Sáng tạo trong bài giảng giao thoa ánh sáng

Theo cấu trúc của chương trình và sách giáo khoa vật lí lớp 12 thì trước khihọc bài giao thoa sóng ánh sáng, học sinh đã được học một số kiến thức cơ bản cóliên quan đến bài học.. Trong

MỤC LỤC

A LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI : Trang

1 Cơ sở lý luận 1

2 Thực trạng vấn đề 1

3 Giới hạn đề tài 2

4 Đối tượng áp dụng 2

5 Các yêu cầu chung 2

B CƠ SỞ LÝ THUYẾT: I Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng 3

II Hiện tượng Giao thoa ánh sáng 3

III Bước sóng và màu sắc ánh sáng 10

C BÀI TẬP: I Bài tập vận dụng 11

II Bài tập tự giải 16

D KẾT QUẢ ĐỐI CHỨNG: 18

E KẾT LUẬN ĐỀ XUẤT 19

TÀI LIỆU THAM KHẢO 20

A LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

1 Cơ sở lí luận

Bộ môn vật lý được đưa vào giảng dạy trong nhà trường phổ thông nhằmcung cấp cho học sinh những kiến thức phổ thông, cơ bản, có hệ thống toàn diện vềvật lý Hệ thống kiến thức này phải thiết thực, có tính tổng hợp và đặc biệt phải phùhợp với quan điểm vật lý hiện đại Để học sinh có thể hiểu được một cách sâu sắcnhững kiến thức và áp dụng các kiến thức đó vào thực tiễn cuộc sống thì cần phảirèn luyện cho các học sinh những kỹ năng, kỹ xảo thực hành như: Kỹ năng kỹ xảogiải bài tập, kỹ năng đo lường, quan sát …

Lý thuyết vật lý với tư cách là một phương pháp dạy học, nó có ý nghĩa hếtsức quan trọng trong việc thực hiện nhiệm vụ dạy học vật lý ở nhà trường phổthông Thông qua việc nắm vững lý thuyết vật lý các học sinh sẽ có được những kỹnăng so sánh, phân tích, tổng hợp … do đó sẽ góp phần to lớn trong việc phát triển

tư duy của học sinh và vận dụng những kiến thức đã học vào việc giải quyết nhữngtình huống cụ thể, làm cho bộ môn trở nên hấp dẫn, lôi cuốn các em hơn

2 Thực trạng vấn đề.

2.1 Thuận lợi

Trong quá trình giảng dạy, khi tìm hiểu tâm tư nguyện vọng của một số họcsinh lớp 12 tôi được biết có rất nhiều học sinh thích học môn vật lí, nhiều học sinh

có nguyện vọng đăng kí vào đại học khối A và học các ngành vật lí

Theo cấu trúc của chương trình và sách giáo khoa vật lí lớp 12 thì trước khihọc bài giao thoa sóng ánh sáng, học sinh đã được học một số kiến thức cơ bản cóliên quan đến bài học Vì vậy việc giúp học sinh phát triển những kiến thức này lêncác mức cao hơn, tổng quát hơn theo bản thân tôi không những là trách nhiệm màcòn là nghĩa vụ của một giáo viên

2.2 Khó khăn

Trong những năm gần đây, bộ môn vật lí là một trong số các môn học được

Bộ Giáo dục và Đào tạo chọn hình thức kiểm tra và thi theo phương pháp trắcnghiệm khách quan Với hình thức thi này, thời gian dành cho mỗi câu hỏi và bàitập là rất ngắn, khoảng hơn 1 phút Nếu học sinh không được cung cấp đầy đủ cáckiến thức cơ bản và các công thức tổng quát, các công thức hệ quả của mỗi dạngbài tập để tìm ra kết quả nhanh nhất thì không thể đủ thời gian để hoàn thành tốt bàilàm trong các kỳ thi và kiểm tra

Lý thuyết Giao thoa sóng ánh sáng và bài toán liên quan đến nó chiếm mộtphần không nhỏ trong các đề kiểm tra định kì và các đề thi quốc gia chỉ đề cậpđến sự giao thoa sóng ánh sáng với một ánh sáng đơn sắc bằng thí nghiệm I – ângthì học sinh không khỏi lúng túng

