Phân tích chương Sóng ánh sáng

Ngô Thị Diễm Phúc Chương Sóng ánh sáng
MỤC LỤC
4.2.3 Nhiễu xạ gây bởi các sóng phẳng.....................................................................................................16
1
Ngô Thị Diễm Phúc Chương Sóng ánh sáng
MỞ ĐẦU
Ngày nay, dạy học không còn là truyền thụ kiến thức nữa mà là giáo viên (GV) tổ chức
cho học sinh (HS) hoạt động, hướng dẫn cho HS tìm tòi kiến thức để qua đó góp phần hoàn
thiện nhân cách HS, tạo cho HS một số kiến thức nền tảng và phương pháp học, hỗ trợ cho
HS trong quá trình tự học suốt đời.
Nhiều GV quan niệm dạy học rất nhàn rỗi, chỉ cần nhớ các kiến thức có trong sách
giáo khoa và làm thế nào để HS nhớ được những nội dung chính hay có thể làm được các
dạng bài tập cơ bản, một số GV có đầu tư tìm và phân loại các dạng bài tập thường ra thi và
cung cấp cho HS những phương pháp ngắn gọn nhất để tìm ra kết quả mà chưa quan tâm
đến ý nghĩa vật lý hay giáo dục cho HS phương pháp học, những tính cách và kỹ năng cần
rèn luyện.
Để làm được việc đó, bên cạnh việc am hiểu về tâm sinh lý của HS để có những tác
động phù hợp nhất, GV còn phải hiểu sâu sắc những nội dung kiến thức trong chương trình,
phải nắm được nguồn gốc hình thành kiến thức đó để có thể giúp HS làm quen với những
phương pháp nhận thức vật lý phổ biến…
Chương Sóng ánh sáng có nhiều ứng dụng trong cuộc sống
nhưng để hiểu và giải thích được những ứng dụng đó thì phải
dùng những kiến thức khá xa thực tế. Chương này lại liên quan đến
nhiều vấn đề trong các chương khác như sóng cơ, sóng điện từ. Chính vì vậy GV càng phải nghiên
cứu kỹ để nắm bản chất và có cách phân tích dễ hiểu đối với HS.
Việc học môn Nghiên cứu chương trình Vật lý là điều kiện để bản thân nghiên cứu kỹ hơn
những kiến thức trong chương trình và đặc biệt là chương Sóng ánh sáng.
Vì những lí do trên nên tôi chọn đề tài làm tiểu luận cho học phần này là “Nghiên cứu
chương trình chương Sóng ánh sáng Vật lý 12 nâng cao” nhằm xác định vị trí, nhiệm vụ của
chương Sóng ánh sáng, nghiên cứu để trình bày chuẩn kiến thức kỹ năng hợp lý, làm rõ những kiến
thức và kỹ năng đó.

2
Ngô Thị Diễm Phúc Chương Sóng ánh sáng
NỘI DUNG
I. Vị trí, vai trò chương Sóng ánh sáng
1.1 Vị trí, vai trò
Chương trình Vật lý lớp 12 nâng cao gồm 10 chương được phân phối theo khung sau [6]:
Nội dung Tổng số tiết Lý thuyết Thực hành Bài tập
Chương I. Động học vật rắn 8 6 0 2
Chương II. Dao động cơ 13 8 2 3
Chương III. Sóng cơ 11 7 2 2
Chương IV. Dao động và sóng điện từ 7 6 0 1
Chương V. Dòng điện xoay chiều 14 9 2 3
Chương VI. Sóng ánh sáng 14 9 2 3
Chương VII. Lượng tử ánh sáng 11 8 0 3
Chương VIII. Sơ lược về thuyết tương đối hẹp 3 3 0 0
Chương IX Hạt nhân nguyên tử 12 9 0 3
Chương X. Từ vi mô đến vĩ mô 6 6 0 0
Tổng 99 71 8 20
Theo phân phối trên ta thấy chương Sóng ánh sáng là một trong hai chương có số tiết nhiều
nhất, chiếm 14 trên tổng số 99 tiết của chương trình Vật lý 12 (tức là 14%) và là chương có số tiết
lý thuyết nhiều nhất so với các chương còn lại chứng tỏ lượng kiến thức HS cần nghiên cứu được
trong chương này là nhiều và đóng vai trò khá quan trọng trong chương trình Vật lý 12 nói riêng và
Vật lý phổ thông nói chung.
1.2 Nhiệm vụ
Quang học là một phần của Vật lý học nghiên cứu về bản chất của ánh sáng, về sự lan truyền
và tương tác của nó với vật chất. Quang học bao gồm các phần là quang hình học, quang học sóng
và quang học lượng tử.
Quang hình học nghiên cứu sự truyền ánh sáng qua các môi trường và sự tạo ảnh của các vật
qua các dụng cụ quang học bằng phương pháp hình học.
Quang học lượng tử nghiên cứu tính chất hạt của ánh sáng và các hiện tượng liên quan như

