BÀI TẬP CHƯƠNG “GIAO THOA ÁNH SÁNG”
1. Giao thoa của 2 nguồn sáng kết hợp
Hai nguồn sáng kết hợp là 2 nguồn phát ra sóng ánh sáng có cùng tần số và có độ lệch pha không
đổi theo thời gian.
Tại 1 điểm nhận cùng 1 lúc 2 sóng truyền tới từ 2 nguồn, có hiệu quang lộ của 2 sóng tới là: L1 L2
- Cực đại giao thoa: L1 L2 k , k 0, 1, 2,... - Cực tiểu giao thoa: L1 L2 k 12 k 0, 1, 2,...
Ghi chú: trong môi trường chân không hoặc không khí thì L1 L2 r1 r2 , trong đó r ,r1 2 là
khoảng cách (hình học) từ 2 nguồn sáng đến điểm đang xét. 2. Giao thoa khe Young
Hiệu quang lộ (bằng hiệu quãng
đường) x d2 d1 S H1 asin a tan a D Vị trí vân sáng: d2 d1 a x kx k D D a k 0, 1, 2,... Vị trí vân tối: d2 d1 a x (2k 1) x (2k 1) D D 2 2a k 0, 1, 2,... D
Bề rộng của vân giao thoa (khoảng vân): i a
Trong đó: a – là khoảng cách giữa 2 nguồn sáng;
D – là khoảng cách giữa nguồn sáng đến màn quan sát;
- là bước sóng của ánh sáng.
3. Giao thoa bản mỏng có độ dày thay đổi – vân cùng độ dầy 2 2
- Hiệu quang lộ của 2 tia phản xạ trên hai mặt của bản mỏng: L1 L2 2d n sin i 2
Trong đó: d – là bề dầy của bản mỏng tại điểm đang xét; n – chiết suất của bản mỏng; 1
i – là góc tới của tia sáng trên bản mỏng;
- Nêm không khí: Với bài toán vuông góc với mặt đáy của nêm: -
Hiệu quang lộ của 2 tia (1 tia phản xạ trên bề mặt 1
tại điểm M, 1 tia phản xạ trên bề mặt 2 tại điểm K): L 2d
, tia thứ nhất phản xạ tại điểm M, không bị 2
đảo pha. Tia thứ 2 ngoài quãng đường đi như tia thứ nhất 2 . còn thêm 2d và thêm
do bị phản xạ ở bề mặt 2 - Xét các vân tối: L 2d 2 k 12
Từ đó suy ra: d k với k 0,1,2,... 2 - Xét các vân sáng: L 2d k , 2 suy ra: d k 12 2 vi t l iÕ ¹ d k 12 2 với k 0,1,2,... - Nêm thủy tinh:
Xét 1 nêm thủy tinh, chiết suất là n, 1 tia sáng rọi vuông góc
với mặt đáy của nêm: - Hiệu quang lộ giữa 2 tia: L øSM 2ndù SM 2 2nd 2
- Điều kiện để là vân tối: k 1
, suy ra: d øk 1ù 2 n d k 2 n 2nd 2 2 với k 0,1,2,... 2
- Điều kiện để là vân sáng: 2nd k , 2 ù suy ra: d ø2k 1 4 n 1 vi t l iÕ ¹d k 2 2 n với k 0,1,2,...
- Vân tròn Newton (bản chất là bài toán Như trong trường hợp nêm không khí:
Vị trí các vân tối: d k với k 0,1,2,... 2 Vị trí các vân sáng: d k 12 2 với k 0,1,2,... ù
(so sánh với cách viết: d ø2k 1
với k 1,2,3,... → như nhau!) 4
Công thức tính bán kính vân tối thứ k: rk Rk
Khoảng cách giữa 2 vân sáng (tối) liên tiếp: i r ø k 1 rk k 1 kù R
4. Bản mỏng có độ dầy không đổi (vân cùng độ nghiêng): 2 2
- Hiệu quang lộ giữa 2 tia phản xạ trên 2 mặt của bản mỏng: L1 L2 2d n sin i 2
Bài tập cần giải:
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
Bài 1.2. Khoảng cách giữa hai khe trong máy giao thoa Young là l = 1mm. Khoảng cách từ màn
quan sát đến mặt phẳng chứa hai khe là D = 3m. Khi toàn bộ hệ thống đắt trong không khí, người
ta đo được khoảng cách giữa hai vân sáng liên tiếp là i = 1,5mm. a) Tìm bước sóng của ánh sáng tới;
b) Xác định vị trí của vân sáng thứ 3 và vân tối thứ 4, coi vân sáng giữa là vân bậc 0;
c) Đặt trước một trong 2 khe sáng mộ bản mỏng phẳng có 2 mặt song song, chiết suất n = 1,5, bề
dầy e 10 m . Xác định độ dịch chuyển của hệ thống vân giao thoa trên màn quan sát.
d) Trong câu hỏi c) nếu đổ đầy nước có chiết suất n 1,33vào khoảng cách giữa màn quan sát và
mặt phẳng chứa các khe thì hệ thống vân giao thoa có gì thay đổi? Hãy tính khoảng cách giữa
2 vân sáng liên tiếp trong trường hợp này.
