Phân tích chương Sóng ánh sáng

Cũng cần biết tốc độ biến thiên của chiết suất theo bước sóng 5chính 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 đị

MỤC LỤC

4.2.3 Nhiễu xạ gây bởi các sóng phẳng 16

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

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

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 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

Tia hồng ngoại

Tia

tử ngoại

Tia X

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

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

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

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:

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

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]

4.1.2 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 kínhThí 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

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 kínhThí 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

Tím 0,380 0,440Qua 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 – fo giữa tần số ánh sáng kích thích f và tần số dao động riêng fo của điện tích Đối với ánh sáng nhìn thấy được (f : 1015Hz) 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

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 900 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

H.3 Cầu vồng đơn và cầu vồng képTia 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 40o÷42o 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

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

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 40o÷42o

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 42o Còn ở biên giới của cầu vồng là tia tím đến từ những giọt nước mưa ở phía dưới, ứng với góc 40o 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

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 FresnelXét 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 rk của đới cầu thứ k bằng:

(7)

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 ak 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 ak giảm: a1 > a2 > a3

Vì khoảng cách từ các đới cầu đến điểm M và góc nghiêng θ tăng rất chậm, nên các biên độ ak

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

H.6 Sự nhiễu xạ của ánh sáng qua lỗ trònTrên 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 trònBiên độ dao động sáng tổng hợp tại M:

(11)Trong đó, +an nếu n lẻ và –an nếu n chẵn Thay (8) vào (11) và rút gọn ta được

(12)Trong đó, dấu cộng khi n lẻ và dấu trừ khi n chẵn.

4.2.2.3 Nhiễu xạ qua đĩa tròn

Trên đường đi của một chùm sáng, đặt một quả cầu hoặc một đĩa tròn kích thước nhỏ, ta thu được hình ảnh: ở giữa là một chấm sáng, xung quanh là các vành sáng tối đồng tâm

H.9 Nhiễu xạ bởi một quả cầuGiữa nguồn sáng O và điểm M có một đĩa tròn chắn sáng bán kính ro Giả sử đĩa che khuất

m đới cầu Fresnel đầu tiên Biên độ dao động tại M là:

H.10 Đới cầu Fresnel trong trường hợp nhiễu xạ qua đĩa tròn.

Nếu đĩa che mất một ít đới thì không khác bao nhiêu, do đó, cường độ sáng tại M cũng giống trường hợp không có chướng ngại vật giữa O và M Trong trường hợp đĩa che nhiều

đới thì và cường độ sáng tại M thực tế bằng không

4.2.3 Nhiễu xạ gây bởi các sóng phẳng

4.2.3.1 Nhiễu xạ qua khe hẹp Cách tử nhiễu xạ

Để tạo ra chùm sáng song song, người ta đặt nguồn sáng O tại tiêu điểm của thấu kính hội tụ

Lo Chiếu chùm sáng đơn sắc song song bước sóng vào khe hẹp AB có bề rộng b Sau khi đi qua khe hẹp, tia sáng sẽ bị nhiễu xạ theo nhiều phương Muốn quan sát ảnh nhiễu xạ chúng ta sử dụng thấu kính hội tụ L, chùm tia nhiễu xạ sẽ hội tụ tại điểm M trên mặt phẳng tiêu của thấu kính hội tụ

L Tùy theo giá trị của điểm M có thể sáng hoặc tối Những điểm sáng tối này nằm dọc trên đường thẳng vuông góc với chiều dài khe hẹp và được gọi là các cực đại và cực tiểu nhiễu xạ

H.11 Nhiễu xạ qua khe hẹp

Vì sóng ánh sáng gửi đến khe là sóng phẳng nên mặt phẳng khe là một mặt sóng phẳng, các sóng thứ cấp trên mặt phẳng khe dao động cùng pha

Xét nhiễu xạ theo phương , chúng hội tụ tại điểm F Mặt phẳng khe và mặt quan sát là hai mặt trực giao nên các tia sáng gởi từ mặt phẳng khe tới điểm F có quang lộ bằng nhau và dao động cùng pha nên chúng tăng cường nhau Điểm F rất sáng và gọi là cực đại giữa.