quang điện, quang dẫn, sự tạo thành quang phổ vạch…
Quang học sóng nghiên cứu tính chất sóng của ánh sáng và các bức xạ không nhìn thấy bao
gồm tia hồng ngoại, tia tử ngoại và tia X do sự tương tự nhau về bản chất và các thiết bị dùng để
ghi nhận chúng. [7]
3
Ngô Thị Diễm Phúc Chương Sóng ánh sáng
Và nhiệm vụ cụ thể của chương Sóng ánh sáng Vật lý 12 nâng cao là khảo sát các hiện tượng
chứng tỏ ánh áng có bản chất sóng (hiện tượng tán sắc ánh sáng, hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng, hiện
tượng giao thoa ánh sáng), nghiên cứu các ứng dụng phổ biến của chúng và khảo sát tính chất, công
dụng của các bức xạ không nhìn thấy (tia hồng ngoại, tia tử ngoại, tia X). [6]
II. Chuẩn kiến thức, kỹ năng
2.1 Chuẩn kiến thức
1- Mô tả và giải thích được hiện tượng tán sắc ánh sáng qua lăng kính.
2- Nêu được khái niệm hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng và đặc điểm của chùm sáng đơn sắc.
3- Trình bày được một thí nghiệm về sự giao thoa ánh sáng và nêu được điều kiện để xảy ra hiện
tượng giao thoa ánh sáng.
4- Nêu được điều kiện để có vân sáng, vân tối, viết được công thức xác định vị trí vân sáng, vân
tối và công thức tính khoảng vân.
5- Nêu được bằng chứng chứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng và nêu được tư tưởng cơ bản của
thuyết điện từ ánh sáng.
6- Trình bày được nguyên tắc cấu tạo của máy quang phổ lăng kính và nêu được tác dụng của
từng bộ phận.
7- Nêu được quang phổ liên tục, quang phổ vạch phát xạ, quang phổ vạch hấp thụ, các tính chất
chính và những ứng dụng chính của mỗi loại quang phổ.
8- Nêu được phép phân tích quang phổ.
9- Nêu được bản chất, cách phát, các đặc điểm và công dụng của tia hồng ngoại, tia tử ngoại, tia
X.
10- Kể được tên của các vùng sóng điện từ kế tiếp nhau trong thang sóng điện từ theo bước sóng.
2.2 Chuẩn kỹ năng
1- Giải được các bài tập về hiện tượng giao thoa ánh sáng.

