Sóng Ánh Sáng
Loga.vn
- Hiểu sóng ánh sáng.
- Vận dụng vào bài tập.
A. Lý thuyết
1. Khái niệm:
- Ánh sáng là sóng điện từ có bước sóng ngắn. Ánh sáng đơn sắc có bước sóng l (tần số f) xác định và chỉ có một màu gọi là màu đơn sắc.
- Ánh sáng là hỗn hợp của nhiều ánh sáng đơn sắc, có màu sắc biến thiên liên tục từ màu đỏ đến màu tím.
2. Hiện tượng lăng kính phân tích một chùm ánh sáng trắng thành nhiều chùm ánh sáng có màu sắc khác nhau, gọi là hiện tượng tán sắc ánh sáng.
- Một chùm ánh sáng trắng, song song đến lăng kính, sau khi ló ra khỏi lăng kính bị tách thành một dải nhiều màu, từ đỏ đến tím, gọi là quang phổ của ánh sáng trắng. Tia đỏ bị lệch (về phía đáy lăng kính) ít nhất, tia tím bị lệch nhiều nhất.
- Nguyên nhân của sự tán sắc là do chiết suất của môi trường phụ thuộc vào bước sóng (tần số) của ánh sáng. Chiết suất của lăng kính đối với ánh sáng tím là lớn nhất, đối với ánh sáng đỏ là nhỏ nhất.
3. Giao thoa ánh sáng:
Là sự tổng hợp của hai sóng ánh sáng kết hợp, đó là các sóng ánh sáng do hai nguồn sáng kết hợp phát ra, có cùng phương dao động, cùng chu kì (tần số) dao động, (cùng màu sắc và có độ lệch pha luôn không đổi theo thời gian.
4. Thí nghiệm Young về giao thoa ánh sáng:
* Đặt OI = D: khoảng cách từ mặt phẳng chứa hai khe S1, S2 đên màn quan sát
* S1S2 = a: khoảng cách giữa hai khe.
* S1M = d1; S2M = d2;
* x = OM: khoảng cách từ vân trung tâm đến điểm M ta xét.
a) Hiệu đường đi: $\delta ={{d}_{2}}-{{d}_{1}}=\frac{ax}{D}$
b) Vị trí vân sáng, vân tối và khoảng vân:
* Vị trí vân sáng: Tại M có vân sáng tức là hai sóng ánh sáng do hai nguồn S1, S2 gửi tới cùng pha với nhau và tăng cường lẫn nhau. Điều kiện này sẽ thoả mãn nếu hiệu quang trình bằng một số nguyên lần bước sóng l.
$\delta =\frac{ax}{D}=k\lambda $ ® vị trí vân sáng: ${{x}_{s}}=k\frac{\lambda D}{a}$ (với kÎZ)
Nếu k = 0 ® x = 0: vân sáng trung tâm.
Nếu k = ±1 : vân sáng bậc 1.
Nếu k = ±2 : vân sáng bậc 2…
* Vị trí vân tối: Tại M có vân tối tức là hai sóng ánh sáng do hai nguồn S1, S2 gửi tới ngược pha với nhau và triệt tiêu lẫn nhau. Điều kiện này sẽ thoả mãn nếu hiệu quang trình bằng một số lẻ lần nửa bước sóng.
$\delta =\frac{ax}{D}=(2k+1)\frac{\lambda }{2}$ ® vị trí vân tối: ${{x}_{t}}=\left( k+\frac{1}{2} \right)\frac{\lambda D}{a}$ (với kÎZ)
Nếu k = 0; k = -1: vân tối bậc 1.
Nếu k = 1 ; k = -2: vân tối bậc 2.
Nếu k = 2 ; k = -3: vân tối bậc 3…
* Lưu ý:
- Số vân sáng luôn là số lẻ, số vân tối là số chẵn.
- Đối với vân sáng theo cả hai chiều (k³0 và k<0) và đối với vân tối theo chiều k<0: bậc của vân tương ứng với giá trị của k.
- Đối với vân tối theo chiều k³0, bậc của vân ứng với giá trị k + 1
* Khoảng vân i:
Là khoảng cách giữa hai vân sáng (hoặc hai vân tối) cạnh nhau.
$i=\frac{\lambda D}{a}$
Do đó ta có thể viết công thức vị trí của các vân sáng là: xs = ki ;
vị trí vân tối là: \[{{x}_{t}}=\left( k+\frac{1}{2} \right).i\] Với k Î Z.
- Trong trường hợp giao thoa với ánh sáng trắng, vân sáng trung tâm có màu trắng, các vân sáng bậc 1 của tất cả các thành phần đơn sắc trong ánh sáng trắng tạo ra quang phổ bậc 1 (bờ tím ở phía O)…kế tiếp là các quang phổ bậc 2, 3 … có một phần chồng lên nhau.
