị trung bình ta có:
t

1
Cos( 1   2 ) =  cos( 1   2 )dt
t0

( I.12)

Do đó:
t

1
cos( 1   2 )dt
t 0

I = I1 + I2 + 2 I 1 I 2

( I.13)

Như vậy I phụ thuộc vào hiệu số pha ban đầu của các dao động thanh
phần. ta xét hai trường hợp đặ biệt sau đây:
- Nếu (α1 - α2) = hằng số.
Khi đó Cos( 1   2 ) =

t

1
cos( 1   2 )dt = Cos(α1 - α2) = hằng số ( I.14)
t 0

Do đó:
I = I1 + I2 + 2 I 1 I 2 Cos(α1 - α2) # I1 + I2

( I.15)

Như vậy, cường độ tổng hợp không bằng tổng cường độ của các dao động
thành phần mà có thể lớn hơn hay bé hơn hay tổng đó tùy thuộc vào hiệu số pha
ban đầu (α1 - α2) của chúng.
Các dao động thỏa mãn điều kiện: hiệu số pha ban đầu của chúng là một
đại lượng không đổi theo thời gian trước đó gọi là giao động kết hợp. Dĩ nhiên
Năm học 2012-2013

6


Sáng kiến kinh nghiệm

Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong giao thoa

các dao động xảy ra với tần số khác nhau không thể là giao động kết hợp, nhưng
cũng không phải tất cả các dao động có cùng tần số đều là dao động kết hợp.
Các dao động điều hòa có cùng tần số bao giờ cũng là dao động kết hợp. Nguồn
phát sáng ra các dao động kết hợp là nguồn kết hợp.
Khi tổng hợp hai hay nhiều dao động ánh sáng kết hợp sẽ dẫn đến sự phân
bố lại năng lượng trong không gian: có những chỗ năng lượng tại đó có giá trị
cực đại, có những năng lượng tại đó có giá trị cực tiểu. Hiện tượng đó được gọi
là sự giao thoa ánh sáng. Trong biểu thức ( I.15) chính số hạng thứ ba gây nên
hiện tượng này vì vậy số hạng đó được gọi là số hạng giao thoa.
b) Hiệu số pha ban đầu (α1 - α2) thay đổi một cách hỗn loạn theo thời gian.
Khi đó hiệu số pha (α1 - α2) lấy mọi giá trị từ 0 đến 2π trong khoảng thời gian
quan sát. Vì vậy :
Cos( 1   2 ) = 0

( I.16)

Do đó
I = I1 + I2

( I.17)

Như vậy, trong trương hợp này cường độ tổng hợp bằng tổng cường độ
của các dao động thành phần, tức là không xảy ra hiện tượng giao thoa. Các dao
động trong trường hợp này là dao động không kết hợp. Các dao động phát ra từ
các nguồn sáng thông thường hay từ những điểm khác nhau cùng một nguồn
sáng đều là những dao động không kết hợp. Các dao động không kết hợp không
thể giao thoa với nhau được.

Tóm lại muốn quan sát được hiện tượng giao thoa ánh sáng thì các sóng
giao thoa với nhau phải là các sóng kết hợp và dao động của chúng phải thực
hiện cùng phương.
II. Sự phân bố cường độ sáng trên màn quan sát.
Giả sử ta có hai nguồn sóng kết hợp S1 và S2 đều sinh ra từ cùng một
nguồn điểm S, phát ra hai sóng kết hợp có cùng tần số và véc tơ điện trường của
chúng vuông góc với mặt phẳng hình vẽ (dao động cùng phương ) và ta khảo sát

Năm học 2012-2013

7


Sáng kiến kinh nghiệm

Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong giao thoa

hiện tượng giao thoa xảy ra tai điểm M trên màn, cách các nguồn kết hợp S 1 và
S2 nhữn khoảng r1 và r2.
r

S
S

M

1

1

O

S

r

2

2

Hình 1

Để đơn giản tính toán giả thiết cả hai sóng đều có biên độ như nhau
(E01 =E02 =E0).

