Giải Vật Lý 12 Bài 25. Sự giao thoa ánh sáng

Bài 25. Sự GIAO THOA ÁNH SÁNG
A. KIẾN THỨC CẦN NẮM VỮNG
Nhiễu xạ ánh sáng - Giao thoa ánh sáng
Nhiễu xạ ánh sáng
Định nghĩa: Nhiễu xạ ánh sáng là hiện tượng ánh sáng không tuân theo định luật truyền thẳng, quan sát được khi ánh sáng truyền qua lỗ nhỏ hoặc gần mép những vật trong suốt hoặc không trong suốt.
Giải thích:
Do ánh sáng có tính chất sóng.
Mỗi chùm ánh sáng đơn sắc có bước sóng và tần số’ xác định
Giao thoa ánh sáng.
Hiện tượng:
Dùng khe kẹp s trên màn Mi song song với hai khe Si, S2 trên M2. Khoảng cách giữa hai khe S1, s2 rất nhỏ. Đặt các màn Ml song song với M2 và song song với màn M. Màn M đặt khá xa M2.
Khi chiếu ánh sáng đơn sắc qua s lên màn M thu được giải sáng gồm các vạch sáng có màu của nguồn chúng song song cách đều nhau xen giữa chúng là những vạch tối.
Khi dùng ánh sáng trắng:
Chiếu ánh sáng trắng vào khe s hướng tới màn M2, trên màn M thu được giải sáng ở giữa có vạch màu trắng hai bên viền màu cầu vòng từ tím đến đỏ theo thứ tự từ trong ra ngoài.
Giải thích:
- Hai khe S1, s2 phát cùng một ánh sáng vậy chúng có vai trò như hai nguồn kết hợp.
	- Giữa hai miền ánh sáng phát ra từ S1, s2 có tồn tại miền giao nhau.
- Mặt khác hiện tượng trên muôn giải thích được ta phải thừa nhận đấy là kết quả của hiện tượng giao thoa. Khi đó hai nguồn kết hợp là S1, s2. Vạch sáng là vị trí tại đó sóng từ S1, s2 tới tăng cường nhau. Vạch tối là vị trí tại đó sóng từ S1, s2 đến triệt tiêu nhau.
Kết luận:
Quá trình truyền ánh sáng là quá trình sóng và thí nghiệm lâng là thí nghiệm bản chất sóng của ánh sáng.
Khoảng vân - Bước sóng và màu sắc ánh sáng
VỊ trí trong các vân giao thoa
d2-d1=^
d2 - dj: hiệu đường đi của sóng ánh sáng từ hai nguồn S1, s2 đến điểm A.
a = S1S2; D = 10 với I là trung điểm SjS2.
VỊ trí các vân sáng: tại A là vân sáng khi
d2 - di = ““ = k?.=>x = k-2
Ư	a
Với
À: bước sóng ánh sáng k = 0;±l;±2...
Tại o (x = 0) ta có một vân sáng ứng với k = 0 gọi là vân sáng chính giữa (trung tâm), ơ hai bên vân sáng trung tâm là các vân sáng bậc 1, ứng với k = ±1; rồi đến các vân sáng bậc 2, ứng với k = ± 2... Các vân sáng đều cách đều nhau, xen giữa hai vân sáng cạnh nhau là một vân tối.
Khoảng vân là khoảng cách giữa hai vân sáng (hoặc hai vân tối) cạnh nhau
. ÂD .	. lx 1, ,	.
1 = với 1 gọi là khoang vân a
Bằng phương pháp giao thoa, người ta có thể đo được bước sóng Ả của ánh sáng (theo công thức tính i)
Người ta thấy mỗi ánh sáng đơn sắc có một bước sóng hoàn toàn xác định. Chẳng hạn: ánh sáng màu đỏ có h = 0,765|im; ánh sáng màu tím có À. = 0,4pm; ánh sáng màu vàng có K = 0,589ụm.
Màu ứng với ánh sáng đơn sắc gọi là màu đơn sắc hay màu quang phổ.
Các màu không đơn sắc là hỗn hợp của nhiều màu đơn sắc với những tỉ lệ khác nhau.
Chiết suất của môi trường
n = A + — À
với A, B là hằng số phụ thuộc vào bản chất của môi trường.
B. HƯỚNG DẪN TRẢ LỜI CÂU HỎI VÀ GIẢI BÀI TẬP
Bài 1. Kết luận quan trọng nhất rút ra từ thí nghiệm Y-âng là gì?
Trả lời
Qua thí nghiệm giao thoa ánh sáng bằng khe Y-âng, để có hiện tượng giao thoa ánh sáng ta phải có hai nguồn sáng kết hợp (hai khe sáng S1, s2) phát ra hai chùm sáng kết hợp. Tại vùng chung của hai chùm sáng kết hợp này ta có hiện tượng giao thoa. Điều này chứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng.