2- Xác định được bước sóng ánh sáng theo phương pháp giao thoa bằng thí nghiệm.[4]
III. Sơ đồ kiến thức Vật lý cơ bản trong chương
4
Sóng ánh sáng
Bản chất
sóng của AS
Bức xạ không
nhìn thấy
HT
tán
sắc
ánh
sáng
HT
giao
thoa
ánh
sáng
Tia
hồng
ngoại
Tia
tử
ngoại
Tia
X
HT
nhiễu
xạ
ánh

sáng
QP liên tục.
QP vạch
phát xạ.
QP vạch hấp
thụ
Các loại
quang phổ
Thuyết
điện từ
về
ánh
sáng,
thang
sóng
điện từ
Phép
phân
tích
QP




   


Máy
QP
lăng

kính
Ngô Thị Diễm Phúc Chương Sóng ánh sáng
Trong đó,
-  đến

tương ứng với các chuẩn kiến thức đã đưa ra.
-  là ứng dụng của chuẩn kiến thức .
- Về mặt thực nghiệm  có thể thu được từ  và  phải dựa vào .
- Các chuẩn kỹ năng chủ yếu dựa vào chuẩn kiến thức .
IV. Nghiên cứu các kiến thức theo sơ đồ trên
4.1 Hiện tượng tán sắc ánh sáng
Lẽ ra hai hiện tượng trực tiếp thể hiện tính chất sóng của ánh sáng là hiện tượng giao thoa và
hiện tượng nhiễu xạ phải được nói đến trước. Tuy nhiên, SGK trình bày về hiện tượng tán sắc trước
là để HS có một khái niệm rõ ràng về ánh sáng đơn sắc và ánh sáng trắng, từ đó mới tìm hiểu được
hiện tượng giao thoa và hiện tượng nhiễu xạ. Trong tài liệu này cũng đi theo hướng trình bày đó để
GV thuận tiện hơn trong việc tham khảo và hỗ trợ cho giảng dạy.
4.1.1 Khái niệm ánh sáng đơn sắc và ánh sáng trắng
4.1.1.1 Ánh sáng đơn sắc
Khái niệm ánh sáng đơn sắc được hoàn thiện dần trong 2 bài.
- Trong bài 35 “Tán sắc ánh sáng”, HS được biết ánh sáng đơn sắc là ánh sáng không bị tán sắc mà
chỉ bị lệch khi qua lăng kính.
- Đến bài 37 “Khoảng vân. Bước sóng và màu sắc ánh sáng” HS được biết thêm ánh sáng đơn sắc là
ánh sáng có tần số hoàn toàn xác định.
5
Ngô Thị Diễm Phúc Chương Sóng ánh sáng
Tuy nhiên, để HS đạt được yêu cầu của chuẩn kiến thức (2-), sau khi HS học bài 41 “Tia X.
Thuyết điện từ ánh sáng. Thang sóng điện từ” GV cần làm rõ cho HS thấy màu sắc của ánh sáng
được xác định bởi tần số chứ không phải là bước sóng như cách trình bày của SGK.
Thật vậy, bước sóng của ánh sáng đơn sắc trong chân không là
(1)

