BÀI GIẢNG VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG Chương 6: QUANG HỌC SÓNG

Cơ sở của quang học sóng  Quang lộ của tia sáng: Xét hai điểm A, B nằm trong môi trường đồng tính, chiết suất n, cách nhau một đoạn d... Cơ sở của quang học sóng  Nguyên lý Fermat: Giữ

BÀI GIẢNG VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG

Chương 6:

QUANG HỌC SÓNG

NỘI DUNG

6.1 CƠ SỞ CỦA QUANG HỌC SÓNG

6.2 HIỆN TƯỢNG GIAO THOA ÁNH SÁNG 6.3 GIAO THOA GÂY BỞI BẢN MỎNG

6.4 ỨNG DỤNG CỦA GIAO THOA

6.5 HIỆN TƯỢNG NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG 6.6 HIỆN TƯỢNG PHÂN CỰC ÁNH SÁNG

Cơ sở của quang học sóng

 Quang lộ của tia sáng: Xét hai điểm A, B nằm trong môi trường đồng tính, chiết suất n, cách nhau một đoạn d

Quang lộ giữa hai điểm A và B là: L = c.t

t = d/v là thời gian để ánh sáng đi từ A đến B

 Quang lộ của tia sáng:

Cơ sở của quang học sóng

 Nguyên lý Fermat: Giữa hai điểm A và B, ánh sáng sẽ truyền theo con đường nào mà quang lộ là cực trị

 Định lý Malus: Quang lộ của các tia sáng giữa hai mặt trực

giao của một chùm sáng thì bằng nhau (mặt trực giao là

mặt vuông góc với các tia của một chùm sáng)

 Đây là các phát biểu tương đương của các định luật quang hình học

Một số khái niệm:

 Giả sử tại O phương trình dao động sáng là: xO = acost Phương trình dao động sáng tại M là:

hàm sóng của ánh sáng

 là thời gian ánh sáng truyền từ O đến M

L = c là quang lộ giữa hai điểm OM

 là bước sóng ánh sáng trong chân không

Cơ sở của quang học sóng

 Cường độ sáng I tại một điểm là một đại lượng có trị số bằng năng lượng ánh sáng truyền qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền sáng tại điểm đó trong một đơn vị thời gian

 Cường độ sáng tỷ lệ với bình phương biên độ:

I = ka2

Cường độ sáng:

 Khi hai hay nhiều sóng ánh sáng gặp nhau thì từng sóng riêng biệt không bị các sóng khác làm nhiễu loạn;

 Sau khi gặp nhau, các sóng ánh sáng vẫn truyền đi như cũ;

 Tại những điểm gặp nhau, dao động sáng bằng tổng hợp các dao động sáng thành phần

Cơ sở của quang học sóng

 Bất kỳ điểm nào nhận được sóng ánh sáng đều trở thành nguồn thứ cấp phát ánh sáng về phía trước nó

 Biên độ và pha của nguồn thứ cấp chính là biên độ và pha của sóng do nguồn thực gây ra tại vị trí của nguồn thứ cấp

Nguyên lý Huygens - Fresnel:

 Giao thoa sóng là trường hợp đặc biệt của hiện tượng chồng chất sóng

 Kết quả là trong trường giao thoa xuất hiện những điểm mà cường độ sóng được tăng cường, xen kẽ với những điểm cường độ sóng bị triệt tiêu

 Điều kiện để các sóng giao thoa với nhau: Sóng kết hợp

(các sóng có cùng tần số và có độ lệch pha không đổi theo thời gian)

Hiện tượng giao thoa ánh sáng

 Nguyên tắc: Tách sóng phát ra từ một nguồn duy nhất

 Các phương pháp thực nghiệm:

 Khe Young

 Gương Fresnel

 Lưỡng lăng kính Fresnel

 Lưỡng thấu kính Bier

 Gương Lloyd

Cách tạo ra hai sóng ánh sáng kết hợp:

Hiện tượng giao thoa ánh sáng

Gương Fresnel:

Hiện tượng giao thoa ánh sáng

Lưỡng thấu kính Bier:

Hiện tượng giao thoa ánh sáng

 Xét hai nguồn kết hợp O1, O2:

xO1 = a1cost và xO2 = a2cost

 Phương trình sóng do O1 và O2 gây ra tại điểm M nào đó:

 Cường độ sóng tại điểm M được xác định:

Khảo sát hiện tượng giao thoa:

Hiện tượng giao thoa ánh sáng

Giao thoa khe Young:

Hiện tượng giao thoa ánh sáng

 Vị trí cực đại giao thoa:

a





 Giao thoa của các tia

Quang lộ tia phản xạ:

