Lý thuyết và bài tập Vật lý 12: Sóng ánh sáng

Lý thuyết và bài tập Vật lý 12: Sóng ánh sáng

Lý thuyết và bài tập sóng ánh sáng

. Tài liệu gồm 2 phần: Khái quát kiến thức cơ bản về sóng ánh sáng và 40 bài tập trắc nghiệm có đáp án. Mời các bạn cùng tham khảo để ngày càng học tập tốt hơn môn Vật lý lớp 12.

CHUYÊN ĐỀ SÓNG ÁNH SÁNG

A. TÓM TẮT LÝ THUYẾT

I. TÁN SẮC ÁNH SÁNG

1. Hiện tượng tán sắc ánh sáng

Hiện tượng ánh sáng bị tách thành nhiều màu khác nhau khi đi qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt gọi là hiện tượng tán sắc ánh sáng.

Ví dụ: Hiện tượng cầu vồng sau khi mưa....

2. Ánh sáng đơn sắc

Ánh sáng đơn sắc là ánh sáng không bị tán sắc. Ánh sáng đơn sắc có tần số xác định (không bị thay đổi khi đi từ môi trường này sang môi trường khác).

+ Bước sóng của ánh sáng đơn sắc trong môi trường: λ = v/f

+ Bước sóng của ánh sáng đơn sắc trong chân không: λ₀ = c/f ⇒ λ = λ₀/n trong đó: c = 3.10⁸ m/s vận tốc ánh sáng trong chân không; v vận tốc truyền ánh sáng trong môi trường có chiết suất n.

+ Chiết suất của môi trường trong suốt phụ thuộc vào màu sắc của ánh sáng. Đối với ánh sáng đỏ là nhỏ nhất, màu tím là lớn nhất.

3. Ánh sáng trắng

Ánh ánh trắng là tập hợp vô số ánh sáng đơn sắc có màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím. Bước sóng của ánh sáng trắng: 0,38μm ≤ λ ≤ 0,76μm.

II. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA ÁNH SÁNG

1. Thực hiện giao thoa ánh sáng đơn sắc với khe Y-âng

* Thí nghiệm: Thí nghiệm giao thoa ánh sáng của Y-âng (Young)

+ S₁, S₂ là hai khe sáng (hai nguồn kết hợp); O là vị trí vân sáng trung tâm (hay vân sáng chính giữa).

+ a: khoảng cách giữa hai khe sáng.

+ D: khoảng cách từ hai khe sáng đến màn.

+ λ: bước sóng ánh sáng.

+ L: bề rộng vùng giao thoa (bề rộng trường giao thoa).

* Kết quả thí nghiệm về giao thoa ánh sáng đơn sắc của Young (I-âng): Trên màn ảnh ta thu được các vạch sáng song song cách đều và xen kẽ với các vạch tối (các vạch sáng tối xen kẽ nhau đều đặn).

* Định nghĩa: Giao thoa ánh sáng là sự tổng hợp của hai hay nhiều sóng kết hợp, làm xuất hiện những vạch sáng, vạch tối xen kẽ nhau. Các vạch sáng (vân sáng) và các vạch tối (vân tối) gọi là các vân giao thoa.

* Giải thích

+ Hiện tượng giao thoa ánh sáng chỉ có thể giải thích khi thừa nhận ánh sáng có tính chất sóng.

+ Trong vùng gặp nhau của 2 sóng ánh sáng sẽ có những chỗ hai sóng gặp nhau cùng pha, khi đó chúng tăng cường lẫn nhau và tạo nên vân sáng. Ngược lại, khi hai sóng ngược pha chúng triệt tiêu lẫn nhau sẽ tạo nên vân tối.

* Ý nghĩa: Giao thoa ánh sáng là một bằng chứng thực nghiệm quan trọng khẳng định ánh sáng có bản chất sóng.

2. Các công thức trong giao thoa với khe I - âng

* Hiệu đường đi của ánh sáng từ hai khe S₁, S₂ đến điểm A trên màn trong vùng giao thoa (xét D >> a, x):

d₂ – d₁ = ax/D

trong đó: là tọa độ của điểm A trong trục tọa độ Ox thẳng đứng, chiều dương hướng lên trên, gốc tọa độ O là vị trí vân sáng chính giữa vân sáng.