Với c là tốc độ ánh sáng trong chân không, f là tần số ánh sáng. Nhưng trong một môi trường
khác ánh sáng truyền đi với tốc độ v bất kỳ nhỏ hơn c
(2)
Trong đó, n là chiết suất của môi trường. Lúc đó ánh sáng đơn sắc đó có bước sóng
(3)
Như vậy, khi truyền từ môi trường này sang môi trường khác bước sóng ánh sáng thay đổi.
Đối với các môi trường khác nhau bước sóng ánh sáng thay đổi khác nhau.
Với các loại ánh sáng đơn sắc khác nhau chiết suất của một môi trường cũng có các giá trị
khác nhau. Bằng lý thuyết ête đàn hồi, Cauchy đã đưa ra công thức về sự phụ thuộc của chiết suất
vào bước sóng theo hàm số sau:
(4)
Trong đó, là bước sóng ánh sáng trong chân không, các hằng số từ C trở về sau rất bé có thể
bỏ qua. Tức là chiết suất tăng khi bước sóng giảm. Cũng cần biết tốc độ biến thiên của chiết suất
theo bước sóng
(5)
chính là độ tán sắc.[3]
Như vậy, ánh sáng đơn sắc là ánh sáng có tần số xác định, ứng với bước sóng trong chân
không xác định, tương ứng với một màu xác định, chiết suất của môi trường (các chất trong suốt)
phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng trong chân không, chiết suất giảm khi bước sóng tăng. Chiết suất
của các chất trong suốt biến thiên theo màu sắc ánh sáng và tăng dần từ màu đỏ đến màu tím.
6
Ngô Thị Diễm Phúc Chương Sóng ánh sáng
Và thực ra không thể tạo ra ánh sáng tuyệt đối đơn sắc mà chỉ có thể tạo được ánh sáng có
bước sóng nằm trong một khoảng nhỏ từ đến , nếu càng bé thì ánh sáng tạo ra
càng gần với ánh sáng đơn sắc.[1]
4.1.1.2 Ánh sáng trắng
Ánh sáng trắng là tập hợp của nhiều ánh sáng đơn sắc khác nhau có màu từ đỏ tới tím. Ánh
sáng trắng là một trường hợp của ánh sáng phức tạp hay ánh sáng đa sắc.
Chùm ánh sáng trắng của mặt trời khi đi qua lăng kính bị phân tách thành các chùm sáng có
màu khác nhau.

4.1.2 Khái niệm hiện tượng tán sắc ánh sáng
Người đầu tiên nghiên cứu hiện tượng tán sắc là Niu tơn. Thí nghiệm tán sắc ánh sáng với
lăng kính của Niu tơn cho thấy một chùm hẹp ánh sáng trắng của mặt trời khi đi qua lăng kính bị
phân tách thành một dải màu giống như màu sắc cầu vồng gồm 7 màu chính: đỏ, cam, vàng, lục,
lam,chàm, tím. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng tán sắc ánh sáng bởi lăng kính. Dải màu có màu sắc
thay đổi liên tục từ đỏ đến tím gọi là phổ của ánh sáng trắng. Đây là một phần nội dung theo yêu
cầu của chuẩn kiến thức (1-) mà HS cần đạt được.
H.1 Sự tán sắc của ánh sáng trắng qua lăng kính
Thí nghiệm với các ánh sáng phức tạp khác như đèn dây tóc, hồ quang… cũng cho kết quả
tương tự. Và khi thay lăng kính bằng các dung dịch trong suốt khác nhau người ta vẫn quan sát thấy
hiện tượng tán sắc ánh sáng với phổ có độ dài khác nhau. Do đó, có thể nêu khái quát khái niệm
7
Ngô Thị Diễm Phúc Chương Sóng ánh sáng
hiện tượng tán sắc là hiện tượng một chùm ánh sáng phức tạp bị phân tách thành các chùm ánh sáng
đơn sắc khác nhau khi truyền trong môi trường không phải chân không (thủy tinh chẳng hạn).
Tuy nhiên, để rút ra được khái niệm ánh sáng trắng là tổng hợp của nhiều ánh sáng đơn sắc thì
phải tiến hành thí nghiệm ngược lại, để dải màu vừa bị tán sắc đó đi qua một lăng kính thứ hai thì
sẽ thu được trên màn một chùm ánh sáng trắng. Và để rút ra được khái niệm ánh sáng đơn sắc là
ánh sáng không bị tán sắc mà chỉ bị lệch khi đi qua lăng kính thì phải làm thí nghiệm tách lấy một
màu vừa bị tán sắc và cho qua lăng kính thứ hai, chùm sáng đó vẫn giữ nguyên màu cũ nhưng bị
lệch xuống đáy lăng kính.
H.2 Thí nghiệm về sự lệch của ánh sáng đơn sắc khi đi qua lăng kính
Thí nghiệm này đồng thời cũng chứng tỏ rằng không phải lăng kính làm thay đổi màu sắc của
ánh sáng chiếu vào nó mà chỉ làm các ánh sáng có màu sắc khác nhau bị lệch theo những góc khác
nhau và góc lệch đó phụ thuộc và bước sóng của ánh sáng và tính chất của lăng kính.
4.1.3 Giải thích hiện tượng tán sắc ánh sáng
Theo lý luận trên, nguyên nhân của hiện tượng tán sắc ánh sáng chính là sự phụ thuộc của
chiết suất môi trường vào bước sóng của ánh sáng tới. Chiết suất của môi trường đối với các ánh
sáng đơn sắc có bước sóng khác nhau là khác nhau. Ánh sáng trắng là tổng hợp của nhiều ánh sáng
đơn sắc khác nhau có màu từ đỏ tới tím, trong đó ánh sáng tím có bước sóng ngắn nhất và ánh sáng

