Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
<strong>TS</strong>. Ngô Văn <strong>Thanh</strong>,<br />
Viện Vật lý.<br />
Chuyên ngành : Điện tử - Viễn thông , Công nghệ thông tin,<br />
Điện - Điện tử<br />
http://iop.vast.ac.vn/~nvthanh/cours/phys/
Chương 3: Giao thoa ánh sáng.<br />
3.1 Cơ sở của quang học sóng<br />
3.2 Giao thoa ánh sáng<br />
3.3 Giao thoa gây bởi các bản mỏng<br />
3.4 Các ứng dụng của hiện tượng giao thoa<br />
@2009, Ngô Văn <strong>Thanh</strong> - Viện Vật Lý
3.1 Cơ sở của quang học sóng<br />
Hàm sóng của ánh sáng:<br />
‣ Ánh sáng là một loại sóng điện từ<br />
• Chỉ có phần điện trường biến thiên gây cho mắt cảm giác sáng.<br />
• Dao động của vector cường độ điện trường gọi là dao động sáng.<br />
‣ Phương trình dao động sáng:<br />
• Phương trình dao động sáng tại điểm O<br />
• Phương trình dao động sáng tại điểm P, với khoảng cách<br />
Dấu (-): khi sóng ánh sáng đi từ trái sang phải. Dấu (+) : ngược lại<br />
là thời gian sóng dịch chuyển từ O đến P.<br />
• Cuối cùng ta có phương trình dao động sáng<br />
@2009, Ngô Văn <strong>Thanh</strong> - Viện Vật Lý
Cường độ sáng:<br />
Cường độ sáng tại một điểm là đại lượng có giá trị bằng năng lượng của ánh<br />
sáng truyền qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền sóng<br />
trong một đơn vị thời gian.<br />
‣ Biểu thức cường độ sáng<br />
<br />
<br />
Nguyên lý chồng chất<br />
Khi hai hay nhiều sóng ánh sáng gặp nhau thì các sóng riêng lẻ không gây<br />
nhiễu loạn cho nhau, có nghĩa là các sóng riêng lẻ sau khi gặp nhau vẫn<br />
truyền đi như cũ.<br />
Tại những điểm gặp nhau, dao động sáng tổng hợp bằng tổng các dao động<br />
sáng thành phần.<br />
Nguyên lý Huyghen<br />
‣ Tại một điểm bất kỳ nào đó trong trường sóng ánh sáng đều trở thành<br />
nguồn sáng thứ cấp phát ánh sáng theo phương của sóng ánh sáng tới.<br />
@2009, Ngô Văn <strong>Thanh</strong> - Viện Vật Lý
@2009, Ngô Văn <strong>Thanh</strong> - Viện Vật Lý
3.2 Giao thoa ánh sáng<br />
‣ Hiện tượng giao thoa xảy ra khi có<br />
hai nguồn sáng kết hợp gặp nhau,<br />
tạo ra các miền sáng,<br />
miền tối đan xen lẫn nhau.<br />
‣ Để tạo hai sóng ánh sáng kết hợp,<br />
người ta thường tách từ một nguồn<br />
sáng duy nhất thành 2 nguồn sáng.<br />
Khe Young<br />
‣ S 0 , S 1 và S 2 là các lỗ nhỏ.<br />
‣ S 1 và S 2 : hai nguồn sáng thứ cấp<br />
(theo nguyên lý Huygens)<br />
‣ Để dễ quan sát hơn, người ta thay<br />
S 0 , S 1 và S 2 bằng các khe hẹp.<br />
@2009, Ngô Văn <strong>Thanh</strong> - Viện Vật Lý
Ảnh chụp vân giao thoa của sóng ánh sáng và sóng nước<br />
@2009, Ngô Văn <strong>Thanh</strong> - Viện Vật Lý
Gương Fresnel:<br />
‣ M 1 và M 2 là hai gương phằng, M 1 nghiêng so với M 2 một góc rất nhỏ (vài<br />
phần nghìn rad).<br />
‣ S 1 và S 2 là hai ảnh ảo của nguồn sáng điểm S.<br />
‣ S 1 và S 2 trở thành hai nguồn sáng thứ cấp và chúng phát ra hai chùm sáng<br />
kết hợp.<br />
@2009, Ngô Văn <strong>Thanh</strong> - Viện Vật Lý
Khảo sát hiện tượng giao thoa:<br />
‣ Xét hai chùm sóng ánh sáng phát ra từ S 1 và S 2 có cùng tần số và biên độ.<br />
‣ Cường độ điện trường của hai sóng ánh sáng tại điểm P:<br />
‣ độ lệch pha<br />
@2009, Ngô Văn <strong>Thanh</strong> - Viện Vật Lý
‣ Cường độ điện trường tổng hợp tại điểm P:<br />
‣ Cường độ sáng tại điểm P:<br />
suy ra<br />
‣ Cực đại giao thoa: những điểm sáng nhất:<br />
‣ Cực đại giao thoa: những điểm tối nhất:<br />