Chú ý: câu d) lúc này hiệu quang lộ liên quan đến cả 2 chiết suất (chiết suất của nước và chiết
suất của bản mỏng đặt trước 1 khe) Tóm tắt: 3
l 1mm 10 3m;D 3m;i 1,5mm 1,5.10 m 3 a) ? b) x ,xs3 t4 ? c) e 10 m 10 5 m;n 1,5; x k ? d)n 1,33;i ? Giải:
a) Công thức tính khoảng vân: i D , từ đó suy ra: il 1,5.10 .10 3 3 0,5.10 m 6 0,5 m l D 3 D sk có 2 vân sáng thứ
b) Vị trí các vân sáng: x
k , với k = 0 chúng ta có vân trung tâm, k 1 l
1, tương tự như thế, vị trí vân sáng thứ 3 ứng với k 3 : xs3 3. 4,5.10 m 3 4,5mm Vị trí các vân tối: x D tk k 12
l , với k = 0 chúng ta có vân tối bậc 1, k = 1 có vân
tối bậc 2, nên vân tối bậc 4 ứng với k = 3: xt3 12 .0,5.10 .310 3 6 5,25.10 m 3 5,25mm 3
c) Giả sử bản mỏng đặt trước khe S1: Hiệu quang lộ khi đó: L L ø 2 L1 r2 r1 e neù r e nø 1ù
r Vân sáng thứ k khi đó thỏa mãn điều kiện: L xk k l D x
e nø 1ù k, ở đây chú ý: rl k : D e nø 1ù k →x k k D e nø 1ùD xk l l 4
Như vậy nếu đặt 1 bản mỏng trước khe S1 thì hệ thống vân sẽ bị dịch chuyển lên trên 1 khoảng: e nø 1ùD10 . 1,5 ø 5 1 .3ù x l 10 3 0,015m 15mm
(Tổng quát: nếu đặt bản mỏng trước khe nào thì hệ thống vân sẽ bị dịch chuyển về phía khe đó) d) Hiệu quang lộ khi đó: L L 2 L1 n r 2 n r n ør1 eù ne e n r nø n ù x D ø en n ùD k nl ø en n k → x k
Vân sáng thứ k khi đó thỏa mãn điều kiện: ù D k nl nl L k x
e nø n ù , ở đây chú ý: rl k D
Độ dịch chuyển của hệ thống vân so với ban đầu: x x k
xk k n lD e nø n l n ùD k lD k lD n1 1 e nø n l n ùD
Ta thấy hệ thống vân bị dịch chuyển tùy thuộc vào bậc của vân đó. Khoảng
cách giữa 2 vân sáng liên tiếp là: i x k 1 x k
n lD ni 1,5.101,33 3 1,13.10 m 3 1,13mm
Như vậy hệ thống vân sít lại gần nhau hơn so với ban đầu (1,5mm). Có được điều này là do hệ
thống vân dịch chuyển không đều, chứ nếu hệ thống vân dịch chuyển đều thì khoảng cách giữa các
vân vẫn không đổi!
Bài 1.14. Chiếu một chùm ánh sáng trắng xiên 1 góc 450 lên một màng nước xà phòng. Tìm bề
dầy nhỏ nhất của màng để những tia phản chiếu có màu vàng. Cho biết bước sóng của ánh sáng
vàng là 6.10 5cm. Chiết suất của bản là n = 1,33. Tóm tắt:
0,6.10 6 m;i 450;n 1,33;dmin ? Giải: 5 2 2
Điều kiện cực đại giao thoa là: L1 L2 2d n sin i k , 2 Bề dầy: d 2 nk 2 sin i2 2 →dmin 4 n2
sin i2 4 1,330,6.102 sin 45 620 0,133 m
Bài 1.19. Chiếu một chùm tia sáng song song ( 0,6 m ) lên một màng xà phòng (chiết suất
bằng 1,3) dưới góc tới 300. Hỏi bề dầy nhỏ nhất của màng phải bằng bao nhiêu để chùm tia phản xạ có:
+ Cường độ sáng cực tiểu?
+ Cường độ sáng cực đại? Tóm tắt: n 1,33;i 300; 0,6 m 0,6.10 m 6 dmin ? Giải: ù + Điều iện cực tiểu: 1 2d n2 sin i2 2 ø2k 1 2 døk2 sin iù 2 , bề dầy nhỏ nhất ứng với 2 n k = 0: dmin1 2 n2
sin i2 2 1,330,6.102 sin 30 62 0 6 0,243 m 0,243.10 m
+ Điều kiện cực đại: 2d n2 sin i2
k d ø2k 1ù , bề dày nhỏ nhất ứng với k = 0: 2 4 n2 sin i2 dmin2 2
sin i2 4 1,330,6.102 sin 30 6 20 0,122.10 m 6 0,122 m 4 n
Bài 1.24. Chiếu một chùm tia sáng đơn sắc (bước sóng 0,5 m ) vuông góc với mặt của một
nêm không khí và quan sát ánh sáng phản xạ trên mặt nêm, người ta thấy bề rộng của mỗi vân bằng 0,05 cm.
