Bài giảng Vật lí Lớp 12 - Bài: Hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ ánh sáng

HI ỆN TƯỢNG GIAO THOA & NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG 
4/26/2022 
1 
Nội dung 
HIỆN TƯỢNG GIAO THOA ÁNH SÁNG 
Hiện tượng giao thoa và điều kiện để có giao thoa ánh sáng 
Khảo sát sự giao thoa ánh sáng qua khe Young 
SỰ NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG 
Thí nghiệm Fresnel về nhiễu xạ ánh sáng 
Định nghĩa 
Nguyên lý Huyghen – Fresnel 
Nhiễu xạ ánh sáng qua khe hẹp ( nhiễu xạ sóng phẳng ): ( Nhiễu xạ Frauhofe ) 
Điều kiện để có cực đại , cực tiểu nhiễu xạ 
Nhiễu xạ qua nhiều khe hẹp – cách tử 
2 
1.a Định nghĩa 
	 Là hiện tượng xãy ra khi 2 sóng ánh sáng truyền đến một vùng nào đó của không gian , ở đó tạo ra vùng sáng và tối liên tiếp . 	 Khoảng không gian có giao thoa gọi là trường giao thoa . Nếu đặt một màng trong trường giao thoa ta sẽ nhận được những vạch sáng và tối xen kẽ gọi là vân giao thoa . 
F 
E 
S 
3 
1.b Điều kiện để có giao thoa ánh sáng 
	 2 s óng ánh sáng ( nguồn ) phải có cùng tần số , phương dao động , hiệu pha không thay đổi theo thời gian . 
	 Giả sử xét nguồn 1: 
	 nguồn 2: 
Theo 2 dao động 
Trong đó 	: Hiệu pha 
4 
1.b Điều kiện để có giao thoa ánh sáng 
N ếu : 
Cho : 
	 Để đặc trưng tác dụng sóng của sóng ánh sáng , ta đưa vào cường độ sóng cơ . 
	 Chọn k=1, cường độ sáng I ~ a 2 => I ~ 4a 1 2 
( Cường độ sóng tỉ lệ bình phương với biên độ của sóng ). 
	 Như vậy , những điểm nhận 2 sóng có I ~ 4a 1 2 là điểm sáng . 
5 
1.b Điều kiện để có giao thoa ánh sáng 
N ếu : 
	 mà 	 Điểm tối 
	2 sóng có điều kiện trên gọi là 2 sóng kết hợp .	 
Chú ý: Trong môi trường đẳng hướng , sóng ánh sáng từ S phát ra là sóng cầu , biên độ của sóng sẽ giảm tỉ lệ nghịch với khoảng cách từ nguồn đến điểm ta xét . 
6 
1.c Cách tạo nguồn kết hợp 
	 Nguồn sóng biến thiên do dao động của các nguyên tử , do đó không tìm được sóng kết hợp từ 2 nguồn sáng . Để có sóng kết hợp , ta tách từ 1 nguồn sáng thành 2 tia sóng đi theo những quang lộ khác nhau . Sau đó , cho chúng gặp mhau . 
7 
1.c Cách tạo nguồn kết hợp 
 G ương Fresnel : 
O 
Q 
G 1 
O 1 
O 2 
G 2 
E 
Maøn chaén 
8 
1.c Cách tạo nguồn kết hợp 
 Lưỡng bán thấu kính G.Bille : 
 Lưỡng lăng kính Fresnel : 
S 
M 
M 
S 
9 
2.a Điều kiện cực đại cực tiểu vân giao thoa 
	 Gi ả sử có 2 nguồn sóng kết hợp S 1 và S 2 
Đặt : S 1 M = l 1 và S 1 M = l 2 ( quang lộ ) 
M nhận 2 sóng : 
10 
2.a Điều kiện cực đại cực tiểu vân giao thoa 
	 dao động cực đại 
	 cường độ sóng đạt cực đại :I max 
Nếu :	 dđ cực tiểu 
Những điểm có cường độ sáng tối nhất : I min = 0. 