5. Đo bước sóng ánh sáng bằng phương pháp giao thoa:
Ta có thể đo khoảng cách D từ hai khe S1, S2 đến màn quan sát. Mặt khác, có thể sử dụng kính hiển vi để đo khoảng cách a giữa hai khe S1 và S2 và đo khoảng vân i.
Biết D, a, i ta có thể tính được bước sóng l của ánh sáng bằng công thức: $\lambda =\frac{ai}{D}$. Đó là nguyên tắc của việc đo bước sóng ánh sáng bằng phương pháp giao thoa.
B. Bài tập vận dụng
Câu 1. Tìm phát biểu sai về hiện tượng tán sắc:
A. Tán sắc là hiện tượng một chùm ánh sáng trắng hẹp bị tách thành nhiều chùm sáng đơn sắc khác nhau.
B. Hiện tượng tán sắc chứng tỏ ánh sáng trắng là tập hợp vô số các ánh sáng đơn sắc khác nhau.
C. Thí nghiệm của Newton về tán sắc ánh sáng chứng tỏ lăng kính là nguyên nhân của hiện tượng tán sắc.
D. Nguyên nhân của hiện tượng tán sắc là do chiết suất của các môi trường đối với các ánh sáng đơn sắc khác nhau thì khác nhau.
Câu 2. Tìm phát biểu đúng về ánh sáng đơn sắc:
A. Đối với các môi trường khác nhau, ánh sáng đơn sắc luôn có cùng bước sóng.
B. Đối với ánh sáng đơn sắc, góc lệch của tia sáng đối với các lăng kính khác nhau đều có cùng giá trị.
C. Ánh sáng đơn sắc là ánh sáng không bị lệch đường truyền khi đi qua lăng kính.
D. Ánh sáng đơn sắc là ánh sáng không bị tách màu khi qua lăng kính.
Câu 3. Nói về giao thoa ánh sáng, tìm phát biểu sai.
A. Hiện tượng giao thoa ánh sáng chỉ giải thích được bằng sự giao thoa của hai sóng kết hợp.
B. Hiện tượng giao thoa ánh sáng là một bằng chứng thực nghiệm quan trọng khẳng định ánh sáng có tính chất sóng.
C. Trong miền giao thoa, những vạch sáng ứng với những chỗ hai sóng gặp nhau tăng cường lẫn nhau.
D. Trong miền giao thoa, những vạch tối ứng với những chỗ hai sóng tới không gặp được nhau.
Câu 4. Tìm kết luận đúng về hiện tượng giao thoa ánh sáng:
A. Giao thoa ánh sáng là sự tổng hợp của hai chùm sáng chiếu vào cùng một chỗ.
B. Giao thoa của hai chùm sáng từ hai bóng đèn chỉ xảy ra khi chúng cùng đi qua kính lọc sắc.
C. Giao thoa ánh sáng chỉ xảy ra đối với các ánh sáng đơn sắc.
D. Giao thoa ánh sáng chỉ xảy ra khi hai chùm sóng ánh sáng kết hợp đan xen vào nhau.
Câu 5. Tìm phát biểu sai về hai nguồn sóng ánh sáng kết hợp:
A. Hai nguồn sóng ánh sáng có cùng tần số và có độ lệch pha không đổi gọi là hai nguồn kết hợp.
B. Hai chùm sáng kết hợp thường được tạo ra từ một nguồn và được tách ra theo hai đường khác nhau.
C. Hai chùm sáng kết hợp thường tựa như từ hai ảnh của cùng một nguồn qua các quang cụ như: lưỡng lăng kính, hệ gương Fresnel…
D. Ánh sáng từ hai bóng đèn là hai sóng ánh sáng kết hợp nếu chúng cùng loại và thắp sáng ở cùng một hiệu điện thế.
Câu 6. Hai sóng kết hợp là ..
A. hai sóng xuất phát từ hai nguồn kết hợp.
B. hai sóng có cùng tần số, có hiệu số pha ở hai thời điểm xác định của hai sóng thay đổi theo thời gian.
C. hai sóng phát ra từ hai nguồn nhưng đan xen vào nhau.
D. hai sóng thoả mãn điều kiện cùng pha.
Câu 7. Trong thí nghiệm Young về giao thoa ánh sáng với ánh sáng đơn sắc, vân sáng là …
A. tập hợp các điểm có hiệu khoảng cách đến hai nguồn bằng một số nguyên lần bước sóng.
B. tập hợp các điểm có hiệu khoảng cách đến hai nguồn bằng một số lẻ lần nửa bước sóng.
C. tập hợp các điểm có hiệu quang trình đến hai nguồn bằng một số nguyên lần bước sóng.
D. tập hợp các điểm có hiệu quang trình đến hai nguồn bằng một số lẻ lần nửa bước sóng.
Câu 8. Trong thí nghiệm Young về giao thoa ánh sáng với ánh sáng đơn sắc, vân tối là …
A. tập hợp các điểm có hiệu khoảng cách đến hai nguồn bằng một số nguyên lần bước sóng.
B. tập hợp các điểm có hiệu khoảng cách đến hai nguồn bằng một số lẻ lần nửa bước sóng.
C. tập hợp các điểm có hiệu quang trình đến hai nguồn bằng một số nguyên lần bước sóng.
D. tập hợp các điểm có hiệu quang trình đến hai nguồn bằng một số lẻ lần nửa bước sóng.
Câu 9. Chọn phát biểu đúng.
Giao thoa ánh sáng qua kính lọc sắc là hiện tượng …
A. giao thoa của hai sóng điện từ.
B. giao thoa của hai sóng âm kết hợp.
C. xuất hiện các vạch sáng tối xen kẽ trong vùng gặp nhau của hai chùm ánh sáng kết hợp.
D. giao thoa của hai sóng cơ thoả mãn điều kiện kết hợp.
Câu 10. Tìm phát biểu đúng về vân giao thoa:
Tại vị trí có vân tối, …
A. hiệu quang trình đến hai nguồn kết hợp thoả mãn: d2 – d1 = (2k+1)$\frac{\lambda }{2}$, với k Î Z.
B. độ lệch pha của hai sóng từ hai nguồn kết hợp thoả mãn: $\Delta \varphi =(2k+1)\frac{\pi }{2}$, với k Î Z.
C. hiệu khoảng cách đến hai nguồn kết hợp thoả mãn: d2 – d1 = (2k+1)l, với k Î Z.
D. hai sóng đến từ hai nguồn kết hợp vuông pha với nhau.
C. Bài tập tự luyện
Câu 11. Tìm phát biểu sai về vân giao thoa:
Tại vị trí có vân sáng, …
A. hiệu quang trình đến hai nguồn kết hợp thoả mãn: d2 – d1 = kl, với k Î Z.
B. độ lệch pha của hai sóng từ hai nguồn kết hợp thoả mãn: $\Delta \varphi =2k\pi $, với k Î Z.
C. hiệu khoảng cách đến hai nguồn kết hợp thoả mãn: d2 – d1= (2k+1)l, với k Î Z.
D. hai sóng đến từ hai nguồn kết hợp cùng pha với nhau và tăng cường lẫn nhau.
Câu 12. Tìm công thức đúng để tính khoảng vân i trong hiện tượng giao thoa ánh sáng đơn sắc:
A. $\lambda =\frac{i.D}{a}$ B. $\lambda =\frac{a}{i.D}$ C. $i=\frac{\lambda .a}{D}$ D. $i=\frac{\lambda D}{a}$
Câu 13. Công thức liên hệ giữa hiệu quang trình d, khoảng cách giữa hai khe S1S2=a, khoảng cách từ hai khe đến màn quan sát là D và vị trí điểm quan sát so với vân trung tâm x = OM trong thí nghiệm Young về giao thoa ánh sáng là:
A. $\delta =\frac{\lambda x}{D}$ B. $\delta =\frac{ax}{D}$ C. $\delta =\frac{\lambda .a}{D}$ D. $\delta =\frac{aD}{x}$
Câu 14. Trong thí nghiệm Young về giao thoa ánh sáng với hai khe S1, S2, nếu đặt một bản mặt song song trước S1, trên đường đi của ánh sáng thì …
A. hệ vân giao thoa không thay đổi.
B. hệ vân giao thoa dời về phía S1.
C. hệ vân giao thoa dời về phía S2.
D. Vân trung tâm lệch về phía S2.
Câu 15. Trong thí nghiệm giao thoa ánh sáng dùng hai khe Young, tìm bước sóng ánh sáng chiếu vào hai khe, biết hai khe cách nhau một khoảng a = 0,3mm; khoảng vân đo được i = 3mm, khoảng cách từ hai khe đến màn quan sát D = 1,5m.
A. 0,45mm B. 0,50mm C. 0,60mm D. 0,55mm.
Câu 16. Hai khe của thí nghiệm Young được chiếu sáng bằng ánh sáng trắng (bước sóng của ánh sáng tím la 0,40mm, của ánh sáng đỏ là 0,75mm). Hỏi ở đúng vị trí vân sáng bậc 4 của ánh sáng đỏ có bao nhiêu vạch sáng của những ánh sáng đơn sắc khác nằm trùng ở đó ?