Trong thực tế giảng dạy và tìm hiểu quá trình học tập của học sinh tôi nhậnthấy đa số học sinh gặp rất nhiều khó khăn khi giải các bài toán về lĩnh vực giaothoa nói chung và giao thoa sóng ánh sáng nói riêng, nhất là giao thoa sóng ánhsáng trong trường hợp chiếu đồng thời nhiều bức xạ và trường hợp tổng quát Cácbài toán giao thoa sóng ánh sáng vô cùng phong phú, đa dạng nhưng trong chươngtrình sách giáo khoa Vật lý 12 ban cơ bản (Bài 25 SGK Vật lí 12) mới chỉ đề cập

ở mức độ sơ khảo, cung cấp những kiến thức cơ bản nhất về lý thuyết giao thoasóng ánh sáng Các tài liệu tham khảo cũng hệ thống chưa thật rõ dàng, hơn nữahọc sinh cũng không đủ điều kiện về kinh tế cũng như thời gian để mua và hệ thốnghết các kiến thức cũng như cách giải hay trong các tài liệu tham khảo

2.3 Biện pháp khắc phục.

Từ những khó khăn nêu ở trên, để giúp các em học sinh có đựơc nhận thứcđầy đủ về lĩnh vực giao thoa sóng ánh sáng và giúp các em giải được các bài toánkhó trong lĩnh vực này một cách nhanh nhất, tôi đã nghiên cứu các tài liệu và thamkhảo các sách, từ đó tôi mạnh dạn xây dựng lại bài dạy GIAO THOA SÓNG ÁNHSÁNG với một cách tổng quát hơn dưới dạng một bài học theo chủ đề với tiêu đề

“SÁNG TẠO TRONG BÀI GIẢNG GIAO THOA SÓNG ÁNH SÁNG” nhằm giúpcác em nắm rõ và hiểu sâu hơn về lý thuyết giao nói chung và giao thoa sóng ánhsáng nói riêng, làm hành trang cho các em bước vào kì thi quốc gia sắp tới

Trong nội dung đề tài tác giả chỉ đưa ra những kiến thức cơ bản và trọng tâm nhấtcủa bài dạy và có sử dụng một số lý thuyết và bài tập của các tài liệu tham khảo

4 Đối tượng áp dụng.

Đối tượng tôi đã thực hiện phương pháp mới này là học sinh lớp 12 Trườngtrung học phổ thông năm học 2018 - 2019 và các năm tiếp theo

5 Các yêu cầu chung:

Trước khi giảng dạy tiết bài tập giao thoa sóng cơ, giáo viên yêu cầu họcsinh phải ôn lại những kiến thức đã học như:

- Tổng hợp 2 dao động điều hoà cùng phương cùng tần số

- Các phương trình sóng và các tính chất của sóng

Giáo viên nghiên cứu, cung cấp cho học sinh các công thức đã thiết lập để học sinh

sử dụng cho bài học

B CƠ SỞ LÍ THUYẾT

I HIỆN TƯỢNG NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG

1 Thí nghiệm: (Sgk).

2 Khái niệm: Hiện tượng truyền sai lệch so với sự truyền thẳng khi ánh sáng gặp

vật cản gọi là hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng

3 Chú ý: Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng chỉ có thể giải thích được nếu thừa nhận

ánh sáng có tính chất sóng nghĩa là coi mỗi chùm sáng đơn sắc như một sóng cóbước sóng xác định

II HIỆN TƯỢNG GIAO THOA ÁNH SÁNG.

1 Giao thoa với một ánh sáng đơn sắc.

1.1 Thí nghiệm

1.2 Kết quả thí nghiệm

Trên màn xuất hiện những vạch sáng có màu trùng với màu của nguồn mà ta dùnglàm thí nghiệm và tối xen kẽ, song song và cách đều nhau.( Ví dụ Nếu ta dùng ánhsáng đơn sắc màu đỏ để làm thí nghiệm thì các vạch sáng quan sát được cũng làmàu đỏ)

- Giải thích:

Hai sóng kết hợp phát đi từ F1, F2 gặp nhau trên M đã giao thoa với nhau:

+ Hai sóng gặp nhau tăng cường lẫn nhau  vân sáng

+ Hai sóng gặp nhau triệt tiêu lẫn nhau  vân tối

a

=>Vị trí vân tối xt = (k + 1

2) D a



- Loại vân (sáng hay tối) tại điểm M trong vùng giao thoa:

- Tại M có vân sáng khi:

i

OM i

- Khoảng cách giữa n vân sáng (hoặc vân tối) liên tiếp là (n – 1)i

- Khoảng cách vân sáng và vân tối liên tiếp kề nhau là

c Số vân sáng - tối trong miền giao thoa có bề rộng L.