(II.1)

Nếu dao động tại S1 và S2 có dạng :
 
E1 = E 0 cos(t   1 )


E2 = E0 cos(t   2 )

(II.2)
(II.3)

Thì phương trình của hai dao động đó tại M sẽ là :
'


2r1
E1 = E0 cos(t 
 1 )

(II.4)

'

2r2
E 2 = E0 cos(t 
 2 )

(II.5)





Dao động tổng hợp tại M sẽ bằng :
'  '

E = E1 + E 2

(II.6)

Vì chúng có cùng phương và cùng biên độ nên ta có :
  (r2  r1 )

E=2E0cos 







( 1   2 ) 
 (r  r ) (   ) 

.cos t  2 1  1 2 

2

2




(II.7)

Như vậy dao động tổng hợp tại M có biên độ bằng :
  (r2  r1 )

E0 =2E0cos 






( 1   2 ) 

2


(II.8)

Như đã biết cường độ sáng I tỉ lệ với bình phương biên độ, tức là :
  (r2  r1 )

I = 4E02cos2 


Năm học 2012-2013





( 1   2 ) 

2


(II.9)
8


Sáng kiến kinh nghiệm

Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong giao thoa

Đối với các sóng kết hợp hiệu số pha ban đầu (α1 - α2) không đổi, do đó
cường độ sáng tại những điểm M khác nhau chỉ phụ thuộc vào hiệu các khoảng
đường truyền r1 và r2 của hai sóng đến điểm M. Nếu pha ban đầu
α1 = α2 thì hai cường độ sáng tại điểm M sẽ được xác định bởi biểu thức :
 (r2  r1 ) 





I = 4E02cos2 

(II.10)

Ta ký hiệu ( r1 – r2 ) = Δ. Đại lượng Δ được gọi là hiệu đường truyền của
hai sóng và ý nghĩa của nó có thể thấy ngay trên hình vẽ .
Biểu thức cường độ ánh sáng tại M:
2

2
2   
2 1  cos
I = 4E0 cos   =2E0 

  

Đại lượng δ =

2







(II.11)

 là hiệu số pha của hai sóng tại điểm M, nó xuất hiện

do các khoảng đường truyền khác nhau gây nên. Bây giờ ta sẽ khảo sát giá trị
cực đại và cực tiểu của biểu thức cường độ sáng I .
a) Nếu δ = 2kπ hay Δ = kλ thì cường độ sáng I sẽ có giá trị cực đại và
Imax = 4E02
Như vậy cường độ sáng sẽ có giá trị cực đại tại những điểm M mà hiệu số
pha của hai sóng tại đó bằng một số chẵn lần π, hay hiệu đường truyền của
chúng bằng một số nguyên lần bước sóng .
b) Nếu δ = (2k+1)π hay Δ = (2k+1)λ/2 thì cường độ sáng I sẽ có giá trị cực
tiểu bằng 0 tức là:
Imin = 0
Như vậy, cường độ sáng sẽ có giá trị cực tiểu tại nhựng điểm M mà hiệu
số pha của hai sóng tại đó bằng một số lẻ lần π, hay hiệu đường truyền của
chúng bằng một số lẻ lần nửa bước sóng
Các biểu thức Imax = 4E02 và Imin = 0 là các điều kiện về cực đại và cực
tiểu giao thoa tương ứng, k là số nguyên có thể lấy các giá trị 0,  1,2,3.... và
được gọi là bậc giao thoa.
Năm học 2012-2013

9


Sáng kiến kinh nghiệm

Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong giao thoa

Rõ ràng rằng trong trường hợp 1: hai sóng giao thoa có cùng pha nên
chúng tăng cường lẫn nhau; còn ở trường hợp 2 : chúng ngược pha với nhau nên
làm tắt lẫn nhau.
Trong trường hợp biên độ của các sóng thành phần không bằng nhau
(E01 ≠ E02) thì cường độ tai diểm M được biểu diễn bởi công thức :
E02 = E012 +E022 + 2E01E02Cos

2



2

 =(E01-E02) +4E01E02Cos

2





(II.13)

Nếu Δ=kλ thì Imax =(E01+E02)2
Nếu Δ=(2k+1)λ/2 thì Imin = (E01-E02)2
Ta có thể biểu diễn sự biến thiên của I theo Δ như sau:
I
(E01+E02)2

E01+E02
(E01-E02)2
0

π

2π

3π

4π

5π

6π

Hình 2

7π

8π

Δ




Chúng ta đã khảo sát trường hợp đơn giản nhất là cả hai sóng E1 , E2 đều
truyền trong chân không (n =1, λ=λ0). Bây giờ nếu một trong hai sóng truyền
trong môi trường có chiết suất n1 còn sóng kia truyền trong môi trường có chiết
suất n2 thì ta phải dùng khái niệm hiệu quang trình ( hiệu các tích r i ni) thay cho
hiệu đường truyền của hai sóng. Trong trường hợp này hiệu số pha của hai sóng
viết dưới dạng :
 r2

