Giải Vật Lý 12 Bài 24. Tán sắc ánh sáng

Chương I/. SÓNG ÁNH SÁNG
Bời 24. TÁN SẮC ÁNH SÁNG
A. KIẾN THỨC CẨN NẮM VỮNG
Định nghĩa
Hiện tượng tán sắc của ánh sáng là hiện tượng mà ánh sáng khi qua lăng kính bị tách thành nhiều màu sắc khác nhau.
Quang phổ của ánh sáng trắng
Dải sáng gồm vô sô' màu liên tục kê' tiếp nhau từ đỏ đến tím như màu cầu vòng thu được khi chiếu sáng trắng qua lăng kính gọi là quang phổ của ánh sáng trắng.
Ánh sáng đơn sắc
-Định nghĩa:
Ánh sáng vẫn như nguyên một màu của nó khi chiếu qua lăng kính gọi là ánh sáng đơn sắc.
Đặc điểm:
vẫn giữ nguyên một màu nhất định khi chiếu qua lăng kính hoặc mặt phân cách hai môi trường trong suốt.
Bị lệch về đáy lăng kính do tuân theo định luật khúc xạ khi chiếu qua lăng kính.
Nguyên nhân của hiện tượng tán sắc
Ánh sáng bao gồm vô số’ các ánh sáng đơn sắc. Ngay cả một số ánh sáng màu còn bao gồm nhiều ánh sáng đơn sắc.
Chiết suất của các môi trường đô'i với ánh sáng đơn sắc khác nhau là khác nhau.
Nếu lấy bảy màu lần lượt từ đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm, tím thì chiết suất của môi trường đôi với ánh sáng từ đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm, tím là khác nhau và chiết suất đó tăng dần từ đỏ đến tím.
Kết luận: Trên đây là hai nguyên nhân cơ bản để gây nên hiện tượng tán sắc.
B. HƯỚNG DẪN TRẢ LỜI CÂU HỎI VÀ GIẢI BÀI TẬP
Bài 1. Trình bày thí nghiệm Niu-tơn về sự tán sắc ánh sáng.
Trả lời
Trong thí nghiệm hình 24.1, gương G dùng để phản chiếu ánh sáng Mặt Trời qua một khe hẹp F, nằm ngang vào một buổi tối. Nhờ các hạt bụi nhỏ ta nhìn thấy vết của chùm sáng song song hẹp, qua F. Đặt một màn M song song với F và cách F chừng một hai mét để hứng chùm sáng, thì trên màn ta thấy một vệt sáng F, sao cho chùm sáng rọi xiên vào mặt AB, ta thấy vệt sáng F’ trên màn M bị dịch chuyển xuống phía đáy lăng kính, đồng thời bị trải dài thành một dải màu sặc sỡ.
Quan sát kĩ dải màu, ta phân biệt được bảy màu, lần lượt từ trên xuôhg dưới (tức là từ đỉnh xuống đáy lăng kính) là: đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm tím. Đó cũng là bảy màu của cầu vồng
Ranh giới giữa các màu không rõ rệt, tức là màu nọ chuyển sang màu kia một cách liên tục.
Dải sáng màu này gọi là quang phổ của ánh sáng Mặt Trời, hay quang phổ của Mặt Trời, ánh sáng Mặt Trời là ánh sáng trắng.
Bài 2. Trình bày thí nghiệm với ánh sáng đơn sắc của Niu-tơn.
Trả lời
Để kiểm nghiêm xem có phải thủy tinh đã làm thay đổi màu của ánh sáng hay không, Niu-tơn đã làm thí nghiệm sau đây.
Ông rạch trên màn M ở thí nghiêm trên một khe hẹp F’ song song với F và xê dịch màn M để đặt F’ vào đúng chỗ một màu-màu vàng V, chẳng hạn - trên quang phổ (H.24.2). Như vậy, sau màn M ông được một chùm sáng hẹp, chỉ có màu vàng. Cho chùm sáng màu vàng đó khúc xạ qua một lăng kính P’ giông hệt lăng kính p và hứng chùm tia ló trên màn M’, ông thấy vệt sáng trên màn M’, túy vậy bị dịch chuyển về phía đáy của P’, nhưng vẫn giữ nguyên màu vàng. Vậy:
Chùm sáng màu vàng, tách ra từ quang phổ của Mặt Trời, sau khi qua lăng kính P’ chỉ bị lệch mà không bị đổi màu.