Lập tỉ số N =

i

L

2 (lấy phần nguyên của N) để rút ra kết luận:

+ Số vân sáng: Ns = 2N + 1 (lấy phần nguyên của N)

+ Số vân tối là: Nt = 2N nếu phần thập phân của N < 0,5 Thì số vân sáng nhiềuhơn số vân tối 1 đơn vị

+ Số vân tối là: Nt = 2N + 2 nếu phần thập phân của N > 0,5 Thì số vân sáng íthơn số vân tối 1 đơn vị

- Vân trung tâm của hệ trùng nhau có màu là màu tổng hợp của hai thành phần đơnsắc và một hệ vạch cũng có màu trùng với màu của vân trung tâm (vân trung), cáchnhau một cách đều đặn.

- Các vân sáng (vân màu) của hai thành phần đơn sắc của hai bức xạ mà ta dùnglàm thí nghiệm, chúng đan xen nhau theo quy luật đối với vân màu cùng bậc của 2bức xạ thì vân màu của bức xạ có bước sóng bé hơn thì nằm gần vân trung tâm hơn

so với vân màu của bức xạ có bước sóng lớn hơn

 Trên màn xuất hiện 3 loại vân sáng khác nhau: Gồm 2 loại vân sáng có màu làmàu của hai thành phần đơn sắc, loại vân sáng còn lại có màu là màu tổng hợp của

cả hai thành phần đơn sắc

2.3 Kiến thức trọng tâm.

a Xác định các vị trí trùng nhau.

+) Vân sáng của hai bức xạ trùng nhau.

Gọi x là vị trí trùng nhau của hai vân sáng của hai bức xạ Áp dụng kiến thức củaphần I ta có

x = k1i1 = k2i2 => = = ( phân số tối giản) (*)

=> Vị trí trùng đầu tiên ứng với số k1 nhỏ nhất thoả mãn (*), từ đó suy ra các vị trítrùng tiếp theo

Có thể viết k1= b.n và k2 = c.n => Các vị trí trùng nhau giữa hai vân sáng của haibức xạ được tính theo biểu thức: x = b.n.i1 = c.n.i2

+) Vân tối của hai bức xạ trùng nhau.

Gọi y là vị trí trùng nhau của hai vân tối của hai bức xạ Áp dụng kiến thức củaphần I ta có

+) Vân sáng của bức xạ 1 trùng với vân tối của bức xạ 2 (hoặc ngược lại).

Gọi z là vị trí trùng nhau của hai vân của hai bức xạ Áp dụng kiến thức của phần I

ta có

z = k1i1 = (2k2+ 1) => = (***) ( phân số tối giản) )

=> Vị trí trùng đầu tiên ứng với số k1 nhỏ nhất thoả mãn (***),từ đó suy ra các vịtrí trùng tiếp theo

Có thể viết: k1 = b.n và 2k2 + 1 = c( 2n + 1) => Các vị trí trùng nhau giữa vân sángcủa bức xạ 1 và vân tối của bức xạ 2 được tính theo biểu thức:

z = b.n.i1 = c( 2n + 1) .

b Số vạch sáng trùng nhau của hai bức xạ khi giao thoa.

Theo lý thuyết giao thoa thì mỗi ánh sáng đơn sắc cho một hệ thống vân giao thoa riêng Do đó khi thực hiện đồng thời cả hai bức xạ cho hiện tượng giao thoa thì

Số vạch sáng trùng = ân sáng (N1 + N2) - ân sáng quan sát được

Với N1 , N2 là số vân sáng của hai bức xạ khi dùng độc lập

+) Hai hệ đều cho vân sáng tại hai đầu mút A, B (A, B thuộc trường giao thoa):

N1 = + 1 và N2 = + 1

+) Hai hệ đều cho vân tối tại hai dầu mút A, B:

N1 = và N2 = +) Hai hệ đều cho vân sáng tại A, tại B thì hệ 1 cho sáng hệ 2 cho tối:

Cách làm tương tự khi cần tính số vân tối trùng nhau.

c Số vân sáng của hai bức xạ giữa hai vạch cùng màu với màu của vân sáng trung tâm.

Vị trí trùng nhau: x = k1 = k2 => = =

Trừ hai vị trí ở hai đầu thì số vị trí còn lại giữa hai vạch cùng màu có thêm a – 1 vân sáng của bức xạ 1 và b – 1 vân sáng của bức xạ 2

=> Tổng số vân cần xác định = a – 1 + b – 1 = a + b – 2

Cách làm tương tự khi cần tính số vân tối

d Số vân sáng giữa hai vân sáng của hai bức xạ trong trường giao thoa.