  2 

 2



r1  2

r2 n2  r1n1  , trong đó r2 n2  r1n1  là hiệu quang trình.
1  

Nếu r2 n2  r1n1  = 0 tức là r2 n2  r1n1  thì δ =0 vì tại đó sẽ quan sát được cực đại
giao thoa
Năm học 2012-2013

10


Sáng kiến kinh nghiệm

Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong giao thoa

III. Giao thoa Young:
Năm 1801, Young tiến hành thí nghiệm khe đôi kinh điển và thường được trích
dẫn, mang đến bằng chứng quan trọng cho thấy ánh sáng khả kiến có những tính
chất sóng. Ông sử dụng ánh sáng mặt trời nhiễu xạ qua một khe nhỏ làm nguồn
chiếu sáng bán kết hợp, ông đã chiếu tia sáng phát ra từ khe đó lên một màn
chắn khác chứa hai khe đặt song song nhau, ánh sáng truyền qua các khe đó
được cho rơi vào màn chắn thứ ba. Kết quả ông thu được có sự chồng chập ánh
sáng lên nhau và tạo thành những dải mầu riêng biệt phân cách nhau bởi những
vùng tối theo trật tự nhất định và Young đã đặt ra thuật ngữ vân giao thoa để mô
tả các dải sáng.

Hình 3
Lí thuyết căn bản:
1. Hiệu đường đi (hiệu quang lộ):
d 2  d1 

ax
D

d1

F1

x

d2

I

a

O

D

F2

2. Vị trí vân:

B

a. Vị trí vân sáng:

Năm học 2012-2013

A

H

Hình 4

11

M


Sáng kiến kinh nghiệm

xs  k

Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong giao thoa

D
a

với k  0; 1; 2; 3......

k=0:vân sáng trung tâm.
k=  1 : vân sáng bậc một (đối xứng qua vân trung tâm)
k=  2 : vân sáng bậc hai
…………….…….
b. Vị trí vân tối :



x t   k '



1  D

2 a

với k '  0; 1; 2; 3......

k’= 0 ; k’= -1 Vân tối thứ nhất (đối xứng qua vân sáng trung tâm)
k’ = 1; k’= -2 Vân tối bậc hai

………………………………
c.Khoảng vân: Khoảng cách giữa hai vân sáng (hoặc hai vân tối) liên tiếp
i

Hệ quả :

D
a

xs= ki

1

; x t  (k ' )i
2

Cách xác định vị trí vân sáng, vân tối, tính khoảng vân, bước sóng ánh
sáng , tìm số vân, tính khoảng cách giữa các vân sáng (tối)…
IV. Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong hiện tương giao thoa trong
trường hợp khe Young
Giả sử mở rộng nguồn sáng S thì mỗi dải vô cùng hẹp trên khe sáng S sẽ
cho một hệ vân riêng. Tổng hợp tất cả các hệ vân này sẽ cho một cường độ sáng
chung trên màn ảnh E. nếu độ rộng L = 2b của khe S thay đổi tới một giá trị nào
đó thì không còn quan sát được vân giao thoa trên màn nữa.
Thật vậy xét một khe sáng giả đơn sắc S có độ rộng 2b. Giả thiết rằng hai
khe S1 và S2 rất hẹp. Ta chia khe S thành hai dải hẹp SK và SK’ mỗi dải hẹp
được xem như một tâm phát sóng tại trung điểm của nó là A và B.
Năm học 2012-2013

12

Sáng kiến kinh nghiệm

Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong giao thoa

Nguồn điểm tại A cho hệ vân có trung tâm tại O’ và nguồn điểm B cho hệ
vân có vân trung tâm tại O” (hình vẽ)

O”

S
K1

A

δx

S
B
d

I
O’

D

S
K2’
Hình 5

Vậy: AB = b. Từ hai tam giác Δ ABI và ΔO’O”I ta có:
O’O”= δx =

AB.D
D
 b. .
d
d

(IV.1)

Nếu khoảng cách giữa các vân trung tâm O’ và O” của hai hệ vân đúng bằng
nửa khoảng vân i thì vân tối của hệ này sẽ trùng với vân sáng của hệ kia và vân
i
2

giao thoa trên màn biến mất: δx = (2k+1) .
Do đó : δx =

(IV.2)

AB.D
D (2k  1)i (2k  1)D
 b. 

a
d
2
2a

Vậy b =(2k+1)

(IV.3)

d
(IV.4)

