Xây dựng hệ thống bài tập tán sắc và giao thoa ánh sáng

Sở giáo dục và đào tạo NINH BìNH
Trờng THPT CHUYÊN LƯƠNG VĂN TụY
------

-----

SáNG KIếN
XY DNG H THNG BI TP
TN SC VÀ GIAO THOA ÁNH SÁNG
(DÙNG CHO HỌC SINH CHUYÊN LÝ VÀ BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI)

TÁC GIẢ: Th.S NGUYỄN THỊ PHƯƠNG DUNG
TỔ VẬT LÍ – TRƯỜNG THPT CHUYÊN LƯƠNG VĂN TY

Ninh Bình, tháng 9 năm 2017


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

ĐƠN YÊU CẦU CÔNG NHẬN SÁNG KIẾN

Kính gửi: HỘI ĐỒNG SÁNG KIẾN CẤP TỈNH

Tơi ghi tên dưới đây:
TT

Họ và tên

Ngày Nơi công tác Chức
tháng năm

vụ
sinh

1

THPTchuyên
Nguyễn Thị Phương Dung 16/1/1983 Lương Văn Tổ phó
Tụy

I.

Tên sáng kiến, lĩnh vực áp dụng:

Trình độ
chun mơn

Tỷ lệ (%) đóng
góp vào việc tạo
ra sáng kiến

Thạc sĩ

100%

XÂY DỰNG HỆ THỐNG BÀI TẬP TÁN SẮC VÀ GIAO THOA ÁNH SÁNG
(DÙNG CHO HỌC SINH CHUYÊN LÝ VÀ BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI)
Lĩnh vực áp dụng: Dạy và học môn Vật lý (dùng cho học sinh chuyên Lý và bồi dưỡng học
sinh giỏi)
II. Nội dung sáng kiến
1. Giải pháp cũ thường làm

a) Mô tả giải pháp cũ
Hiện tượng tán sắc ánh sáng bắt đầu được đưa vào từ chương trình vật lý lớp 9, nhưng
học sinh được học sâu hơn cùng với kiến thức về giao thoa ánh sáng trong chương Sóng ánh
sáng của Vật lí lớp 12.


• Trong các sách giáo khoa, thậm chí cả trong tài liệu giáo khoa chuyên Lý và sách bài

tập Vật lí, lý thuyết và bài tập về tán sắc và giao thoa ánh sáng chưa nhiểu, chưa sâu, mới
dừng lại ở mức độ giới thiệu phục vụ ôn luyện thi đại học (chỉ giao thoa với khe Y-âng), ít
kiến thức được vận dụng. Trong khi đây là nội dung có trong các đề thi HSG cấp tỉnh, cấp
Quốc gia và cả các đề thi khu vực và quốc tế. Trong các tài liệu tham khảo môn vật lý THPT
hiện nay, những bài tập nâng cao về tán sắc và giao thoa ánh sáng cũng chỉ rời rạc, vụn vặt,
chưa có tài liệu nào xây dựng hệ thống bài tập này một cách đầy đủ.
• Bài tập vật lý liên quan tới tán sắc và giao thoa ánh sáng trong các đề thi học sinh

giỏi cấp tỉnh, cấp khu vực, cấp Quốc gia thường đa dạng và khó. Để có tài liệu dạy đội
tuyển, giáo viên thường phải dày cơng tìm tịi từ nhiều nguồn tư liệu.
• Nhiều bài tập về tán sắc và giao thoa ánh sáng trong sách giáo khoa và sách bài tập

vật lí ở cả hai chương trình cơ bản và nâng cao đều khơng có hình vẽ minh họa. Trong các
tài liệu tham khảo, hình vẽ minh họa cũng rất ít.
b) Nhược điểm của giải pháp cũ
• Mảng kiến thức và bài tập Vật lí hiện đại nói chung trong đó có bài tập về tính chất

sóng của ánh sáng ngày càng được đưa vào nhiều trong các đề thi HSG các cấp. Để giải
được các dạng bài tập này, học sinh cần hiểu được sâu sắc lý thuyết về sóng ánh sáng, cần
được rèn luyện làm bài tập về sóng ánh sáng đầy đủ và sâu hơn. Nhưng sách bài tập giáo
khoa và các sách bồi dưỡng học sinh giỏi hiện hành chưa đáp ứng được u cầu này.

• Nhiều năm qua việc ơn luyện và giải các bài tập về tán sắc và giao thoa ánh sáng của

học sinh chuyên và học sinh trong các đội tuyển ôn thi HSG thường là các bài tốn đơn lẻ
khơng mang tính khái qt và đầy đủ. Bởi bài tập nâng cao phần này nằm rải rác ở các sách
tham khảo khác nhau chứ chưa có một hệ thống chỉnh thể đầy đủ các dạng để học sinh tự
đọc tự học được.


Đối với giáo viên, khi tham gia bồi dưỡng HSG phần này bắt buộc phải tham khảo rất
nhiều tài liệu từ nhiều phương tiện, phải tự mày mò, chắt lọc bài tập ở các tài liệu
khác nhau và sắp xếp theo kinh nghiệm của bản thân để dạy cho học sinh, nhất là
HSG quốc gia, do đó mất rất nhiều thời gian và cơng sức, tốn kém nhiều tiền bạc.
• Do bài tập thiếu tính hệ thống còn học sinh chưa đủ kĩ năng và kinh nghiệm để hệ

thống và phân loại kiến thức nên các em khó có thể hiểu được một cách bao quát, đầy đủ các
dạng bài tập về tán sắc và giao thoa ánh sáng.