Số vân sáng của bức xạ 1 trên đoạn AB: xA x1 sáng xB

=> k1

Số vân sáng của bức xạ 2 trên đoạn AB: xA x2 sáng xB

=> k2

(A, B là vị trí vân sáng của các bức xạ 1theo bài ra và xA < xB )

Số vân quan sát được = Tổng số vân sáng của cả hai bức xạ có trên đoạn AB – Sốvạch trùng của hai bức xạ

Cách làm tương tự khi cần tính số vân tối

3 Giao thoa đồng thời ba ánh sáng đơn sắc khác nhau.

3.1 Thí nghiệm

3.2 Kết quả thí nghiệm Trên màn ta quan sát thấy:

- Vân trung tâm của hệ trùng nhau có màu là màu tổng hợp của ba thành phần đơnsắc và một hệ vạch cũng có màu trùng với màu của vân trung tâm (vân trung), cáchnhau một cách đều đặn

- Một hệ vạch có màu là màu tổng hợp của hai trong ba thành phần đơn sắc của babức xạ mà ta dùng làm thí nghiệm

- Các vân sáng (vân màu ) của ba thành phần đơn sắc chúng đan xen nhau theo quyluật đối với vân màu cùng bậc của 2 bức xạ thì vân màu của bức xạ có bước sóng

bé hơn thì nằm gần vân trung tâm hơn so với vân màu của bức xạ có bước sóng lớnhơn

=> Trên màn xuất hiện 7 loại vân sáng khác nhau: Gồm 3 loại vân sáng có màu làmàu của ba thành phần đơn sắc, 3 loại vân có màu tổng hợp của hai trong ba thành

phần đơn sắc và loại vân sáng còn lại có màu là màu tổng hợp của cả 3 thành phầnđơn sắc

Tổng quát: Đối với tất cả các trường hợp thì số loại vân quan sát được trên màn thì

tăng lên và được xác định bằng công thức sau



k1λ1= k2λ2= k3λ3 ; với k1, k2, k3,…, kn Z

=> = = ( phân số tối giản) (*)

Và = = ( phân số tối giản) (*)

=> Vị trí trùng đầu tiên ứng với số k1 nhỏ nhất thoả mãn (*),từ đó suy ra các vị trítrùng tiếp theo

b Khoảng vân trùng (khoảng cách nhỏ nhất giữa hai vân cùng màu với vân trung

tâm): itrùng = BCNN (i1,i2,i3) => xtrùng = kitrùng

Chú ý: Để tìm BCNN của 3 số i1,i2,i3 ta tìm BCNN của 2 số i1,i2 là i12 sau đó tìmBCNN của i12 với i3

c Số vạch sáng trùng nhau của ba bức xạ khi giao thoa.

Theo lý thuyết giao thoa thì mỗi ánh sáng đơn sắc cho một hệ thống vân giao thoa riêng Do đó khi thực hiện đồng thời cả ba bức xạ cho hiện tượng giao thoa thì

Số vạch sáng trùng = ân sáng (N1 + N2 + N3) - ân trùng (N1, N2 ) - ân trùng (N1, N3) - ân trùng (N2, N3 ) - ân sáng quan sát được

Với N1 , N2 ,N3 là số vân sáng của ba bức xạ khi dùng độc lập

Chú ý: - Tổng số vân trùng của từng cặp bức xạ được tính tương tự như ở trên.

- Cách làm tương tự khi cần tính số vân tối trùng nhau

d Số vân sáng của ba bức xạ giữa hai vạch cùng màu với màu của vân sáng trung tâm.

Vị trí trùng nhau: x = k1 = k2 = k3

=> = = = Và = = =

Trừ hai vị trí ở hai đầu thì số vị trí còn lại giữa hai vạch cùng màu có thêm

- k1 = b, nếu không trùng thêm b – 1 vân sáng của bức xạ 1

- k2 = c, nếu không trùng thêm c – 1 vân sáng của bức xạ 2

- k3 = d, nếu không trùng thêm d – 1 vân sáng của bức xạ 3

Nếu trong vùng của hai vạch cùng màu với vân sáng trung tâm còn tồn tại các vạch sáng là sự trùng nhau của từng cặp vân sáng của hai trong ba bức xạ thì ta tiếp tục phải trừ đi nữa

