Vật lý chất rắn - Chương 7: Quang học sóng

§7.1. SÓNG ÁNH SÁNG §7.2. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA §7.3. HIỆN TƯỢNG NHIỄU XẠ §7.4. HIỆN TƯỢNG PHÂN CỰC 1. Thí nghiệm khe I-âng (Young) S M1 F M2 F1 F2 E §1. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA  Ánh sáng từ nguồn sáng hẹp F chiếu tới hai khe hẹp F1, F2 song song và rất sát nhau, hai khe trở thành hai nguồn sáng thứ cấp lan tỏa về phía trước.  F1, F2 là hai nguồn đồng bộ, chúng có cùng biên độ và tần số với nguồn F, có độ lệch pha không đổi. Trong miền chồng chất của hai sóng (miền giao thoa) xuất hiện các vân sáng, tối xen kẽ nhau (vân giao thoa). §1. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA S M1 F M2 F1 F2 E 1. Thí nghiệm khe I-âng (Young) Định nghĩa: Giao thoa ánh sáng là sự chồng chất của hai hay nhiều nguồn sáng đồng bộ, đó là các nguồn có cùng biên độ và tần số, có độ lệch pha không đổi theo thời gian. 2. Khảo sát hiện tượng giao thoa 1 1 2 cosM d S a t           2 2 2 cosM d S a t           Xét thí nghiệm bố trí trong chân không, giả thiết rằng phương trình dao động sáng tại F1 và F2 là: Khi tới điểm M trên màn E, cách F1 và F2 các khoảng cách d1, d2 các dao động sáng sẽ có phương trình: 1 2 cos tS S a   1F 2F 1d 2d 0M M §1. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA 2. Khảo sát hiện tượng giao thoa                 1212M2M1M dd tcos dd cosa2SSS Dao động sáng tại M là tổng hợp của hai dao động : Dao động tổng hợp tại M có: -Tần số góc - Biên độ   2 1 2 cos d d A a     §1. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA 1F 2F 1d 2d 0M M 2. Khảo sát hiện tượng giao thoa §1. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA 2.1. Điều kiện vân sáng, vân tối  M là điểm sáng khi biên độ đạt cực đại:  2 1 2 cos d d A a     2 1 , 0, 1, 2,...d d k k        2 1 2 1 cos 1 d d d d k           max 2A a  M là điểm tối khi biên độ đạt cực tiểu:  2 1 2 1 , 0, 1, 2,... 2 d d k k             2 1 2 1cos 0 2 1 2 d d d d k            min 0A  Tập hợp các điểm sáng tạo thành các vân sáng Tập hợp các điểm tối tạo thành các vân tối 2. Khảo sát hiện tượng giao thoa , ( 0; 1; 2...)s D y k k a       Vị trí vân tối:  2 1 ,( 0; 1; 2...) 2 t D y k k a       §1. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA 2.2. Vị trí vân sáng, vân tối và khoảng vân  Vị trí vân sáng: 1 2 ; ; F F a IO D OM y    1F 2F 1d 2d O M I  Khoảng vân: D i a     ; 0, 1, 2,... 2 1 ; 2 s t y ki k i y k            Sử dụng ánh sáng trắng: Hiện tượng quan sát được: Trên màn quan sát một vạch sáng trắng ở giữa, hai bên có các vạch sáng màu như cầu vồng biến thiên từ tím đến đỏ. §1. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA S M1 F M2 F1 F2 E S M1 F M2 F1 F2 E A  Sử dụng ánh sáng đơn sắc: A 1. Thí nghiệm khe I-âng (Young) §1. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA Giao thoa với ánh sáng đơn sắc màu đỏ 742 2 3 nm d mm L m     §1. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA Giao thoa với ánh sáng đơn sắc màu tím 431 2 3 nm d mm L m     §1. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA 483 2 3 nm d mm L m     Giao thoa với ánh sáng đơn sắc màu xanh da trời §1. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA 541 2 3 nm d mm L m     Giao thoa với ánh sáng đơn sắc màu xanh lá cây §1. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA 1. Thí nghiệm về hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng oS M E Chiếu ánh sáng qua một lỗ nhỏ O để tạo nguồn sáng điểm chiếu lên màn quan sát E.  Theo định luật truyền thẳng thì trên màn E ta có một bóng tối hình tròn của tấm M. §2. NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG  Giữa O và E đặt một tấm chắn M hình tròn.  Nếu dùng một kính lúp để quan sát thì thấy ở rìa mép của bóng tối xuất hiện các vòng tròn sáng. oS M E  Nếu kích thước tấm chắn M càng bé thì ở tâm bóng tối sẽ xuất hiện 1 điểm sáng, đồng thời trong vùng tối hình học xuất hiện nhiều vòng tròn sáng, tối xen kẽ nhau. E §2. NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG 1. Thí nghiệm về hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng ánh sáng không còn tuân theo định luật truyền thẳng khi gặp vật cản có kích thước rất nhỏ.  Khi kích thước của lỗ rất nhỏ thì cũng xuất hiện các vân tròn sáng tối đồng tâm xen kẽ nhau và tùy thuộc vào kích thước của lỗ và khoảng cách từ lỗ đến màn E mà ở tâm hệ vân có thể là một điểm sáng hay tối. §2. NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG Nếu chiếu chùm sáng qua một lỗ nhỏ thì:  Khi của lỗ lớn, trên màn E thu được một hình tròn sáng. 1. Thí nghiệm về hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng 1. Thí nghiệm về hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng §2. NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG ánh sáng không còn tuân theo định luật truyền thẳng đi qua các lỗ nhỏ, khe hẹp. Định nghĩa: §2. NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng là hiện tượng ánh sáng không còn tuân theo định luật truyền thẳng (tia sáng bị lệch khỏi phương truyền thẳng) khi truyền qua các lỗ nhỏ, khe hẹp, khi gặp các vật cản nhỏ hoặc khi đi qua mép vật. 2 Nguyên lý Huyghen- Fresnel  Mỗi điểm của mặt  mà ánh sáng truyền đến lại trở thành một tâm phát sóng cầu thứ cấp.  Pha của sóng thứ cấp là pha của sóng tới.  Dao động sáng tại một điểm nào đó ngoài mặt  là tổng hợp của tất cả các sóng cầu thứ cấp phát đi từ mọi điểm của mặt  gửi tới điểm đó. §2. NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG Giả thiết sóng ở nguồn O có dạng: S = Acoswt Sóng tới ds S1 = A1 cos wt - 2pr1 l æ è ç ö ø ÷ dS = A2 cos wt - 2pr1 l æ è ç ö ø ÷ 1 22 2cosM M r r dS A t              và sóng thứ cấp phát từ d là: Sóng tới M có dạng: 2 Nguyên lý Huyghen- Fresnel §2. NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG MO 1 2 r1 r2 ds S = dSM S ò = A q1,q2( ) r1r2 cos wt - 2pr1 l - 2pr2 l é ë ê ù û úds S ò Dao động sáng tổng hợp tại M do các nguồn thứ cấp gửi tới là: AM = A q1,q2( )ds r1r2 Biên độ AM tỷ lệ nghịch với r1, r2 và phụ thuộc vào góc 1, 2 giữa pháp tuyến của d với tia tới và tia ra khỏi d. Với A(1 ,2 ) là hệ số phụ thuộc 1 ,2 ,có giá trị càng lớn khi 1 ,2 càng bé. 2 Nguyên lý Huyghen- Fresnel §2. NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG MO 1 2 r1 r2 ds 1. Thí nghiệm về hiện tượng phân cực ánh sáng T1 S Ô  Quay T1 quanh phương truyền sáng (T1 luôn vuông góc với chùm sáng), thì thấy cường độ chùm sáng không thay đổi. §4. PHÂN CỰC ÁNH SÁNG  Một chùm sáng song