Bài giảng Vật lý đại cương 2 - Chương 7: Quang học sóng (Phần 1) - Nguyễn Xuân Thấu

Chương 7 QUANG HỌC SÓNG HÀ NỘI 2016 1 Nguyễn Xuân Thấu -BMVL 2CHƯƠNG 7. QUANG HỌC SÓNG NỘI DUNG CHÍNH ♣ Cơ sở quang học sóng. ♣ Hiện tượng giao thoa của 2 sóng ánh sáng kết hợp. ♣ Hiện tượng giao thoa do phản xạ. ♣ Hiện tượng giao thoa gây bởi bản mỏng. ♣ Ứng dụng của giao thoa. ♣ Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng. ♣ Hiện tượng phân cực ánh sáng. 31. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG Quang học: là môn học nghiên cứu về ánh sáng và sự tương tác của ánh sáng với các chất. Quang học cổ điển bao gồm quang học tia (quang hình học) và quang học sóng. Quang học tia: Nghiên cứu các hiện tượng ánh sáng dựa trên khái niệm “tia sáng”. Ví dụ: hiện tượng khúc xạ, phản xạ, tạo ảnh qua gương, lăng kính Quang học sóng: Nghiên cứu các hiện tượng ánh sáng dựa trên khái niệm sóng ánh sáng. Ví dụ: Giao thoa, nhiễu xạ, phân cực, tán sắc 41. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG Các thuyết về bản chất của ánh sáng : ● Thuyết hạt của Newton (cuối thế kỉ 17) Ánh sáng là 1 chùm hạt ● Thuyết sóng của Huygens (cuối thế kỉ 17) Ánh sáng là sóng ● Đầu thế kỷ 19 Fresnel giải thích các hiện tượng quang học ● Thuyết điện từ của Maxwell (1865) Ánh sáng là sóng điện từ ● Thuyết photon của Einstein (1905) Ánh sáng có bản chất lượng tử (Max Planck) 51. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG 1.1. Các định luật cơ bản của quang hình học a) Định luật truyền thẳng ánh sáng: Trong môi trường trong suốt đồng tính và đẳng hướng ánh sáng truyền theo đường thẳng. b) Định luật về tác dụng độc lập của các tia sáng: Tác dụng của các chùm sáng khác nhau thì độc lập với nhau, nghĩa là tác dụng của một chùm sáng này thì không phụ thuộc vào sự có mặt hay không của các chùm sáng khác. 61. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG c) Hai định luật của Descartes. 1.1. Các định luật cơ bản của quang hình học Khi một tia sáng tới mặt phân cách hai môi trường trong suốt, đồng tính và đẳng hướng thì bị tách làm hai: Tia phản xạ và tia khúc xạ, chúng tuân theo hai định luật: * Định luật 1: Tia phản xạ nằm trong mặt phẳng tới (mặt phẳng chứa tia tới và pháp tuyến mặt phân cách) và góc tới bằng góc phản xạ: * Định luật 2: Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới và tỷ số giữa sin góc tới và sin góc khúc xạ là một số không đổi: 1 1i i 1 2 21 2 1 sin i n n sin i n   71. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG c) Hai định luật của Descartes. 1.1. Các định luật cơ bản của quang hình học * Hiện tượng phản xạ toàn phần 1max 21sin i n i2 i1 i1 i2 0 2 1 1max 2 2 1max 21 1 n n sin i n sin90 n sin i n n      1 2 21 2 1 sin i n n sin i n   81. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG c) Hai định luật của Descartes. 1.1. Các định luật cơ bản của quang hình học * Hiện tượng phản xạ toàn phần 91. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG 1.2. Những phát biểu tương đương của định luật Descartes Một số khái niệm: Quang lộ của tia sáng: Xét hai điểm A, B nằm trong môi trường đồng tính, chiết suất n, cách nhau một đoạn d. Quang lộ giữa hai điểm A và B là: L = c.t, trong đó t = d/v là thời gian để ánh sáng đi từ A đến B. L = n.d Quang lộ giữa 2 điểm AB là đoạn đường ánh sáng truyền được trong chân không trong khoảng thời gian t, trong đó t là khoảng thời gian mà ánh sáng đi được đoạn AB trong môi trường a) Quang lộ 10 1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG 1.2. Những phát biểu tương đương của định luật Descartes Nếu ánh sáng truyền qua các môi trường khác nhau: i iL n d B A L n.ds L nd 11 1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG 1.2. Những phát biểu tương đương của định luật Descartes b) Nguyên lý Fermat và định lý Malus  Nguyên lý Fermat: Giữa hai điểm A và B, ánh sáng sẽ truyền theo con đường nào mà quang lộ là cực trị.  Định lý Malus: Quang lộ của các tia sáng giữa hai mặt trực giao của một chùm sáng thì bằng nhau (mặt trực giao là mặt vuông góc với các tia của một chùm sáng)  Đây là các phát biểu tương đương của các định luật quang hình học. 12 1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG 1.2. Những phát biểu tương đương của định luật Descartes b) Nguyên lý Fermat và định lý Malus AOB AO OB A O OB A B A BO A B A O O B AO B AOB AO B                    Sự tương đương của nguyên lý Fermat với định luật phản xạ  Ánh sáng truyền theo quang lộ cực tiểu. 13 1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG 1.2. Những phát biểu tương đương của định luật Descartes b) Nguyên lý Fermat và định lý Malus Sự tương đương của nguyên lý Fermat với định luật phản xạ Xét 1 elipxoid tròn xoay, nếu đặt nguồn sáng tại tiêu điểm F1, thì ánh sáng tập trung tại F2.  Ánh sáng truyền theo quang lộ cực đại Xét 1 thấu kính:  Ánh sáng truyền theo quang lộ không đổi 14 1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG 1.2. Những phát biểu tương đương của định luật Descartes b) Nguyên lý Fermat và định lý Malus Sự tương đương của nguyên lý Fermat với định luật khúc xạ 15 1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG 1.2. Những phát biểu tương đương của định luật Descartes b) Nguyên lý Fermat và định lý Malus 1 1 1 1 2 2 2 1 1 1 2 1 1 2 1 1 2 1 2 2 2 2 2 1 2 2 1 2 2 2 2 2 L n A I n A I n A I n I H n H B L n A I n I B n A H n H I n I B           1 1 2 2 1 1 2 2 A I A H H B I B   1 1 2 2 2 2 1 1 1 2 1 2 1 2 1 2 2 2 1 1 n sin i n sin i H I I H n n I I I I n H I n I H      1 2L L Chứng minh định lý Malus 16 1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG 1.3. Hàm sóng của ánh sáng O M  Giả sử tại O phương trình dao động sáng là: xO = acost Phương trình dao động sáng tại M là: hàm sóng của ánh sáng  là thời gian ánh sáng truyền từ O đến M. L = c là quang lộ giữa hai điểm OM.  là bước sóng ánh sáng trong chân không. M L 2 L 2 L x a cos (t ) a cos (t ) a cos( t ) a cos( t ) v Tv                 17 1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG 1.4. Cường độ sáng:  Cường độ sáng I tại một điểm là một đại lượng có trị số bằng năng lượng ánh sáng truyền qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền sáng tại điểm đó trong một đơn vị thời gian.  