2a

Chúng ta cũng có thể khảo sát quang lộ để tìm bề rộng và độ chiếu sáng
của nguồn S lên màn như sau:

P
a

x

b
d

D
Hình 6

Năm học 2012-2013

13


Sáng kiến kinh nghiệm

Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong giao thoa

Ta xem xét hiệu quang trình của ánh sáng truyền từ các nguồn tới điểm P
2

a b
Theo hình vẽ ta có: AS12 =     d 2
2

(IV.5)

2

2

2

Và

AS2

a b
=    d 2
 2 2

(IV.6)

2

2

a b
a b
AS12 - AS22 =     D 2 -     D 2
2

AS12 - AS22 = ab

2

2

2

AS2 –AS1 =

ab
ab

AS 2  AS1 2d

(IV.7)
(IV.8)

2

a
S2P =   x   D 2
2



Tương tự

(IV.9)

2

a

S1P =   x   D 2
2


S2P - S1P =

(IV.10)

2ax
ax

S 2 P  S1P D

(IV.11)

Hiệu quang trình giữa hai tia AS2P và AS1P là:
Δ1 = AS2P - AS1P =

ab
ax


2d
D

(IV.12)

Áp dụng công thức (II.7) ta có véc tơ cường độ điện trường do nguồn một gây ra
tại P có dạng:
E(AP, t) = E0. cos t 

2  ab ax 
 

  2d D 



(IV.13)

Áp dụng công thức( I.6) độ rọi tại điểm P trên màn ảnh là:
2  ab ax 
 

  2d D 

(IV.14)

2  ab ax 
  }.


  2d D 

(IV.15)

I1(x,t) = 2E02 + 2E02 cos
I1(x,t) = 2E02 {1 + cos

Tương tự đối với nguồn sáng B ta cũng có:
Δ2 = BS2P - BS1P =

ax ab

D 2d

(IV.16)

Cường độ ánh sáng do nguồn B gây ra là:
I2(x,t) = 2E02 {1 + cos

Năm học 2012-2013

2  ax ab 
 
 }.
  D 2d 

14

(IV.17)

Sáng kiến kinh nghiệm

Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong giao thoa

Giả sử hai nguồn A, B không gây nên hiện tượng giao thoa trên màn tức là
không thỏa mãn điều kiện kết hợp nên áp dụng công thức( I.17) ta có
I(x,t) = I1(x,t) + I2(x,t) =4E02 + 2E02 { cos
I(x,t)

= 4E02 [1+ cos

2  ab ax 
2  ax ab 
  + cos

 
}
  2d D 
  D 2d 

ab
ax
. cos
].
d
D

(IV.18)

Như đã thấy từ công thức trên, độ rọi trên màn bao gồm hai thành phần không
đổi và biến đổi. Thành phần biến đổi có biên độ A phụ thuộc vào khoảng cách
giữa hai nguồn sáng theo công thức:
ab
A(b) = cos
.
d
Bức tranh giao thoa sẽ biến mất khi biên độ A(b) bằng 0:

ab
=0
d
ab (2k  1)

với k = 0,1,2,3,4……
d
2

cos

Vậy

d
b =(2k+1)

màn sáng đều

2a

(IV.19)

(IV.20)
(IV.21)

(IV.22)

Mặt khác trong ΔSS1S2 ta lại có :
Tan ω =

a
2d

(Với 2ω là khẩu độ giao thoa: Được xác định bởi tỉ số của khoảng cách giữa hai
khe S1, S2 với khoảng cách từ S đến S1S2 )
Do vậy công thức (IV.4) và (IV.22) được viết lại:

b

(2k  1)
4. tan 

(IV.23)

Vì góc ω rất bé nên tanω ≈ sinω , nên ta được :

b

(2k  1)
4. sin 

(IV.24)

Vậy độ rộng của nguồn sáng để không còn hiện tượng giao thoa trong trường
hợp khe Young là:
L = 2b =
Năm học 2012-2013

( 2k  1)
2. sin 

15


Sáng kiến kinh nghiệm

Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong giao thoa

D. KẾT LUẬN CHUNG
I. Hiệu quả sáng kiến :
Quả thực tế dạy lớp 12D-G tôi thu được kết quả sau khi cho làm một thí
nghiệm kiểm chứng:
* Với a = 0,5 mm ; d = 0,4m ; D =1,0 m ánh sáng đỏ có λ = 0,75µm.
Độ rộng nguồn sáng S để không còn hiện tượng giao thoa là
LS đo được