• Bài tập về sóng ánh sáng là một trong các dạng bài khó và trừu tượng đối với học

sinh THPT, thiếu hình minh họa trong các đề bài tập càng làm các em khó hình dung hiện
tượng, gây cảm giác ngại làm bài tập, lười suy nghĩ cho HS, nhất là đối với các học sinh kém
tư duy trừu tượng.
2. Giải pháp mới cải tiến

Tính mới của giải pháp là:


Chứng minh làm rõ một số vấn đề lí thuyết về giao thoa với bản mỏng và nêm khơng
khí (vấn đề SGK chưa đề cập đến nhưng các bài tập nâng cao thì phải sử dụng đến

phần lí thuyết này)



Biên soạn hệ thống bài tập về tán sắc và giao thoa ánh sáng một cách khoa học, đầy
đủ, bao chùm được tất cả các kiến thức và có hình vẽ minh họa cho mỗi bài.

- Tác giả sử dụng phương pháp bản đồ tư duy để hệ thống kiến thức và phân loại bài
tập. Do đó hệ thống bài tập về tán sắc và giao thoa ánh sáng được xây dựng là rất logic, đa
dạng, phong phú, thể hiện kiến thức bao chùm từ cơ bản đến phức tạp, từ dễ đến khó, phù
hợp với trình độ nhận thức của học sinh, có thể dành cho nhiều đối tượng học sinh mới học
đến những học sinh dự thi HSG quốc gia.
- Hệ thống bài tập lựa chọn đưa vào trong đề tài là bài tập tính tốn, được phân loại
theo mức độ nhận thức: từ bài tập dành cho HS chuyên Lý mới học, đến bài tập nâng cao
dành cho học sinh khá, giỏi; bài tập hay và khó dành cho học sinh giỏi ôn luyện thi học sinh
giỏi Quốc gia, quốc tế.
- Mỗi chủ đề đều có những bài tập điển hình được chọn làm ví dụ để hướng dẫn học
sinh phương pháp tư tuy, phân tích hiện tượng. Từ đó giúp HS hiểu được phương pháp làm
các bài tập khác. Đây là tính sáng tạo hiệu quả của đề tài.
• Vật lí là mơn khoa học của thực nghiệm và các hiện tượng tự nhiên. Muốn giải tốt

các bài tốn Vật lí, địi hỏi người học phải hiểu và phân tích đúng hiện tượng bài ra. Hình vẽ
minh họa cho đề bài cũng như hình vẽ chi tiết cho lời giải là một cách mô tả hiệu quả nhất
cho hiện tượng và nội dung của đề bài; nó có sức thuyết phục lơi cuốn người đọc và làm cho
người đọc dễ hiểu đề bài hơn rất nhiều lời giải thích. Hiểu được tầm quan trọng đó, các tác
giả đã rất cố gắng để vẽ các hình minh họa kèm theo mỗi bài tập. Các hình vẽ có mầu sắc
sinh động giúp người đọc cảm nhận sự tươi mới, nhẹ nhàng, tạo hứng thú, bớt sự căng thẳng
khi gặp bài khó.

• Đề tài sáng kiến này được tác giả biên soạn và giới thiệu 65 bài tập bao chùm toàn

bộ kiến thức nâng cao về tán sắc và giao thoa ánh sáng. Trong đó có 50 bài tập điển hình
được chọn làm ví dụ, đều có lời giải rõ ràng, phân tích chi tiết để có thể sử dụng sử dụng tài
liệu làm giáo trình giảng dạy, giáo trình tự học, tự nghiên cứu và 15 bài tập tự giải dành cho
học sinh tự ôn luyện.
III. Hiệu quả kinh tế và xã hội đạt được
1. Hiệu quả kinh tế:
a) Đánh giá lợi ích thu được:
Nội dung sáng kiến là tài liệu tham khảo hữu ích cho giáo viên, học sinh khi nghiên
cứu Vật lý. Giúp cho việc học tập phần Quang học sóng mơn Vật lí được dễ dàng, hiệu quả;
khơng cần mất thời gian, sức lực, trí óc để tìm và tổng hợp kiến thức. Giúp học sinh rèn kỹ
năng tự học tự nghiên cứu, có khái niệm cơ bản về tính chất sóng ánh sáng. Rút ngắn khoảng
cách giữa chương trình Vật lí phổ thơng chun hiện nay với nội dung thi mơn Vật lí trong
các kỳ thi học sinh giỏi quốc gia, quốc tế.
Nếu phổ biến đề tài này, những giáo viên và học sinh cần nghiên cứu về tính chất sóng
ánh sáng, cần sưu tập hệ thống bài tập về sóng ánh sáng đầy đủ các chuyên đề từ cơ bản đến
nâng cao bồi dưỡng HSG, sẽ khơng mất chi phí mua sách hoặc download những tài liệu cần
bản quyền.
b) Ước tính:



Chi phí in và đóng bìa 1 cuốn tài liệu (100 trang A4) là 30.000 đồng.
Chi phí mua các giáo trình để có nội dung kiến thức về phần này là 260.000 đồng
(gồm giáo trình Quang học- Tác giả Đặng Thị Mai- NXB GD, giá bìa 17.000 đồng;
giáo trình Vật lí đại cương các ngun lí và ứng dụng) - Tác giả Trần Ngọc Hợi Phạm Văn Thiều, giá bìa 101.000 đồng; Bài tập vật lí nâng cao THPT- tập 5, Tác giả
Ngơ Quốc Qnh, giá bìa 25.000 đồng; giáo trình Bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lí
THPT- tác giả Vũ Thanh Khiết, giá bìa 45.000đồng; Giáo trình Bồi dưỡng HSG Vật lí
THPT Quang học 2- tác giả Vũ Quang, giá bìa 25.000; Giáo trình Quang học1 - sách

hợp tác Pháp, NXB GD, giá bìa 47.000).
Như vậy chi phí tiết kiệm được cho mỗi học sinh là: 290.000 đồng.