Cường độ sáng tỷ lệ với bình phương biên độ: I = ka2 18 1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG 1.4. Nguyên lý chồng chất  Khi hai hay nhiều sóng ánh sáng gặp nhau thì từng sóng riêng biệt không bị các sóng khác làm nhiễu loạn;  Sau khi gặp nhau, các sóng ánh sáng vẫn truyền đi như cũ;  Tại những điểm gặp nhau, dao động sáng bằng tổng hợp các dao động sáng thành phần. 19 1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG 1.5. Nguyên lý Huyghens  Bất kỳ điểm nào nhận được sóng ánh sáng đều trở thành nguồn thứ cấp phát ánh sáng về phía trước nó. Mặt sóng sơ cấp là đường bao các mặt sóng thứ cấp 20 2. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA CỦA 2 SÓNG ÁNH SÁNG KẾT HỢP  Giao thoa sóng là trường hợp đặc biệt của hiện tượng chồng chất sóng.  Kết quả là trong trường giao thoa xuất hiện những điểm mà cường độ sóng được tăng cường, xen kẽ với những điểm cường độ sóng bị triệt tiêu.  Điều kiện để các sóng giao thoa với nhau: Sóng kết hợp. (các sóng có cùng tần số và có độ lệch pha không đổi theo thời gian) 21 2. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA CỦA 2 SÓNG ÁNH SÁNG KẾT HỢP 2.1. Cách tạo ra hai sóng ánh sáng kết hợp  Nguyên tắc: Tách sóng phát ra từ một nguồn duy nhất.  Các phương pháp thực nghiệm: Khe Young Gương Fresnel Lưỡng lăng kính Fresnel Lưỡng thấu kính Bier Gương Lloyd 22 2. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA CỦA 2 SÓNG ÁNH SÁNG KẾT HỢP 2.1. Cách tạo ra hai sóng ánh sáng kết hợp Khe Young 23 2. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA CỦA 2 SÓNG ÁNH SÁNG KẾT HỢP 2.1. Cách tạo ra hai sóng ánh sáng kết hợp Gương Fresnel 24 2. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA CỦA 2 SÓNG ÁNH SÁNG KẾT HỢP 2.1. Cách tạo ra hai sóng ánh sáng kết hợp Lưỡng lăng kính Fresnel 25 2. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA CỦA 2 SÓNG ÁNH SÁNG KẾT HỢP 2.1. Cách tạo ra hai sóng ánh sáng kết hợp Lưỡng thấu kính Bier: 26 2. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA CỦA 2 SÓNG ÁNH SÁNG KẾT HỢP 2.1. Cách tạo ra hai sóng ánh sáng kết hợp Gương Loyd: 27 2. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA CỦA 2 SÓNG ÁNH SÁNG KẾT HỢP 2.2. Khảo sát hiện tượng giao thoa  Xét hai nguồn kết hợp O1, O2: xO1 = a1cost và xO2 = a2cost  Phương trình sóng do O1 và O2 gây ra tại điểm M nào đó:  Cường độ sóng tại điểm M được xác định: 1 1 1 2 L x a cos( t )      2 2 2 2 L x a cos( t )       2 2 2M M 1 2 1 2 1 2 2 I a a a 2a a cos L L        28  Cực đại giao thoa:  Cực tiểu giao thoa: 2. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA CỦA 2 SÓNG ÁNH SÁNG KẾT HỢP 2.2. Khảo sát hiện tượng giao thoa 1 2L L k   1 2L L (2k 1) 2     29 2. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA CỦA 2 SÓNG ÁNH SÁNG KẾT HỢP 2.2. Khảo sát hiện tượng giao thoa Giao thoa khe Young: 30 2. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA CỦA 2 SÓNG ÁNH SÁNG KẾT HỢP 2.2. Khảo sát hiện tượng giao thoa Giao thoa khe Young: 31 2. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA CỦA 2 SÓNG ÁNH SÁNG KẾT HỢP 2.2. Khảo sát hiện tượng giao thoa H  2 1 2d d S H a sin x a tan a D         Kẻ S1H vuông góc với . Vì màn đặt xa và a nhỏ, do đó coi vuông góc với OM M O Vị trí vân sáng: Hiệu quang lộ: 2 1 x D d d a k x k D a        Vị trí vân tối: 2 1 x D d d a (2k 1) x (2k 1) D 2 2a          2d 1S H  S1 S2 32 2. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA CỦA 2 SÓNG ÁNH SÁNG KẾT HỢP 2.2. Khảo sát hiện tượng giao thoa Giao thoa khe Young:  Vị trí cực đại giao thoa:  Vị trí cực tiểu giao thoa:  Khoảng vân: sk D x k a   tk 1 D x (k ) 2 a    D i a   k 0, 1, 2...   k 0, 1, 2...   S1 S2 M 33 3. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA DO PHẢN XẠ 3.1. Thí nghiệm Lloyd  Cực đại giao thoa:  Cực tiểu giao thoa: 1 2L L k   1 2L L (2k 1) 2     Đặt OI+IM=d2, OM=d1 Tuy nhiên thực nghiệm lại xác nhận rằng tại những điểm mà lý thuyết dự đoán là sáng thì thực tế lại tối, dự đoán là tối thì thực tế là sáng. 34 3. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA DO PHẢN XẠ 3.1. Thí nghiệm Lloyd Như vậy pha dao động của tia phản xạ bị thay đổi một lượng là  Người ta coi rằng khi phản xạ trên mặt gương, quang lộ của tia phản xạ dài thêm 1 đoạn là . Điều này chỉ xảy ra khi ánh sáng chiếu từ môi trường kém chiết quang (không khí) đến 1 môi trường chiết quang hơn (thủy tinh). Chiều ngược lại thì quang lộ không thay đổi.  2  35 3. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA DO PHẢN XẠ 3.2. Sóng đứng ánh sáng d k 2  Nút sóng: Gọi d là khoảng cách từ 1 điểm M đến mặt gương d (2k 1) 4   Bụng sóng: 36 4. HIỆN TƯỢNG GIAO GÂY BỞI BẢN MỎNG 37 4. HIỆN TƯỢNG GIAO GÂY BỞI BẢN MỎNG  Bản mỏng là một bản trong suốt có độ dầy vào cỡ vài phần trăm milimet như màng xà phòng, váng dầu, lớp không khí mỏng  Giao thoa của các tia phản xạ trên hai bề mặt của bản mỏng.  Giao thoa gây bởi các tia khúc xạ qua hai bề mặt của bản mỏng. Bản chất của hiện tượng giao thoa từ các bản mỏng: qt d S qi nf 38 4. HIỆN TƯỢNG GIAO GÂY BỞI BẢN MỎNG 4.1. Giao thoa cho bởi bản mỏng có độ dày thay đổi – Vân cùng độ dày - Xét một bản mỏng chiết suất n được chiếu sáng bởi nguồn sáng rộng. - Xét hai tia sáng SABM, SM cùng xuất phát từ điểm S của nguồn  Sóng kết hợp. - Hiệu quang lộ giữa 2 tia: 1 2L L SA n(AB BM) (SM ) 2        SM SA HM  1 2L L n(AB BM) HM 2        39 4. HIỆN TƯỢNG GIAO GÂY BỞI BẢN MỎNG 4.1. Giao thoa cho bởi bản mỏng có độ dày thay đổi – Vân cùng độ dày d AB BM cos r   I d r AI d. tan r AM 2d.tan r   HM AM sin i 2d. tan r.sin i  sin i n sin i n sin r sin r 1 n     2 2 1 2L L 2d n sin i 2       1 2 2nd L L 2d. tan r.sin i cos r 2       40 4. HIỆN TƯỢNG GIAO GÂY BỞI BẢN MỎNG 4.1. Giao thoa cho bởi bản mỏng có độ dày thay đổi – Vân cùng độ dày Vân của nêm không khí:  Nêm không khí là một lớp không khí hình nêm nằm giữa hai bản thủy tinh phẳng hợp với nhau góc rất nhỏ.  