11 
2.b Độ rộng của vân giao thoa 
	 Là khoảng cách giữa 2 vân cùng loại liên tiếp . Cọn O là điểm cách đầu S 1 , S 2 : 
Thông thường : 
12 
2.b Độ rộng của vân giao thoa 
	 Vậy các cực đại giao thoa sẽ nằm cách điểm giữa O một khoảng X max thỏa mãn điều kiện : 
Cực tiểu : 
13 
2.b Độ rộng của vân giao thoa 
Khoảng cách giữa các vân sáng 
( hoặc giữa các vân tối cũng vậy ) 
M 
S 1 
S 2 
d 
l 2 
D 
l 1 
S 
14 
2.c Sự dịch chuyển hệ vân giao thoa 
Chứng tỏ vân sáng mới O 1 (k = 0) sẽ nằm cách vân sáng cũ O một khoảng : 	 
15 
2.c Sự dịch chuyển hệ vân giao thoa 
- Vì n > 1 nên x 0 > 0 nghĩa là vân sáng giữa O 1 bây giờ sẽ dịch chuyển về phía có đặt bản thủy tinh mỏng . 
- Hiện tượng này là cơ sở để đo chiết suất trong các máy giao thoa kế . 	 
M 
S 1 
S 2 
d 
l 2 
D 
e 
l 1 
S 
16 
3. Thí nghiệm Fresnel về nhiễu xạ ánh sáng 
	 Cho ánh sáng xuất phát từ S qua 1 lỗ tròn trên màn chắn P, ta sẽ nhận được 1 vệt sáng tròn có đường kính ab trên màn ảnh Q. 
a 
c 
b 
Q 
S 
P 
17 
3. Thí nghiệm Fresnel về nhiễu xạ ánh sáng 
	 Nếu thu kích thước của lỗ trên P thì vệt sáng ab cũng thu nhỏ lại . Thí nghiệm chứng tỏ , khi kích thước của lỗ tròn rất nhỏ , ta thấy xuất hiện trên màn ảnh Q nhiều vòng tròn sáng và tối cùng tâm điểm nằm xen kẻ nhau cả trong vùng bóng tối hình học ( ngoài phạm vi ab ). Tâm điểm của các vân có thể sáng hoặc tối tùy theo kích thước của lỗ tròn và vị trí màn ảnh Q. 
	 Thí nghiệm trên chứng tỏ , khi qua lỗ tròn , các 	 tia sáng đã bị lệch khỏi phương truyền thẳng .	 
18 
4. Định nghĩa 
	 Hiện tượng các tia sáng bị lệch khỏi phương truyền thẳng khi chúng đi gần các vật chướng ngại , gây nên các vân sáng và tối trong cả vùng bóng tối hình học được gọi là hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng . Các vân sáng , tối xuất hiện khi đó gọi là vân nhiễu xạ .	 
19 
5. Nguyên lý Huyghen - Fresnel 
 Bất kỳ điểm nào mà ánh sáng truyền đến đều trở thành nguồn sáng thứ cấp phát ánh sáng về phía trước nó . 
 Biên độ và pha của nguồn thứ cấp là biên độ và pha của nguồn sáng thực gây ra tại vị trí nguồn thứ cấp . 
 Dao động tại một điểm bất kỳ ngoài mặt sáng thứ cấp  là tổng hợp của tất cả những sóng phát đi từ các nguồn thứ cấp nằm trên mặt sáng  ’’ gửi tới 	 
20 
6. Nhiễu xạ ánh sáng qua khe hẹp 
M 
O 
L 
P 
 0 
 1 
 2 
21 
6. Nhiễu xạ ánh sáng qua khe hẹp 
 Trên chắn sóng P, ta mở 1 khe hẹp hình chữ nhật độ rộng là a, chiều dài b , b rất lớn so với a . 
 Cho chùm tia sáng đơn sắc // chiếu vuông góc với mặt phẳng khe . Khi truyền qua chắn sóng P, chùm tia lệch phương truyền 1 góc . Ảnh thu được là các vân sáng , tối cách đều nhau , riêng vân sáng trung tâm rộng gấp nhiều lần các vân khác . 
22 
6. Nhiễu xạ ánh sáng qua khe hẹp 
 Áp dụng nguyên lý Huyghen : Chọn mặt phẳng khe làm mặt phẳng . 
