NỘI DUNG KIẾN THỨC SÓNG ÁNH SÁNG - Tài Liệu Text - 123doc

Tải bản đầy đủ (.doc) (36 trang)

1. Trang chủ
>>
2. Luận Văn - Báo Cáo
>>
3. Khoa học tự nhiên

NỘI DUNG KIẾN THỨC SÓNG ÁNH SÁNG

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.06 MB, 36 trang )

ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH…………………TIỂU LUẬNNGHIÊN CỨU CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ PHỔ THÔNG 2ĐỀ TÀINGHIÊN CỨU NỘI DUNG KIẾN THỨC PHẦN “SÓNGÁNH SÁNG” CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ 12Nhóm: 1Lớp: ĐHSP Vật lý K55GV hướng dẫn: Phạm Thị Thanh HươngĐồng Hới, tháng 3 /2016Phân tích chương trình Vật lý THPTMỤC LỤCMỤC LỤC.............................................................................................................3A. MỞ ĐẦU..........................................................................................................5B. NỘI DUNG.......................................................................................................61. Nhiệm vụ của phần sóng ánh sáng....................................................................62. Nội dung kiến thức cơ bản................................................................................62.1. Hiện tượng tán sắc ánh sáng...........................................................................72.1.1. Ánh sáng đơn sắc.........................................................................................72.1.2. Ánh sáng trắng.............................................................................................82.1.3. Hiện tượng tán sắc ánh sáng........................................................................82.2. Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng......................................................................122.2.1. Khái niệm..................................................................................................122.2.2. Nhiễu xạ gây bởi các sóng cầu..................................................................122.2.2.1. Phương phán đới cầu Fresnel.................................................................132.2.2.2. Nhiễu xạ qua lỗ tròn...............................................................................142.2.2.3. Nhiễu xạ qua đĩa tròn.............................................................................162.2.3. Nhiễu xạ gây bởi các sóng phẳng..............................................................172.2.3.1. Nhiễu xạ qua khe hẹp. Cách tử nhiễu xạ................................................172.2.3.2. Nhiễu xạ trên tinh thể.............................................................................182.3. Hiện tượng giao thoa ánh sáng.....................................................................192.3.1. Định nghĩa hiện tượng giao thoa...............................................................192.3.2. Điều kiện để có hiện tượng giao thoa........................................................192.3.3. Khoảng vân và vị trí vân giao thoa............................................................202.4. Máy quang phổ.............................................................................................242.5. Các loại quang phổ.......................................................................................252.5.1. Quang phổ liên tục....................................................................................25Trang 3Phân tích chương trình Vật lý THPT2.5.2. Quang phổ vạch phát xạ............................................................................262.5.3. Quang phổ vạch hấp thụ............................................................................272.6. Các bức xạ không nhìn thấy.........................................................................282.6.1. Tia hồng ngoại...........................................................................................282.6.1.1. Khái niệm tia hồng ngoại.......................................................................282.6.1.2. Vai trò tia hồng ngoại.............................................................................292.6.2. Tia tử ngoại...............................................................................................302.6.2.1. Khái niệm tia tử ngoại............................................................................302.6.2.2. Vai trò tia tử ngoại..................................................................................302.6.3. Tia