4 Giao thoa với ánh sáng trắng.

4.1 Thí nghiệm

4.2 Kết quả thí nghiệm Trên màn ta quan sát thấy:

- Vân sáng trung tâm (ánh sáng trắng) trộn vô số ánh đơn sắc

- Các dải màu như cầu vồng nằm đối xứng nhau qua vân sáng trung tâm với quy luật Tím trong đỏ ngoài (đối với vân sáng trung tâm)

4.3 Kiến thức trọng tâm.

+) Bề rộng quang phổ bậc k: xk = = k

+) Ánh sáng đơn sắc có vân sáng tại điểm xét: x = => =

Với k  Z được xác định từ bất phương trình

0,38 0,76

Có bao nhiêu giá tri của k thì có bấy nhiêu ánh sáng đơn sắc cho vân sáng tại điểm xét và ứng với một giá trị của k ta xác định được một bước sóng của một ánh sáng đơn sắc

+) Số Ánh sáng đơn sắc có vân tối tại điểm xét

x =(2k + 1) => =

Với k  Z.được xác định từ bất phương trình

0,38 0,76

Có bao nhiêu giá tri của k thì có bấy nhiêu ánh sáng đơn sắc cho vân tối tại điểm xét và ứng với một giá trị của k ta xác định được một bước sóng của một ánh sáng đơn sắc

+ Tìm khoảng cách hai vân sáng đơn sắc:

Vị trí vân sáng đơn sắc 1 :

a

D k

1 1

2 2

- Tại M cách vân sáng trung tâm đoạn x Tìm số vân sáng đơn sắc bị tắt

Ta có: x k )a D

2

1 ( 

2

1 (

m D k

1 (  kmin kkmax, ( k  Z )Suy ra có bao nhiêu giá trị k thì có bấy nhiêu bức xạ đơn sắc bị tắt

III BƯỚC SÓNG VÀ MÀU SẮC ÁNH SÁNG

1 Mỗi bức xạ đơn sắc ứng với một bước sóng trong chân không xác định

2 Mọi ánh sáng đơn sắc mà ta nhìn thấy có:  = (380  760) nm

3 Ánh sáng trắng của Mặt Trời là hỗn hợp của vô số ánh sáng đơn sắc có bước sóng biến thiên liên tục từ 0 đến 

4 Điều kiện về nguồn kết hợp trong hiện tượng giao thoa ánh sáng

- Hai nguồn phát ra ánh sáng có cùng bước sóng

- Hiệu số pha dao động của hai nguồn không đổi theo thời gian

a Từ công thức tính khoảng vân ta có:

3 3 0,54 10 10

0, 4 1,35

Bài 2 (Đại học năm 2010) Trong thí nghiệm Y-âng về giao thoa ánh sáng, hai khe

được chiếu bằng ánh sáng đơn sắc có bước sóng  0,6 m Khoảng cách giữa haikhe là 1mm, khoảng cách từ mặt phẳng chứa hai khe đến màn quan sát là 2,5m, bềrộng giao thoa là 1,25cm Tổng số vân sáng, vân tối có trong miền gioa thoa là :

A 19 vân B 17 vân C 15 vân D 21 vân

Vậy số vân sáng : Ns = 2.4+1 = 9 vân

Số vân tối: Nt = 2.4= 8 vân (phần lẻ < 0,5)

Vậy tổng số vân sáng và vân tối là : 9+8 = 17 vân Đáp án B

Bài 3 (Đại học năm 2010) Trong thí nghiệm Y-âng về giao thoa ánh sáng, nguồn

sáng phát đồng thời hai bức xạ đơn sắc, trong đó bức xạ màu đỏ có bước sóng

720nm và bức xạ màu lục có bước sóng  (có giá trị trong khoảng từ 500nm đến

575nm) Trên màn quan sát, giữa hai vân sáng gần nhau nhất và cùng màu với vânsáng trung tâm có 8 vân sáng màu lục Giá trị của  là

2 2 1 2

2 1 1

720 720

k

k k

k k

Bài 4 Trong thí nghiệm về giao thoa ánh sáng qua khe I- Âng có a= 2mm D=2m,

nguồn sáng gồm hai bức xạ 1 0 , 5 m, 2  0 , 4 m Tìm số vân sáng quan sát đượctrên trường giao thoa ?

Giải: Ta có : NQuan sát = N1 + N2 – Ntrùng

Với i 1= 1 36

10 2

2 10 5 , 0

2 + 1= 2 





 5 , 0 2 13

+1=27( vân)