@2009, Ngô Văn <strong>Thanh</strong> - Viện Vật Lý
‣ k được gọi là bậc của vân giao thoa:<br />
• k = 0 : cực đại bậc 0…<br />
• k = 1 : cực tiểu bậc nhất…<br />
‣ Hình dạng của vân giao thoa bậc 0 có dạng mặt phẳng, các vân giao thoa khác<br />
(cả vân sáng lẫn vân tối) có dạng hyperboloid.<br />
‣ Giả thiết khoảng cách giữa nguồn sáng và màn rất lớn so với bước sóng ánh<br />
sáng và cũng rất lớn so với khoảng cách giữa hai khe sáng:<br />
@2009, Ngô Văn <strong>Thanh</strong> - Viện Vật Lý
‣ Cực đại giao thoa:<br />
‣ Cực tiểu giao thoa<br />
‣ Khoảng cách giữa các vân sáng hoặc vân sáng (tối) kế tiếp<br />
Khoảng cách giữa các vân giao thoa chỉ phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai<br />
nguồn sáng S 1 và S 2 mà không phụ thuộc vào vị trí của chúng.<br />
Hệ thống vân giao thoa không bị thay đổi khi dịch chuyển đồng thời S 1 và S 2<br />
theo phương vuông góc với mặt phẳng của hình vẽ. Vì vậy, người ta thay hai<br />
nguồn sáng điểm bằng hai khe sáng để thấy rõ hơn các vân giao thoa.<br />
Giao thoa của ánh sáng trắng tạo nên hệ thống vân có màu (màu trắng, đỏ,<br />
da cam … tím).<br />
@2009, Ngô Văn <strong>Thanh</strong> - Viện Vật Lý
3.3 Giao thoa gây bởi các bản mỏng<br />
‣ Giao thoa gây bởi các bản mỏng là sự giao thoa của các tia phản xạ trên hai<br />
mặt của bản mỏng: màng xà phòng, váng dầu trên mặt nước…<br />
Bản mỏng có bề dày thay đổi<br />
Vân cùng độ dày<br />
‣ Hiệu của hai quang lộ:<br />
‣ Cực đại giao thoa<br />
‣ Cực tiểu giao thoa<br />
Các vân giao thoa phụ thuộc vào độ dày của bản mỏng.<br />
@2009, Ngô Văn <strong>Thanh</strong> - Viện Vật Lý
Vân của nêm không khí<br />
‣ Hiệu của hai quang lộ:<br />
‣ Cực đại giao thoa: bề dày lớp không khí thỏa mãn công thức<br />
‣ Cực tiểu giao thoa<br />
Các vân giao thoa là các đoạn thẳng song song với cạnh của nêm.<br />
@2009, Ngô Văn <strong>Thanh</strong> - Viện Vật Lý
Vân tròn Newton<br />
‣ Vân tròn Newton cũng là một dạng của nêm:<br />
‣ Vân sáng: bề dày lớp không khí thỏa mãn:<br />
‣ Vân tối: bề dày lớp không khí thỏa mãn<br />
Các vân giao thoa là các vòng tròn tại tâm O.<br />
‣ Bán kính các vân tối: giả thiết<br />
sử dụng<br />
ta có:<br />
@2009, Ngô Văn <strong>Thanh</strong> - Viện Vật Lý
Bản mỏng có bề dày không đổi<br />
Vân có cùng độ nghiêng.<br />
‣ Hiệu của hai quang lộ chỉ phụ thuộc vào góc tới i.<br />
‣ Cực đại giao thoa khi góc tới thỏa mãn:<br />
‣ Cực tiểu giao thoa<br />
Các tia sáng có cùng góc tới tạo nên các vân giao thoa là các vòng tròn<br />
đồng tâm, vân giao thoa được gọi là vân giao thoa cùng độ nghiêng.<br />
@2009, Ngô Văn <strong>Thanh</strong> - Viện Vật Lý
3.4 Các ứng dụng của hiện tượng giao thoa<br />
Khử tia phản xạ trên các mặt kính.<br />
• Ánh sáng phản xạ làm mờ các thiết bị quang học.<br />
• Làm lộ mục tiêu trong quân sự.<br />
‣ Phủ một lớp màng mỏng đặc biệt để khử ánh sáng phản xạ<br />
• Độ dày của lớp màng mỏng và chiết suất<br />
‣ Điều kiện để khử ánh sáng phản xạ: pha của hai tia phản xạ lệch nhau 180 o .<br />
• Bề dày lớp màng mỏng<br />
Màng mỏng trong suốt<br />
• là bước sóng của ánh sáng trong<br />
chân không và trong màng mỏng<br />
• Chiết suất của lớp màng mỏng<br />
Thiết bị quang học<br />
• Sự khử phản xạ tốt nhất khi:<br />
@2009, Ngô Văn <strong>Thanh</strong> - Viện Vật Lý
Kiểm tra các mặt kính phẳng hoặc lồi.<br />
‣ Mặt kính phẳng: ứng dụng hiện tượng giao thoa bằng nêm không khí.<br />
Các vân giao thoa sẽ bị cong nếu mặt phẳng tấm kính bị lồi lõm.<br />
Tấm kính mẫu<br />
‣ Thấu kính: ứng dụng phương pháp vân tròn Newton.<br />
Các vân giao thoa sẽ là các vòng tròn đều nếu như mặt thấu kính đúng<br />
là mặt cầu.<br />
Tấm kính phẳng<br />
@2009, Ngô Văn <strong>Thanh</strong> - Viện Vật Lý
Đo chiết suất của chất lỏng và chất khí (giao thoa kế Rayleigh).<br />
‣ Ứng dụng hiện tượng giao thoa trên khe Young.<br />
Đo chiết suất của một chất lỏng hay chất khí . đã biết.<br />
Hiệu quang lộ thỏa mãn công thức<br />
m là số khoảng vân bị dịch chuyển<br />
Suy ra:<br />
@2009, Ngô Văn <strong>Thanh</strong> - Viện Vật Lý
Đo chiều dài (giao thoa kế Michelson).<br />
‣ Hai gương phản xạ M 1 và M 2 .<br />
‣ Bản bán mạ<br />
‣ Tấm bù quang để điều chỉnh độ lệch giữa hai quang lộ<br />
Tia 1: từ O P M 1 P F.<br />
Tia 2: từ O P M 2 P F.<br />
‣ Nếu dịch chuyển gương theo<br />
phương tia sáng một đoạn<br />
thì hiệu quang lộ thay đổi là<br />
‣ Dịch chuyển gương theo chiều<br />
dài của vật:<br />
Chiều dài của vật:<br />
Tấm bù quang<br />
m là số khoảng vân<br />
bị dịch chuyển<br />
Bản bán mạ<br />
@2009, Ngô Văn <strong>Thanh</strong> - Viện Vật Lý
3.1 Cơ sở của quang học sóng.<br />
Hàm sóng của ánh sáng:<br />
Các đại lượng liên quan:<br />
Cường độ sáng:<br />
Nguyên lý chồng chất: dao động sáng tổng hợp.<br />
Nguyên lý Huyghen: nguồn sáng thứ cấp.<br />
3.2 Giao thoa ánh sáng.<br />
Điều kiện để có hiện tượng giao thoa: phải có 2 nguồn sáng kết hợp.<br />
Thí nghiệm khe Young: Tạo nguồn sáng kết hợp theo nguyên lý Huyghen.<br />
Gương Fresnel: Tạo nguồn sáng kết hợp bằng sóng phản xạ trên gương.<br />
Cực đại giao thoa: những điểm sáng nhất:<br />
Cực đại giao thoa: những điểm tối nhất:<br />
@2009, Ngô Văn <strong>Thanh</strong> - Viện Vật Lý
Cường độ sáng của vân giao thoa:<br />
Khoảng cách giữa các vân sáng hoặc vân tối kế tiếp:<br />
3.3 Giao thoa gây bởi các bản mỏng<br />
Vân cùng độ dày: Các vân giao thoa phụ thuộc vào độ dày của bản mỏng.<br />
‣ Hiệu quang lộ:<br />
‣ Vân sáng và vân tối:<br />
Vân của nêm không khí : Các vân giao thoa là các đoạn thẳng song song với<br />
cạnh của nêm.<br />
‣ Hiệu quang lộ:<br />
‣ Vân sáng và vân tối:<br />
@2009, Ngô Văn <strong>Thanh</strong> - Viện Vật Lý
Vân tròn Newton: Các vân giao thoa là các vòng tròn đồng tâm.<br />
‣ Vân sáng và vân tối:<br />
‣ Bán kính các vân tối:<br />
Vân có cùng độ nghiêng: vân giao thoa cùng độ nghiêng.<br />
‣ Hiệu quang lộ:<br />
‣ Vân sáng và vân tối:<br />
‣ Vân giao thoa do các chùm sáng có cùng góc tới là các đường tròn đồng tâm<br />
3.4 Các ứng dụng của hiện tượng giao thoa<br />
Khử tia phản xạ trên các mặt kính.<br />
Kiểm tra các mặt kính phẳng hoặc lồi.<br />
Đo chiết suất của chất lỏng và chất khí (giao thoa kế Rayleigh).<br />
Đo chiều dài (giao thoa kế Michelson).<br />
@2009, Ngô Văn <strong>Thanh</strong> - Viện Vật Lý
Xác định bước sóng ánh sáng bằng thí nghiệm vân tròn Newton.<br />
‣ Từ biểu thức tính bán kính vân giao thoa, xác định bán kính của 2 vân bất kỳ<br />
‣ Tính hiệu bình phương hai bán kính, giả sử :<br />
‣ Suy ra bước sóng:<br />
R<br />
‣ Đặt<br />
d k<br />
L<br />
P<br />
r k<br />
‣ Ta có:<br />
r i<br />
@2009, Ngô Văn <strong>Thanh</strong> - Viện Vật Lý
Quan sát trên kính trắc vi để tính B và b.<br />
0 1 2 6 7 8<br />
K O I K’<br />
B<br />
b<br />
Với là số thứ tự các vân trên kính trắc vi, là độ phóng<br />
đại của kính hiển vi.<br />
@2009, Ngô Văn <strong>Thanh</strong> - Viện Vật Lý