Trong trường hợp , áp dụng phương pháp đới cầu Fresnel ta tính toán được biên độ dao động sáng tổng hợp tại một điểm M trên màn quan sát Kết quả ta có các điều kiện cực đại, cực tiểu nhiễu xạ qua một khe hẹp như sau:

- Cực đại giữa (k=0):

- Cực đại nhiễu xạ:

Tập hợp những khe hẹp giống nhau song song cách đều và nằm trong cùng một mặt phẳng gọi là cách tử nhiễu xạ (H.13)

Khoảng cách d giữa hai khe hẹp kế tiếp được gọi là chu kỳ của cách tử Số khe trên một đơn

vị chiều dài của cách tử là

H.13 Cách tử và nhiễu xạ ánh sáng qua cách tửNgười ta có thể chế tạo được cách tử dài 10cm, trên mỗi mm có từ 500 – 1200 vạch Cách tử

có thể sử dụng để xác định bước sóng ánh sáng đơn sắc, xác định thành phần cấu tạo của các chất

và dùng trong máy quang phổ…

4.2.3.2 Nhiễu xạ trên tinh thể

Đối với tinh thể rắn, mạng tinh thể đóng vai trò một cách tử không gian ba chiều Sự nhiễu

xạ của các tia trên các nút mạng cho ta kết quả:

(17)trong đó d là khoảng cách giữa hai nút mạng, gọi là hằng số mạng Công thức được gọi là công thức Vulf – Bragg Công thức Vulf – Bragg được dùng để xác định cấu trúc của vật rắn tinh thể

H.14 Nhiễu xạ trên tinh thể

4.3 Hiện tượng giao thoa ánh sáng

4.3.1 Định nghĩa hiện tượng giao thoa

Theo yêu cầu của chuẩn kiến thức (3-) và chuẩn kỹ năng (2-), HS phải xác định được vai trò của từng bộ phận của thí nghiệm giao thoa trong tiết lý thuyết, từ đó sử dụng được thí nghiệm để đo bước sóng ánh sáng trong tiết thực hành Do đó, GV phải tiến hành thí nghiệm giao thoa trên lớp một cách rõ ràng và phân tích kỹ để HS theo dõi GV chọn thí nghiệm giao thoa ánh sáng với hai khe Young, vì đây là thí nghiệm đầu tiên trong lịch sử về giao thoa ánh sáng Mặc dù lí thuyết đầy

đủ của hiện tượng này là phức tạp, nhưng nếu bỏ qua không tính đến hiện tượng nhiễu xạ thì hiện tượng lại dễ hiểu, không phức tạp như trong các bố trí khác

Thí nghiệm gồm nguồn sáng là bóng đèn; kính lọc sắc F; khe hẹp S; hai khe hẹp S1, S2 (gọi

là khe Y-âng) được đặt song song với nhau và song song với khe S, màn quan sát E đặt song song với mặt phẳng chứa hai khe S1, S2

H.15 Sơ đồ bố trí thí nghiệm giao thoa

Ở đây, HS sẽ thấy được trên màn E song song với M có một vùng sáng hẹp, trong đó xuất hiện những vạch sáng màu đỏ và những vạch tối xen kẽ nhau, song song với khe S Đó là hiện tượng giao thoa ánh sáng

Như vậy, khe S được chiếu sáng đóng vai trò là một nguồn sáng Ánh sáng qua kính lọc sắc truyền đến khe S1, S2 làm cho ánh sáng phát ra từ S1, S2 là hai nguồn sáng kết hợp có cùng tần số với nguồn S Tại vùng không gian ở sau hai khe S1, S2, nơi hai sóng gặp nhau, gọi là vùng giao thoa, có sự chồng chập của hai sóng kết hợp dẫn đến hiện tượng giao thoa sóng và tạo ra các vân