Tài liệu sử dụng cho các học sinh và giáo viên chuyên Lý. Nếu tất cả giáo viên chuyên
và học sinh chuyên cả nước đều sử dụng thì dự kiến chi phí tiết kiệm được cho mỗi khóa học
sẽ là:
+ 290.000 x 40 (học sinh + giáo viên) x 64 tỉnh = 742,4 triệu đồng/khóa học.
+ Có thể sử dụng đề tài để giảng dạy ở trường THPT chuyên, mà khơng mất chi phí bản
quyền cho người viết giáo trình.
3. Hiệu quả xã hội:

Đề tài sáng kiến này đã được tác giả triển khai thực nghiệm từ năm học 2013 - 2014
cho lớp chuyên Lý và Đội tuyển HSG Quốc gia của trường THPT chuyên Lương Văn Tụy.
Hiệu quả mà sáng kiến này cùng với các chuyên đề kiến thức khác nữa mang lại về mặt giáo
dục, xã hội trước hết là kết quả thi đại học, thi HSG các cấp của HS. Trước khi thực hiện đề
tài, các kết quả thi cũng tương đối cao, nhưng từ khi thực hiện đề tài các kết quả thi là vượt
trội hơn rất nhiều, cụ thể như sau:
2.1. Kết quả thi HSG
a. Thi HSG lớp 12 cấp tỉnh (kết quả của lớp tác giả trực tiếp phụ trách giảng dạy)
- Năm học 2013 – 2014: Lớp 11 chuyên lý dự thi lớp 12 đạt giải: 1 nhất, 5 nhì, 3 ba, 1
khuyến khích.
- Năm học 2014 – 2015 Lớp 12 Lý đạt: 1 nhất, 4 nhì, 2 ba, 2 khuyến khích.
- Năm học 2016 - 2017: lớp 11 Lý dự thi lớp 12 đạt: 1 nhất, 3 nhì, 4 ba, 4KK
b. Thi HSG Khu vực Duyên Hải Đồng bằng Bắc Bộ (Kì thi dành cho HS lớp 10,11 chuyên
Lý các trường chuyên; Nội dung phần sóng ánh sáng có trong chương trình thi của lớp 11)
- Năm học 2013 – 2014: lớp 11 lý có 3/3 HS đạt: 1 HCB, 2 HCĐ.
- Năm học 2016 – 2017: lớp 11 Lý có 3/3 HS đạt: 2 HCV và 1 HCB.
c. Thi HSG quốc gia:
Số lượng giải tăng đều trong ba năm thực nghiệm đề tài sáng kiến.

- Năm học 2014-2015: 2 giải ba
- Năm học 2015-2016: 6/6 em đều đoạt giải với 1 nhì, 1 ba, 4 khuyến khích
- Năm học 2016-2017: 6/6 em đoạt giải với 1 nhì, 1 ba, 4 khuyến khích.
IV. Điều kiện và khả năng áp dụng
Có thể áp dụng ngay tại các trường THPT chuyên đối với lớp chuyên Lý, Đội tuyển
HSG Quốc gia; hoặc tại các trường THPT ở các lớp bồi dưỡng học sinh giỏi để dự thi cấp
tỉnh.
Sáng kiến đã tham dự Hội nghị khoa học các trường THPT chuyên khu vực Duyên hải và
Đồng bằng bắc bộ năm 2016 tại Hịa Bình, được bạn bè đồng nghiệp trong khối các trường
chuyên đánh giá cao, được xếp loại xuất sắc thứ 2 trong tổng số 36 đề tài của các trường dự
thi và được in thành tài liệu tham khảo cho giáo viên dạy chuyên Lý các trường trong khu
vực. Vì vậy khả năng áp dụng đề tài sáng kiến này vào thực tế là khả quan, dễ áp dụng,
mang lại hiệu quả rõ rệt.
Có thể tiếp tục mở rộng và phát triển tiếp trong những năm học sau.
V. Những cá nhân và đơn vị đã áp dụng sáng kiến
TT

Họ và tên

Năm
sinh

1

Trần Văn Kiên

1974

2
3
4
5

Nguyễn Văn Niệm 1954
Bùi Khương Duy

Nơi cơng tác
Chun Lương
Văn Tụy

Chức
danh

Trình độ
chun
mơn

Phó HT

Thạc sĩ

Nội dung cơng việc
hỗ trợ
Giảng dạy chuyên
đề Quang học sóng

Chuyên Lương Nguyễn Cử nhân
Văn Tụy

tổ trưởng

1979

Chuyên Lương
Văn Tụy

Tổ
trưởng

Thạc sĩ

Đoàn Xuân Huỳnh 1981

Chuyên Lương
Văn Tụy

Giáo
viên

Thạc sĩ

Giảng dạy chuyên
đề Quang học sóng
Giảng dạy chuyên
đề Quang học sóng

Phạm Thu Hồi

1986

Chun Lương
Văn Tụy

Giáo
viên

Cử nhân Giảng dạy chun
đề Quang học sóng

Trần Thị Ngoan

1969

THPT Chu Văn
An - Hà Nội

Giáo
viên

Thạc sĩ

Giảng dạy chuyên
đề Quang học sóng


- Tập thể học sinh lớp chuyên Lý ( 2011-2014) và lớp chuyên Lý (khóa 2014-2017)
trường THPT chuyên Lương Văn Tụy.
- Đội tuyển quốc gia mơn hóa từ các năm 2014 đến nay
- Giáo viên và học sinh chuyên Lý các trường THPT chuyên của 64 Tỉnh thành trong

cả nước như trường THPT chuyên Lê Quý Đôn (Đà Nẵng), Nguyễn Trãi (Hải Dương),
THPT chuyên Lê Hồng Phong (Nam Định), THPT chuyên Bắc Ninh, THPT chuyên Bắc
Giang, THPT chuyên Biên Hòa (Hà Nam), THPT chun Thái Bình (Thái Bình)…
Tơi xin cam đoan mọi thông tin nêu trong đơn là trung thực, đúng sự thật và hoàn toàn
chịu trách nhiệm trước pháp luật.