đỏ có bước sóng dài nhất
Màu ánh sáng
Bước sóng ( ) (trong chân không)
Đỏ 0,640 0,760
Cam 0,590 0,650
Vàng 0,570 0,600
Lục 0,500 0,575
Lam 0,450 0,510
Chàm 0,430 0,460
8
Ngô Thị Diễm Phúc Chương Sóng ánh sáng
Tím 0,380 0,440
Qua bảng này, GV cần lưu ý cho HS rằng ranh giới giữa các bước sóng ứng với các màu đơn
sắc là không rõ ràng. Và theo (4) thì ánh sáng tím có bước sóng nhỏ nhất nên chiết suất của lăng
kính đối với ánh sáng tím là lớn nhất, và ngược lại chiết suất của lăng kính đối với ánh sáng đỏ là
nhỏ nhất. Mà theo chương trình lớp 11 đã học thì chiết suất môi trường càng lớn thì góc lệch của tia
sáng càng lớn. Do đó, trong thí nghiệm trên, trong các ánh sáng đơn sắc thành phần của ánh sáng
trắng khi đi qua lăng kính thì ánh sáng tím bị lệch nhiều nhất còn ánh sáng đỏ bị lệch ít nhất, giữa
hai màu này là tất cả các màu khác của quang phổ lần lượt tạo thành một dải màu liên tục. Trình
bày được nội dung này tức là HS đã đạt được phần còn lại theo yêu cầu của chuẩn kiến thức (1-).
Để giải thích được sự phụ thuộc của chiết suất của môi trường vào bước sóng của ánh sáng
kích thích thì dựa theo thuyết êlectron cổ điển về sự tán sắc ánh sáng. Theo thuyết này ánh sáng
tương tác với các hạt mang điện cấu tạo nên môi trường. Trong trường điện từ xoay chiều của sóng
ánh sáng, các điện tích này sẽ thực hiện các dao động cưỡng bức. Biên độ của dao động cưỡng bức
phụ thuộc vào hiệu f – f
o
giữa tần số ánh sáng kích thích f và tần số dao động riêng f
o
của điện tích.
Đối với ánh sáng nhìn thấy được (f : 10