* Vị trí các vân sáng: d₂ – d₁ = ax_s/D = kλ → x_s = kλD/a (k∈Z)

k = 0: Vân sáng trung tâm.

k = ± 1: Vân sáng bậc 1

k = ± 2: Vân sáng bậc 2

* Vị trí các vân tối: d₂ – d₁ = ax_t/D = (k + 1/2)λ → x_t = (k + 1/2)λD/a (k∈Z)

- Về phía dương (kể cả k = 0):

k = 0: Vân tối thứ nhất
k = 1: Vân tối thứ 2
k = 2: Vân tối thứ 3
k = Thứ - 1

- Về phía âm:

k = -1: Vân tối thứ nhất
k = -2: Vân tối thứ 2
k = -3: Vân tối thứ 3
ΙkΙ = Thứ

* Khoảng vân i

Khoảng vân là khoảng cách giữa hai vân sáng hoặc hai vân tối liên tiếp.

i = λD/a

Suy ra: Vị trí của vân sáng: x_s = ki

Vị trí của vân tối: x_t = (k + 1/2)i

Ánh sáng trắng gồm tập hợp 7 màu: đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím biến thiên liên tục nên khi thực hiện giao thoa với ánh sáng trắng sẽ cho 7 hệ vân giao thoa và ta thấy:

+ Ở chính giữa, mỗi ánh sáng đơn sắc đều cho vạch màu riêng. Tổng hợp của chúng cho ta vạch sáng màu trắng (do sự chồng chập của các vạch màu từ đỏ đến tím tại vị trí này). Nên vân trung tâm luôn có màu sáng trắng.

+ Hai bên vân trung tâm là các vạch màu liên tục từ đó tím đến đỏ. Do bước sóng của ánh sáng tím bé nhất, nên khoảng vân i_tim = λ_timD/a là nhỏ nhất nên làm cho vạch tím nằm gần vạch trung tâm hơn vạch đỏ (Xét trong cùng một bậc, tức là cùng 1 giá trị của k).

+ Tập hợp các vạch từ tím đến vạch đỏ của cùng một bậc (cùng giá trị của k) gọi là quang phổ bậc k. (Ví dụ: Quang phổ bậc 2 bao gồm các vạch từ màu tím đến màu đỏ ứng với k = 2).

+ Càng ra xa vân trung tâm thì có sự chồng lên nhau của các vân sáng khác bậc. (Ví dụ: Các vạch sáng của quang phổ bậc 9 chồng lên (che mất) các vạch sáng của quang phổ bậc 8. Còn các vạch sáng của quang phổ bậc 9 bị các vạch sáng của quang phổ bậc 10 che lấp).

III. CÁC LOẠI QUANG PHỔ

1. Máy quang phổ lăng kính

Máy quang phổ lăng kính: là dụng cụ dùng để phân tích chùm sáng phức tạp thành những thành phần đơn sắc khác khác nhau. Nói khác đi, nó dùng để nhận biết các thành phần cấu tạo của một chùm sáng phức tạp do một nguồn sáng phát ra.

a) Cấu tạo

Máy quang phổ lăng kính gồm ba bộ phận chính:

- Ống chuẩn trực: là bộ phận có dạng một cái ống tạo ra chùm tia sáng song song. Nó có một khe hẹp F nằm ở tiêu diện của một thấu kính hội tụ L₁. Chùm ánh sáng phát ra từ một nguồn S mà ta cần nguyên cứu được rọi vào khe F. Chùm tia sáng ló ra khỏi thấu kính L₁ là một chùm song song.

- Hệ tán sắc: Gồm một hoặc vài lăng kính P, có tác dụng phân tích chùm tia song song từ L₁ chiếu tới thành nhiều chùm tia đơn sắc song song.

- Buồng tối (hay buồng ảnh): là một hộp kín trong đó có một thấu kính hội tụ L₂ (đặt chắn chùm tia sáng đã bị tán sắc sau khi qua lăng kính P) và một tấm kính ảnh (để chụp ảnh quang phổ), hoặc một tấm kính mờ (để quan sát quang phổ), đặt tại tiêu diện của L₂.

b) Nguyên tắc hoạt động

Nguyên tắc hoạt động của máy quang phổ lăng kính dựa trên hiện tượng tán sắc ánh sáng.

Sau khi ló ra khỏi ống chuẩn trực, chùm ánh sáng phát ra từ nguồn S mà ta cần nguyên cứu sẽ trở thành một chùm song song. Chùm này qua lăng kính sẽ bị phân tách thành nhiều chùm đơn sắc song song, lệch theo các phương khác nhau. Mỗi chùm sáng đơn sắc ấy được thấu kính L₂ của buồng ảnh làm hội tụ thành một vạch trên tiêu diện của L₂ và cho ta một ảnh thật của khe F, đó là một vạch màu. Các vạch màu này được chụp trên kính ảnh hoặc hiên lên tấm kính mờ. Mỗi vạch màu ứng với một bước sóng xác định, gọi là vạch quang phổ, là một thành phần ánh sáng đơn sắc do nguồn S phát ra.

Tập hợp các vạch màu (hoặc dải màu) đó tạo thành quang phổ của nguồn S.

Tài liệu vẫn còn, mời các bạn tải về