X..........................................................................................................312.6.3.1. Khái niệm tia X......................................................................................312.6.3.2. Vai trò tia X............................................................................................322.7. Thuyết điện từ về ánh sáng...........................................................................33KẾT LUẬN.........................................................................................................35Trang 4Phân tích chương trình Vật lý THPTA. MỞ ĐẦUNgày nay, dạy học không còn là truyền thụ kiến thức nữa mà là giáo viên(GV) tổ chức cho học sinh (HS) hoạt động, hướng dẫn cho HS tìm tòi kiến thức đểqua đó góp phần hoàn thiện nhân cách HS, tạo cho HS một số kiến thức nền tảngvà phương pháp học, hỗ trợ cho HS trong quá trình tự học suốt đời.Để làm được việc đó, bên cạnh việc am hiểu về tâm sinh lý của HS để cónhững tác động phù hợp nhất, GV còn phải hiểu sâu sắc những nội dung kiếnthức trong chương trình, phải nắm được nguồn gốc hình thành kiến thức đó đểcó thể giúp HS làm quen với những phương pháp nhận thức vật lý phổ biến…Chương Sóng ánh sáng có nhiều ứng dụng trong cuộc sống nhưng để hiểu vàgiải thích được những ứng dụng đó thì phải dùng những kiến thức khá xa thực tế.Chương này lại liên quan đến nhiều vấn đề trong các chương khác như sóng cơ, sóngđiện từ. Chính vì vậy GV càng phải nghiên cứu kỹ để nắm bản chất và có cách phântích dễ hiểu đối với HS.Việc học môn Nghiên cứu chương trình Vật lý là điều kiện để nhóm nghiên cứukỹ hơn những kiến thức trong chương trình và đặc biệt là chương Sóng ánh sáng.Vì những lí do trên nên chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu kiến thức phầnSÓNG ÁNH SÁNG ” làm tiểu luận cho học phần này nhằm xác định nhiệm vụ củachương Sóng ánh sáng, nghiên cứu để trình bày chuẩn kiến thức kỹ năng hợp lý, làmrõ những kiến thức và kỹ năng đó.Tuy đã nỗ lực cố gắng nhưng trong tiểu luận không thể tránh khỏi thiếu sót. Kínhmong sự góp ý của cô giáo hướng dẫn và các bạn để tiểu luận được hoàn chỉnh hơn.Trang 5Phân tích chương trình Vật lý THPTB. NỘI DUNG1. Nhiệm vụ của phần sóng ánh sángPhần sóng ánh sáng là một phần của quang học khảo sát các hiện tượng chứngtỏ ánh áng có bản chất sóng (hiện tượng tán sắc ánh sáng, hiện tượng nhiễu xạ ánhsáng, hiện tượng giao thoa ánh sáng), nghiên cứu các ứng dụng phổ biến của chúng vàkhảo sát tính chất, công dụng của các bức xạ không nhìn thấy (tia hồng ngoại, tia tửngoại, tia X).Ở phần này đề cập đến các khái niệm liên quan đến sóng ánh sáng như: tán sắcánh sáng gồm ánh sáng đơn sắc, ánh sáng trắng; nhiễu xạ ánh sáng gồm nhiễu xạ gâybởi các sóng cầu, nhiễu xạ gây bởi các sóng phẳng, giao thoa ánh sáng; quang phổ liêntục, quang phổ vạch phát xạ, quang phổ vạch hấp thụ; tia hồng ngoại, tia tử ngoại, tiaX; thuyết điện từ ánh sáng và thang sóng điện từ.Phương pháp nghiên cứu chủ yếu là phương pháp nghiên cứu lý thuyết: nghiêncứu các sách, báo, tài tiệu chuyên ngành liên quan.2. Nội dung kiến thức cơ bảnSóng ánh sángCác loạiquang phổBản chấtsóng của ASThuyếtđiện từBức xạ khôngnhìn thấyvềHTHTHTtánnhiễuxạgiaosắcánhsángánhsángthoaánhsángQP liên tục.QP vạchphát xạ.QP vạch hấpthụPhépphântíchQPMáyQPlăngkínhánhsáng,thangsóngđiện từTiahồngngoạiSơ đồ nội dung kiến thức cơ bản chương Sóng ánh sángTrang 6TiatửngoạiTiaXPhân tích chương trình Vật lý THPT2.1. Hiện tượng tán sắc ánh sáng* Thảo luận 1Theo bạn, trong phần hiện tượng tán sắc ánh sáng này chúng ta cần lưu ý nhữngnội dung kiến thức nào?Hãy kể tên một số hiện tượng tán sắc ánh sáng trong thực tế?2.1.1. Ánh sáng đơn sắcÁnh sáng đơn sắc là ánh sáng không bị tán sắc mà chỉ bị lệch khi đi qua lăng kính.Bước sóng của ánh sáng đơn sắc trong chân không là:λ=cf(1)Với c là tốc độ ánh sáng trong chân không, f là tần số ánh sáng. Nhưng trongmột môi trường khác, ánh sáng truyền đi với tốc độ v bất kì nhỏ hơn c:v=cn(2)Trong đó, n là chiết suất của môi trường. Lúc đó ánh sáng đơn sắc đó có bước sóng:λ' =vcλ==f nf n(3)Như vậy, khi truyền từ môi trường này sang môi trường khác bước sóng ánh sángthay đổi. Đối với các môi trường khác nhau bước sóng ánh sáng thay đổi khác nhau.Với các loại ánh sáng đơn sắc khác nhau chiết suất của một môi trường cũng cócác giá trị khác nhau. Bằng lý thuyết ête đàn hồi, Cauchy đã đưa ra công thức về sựphụ thuộc của chiết suất vào bước sóng theo hàm số sau:n = f ( λ) = A +B C++ ...