Niu-tơn gọi chùm sáng này là chùm sáng đơn sắc. Lần lượt đặt F’ tại chỗ các màu đỏ, da cam, lục ... trên quang phổ, để lần lượt tách riêng từng chùm sáng màu đỏ, da cam, lục ... rồi cho chúng qua P’, ông thấy rằng chúng cũng chỉ bị lệch mà không bị đổi màu. Bảy chùm sáng có bảy màu cầu vồng, tách ra từ quang phổ của Mặt Trời, đều là các chùm sáng đơn sắc.
Vậy, ánh sáng đơn sắc là ánh sáng có một màu nhất định và không bị tán sắc khi truyền qua lăng kính.
Bài 3. Trong thí nghiệm với ánh sáng đơn sắc của Niu-tơn, nếu ta bỏ màn M đi rồi đưa hai lăng kính lại sát nhau, nhưng đặt ngược chiều nhau, thì ánh sáng có bị tán sắc hay không?
Trả lời
Hai lăng kính được đặt sát nhau và vẫn ngược chiều nhau sẽ tạo thành một bản mặt song song (VL 11). Do vậy trong thí nghiệm không có hiện tượng tán sắc ánh sáng.
Bài 4. Chọn câu đúng.
Thí nghiệm với ánh sáng đơn sắc của Niu-tơn nhằm chứng minh:
Sự tồn tại của ánh sáng đơn sắc.
Lăng kính không làm thay đổi màu sắc của ánh sáng qua nó.
c. Ánh sáng mặt trời không phải là ánh sáng đơn sắc.
D. Ánh sáng có bất kì màu gì, khi qua lăng kính cũng bị lệch về phía đáy.
Trả lời
Chọn câu B. Lăng kính không làm thay đổi màu sắc của ánh sáng qua nó.
Bài 5. Một lăng kính thủy tinh có góc chiết quang A = 5°, được coi là nhỏ, có chiết suất đôi với ánh sáng đỏ và ánh sáng tím lần lượt là nđ = 1,643 và nt = 1,685. Cho một chùm sáng trắng hẹp rọi vào một mặt bên của lăng kính, dưới góc tới I nhỏ. Tính độ rộng góc của quang phổ cho bởi lăng kính.
Giải
Góc lệch D1 của chùm ánh sáng đỏ khi truyền qua lăng kính:
D1 = (nđ - 1)
Góc lệch D2 của chùm ánh sáng đỏ khi truyền qua lăng kính:
D2 = A(n, - 1)
Độ rộng của quang phổ cho bởi lăng kính:
a = AD = D2-D, = A(nt-nđ) = 5(l,685-1,643)
= 5.0,042 = 0.21° hay 12,6 phút
Bài 6. Một cái bể sâu l,2m chứa đầy nước. Một tia sáng mặt trời rọi ’	3
vào mặt nước bể, dưới góc tới i, có tan 1=7-. Tính độ dài của quang phô do
4
tia sáng tạo ở đáy bể. Cho biết: Chiết suất của nước đối với ánh sáng đỏ và ánh sáng tím lần lượt là nđ - 1,328 và nt - 1,343.
Giải
-—' BC 4	_ _	_ 4 1.2.4
Tacó: tgi = tgBAC = 777 = 77 => BC = AB-7 = ’ ■
AB 3	3
=» AC = 7aB2+BC2 = ạ/1,44 + 2,56 = 2m = AB = n A
cosi = —— = —— 0,6
AC 2
4
=> sini = tgicosi = 7.0,6 = 0,8
Từ (1) và (2) => rj = 37°, r2 = 36° tgr, =0,7536 => BE = AB.tgr,
tgr2 = 0,7265 => BD = ABtgr2
Độ dài quang phổ: DE - BE - BD = AB(tgrd - tgr2) = 1,2(0,7536 - 0,7265) = 0,032m = 3,2cm.