Bài giảng Vật lí đại cương - Chương 7: Sóng điện từ và sóng ánh sáng

Chương 77.1. SÓNG ĐIỆN TỪ Sóng điện từ: Sóng điện từ là quá trình lan truyền trường điện từ vào không gian.SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ SÓNG ÁNH SÁNGTính chất: Truyền trong mọi môi trường kể cả chân không. Vận tốc truyền sóng phụ thuộc môi trường: v = c/  Là sóng ngang: E  B và E, B  với v (phương dđộng vgóc phương truyền sóng) Mang năng lượng.Sóng điện từ bao gồm 2 thành phần dđộng đồng pha với nhau (dđộng điện và dđộng từ) Giữa bước sóng, chu kỳ, tần số và vận tốc có hệ thức:= vT = v/f Tham gia các hiện tượng quang học như ánh sáng.EvBOMd Thang sóng điện từ (Tự xem)7.2. SÓNG ÁNH SÁNG (tr 149)(Các cơ sở của sóng ánh sáng) Sự đồng nhất giữa sóng điện từ và ánh sáng: Ánh sáng và sóng điện từ có cùng bản chất, tức là chúng đồng nhất với nhau.+ Trong chân không, có cùng vận tốc v = c = 3.108 m/s.Nếu đồng nhất thì: : đúng với mọi chất khí+ Sóng điện từ cũng tham gia các hiện tượng quang học (phản xạ, khúc xạ, ) tương tự như ánh sáng.+ Trong môi trường: Thuyết sóng điện từ về ánh sáng (Măc-xoen):+ Ánh sáng là sóng điện từ có bước sóng ngắn. Ánh sáng nhìn thấy là sóng điện từ có bước sóng trong khoảng 0,4 – 0,76m.+ Tính chất của sóng sáng là tính chất chung của sóng điện từ.+ PT truyền sóng: + Cường độ sáng tỉ lệ với bình phương biên độ dao động sáng:I = A27.2. SÓNG ÁNH SÁNG (tr 149)(Các cơ sở của sóng ánh sáng) Nguyên lý Huyghen – Fresnen:Quang lộ của tia sáng:Quang lộ của tia sáng trong một khoảng thời gian nào đó bằng quãng đường ánh sáng đi được trong chân không trong khoảng thời gian đó.Huygens7.3. GIAO THOA ÁNH SÁNG7.3.1. Giao thoa ánh sáng cho bởi 2 nguồn kết hợp (Tự nghiên cứu)- Trình bày thí nghiệm về hiện tượng giao thoa ánh sáng? Giải thích hiện tượng giao thoa ánh sáng trên quan điểm sóng?- Nêu định nghĩa hiện tượng giao thoa? Điều kiện có vân sáng, vân tối giao thoa?- Vị trí và khoảng vân giao thoa? Ứng dụng của hiện tượng giao thoa?- Giao thoa của ánh sáng trắng.Điều kiện cực đại, cực tiểu:Vị trí vân sáng, vân tối:;Khoảng vân:1. Hiện tượngThí nghiệm khe IângBố trí thí nghiệm khe Iâng (hình 111 trang 125)aNguồn sáng đơn sắc OTrên màn P có 2 khe hẹp F1, F2PQF1F2độ rộng 2 khe cỡ1 vài phần nửa mma = F1F2 cỡ một vài mmDMàn quan sát Q//P; PQ = D tương ứng cỡ m Kết quả: Điều chỉnh màn P sao cho OF1 = OF2 trên màn Q xuất hiện dải sáng tối (vân sáng, vân tối) xen kẽ nhau  hiện tượng như vậy gọi là hiện tượng giao thoa ánh sángb. Điều kiện để có hiện tượng giao thoaF1,F2 trở thành 2 nguồn phát ánh sáng thứ cấp là 2 nguồn kết hợp có:+ Cùng tần số+ Cùng pha dao độngc. Giải thíchF1,F2 là 2 nguồn phát ánh sáng kết hợp Tại điểm M trên Q theo nguyên lý Huyghen – Fresnen sẽ là tập hợp của 2 dao động sáng2 dao động tăng cường nhau  vân sáng2 dao động triệt tiêu nhau  vân tốid. Kết luận: Hiện tượng