15
Hz) thì chỉ có êlectron vành ngoài, có liên kết yếu nhất với
các nguyên tử, ion hay phân tử, mới có những dao động cưỡng bức đáng kể. Những êlectron này
gọi là các êlectron quang học.
Dao động của các êlectron quang học kéo theo sự thay đổi mômen lưỡng cực điện của phân tử
và do đó, có sự thay đổi của độ phân cực điện, độ điện thẩm, hằng số điện môi. Mặt khác, chiết suất
của mội trường lại có liên quan đến hằng số điện môi nên rõ ràng chiết suất đó sẽ phụ
thuộc vào tần số ánh sáng kích thích.
Ánh sáng đơn sắc khi truyền từ môi trường này sang môi trường khác tần số không thay đổi,
còn bước sóng có thể thay đổi, màu sắc được xác định bằng tần số chứ không phải bằng bước sóng
cho nên khi ánh sáng truyền qua những môi trường khác nhau thì nó vẫn không thay đổi màu.[8]
Ở phần giải thích này, trong SGKNC, câu hỏi C2 được đưa ra giúp học sinh nhớ lại kiến
thức về sự phụ thuộc của góc lệch D vào chiết suất của lăng kính đã được học ở chương trình Vật lý
11. Qua việc trả lời câu hỏi này, HS sẽ hiểu kiến thức một cách một cách rõ ràng và sâu sắc hơn.
4.1.4 Hiện tượng tán sắc trong thực tế
Hiện tượng tán sắc xảy ra đồng thời với hiện tượng khúc xạ nên rất phổ biến. Tuy nhiên
thường các màu hay bị lẫn với màu trắng nên ta không nhận thấy hiện tượng tán sắc.
9
Ngô Thị Diễm Phúc Chương Sóng ánh sáng
Để nhìn thấy hiện tượng tán sắc qua một lần khúc xạ, ta hãy nhìn một hạt gạo hoặc mảnh sứ
trắng trong nước sâu, mắt đặt gần mặt nước. Ta thấy ảnh hạt gạo nhòe thành dải nhiều màu.
Một góc bể cá vàng hình hộp có thể coi như lăng kính bằng nước, có góc chiết quang 90
0
. Để
mắt nhìn sát mặt bên, ta cũng thấy quang phổ nếu ở phía mặt bên vuông góc có một ngọn đèn.
Cũng tương tự như vậy, giọt sương có màu rất đẹp khi có ánh sáng mặt trời chiếu vào, nếu ta
nhìn nó từ một vị trí thích hợp.
Xét ví dụ về hiện tượng tán sắc ánh sáng trong tự nhiên là cầu vồng.
Cầu vồng là hiện tượng tán sắc ánh sáng Mặt trời qua các giọt nước nhỏ có trong khí quyển.

(a) (b)
H.3 Cầu vồng đơn và cầu vồng kép
Tia sáng Mặt trời tới một giọt nước mưa rơi xuống từ đám mây, bị khúc xạ lần đầu, sau đó
bị phản xạ trong giọt nước, và cuối cùng bị khúc xạ lần thứ hai ra khỏi giọt nước đi tới mắt ta.
Người ta chứng minh được rằng, chùm tia ló khỏi giọt nước đạt cường độ cực đại khi độ lệch trung
bình của nó đối với chùm tia tới vào khoảng 40
o
÷
42
o
. Giọt nước đóng vai trò một hệ tán sắc giống
như lăng kính: chùm tia tím T bị lệch nhiều hơn chùm tia đỏ Đ.
H.4 Minh họa nguyên tắc tạo ra cầu vồng
10
B là đám mây tạo mưa
S là chùm sáng Mặt trời
O là mắt quan sát viên đứng trên mặt đất
G là giọt nước, tại đó có sự khúc xạ và phản
xạ tia sáng mặt trời tới nó.
O là mắt quan
Ngô Thị Diễm Phúc Chương Sóng ánh sáng
Một người muốn trông thấy cầu vồng phải đảm bảo hai điều kiện:
+ Người quan sát phải ở khoảng giữa Mặt trời và các giọt nước mưa.
+ Góc giữa mặt trời, giọt nước, người quan sát phải nằm trong khoảng 40
o
÷
42
o
.
Do hai điều kiện đó, ta chỉ có thể trông thấy cầu vồng tạo nên bởi những giọt nước mưa trên

