Bài giảng Chương 5: Giao thoa sóng ánh sáng - Vật Lý đại cương | Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh

CHƯƠNG 5 GIAO THOA SÓNG ÁNH SÁNG
1. Cơ sở quang học sóng
2. Điều kiện giao thoa
3. Giao thoa qua 2 khe Young
4. Sự phân bố cường độ
5. Thay đổi pha do phản xạ
6. Giao thoa trên bản mỏng
7. Giao thoa trên nêm không khí 8. Vân tròn Newton
1.1. CƠ SỞ CỦA QUANG HỌC SÓNG ÁNH SÁNG 1. Quang học sóng:
Quang học: Là ngành vật lý học nghiên cứu về bản chất, sự lan
truyền và tương tác của ánh sáng với môi trường vật chất.
Quang học sóng là phần của quang học mà mình xem ánh sáng như
sóng điện từ, nên giải thích được các hiện tượng mà “tia sáng” (quang
hình học) khó giải thích:
Giao thoa: hai sóng chồng lên nhau → chỗ
sáng, chỗ tối (ví dụ: vân nêm thủy tinh, Young 2 khe).
Nhiễu xạ: ánh sáng “loè” ra khi qua khe
hẹp/mép vật (ví dụ: mép bóng không sắc tuyệt đối).
Phân cực: ánh sáng có phương dao động (ví
dụ: kính mát phân cực, LCD).
1.1. CƠ SỞ CỦA QUANG HỌC SÓNG ÁNH SÁNG 2. Quang lộ:
Quang lộ của ánh sáng trong thời gian t là quãng
đường ánh sáng truyền được trong chân không
trong khoảng thời gian đó: B s L = c.t A
Trong môi trường đồng tính có chiết suất n, ta có:
c = n.v = n s  L = n.s = n.AB t
Vậy, quang lộ giữa hai điểm A, B bằng tích chiết suất
của môi trường với độ dài quãng đường AB.
“Quãng đường trong thời gian tương đương - nếu ánh sáng
đó truyền trong chân không”
1.1. CƠ SỞ CỦA QUANG HỌC SÓNG ÁS 2. Quang lộ:
Nếu ánh sáng truyền từ A đến B qua nhiều môi trường
có chiết suất n1, n2, …, với các quãng đường tương
ứng là s1, s2, …, thì quang lộ: L = nisi s s2 s A 1 3 B
Nếu môi trường có chiết suất thay đổi
liên tục thì quang lộ giữa hai điểm A,B B sẽ là: B L = n.ds ds A A
1.1. CƠ SỞ CỦA QUANG HỌC SÓNG ÁS 3. Hàm sóng → → → → 2L E(M) = a sin(t − ) E(0) = a sin(t) 
Với:  = cT: bước sóng as trong chân không; O
L = n.OM = c: quang lộ M
của as trên đoạn OM
Nhận Xét: Sóng tại M luôn trễ pha hơn  = 2L
sóng tại nguồn một lượng: 
1.1. CƠ SỞ CỦA QUANG HỌC SÓNG ÁS
4. Cường độ ánh sáng
Cường độ sáng tại một điểm là một đại lượng có trị số
bằng năng lượng á n h s á n g truyền qua một đơn vị
diện tích đặt vuông góc với phương truyền sáng trong
một đơn vị thời gian (mật độ dòng quang năng).
Cường độ áng sáng tỉ lệ với bình phương biên độ sóng. W P →2 2 I = = = ka ~ E S.t S S
1.1. CƠ SỞ CỦA QUANG HỌC SÓNG ÁS
5. Nguyên lý chồng chất ánh sáng
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, còn tại những điểm
gặp nhau, dao động sóng bằng tổng các dao động thành phần. Nghĩa là:
•Mỗi sóng coi như “khách qua đường”, đi xuyên qua nhau, không phá hỏng nhau.
•Chỉ tại nơi chúng chồng lên nhau, giá trị dao động (điện trường) bằng tổng đại số của từng sóng. Về toán, với 2 sóng: 𝐸tổng = 𝐸1 + 𝐸2
•(a) hai sóng xanh và xanh lá tiến lại gần nhau.
•(b) khi gặp nhau, biên độ “dồn” lại → giao thoa tăng cường (constructive interference):
đỉnh + đỉnh → đỉnh cao hơn, 𝐸tổnglớn hơn, nên 𝐼 ∝ 𝐸2cũng lớn hơn.