Bài 2. Viết công thức xác định vị trí các vân sáng.
Trả lời
XD
Công thức xác định vị trí các vân sáng xs = k—— Với k e z
a
X: Bước sóng của ánh sáng dùng làm thí nghiệm
D: Khoảng cách từ khe đến màn hứng giao thoa a: Khoảng cách giữa hai khe.
Bài 3. Viết công thức tính khoảng vân.
Trả lời
Công thức tính khoảng cách vân (Khoảng cách giữa hai vân sáng ,	_	.	,	, , ' . XD
hoặc hai vân tôi liên tiếp nhau trên giao thoa trường). 1=—
a
Bài 4. Ánh sáng nhìn thấy .được có bước sóng nằm trong khoảng nào?
Trả lời
Ánh sáng nhìn thấy được hay ánh sáng khả kiến có bước sóng nằm trong khoảng 0,38 // m < Ả < 0,76// m.
Bài 5. Nêu những đặc điểm của ánh sáng đơn sắc.
Trả lời
Mỗi ánh sáng đơn sắc đều có một bước sóng xác định trong chân không.
Ánh sáng đơn sắc có bước sóng nằm trong khoảng từ 0,38// m đến 0,76 /z m mới cho ta cảm giác sáng (thấy được). Đây còn gọi là ánh sáng thấy được (ánh sáng khả kiến).
Bài 6. Chỉ ra công thức đúng để tính khoảng vân.
. . _ XD	_ Xa	aD	a
a	D	X	XD
Trả lời
Khoảng cách giữa hai vân sáng hay vân tối liên tiếp nhau trên giao thoa thường là khoảng cách vân => Chọn câu A.
Bài 7. Chọn câu đúng.
Bức xạ màu vàng của natri có bước sóng Ấ bằng:
A. 0,589mm B. 0,589nm c. 0,589 pm D. 0,589pm.
Trả lời
Chọn câu c. 0,589 // m.
Bài 8. Trong thí nghiệm Y-âng với a = 2mm, D = l,2m, người ta đo được I = 0,36mm. Tính bước sóng Ả với tần số f của bức xạ.
Giải
Ta có: i
Bước sóng của bức xạ dùng làm thí nghiệm
. ia 0,36.10_3.2.10-3 - ,in-6	,
X = -7- =	——	= 0,610 m = 0.6um
3.108
0,6.10“S. 6
= 5.10I4Hz.
D 1,2
Tần số của bức xạ: f = ỷ-
X
Bài 9. Một khe hẹp F phát ánh sáng đơn sắc, có bước sóng Ả = 600mm chiếu sáng hai khe F1, F2 song song với F và cách nhau l,2mm. Vân giao thoa được quan sát trên một màn M song song với mặt phẳng chứa F1, F2 và cách nó 0,5m.
Tính khoảng cách giữa hai vân sáng liên tiếp.
Tại điểm M cách vân chính giữa 0,88mm là vân sáng, hay tối thứ mấy, kể từ vân chính giữa?
Xác định khoảng cách từ vân sáng chính giữa đến vân sáng bậc 4.
Giải
Khoảng cách giữa hai vân sáng liên tiếp (khoảng cách vân)
_ XD _ 600.109.0,5 _ _ . .
i = —— = —	, =2,5.10 m = 0,25mm
a 12.10
„	1 • _ V _ x _ °’88
Xs = ki => k = — = ~ _ =3,56 i 0,25
Giải
Khoảng cách vân: i =	= 0,343mm = 0,343.10 3m
12
Bước sóng dùng làm thí nghiệm:
. ia 0,434.10"3.1,56.10"3 ' in_, n
D	1,24
Bài 11. Trong một thí nghiệm Y-âng về giao thoa ánh sáng, khi chiếu sáng lỗ F bằng một đèn natri phát ánh sáng màu vàng, bước sóng X = 589nrự, người ta quan sát được 15 vân sáng, mà khoảng cách giữa hai vân ngoài cùng là 6,3mm. Thay đèn natri bằng một đèn phát ánh sáng bước sóng X', thì quan sát được 18 vân sáng, mà hai vân ngoài cùng cũng cách nhau 6,3mm. Tính bước sóng X'.
Giải
Quan sát được tất cả là 15 vân sáng => Khoảng cách vân trong trường hợp dùng bức xạ có bước sóng X:
. XD 6,3	
a 14
Khoảng cách vân trong trường hợp dùng bước sóng X':
X'D _ 6,3
a 17
Ta có:
z _XD _ 0,45 _^,_ 0,37X 0,37.589	n
z” X' 0,37	0,45	0,45