3,5mm

6,4mm

13,5mm

3,0mm

5,4mm

12,6mm

d
Ls=(2k+1)

a

* Với a = 0,5 mm ; d = 0,6m ; D =1,0 m ánh sáng đỏ có λ = 0,75µm.
Độ rộng nguồn sáng S để không còn hiện tượng giao thoa là
LS đo được

5,3mm

4,01mm

13,5mm

4,0mm

3,3mm

12mm

d
Ls=(2k+1)

a

* Với a = 0,3 mm ; d = 0,6m ; D =1,0 m ánh sáng đỏ có λ = 0,75µm.
Độ rộng nguồn sáng S để không còn hiện tượng giao thoa là
LS đo được

15,7mm

9,8mm

8,4mm

16,5mm

10,5mm

7,5mm

d
Ls=(2k+1)

a

Nhận xét :
LS đo được trong thực tế có giá trị gần bằng giá trị của LS đo bởi công thức :

(2k  1)
a = 2. sin 

d
(2k+1)

Ls phụ thuộc vào d và a tức là phụ thuộc vào khẩu độ giao thoa ω
Năm học 2012-2013

16


Sáng kiến kinh nghiệm

Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong giao thoa

Khi đồng thời dịch chuyển A,B(tức là dịch chuyển nguồn sáng S ra xa
trục), hoặc mở rộng khẩu độ giao thoa ω (mở rộng nguồn sáng S) thì bức tranh
giao thoa xuất hiện và biến mất một cách tuần hoàn
II. Kiến nghị :
Chúng tôi rất mong Đảng ủy, Ban giám hiệu tạo điều kiện cho bộ môn vật
lí có được nhiều thí nghiệm hơn, để học sinh được tiếp cận với công nghệ mới, lí
thuyết luôn đi đôi với thực hành nhằm tạo thêm niềm tin vật lí và hứng thú học
tập cho học sinh.
Đây cũng là một trong những dạng toán mới lạ nhưng vừa sức với học sinh,
mong sự góp ý của tổ chuyên môn để hoàn thiện dạng toán này.
Tôi xin cam đoan đây là SKKN của mình viết, không sao chép nội dung
của người khác.
Thanh hóa, ngày 10 tháng 04 năm 2013
Xác nhận của tổ trưởng chuyên môn

Người viết

Lê Thị Phương

.

Năm học 2012-2013

17


Sáng kiến kinh nghiệm

Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong giao thoa

E. TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Sách giáo khoa và Sách bài tập Vật lí 12 CB
2. Bài giảng trọng tâm chương trình Vật lí 12 của PGS.TS Vũ Thanh Khiết
NXB Đại học Quốc gia Hà nội
3. Phương pháp giải bài tập Vật lí 12 của ThS Trần Thanh Bình
NXB Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
4. Chuyên đề luyện thi Đại học Môn Vật lí của Nguyễn Thanh Hải
NXB Giáo Dục.
5. Website : ,
6. Quang học và vật lí lượng tử : Trần Ngọc Hợi, NXB Giáo dục (2006).
7. Vật lí đại cương A2:

T S Võ Thị Thanh Hà & Th S Lê Thị Thanh

Hương, Trường ĐH FPT (2005)
8. Tập bài giảng quang học:

Năm học 2012-2013

Kiên giang 2006

18


Sáng kiến kinh nghiệm

Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong giao thoa

MỤC LỤC
A. ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................... 1
I. Lí do chọn đề tài ............................................................................................. 1
II. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................. 2
III. Giả thuyết khoa học ...................................................................................... 2
IV. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................. 2
B. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .......................................................................... 3
I. Cơ sở lý luận của vấn đề nghiên cứu ............................................................... 3
II. Thực trạng học sinh và trường THPT DTNT Tỉnh ......................................... 3
1. Đặc điểm tình hình nhà trường ....................................................................... 3
2. Thực trạng của việc hướng dẫn học sinh học Vật lí chương Vở lớp. ............... 4
C. NHỮNG BIỆN PHÁP GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ ............................................ 5
I. Sự giao thoa- Nguồn kết hợp ........................................................................... 5
II. Sự phân bố cường độ sáng trên màn quan sát................................................. 7
III. Giao thoa Young ........................................................................................ 11
IV. Ảnh hưởng của kích thước nguồn sáng trong hiện tương giao thoa trong
trường hợp khe Young ..................................................................................... 12
D. KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................. 16
I. Hiệu quả sáng kiến ........................................................................................ 16

II. Kiến nghị ..................................................................................................... 17
E. TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 18

Năm học 2012-2013