•(c) hai sóng lại gần nhưng lệch pha nửa chu kì.
•(d) khi gặp nhau, một cái đỉnh gặp một cái đáy → giao thoa triệt tiêu
(destructive interference):
𝐸1 + 𝐸2 ≈ 0 →cường độ gần như bằng 0.
Sau khi vùng chồng nhau qua đi, mỗi sóng tiếp tục đi như ban đầu, không “mất sóng” nào cả.
Vì cường độ phụ thuộc ∣ 𝑬 ∣𝟐 ,nên có chỗ sáng rực lên (tăng cường), có chỗ
tối thui (triệt tiêu) – đó chính là giao thoa ánh sáng.
1.2. ĐIỀU KIỆN GIAO THOA ÁNH SÁNG
2 - Điều kiện có giao thoa  2L1  X = A cos  t − 1 1  1 
Giả sử có hai sóng tới tại M     2L2  X = A cos  t − 2 2  2     Sóng tổng hợp tại M: X = X + X = Acos  1 2 Trong đó:
A2 = A2 + A2 + 2A A cos( − ) 1 2 1 2 2 1 + tan = A sin  A sin  1 1 2 2 A cos  + A cos  1 1 2 2 Hiệu pha: 2
 =  −  = ( −  )t + − L ) 2 1 2 1  (L1 2
1.2. ĐIỀU KIỆN GIAO THOA ÁNH SÁNG
2 - Điều kiện có giao thoa
Do cường độ ánh sáng I = A2 nên I = I + I + 2 I I cos( −  ) 1 2 1 2 2 1
a) Hiệu pha  = 2 - 1 không biến đổi theo thời gian  =  = 
Hai sóng tới phải có cùng tần số 1 2
❖ Tại các điểm thoả mãn điều kiện cos(2 - 1) = +1
 = 2 (L − L ) = 2k.(k = 0,1, 2,...) 1 2  Hay hiệu quang lộ: L = L − L = k 1 2 2 I = ( I + I ) GIAO THOA CỰC ĐẠI max 1 2
1.2. ĐIỀU KIỆN GIAO THOA ÁNH SÁNG
2 - Điều kiện có giao thoa
❖ Tại các điểm thoả mãn điều kiện cos(2 - 1) = -1
 = 2 (L − L ) = (2k +1).  1 2  1 
Hay hiệu quang lộ: L = L − L =  k + 1 2   2  2 I = ( I − I ) GIAO THOA CỰC TIỂU min 1 2
Vậy: Để có giao thoa thì hai sóng phải có cùng tần số và có
độ lệch pha không đổi theo thời gian
1.2. ĐIỀU KIỆN GIAO THOA ÁNH SÁNG
2 - Điều kiện có giao thoa
b) Hiệu pha  = 2 - 1 biến đổi theo thời gian Sóng không kết hợp
Sau mỗi chu kỳ T, cường độ trung bình:
I = 1 TIdt = 1 TI + I + 2 I I cos( −  )dt 1 2 1 2 2 1 T T 0 0 1 T Hay I = I + I + 2 I I 1 2 1 2  cos( −  )dt 2 1 T 0
Sau mỗi chu kỳ T thì  = 2 - 1 biển đổi 1 lượng 2
1 Tcos( − )dt = 0 2 1 T 0
1.2. ĐIỀU KIỆN GIAO THOA ÁNH SÁNG
2 - Điều kiện có giao thoa
b) Hiệu pha  = 2 - 1 biến đổi theo thời gian I = I + I 1 2
Khi hai sóng không kết hợp chồng chất lên nhau thì cường độ tại mọi điểm đều bằng nhau
Không có giao thoa cực đại, cực tiểu
1.2. ĐIỀU KIỆN GIAO THOA ÁNH SÁNG
3 – Nguyên tắc tạo ra 2 sóng kết hợp: Tách sóng phát ra từ
một nguồn duy nhất thành 2 sóng, sau đó lại cho chúng gặp
nhau. (Hai nguồn riêng biệt thông thường không có tính kết hợp).
1.3. GIAO THOA QUA HAI KHE YOUNG Không giao thoa
Có giao thoa giữa hai sóng
1.3. GIAO THOA QUA HAI KHE YOUNG
1.3. GIAO THOA QUA HAI KHE YOUNG y M r2 O2 r1 B  O H O1 D
1.3. GIAO THOA QUA HAI KHE YOUNG
1.3. GIAO THOA QUA HAI KHE YOUNG