giao thoa ánh sáng là hiện tượng 2 dao động sáng xuất phát từ 2 nguồn kết hợp làm tăng cường hoặc triệt tiêu lẫn nhau khi gặp nhau tại một điểmĐặc điểm của hệ vân giao thoa: - Vân sáng vân tối xen kẽ nhauCường độ vân sáng bằng nhau Is = 4a2 &Cường độ vân tối bằng nhau I = 0- Độ rộng các vân sáng vân tối bằng nhauĐiều kiện vân sáng3. Vị trí vân sáng, vân tối:;Khoảng vân:2. Điều kiện có vân sáng, vân tốiĐiều kiện vân tối7.3. GIAO THOA ÁNH SÁNG7.3.2. Giao thoa ánh sáng cho bởi bản mỏng (Tham khảo thêm)Bản mỏng: Môi trường trong suốt giới hạn bởi hai mặt, có bề dày cỡ vài phần trăm của milimét.Màu sắc (rất đẹp): trên bản mỏng là do sự giao thoa của các tia phản xạ trên 2 mặt gây ra.7.4. NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG7.4.1. Nhiễu xạ ánh sáng gây bởi sóng cầuOPQMKích thước lỗ tròn lớnGiải thích định tính: Vẽ mặt cầu S tâm O tựa vào lỗ. Mỗi điểm trên S trở thành một nguồn thứ cấp phát sóng cầu về phía trước. Vùng không gian sau màn chắn P có sự chồng chất của nhiều sóng thứ cấp, ở đâu chúng tăng cường thì ở đó có vân sáng, ở đâu chúng triệt tiêu thì ở đó có vân tối.Định nghĩa: Nhiễu xạ ánh sáng là hiện tượng ánh sáng bị lệch khỏi phương truyền thẳng khi đi gần lỗ nhỏ hoặc khe hẹp (gọi chung là các vật chướng ngại có kích thước vào cỡ bước sóng).PQMKích thước lỗ tròn béSO7.4. NHIỄU XẠ ÁNH SÁNGGiải thích định lượng bằng PP đới cầu Fresnen:Định nghĩa:Tính chất:- Diện tích các đới bằng nhau: - Bán kính đới cầu thứ k:- Biên độ dao động sáng do đới thứ k gửi đến M bằng trung bình cộng biên độ của 2 đới bên cạnh:- Dao động sáng do hai đới kế tiếp gây ra tại M ngược pha nhau. Các dao động coi như cùng phương, nên biên độ dao động tổng hợp:a = a1 - a2 +  anDấu (+) n lẻDấu (-) n chẵn7.4.1. Nhiễu xạ ánh sáng gây bởi sóng cầuĐặc biệt nếu n = 2 thì do a1  a2 nên I = 0: điểm M tối hoàn toàn.217.4. NHIỄU XẠ ÁNH SÁNGGiải thích định lượng bằng PP đới cầu Fresnen:Lỗ chứa n đới cầu:Dấu (+) n lẻDấu (-) n chẵn- Khi không có màn chắn an  0- Khi lỗ chứa lẻ đới cầu:Điểm M sẽ sáng hơn bình thường- Khi lỗ chứa chẵn đới cầu:Điểm M sẽ tối hơn b.thườngĐặc biệt nếu n = 1 thì I = a = 4I0 điểm M sẽ sáng gấp 4 lần bình thường Tãm l¹i, ®iÓm M cã thÓ s¸ng kÐm h¬n lªn hoÆc tèi ®i so víi khi kh«ng cã mµn ch¾n tuú theo gi¸ trÞ cña n, tøc lµ tuú theo kÝch th­íc cña lç trßn vµ vÞ trÝ cña mµn quan s¸t. Nhiễu xạ ánh sáng chứng tỏ bản chất sóng của ánh sáng !7.4. NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG7.4.2. Nhiễu xạ sóng phẳng qua một khe hẹpO: Nguồn sáng điểm, đơn sắc, tại tiêu điểm TKHT L0AB: Khe hẹp bề rộng bL: TKHT đặt sau AB: màn quan sát đặt tại tiêu diện LChùm sáng // qua khe hẹp bị nhiễu xạ theo nhiều phương khác nhau. Xét chùm tia nhiễu xạ theo phương  hội tụ tại M trên . M có thể sáng hoặc tối tuỳ theo các giá trị khác nhau của . Điểm F chính giữa màn là điểm sáng, hơn nữa là điểm