Ninh Bình, ngày 22 tháng 9 năm 2017
XÁC NHẬN CỦA LÃNH ĐẠO
Người nộp đơn
ĐƠN VỊ CƠ SỞ

Nguyễn Thị Phương Dung


PHẦN PHỤ LỤC
I. Bổ sung và làm rõ lý thuyết nâng cao phần tán sắc và giao thoa ánh sáng
1. Lý thuyết chung về sóng ánh sáng
a) Quan điểm của Maxwell về sóng ánh sáng:
- Ánh sáng là q trình truyền sóng điện từ có bước sóng trong chân khơng từ 0,38 đến 0,76
- Trong q trình truyền sóng ánh sáng, véc tơ cường độ điện trường ln vng góc với vec
tơ cảm ứng từ và cùng vng góc với phương truyền sóng (
- Biểu hiện của tính chất sóng của ánh sáng là tán sắc, giao thoa, nhiễu xạ…
b) Phương trình sóng:
Nguồn S phát ra ánh sáng có cường độ điện trường có phương trình: ,
Tại điểm M cách nguồn đoạn d, cường độ điện trường của ánh sáng có phương trình:
=
Trongđóvlàvậntốctruyềnsángtrongmơitrườngchiếtsuấtn,,với
c=3.108m/slàvậntốctruyềnsángtrongchânkhơng.
Gọilàbướcsóngtrongchânkhơng,thayvàotrêntacóphươngtrìnhsóngtạiMlà:

ĐặtL=ndgọilàquangtrìnhcủatiasángtrênđoạnd.VìquangtrìnhgiữahaiđiểmA,B
cáchnhaudtrongmơitrườngchiếtsuấtnlàđoạnđườngánhsángtruyềnđượctrong
chânkhơngtrongcùngkhoảngthờigiant.
VậyphươngtrìnhsóngtạiMcóthểviếtlạilà:


c) Sự biến đổi pha của ánh sáng phản xạ, ánh sáng truyền qua so với ánh sáng tới
tại mặt phân cách giữa hai mơi trường trong suốt đồng tính.
*Giảsửtakh¶o sát các chùm sáng song song và đơn sắc. Phải nói ngay là, trong thực tế
không tồn tại những chùm sáng nh vậy. Đây chỉ là sự lý tởng hoá: chúng ta đà thay chùm
sáng thực, phân kì yếu với độ không đơn sắc nhỏ bằng chùm sáng phẳng đơn sắc. (Tiêu
chuẩn để khẳng định sự đúng đắn của việc thay thế này là mức độ trùng hợp của tính toán và
thực nghiệm). Nh vậy, chúng ta sẽ xem chùm sáng lý tởng đó nh một sóng phẳng đơn sắc
truyền, chẳng hạn nh, theo phơng của trục z.
Giả sử vectơ cờng độ điện trờng thuộc sóng này có phơng nằm trên trục x, khi đó sự phụ
thuộc của hình chiếu vào toạ độ z và thời gian t có dạng:
,
trong đó là biên độ của điện trờng; là tần số và là bớc sóng của ánh sáng.
Trớc hết ta hÃy xác định xem mặt phẳng có pha không đổi, tức cũng có nghĩa là mặt sóng, có
dạng nh thế nào. Điều kiện không đổi của pha tại một thời điểm t tuỳ ý đợc viết dới dạng:

với A là hằng số. Vì , và t có giá trị cố định nên quỹ tích các điểm có pha không đổi đợc mô
tả bởi phơng trình:
.
Do vậy, mặt sóng của một sóng phẳng truyền dọc theo một trục nào đó là một mặt phẳng
vuông góc với trục đó.
Nếu sau khoảng thời mặt sóng dịch chuyển đợc một khoảng thì từ phơng trình (*) ta suy ra:

Điều này có nghĩa là vận tốc dịch chuyển của mặt sóng, cũng tức là vận tốc pha, b»ng:
VËn tèc pha cđa sãng lu«n lu«n cã híng vuông góc với mặt sóng.

*Xétchùmsángsongsongđơnsắctruyềntừmơitrườngcóchiếtsuấtn1sangmơi
trườngcóchiếtsuấtn2.
Gọicườngđộđiệntrườngcủasóngtới,sóngphảnxạvàsóngtruyềnqualầnlượtlà:E1,
E1'vàE2.Theochứngminhtrêntacócácvectocườngđộđiệntrườngnàylnvng
gócvớiphươngtruyềnsóng,dođóchúnglncùngphươngvớinhau.Vectocùng
phươngcùngchiềuvớivàcùngngượcvớivecto.

GọiR,Tlàhệsốphảnxạvàhệsốtruyềnqua.TacóR+T=1
Lạicó:E1'=R.E1
E2=T.E1
Suyra:(1)
-TheoĐLBTnănglượng:Nănglượngsóngtới=nănglượngsóngtruyềnqua+năng
lượngsóngphảnxạ
Nêntacó:(2)
Thay(1)vào(2),tacó:(3)
-Lạicó:Thay(3)vào(1)tacó:(4)
*Nhậnxét:
+Thấytỉsố(3)lnlớnhơn0,nênE1vàE2lncùngphanhau.Cónghĩasóngtớivà
sóngtruyềnqualncùngphavớinhau.
+Từbiểuthức(4)thấy:




Nếuthìcùngdấuvới.Cónghĩanếuánhsángtruyềntừmơitrườngchiếtquang
hơnsangmơitrườngkémchiếtquanghơnthìsóngtớivàsóngphảnxạcùngpha
nhau.



Nếuthìngượcdấuvới.Cónghĩanếuánhsángtruyềntừmơitrườngkémchiết
quanghơnsangmơitrườngchiếtquanghơnthìsóngtớivàsóngphảnxạngược
phanhau.

d) Sự mất nửa bước sóng của ánh sáng khi phản xạ trên bề mặt mơi trường chiết
quang mạnh hơn
-Phươngtrìnhsóngtới:
-Phươngtrìnhsóngphảnxạ: , sóngphảnxạngượcphavớisóngtớitrênmặtphâncách
vớimơitrườngchiếtquanghơn.
Biếnđổibiểuthứcsóngphảnxạtacó:
Nhưvậyhiệuquangtrìnhcủahaisóngtớivàsóngphảnxạlà:
Hayquangtrìnhsóngphảnxạlà:,gọilàsựmấtnửabướcsóngsovớisóngtới.
2. Lý thuyết về tán sắc ánh sáng qua lăng kính
Cơng thức của lăng kính
+ Cơng thức tổng qt:
- sini1 = n sinr1
- sini2 = n sinr2
- A = r1 + r2
- D = i1 + i2 – A
+Trường hợp i và A nhỏ
- i1 = nr1 i2 = nr2 D = (n – 1)A


+Góc lệch cực tiểu:
Dmin
+Cơng thức tính góc lệch cực tiểu:


Điều kiện để có phản xạ tồn phần: n1 > n2 i > igh với sinigh =

Với ánh sáng trắng:
3. Lý thuyết về giao thoa ánh sáng:
*Điều kiện để có giao thoa:Hainguồnsángphảilà
hainguồnkếthợpgặpnhau.
* Phân loại:Dựavàođiềukiệnđểquansátđượchiện
tượnggiaothoa,ngườitaphânthànhhailoại:
- Giao thoa khơng định xứ:làhiệntượnggiaothoagâybởicácnguồnsángđiểmhoặc
cáckhehẹp,kếtquảlàcácvângiaothoacóthểquansátđượctạibấtkìđiểmnàotrong
trườnggiaothoagọilàvânkhơngđịnhxứ.
+Cáchệtạorahệvânkhơngđịnhxứlà:KheI-âng;lưỡnglăngkínhFre-nen;lưỡngthấu
kínhBi-ê;lưỡnggươngphẳngFre-nen…
- Giao thoa định xứ:
+Đượctạobởinguồnsángrộng,khiđócácvângiaothoachỉquansátđượctạicácđiểm
xácđịnhnêngọilàvânđịnhxứ.
+Giaothoađịnhxứxảyraởbảnmỏngcóđộdàykhơngđổihoặcthayđổi,màngxà
phịng…
Dướiđâytacùngkhảosátchitiếttừngloạigiaothoa.
3.1. Giao thoa khơng định xứ


a. Giao thoa ánh sáng qua khe I âng
* Các cơng thức cơ bản:
+ Hiệu quang trình:
+ Khoảng cách giữa hai khe: a = S1S2
+ Khoảng cách từ hai khe đến màn: D = IO
+ Vị trí vân sáng:
+ Vị trí vân tối:
+ Khoảng vân: i

=

Các trường hợp làm thay đổi hệ vân:
* Đưa tồn bộ thí nghiệm vào chất lỏng chiết suất n:
hệvânbịcohẹplạidobướcsóngcủaánhsángtrongchấtlỏngđóbịgiảmđinlầnnên
khoảngvâncũngbịgiảmđinlần.Vìthếhệcohẹplại.

* Dịch chuyển màn hứng theo hướng vng góc với đường trung trực của hai khe
Theocơngthứctínhkhoảngvân:i = , Ta thấy:
-Nếudịchmànlạigầnhaikhe(Dgiảm):thìhệvânbịcohẹplại,cácvânxítlạigần
nhauhơn.
-Nếudịchmànraxahaikhe(Dtăng):Hệvânđượcmởrộng,cácvângiãnraxanhau
hơn
* Quay màn hứng quanh O một góc α:


-Kếtquả:hệvângiaothoakhơngđốixứngquavântrungtâmOnữa.Trênmộtnửamàn
phíagầnhaikhe,càngraxacácvâncàngsítlạigầnnhauhơn,nửacịnlại,càngxacác
vâncàngdãnxanhauhơn.
-Chứngminh:
-XétđiểmMbấtkì,cáchOđoạnx,
ởphíagầnhaikhehơn(nhưHV).
VìhaikhecáchđềunguồnsángS
nênsóngthứcấpphátratừhai
khecùngphanhau.
-HiệuquangtrìnhtừMđếnhai
khe:

-Tacó:(1)

(2)
Từ(1)và(2),suyra
VìDa,nêncóthểcoi
Dovậy,tacóhiệuquangtrìnhcủađiểmMlà:
-GiảsửMlàcựcđại(vânsáng),khiđóhiệuquangtrìnhthỏamãnđiềukiện:,vớiklàsố
ngun.