 Ánh sáng đi tới mặt phân cách từ môi trường có chiết suất nhỏ hơn thì sóng phản xạ bị đảo pha hay quang lộ của tia phản xạ dài thêm nửa bước sóng

Giao thoa gây bởi bản mỏng

Bản mỏng có bề dày thay đổi:

 Xét một bản mỏng chiết suất

n được chiếu sáng bởi nguồn

sáng rộng

 Xét hai tia sáng SABM, SM

cùng xuất phát từ điểm S của

 Nêm không khí là một lớp

không khí hình nêm nằm giữa

hai bản thủy tinh phẳng hợp

với nhau góc rất nhỏ

 Trên bề mặt của nêm có vân

giao thoa của các tia phản xạ

Giao thoa gây bởi bản mỏng

Vân của nêm không khí:

 Xét chùm sáng vuông góc với mặt nêm (i = 00):

 Từ điều kiện giao thoa, vân tối ứng với độ dày của lớp không khí:

 Hệ vân tròn Newton gồm

một chỏm cầu thủy tinh

đặt tiếp xúc với bản thủy

Giao thoa gây bởi bản mỏng

Vân tròn Newton:

 Vân tròn Newton gồm hệ

các vòng tròn có tâm cùng

nằm trên trục của chỏm cầu

 Tâm của hệ vân ứng với

điểm tối: d = 0

 Bán kính của vân tối thứ k

Giao thoa gây bởi bản mỏng

Bản mỏng có bề dày không đổi:

Ứng dụng của giao thoa

Giao thoa kế Rayleigh:

Một số bài tập cần làm

Bài tập chương 1 (Sách BT tập 3):

2, 6, 7, 8, 10, 13, 14, 16, 19, 20, 22, 24, 25, 26, 28, 29, 32

cách giữa hai khe hẹp là 1mm; khoảng cách từ màn quan sát đến mặt phẳng chứa hai khe là 1m Ánh sáng đơn sắc được sử dụng có bước sóng 600nm

a) Tính khoảng vân nếu hệ thống đặt trong không khí

b) Xác định vị trí vân tối thứ 3 và vân sáng thứ 3

c) Đặt trước một trong hai khe hở một bản mỏng trong suốt, có hai

mặt song song, dày 0,012mm; chiết suất 1,5 Khi đó hệ thống vân giao thoa có gì thay đổi?

d) Không đặt bản mỏng, nhúng hệ thống vào trong chất lỏng thì đo

được khoảng vân là 0,45mm Tính chiết suất chất lỏng

Một số bài tập ví dụ

Ví dụ 2: Một chùm tia sáng có bước sóng

550nm được rọi vuông góc với một mặt

nêm thủy tinh chiết suất 1,5 Quan sát hệ

thống giao thoa thấy khoảng cách giữa hai

vân tối liên tiếp là 0,21mm

a) Xác định góc nghiêng của nêm

Nhiễu xạ ánh sáng

Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng:

Hiện tượng ánh sáng lệch khỏi phương truyền khi đi gần chướng ngại vật  Nhiễu xạ ánh sáng

Diện tích của các đới cầu bằng nhau:

Rb S

R b



Xét sóng do các đới cầu gây ra tại điểm M:

 Các đới cầu là các nguồn kết hợp nên sóng do chúng gây ra tại M là sóng kết hợp

 Về biên độ an : Khi n tăng, khoảng cách đến M tăng, đồng thời góc nghiêng đối với M cũng tăng

 Về pha dao động: Hiệu khoảng cách từ các đới cầu cạnh nhau đến M bằng một nửa bước sóng

 Sóng do hai đới cầu cạnh nhau gây ra tại M là ngược pha

Nhiễu xạ ánh sáng

Phương pháp đới cầu Fresnel:

 Giả sử sóng do các đới cầu gây ra tại điểm M có phương trình lần lượt là:

Nhiễu xạ ánh sáng

Nhiễu xạ gây bởi lỗ tròn:

n 1 n 1 n

a a a

 Cường độ sáng tại M khi không có lỗ tròn: n = ∞, an = 0

Nhiễu xạ ánh sáng

Nhiễu xạ gây bởi sóng phẳng:

Xét nhiễu xạ của sóng phẳng qua một khe hẹp:

Xét nhiễu xạ của sóng phẳng qua một khe hẹp: Chia nhỏ khe hẹp thành các dải sáng thứ cấp

 Xét tại tiêu điểm chính F (tâm hình nhiễu xạ,  = 0): Các sóng thứ cấp có cùng pha nên chúng tăng cường nhau, F là một vạch sáng  Cực đại giữa