λ2 λ4(4)Trong đó, λ là bước sóng ánh sáng trong chân không, các hằng số từ C trở vềsau rất bé có thể bỏ qua. Tức là chiết suất tăng khi bước sóng giảm. Cũng cần biết tốcđộ biến thiên của chiết suất theo bước sóng chính là độ tán sắc:D=dndλ(5)Như vậy, ánh sáng đơn sắc là ánh sáng có tần số xác định, ứng với bước sóngtrong chân không xác định, tương ứng với một màu xác định, chiết suất của môitrường (các chất trong suốt) phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng trong chân không,chiết suất giảm khi bước sóng tăng. Chiết suất của các chất trong suốt biến thiên theomàu sắc ánh sáng và tăng dần từ màu đỏ đến màu tím.Trang 7Phân tích chương trình Vật lý THPTVà thực ra không thể tạo ra ánh sáng tuyệt đối đơn sắc mà chỉ có thể tạo đượcánh sáng có bước sóng nằm trong một khoảng nhỏ từ λ+∆λ đến λ-∆λ. Nếu ∆λ càng béthì ánh sáng tạo ra càng gần với ánh sáng đơn sắc.2.1.2. Ánh sáng trắngÁnh sáng trắng là tập hợp của nhiều ánh sáng đơn sắc khác nhau có màu từ đỏtới tím. Ánh sáng trắng là một trường hợp của ánh sáng phức tạp hay ánh sáng đa sắc.Chùm ánh sáng trắng của mặt trời khi đi qua lăng kính bị phân tách thành cácchùm sáng có màu khác nhau.2.1.3. Hiện tượng tán sắc ánh sáng* Khái niệm:Người đầu tiên nghiên cứu hiện tượng tán sắc là Niu tơn. Thí nghiệm tán sắcánh sáng với lăng kính của Niu tơn cho thấy một chùm hẹp ánh sáng trắng của mặt trờikhi đi qua lăng kính bị phân tách thành một dải màu giống như màu sắc cầu vồng gồm7 màu chính: đỏ, cam, vàng, lục, lam,chàm, tím. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng tánsắc ánh sáng bởi lăng kính. Dải màu có màu sắc thay đổi liên tục từ đỏ đến tím gọi làphổ của ánh sáng trắng.Hình 1: Sự tán sắc của ánh sáng trắng qua lăng kínhThí nghiệm với các ánh sáng phức tạp khác như đèn dây tóc, hồ quang… cũngcho kết quả tương tự. Và khi thay lăng kính bằng các dung dịch trong suốt khác nhaungười ta vẫn quan sát thấy hiện tượng tán sắc ánh sáng với phổ có độ dài khác nhau.Do đó, có thể nêu khái quát khái niệm hiện tượng tán sắc là hiện tượng một chùm ánhsáng phức tạp bị phân tách thành các chùm ánh sáng đơn sắc khác nhau khi truyềntrong môi trường không phải chân không (ví dụ như thủy tinh).Trang 8Phân tích chương trình Vật lý THPTTuy nhiên, để rút ra được khái niệm ánh sáng trắng là tổng hợp của nhiều ánhsáng đơn sắc thì phải tiến hành thí nghiệm ngược lại, để dải màu vừa bị tán sắc đó điqua một lăng kính thứ hai thì sẽ thu được trên màn một chùm ánh sáng trắng. Và đểrút ra được khái niệm ánh sáng đơn sắc là ánh sáng không bị tán sắc mà chỉ bị lệchkhi đi qua lăng kính thì phải làm thí nghiệm tách lấy một màu vừa bị tán sắc và choqua lăng kính thứ hai, chùm sáng đó vẫn giữ nguyên màu cũ nhưng bị lệch xuốngđáy lăng kính.Hình 2: Thí nghiệm về sự lệch của ánh sáng đơn sắc khi đi qua lăng kínhThí nghiệm này đồng thời cũng chứng tỏ rằng không phải lăng kính làm thayđổi màu sắc của ánh sáng chiếu vào nó mà chỉ làm các ánh sáng có màu sắc khác nhaubị lệch theo những góc khác nhau và góc lệch đó phụ thuộc và bước sóng của ánh sángvà tính chất của lăng kính.* Giải thích hiện tượng tán sắc ánh sáng:Theo lý luận trên, nguyên nhân của hiện tượng tán sắc ánh sáng chính là sự phụthuộc của chiết suất môi trường vào bước sóng của ánh sáng tới. Chiết suất của môitrường đối với các ánh sáng đơn sắc có bước sóng khác nhau là khác nhau. Ánh sángtrắng là tổng hợp của nhiều ánh sáng đơn sắc khác nhau có màu từ đỏ tới tím, trong đóánh sáng tím có bước sóng ngắn nhất và ánh sáng đỏ có bước sóng dài nhất.Trang 9Phân tích chương trình Vật lý THPTHình 3: Bảng bước sóng của ánh sáng trong chân khôngRanh giới giữa các bước sóng ứng với các màu đơn sắc là không rõ ràng. Ánhsáng tím có bước sóng nhỏ nhất nên chiết suất của lăng kính đối với ánh sáng tím làlớn nhất, và ngược lại chiết suất của lăng kính đối với ánh sáng đỏ là nhỏ nhất. Màchiết suất môi trường càng lớn thì góc lệch của tia sáng càng lớn. Do đó, trong thínghiệm trên, trong các ánh sáng đơn sắc thành phần của ánh sáng trắng khi đi qua lăngkính thì ánh sáng tím bị lệch nhiều nhất còn ánh sáng đỏ bị lệch ít nhất, giữa hai màunày là tất cả các màu khác của quang phổ lần lượt tạo thành một dải màu liên tục.Theo thuyết êlectron cổ điển về sự tán sắc ánh sáng thì ánh sáng tương tác vớicác hạt mang điện cấu tạo nên môi trường. Trong trường điện từ xoay chiều của sóngánh sáng, các điện tích này sẽ thực hiện các dao động cưỡng bức. Biên độ của dao độngcưỡng bức phụ thuộc vào hiệu f – f o giữa tần số ánh sáng kích thích f và tần số dao độngriêng fo của điện tích. Đối với ánh sáng nhìn thấy được (f : 10 15Hz) thì chỉ có êlectronvành ngoài, có liên kết yếu nhất với các nguyên tử, ion hay phân tử, mới có những daođộng cưỡng bức đáng kể. Những êlectron này gọi là các êlectron quang học. Dao độngcủa các êlectron quang học kéo theo sự thay đổi mômen lưỡng cực điện của phân tử vàdo đó, có sự thay đổi của độ phân cực điện, độ điện thẩm, hằng số điện môi. Mặt khác,chiết suất của mội trường lại có liên quan đến hằng số điện môi n = εµ nên rõ ràngchiết suất của môi trường phụ thuộc vào tần số ánh sáng kích thích.Trang 10Phân tích chương trình Vật lý THPTÁnh sáng đơn sắc khi truyền từ môi trường này sang môi trường khác tần sốkhông thay đổi, còn bước sóng có thể thay đổi, màu sắc được xác định bằng tần số nênkhi ánh sáng truyền qua những môi trường khác nhau thì nó vẫn không thay đổi màu.* Hiện tượng tán sắc trong thực tế:Hiện tượng tán sắc xảy ra đồng thời với hiện tượng khúc xạ nên rất phổ biến.Tuy nhiên các màu thường hay bị lẫn với màu trắng nên ta không nhận thấy hiệntượng tán sắc.Để nhìn thấy hiện tượng tán sắc qua một lần khúc xạ, ta hãy nhìn một hạt gạohoặc mảnh sứ trắng trong nước sâu, mắt đặt gần mặt nước. Ta thấy ảnh hạt gạo nhòethành dải nhiều màu.Một góc bể cá vàng hình hộp có thể coi như lăng kính bằng nước, có góc chiếtquang 900. Để mắt nhìn sát mặt bên, ta cũng thấy quang phổ nếu ở phía mặt bên vuônggóc có một ngọn đèn.Cũng tương tự như vậy, giọt sương có màu rất đẹp khi có ánh sáng mặt trờichiếu vào, nếu ta nhìn nó từ một vị trí thích hợp.Xét ví dụ về hiện tượng tán sắc ánh sáng trong tự nhiên là cầu vồng.Cầu vồng là hiện tượng tán sắc ánh sáng Mặt trời qua các giọt nước nhỏ cótrong khí quyển.Hình 4: Cầu vòng đơn và cầu vòng képTia sáng Mặt trời tới một giọt nước mưa rơi xuống từ đám mây, bị khúc xạ lầnđầu, sau đó bị phản xạ trong giọt nước, và cuối cùng bị khúc xạ lần thứ hai ra khỏi giọtnước đi tới mắt ta. Người ta chứng minh được rằng, chùm tia ló khỏi giọt nước đạtcường độ cực đại khi độ lệch trung bình của nó đối với chùm tia tới vào khoảng 40 o ÷Trang 11Phân tích chương trình Vật lý THPT42o. Giọt nước đóng vai trò một hệ tán sắc giống như lăng kính: chùm tia tím T bị lệchnhiều hơn chùm tia đỏ Đ.B: Đám mây tạo mưaS: Chùm sáng Mặt trờiO: Mắt quan sát viên đứng trênmặt đấtA: Giọt nước, tại đó có sự khúcxạ và phản xạ tia sáng Mặt trờiHình 5: Minh họa nguyên tắc tạo cầu vòngMột người muốn trông thấy cầu vồng phải đảm bảo hai điều kiện:+ Người quan sát phải ở khoảng giữa Mặt trời và các giọt nước mưa.+ Góc giữa mặt trời, giọt nước, người quan sát phải nằm trong khoảng 40o ÷ 42o.Do hai điều kiện đó, ta chỉ có thể trông thấy cầu vồng tạo nên bởi những giọtnước mưa trên bầu trời vào buổi sáng và buổi chiều. Ở biên trên của cầu vồng là tia đỏđến từ những giọt nước mưa phía trên, ứng với góc 42 o. Còn ở biên giới của cầu vồnglà tia tím đến từ những giọt nước mưa ở phía dưới, ứng với góc 40 o. Nằm ở giữa theothứ tự từ trên xuống là các tia sáng màu cam, vàng, lục và chàm, gộp với hai màungoài cùng đỏ và tím thành bảy sắc cầu vồng (H.3a).Nếu tia sáng mặt trời phản xạ hai lần bên trong các giọt nước thì sẽ hình thànhcầu vồng kép. Chiếc cầu vồng thứ hai có thứ tự ngược lại với chiếc cầu vồng thứ nhất,tức là màu tím ở trên cùng, rồi đến các màu chàm, lam, lục, vàng, cam, đỏ (Hình 4b).2.2. Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng2.2.1. Khái niệmHiện tượng tia sáng bị lệch khỏi phương truyền thẳng khi đi gần các chướngngại vật được gọi là hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng.Như vậy, hiện tượng nhiễu xạ nêu ra giới hạn áp dụng của định luật truyềnthẳng ánh sáng và do đó không thể dựa vào quang hình học để giải thích được mà phảisử dụng quan điểm mới, xem ánh sáng có tính chất sóng2.2.2. Nhiễu xạ gây bởi các sóng cầuĐể giải thích hiện tượng nhiễu xạ phải dựa vào nguyên lý Huyghen. Theo nguyênlý đó, bất kỳ một điểm nào mà ánh sáng truyền đến đều trở thành nguồn sáng thứ cấpTrang 12Phân tích chương trình Vật lý THPTphát ánh sáng về phía trước nó. Tuy nhiên, nguyên lý này mới chỉ giải thích về mặt địnhtính mà chưa đề cập đến vấn đề định lượng. Do đó phải bổ sung nguyên lý của Fresnel:“biên độ và pha của nguồn thứ cấp là biên độ và pha do nguồn thực gây ra tại vị trí củanguồn thứ cấp” và sử dụng phương pháp Fresnel mới giải thích cụ thể được.2.2.2.1. Phương phán đới cầu FresnelHình 6: Đới cầu FresnelXét một nguồn điểm S và điểm được chiếu sáng M.Dựng một mặt cầu ∑ bao quanh S, bán kính R < SM (H.6). Đặt MB = b.λ2λ2Vẽ các mặt cầu ∑0, ∑1, ∑2... tâm M có bán kính lần lượt là b, b + , b + 2 ...trong đó λ là bước sóng của ánh sáng do nguồn S phát ra. Các mặt cầu ∑0, ∑1, ∑2...chia ∑ thành các đới gọi là đới cầu Fresnel.Với cách dựng như vậy, diện tích các đới cầu Fresnel đều bằng nhau và bằng:ΔS =πRbλR+b(6)Bán kính rk của đới cầu thứ k bằng:rk =πRbλR+b(7)trong đó k = 1, 2, 3,…Theo nguyên lí Huygens, mỗi đới cầu có thể được coi là nguồn sáng thứ cấp phátánh sáng tới điểm M. Gọi ak là biên độ dao động sáng do đới cầu thứ k gây ra tại M.Khi k tăng, các đới cầu càng xa điểm M và góc nghiêng θ tăng (H.6), do đó ak giảm:a1 > a2 > a3....Vì khoảng cách từ các đới cầu đến điểm M và góc nghiêng θ tăng rất chậm, nêncác biên độ ak giảm chậm và có thể coi biên độ dao động sáng do đới thứ k gây ra tại Mbằng trung bình cộng của biên độ dao động sáng do hai đới bên cạnh gây ra:Trang 13Phân tích chương trình Vật lý THPTak =1( a k −1 + a k +1 )2(8)Khi k khá lớn thì ak ≈ 0Khoảng cách từ hai đới cầu kế tiếp tới điểm M khác nhauλ. Các đới cầu đều2nằm trên cùng một mặt sóng nên pha dao động của các điểm trên mọi đới cầu đều nhưnhau. Kết quả, hiệu pha dao động do hai đới cầu kế tiếp gây ra tại M là:Δϕ =2π( L1 − L 2 ) = 2π λ = πλλ 2(9)Như vậy hai dao động sáng đó ngược pha nhau nên chúng sẽ khử lẫn nhau. VìM ở khá xa mặt ∑, ta coi các dao động sáng do các đới cầu gây ra tại M cùng phương,do đó, dao động sáng tổng hợp do các đới cầu gây ra tại M sẽ là:a = a1 - a2 + a3 – a4...(10)Phương pháp đới cầu Fresnel được sử dụng để khảo sát hiện tượng nhiễu xạ củaánh sáng qua lỗ tròn, đĩa tròn và qua khe hẹp.2.2.2.2. Nhiễu xạ qua lỗ trònHình 7: Sự nhiễu xạ của ánh sáng qua lỗ trònTrên H.7, khi ánh sáng truyền từ nguồn O qua một lỗ tròn trên màng chắn P,trên màn quan sát E nhận được một vệt sáng tròn. Nếu thu nhỏ kích thước của lỗ lại thìtheo định luật truyền thẳng, kích thước của ab của lỗ cũng nhỏ lại.Thực nghiệm cho thấy khi kích thước của lỗ thu nhỏ đến một mức nào đó thìtrên màn quan sát sẽ xuất hiện những vân tròn sáng tối xen kẽ nhau. Trong phạm vi ab(trong vùng sáng hình học) ta thấy có cả vân tối, ngoài phạm vi ab (trong vùng tối hìnhhọc) ta cũng có thể thấy có vân sáng, đặc biệt tại tâm C có thể sáng hay tối tùy thuộcvào kích thước của lỗ và khoảng cách từ lỗ tới màn. H.8 cho thấy hình ảnh nhiễu xạqua hai trường hợp trên.Trang 14Phân tích chương trình Vật lý THPTHình 8: Hình ảnh nhiễu xạ qua lỗ trònĐể giải thích hiện tượng trên ta xét sự truyền ánh sáng từ một nguồn điểm Sđến một điểm M qua một lỗ tròn AB khoét trên màn chắn (S và M nằm trên trục củalỗ). Vẽ mặt cầu ∑ tâm M, tựa vào lỗ AB. Dùng M làm tâm vẽ đới cầu Fresnel trên mặt∑. Giả sử lỗ tròn chứa n đới Fresnel.Hình 9: Đới cầu Fresnel trong trường hợp nhiễu xạ qua lỗ trònBiên độ dao động sáng tổng hợp tại M:a = a1 – a2 + a3 – a4...(11)Trong đó: +an nếu n lẻ và –an nếu n chẵn. Thay (8) vào (11) và rút gọn ta được:a=a1 a n±22(12)Trong đó, dấu cộng khi n lẻ và dấu trừ khi n chẵn.Và cường độ sáng tại M:-Khi không có màn P hay lỗ có kích thước lớn:I0 = a 2 =-a 124(13)Lỗ chứa một số lẻ đới:2a aI =  1 + n  > I02 2Trang 15(14)Phân tích chương trình Vật lý THPT-Lỗ chứa một số chẵn đới2a aI =  1 − n  < I02 2(15)Như vậy, điểm M có thể sáng hơn hoặc tối đi so với khi không có màn chắn tùytheo giá trị của n, tức là tùy theo kích thước của lỗ tròn và vị trí màn quan sát.2.2.2.3. Nhiễu xạ qua đĩa trònTrên đường đi của một chùm sáng, đặt một quả cầu hoặc một đĩa tròn kíchthước nhỏ, ta thu được hình ảnh: ở giữa là một chấm sáng, xung quanh là các vànhsáng tối đồng tâm.Hình 10: Nhiễu xạ bởi một quả cầuGiữa nguồn sáng O và điểm M có một đĩa tròn chắn sáng bán kính ro. Giả sửđĩa che khuất m đới cầu Fresnel đầu tiên. Biên độ dao động tại M là:a=a m+12(16)Hình 11: Đới cầu Fresnel trong trường hợp nhiễu xạ qua đĩa trònTrang 16Phân tích chương trình Vật lý THPTNếu đĩa che mất một ít đới thì a m+1 không khác a1 bao nhiêu. Do đó, cường độsáng tại M cũng giống trường hợp không có chướng ngại vật giữa O và M. Trongtrường hợp đĩa che nhiều đới thì am+1 ≈ 0 và cường độ sáng tại M thực tế bằng không.2.2.3. Nhiễu xạ gây bởi các sóng phẳng2.2.3.1. Nhiễu xạ qua khe hẹp. Cách tử nhiễu xạĐể tạo ra chùm sáng song song, người ta đặt nguồn sáng O tại tiêu điểm củathấu kính hội tụ Lo. Chiếu chùm sáng đơn sắc song song bước sóng λ vào khe hẹp ABcó bề rộng b. Sau khi đi qua khe hẹp, tia sáng sẽ bị nhiễu xạ theo nhiều phương. Muốnquan sát ảnh nhiễu xạ chúng ta sử dụng thấu kính hội tụ L, chùm tia nhiễu xạ sẽ hội tụtại điểm M trên mặt phẳng tiêu của thấu kính hội tụ L. Tùy theo giá trị của ϕ điểm Mcó thể sáng hoặc tối. Những điểm sáng tối này nằm dọc trên đường thẳng vuông gócvới chiều dài khe hẹp và được gọi là các cực đại và cực tiểu nhiễu xạ.12: Nhiễuquaphẳngkhe hẹpVì sóng ánh sángHìnhgửi đếnkhe là xạsóngnên mặt phẳng khe là một mặtsóng phẳng, các sóng thứ cấp trên mặt phẳng khe dao động cùng pha.Xét nhiễu xạ theo phương ϕ = 0, chúng hội tụ tại điểm F. Mặt phẳng khe và mặtquan sát là hai mặt trực giao nên các tia sáng gởi từ mặt phẳng khe tới điểm F cóquang lộ bằng nhau và dao động cùng pha nên chúng tăng cường nhau. Điểm F rấtsáng và gọi là cực đại giữa.Trong trường hợp ϕ ≠ 0, áp dụng phương pháp đới cầu Fresnel ta tính toánđược biên độ dao động sáng tổng hợp tại một điểm M trên màn quan sát. Kết quả ta cócác điều kiện cực đại, cực tiểu nhiễu xạ qua một khe hẹp như sau:- Cực đại giữa (k=0): sinϕ = 0-λbλbλbCực đại nhiễu xạ: sinϕ = ± ;±2 ;±3 ;...Tập hợp những khe hẹp giống nhau song song cách đều và nằm trong cùng mộtmặt phẳng gọi là cách tử nhiễu xạ. (H.13)Khoảng cách d giữa hai khe hẹp kế tiếp được gọi là chu kỳ của cách tử. Số khetrên một đơn vị chiều dài của cách tử là n =1dTrang 17Phân tích chương trình Vật lý THPTHình 13: Cách tử và nhiễu xạ ánh sáng qua cách tửNgười ta có thể chế tạo được cách tử dài 10cm, trên mỗi mm có từ 500 – 1200vạch. Cách tử có thể sử dụng để xác định bước sóng ánh sáng đơn sắc, xác định thànhphần cấu tạo của các chất và dùng trong máy quang phổ…2.2.3.2. Nhiễu xạ trên tinh thểĐối với tinh thể rắn, mạng tinh thể đóng vai trò một cách tử không gian bachiều. Sự nhiễu xạ của các tia trên các nút mạng cho ta kết quả:2dsinθ = kλ(17)trong đó d là khoảng cách giữa hai nút mạng, gọi là hằng số mạng. Công thức được gọilà công thức Vulf – Bragg. Công thức Vulf – Bragg được dùng để xác định cấu trúccủa vật rắn tinh thể.Hình 14: Nhiễu xạ trên tinh thểTrang 18Phân tích chương trình Vật lý THPT2.3. Hiện tượng giao thoa ánh sáng2.3.1. Định nghĩa hiện tượng giao thoaKhe S được chiếu sáng đóng vai trò là một nguồn sáng. Ánh sáng qua kính lọcsắc truyền đến khe S1, S2 làm cho ánh sáng phát ra từ S 1, S2 là hai nguồn sáng kết hợpcó cùng tần số với nguồn S. Tại vùng không gian ở sau hai khe S 1, S2, nơi hai sónggặp nhau, gọi là vùng giao thoa, có sự chồng chập của hai sóng kết hợp dẫn đến hiệntượng giao thoa sóng và tạo ra các vân sáng và vân tối xen kẽ nhau trên màn E. Vânsáng, vân tối trên màn hứng được là kết quả của sự giao thoa ánh sáng. Hiện tượnggiao thoa ánh sáng là một bằng chứng thực nghiệm chứng tỏ ánh sáng có tính chấtsóng.Hình 15: Sơ đồ nguyên lý thí nghiệm giao thoaNhư vậy, có thể nêu định nghĩa hiện tượng giao thoa là : “Hiện tượng giao thoaánh sáng là hiện tượng chồng chất của hai hay nhiều sóng ánh sáng kết hợp, kết quảlà trong trường giao thoa sẽ xuất hiện những vân sáng và những vân tối xen kẽnhau.”2.3.2. Điều kiện để có hiện tượng giao thoaKhi có hai sóng gặp nhau thì bao giờ cũng có hiện tượng tổng hợp sóng nhưngchỉ có hiện tượng giao thoa khi hai sóng đó là sóng kết hợp. Hai sóng kết hợp là haisóng có cùng bước sóng và có độ lệch pha dao động không đổi theo thời gian (phaban đầu của chúng có giá trị tùy ý).Nếu hai sóng có độ kết hợp càng cao thì vân giao thoa càng rõ nét và càng dễquan sát. Rõ ràng chỉ có những sóng ánh sáng đơn sắc mới thỏa mãn yêu cầu ở trêncòn bất kỳ một nguồn sáng thông thường nào hay hai phần khác nhau của một nguồnsáng (trừ laser) đều không phải là nguồn kết hợp. Sở dĩ như vậy là vì do cơ chế phátxạ của các nguyên tử, phân tử cấu tạo nên nguồn sáng. Theo lý thuyết, thời gian phátsáng của phân tử hay nguyên tử là t0 ≈ 10-8s, trong khoảng thời gian này nguyên tử ởTrang 19Phân tích chương trình Vật lý THPTtrạng thái kích thích sẽ giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng, rồi trở về trạng tháibình thường. Sau một khoảng thời gian nào đó nguyên tử này lại có thể bị kích thíchvà bắt đầu lại phát sáng. Vì vậy ánh sáng do các nguyên tử phát ra là những xung ngắnriêng rẽ và được gọi là những đoàn sóng. Nếu các đoàn sóng do cùng một nguyên tửphát ra ở các thời điểm khác nhau thì pha ban đầu của chúng thay đổi một cách hỗnloạn từ lần phát xạ này đến lần phát xạ khác. Chính vì vậy mà những đoàn sóng này lànhững sóng không kết hợp.Muốn tạo ra được hai sóng kết hợp từ một nguồn sáng thông thường người taphải tìm cách tách đoàn sóng phát ra từ cùng một nguyên tử thành hai đoàn sóng bằngcách cho chùm sáng ban đầu phản xạ trên hai gương phẳng (gương Fresnel), hay khúcxạ qua hai lăng kính (lưỡng lăng kính), khúc xạ qua hai nửa thấu kính (thấu kínhBillet), hoặc đi qua hai khe hẹp nằm gần nhau (khe Young). Sau đó nếu ta cho haisóng kết hợp này truyền theo hai con đường khác nhau, và cho chúng gặp nhau thì tasẽ có hiện tượng giao thoa ánh sáng. Tuy nhiên khi đó hiện tượng giao thoa chỉ xảy rakhi hiệu quang trình ∆ (hiệu đường đi) của hai sóng kết hợp phải nhỏ hơn độ dài l kếthợp của đoàn sóng.Hình 16: Lưỡng lăng kính Fresnel và lưỡng thấu kính Billet2.3.3. Khoảng vân và vị trí vân giao thoaSóng ánh sáng đi qua S2 cùng pha với sóng đi qua S 1 vì hai sóng này là nhữngphần của một sóng duy nhất được truyền đến màn B. Tuy nhiên, sóng đến P từ S 2không cùng pha với sóng đến P từ S 1 vì sóng thứ hai phải đi qua một quãng đường dàihơn sóng thứ nhất để đến P (r 2 > r1). Hiệu quang trình của hai sóng đến một điểm xácđịnh hiệu số pha của những sóng đến điểm ấy.- Nếu như hiệu quang trình bằng không hoặc bằng một bội số nguyên của bướcsóng thì các sóng tới sẽ cùng pha với nhau và khi đó giao thoa sẽ tăng cường nhau:r2 – r1 = kλ, tại đó có vân sáng.Trang 20Phân tích chương trình Vật lý THPT- Nếu như hiệu quang trình bằng một bội số lẻ của nửa bước sóng thì các sóngtới sẽ ngược pha với nhau, khi đó, giao thoa sẽ triệt tiêu nhau:r2 − r1 = (k + 1)λ, tại đó có vân tối.2Hình 17: Xác định tính chất của vân giao thoaĐể thể hiện quang trình này trong H.17, chúng ta tìm một điểm O trên tia xuấtphát từ S2 sao cho quang trình từ O đến P bằng quang trình từ S 1 đến P. Như vậy, hiệuquang trình giữa hai tia là:r2 – r1 = S1O(18)Với điều kiện khoảng cách D giữa hai màn khá lớn so với khoảng cách a củahai khe, ta có thể xem gần đúng các tia r1 và r2 song song với nhau. Góc hợp bởi hai tiar1 và r2 với trục chính đều bằng θ.Hình 18: Khi D >> a ta có thể xem gần đúng các tia r1, r2 song song với nhauHiệu quang trình giữa hai tia là S1O = a sin θ .- Để có vân sáng thìS1O = asinθ = kλ(19)với k = 0, 1, 2, 3…Các giá trị của k có thể được dùng để đặt tên cho các cực đại giao thoa (vân sáng).Trang 21Phân tích chương trình Vật lý THPT+ Khi k = 0, từ (19) suy ra θ = 0. Như vậy, có một vân sáng chính giữa nằm tạigiao điểm của trục chính với màn quan sát. Cực đại chính giữa này là nơi mà sóng từcác khe đến với hiệu số pha bằng không.+ Khi giá trị của k lớn dần, (19) cho thấy có những vân sáng ứng với nhữnggiá trị của θ lớn dần, cả phía trên và phía dưới của cực đại chính giữa. Ánh sáng từ các kλ  ở phía trên và a khe đến với hiệu số pha là kλ tương ứng với một góc θ = arcsinphía dưới trục chính.asinθ = (2k + 1)- Để có vân tối thì:λ2(20)với k = 0, 1, 2,…Các giá trị của k bây giờ được dùng để đặt tên cho những cực tiểu giao thoa(vân tối). Vân tối thứ nhất ứng với k = 0 có hiệu số pha làλtương ứng với góc2 kλ θ = arcsin  nằm phía trên và phía dưới trục chính. Đối với những giá trị lớn dần a của k, sẽ có những giá trị lớn dần của góc θ.* Vị trí vân giao thoaVì góc θ bé nên có thể áp dụng công thức gần đúng:sinθ ≈ tanθ, kết hợp với(18) suy ra:r2 − r1 = S1O ≈ atanθ ≈ ayD(21)Từ điều kiện cực đại, cực tiểu giao thoa và (21) tính được vị trí các vân sáng vàvân tối:λD, k = 0;±1;±2;...a- Vị trí các vân sáng:xS = k- Vị trí các vân tối:x t = ( 2k + 1)λD, k = 0;±1;±2;...2a(22)(23)* Khoảng vân (i) là khoảng cách giữa hai vân sáng hoặc hai vân tối liên tiếp:i = x k +1 − x k =λDaThảo luận 2:Hãy nêu các yếu tố ảnh hưởng đến hình ảnh giao thoa?Trang 22(24)Phân tích chương trình Vật lý THPTTrả lời:- Sự không đơn sắc của bức xạ sẽ làm cho hình ảnh giao thoa kém đi; và thựctế bức xạ của nguyên tử và phân tử trong nguồn sáng lại xảy ra trong một khoảng thờigian hữu hạn t0 , nên bức xạ của nguồn sáng sẽ không phải là tuyệt đối đơn sắc.- Nếu tăng dần kích thước của nguồn sáng, ví dụ như mở rộng dần khe sáng Strong thí nghiệm Y- âng , thì mỗi dải rất hẹp trên chiều rộng của khe sẽ cho ta một hệvân giao thoa riêng, và tổng hợp tất cả các hệ vân này sẽ cho một sự phân bố cường độsáng tại các điểm khác trên màn quan sát. Và thí nghiệm chứng tỏ, khi độ rộng b củakhe sáng S vượt qua một giới hạn b0 nào đó thì không còn quan sát được vân giao thoatrên màn nữa. Vì vậy, muốn còn quan sát được hình ảnh giao thoa thì ∆x phải nhỏ hơni, tức là khe S càng hẹp thì càng dễ quan sát.Error: Reference source not found2- Nếu nguồn sáng S1 và S2 phát ánh sáng trắng gồm mọi ánh sáng đơn sắc cóbước sóng λ = 0,38 ± 0,76µm thì mỗi ánh sáng đơn sắc sẽ cho một hệ vân giao thoa cómàu sắc riêng và độ rộng i khác nhau. Tại vị trí chính giữa của miền giao thoa, mọiánh sáng đơn sắc đều cho cực đại nên vân cực đại giữa là một vân sáng trắng (vânsáng trung tâm).Hình ảnh quan sát đượcHình 19: Hình ảnh vân giao thoa quan sát được trên màn khi dùng ánh sáng trắngHai bên vân trắng trung tâm là hai vân tối hoàn toàn vì cực tiểu thứ nhất củamọi hệ vân đều gần trùng nhau tại đó. Ngoài hai vân tối đó, sẽ không còn một vân tốinào khác. Nguyên nhân là do tại vị trí có vân tối ứng với bước sóng này sẽ có vân sángcủa bước sóng khác chồng lên.