bầu trời vào buổi sáng và buổi chiều. Ở biên trên của cầu vồng là tia đỏ đến từ những giọt nước
mưa phía trên, ứng với góc 42
o
. Còn ở biên giới của cầu vồng là tia tím đến từ những giọt nước
mưa ở phía dưới, ứng với góc 40
o
. Nằm ở giữa theo thứ tự từ trên xuống là các tia sáng màu cam,
vàng, lục và chàm, gộp với hai màu ngoài cùng đỏ và tím thành bảy sắc cầu vồng (H.3a).
Nếu tia sáng mặt trời phản xạ hai lần bên trong các giọt nước thì sẽ hình thành cầu vồng kép.
Chiếc cầu vồng thứ hai có thứ tự ngược lại với chiếc cầu vồng thứ nhất, tức là màu tím ở trên cùng,
rồi đến các màu chàm, lam, lục, vàng, cam, đỏ (H.3b).
4.2 Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng
Chuẩn kiến thức trong phần này chỉ yêu cầu học sinh trình bày được thế nào là hiện tượng
nhiễu xạ ánh sáng nên SGK chỉ dừng lại ở việc mô tả thí nghiệm về hiện tượng nhiễu xạ rồi đưa ra
định nghĩa mà không đi sâu khảo sát hiện tượng nhiễu xạ.
Hiện tượng nhiễu xạ là một hiện tượng phức tạp, do đó, việc khảo sát một cách chi tiết hiện
tượng này được đưa vào bậc đại học, còn ở bậc trung học phổ thông, để thấy được bản chất sóng
của ánh sáng, học sinh chỉ cần đi sâu vào khảo sát và tìm hiểu hiện tượng giao thoa ánh sáng.
Có thể thấy rằng, việc trình bày hiện tượng nhiễu xạ trong SGK còn quá sơ lược, do đó, rất
khó để học sinh có thể hiểu được bản chất của hiện tượng nhiễu xạ và giải thích được tại sao hiện
tượng nhiễu xạ là một bằng chứng chứng tỏ tính chất sóng của ánh sáng.
Do đó, để GV có thể giải thích về hiện tượng nhiễu xạ khi HS có thắc mắc, tài liệu này sẽ
trình bày rõ hơn về cơ chế, các loại nhiễu xạ và giải thích hiện tượng nhiễu xạ.
4.2.1 Khái niệm
Thí nghiệm trên chứng tỏ khi đi qua vật chắn các tia sáng đã lệch khỏi phương truyền thẳng.
Từ đó có thể nêu khái niệm: Hiện tượng tia sáng bị lệch khỏi phương truyền thẳng khi đi gần
các chướng ngại vật được gọi là hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng.
Như vậy, hiện tượng nhiễu xạ nêu ra giới hạn áp dụng của định luật truyền thẳng ánh sáng và
do đó không thể dựa vào quang hình học để giải thích được mà phải sử dụng quan điểm mới, xem
ánh sáng có tính chất sóng. Trình bày được nội dung này là HS đã đạt được yêu cầu của chuẩn kiến

11
Ngô Thị Diễm Phúc Chương Sóng ánh sáng
thức (2-).
4.2.2 Nhiễu xạ gây bởi các sóng cầu
Để giải thích hiện tượng nhiễu xạ phải dựa vào nguyên lý Huyghen. Theo nguyên lý đó, bất kỳ
một điểm nào mà ánh sáng truyền đến đều trở thành nguồn sáng thứ cấp phát ánh sáng về phía
trước nó. Tuy nhiên, nguyên lý này mới chỉ giải thích về mặt định tính mà chưa đề cập đến vấn đề
định lượng. Do đó phải bổ sung nguyên lý của Fresnel: “biên độ và pha của nguồn thứ cấp là biên
độ và pha do nguồn thực gây ra tại vị trí của nguồn thứ cấp” và sử dụng phương pháp Fresnel mới
giải thích cụ thể được.
4.2.2.1 Phương pháp đới cầu Fresnel
H.5 Đới cầu Fresnel
Xét một nguồn điểm S và điểm được chiếu sáng M.
Dựng một mặt cầu bao quanh S, bán kính R<SM (H.5). Đặt MB = b.
Vẽ các mặt cầu tâm M có bán kính lần lượt là trong đó là
bước sóng của ánh sáng do nguồn S phát ra. Các mặt cầu chia thành các đới gọi là
đới cầu Fresnel.
Với cách dựng như vậy, diện tích các đới cầu Fresnel đều bằng nhau và bằng:
(6)
Bán kính r
k
của đới cầu thứ k bằng:
(7)
12
Ngô Thị Diễm Phúc Chương Sóng ánh sáng
trong đó k = 1,2,3,…
Theo nguyên lí Huygens, mỗi đới cầu có thể được coi là nguồn sáng thứ cấp phát ánh sáng tới
điểm M. Gọi a
k
là biên độ dao động sáng do đới cầu thứ