a) Tìm góc nghiêng giữa 2 mặt nêm;
b) Nếu chiếu đồng thời hai chùm tia sáng đơn sắc (bước sóng lần lượt bằng 1 0,5 m và
2 0,6 m) xuống mặt nêm thì hệ thống vân trên mặt nêm có gì thay đổi? Xác định vị trí tại đó
các vân tối của 2 hệ thống vân trùng nhau? Tóm tắt: 6
0,5.10 6 m;i 0,05cm 0,5.10 m 3 a) ? b) ø ù ø ù 1 0,5.10 6 m; 0,6.10 m;x 6 t x t ? 2 1 2 Giải: a) Hiệu quang lộ: L 2d
(hiện tượng nhảy pha diễn ra đối với tia thứ 2
2 – tia phản xạ ở mặt dưới). Điều kiện vân tối: k L2d ø2k 1ù dk 2 2 2
Tọa độ của vân tối (tính từ đỉnh nêm): xk dk dk k sin 2
Khoảng cách giữa 2 vân tối (khoảng vân) là: i xk 1 xk 2 Suy ra: 2 i
2.0,5.100,5.10 6 3 0,5.10 rad 3
b) Khi chiếu 2 ánh sáng có bước sóng khác nhau, trên bề mặt có 2 hệ thống vân k1 1 ;xk2 k2 2
Vị trí được xác định: xk1 2 2
Các vân trùng nhau thỏa mãn điều kiện: x k1 k1 xk2 k1 1 k2 2 k1 k 6 1 2 2 2 2 k2 5 Như vậy:
+ Vân thứ 6 của bước sóng 1 sẽ trùng với vân thứ 5 của bước sóng 2 , vị trí là: x61 62 1
6.0,5.102.0,5.10 63 0,003m 3mm 7
+ Vân thứ 12 của bước sóng 1 sẽ trùng với vân thứ 10 của bước sóng 2 , vị trí là: x 12 1 12.0,5.10 6 0,006m 6mm 121 2 2.0,5.10 3
Như vậy là cứ cách mỗi 3mm kể từ đỉnh nêm sẽ có 1 điểm mà 2 vân tối của 2 hệ thống vân là trùng nhau.
Bài 1.28. Chiếu một chùm tia sáng đơn sắc vuông góc với bản cho vân tròn Newton và quan sát
ánh sáng phản xạ. Bán kính của hai vân tối liên tiếp lần lượt bằng 4,00mm và 4,38mm, bán kính
cong của thấu kính bằng 6,4m. Tìm số thứ tự của các vân tối trên và bước sóng của ánh sáng tới.
Tóm tắt: rk 4.10 3 m;rk 1 4,38.10 3 m;R 6,4m;k ?; ? Giải: r R k;r R øk 1ù r2 R k;r 2 R øk 1ù r2 r2 R rk 12 rk2 kk 1 k k 1 k 1 k R
Thay số ta được: rk 12 rk2 4,382 42 .10 6 0,5.10 6 0,5 m R 6,4
rk2 R k;r k 12 R øk 1ù rrk 12 2 kk 1 1 k1 k r2 rk 2 rk2 4,38422 42 5 k k 1
Vậy 2 vân này là vân thứ 5 và thứ 6.
Bài 1.29. Một thấu kính có một mặt phẳng, một mặt lồi, với mặt cầu có bán kính cong R = 12,5m,
được đặt trên một bản thủy tinh phẳng. Đỉnh của mặt cầu không tiếp xúc với bản thủy tinh phẳng
vì có 1 hạt bụi. Người ta đo được các đường kính của vân tròn tối Newton thứ 10 và thứ 15 trong
ánh sáng phản chiếu lần lượt bằng D1 = 10mm và D2 = 15mm. Xác định bước sóng của ánh sáng dùng làm thí nghiệm. Tóm tắt: R 12,5m D 10øù D1 10mm 10 2 m D 15øù D2 15mm 1,5.10 2 m ?
Gọi đường kính hạt bụi là e, dk là độ dày nêm không khí (tưởng tượng) tại điểm đang xét.
Hiệu quang lộ của cặp tia phản xạ lúc này là: L 2ødk eù 2 8 ù
Điều kiện cho vân tối tại điểm M là: L 2ødk eù ø2k 1 dk k e 2 2 2 2 2 k Từ hình vẽ: D k k 2MH 2 R øR d ù 2 2Rd dk D2k 2 8R k D So sánh ta có: k e 2 8R
Với 2 vân 10 và 15 ta có hệ sau: D 2 ù ù 1 ø 2 2 2 2 ý10 2 e8R ø 2 5 D22 D12 D22 D12 1,5.10 10 0,5.10 6 0,5 m 15 e D2 2 8R 20R 20.12,5 þ 2 8R 9