sáng nhất. Hiện tượng này vi phạm định luật truyền thẳng ánh sáng và gọi là nhiễu xạ sóng phẳng.MÔ TẢ THÍ NGHIỆM7.4. NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG7.4.2. Nhiễu xạ sóng phẳng qua một khe hẹpGIẢI THÍCH HIỆN TƯỢNG THEO QUAN ĐIỂM SÓNG- Kẻ các mp 0, 1, 2, cách đều nhau nửa bước sóng (/2) vuông góc với tia nhiễu xạ. Các mp 0, 1, 2, chia khe thành các dải // có bề rộng:/2- Bề rộng khe hẹp là b, số dải trên khe là: - Tại F, theo định luật Maluyt, quang lộ giữa 2 mặt trực giao (mp khe và điểm F) thì bằng nhau nên các tia gửi đến F đều có cùng pha dao động. Mọi tia gửi đến F tăng cường nhau, kết quả F ( = 0) rất sáng.- Nếu khe chứa một số chẵn dải n = 2k, dao động sáng từ hai dải kế tiếp khử nhau, kết quả M là điểm tối. Vậy điều kiện để M là điểm tối:Loại trừ giá trị k = 0, sin = 0 là điểm sáng F- Nếu khe chứa một số lẻ dải n = 2k +1, dao động sáng từ hai dải kế tiếp khử nhau, còn dao động sáng của dải thứ 2k+1 gây ra không bị khử, kết quả M là điểm sáng. Vậy điều kiện để M là điểm sáng:Loại trừ giá trị k = 0, - 1 (giữa hai vân sáng là vân tối)7.4. NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG7.4.2. Nhiễu xạ sóng phẳng qua một khe hẹpKết luận: sin = 0: ta có cực đại giữa (sáng nhất)ta có các cực tiểu nhiễu xạta có các cực đại nhiễu xạ- Độ rộng vân sáng giữa gấp 2 lần độ rộng vân sáng bên.- Cường độ vân sáng giữa gấp nhiều lần vân bên và giảm dần.Để khắc sâu nội dung, hãy so sánh hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ. 7.4. NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG7.4.3. Nhiễu xạ sóng phẳng qua nhiều khe hẹp. Cách tử nhiễu xạTự nghiên cứu !7.5. HIỆN TƯỢNG PHÂN CỰC ÁNH SÁNG7.5.1. Thí nghiệm về hiện tượng phân cực ánh sángBản Tuamalin: Từ một tinh thể Silicoborat Nhôm trong suốt người ta cưa cắt, mài nhẵn, đánh bóng thành một bản mỏng hình chữ nhật có hai mặt bên song song với trục tinh thể.- Bản Tuamalin là một môi trường truyền sáng không đẳng hướng.- Trục tinh thể được gọi là quang trục của bản Tuamalin.Thí nghiệm: Bản TuamalinTN1: O là nguồn sáng trắng, phương truyền Oy  với mặt bên T1. Quay T1 xung quanh phương truyền, cường độ sáng I1 sau nó không đổi.TN2: Cố định T1, đặt tiếp sau nó bản T2 cũng có mặt bên vuông góc với Oy. Cường độ sáng sau T2 phụ thuộc góc quay: + 1 // 2: I2 lớn nhất: I2max+ 1  2: I2 nhỏ nhất: I2min = 0+ 1 tạo với 2 một góc : I2 nhận giá trị trung gian: 0 < I2 < I2maxKL: Hiện tượng bất thường này được gọi là hiện tượng phân cực ánh sáng .7.5. HIỆN TƯỢNG PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 7.5.2. Giả thuyết về ánh sáng tự nhiên và ánh sáng phân cực Ánh sáng tự nhiên: Ánh sáng phát ra từ các nguồn trong tự nhiên như cây đèn, ngọn nến, mặt trời, - Khi được kích thích, nguyên tử khối chất phát ra những đoàn sóng nối tiếp nhau. Trong mỗi đoàn sóng này, véctơ sóng sáng dao động theo một phương xác định vuông góc với phương truyền.