Trên bề mặt của nêm có vân giao thoa của các tia phản xạ. 2L 2d 1 sin i 2      41 4. HIỆN TƯỢNG GIAO GÂY BỞI BẢN MỎNG 4.1. Giao thoa cho bởi bản mỏng có độ dày thay đổi – Vân cùng độ dày Vân của nêm không khí:  Xét chùm sáng vuông góc với mặt nêm (i = 00):  Từ điều kiện giao thoa, vân tối ứng với độ dày của lớp không khí: với k = 0, 1, 2, 3, L 2d 2     L 2d (2k 1) d k 2 2 2           42 4. HIỆN TƯỢNG GIAO GÂY BỞI BẢN MỎNG 4.1. Giao thoa cho bởi bản mỏng có độ dày thay đổi – Vân cùng độ dày Vân tròn Newton  Hệ vân tròn Newton gồm một chỏm cầu thủy tinh đặt tiếp xúc với bản thủy tinh phẳng.  Vân giao thoa thuộc loại cùng độ dày: - Vân tối: - Vân sáng: d k 2    d 2k 1 4    43 4. HIỆN TƯỢNG GIAO GÂY BỞI BẢN MỎNG 4.1. Giao thoa cho bởi bản mỏng có độ dày thay đổi – Vân cùng độ dày Vân tròn Newton Ánh sáng xanh Ánh sáng trắng Ánh sáng đỏ  Vân tròn Newton gồm hệ các vòng tròn có tâm cùng nằm trên trục của chỏm cầu.  Tâm của hệ vân ứng với điểm tối: d = 0. 44 4. HIỆN TƯỢNG GIAO GÂY BỞI BẢN MỎNG 4.1. Giao thoa cho bởi bản mỏng có độ dày thay đổi – Vân cùng độ dày Vân tròn Newton  Bán kính của vân tối thứ k thỏa mãn: 2 2 2 k kR r (R d )   k 2 k dr 2R 2R Rkk 2           kr Rk   Khoảng cách giữa 2 vân tối – sáng liên tiếp:  k 1 ki r r k 1 k R      45 4. HIỆN TƯỢNG GIAO GÂY BỞI BẢN MỎNG 4.2. Giao thoa cho bởi bản mỏng có độ dày không đổi – vân cùng độ nghiêng d A B M D P S i R1 R2 n 46 4. HIỆN TƯỢNG GIAO GÂY BỞI BẢN MỎNG 4.2. Giao thoa cho bởi bản mỏng có độ dày không đổi – vân cùng độ nghiêng d A B M D P S i R1 R2 n 2 2 1 2L L L 2d n sin i 2        Hiệu quang lộ của 2 tia SABR2 và SAR1 2 2L 2d n sin i k 2         2 2L 2d n sin i 2k 1 2 2         Vân sáng đối với những góc i thỏa mãn: Vân tối đối với những góc i thỏa mãn: 47 5. ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG GIAO THOA Khử phản xạ của kính:   0L 2nd 2k 1 2      Hiệu quang lộ 2 tia phản xạ và điều kiện tạo thành vân tối:   0d 2k 1 4n    0 mind 4n 4     ttn n 0,555 m   48 5. ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG GIAO THOA Kiểm tra các mặt kính phẳng hoặc lồi 49 5. ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG GIAO THOA Kiểm tra các mặt kính phẳng hoặc lồi 50 5. ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG GIAO THOA Đo chiết suất của chất lỏng – chất khí. Giao thoa kế Rayleigh  0L n n d   Giả sử hệ vân dịch đi m khoảng vân, suy ra:  0m n n d   0 m n n d    51 5. ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG GIAO THOA Đo chiều dài – Giao thoa kết Michelson l m 2   52 BÀI TẬP PHẦN GIAO THOA ÁNH SÁNG Các bài tập cần làm: (Sách BT Lương Duyên Bình): 1.2, 1.6, 1.7, 1.8, 1.10, 1.13, 1.14, 1.16, 1.19, 1.20. 1.22, 1.24, 1.25, 1.26, 1.28, 1.29, 1.32