- Nhiều người nhầm lẫn màu sắc nhìn thấy được khi ánh sáng mặt trời đến đậptrên một bong bóng xà phòng hoặc trên váng dầu là do tán sắc nhưng thực ra đó là kếtquả giao thoa của sóng phản xạ từ mặt ngoài và mặt trong của một bản mỏng trongsuốt.Trang 23Phân tích chương trình Vật lý THPT+ Trường hợp bản mỏng có bề dày không đổi, khi bản được chiếu bằng mộtnguồn đơn sắc rộng, thấu kính đặt song song với mặt bản, ta sẽ quan sát được một hệvân gồm những vòng tròn đồng tâm là những vòng tròn sáng tối xen kẽ nhau có tâm làtiêu điểm F. Càng xa tâm vân càng sát lại với nhauHình 20: Sự giao thoa ở bản mỏng có bề dày không thay đổi+ Trường hợp bản mỏng có bề dày thay đổi, nếu chiếu bản mỏng bằng ánhsáng trắng thì mỗi ánh sáng đơn sắc sẽ cho một hệ thống vân và trên mặt bản ta sẽquan sát thấy màu sắc cầu vồng, đó là màu sắc của vân bản mỏng.Hình 21: Sự giao thoa ở bản mỏng có bề dày thay đổiVà nhiều hiện tượng khác trong thực tế cũng được giải thích bằng hiện tượnggiao thoaHình 22: Một số hình ảnh giao thoa trong tự nhiên2.4. Máy quang phổTrang 24Phân tích chương trình Vật lý THPTMáy quang phổ là dụng cụ dùng để phân tích chùm sáng có nhiều thành phầnthành những thành phần đơn sắc khác nhau. Cấu tạo gồm:- Ống chuẩn trực C gồm một thấu kính hội tụ L 1 và một khe hẹp F nằm tại tiêudiện của thấu kính, có tác dụng tạo ra chùm sáng song song từ nguồn sáng.Hình 23: Sơ đồ cấu tạo quang phổ lăng kính- Hệ tán sắc gồm một hoặc vài lăng kính P, có tác dụng phân tích chùm sángsong song từ thấu kính L 1 chiếu tới thành nhiều chùm sáng đơn sắc song song. Theolý thuyết về lăng kính, ảnh của khe máy quang phổ tức là vạch quang phổ chỉ rõ nétvới hai điều kiện:+ Chùm sáng qua lăng kính là chùm song song+ Lăng kính đặt ở góc lệch cực tiểu- Buồng tối hay buồng ảnh là một hộp kín trong đó có thấu kính L 2 và các tấmkính ảnh (để chụp ảnh quang phổ) hoặc tấm kính mờ để quan sát quang phổ, đặt tạitiêu diện của L2.Nguyên tắc hoạt động của máy quang phổ lăng kính dựa trên hiện tượng tánsắc ánh sáng: Khi ló ra khỏi ống chuẩn trực, chùm ánh sáng phát ra từ nguồn S mà tacần nghiên cứu sẽ trở thành một chùm song song. Chùm này qua lăng kính sẽ bị táchthành nhiều chùm đơn sắc song song, lệch theo các phương khác nhau. Mỗi chùmsáng đơn sắc ấy được thấu kính L 2 của buồng ảnh làm hội tụ thành một vạch trên tiêudiện của L2 và cho ta ảnh thật của khe F là một vạch màu. Tập hợp các vạch màu đó tạothành quang phổ của nguồn S.Phân tích quang phổ là phương pháp vật lý dùng để xác định thành phần hoáhọc của một chất (hay hợp chất), dựa vào việc nghiên cứu quang phổ của ánh sáng dochất ấy phát ra hoặc hấp thụ.2.5. Các loại quang phổ2.5.1. Quang phổ liên tụcTrang 25

Tài liệu liên quan

• Bài báo cáo tốt nghiệp mẫu : “DU LỊCH MICE TẠI VIỆT NAM”
  • 46
  • 4
  • 10
• cách làm bài báo cáo trình chiếu
  • 5
  • 1
  • 2
• Bài Báo Cáo Môn Phát Triển Sản Phẩm Mới ( sản phẩm men vi sinh xử lý rau, củ , quả tạo phân vi sinh)
  • 39
  • 850
  • 2
• TÌNH HÌNH THỰC TẾ VỀ CÔNG TÁC KẾ TOÁN TIỀN LƯƠNG VÀ CÁC KHOẢN TRÍCH THEO LƯƠNG TẠI CÔNG TY XÂY DỰNG SÔNG ĐÀ 11
  • 13
  • 346
  • 0
• Xây dựng hệ thống câu hỏi trắc nghiệm khách quan dạng MCQ (multiptle choice question) về phần kiến thức chương i, II, III, IV phần di truyền và biến dị, sinh học 9 THCS nhằm nâng cao chất lượng dạy học
  • 89
  • 1
  • 2
• Tiểu luận: Thu thập thông tin về duy trì và phát triển tổ chức của một cơ quan cụ thể, và chỉ ra những chính sách mà họ đang dùng. potx
  • 15
  • 847
  • 2
• bài báo cáo ''''yếu tố sinh thái nhiệt độ và ánh sáng ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của thực vật''''
  • 40
  • 1
  • 2
• sáng kiến kinh nghiệm môn ngữ văn một cách dạy bài ca huế trên sông hương
  • 7
  • 4
  • 28
• Báo cáo: Trình bày mô hình hệ thống quản lý chuỗi cung ứng (SCM) pptx
  • 39
  • 3
  • 8
• công ty cổ phần dịch vụ hàng hóa nội bài báo cáo tài chính được kiểm toán cho năm tài chính kết thúc ngày 31 tháng 12 năm 2012
  • 26
  • 435
  • 0

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

(2.49 MB - 36 trang) - NỘI DUNG KIẾN THỨC SÓNG ÁNH SÁNG Tải bản đầy đủ ngay ×