A. 3 B. 4 C. 5 D. 6
Câu 17. Trong thí nghiệm giao thoa ánh sáng dùng hai khe Young, biết khoảng cách giữa hai khe S1S2 = a = 0,35mm, khoảng cách D = 1,5m và bước sóng l = 0,7mm. Tìm khoảng cách giữa hai vân sáng liên tiếp i.
A. 2mm B. 1,5mm C. 3mm D. 4mm
Câu 18. Trong thí nghiệm giao thoa ánh sáng dùng hai khe Young, hai khe được chiếu bằng ánh sáng có bước sóng l = 0,5mm, biết S1S2 = a = 0,5mm, khoảng cách từ mặt phẳng chứa hai khe đến màn quan sát là D = 1m. Tính khoảng cách giữa vân sáng bậc 1 và vân tối bậc 3 ở cùng bên so với vân trung tâm.
A. 1mm B. 2,5mm C. 1,5mm D. 2mm
Câu 19. Trong thí nghiệm giao thoa ánh sáng dùng hai khe Young, hai khe được chiếu bằng ánh sáng có bước sóng l = 0,5mm, biết S1S2 = a = 0,5mm, khoảng cách từ mặt phẳng chứa hai khe đến màn quan sát là D = 1m. Tại vị trí M cách vân trung tâm một khoảng x = 3,5mm, có vân sáng hay vân tối, bậc mấy ?
A. Vân sáng bậc 3. B. Vân tối bậc 4.
C. Vân sáng bậc 4. D. Vân tối bậc 2.
Câu 20. Trong thí nghiệm giao thoa ánh sáng dùng hai khe Young, hai khe được chiếu bằng ánh sáng có bước sóng l = 0,5mm, biết S1S2 = a = 0,5mm, khoảng cách từ mặt phẳng chứa hai khe đến màn quan sát là D =1m. Bề rộng vùng giao thoa quan sát được trên màn là L =13mm. Tính số vân tối quan sát được trên màn.
A. 14 B. 11 C. 12 D. 13
Hướng dẫn giải:
Câu 15. C.
Hướng dẫn: $\lambda =\frac{a.i}{D}=\frac{0,{{3.10}^{-3}}{{.3.10}^{-3}}}{1,5}=0,{{6.10}^{-6}}m=0,6\mu m$
Câu 16. B.
Hướng dẫn: Vị trí vân sáng bậc 4 màu đỏ: ${{x}_{4}}=4.\frac{{{\lambda }_{\text{d}}}.D}{a}=\frac{3.D}{a}={{x}_{s}}=k.\frac{\lambda .D}{a}$ ® $\lambda =\frac{3}{k}$ với kÎZ
Với ánh sáng trắng: 0,4£l £0,75 Û $0,4\le \frac{3}{k}\le 0,75\to 4\le k\le 7,5$ và kÎZ.
Chọn k=4,5,6,7: Có 4 bức xạ cho vân sáng tại đó.
Câu 17. C.
Hướng dẫn: $i=\frac{\lambda D}{a}=\frac{0,{{7.10}^{-6}}.1,5}{0,{{35.10}^{-3}}}={{3.10}^{-3}}m=3mm$
Câu 18. C.
Hướng dẫn: $i=\frac{\lambda D}{a}=\frac{0,{{5.10}^{-6}}.1}{0,{{5.10}^{-3}}}={{10}^{-3}}m=1mm$
Vị trí vân sáng bậc 1: x1= i = 1mm
Vị trí vân tối bậc 3: ${{x}_{3}}=\left( 2+\frac{1}{2} \right)i=2,5mm$
Khoảng cách giữa chúng: $\Delta x={{x}_{3}}-{{x}_{1}}=2,5-1=1,5mm$
Câu 19. B.
Hướng dẫn: $i=\frac{\lambda D}{a}=\frac{0,{{5.10}^{-6}}.1}{0,{{5.10}^{-3}}}={{10}^{-3}}m=1mm$
Xét tỉ: $\frac{{{x}_{M}}}{i}=\frac{3,5}{1}=3,5=3+\frac{1}{2}$® tại M có vân tối bậc 4.
Câu 20. A.
Hướng dẫn: $i=\frac{\lambda D}{a}=\frac{0,{{5.10}^{-6}}.1}{0,{{5.10}^{-3}}}={{10}^{-3}}m=1mm$
Số vân trên một nửa trường giao thoa: $\frac{L}{2i}=\frac{13}{2}=6,5$.
Þ số vân tối quan sát được trên màn là: Nt = 2.(6+1) = 14 vân.
Chúc các bạn học tốt! Ng.M.N