song, hẹp được chiếu vuông góc vào mặt bản Tua-ma-lin T1 có trục quang học song song với hai mặt bên, đặt mắt ở phía sau để quan sát. D1D1 1. Thí nghiệm về hiện tượng phân cực ánh sáng T1 S Ô  Quay T2 quanh phương truyền sáng (T2 luôn vuông góc với chùm sáng), thì thấy cường độ sáng sau T2 thay đổi theo góc hợp bởi hai quang trục. §4. PHÂN CỰC ÁNH SÁNG D1  Cố định T1, đặt bản T2 (giống T1 ) vào phía sau và song song với T1 2 T2 I = Imax I = 0 0 < I < Imax 1 Thí nghiệm về hiện tượng phân cực ánh sáng D1 D2 qD1 D2 D1 D2 §4. PHÂN CỰC ÁNH SÁNG T1 S Ô D1 2 T2 T1 S Ô D1 2  T2 T1 S Ô D1 2 T2 §4. PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 1. Thí nghiệm về hiện tượng phân cực ánh sáng  Đặc điểm của tinh thể tuamalin: Cho ánh sáng có phương song song với trục tinh thể đi qua, còn theo phương vuông góc bị chặn. Nhận xét: Ánh sáng tại nguồn có tính đối xứng quanh phương truyền, có véc-tơ dao động sáng dao động theo mọi phương vuông góc với tia sáng. Ánh sáng sau khi đi qua bản Tuamalin chỉ còn dao động theo một phương duy nhất, đó là phương song song với trục tinh thể của bản Tuamalin. §4. PHÂN CỰC ÁNH SÁNG T1 T2 1. Thí nghiệm về hiện tượng phân cực ánh sáng Ánh sáng chỉ còn dao động theo một phương duy nhất song song với trục tinh thể của bản Tuamalin. Ánh sáng có tính đối xứng quanh phương truyền, có véc-tơ dao động sáng dao động theo mọi phương vuông góc với tia sáng. 2. Ánh sáng tự nhiên, ánh sáng phân cực §4. PHÂN CỰC ÁNH SÁNG là ánh sáng mà véc-tơ dao động sáng có đủ mọi phương và biên độ dao động nhau bằng nhau.  Ánh sáng tự nhiên:  Ánh sáng phân cực một phần: là ánh sáng mà các véc-tơ dao động sáng có đủ mọi phương nhưng biên độ dao động khác nhau.  Ánh sáng phân cực toàn phần: là ánh sáng mà véc-tơ dao động sáng chỉ có một phương duy nhất. §4. PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 3. Định luật Ma-luýt (Malus) T1 S Ô D1 2 T2 Chiếu chùm sáng tự nhiên từ nguồn S qua hai bản Tua-ma-lin T1 và T2 , tia sáng vuông góc với các bản: q D1 D21E  Bản T1 (tạo a/s phân cực) gọi là kính phân cực.  Bản T2 (nhận biết a/s phân cực) gọi là kính phân tích.  Giả sử góc giữa hai trục tinh thể 1 và 2 là θ  Gọi véc-tơ dao động sáng qua T1 là 1E §4. PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 3. Định luật Ma-luýt (Malus) T1 S Ô D1 2 T2  Phân tích ánh sáng qua T1 ra hai thành phần: ' 1 2 2E E E  q D1 D2 1E ' 2E 2E q bị T2 chặn đi qua T2 ' 2 2 2 2/ / E E         Mối liên hệ độ lớn: 2 1.cosE E   Ta biết: 2 2 2 2 2 1~ a .cosI E E    2 2 1.cosI I  §4. PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 3. Định luật Ma-luýt (Malus) 2 2 1.cosI I  2 1 2 max 2 1 2 2 1 max 2 / / 0 / / 0 khi I I khi I khi I I                   Cường độ ánh sáng qua kính phân cực và kính phân tích tỷ lệ với bình phương cosin của góc hợp bởi hai quang trục. 23. Nêu thí nghiệm giao thoa ánh sáng của Young, từ đó đưa ra định nghĩa về giao thoa? Viết điều kiện của vân sáng, vân tối giao thoa? 24. Nêu thí nghiệm và định nghĩa hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng? Trình bày nguyên lý Huyghen – Fresnel? 25. Nêu khái niệm và vẽ hình mô tả: ánh sáng tự nhiên, ánh sáng phân cực? Trình bày định luật Malus về phân cực ánh sáng? Câu hỏi ôn tập (tiếp tục)