Vậyvânsángthứk,cótọađộ:
-Tacó:Khoảngcáchvânsángbậc1sovớivântrungtâm:
Khoảngcáchvânsángbậc2sovớivânbậc1:
Nhậnthấy:
Tươngtựcó:


-Kếtluận:ỞnửamàngầnhaikhethìcàngraxavântrungtâmO,khoảngcáchgiữahai
vânsángkềnhaucànggiảmdần,cácvâncàngxítvàonhauhơn.
-Chứngminhtươngtựchotathấytrênnửamàncịnlại,càngraxaO,cácvâncàngcách
nhauxahơn.
* Dịch chuyển nguồn sáng S
GiảsửdịchchuyểnnguồnsángS
theohướngsongsongvớiđường
thẳngchứahaikhemộtđoạnb
nhỏ,đếnvịtríS'(nhưHV).
GọikhoảngcáchtừSđếntrung
điểmIcủahaikhelàd;khoảng
cáchtừhaikheđếnmànlàD;
khoảngcáchtừnguồnS'đếnhai
khelầnlượtlàd1'vàd2';khoảng
cáchtừhainguồnđếnMlàd1và
d2.

*Khảosáthệvângiaothoatrênmàn:
XétđiểmMtrênmàn,cáchvântrungtâmOcũđoạnx.
TheoCMtrêntacó:

HiệuđườngđicủatiasángtừS'đếnMlà:
GiảsửMlàvânsángbậck,tacó:
Suyra:
Mlàvânsángtrungtâm(O')khivàchỉkhi:k=0,dóđóvịtrívântrungtâmO'cótọađộ:

Dấu(-)chứngtỏvântrungtâmOdịchchuyểnngượcchiềuvớichiềudịchchuyểncủa
nguồnsáng.Độdịchchuyểncủahệvânbằng.


-Chứngminhtươngtựchotathấykhoảngvâncủahệkhơngđổi.
-Kết luận:Nhưvậykhidịchchuyểnnguồnvnggócvớiđườngtrungtrựccủahaikhe,
thìtồnbộhệvândịchchuyểntheochiềungượclại,nhưngkhoảngcáchgiữacácvân
khơngđổi.
* Thay đổi bề rộng nguồn sáng S
GiảsửnguồnsángScóbềrộng2b.TacoinguồnSlàmộtdảisánggồmnhiềuđiểmsáng
liêntiếpnhau,mỗiđiểmsángnhỏcoinhưmộtnguồnsángđiểm.
XéttâmsángS0chovântrungtâmtạiOởchínhgiữa.
MépS'chovânsángtrungtâmtạiO'
MépS"chovânsángtrungtâmtạiO''.
Cóthểthấyrằng,khiđóbàitốntrởvềdạngbàitậpnguồndịchchuyểnnhưmục4trên.
CoinhưnguồnđiểmS0dịchchuyểnlên,xuốngmộtđoạnbsovớibanđầu.Khiđó,theo
chứngminhtrêntacó:
và
vậybềrộngvùngvântrungtâmlà:O'O''=trongđóthấy2bchínhlàbềrộngcủanguồn
sángS.
*Điềukiệnđểquansátđượchệvânlà:trongđóilàkhoảngvân.

cónghĩa
NhưvậyđiềukiệnđểcịnquansátđượcgiaothoalàbềrộngnguồnsángScógiátrịlớn
nhấtcóthểlà:Lmax=
* Độ dời của hệ vân do bản mỏng
-Giảsửdùngmộtbảnmặtsong
songchiếtsuấtn,trongsuốt,chắn
đườngtruyềntiasángphátratừ


nguồnS1nhưhìnhvẽ.
- Khi đó, vân sáng trung tâm dịch chuyển từ vị trí ban đầu O đến vị trí mới O’ (x0 = OO’). Gọi e là bề dầy của bản mặt song song.
Thời gian ánh sáng tryền qua bản mặt là . (1)
Cũng thời gian này ánh sáng truyền trong chân không một quãng đường e’ = c.t (2)
Thay (1) vào (2) ta có: (n = c/v)
+ Bản mặt có tác dụng làm chậm sự truyền ánh sáng hoặc tương đương với sự kéo dài đường
đi của tia sáng một đoạn : ∆e = e’ – e = e.(n - 1). Nếu có bản mặt đặt trước S1 ta có:
d’1 = d1 + ∆e = d1 + e.(n - 1) (3)
+ Hiệu đường đi hay hiệu quang trình lúc này là:
mà nên
+ Để O’ là vân sáng trung tâm thì
Trong đó x0 là độ dịch chuyển của vân sáng trung tâm.
Kết luận: Hệ vân dịch chuyển một đoạn x0 lên phía có bản mặt.
b. Các thiết bị tạo giao thoa ánh sáng tương tự khe I-ang
1. Lưỡng gương phẳng Fre-nen.

+;
.
Ta có:
( d = SO; là góc hợp bởi 2 gương)

+ Khoảng cách từ hai khe đến màn: D = HO + IO = d +IO
+ Bề rộng trường giao thoa: A1A2 = 2.IO
2. Lưỡng Lăng kính Frex-nen .
+ Khoảng cách giữa hai khe: a = S1S2 = 2(n-1).A.SI
+ Khoảng cách từ hai khe đến màn: D = IO + SI
+ Bề rộng trường giao thoa: A1A2 = IO.2(n-1).A
+ Góc lệch
3. Thấu kính Bi-ê.
+ Khoảng cách giữa hai khe: a = S1S2 =
+ Khoảng cách từ hai khe đến màn: D = S’I
+ Bề rộng trường giao thoa: A1A2 =
3.2. Giao thoa định xứ
a. Giao thoa với bản mỏng có độ dày không đổi. Vân cùng độ nghiêng.
- Xét bản mặt mỏng trong suốt có chiết suất n; hai mặt song song, bề dày không đổi bằng d
đặt trong không khí. (ví dụ một vùng hẹp của váng dầu, váng mỡ, bong bóng xà phịng… có
thể coi là bản mỏng có độ dày khơng đổi)
- Dùng nguồn sáng rộng chiếu tới bản mỏng, coi các tia sáng song song với nhau, dưới cùng
góc tới i.
Mỗi tia tới bản mặt song song (ví dụ tia S1A) sẽ có:
1 phần phản xạ trên bề mặt bản (AR1)
1 phần khúc xạ rồi phản xạ lại ở mặt trong rồi ló ra mặt trên bản (ABCR2), một phần ló ra
ngồi phía mặt dưới bản (BT1). Phần ló này cường độ yếu hơn so với tia phản xạ AR1.


* Khảo sát hiện tượng giao thoa:
- Xét tia sáng đơn sắc phát ra từ nguồn S chiếu đến mặt nêm (tia số 1) (hình vẽ). Tia này
khúc xạ, truyền vào bên trong nêm, phản xạ ở mặt dưới của nêm, trở lại mặt trên rồi đi ra
ngồi khơng khí.
- Tia thứ 2 chiếu đến mặt nêm tại C, gặp tia số 1 tại đó. Hai tia này là hai tia kết hợp nên

chúng giao thoa với nhau. Tín hiệu về trạng thái giao thoa sẽ được truyền đến mắt theo một
chùm tia rất hẹp 1,2. Vì vùng ta xét rất hẹp nên các tia tới 1,2 coi như song song với nhau vì
thế hai tia đi vào mắt coi như trùng nhau, các vân giao thoa định xứ ở vơ cực.
* Tính hiệu quang trình giữa hai tia:
Do ánh sáng phản xạ trên bề mặt mơi trường có chiết suất lớn hơn nên quan trình mất nửa
bước sóng. Do vậy
Hiệuquangtrìnhgiữahaitialà:
(1)
Với

TheoĐLkhúcxạánhsángcó:

Thayvào(1)vàbiếnđổi,tacó:
(*)
Nhận xét:
- Từ (*) thấy hiệu quang trình Δ chỉ phụ thuộc vào góc tới i tức là phụ thuộc vào góc
nghiêng của chùm tới. Hệ vân được tạo bởi các tia sáng có cùng độ nghiêng, gọi là vân cùng
độ nghiêng.


- Nếu góc nghiêng i có giá trị sao cho (k = 1,2,3,4…) thì ta thấy các cực đại của ánh
sáng có bước sóng .
-Nếugócnghiêngicógiátrịsaochothìtạiđóchovântối
-Nếubảnmỏng(d<1)thìvớiánhsángtrắngchiếuđếnbảnmỏngtasẽthấyhệvân
cómàutímởgầntâm,đỏởngồicùng.
* Khảo sát hình dạng các vân:
- Hệ vân giao thoa được tạo bởi bản song song định xứ ở vơ cực do đó muốn quan sát được
người ta cùng một thấu kính hội tụ (L) để chiếu hệ vân lên màn quan sát (E). Trên màn (E)
thấy các vân có dạng đường trịn đồng tâm, có tâm tại tiêu điểm ảnh của thấu kính (L) nói
trên.

- Xét bản mỏng khơng khí (ở giữa là khơng khí có chiết suất n = 1). Vì ở giữa là khơng khí
nên quang trình của tia phản xạ ở mặt trên và măt dưới đều mất nửa bước sóng như nhau, vì
vậy hiệu quang trình là:
- Vân sáng bậc k ứng với
- Nếu độ dày d của nêm không đổi, thì kmax khi và chỉ khi cosi = 1
Vậy bậc giao thoa đạt cực đại tại tâm của hệ vân (i=0)
khi đó,
- Như vậy càng ra tâm của hệ vân, bậc giao thoa càng giảm dần.
* Lập công thức xác định bán kính các vân:
Trong gần đúng Gauss, bán kính r(k) của vân sáng bậc k là:
trong đó là góc tới tương ứng vị trí quan sát, f là tiêu cự của thấu kính (L).
Với
Lại có


Suy ra
Vậy bán kính vân bậc k là:
- Giả sử vân trung tâm là vân sáng, ứng với bậc
- Suy ra vân sáng thứ nhất, ứng với bậc k1 = k0 - 1, sẽ có bán kính:

- Tương tự, vân thứ N sẽ có bán kính
Ta có tỉ số:
* Kết quả quan sát: Trong thị trường có kích thước xác định thì số lượng vân quan sát được
phụ thuộc vào bậc giao thoa tại tâm (phụ thuộc k0). Nếu bậc k0 tại tâm càng cao thì số vân
quan sát được là càng nhiều, các vân càng xít vào nhau.
b. Giao thoa với bản mỏng có độ dày thay đổi. Vân cùng độ dày.
* Lý thuyết chung:
* Sự định xứ của vân:
Xét bản mỏng có chiết suất n, hai cạnh hợp với nhau góc rất nhỏ, cỡ phút. Một nguồn sáng
rộng S chiếu đến mặt bản. Xét hai tia SABCR1 và SCR2 là hai tia kết hợp, gặp nhau và giao

thoa tại C trên mặt bản. Hệ vân giao thoa định xứ ngay trên mặt bản. Có thể quan sát hệ vân
giao trên màn (E) nhờ TKHT (L) mô tả như hình vẽ trên.
* Xác định vị trí vân sáng vân tối trên mặt nêm:
Ta có hiệu quang trình của hai tia:
(1)
Vì nguồn sáng rộng, góc i, r thay đổi vơ cùng nhỏ trên mặt nên hẹp, nên có thể coi như
khơng đổi, vì thế hiệu quang trình chỉ phụ thuộc độ dày d của nêm tại vị trí có giao thoa.
- Xét điểm M cách giao tuyến của hai mặt bản một đoạn x. Ta có: d = α.x