k
gây ra tại M. Khi
k
tăng, các đới cầu
càng xa điểm M và góc nghiêng
θ
tăng (H.5), do đó

a
k
giảm: a
1
> a
2
> a
3
....
Vì khoảng cách từ các đới cầu đến điểm M và góc nghiêng
θ
tăng rất chậm, nên các biên độ a
k
giảm chậm và có thể coi biên độ dao động sáng do đới thứ k gây ra tại M bằng trung bình cộng của
biên độ dao động sáng do hai đới bên cạnh gây ra:
(8)
Khi k khá lớn thì ..
Khoảng cách từ hai đới cầu kế tiếp tới điểm M khác nhau . Các đới cầu đều nằm trên cùng
một mặt sóng nên pha dao động của các điểm trên mọi đới cầu đều như nhau. Kết quả, hiệu pha
dao động do hai đới cầu kế tiếp gây ra tại M là:
(9)
Như vậy hai dao động sáng đó ngược pha nhau nên chúng sẽ khử lẫn nhau. Vì M ở khá xa

mặt , ta coi các dao động sáng do các đới cầu gây ra tại M cùng phương, do đó, dao động sáng
tổng hợp do các đới cầu gây ra tại M sẽ là:
(10)
Phương pháp đới cầu Fresnel được sử dụng để khảo sát hiện tượng nhiễu xạ của ánh sáng qua
lỗ tròn, đĩa tròn và qua khe hẹp.
4.2.2.2 Nhiễu xạ qua lỗ tròn
13
Ngô Thị Diễm Phúc Chương Sóng ánh sáng
H.6 Sự nhiễu xạ của ánh sáng qua lỗ tròn
Trên H.6, khi ánh sáng truyền từ nguồn O qua một lỗ tròn trên màng chắn P, trên màn quan sát
E nhận được một vệt sáng tròn. Nếu thu nhỏ kích thước của lỗ lại thì theo định luật truyền thẳng,
kích thước của ab của lỗ cũng nhỏ lại.
Thực nghiệm cho thấy khi kích thước của lỗ thu nhỏ đến một mức nào đó thì trên màn quan
sát sẽ xuất hiện những vân tròn sáng tối xen kẽ nhau. Trong phạm vi ab (trong vùng sáng hình học)
ta thấy có cả vân tối, ngoài phạm vi ab (trong cùng tối hình học) ta cũng có thể thấy có vân sáng,
đặc biệt tại tâm C có thể sáng hay tối tùy thuộc vào kích thước của lỗ và khoảng cách từ lỗ tới màn.
H.7 cho thấy hình ảnh nhiễu xạ qua hai trường hợp trên.

H.7 Hình ảnh nhiễu xạ qua lỗ tròn
Để giải thích hiện tượng trên ta xét sự truyền ánh sáng từ một nguồn điểm S đến một điểm M
qua một lỗ tròn AB khoét trên mèn chắn (S và M nằm trên trục của lỗ). Vẽ mặt cầu tâm M, tựa
vào lỗ AB. Dùng M làm tâm vẽ đới cầu Fresnel trên mặt . Giả sử lỗ tròn chứa n đới Fresnel.

H.8 Đới cầu Fresnel trong trường hợp nhiễu xạ qua lỗ tròn
Biên độ dao động sáng tổng hợp tại M:
(11)
Trong đó, +a
n
nếu n lẻ và –a
n

nếu n chẵn. Thay (8) vào (11) và rút gọn ta được
14