 Chọn nguồn phát sóng thứ cấp : Dựng những mặt phẳng  0 ,  1 ,  2 ,   n song song và cách đều nhau 1 
khoảng =	 bắt đầu từ mặt trên của khe ( là bước sóng ánh sáng đơn sắc ta sử dụng ), các mặt phẳng vuông góc chùm tia nhiễu xạ , mỗi dãy được coi như nguồn sáng thứ cấp . 
23 
6. Nhiễu xạ ánh sáng qua khe hẹp 
 Vì 2 sóng ánh sáng từ 1 đới lẻ và 1 đới chẵn kế tiếp nhau gởi tới điểm M có hiệu quang lộ 	  dao động sóng của chúng có pha ngược nhau , tác dụng sóng của chúng sẽ khử lẫn nhau . 
 Nếu gọi a 1 ,a 2 ,a n là biên độ của các sóng ánh sáng do các nguồn thứ cấp 1,2,n gởi tới M thì biên độ a của sóng sáng tổng hợp có thể viết : 
	 a = a 1 – a 2 + a 3 – a 4 + a 5 +   a n . 
24 
6. Nhiễu xạ ánh sáng qua khe hẹp 
 Qui ước :	a n (+) khi n lẻ 
	a n (-) khi n chẵn . 
 V ì các dãy nhỏ và gần nhau nên xem như biên độ của một dãy bằng trung bình cộng biên độ của 2 dãy trước và sau nó . 
25 
7. ĐK có cực đại - cực tiểu nhiễu xạ 
	 Để tính cường độ sáng theo một phương bất kỳ ta vẻ các mặt phẳng  0 ,  1 ,  2  cách nhau /2 và vuông góc với chùm tia nhiễu xạ . Các mặt phẳng này chia mặt phẳng khe thành các dãi . 
	 Gọi d là bề rộng của 1 dãi 
	 Gọi n là số dãi trên khe 	 
d 
26 
7. ĐK có cực đại - cực tiểu nhiễu xạ 
 Nếu khe chứa 1 số chẳn dãi (n = 2k) 
	( loại k = 0). Điểm M sẽ tối 
27 
7. ĐK có cực đại - cực tiểu nhiễu xạ 
 Nếu khe chứa 1 số lẻ dãi (n = 2k +1) thì dao động sóng do từng dãi kế tiếp gây ra tại M sẽ khử lẫn nhau , còn dao động sóng do dãi lẻ 
2k + 1 gây ra không bị khử . M là điểm sáng . 
	 Trong đó : k = 1, 2, 3, , - 2, - 3,  
	( loại k = 0, k = - 1) 
28 
7. ĐK có cực đại - cực tiểu nhiễu xạ 
 Đồ thị phân bố cường độ sáng trên màng quan sát theo . 
I 
29 
8. Nhiễu xạ qua nhiều khe hẹp – cách tử 
Nhiễu xạ qua nhiều khe hẹp : 
	 Giả sử có N khe hẹp giống nhau nằm song song nhau trong một mặt phẳng  Dọi lên các khe đó một chùm đơn sắc song song . 
	 Giả sử chùm sáng gồm các tia kết hợp 
30 
8. Nhiễu xạ qua nhiều khe hẹp – cách tử 
Tại những điểm trên màng có 	 thỏa điều kiện 
Cho cực tiểu nhiễu xạ 
	 Cho cực đại nhiễu xạ . Dao động do 2 tia gây ra khử lẫn nhau . Điểm chính giữa chưa chắc là điểm tối . 
31 
8. Nhiễu xạ qua nhiều khe hẹp – cách tử 
I 
N = 1 
a) 
N = 2 
b) 
32 
8. Nhiễu xạ qua nhiều khe hẹp – cách tử 
	 Tổng quát N bất kỳ thì giữa hai cực đại chính kế tiếp có N – 1 cực tiểu phụ và N – 2 cực đại phụ . 	 
Nhieãu xaï qua nhieàu khe heïp 
33 
8. Nhiễu xạ qua nhiều khe hẹp – cách tử 
Cách tử nhiễu xạ : 
	 Định nghĩa : Tập hợp một số lớn những khe rất hẹp giống nhau , song song cách đều nhau và nằm trong cùng một mặt phẳng được gọi là cách tử nhiễu xạ . 
	 S ố khe trên 1 đơn vị chiều dài 
d 
Caùch töû nhieãu xaï 
34 
35