Thay vào (1) có:
- Nếu quan sát theo phương vng góc với mặt nêm thì i = 0, do đó
(2)
- Tại đó là vân sáng khi:
- Suy ra, vị trí vân sáng được xác định bởi: với k = 1,2,3,4…
- Tương tự, vị trí vân tối thỏa mãn:
Suy ra với k = 0,1,2,3,4…
- Khoảng vân: (3)
* Kết luận:
- Những điểm trên mặt nêm có cùng độ dày d thì cho cùng giá trị , ta có vân cùng độ
dày.
- Với k = 0, ta có xT = 0, x = 0 là vị trí mép của bản. Như vậy tại giao tuyến hai mặt là
vân tối.
- Hệ vân quan sát được là những đường cong song song sáng tối xen kẽ nhau. Khoảng
cách giữa hai vân sáng liên tiếp là .
- Từ vân sáng này đến vân sáng kia, hiệu quang trình thay đổi 1 lượng bằng .
* Các TH riêng:


Nêm khơng khí có dạng hai mặt phẳng giao nhau:

*Kếtquảhệvânquansátđượctrênmặtnêm:
-Cácvânlànhữngđườngthẳngsongsongvới
nhau,cạnhnêmlàvântối.
-Vìgiữahaimặtnêmlàkhơngkhícóchiếtsuất


n=1.Quansáttheophươngvnggócvớimặt
nêm,ápdụngcáccơngthứctrêntacó:
+Từ(3),tacókhoảngcáchgiữahaivânsánghoặc
haivântốiliêntiếplà:(4)

+Từ(2),suyrađộthayđổiđộdàybảnnêmởhaivânsángliêntiếplà:
+Từ(4)chotagóchợpbởihaimặtnêmlà:.Biếtvàn,đođượckhoảngi,tasẽtínhđược
gócα.Đâylàphươngphápthườngđượcdùngđểđogócnhỏgiữahaimặtcủacáclớp
mỏng.


Vân trịn Newton (quan sát giao thoa ở mặt lõm của thấu kính hội tụ)

-ThiếtbịtạovântrịnNewtonlàmộtthấukínhhộitụphẳnglồi,mặtcầulồicóbánkính
congRlớncỡm,đặttrênmộttấmthủytinhphẳng.Lớpkhơngkhíxenkẽgiữathấu
kínhvàtấmthủytinhtạoramộtnêmkhơngkhí,cógócđỉnhnêmα.
-Xéttrườnghợpmộtchùmsángsongsongđơnsắc,chiếuvnggócvàomặtphẳngcủa
thấukính.
Hiệuquangtrìnhgiữatiasángphảnxạởmặttrênvàtiasángphảnxạởmặtdướicủa
lớpkhơngkhí,tạiđiểmCcóbềdàyd(HV)là:
Tất cả các điểm nằm trên mặt cầu ứng với cùng một bề dày d sẽ tạo thành một vân giao thoa
có dạng trịn. Tại tâm là vân tối. Hệ các vân tròn trên gọi là vân trịn Newton.
* Tính bán kính vân trịn Newton:

Giả sử tại C có vân tối thứ k, bán kính vân này là r.
Ta có: vì (1)
- Ứng với vân tối, ta có: (2)
Từ (1) và (2), suy ra bán kính cong của vân tối thứ k là: với k = 0,1,2,3…


Tại tâm của hệ vân (r = 0), ta có vân tối. Hình dạng hệ vân được mơ tả như hình vẽ trên.
- Ứng với vân sáng, ta có:
- Tương tự ta tìm được cơng thức tính bán kính vân sáng thứ k là:
* Nhận xét:
- Bán kính vân tối tỉ lệ thuận với căn bậc hai của sô nguyên k (), nên càng ra xa, các vân
càng xít vào nhau.
- Muốn quan sát được giao thoa thì bán kính cong của thấu kính phải lớn (cỡ vài mét)
- Nếu dùng thấu kính có chiết suất n1, tấm thủy tinh có chiết suất n2, chất lỏng đổ vào giữa
có chiết suất n sao cho:
n1 < n < n2 hoặc n2 < n < n1 thì hiệu quang trình giữa hai mặt bản là:
Vì ánh sáng khơng bị mất nửa bước sóng khi phản xạ trên bề mặt của mơi trường kém chiết
quang hơn.
II. Hệ thống bài tập Giao thoa và tán sắc ánh sáng
CHỦ ĐỀ I. BÀI TẬP TÁN SẮC ÁNH SÁNG.
Dạng 1: Tán sắc qua lăng kính - Sự phụ thuộc của chiết suất vào bước sóng ánh
sáng
Bài 1.1. ChomộtlăngkínhcótiếtdiệnthẳnglàmộttamgiácđềuABC,đáyBC,gócchiết
quangA.Chiếtsuấtcủathủytinhlàmlăngkínhphụthuộcbướcsóngcủaánhsángtheo
cơngthức:vớia=1,26;b=7,555.10-14(m2); (m).
ChiếumộttiasángtrắngvàomặtbênABcủalăngkínhsaochotiatớinằmdướipháp
tuyếnởđiểmtớiI(hìnhvẽ).Chobiết:;
a)XácđịnhgóctớicủatiasángtrênmặtABsaochotiatímcógóclệchcựctiểu.Tính
góclệchnày.