 Xét góc nhiễu xạ  ≠ 0: Độ rộng của dải sáng thứ cấp được chọn sao cho dao động sáng do hai dải cạnh nhau gây ra tại M là ngược pha

A H / 2 AA

sin sin 2sin

/ (2sin )



 Nếu N = 2k: Góc nhiễu

xạ ứng với cực tiểu (tối)

 Nếu N = 2k + 1: Góc nhiễu xạ ứng với cực đại (sáng)



   

Nhiễu xạ ánh sáng

Nhiễu xạ qua nhiều khe hẹp:

Có hai hiện tượng đồng thời xảy ra:

 Nhiễu xạ qua từng khe hẹp

 Giao thoa giữa các khe hẹp

Nhiễu xạ qua hai khe

Nhiễu xạ ánh sáng

Nhiễu xạ qua nhiều khe hẹp:

Nhiễu xạ ánh sáng

Nhiễu xạ qua nhiều khe hẹp:

 Góc nhiễu xạ ứng với cực tiểu qua từng khe hẹp

Nhiễu xạ ánh sáng

Nhiễu xạ qua nhiều khe hẹp:

C¸ch tö

Nhiễu xạ ánh sáng

Cách tử nhiễu xạ:

Cách tử phản xạ

3, 4, 5, 6, 7, 8, 12, 13, 14, 17, 18, 19, 21, 25, 28

Một số bài tập ví dụ

Ví dụ 1: Chiếu chùm sáng đơn sắc song song có bước sóng 500nm

thẳng góc với một cách tử nhiễu xạ Màn quan sát đặt cách cách tử 1m Khoảng cách giữa hai vạch cực đại chính của quang phổ bậc 1 bằng 0,202m Xác định

a) Chu kỳ cách tử

b) Số vạch trên 1 m của cách tử

c) Số vạch cực đại chính tối đa cho bởi cách tử

d) Góc nhiễu xạ ứng với vạch quang phổ ngoài cùng

sáng tới không vuông góc với khe

Phân cực ánh sáng

Hiện tượng phân cực ánh sáng:

Ảnh hưởng của tính đối xứng tinh thể

Ánh sáng tự nhiên và ánh sáng phân cực

 Mặt phẳng dao động: Chứa tia sáng và véc tơ CĐĐT

 Mặt phẳng phân cực: Chứa tia sáng và vuông góc với mặt phẳng dao động

Hiện tượng phân cực ánh sáng:

Sự truyền ánh sáng qua kính phân cực và kính phân tích

Phân cực ánh sáng

Hiện tượng phân cực ánh sáng:

Sự truyền ánh sáng qua kính phân cực và kính phân tích

 Cường độ sáng sau kính phân cực là I0

 Cường độ sáng sau kính phân tích là I

 Định luật Malus:

2 0

Một số tinh thể như băng lan (CaCO3) hay thạch anh (SiO2)

Phân cực ánh sáng

Phân cực do lưỡng chiết:

 Chiết suất đối với tia thường không đổi: no = const

 Chiết suất đối với tia bất thường thay đổi theo góc tới:

 Nếu ne < no gọi là tinh thể âm (băng lan)

 Nếu ne > no gọi là tinh thể dương (thạch anh)

 Bản Tuamalin: Ánh sáng tự nhiên bị tách thành 2 tia O và E nhưng với chiều dày cỡ mm sẽ hấp thụ hoàn toàn tia thường

 Bản polaroit: vật liệu hữu cơ có tính lưỡng chiết Chiều dày

cỡ 0,1mm sẽ hấp thụ hoàn toàn tia thường

 Lăng kính Nicon:

Phân cực ánh sáng

Ánh sáng phân cực Elip và phân cực tròn:

 Hiệu quang lộ của hai tia sau bản tinh thể:

 Hai tia O và E có véc tơ cường độ điện trường dao động theo hai phương vuông góc

 Cường độ điên trường của tia ló là tổng hợp của hai dao động vuông góc

 Trong tinh thể hai tia O và E truyền cùng phương (vì tia tới vuông góc) nhưng tốc độ khác nhau

 Ra ngoài tinh thể, chúng truyền cùng tốc độ

2



Phân cực ánh sáng

Ánh sáng phân cực Elip và phân cực tròn:

Một số chất lỏng có tính lưỡng chiết dưới tác dụng của điện trường:

 Nếu không có điện trường, sau T2 là tối

 Nếu có điện trường, sau T2 là sáng

Hiệu ứng Kerr dùng làm “van quang học”

1, 2, 4, 5, 6, 7, 8, 9

Một số bài tập ví dụ

Ví dụ: