Hệ thống kiến thức và bài tập về Sóng ánh sáng

Nội dung text: Hệ thống kiến thức và bài tập về Sóng ánh sáng

1. Hệ thống kiết thức và bài tập luyện thi Vật lý 12 – Năm học 2010 - 2010 CHƯƠNG VI : SĨNG ÁNH SÁNG A . KIẾN THỨC TRỌNG TÂM : Chủ đề 1: Tán sắc ánh sáng 1/ Tán sắc ánh sáng : A (Hướng tia tới) Khi đi qua lăng kính, chùm ánh sáng trắng sẽ : Bị lệch về phía đáy của lăng kính , tuân theo định luật khúc i'đ xạ anh sáng . i đỏ ' Bị tách thành nhiều chùm sáng cĩ màu khác. (á.sáng trắng) it nhau từ đỏ đến tím. Trong đĩ chùm tia màu đỏ lệch ít nhất và chùm tia màu tím lệch nhiều nhất B C tím Hiện tượng ánh sáng trắng bị tách thành nhiều màu từ đỏ đến tím khi đi qua lăng kính gọi là hiện tượng tán sắc ánh sáng. Dãi sáng nhiều màu từ đỏ đến tím gọi là quang phổ của ánh sáng trắng , nĩ gồm 7 màu chính : đỏ , cam, vàng , lục , lam . chàm . tím . Gĩc lệch của các tia sáng : Dđỏ n2. n1 1 1 1 Thấu kính : D = (n -1) . ( n là chiết suất của chất làm thấu kính đối với mơi trường đặt f R1 R2 thấu kính ) Lăng kính : sini = n.sinr * Trường hợp gĩc A và i nhỏ : i = n.r sini’ = n.sinr’ i’ = n.r’ A = r + r’ A = r + r’ D = i + i’ – A D = (n 1).A Dmin A A * Trường hợp gĩc lệch cục tiểu : D = Dmin  i = i’ = và r = r’ = . 2 2 * Gĩc lệc giữa tia đỏ và tia tím : D = Dtím Dđỏ . Chú ý : Khi khảo sát với ánh sáng đơn sắc nào thì chiết suất n ứng với ánh sáng đơn sắc đĩ . Trang 1
2. Hệ thống kiết thức và bài tập luyện thi Vật lý 12 – Năm học 2010 - 2010 Ví dụ : - Khi chiếu ánh sáng trắng qua lăng kính , xét tia màu đỏ ta cĩ cơng thức : sin i nđ .sin rđ ; sin i'd nđ sin r'đ ; (á.sáng trắng) A rđ r ' đ ; Dđ i i'đ A . Các ánh sáng đơn sắc khác cũng áp dụng tương tự như áng sáng đỏ . i - Khí chiếu ánh sáng trắng từ khơng khí đến bề mặt nước dưới gĩc tới i , tia sáng bị khúc xạ đồng thời bị tách thành các màu từ đỏ đến tím, trong đĩ tia đỏ lệch ít nhất tia tím lệch nhiều nhất (như hình bên) . sin i sin i r Cơng thức vận dụng : nđ ; nt . sin rđ sin rt Gĩc lệch giữa tia đỏ và tia tím : r = r đỏ rtím. tím đỏ - Nếu tia tới vuơng gĩc với bề mặt phân cách thì khơng cĩ hiện tượng tán sắc . - Khí chiếu ánh sáng trắng từ khơng khí qua thấu kính, ta vận dụng cơng thức : Đối với màu đỏ: Ánh sáng trắng 1 1 1 (n 1) đ Quang trục chính Fđ f đ R1 R2 O Ft tím đỏ Đối với màu tím : ft 1 1 1 x (n 1) t fđ f t R1 R2 => Khoảng cách giữa hai tiêu điểm đỏ và tím là : x Ft Fđ f đ f t Chủ đề 2 : Hiện tượng nhiễu xạ - hiện tượng giao thoa ánh sáng I/ Hiện tượng nhiễu xạ : Hiện tượng nhiễu xạ là hiện tượng ánh sáng khơng tuân theo định luật truyền thẳng . Hiện tượng nhiễu xạ quan sát được khi ánh sáng truyền qua lổ nhỏ , hoặc gần mép của những vật trong suốt hay khơng trong suốt . Hiện tượng nhiễu xạ giải thích được khi coi ánh sáng cĩ tính chất sĩng . Mỗi lổ nhỏ hoặc khe hẹp khi cĩ ánh sáng truyền qua sẽ trở thành một nguồn phát sĩng ánh sáng thứ cấp. Mỗi chùm ánh sáng đơn sắc là một chùm sáng có bước sóng và tần số xác định : c 3.108 (m / s) - Trong chân khơng , bước sĩng xác định bởi cơng thức : (m) . f f (Hz) - Trong mơi trường trong suốt cĩ chiết suất n thì bước sĩng giảm n lần so với trong chân khơng : v c  ' . f n. f n II/ Giao thoa ánh sáng : x 1/ Định nghĩa : Hai sĩng ánh sáng kết hợp giao nhau sẽ tạo nên hệ k = +1 thống vânsáng tối xen kẽ cách đều nhau gọi là hiện tượng giao thoa. i ánh sáng 2/ Các cơng thức trong giao thoa sáng đơn sắc với hai khe y-âng O k = 0 a.x Hiệu đường đi :  d d 2 1 D k = - 1 .D Khoảng vân i = x(k+1) – xk = a Trang 2
3. Hệ thống kiết thức và bài tập luyện thi Vật lý 12 – Năm học 2010 - 2010 .D Vị trí vân sáng bậc k : x k. k.i Trong đĩ : k = 0 , 1 , 2 , 3 , . . . . gọi là bậc giao thoa k a Với k = 0 : tại O cĩ vân sáng bậc khơng hay vân sáng trung tâm ; k = ± 1 : x là vị trí vân sáng bậc nhất ( gồn hai vân đối xứng với nhau qua vân sáng trug tâm )  : bước sóng (m) ; M a : khoảng cách giữa 2 khe S S (m) ; 2 1 2 A D : khoảng cách từ 2 khe tới màn ảnh (m) , trong đó D >> a . S d x Vị trí vân tối : 1 1 d Vị trí vân tối là khoảng cách từ vân sáng 2 a I O trung tâm đến vân tối ta xét : 1 .D 1 D xk ' (k' ) = ( k' ).i S 2 a 2 2 E với k’ = 0 , -1 : x là vị trí vân tối thứ nhất ; k = 1 , - 2 : x là vị trí vân tối thứ ù hai. . . . . . Đối với các vân tối không có khái niệm bậc giao thoa . Khoảng cách giữa vân sáng bậc n và vân sáng bậc m ( với m, n k) là: x = l = xn – xm = n – m .i xM Tại M cĩ toạ độ xM là một vân sáng khi : n . (n ) i xM Tại M cĩ toạ độ xM là một vân tối khi : n + 0,5 . (n ) i Giao thoa trong mơi trường cĩ chiết suất n : Với a và D khơng đổi thì bước sĩng và khoảng vân giảm  i đi n lần so với bước sĩng và khồng vân trong chân khơng , tức là : ' ; i' . n n Cách tính số vân trong giao thoa trường: Bề rộng L của vùng giao thoa quan sát được trên màn ảnh gọi là giao thoa trường. Số vân sáng và số vân tối trong giao thoa trường xác định như sau: Cách 1: - Lấy phần nguyên của tỉ số L/ i là [n] - Số vân tối đa (vân sáng hoặc vân tối) là m = [n] + 1 => số vân sáng là số nguyên lẻ, số vân tối là số nguyên chẵn L L 1 Cách 2: - Số vân sáng : m = 2. 1 ; - số vân tối: m’ = 2. 2i 2i 2 Chú ý: đại lượng trong dấu móc vuông là phần nguyên của chúng. 3/ Giao thoa với ánh sáng trắng: Hình ảnh thu được trên màn là: ở giữa giao thoa trường là vân trắng trung tâm, hai bên là dải sáng giống như cầu vồng, màu tím ở trong , màu đỏ ở ngoài. D + Tìm bề rộng của quang phổ bậc k : x = xđỏ - xtím = k. (đỏ - tím). a + Tìm số bức xạ có vân sáng trùng nhau tại vị trí xM : Kết hợp hai phương trình sau để giải quyết: .D a.xM xM = k  (1) đtím  đđỏ (2) a k.D + Tìm số bức xạ có vân tối trùng nhau tại vị trí xN : Kết hợp hai phương trình sau để giải quyết : Trang 3