- Do vận động trong nguyên tử, các đoàn sóng do cùng một nguyên tử phát ra có thể có véctơ sóng sáng dao động theo các phương khác nhau. - Một nguồn sáng tập hợp nhiều nguyên tử, do chuyển động nhiệt, các đoàn sóng do các nguyên tử phát ra cũng thay đổi một cách hỗn loạn quanh phương truyền. Kết quả: Ánh sáng tự nhiên có véctơ sóng sáng dao động theo mọi phương vuông góc với phương truyền sáng. Một cách gần đúng: Ánh sáng tự nhiên có véctơ sóng sáng phân bố đối xứng xung quanh phương truyền. OyEBiểu diễn ánh sáng phân cực7.5. HIỆN TƯỢNG PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 7.5.2. Giả thuyết về ánh sáng tự nhiên và ánh sáng phân cực Ánh sáng phân cực: Ánh sáng có véctơ sóng sáng chỉ dao động theo một phương xác định. Mỗi đoàn sóng do nguyên tử phát ra là một ánh sáng phân cực toàn phần. - Mặt phẳng chứa véctơ sóng sáng là mặt phẳng dao động.- Mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng dao động và chứa phương truyền gọi là mặt phẳng phân cực.OyBiểu diễn ánh sáng phân cực7.5. HIỆN TƯỢNG PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 7.5.3. Giải thích hiện tượng phân cực ánh sáng Thừa nhận:- Ánh sáng trong tự nhiên gồm ánh sáng tự nhiên và ánh sáng phân cực.- Bản Tuamalin cho qua hoàn toàn ánh sáng có véctơ sóng sáng // quang trục, hấp thụ hoàn toàn ánh sáng có véctơ sóng sáng  quang trục. Ánh sáng có véctơ sóng sáng xiên góc với quang trục thì cho qua một phần.TN1: Trước bản T1 là ASTN, véctơ sóng sáng phân bố đối xứng xung quanh phương truyền. Sau T1 là ASPC có véctơ sóng sáng // 1. Vì đối xứng, T1 quay cường độ sáng sau T1 không đổi: TN2: Trước T2 là ASPC có véctơ sóng sáng // 1 nên:+ 1 // 2: T2 cho qua hoàn toàn: I2 lớn nhất: I2max+ 1  2: T2 hấp thụ hoàn toàn: I2 nhỏ nhất: I2max+ 1  2: T2 cho qua một phần, I2 nhận giá trị trung gian.7.5. HIỆN TƯỢNG PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 7.5.4. Định luật Maluyt về hiện tượng phân cực ánh sáng Phát biểu: Khi cho một chùm sáng tự nhiên rọi qua hai bản Tuamalin có quang trục hợp với nhau một góc  thì cường độ sáng nhận được sau hai bản tỉ lệ với cos2. Biểu thức: I2 = I1cos2Chứng minh:a2 = a1cosI2 = a22I1 = a12 I2 = I1cos2Kết luận về hiện tượng phân cực ánh sáng: Hiện tượng phân cực ánh sáng chứng tỏ ánh sáng có bản chất sóng, hơn nữa là sóng ngang.Những công việc chuẩn bị cho tuần sau:Lý thuyết:Chương 8. QUANG HỌC LƯỢNG TỬ8.1. Cơ sở của quang học lượng tử - Thuyết lượng tử năng lượng của Plăng - Thuyết lượng tử ánh sáng của Anhxtanh8.2. Hiện tượng quang điện và ứng dụng8.3. Hiện tượng hấp thụ và ứng dụng - Hấp thụ ánh sáng của chất rắn và chất lỏng - Môi trường có hệ số hấp thụ âm. Ứng dụng của hiện tượng hấp thụChương 9. VẬT LÝ LƯỢNG TỬ, NGUYÊN TỬ VÀ HẠT NHÂN9.1. Tính chất sóng hạt của vi hạt9.2. Hệ thức bất định HaisenbécThảo luận (Theo đề cương )