4. Hệ thống kiết thức và bài tập luyện thi Vật lý 12 – Năm học 2010 - 2010 1 .D a.xN xN = (k' )  (1) đtím  đđỏ (2) 2 a 1 (k' ).D 2 (Chú ý : Các bước sóng màu đỏ và màu tím tùy thuộc vào đề bài cho. Bình thường thì lấy các giá trị như sau : đđỏ = 0,76 m , đtím = 0,38m ) Thế (1) vào (2) => k là số bức xạ cần tìm ; Thế k vào (1) =>  của các bức xạ trùng nhau . 4/ Giao thoa với ánh sáng có nhiều thành phần đơn sắc: Giả sử ánh sáng dùng làm thí nghiệm Iâng gồm hai bức xạ 1 , 2 thì : - Trên màn cĩ hai hệ vân giao thoa ứng với ánh sáng cĩ bước sĩng 1 và 2 . - Vị trí vân sáng của bức xạ1 là x1 = k1.i1 . - Vị trí vân sáng của bức xạ2 là x2 = k2.i2 . - Ở vị trí trung tâm O hai vân sáng trùng nhau do x1 = x2 = 0 => vân sáng tại O cĩ màu tổng hợp của hai màu đơn sắc ứng với hai ánh sáng cĩ bước sĩng 1 và 2 . 2 - Ở các vị trí khác thì hai vân sáng trùng nhau khi : x1 = x2 => k1.i1 = k2.i2 => k1 = k2 . ; với k1 và í L k2 Z và k1 . Màu của các vân này giống màu vân sáng tại O 2.i (Với L là bề rộng của giao thoa trường) 5/ Ứng dụng của hiện tượng giao thoa : Đo bước sĩng ánh bằng cách làm thí nghiệm với một ánh sáng i.a đơn sắc rối đo các khoảng cách D, a , i rối dùng cơng thức  để xác định bước sĩng  . D Từ các kết quả đo bước sĩng  cho thấy : Mỗi ánh sáng đơn sắc cĩ một bước sĩng (hay tần số) xác đinh . Ánh sáng nhìn thấy cĩ phổ bước sĩng từ 0,38m (ứng với ánh sáng tím) đến 0,76m (ứng với ánh sáng đỏ) Với những ánh sáng cĩ bước sĩng rất gần nhau thì màu sắc của chúng gần giống nhau , mắt người rất khĩ phân biệt rõ màu của chúng . Vì vậy người ta phân định 7 vùng màu chính ứng với các khoảng bước sĩng tương ứng của từng vùng (xem bảng ở SGK) CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM VÀ BÀI TẬP LUYỆN TẬP. I/ TÁN SẮC ÁNH SÁNG 1/ Cầu vồng hình do hiện tượng gì gây ra? A. Giao thoa ánh sáng B. Truyền thẳng ánh sáng C. Phản xạ ánh sáng D. Tán sắc ánh sáng 2/ Tìm phát biểu sai về tán sắc ánh sáng A. Máy quang phổ dùng hiện tượng tán sắc để nhận biết các thành phần cấu tạo của một chùm sáng phức tạp do một nguồn phát ra B. Chiết suất của cùng một mơi trường trong suốt nhất định đối với các ánh sáng đơn sắc khác nhau thì phụ thuộc bước sĩng ánh sáng đĩ C. Máy quang phổ dùng hiện tượng giao thoa để phân tích chùm sáng cĩ nhiều thành phần thành những phần đơn sắc khác nhau. D. Chiết suất của một mơi trường trong suốt nhất định đối với các ánh sáng cĩ bước sĩng dài thì nhỏ hơn chiết suất của mơi trường đĩ đối với các ánh sáng cĩ bước sĩng ngắn. 3/ Tìm phát biểu đúng của ánh sáng đơn sắc A. Ánh sáng đơn sắc khơng bị lệch đường đi khi đi qua LK B. Ánh sáng đơn sắc luơn cĩ cùng một bước sĩng trong các mơi trường C. Ánh sáng đơn sắc là ánh sáng mà mọi người cùng nhìn thấy một màu Trang 4